Автореферат (Разработка и исследование высокоэффективных малотоннажных установок сжижения природного газа), страница 5

Принципиальная схема стенда (а) и общий вид РВКГ (б)При проведении экспериментальных исследований проводилисьизмерения следующих параметров (согласно схеме представленной наРис. 17а): давления газа на входах и выходах РВКГ датчиками Р12, Р13, Р14типа «Сапфир» и манометрами МН24, МН25, МН26 и МН27; расходыактивного и пассивного газов расходомерами диафрагменного типа РМ5 и РМ7с вторичными датчиками F5 и F7 типа «Сапфир»; температуры газа на входах ивыходах РВКГ T50, T51, T52 и Т53.На Рис. 18а показано влияние степени расширения активного потока наадиабатный КПД при изменении среднего осевого зазора δ. При увеличениистепени расширения активного газа с 1,6 до 2,6 отмечается снижение величиныадиабатного КПД ηад РВКГ на 10-12 %.

При этом уменьшение среднегоосевого зазора с 0,1 до 0,045 мм приводит к увеличению КПД от 3 до 7 % висследованном диапазоне степеней расширения πк.а)б)Рис.18. Влияние степени расширения активного потока πк на адиабатный КПДηад (а) и относительный расход Gп/Gа (б) при изменении среднего осевогозазора δ (внешний диаметр ротора=60мм)« » – δ = 0,1мм; « » – δ = 0,066мм; « » – δ =0,045ммПри этом степень сжатия пассивного потока πт в проведенныхэкспериментальных исследованиях близка к степени расширения π к. С целью22уменьшения влияния торможения потока активного газа, подаваемого в канал,торцевые поверхности стенок каналов ротора РВКГ (со стороны подачиактивного газа) были доработаны путем снятия фасок (Рис.

19).Рис. 19. Торцеваяповерхностьгазодинамической частиРВКГ: а) – до доработки, б)– после доработкиа)б)Как показано на Рис. 20 в результате доработки торцевой поверхностипрототочной газодинамической части ротора РВКГ расход активного газаувеличился на 6-9 %, а пассивного на 7-17 %.Рис. 20.

Влияние степени расширенияактивного потока на расходпассивного и активного газа (приторцевом зазоре δ=0,045 мм):, - расход активного и пассивногогаза до доработки;, - расход активного и пассивногогаза после доработкиЗафиксированное значение температуры АН 158К при давлении 1,58 МПа(Рис. 21) позволяет утверждать, что РВКГ устойчиво работает и в двухфазнойобласти.Рис. 21. Область работы РВКГ всравнении с областью работытурбодетандера на ГРС-4в г. ЕкатеринбургеВ четвертой части первого раздела показано сопоставлениеэкспериментальных данных с результатами расчета по разработаннойматематической модели и данными расчета согласно формулам описывающим23процесс выхлопа (Рис.

22). Обе предложенные модели описывают процессы вРВКГ с точностью ~10 %.Рис. 22. Сопоставление расчетных иэкспериментальных значенийадиабатного КПД РВКГ взависимости от степени расширения(δ=0,045 мм):- - - – расчет по уравнениюпроцесса выхлопа Т к Tн (1 Pн(k  1))Pк,kгден, к – начальные и конечныезначения параметров процесса;– расчет согласноматематической модели;– экспериментальные данныеВо втором разделе приведен энтропийно – статистический анализтермодинамической эффективности установки среднего давления с РВКГ дляусловий ГРС. Особенности работы РВКГ заключаются в том, что также как и вТДКА компрессия осуществляется за счет энергии расширяющегося газа, но вотличие от последнего степень повышения давления примерно равна степенисжатия, а величина компримируемого потока составляет 20-25 % от величиныдетандерного.

Исходя из этого, предложена следующая схема установкисжижения (Рис. 23).Рис. 23. Схема установки cдвухступенчатым РВКГ:КМ – «удаленный» компрессормагистрального газопровода; РВКГ1,РВКГ 2 – первая и вторая ступениРВКГ; ТОА1, ТОА2- основной идроссельный теплообменники; АВО1,АВО2 – аппараты воздушногоохлаждения; Сеп1 –сепаратор, Сеп2 –хранилище СПГ; Др 1 – дроссель, Эж– дроссель – эжектор24Результаты энтропийно-статистического анализа показали (таблица 4) ,что установка сжижения природного газа, работающая по циклу среднегодавления с РВКГ, имеет термодинамическую эффективность 0,17.Таблица 4.

