Диссертация (Разработка и исследование высокоэффективных малотоннажных установок сжижения природного газа)

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана______________________________________________________________________На правах рукописиУДК 62-133.26Семенов Виктор ЮрьевичРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХМАЛОТОННАЖНЫХ УСТАНОВОК СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА05.04.03 – Машины, аппараты и процессы холодильной и криогеннойтехники, систем кондиционирования и жизнеобеспеченияДиссертация на соискание ученой степенидоктора технических наукМосква – 20162СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………6Глава 1.

Современный уровень развития малотоннажного производстваСПГ…………………………………………………………………………….. 141.1. Установкивысокогодавлениясдросселированиемипредварительным охлаждением…………………………………………......141.2. Установки среднего давления…………………………………………..191.2.1. Установки среднего давления с контуром охлаждения на сырьевомприродном газе………………………………………………………………191.2.2. Установки с внешним азотным охлаждением……………………......231.3. Циклы, основанные на использовании смешанного хладагента(СХА)………………………………………………………………………......351.4. Выводы по главе 1………………………………………………………47Глава 2.

Методика энтропийно-статистического анализа малотоннажныхустановок ожижения природного газа………………………………………. 492.1. Современные методы анализа термодинамической эффективностикриогенных установок………………………………………………………..492.2. Термодинамические основы энтропийно-статистического анализамалотоннажных установок ожижения природного газа………………….532.3.

Исходные данные и определение основных характеристик рабочегоцикла установки……………………………………………………………….2.4. Определение изотермической иадиабатной работы55сжатиякомпрессора………………………………………………………..…………562.5. Энтропийно-статистический анализ распределения затрат энергии вконтуре природного газа (ПГ)………………………………………………592.6. Особенности энтропийно-статистического анализа распределениязатратэнергиивциклеспредварительнымохлаждениемпарокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ)………..…………..6432.7. Выводы по главе 2…………………………………………..…………..Глава3.Энтропийно-статистическийанализ69существующихмалотоннажных установок ожижения природного газа……….…………713.1. Анализ термодинамической эффективности установок, работающихпо простому дроссельному циклу высокого давления с предварительнымохлаждением на уровне 233 К (минус 40 °С) для условий работы начистом метане…………………………………………………………………713.2. Влияние исходных примесей в природном газе на эффективностьустановок, работающих по простому дроссельному циклу высокогодавления с предварительным охлаждением на уровне 233 К (минус40 °С)…………………………………………………………………..……...873.3.

Анализ термодинамической эффективности установки, работающейпо дроссель-эжекторному циклу высокого давления с предварительнымохлаждением на уровне 203 К (минус 70 °С)………………………………3.4.Анализтермодинамическойэффективности96малотоннажнойустановки сжижения природного газа, работающей по циклу среднегодавления………………………………..……………………………………..1043.5. Выводы по главе 3………………….…………………………………...119Глава 4. Исследование и разработка малотоннажных установок СПГ.….1214.1.

Энтропийно-статистический анализ эффективности установки,работающей по циклу высокого давления с дроссель-эжектором ипредварительным охлаждением на уровне 233 К (минус 40 °С) дляусловий работы на чистом метане…………….……………………………1214.2. Анализ влияния исходных примесей в природном газе наэффективностьустановки,работающейподроссель-эжекторномуциклу…………………………………………………………………………4.3.Сопоставлениеэффективностидроссельногои135дроссель-эжекторного цикла в зависимости от изменения состава входящегоприродного газа……………………………………………….……………..13844.4.Созданиеустановкисжиженияприродногогазапроизводительностью 1 т/ч, работающей по дроссель-эжекторномуциклу………………………………………………………………..…………1404.5.

Анализ термодинамической эффективности работы установки наоснове данных промышленной эксплуатации……………………..……….1454.6. Энтропийно-статистический анализ установки с двумя дроссельэжекторными ступенями и отдувкой низкокипящих компонентов………. 1514.7. Выводы по главе 4…………………………………………..………….156Глава 5.

Перспективы развития малотоннажных установок ожиженияприродного газа………………………………………………………..…….1585.1. Разработка и исследование роторного волнового криогенератора(РВКГ) для малотоннажных установок сжижения природного газа..….1585.1.1. Анализ принципов энергообмена в известных конструкциях«безмашинных» и низкооборотных РВКГ………………….……………...1595.1.2. Нелинейная газодинамическая модель расчета процессов в РВКГ1845.1.3. Экспериментальное исследование РВКГ……………………………1965.1.4. Сопоставление экспериментальных данных и результатов расчетасогласно нелинейной математической модели…………………………..… 2095.2. Энтропийно-статистическийанализтермодинамическойэффективности установки среднего давления с РВКГ для условий ГРС….

