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

ОТЗЫВ официального оппонента, доктора технических наук, профессора Сухих Андрея Анатольевича на диссертационную работу Семенова Виктора Юрьевича на тему: «Разработка и исследование высокоэффективных малотоннажных установок сжижения природного газа», представленную к защите на заседании диссертационного Совета Д 212.141.16 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.04.03 — Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения.

На отзыв представлена докторская диссертация общим объемом ЗЗО страниц основного текста, автореферат объемом 32 страницы. 1. Актуальность темы диссертационной работы В настоящее время все более широкое применение находит производство и использование СПГ (сжиженного природного газа) в малотоннажном масштабе. Интерес к этому обусловлен следующими факторами: необходимостью газоснабжения населенных пунктов и объектов промышленности, удаленных от магистральных газопроводов, что особенно актуально для периферийных районов РФ; использованием СПГ в качестве моторного топлива для: тяжелой карьерной техники, железнодорожного транспорта, сельскохозяйственной техники; водного транспорта; необходимостью сглаживания пиков потребления газа (так называемые реал-зЬеайпд установки); возможностью коммерциализации ранее не востребованного газа малодебитных скважин или месторождений газа с низким содержанием углеводородов (биогаз, шахтный и попутный газ).

Данная тенденция начала проявляться относительно недавно (в США в 90-е годы ХХ века, КНР и РФ в 2000-2010 гг.). Тем не менее, на мировом рынке представлено многообразие конкурентных технологий сжижения ПГ, которое можно классифицировать по способам охлаждения и использованию рабочего тела в процессах производства СПГ. Важным фактором является также учет требований к качеству конечного продукта, на которое существенное влияние оказывает исходный состав ПГ. Поэтому при выборе способов сжижения и на этапе непосредственного проектирования актуально и необходимо применение достоверных методов для оценки и прогнозирования термодинамической эффективности установок малотоннажного производства СПГ. В этой связи диссертационная работа Семенова Виктора Юрьевича па тему: «Разработка и исследование высокоэффективных малотоннажных установок сжижения природного газа» безусловно, актуальна.

2. Научная новизна исследования Представленная на отзыв работа имеет методологическую, технологическую и практическую новизну: апробирована методика энтропийно-статистического анализа термодинамической эффективности и распределения затрат энергии в узлах малотоннажных установок СПГ; - выполнен анализ распределения энергетических потерь в основных существующих и перспективных технологиях малотонна>кного сжижения природного газа. Определено влияние состава исходного газа на термодинамическую эффективность установок СПГ с дроссельным и дроссельно-эжекторным циклом Линде-Хэмпсона; - экспериментальным и расчетным путем показано, что с уменьшением минимальной работы ожижения снижается величина термодинамической эффективности установок СПГ при принятых среднестатистических значениях КПД «машинного» оборудования; - модифицирована схема Линде-Хэмпсона.

Произведена замена дросселя на дроссель-эжектор, что позволило уменьшить затраты на генерацию энтропии в этом узле на 25',4 и снизить удельные затраты на электроэнергию на 12 7о4 на опытна-промышленной установке впервые получены опытные данные о распределении энергетических потерь в ее основных узлах и на основе этих данных произведено сопоставление расчетных и реальных данных о термодинамической эффективности; - расчетным и опытным путем подтверждено, что при характерной для Московского региона концентрации азота в ПГ 0,5 — 1'.4 и совмещении производства СПГ с заправкой автотранспорта сжатым газом, схема технологии высокого давления с дроссель-эжектором становится наиболее эффективной; впервые в мире разработан роторный волновой криогенератор, реализующий принцип волнового энергообмена в области криогенных температур расширяемого газа.

Определены термобарические и расходные характеристики РВКГ с энергообменными каналами постоянного сечения; - на основе метода «распада-разрыва» академика РАН С.К. Годунова разработана математическая модель процесса энергообмена в каналах роторного волнового криодетандера ( РВКГ) учитывающая свойства реального газа (метана); экспериментально показана возможность улучшения рабочих характеристик РВКГ.

3. Научная ценность исследования С позиции современного уровня научных знаний к числу наиболее значимых научных результатов диссертанта следует отнести выявленную зависимость термодинамической эффективности установок СПГ от минимальной работы ожи>кения при принятых среднестатистических значениях КПД «машинного» оборудования и разработанную и экспериментально подтвержденную математическую модель процессов в РВКГ.