Термодинамические параметры установок сжиженияприродного газа среднего давления для условий ГРС, основанных наприменении турбодетандера традиционной конструкции и РВКГНесмотря на более низкий коэффициент ожижения, термодинамическаяэффективность установки, использующей двухступенчатый РВКГ, близка поэффективности к традиционной технологии, использующей турбодетандер,вследствие более рационального использования энергии расширения.На основе затрат на изготовление опытного образца РВКГ былапроведена примерная оценка стоимости промышленного агрегата дляустановки сжижения природного газа производительностью 3 т/ч СПГ. Как иожидалось, затраты на изготовление РВКГ оказались в 4-5раза ниже цен натрадиционные турбодетандер - компрессоры, широко используемые вкриогенной технике.

Общая ожидаемая экономия может составлять до 25 % отобщей стоимости установки.В третьем разделе показано направление совершенствования установоквысокого давления путем использования каскадной холодильной машины дляпредварительного охлаждения. Принципиальная схема предлагаемой установкипредставлена на Рис. 24. По сравнению со схемой установки спредварительным охлаждением только на уровне 203К, исследованной в гл. 3, вданном случае цикл дополняется трехпоточным теплообменником № 21,который помимо потоков фреонов R22 и R23 включает в себя потокприродного газа.25Рис.

24. Схема установки высокогодавления с предварительнымохлаждением каскадной ПКХМ идроссель-эжектором: I – компрессорПГ с системой отвода теплотысжатия qсж; II – теплообменник №1(предварительный); III – ПКХМ,работающая на R22 (К – компрессорR22; К.Х – концевой холодильник;КОН – конденсатор; Др – дроссель);IV – теплообменник №21 (испарительR22, конденсатор R23); V – ПКХМ ,работающая на R23 (К – компрессорR22; Др – дроссель); VI –теплообменник №22 (испарительR23); VII – теплообменник №3(основной); VIII – эжектор; IX –сепаратор; X – дроссель; XI –хранилище СПГВведение в схему дополнительной ступени предварительного охлажденияприводит к уменьшению потерь энергии в испарителе хладона R23 практическив три раза; при этом на 38 % уменьшаются потери на сжатие в компрессоре R23(Рис. 25).Рис.

25. Распределение затратэнергии по элементамфреонового контура установок содним (203 К) и двумя (233К и203К - каскадный цикл)температурнымиуровнямипредварительного охлаждения.Суммарные затраты энергии в контуре R23 уменьшаются почти на 40 %.Это, в свою очередь, приводит к сокращению примерно на 5 % суммарныхзатрат всей установки и, соответственно, к увеличению степенитермодинамического совершенства до величины 0,341, что примерно на 5 %выше, чем в установке с предварительным охлаждением на температурномуровне 203 К.26В четвертом разделе приведен энтропийно – статистический анализэффективности установки с внешним азотным рефрижераторным детандернымциклом.Основные результаты анализа эффективности установки при различныхзначениях изотермического КПД компрессоров η1,2 и адиабатного КПДдетандера ηs приведены в таблице 5.Анализ полученных результатовпоказывает, что решающий вклад в повышение эффективности всей установкивносят увеличение КПД циркуляционного компрессора азотного контура иТДКА.Таблица 5.

Эффективность установки при различных значенияхизотермического КПД компрессоров η1,2 и адиабатного КПД детандера ηsВ пятом разделе приведено сопоставление эффективности одного изнаиболее широко используемых циклов сжижения ПГ на СХА – SMR, с однимиз наиболее перспективных – циклом Limum.На Рис. 26 показано, что с уменьшением температуры окружающей средыТОС (и соответствующей величины минимальной работы ожижения Lmin)происходит как и ожидаемое снижение удельных затрат энергии так иуменьшение величины термодинамической эффективности.а)б)Рис. 26.

