Диссертация (Разработка и исследование высокоэффективных малотоннажных установок сжижения природного газа), страница 11

3.5. Зависимость коэффициента ожижения и удельных затрат электроэнергииот входной концентрации азота при различных объёмах отдувки прямого потокавысокого давленияДанное обстоятельство объясняется разнонаправленностью воздействияданнойоперации:циркулирующегосгазаоднойистороныуменьшениепроисходитконцентрацииобновлениесоставанеконденсирующейсяпримеси, с другой - уменьшается величина материального потока, направляемогона ожижение.Рис. 3.6. Зависимость термодинамической эффективности от входнойконцентрации азота при различных объёмах отдувки прямого потока высокогодавления94Несколько иной характер имеют зависимости, приведенные на Рис. 3.7 иРис.

3.8. Отдувка потока низкого давления при повышении концентрациивходного азота приводит к увеличению коэффициента ожижения, уменьшениюзатратэлектроэнергиитермодинамическойконцентрацийазота.насжатиеэффективностиОднакои,вокакследствие,всемотносительноекисследованномувеличениеувеличениюдиапазонеэффективности,происходящее с ростом величины отдувки, последовательно уменьшается. Такувеличение отдувки потока низкого давления с 0 % до 1 % дает увеличениетермодинамической эффективности на 3,3 %, увеличение отдувки с 1 % до 3 %дает увеличение термодинамической эффективности на 3,9 %, а увеличениеотдувки с 7 % до 10 % дает прирост термодинамической эффективности только на1,5 % при одинаковой во всех случаях входной концентрации азота 4 % об.Рис. 3.7.

Зависимость коэффициента ожижения и удельных затрат электроэнергииот входной концентрации азота при различных объёмах отдувки обратногопотока низкого давления95Рис. 3.8. Зависимость термодинамической эффективности от входнойконцентрации азота при различных объёмах отдувки обратного потока низкогодавленияТаким образом, увеличение содержания неконденсирующейся примеси ввиде азота негативно сказывается на термодинамической эффективностирассматриваемойустановкисжиженияприродногогаза.Введениетехнологической операции отдувка позволяет снизить это влияние. Проведенныйанализ показывает, что наиболее рациональна отдувка небольших количеств (35 %) потока низкого давления. Однако исследуемая установка используеткомпрессорную базу АГНКС, т.е.

одновременно с производством СПГпроисходит заправка автомобильного транспорта КПГ. Это означает, чтофактически реализуется отдувка прямого потока высокого давления. Ее величинаопределяется типом и количеством заправляемых автомобилей. По данныминтернет источников [41, 64] современная загрузка АГНКС в РФ не превышает10-15 %, что соответствует одной заправке в час таких автомобилей, как КамАЗ65113-30 с емкостью баллонов 208 нм3, КамАЗ 65116-861-30 с емкостью баллонов204 нм3, КамАЗ 65115-30 с емкостью баллонов 208 нм3, автобуса Нефаз 5299-31 семкостью баллонов 197 нм3 [43].

Эта величина эквивалентна 6 % отдувки потока96высокого давления. Таким образом, можно утверждать, что при характерном дляЛенинградского региона содержании азота в природном газе около 1 %производство СПГ на АГНКС в г. Петергофе осуществляется с коэффициентомтермодинамической эффективности 26,9 %.3.3.Анализтермодинамическойработающей по дроссель-эжекторномуэффективностиустановки,циклу высокого давления спредварительным охлаждением на уровне 203 К (минус 70 0С)Принципиальная схема установки приведена на Рис. 3.9. Сжатие ПГпроисходит в двух компрессорах АГНКС (Компрессорные установки «Борец» 2ГМ4-1,3/12-250 производительностью 900÷950 нм3/ч каждый). ПГ, после осушки,под давлением 25 МПа поступает из системы АГНКС в криогенный блок.Отличительной чертой исследуемой установки является наличие двух контуровпредварительного охлаждения.

Охлаждение ПГ до температур 200-210 Косуществляется в контуре холодильной машины работающей на хладоне R23. Всвою очередь, поток хладона R23 охлаждается в холодильном контуре,работающем на хладоне R404.97Рис. 3.9. Принципиальная схема установки с дроссель-эжекторным цикломвысокого давления и предварительным фреоновым охлаждением натемпературном уровне 203 К (минус 70 °С):I – компрессор ПГ с системой отвода теплоты сжатия qсж; II – теплообменник №1(предварительный); III – парокомпрессионная холодильная машина, работающаяна R404А (К – компрессор R404А; К.Х – концевой холодильник; КОН –конденсатор; Др – дроссель); IV – испаритель R404А, конденсатор R23; V –холодильная машина, работающая на R23 (К – компрессор R23; К.Х – концевойхолодильник; Рек.

– рекуператор; Др – дроссель); VI – теплообменник №2(испаритель R23); VII – теплообменник №3 (основной); VIII – эжектор; IX –сепаратор; X – дроссель; XI – хранилище СПГПосле предварительного охлаждения до минус 75 ° минус 80 °С ПГдополнительно охлаждается в основном теплообменнике, а затем расширяется додавления 1,2 МПа с помощью дроссель-эжекторов. В сепараторе IX происходит98разделение на жидкую (СПГ) и газовую фазы. Пары поступают в обратный потоки возвращаются через теплообменные аппараты на всасывание компрессоровАГНКС.

