Автореферат (Разработка и исследование высокоэффективных малотоннажных установок сжижения природного газа), страница 2

Всерассмотренные работы посвящены теоретическим и прикладным аспектамповышения энергоэффективности установок сжижения природного газа.На основании проведённого анализа были сформулированы цели и задачиисследования.Вторая глава посвящена разработке методики исследованиятермодинамической эффективности установок сжижения природного газа исостоит из шести разделов.В первом разделе рассмотрены современные методы анализаэффективности криогенных установок. На основе данных, полученныхэнтропийно-статистичесим и эксергетическим методами анализатермодинамической эффективности проведено сопоставление распределениязатрат энергии по узлам установок, работающих по двум классическимкриогенным циклам: циклу Линде – Хэмпсона и циклу Капицы.

Результаты,полученные разными методами анализа, отличаются в пределах 5 %. При этомэнтропийно-статистический метод является более информативным, наглядными менее трудоемким.Во втором разделе рассмотрены термодинамические основыразработанной методики. В силу свойства аддитивности общее производствоэнтропии в системе ∆ ′ равно сумме величин производства энтропии во всехподсистемах (детандере, дросселе, теплообменных аппаратах и т.д.):∆′ = Σ∆′ ,(1)4где ∆′ - производство энтропии в i-той подсистеме реальной криогеннойустановки; i – номер подсистемы.Для компенсации производства энтропии в целях поддержанияработоспособности установок требуются дополнительные затраты энергии,например, в виде работы, которые определяются произведением температурысреды стока теплоты T00 на величину общего производства энтропии системыΣ∆′ :∆ = 00 ∗ Σ∆′ .(2)При равенстве температуры среды стока теплоты Т00 и температурыокружающей среды Т0 уравнение (2.2) представляет собой уравнение ГюиСтодолы: ∆ = 0 ∗ Σ∆′ .

Для функционирования реальной криогеннойустановки требуются действительные затраты работы: = + ∆.(3)Величина в уравнении (3) – это затраты работы в криогеннойустановке, работающей по циклу с полностью обратимыми процессами (термодинамически совершенная установка): = 00 (вх − вых ) − (вх − вых ) ,(4)где (вх − вых ) и (вх − вых ) – изменение энтропии и энтальпии газа.Уравнение (4) является общим для открытых термодинамических системи используется в дальнейшем для определения минимальной работы ожижения,минимальной работы предварительного охлаждения и изотермической работысжатия.Степень термодинамического совершенства криогенной установкиопределяется отношением теоретически минимально необходимой затратыработы к действительной: = .(5)В третьем разделе приведена методика определения основныххарактеристик рабочего цикла установки.

При этом используетсядополнительная среднестатистическая информация о следующих величинах,полученных на основании многолетнего опыта проектирования и эксплуатациикриогенных установок и систем: температура окружающей среды T0принимается равной средней температуре излучательного равновесия Земли вокружающее пространство: T0 =300 К; величина недорекуперации втеплообменных аппаратах, возникающая вследствие несовершенства процессатеплообмена, принимается в диапазоне ΔT=5÷10 К; теплоприток qО.С..

дляданного характерного температурного уровня (Т > 80 К) qО.С.= 1÷ 4 кДж/кгсжатого ПГ; изотермический ηиз и адиабатный ηs компрессоров: ηиз=0,55..0,65, аηs=0,7..0,8; коэффициенты полезного действия детандеров изменяется впределах ηs=0,72..0,85.Четвертый раздел посвящен методике определения работы компрессоров.Работа сжатия компрессора определяется энергетическим и энтропийнымбалансом открытой термодинамической подсистемы, показанной на Рис. 1.5Рис. 1.