2165.3. Энтропийно–статистическийанализтермодинамическойэффективности установки высокого давления с предварительнымохлаждениемвкаскаднойхолодильноймашинеидроссель-эжектором……………………………………………………………………..2215.4. Энтропийно–статистический анализ эффективности установки свнешним азотным рефрижераторным детандерным циклом……………..2255.5. Сопоставление эффективности наиболее известных циклов сжиженияПГ на смешанных хладагентах (СХА) с помощью метода энтропийностатистического анализа……………………………………………………..23255.6.Оценкатермодинамическойэффективностисовременныхмалотоннажных установок сжижения природного газа……….………….2415.7. Выводы по главе 5……………………………………………………….243ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ245СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ…………..247СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………251ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………….

2756ВВЕДЕНИЕВ настоящее время все более широкое применение находит производство ииспользование СПГ в малотоннажном масштабе. Интерес к этому обусловленследующими факторами:-необходимостью газоснабжениянаселенныхпунктовиобъектовпромышленности, удаленных от магистральных газопроводов, что особенноактуально для периферийных районов РФ;- использованием СПГ в качестве моторного топлива транспортных средств[69];- необходимостью сглаживания пиков потребления газа (так называемыеpeak-sheaving установки), которые сжижают ПГ из газопроводов в периодынизкого спроса, накапливают СПГ и регазифицируют его в периоды повышенногоспроса;- возможностью коммерциализации ранее не востребованного газамалодебитных скважин или месторождений газа с низким содержаниемуглеводородов (биогаз, шахтный и попутный газ).Термин «малотоннажное» производство СПГ определен только в РФ.

ТакГОСТ Р 55892–2013 [33] относит все объекты по производству и потреблениюСПГ производительностью до 10 т/ч и менее к малотоннажному производству. Вобщемировой практике такой четко обозначенной цифры нет: одни фирмысчитают производительность 100 т/ч и менее малотоннажным производством,другие эту границу переносят на производительность 50 т/сут. В данной работетермин «малотоннажное» производствоСПГ соответствует определению,данному в [33].По данным авторитетного справочника [57] количество малотоннажныхустановок в мире составляетоколо 200 единиц.

Динамика роста количествамалотоннажных установок составляет 7-10 % в год. Данная тенденция сложиласьотносительно недавно (в США в 90-е годы XX века, КНР и РФ в 2000-2010 гг.),поэтому анализ эффективности установок малотоннажного производства СПГ7малоизучен, что является сдерживающим фактором развития этого направлениятехники.Исследованиявданномнаправленииначатыавторомв2001 г.одновременно в ПК НПФ «ЭКИП» и на кафедре «Холодильной и криогеннойтехники,системГосударственногокондиционированияТехническогоижизнеобеспечения»УниверситетаимениМосковскогоН.Э.

Бауманаипродолжаются по сегодняшний день в ПАО «Криогенмаш». Таким образом,диссертация обобщает более чем 15-летний опыт исследований и практическойработы, выполненной непосредственно автором и под его руководством.Цель работы – разработка и создание высокоэффективных установоксжиженияприродноготермодинамическойгазанаосновеэффективности,развитияанализаиметодовисследованияобобщениярезультатованалитических и экспериментальных исследований.Приоритетными задачами исследования являются следующие:1. Классификация и анализ основных термодинамических циклов ожиженияприродного газа, используемых в малотоннажных установках;2. Определениеосновныххарактеристикисоставаоборудованиямалотоннажных установок сжижения природного газа, используемых в мировойпрактике;3.

Выбор и совершенствование метода исследования термодинамическойэффективности установок сжижения природного газа. Разработка методикианализа термодинамической эффективности;4. Определение термодинамической эффективности и распределения затратэнергии в существующих циклах малотоннажного производства СПГ;5. Экспериментальное подтверждение разработанной методики анализатермодинамической эффективности;6. Разработка и исследование криогенератора нового типа – роторноговолнового криогенератора (РВКГ);7.

Создание математической модели рабочих процессов РВКГ;8. Экспериментальное исследование рабочих характеристик РВКГ;89. Определение путей совершенствования эффективности РВКГ;10. Разработкаиреализацияновыхвысокоэффективныхцикловмалотоннажных установок СПГ.Научная новизна и положения, выносимые на защиту:- впервые разработана и экспериментально подтверждена методикаэнтропийно-статистическогоанализатермодинамическойэффективностиираспределения затрат энергии в узлах малотоннажных установок СПГ;- выполнен анализ распределения энергетических потерь в основныхсуществующихприродногоиперспективныхгаза.Определенотехнологияхвлияниемалотоннажногосоставаисходногосжижениягазанатермодинамическую эффективность установок СПГ с дроссельным и дроссельноэжекторным циклом Линде-Хэмпсона;- экспериментальным и расчетным путем показано, что с уменьшениемминимальнойработыожиженияснижаетсявеличинатермодинамическойэффективности установок СПГ при принятых среднестатистических значенияхКПД «машинного» оборудования;- разработаны схемы высокоэффективных установок СПГ, новизна которыхподтверждена патентами РФ;-впервыевмиреразработанроторныйволновойкриогенератор,реализующий принцип волнового энергообмена в области криогенных температуррасширяемого газа.