Зависимость величины термодинамической эффективности и удельныхзатрат электроэнергии цикла SMR от температуры окружающей среды (а) иминимальной работы ожижения (б)27Результаты анализа цикла Limum аналогичны выводам, полученным прирассмотрении цикла SMR (Рис.27).а)б)Рис. 27. Зависимость величины термодинамической эффективности и удельныхзатрат электроэнергии цикла Limum от температуры окружающей среды (а) иминимальной работы ожижения (б)Отличительной схемной особенностью цикла Limum является наличиемежступенчатого охладителя компрессора, где происходит частичнаяконденсация СХА, что позволяет организовать дополнительную ступеньпредварительного охлаждения.

Данное обстоятельство дает возможностьуменьшить величину относительного расхода СХА, что в свою очередь,приводит к снижению затрат энергии в компрессоре СХА и основныхтеплообменниках.Такимобразом,величинатермодинамическойэффективности цикла Limum больше величины термодинамическойэффективности цикла SMR на 10-12 % во всем исследованном диапазонетемператур окружающей среды.В шестом разделе приведены обобщённые результаты проделаннойработы и показано сопоставление с данными зарубежных исследователей.Экспериментальным и расчетным путем показано, что с уменьшениемминимальной работы ожижения снижается величина термодинамическойэффективности установок СПГ при принятых среднестатистических значенияхизотермического и адиабатного кпд компрессора 0,6 и 0,8 и значенииадиабатного кпд детандера 0,8.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ1.

Впервые проведен энтропийно-статистический анализ существующихмалотоннажныхустановокСПГ.Установлено,чтостепеньтермодинамическогосовершенства не превышает 0,287 для установок,работающих по циклу Линде-Хэмпсона с предварительным охлаждением натемпературном уровне 233 К и 0,175 для установок, работающих по циклуКлода. Для установок функционирующих по циклу Линде –Хэмпсона спредварительным охлаждением на температурном уровне 203 К степеньтермодинамического совершенства составляет 0,325.282.

Предложен новый способ ожижения природного газа и разработаноустройство для его реализации – установка высокого давления спредварительным охлаждением и дроссель – эжектором (патентыРФ№ 2180081 и № 2180082), степень термодинамического совершенства которойдостигает 0,296. Создание этой установки позволило после 30 летнегоперерыва возобновить производство СПГ в Московском регионе и развиватьинфраструктуру его потребления.3. Впервые получены данные промышленной эксплуатации о реальныхвеличинахтермодинамическойэффективностиираспределенииэнергетических потерь в установках, работающих по дроссель-эжекторномуциклу Линде–Хэмпсона с предварительным охлаждением на различныхтемпературных уровнях (233 К и 203 К) в диапазоне изменения температурыокружающей среды от 262 К до 300 К.4. Предложены перспективные схемы малотоннажных установок CПГ:схема высокого давления с каскадной холодильной машиной, в которойдостижима степень термодинамического совершенства 0,323 и схема среднегодавления с роторным волновым криогенератором в которой достижимастепень термодинамического совершенства 0,171 (патент РФ № 249534).5.

Экспериментальным и расчетным путем показано, что с уменьшениемминимальной работы ожижения снижается величина термодинамическойэффективности установок СПГ при принятых среднестатистических значенияхизотермического и адиабатного кпд компрессора 0,6 и 0,8 и значенииадиабатного кпд детандера 0,8.6. Впервые в мире разработан роторный волновой криогенератор (РВКГ),реализующий принцип энергообмена посредством ударных волн в областикриогенных температур. Предложена математическая модель основанная наметоде «распад разрыва» академика С.К.

Годунова, позволяющая рассчитыватьосновные процессы в РВКГ с учетом свойств реального газа. Показано, чтоосновным холодопроизводящим процессом РВКГ является выхлоп.7. Экспериментально исследованы термобарические и расходныехарактеристики РВКГ в области температур от 203 К до 153 К и в диапазонестепеней расширения от 1,5 до 2,5. Получено максимальное значениеадиабатного кпд 60 % при степени расширения 1,63.