Компрессор в виде открытойтермодинамической подсистемы,обменивающейся с внешней средой теплотойсжатия q и работой сжатия l:iвх, iвых, Sвх, Sвых – энтальпии и энтропииматериального потока на входе и выходе,например, при изотермическом сжатии.На основании первого и второго законатермодинамики:из = 00 (вх − вых ) − (вх − вых ).Работа сжатия компрессора в адиабатных условиях:адад = вых− вх .Дополнительная работа, требуемая для компенсации производстваэнтропии в компрессоре, учитывается через КПД компрессора:для сжатия в изотермических и адиабатных условиях:изадΔиз =− из ,Δад =− ад .изадДействительная работа сжатия при оценке совершенства компрессора визотермических условиях:L = из .(6)изДействительная работа сжатия при оценке совершенства компрессора вадиабатных условиях:L = ад .(7)адВ пятом разделе приведена методика энтропийно-статистическогоанализа распределения затрат энергии в узлах контура природного газа.Суммарное производство энтропии в многопоточном теплообменномаппарате есть разность изменений энтропии нагреваемых (обратных) Δвх−выхи охлаждаемых (прямых) Δвых−вх потоков:′Σт.о.= Σ Δвх−вых − Σ Δвых−вх ,(8)где G –относительные величины массовых потоков.Производство энтропии вследствие конечной разности давлений на входеи выходе из дросселя в адиабатных условиях′Δдр= вых − вх .(9)Производство энтропии вследствие конечной разности давлений на входеи выходе из эжектора в адиабатных условиях′Δэж= вых ( + Э) − вх − Эвх эж ,(10)где Э – относительная величина массового пассивного потока эжектора;вх эж - энтропия на входе пассивного потока в эжектор.Значения затрат энергии на компенсацию производства энтропии,вычисленной по уравнениям (8) - (10), рассчитываются по зависимости (2).Энергетический баланс ступени тубодетандерно – компрессорногоагрегата (ТДКА) определяется следующим образом (Рис.2.):6Рис.

2. ТДКА в виде открытойтермодинамической подсистемы:qм.о. – теплота трения масляныхддккккподшипников; вх, вых, вх, вых, вх, вых,ддвх , вых , энтальпии и энтропииматериальных потоков на входе и выходекомпрессорной и детандерной ступени,соотв.Работа расширения газа в′детандере: д = к + ΔТДКА,где к - действительная работа сжатия в компрессорной ступени ТДКА,определяемая согласно уравнениям (6) или (7).′Суммарные потери ΔТДКАпри передаче энергии от детандерной ступениТДКА к компрессорной:′′′ΔТДКА= Δбп+ Δм.о,(11)′где Δбп - затраты энергии на компенсацию производства энтропии в байпасе;рассчитываются аналогично затратам на компенсацию потерь в дросселе;′Δм.о- затраты работы на компенсацию производства энтропии вследствие′трения в подшипниках ТДКА.

При этом qм.о. = Δм.о.Работа расширения детандера также определяется величиной измененияэнергии потока на входе и выходе: д = (вх − вых ).Производство энтропии вследствие несовершенства процессов вдетандере определяется энтропийным балансом:Δд′ = вых − вх .(12)Затраты работы компрессора на компенсацию теплопритоковопределяются как часть удельных затрат изотермической (адиабатной) работысжатия:′Δо.с.= ∙ о.с. ,(13)изгде =- коэффициент удельных затрат изотермической работы сжатия(при использовании адиабатной работы сжатия =ад, соотв.); qx – полнаяудельная холодопроизводительность анализируемой установки или подсистемыустановки (холодопроизводительность внешнего холодильного цикла,изотермический эффект дросселирования и т.д.).Очевидно, что работа изотермического (адиабатного) сжатия компрессораопределит затраты энергии в цикле криогенной установкииз = + 00 ΣΔ′ ,(14)′ад = + 00 ΣΔ .(15)При анализе эффективности процесса адиабатного сжатия требуется учетнесовершенства процесса передачи тепла сжатия путем введениядополнительного слагаемого в сумму ΣΔ′ в правой части уравнения (15).7Производство энтропии в концевом холодильнике (аппаратах воздушногоохлаждения - АВО, конденсаторах ПКХМ):′вых−вхΔк.х.= к.х.

− Δк.х.,(16)00где q к.х. – тепловая нагрузка концевого холодильника (теплота сжатия иливых−вхконденсации); Δк.х.– равновесное изменение энтропии рабочего тела (ПГ,хладон и др.) в процессе охлаждения в концевом холодильнике.Суммарная работа, затрачиваемая на равновесное перераспределение икомпенсацию производства энтропии в контуре ПГ:′ΣΔПГ= + Σ00 Δ′ + ΣΔ′ − min охл.