4. Практическая ценность исследования - создана методика исследования термодинамической эффективности малотоннажных установок сжижения природного газа. На конкретных примерах показаны возможности расчета распределения затрат энергии по узлам установки с целью внесения корректив уже на стадии проектирования; - разработана и внедрена оригинальная, защищенная патентами РФ, схема цикла высокого давления с предварительным охлаждением на уровне 233 К и дроссель-эжектором; исследовано влияние содержания неконденсирующихся примесей в исходном составе природного газа на термодинамическою эффективность цикла высокого давления с предварительным охлаждением на уровне 233 К.

Определен диапазон концентраций азота в исходном газе, при котором предложенный дроссель-эжекторный цикл высокого давления оказывается эффективнее дроссельного; на основании расчетов, согласно представленной в работе математической модели, разработана конструкция и создан опытный образец РВКГ; разработан и создан экспериментальный стенд, на котором экспериментальным путем выявлены направления повышения эффективности РВКГ и подтверждена устойчивая работа РВКГ в двухфазной области ПГ и в условиях загрязненности примесями (вода, масло, тяжелые углеводороды); разработана оригинальная, защищенная патентом РФ, схема цикла установки среднего давления, использующей РВКГ в качестве источника холода.

Реализация данной схемы позволит уменьшить капитальные затраты на создание ожижителя примерно на 20-25 ',4; — на основании полученных в работе результатов предложена схема установки сжижения природного газа, работающей по циклу высокого давления с предварительным охлаждением на уровне 203 К. Результаты работы нашли внедрение в установках сжижения природного газа, серийно выпускаемых ПАО «Криогенмаш» на экспорт, в учебных процессах кафедры «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им.

Н.Э. Баумана и кафедры «Низких температур» МЭИ. Создание установки на АГНКС №1 в и. Развилка Московской области позволило после 30 летнего перерыва возобновить производство СПГ в Московском регионе и развивать инфраструктуру его потребления. Важным практическим результатом работы является разработка и создание автором криогенной топливной системы газотурбовоза ГТУ-1. 5. Обоснованность и достоверность научных положений диссертационной работы В рамках текста диссертации наблюдается логическая последовательность и необходимость каждого из представленных разделов пяти глав.

Цель работы, приоритетные задачи исследования вытекают из проведенного литературного обзора. Выводы по работе основываются па поставленных задачах и на результатах описанных исследований. Результаты работы адекватны поставленной цели исследования, которая заключается в разработке и создании высокоэффективных установок сжижения природного газа на основе развития методов исследования термодинамической эффективности, анализе и обобщении результатов аналитических и экспериментальных исследований. Достоверность результатов обеспечена использованием современных методов моделирования и совпадением результатов расчетных и экспериментальных исследований. 6.Оценка содержания диссертационного исследования Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.

Общий объем работы 330 страниц, включая 246 страниц основного текста, содержащего 132 рисунка, 23 таблицы. Список литературы включает 185 наименований на 22 страницах. Во введении обоснована актуальность работы, изложены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы. Также представлены основное содержание работы и результаты теоретического и прикладного характера, выносимые на защиту. Первая глава носит характер обзора существующих информационных источников. В данной главе соискателем приведено описание и анализ существующих технологий сжижения природного газа и классифицированы циклы ожижения, используемые в малотоннажном масштабе. Автором показано, что все существующее многообразие технологий можно классифицировать по способу получения холода и виду рабочего тела следующим образом: циклы высокого давления с дросселированием и предварительным охлаждением, циклы, использующие смешанный хладагент (СХА), турбодетандерные циклы с внешним азотным охлаждением и дросселированием и турбодетандерные циклы, использующие ПГ в качестве хладагента.

Доминирующим (по количеству функционирующих в мире мини-заводов) является процесс с одним внешним холодильным циклом на СХА. Проведенный анализ установил, что определяющими факторами при выборе технологии являются низкие капитальные затраты, надежность, простота обслуживания, модульность, максимально возможное использование стандартного оборудования. При этом в подавляющем большинстве случаев, эффективность процесса ожижения ПГ определяется только величиной удельных затрат электроэнергии.