Автореферат (Исследование малотоннажных установок сжижения природного газа энтропийно-статистическим методом)

Диссертация выполнена в Московском государственном техническомуниверситете имени Н.Э. БауманаНаучный руководитель:Архаров Алексей Михайловичзаслуженный деятель науки и техники РФ,доктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты: Борзенко Евгений Ивановичзаслуженный работник высшей школы РФ,доктор технических наук, профессорШуяков Андрей Леонидовичкандидат технических наук, начальник отделаООО «Криогенмаш - БЗКМ»Ведущая организация:ПАО «Газпром– ВНИИГАЗ»Защита диссертации состоится 16 марта 2016 года в 14 часов 30 минутна заседании Диссертационного совета Д 212.141.16 при Московскомгосударственном техническом университете имени Н.Э.

Баумана по адресу:105005, Москва, Лефортовская наб., д.1, ауд. 314-Э (конф. зал).Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью,просим выслать по адресу: 105005. г. Москва, 2-ая Бауманская д.5, Ученомусекретарю диссертационного совета Д 212.141.16.С текстом диссертации можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.Н.Э. Баумана и на сайте www.bmstu.ru.Автореферат разослан «»Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 212.141.16,кандидат технических наук, доцент!!2016 г.Колосов М.А.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы: Получение сжиженного природного газа(СПГ) является сегодня одним из перспективных направлений развитияроссийской промышленности. В 2009 году на Сахалине совместно сзарубежными компаниями был построен первый крупнотоннажный завод посжижению природного газа «Сахалин-2» мощностью 26300 тонн СПГ всутки.

В настоящее время находятся на стадии планирования и разработкиещенесколькокрупнотоннажныхзаводов:«ВладивостокСПГ»наполуострове Ломоносова, «Балтийский СПГ» в Ленинградской области,«Ямал СПГ» на Ямале. Производительность таких заводов составляет 11001800 тонн СПГ в час. Получаемый на этих заводах СПГ рассчитан наудовлетворение экспортных потребностей.В то же время с каждым днем растет интерес к малотоннажномупроизводству сжиженного природного газа. В России существует развитаятрубопроводная система природного газа, включающая в себя рядавтомобильныхгазонаполнительныхкомпрессионных(АГНКС)игазораспределительных (ГРС) станций.

Компрессорная база этих станциймало загружена (до 20%). Станции расположены в непосредственнойблизости от потребителя природного газа. Поступающий природный газсодержит 95-98% метана. Все эти факторы создают хорошие предпосылкидля создания малотоннажных установок сжижения природного газанепосредственно на АГНКС и ГРС и на местах его потребления в российскихрегионах.Интенсивное строительство малотоннажных установок сжиженияприродного газа по всему миру началось после 2000 г., однако наиболееускоренный рост наблюдается с 2010-2014гг.

На данный момент Россиязанимает 3 место по количеству введенных в эксплуатацию установок.Развитие малотоннажного производства сжиженного природного газаактивно поддерживается программами Правительства РФ. Нельзя забывать о! 1!!незаменимой роли малотоннажного производства при использовании СПГ нажелезнодорожном, морском и авиационном транспорте.В связи с увеличивающимся интересом к теме малотоннажногосжижениярегулярнопоявляютсяновыесхемыирешения.Длясовершенствования установок сжижения природного газа важно иметьвозможность определять узлы этих установок, в которых «потери» энергиинаиболее существенны, и работать над повышением эффективности этихузлов.

В МГТУ им. Баумана активно разрабатывается метод энтропийностатистическогоанализа,которыйпозволяетдетальноанализироватькриогенные установки и решать такого рода задачи. Предложенная внастоящей работе методика анализа малотоннажных установок сжиженияприродного газа дает возможность применить энропийно-статистическийметод для исследования существующих и проектируемых установок с цельюопределенияпредложеннойихэнергоэффективности.методикидляПерспективностьопределенияновыхприменениясхемныхрешенийсжижения природного газа делают ее актуальной.Цельюработытермодинамической«потерь»вприменениеявляетсяразработкаэффективностиималотоннажныхустановкахэтойдляметодикиметодикираспределениясжиженияанализаисследованияэнергетическихприродногосуществующихигаза,вновьразрабатываемых установок, а также экспериментальное подтверждениерасчетных данных.Основные задачи исследования1.Разработкаметодикиэнтропийно-статистическогоанализадля исследования малотоннажных установок сжижения природного газа.2.Исследование и сравнение термодинамической эффективностисуществующих малотоннажных установок сжижения природного газа.3.Анализ и оценка влияния величины производства энтропии вотдельных узлах установки на термодинамическую эффективность системысжижения.2! !!4.Экспериментальное определение реальной термодинамическойэффективности опытно-промышленных установок сжижения природногогаза и сопоставление полученных результатов с расчетными значениями.5.сжиженияВыбор наиболее энергоэффективного цикла для малотоннажногоприродногогазаиопределениепутиегодальнейшегосовершенствования.Научная новизна1.анализаВпервыедляпредложенаисследованияметодикаэнтропийно-статистическогосуществующихиразрабатываемыхмалотоннажных установок сжижения природного газа.2.Выполнен анализ основных существующих и перспективныхсхем установок малотоннажного сжижения природного газа.