,(17)′где Σ00 Δ - суммарные затраты энергии на компенсацию производстваэнтропии в узлах контура ПГ вычисляемые по уравнениям (8) –(10), (12);ΣΔ′ - потери при передаче энергии от детандерной ступени ТДКА ккомпрессорной и затраты энергии на компенсацию теплопритоков изокружающей среды, определяемые согласно уравнениям (11) и (13); , min охл. – минимальная работа ожижения и минимальная работапредварительного охлаждения, вычисляемые по уравнению (4).Мерой достоверности расчета является величина дисбаланса энергии,вырабатываемой компрессором (изотермическая или адиабатная работа сжатия,определяемая уравнениями (14), (15)) и затрачиваемой на генерацию иравновесное перераспределение энтропии (суммарные энергетические потери,′определяемые уравнением (17)): Δ = Σиз.,ад.

− ΣΔПГ.В шестом разделе рассмотрены особенностиэнтропийностатистического анализа установок использующих пароконденсационнуюхолодильную машину (ПКХМ). Исходные данные для определенияхарактеристик цикла ПКХМ: начальная температура ПГ на входе в испарительПКХМ Тх.нач и конечная температура ПГ на выходе из испарителя ПКХМ Тх.кон(определяется также на этапе расчета основных параметров в характерныхточках цикла ожижения ).

Для выбранного типа хладагента определяетсясредняя температура в испарителе Tисп.Полная удельная и реальная холодопроизводительность цикла:х.полн = вс − конд ,х.реал = х.полн − о.с. .где iвс – энтальпия хладона на всасывании в компрессор ПКХМ;iконд – энтальпия хладона на выходе из конденсатора.Минимальная необходимая работа для генерации холода х.полн :о.с.

− х.конПКХМ = х.полн.х.конРабота сжатия компрессора в адиабатных условиях:ад = ад − вс ,где iад – энтальпия хладона на выходе из компрессора.Действительная затрачиваемая работа:сж = ад ,(18)С другой стороны8сж = сж − х.полн ,(19)где сж = н − к – теплота сжатия хладагента;н – энтальпия хладагента на нагнетании компрессора.Достоверность расчета подтверждается балансом величин, полученныхрешением уравнений (18) и (19).Степень термодинамического совершенства цикла ПКХМ:ПКХМПКХМ =.сжВеличина холодильного коэффициента при адиабатном сжатии:х.полнх =.адВеличина действительного холодильного коэффициента:х.полнх.действ =.сжЗатраты работы в ПКХМ: ПКХМ = сж ,где = пр.охл /х.полн - величина соотношения расходов ПГ и внешнегохладагента; пр.охл – тепловая нагрузка ПКХМ, определяемая на стадииполучения основных характеристик рабочего процесса путем решенияуравнений энергетического и материального баланса ступени предварительногоохлаждения .

Степень термодинамического совершенства ПКХМ в циклеожижения: = min охл. ,ПКХМ где min охл. – величина минимальной работы предварительного охлаждения ПГ;определяется по зависимости (4), при этом (вх − вых ) − изменение энтропии и(вх − вых ) – изменение энтальпии ПГ в испарителе ПКХМ.Величина изменения энтропии при теплообмене в конденсаторе ииспарителе ПКХМ определяется по уравнению (16). В случае реализациипроцесса при постоянной разности температур это уравнение упрощается:11′Δисп.,конд= исп.,конд ( − ),(20)ХГгде исп.,конд – тепловая нагрузка испарителя или конденсатора; Х -температуракипения хладона (для испарителя) или окружающей среды О (дляконденсатора); Г – средняя температура ПГ (для испарителя) или конденсациихладона (для конденсатора).Суммарная работа, затрачиваемая на равновесное перераспределениеэнтропии и компенсацию производства энтропии в контуре ПКХМ:′ΣΔПКХМ= (Σ00 Δ′ + Δ′ ) + min охл.