СПГ дополнительно дросселируется до давления выдачи 0,4 МПа ипоступает в резервуар-накопитель СПГ. В качестве сырья установка используетмагистральный газ с составом, приведенным в таблице 3.8.Таблица 3.8Состав природного газаCH4C3H8i-C4H10n-C4H10 n-C6H14об. %об. %об. %об. %97.660.320.040.05O2N2n-C5H12CO2об. %об. %об. %об. %об. %0.030.021.810.010.06В ходе экспериментов измерялись следующие величины (номера точексоответствуют Рис. 3.9):- расход ПГ: на входе и выходе из установки (точки 1 и 12);- давление ПГ: на входе в эжектор прямого и циркуляционного потоков,обратного потока на входе в теплообменник №3 (точки 4, 9 и 10, соотв.);- давление хладона R23 после теплообменника №2 (точка 1’);- температура ПГ: на входе в установку (точка 1), после теплообменника №1(точка 2), после теплообменника №2 (точка 3), на входе в эжектор (точка 4), насжатие в эжектор (точка 9), обратного потока на входе в теплообменник №3(точка 10), на входе и выходе обратного потока в теплообменнике №1 (точка 11 и12 соотв.);- температура парожидкостной смеси после дросселя (точка 7);- температура хладона R23 после теплообменника №2 (точка 1’).Расчетные параметры установки в характерных точках были полученымоделированием процесса ожижения в среде HYSYS вер.

7.3. Результаты расчетав сравнении с полученными опытными данными приведены в таблице 3.9.99Таблица 3.9Параметры в характерных точках принципиальной схемыТочкациклаРасчет12Эксперимент12343456Расход, нм3/ч112481305176812481849125776338685898981’71974911316679961’’507466634384573Температура, К1300302302284,7286,42274,4274,5272,1260263,63203209,7209200,5204,94188,9193,5195,3190191,47134,6136,9136,9134,4134,49154,1154,2154,6150,8148,210154,1158,2158,4154154,211198201,5196,8184,3192,512290292,7290,5270,9271,35’246,1247,2247,2247,2247,24’’260260,2260,2255,1255,16’’199,4207,5207,5199,4201,7ОС300298298262262Давление, МПа (изб)422,022,422,322,022,390,380,450,450,380,38101,151,161,171,151,161’0,060,140,140,060,0782’1,41,651,651,41,4100Таблица 3.9 (продолжение)1234561’’0,140,140,140,140,142’’1,341,591,591,341,34Производительность по СПГ, кг/ч8455457611,844864652,851,4Коэффициент ожижения, %-53,851,550,9Результаты расчета распределения затрат энергии для компенсациипроизводства энтропии в рассматриваемом цикле представлены в таблице 3.10 ина Рис.

3.10.Таблица 3.10Сравнение расчетных и экспериментальных значений затрат энергии накомпенсацию генерации энтропии в узлах установкиЭкспериментРасчет1Температура окр. средыTО.С., КМинимальная работаожиженияlmin ожиж. ПГ, кДж/кг СПГ123423456300298298262262587,9476,97485,68320,86333,43Удельные затраты энергии в контуре ПГ, кДж/кг сжимаемого ПГ:теплообменник 121,498,5410,3710,88,05теплообменник 311,115,776,484,464,94дроссель-эжектор116,35126,72125,71102,69105,549,976,717,007,827,644,574,764,863,774,01269,13232,7235,96190,19195,98дросселькомпенсация теплопритоковиз окружающей средыкомпрессор101Таблица 3.10 (продолжение)123456Удельные затраты энергии в контуре R23, кДж/кг сжимаемого ПГ:Минимальная работаохлаждения в контуре R2375,156,857,9631,8926,74lmin R23концевой холодильник0,360,820,686,146,94дроссель26,3517,1316,0915,3012,27испаритель69,1948,2748,0838,5539,08рекуператоркомпенсация теплопритоковиз окружающей средыкомпрессор0,532,222,632,112,681,040,810,790,790,7227,4921,5721,3521,7720,42Удельные затраты энергии в контуре R404A, кДж/кг сжимаемого ПГ:Минимальная работаохлаждения в контуре R404a 25,6516,0716,093,393,233lmin R404Аконцевой холодильник35,0132,1531,9524,7623,59конденсатор3,6513,5413,4622,3521,29дроссель38,8449,7849,4821,6020,58испарителькомпенсация теплопритоковиз окружающей средыкомпрессорРасчетная сумма затратэнергии на ожижениеlΣдейств, ( кВт·ч/кг СПГ)Степеньтермодинамическогосовершенства установкиожиженияηтдм = lmin ожиж.

ПГ/ lΣдейств16,720,0219,639,378,931,822,162,151,151,1032,8233,1232,9220,9019,911811(0,503)1661(0,461)1692(0,47)0,3250,2870,28713041345(0,362) (0,374)0,2460,248102Рис. 3.10. Распределение затрат энергии в установке сжижения природного газа, % (от общих затрат)103Следует отметить, что приведенные в таблице 3.10 экспериментальныеданные получены при заметно различной температуре окружающей среды(№№ 1, 2 – летом при То.с.= 298 К; №№ 3,4 – зимой при То.с.= 262 К). Поэтому,несмотря на то, что суммарные затраты энергии в двух последних экспериментахполучились меньше на 27 %, величина минимальной работы ожиженияуменьшилась на 30 %, что привело к тому, что степень термодинамическогосовершенства в результате оказалась ниже почти на 17 %.Расхождение расчетных и экспериментальных данных по затратам энергиив теплообменных аппаратах №1 и 2 объясняется тем, что предварительный расчетбыл проведен на чистом метане, в то время как природный газ в цикле установкисодержал лишь 98 % метана (таблица 3.8).