Показанаэффективность замены дросселя на дроссель-эжектор в установках,работающих по циклу высокого давления. Предложен новый цикл сдроссель-эжектором и каскадным охлаждением.3.Впервыеполученоэкспериментальноеподтверждениесоответствия расчетных значений энергетических «потерь» реальнымзатратам в узлах действующих установок сжижения природного газа.Расхождениерезультатов расчетовсо значениями, полученнымиэкспериментально, находятся в пределах 5%.Защищаемые положения1.Методика энтропийно-статистического анализа для исследованияустановок сжижения природного газа.2.Результатырасчетногоисследованиясуществующихиперспективных установок сжижения природного газа.3.Результатыэкспериментальныхисследованийопытно-промышленных установок сжижения природного газа.! 3!!Личное участие в получении результатовГлавы 1-4 выполнены лично автором.

В главе 5 экспериментальныеданные получены ЗАО НПК «НТЛ». Все расчеты и выводы главы 5 сделанылично автором.Достоверность полученных автором результатовДостоверностьполученныхавторомданныхподтверждаетсяприменением сертифицированных измерительных приборов, использованиемпроверенных способов измерения параметров и методик проведенияэкспериментов.Всеполученныеданныемогутбытьповторновоспроизведены в результате эксперимента.Практическая значимостьВ проведенном исследовании анализируется ряд существующихмалотоннажных установок сжижения природного газа. На конкретныхпримерах показано, что предложенная методика позволяет решить рядконкретных задач на стадии проектирования низкотемпературных установоксжижения природного газа, включая определение эталонного значениявеличинытермодинамическойэффективностиустановки.Онадаетвозможность анализировать и определять вероятные величины реальных(действительных) энергетических «потерь» в результате необратимости,идентифицировать узлы и компоненты установок, которые требуютусовершенствования, и в итоге прогнозировать технические и экономическиехарактеристикипроектируемыхустановок.Всвязиспроблемамиглобального потепления и увеличением стоимости электроэнергии в мире,проблема энергосбережения становится более важной, и энтропийностатистический метод предлагает способ частичного решения этой проблемына начальной стадии проектирования.Апробация работыОсновныерезультатыработыбылипредставленына11-ймеждународной криогенной конференции МИХ (Братислава, 2010 г.), 2-ймеждународной4! !!конференции«ПРОМЫШЛЕННЫЕГАЗЫ»(Москва,2011 г.) и на международной конференции «Сжиженный природный газ» врамках выставки «Криоген-Экспо.

Промышленные газы - 2015» (Москва,2015 г.).ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 4 врецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, общимобъемом 1,74 п.л..Объём и структура работыДиссертационная работа состоит из пяти глав, основных выводов,списка использованной литературы (83 наименования) и приложения. Работасодержит 139 страниц текста, 50 иллюстраций, 26 таблиц и приложение на 23страницах.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе представлены методы термодинамического анализанизкотемпературныхсистемипроведенобзорнаучно-техническойлитературы по исследованию и сравнению установок сжижения природногогаза.При анализе энергосистем можно применять различные методыисследования.

Для установок сжижения природного газа основнымиметодамианализаявляютсяэнтропийно-статистическийметод,разработанный А.М. Архаровым, и эксергетический метод, разработанныйВ.М. Бродянским.Выбор метода исследования зависит от конкретнойанализируемой системы и решаемой задачи. Примерами таких задач можетбытьгенерацияхолода,генерацияработы(электроэнергии),криостатирование, сжижение газов и многие другие.Если целью рассматриваемой задачи является генерация работы(электроэнергии),работоспособностьрассматриваемойтоприменениетеплоты,задачипонятияявляетсяявляетсяэксергии,рациональным.генерацияхолода,определяющуюЕслитоцельюлогичнее! 5!!использовать понятие энтропии, производство которой должно бытькомпенсировано затратой энергии (работой, теплотой, электроэнергией).Исследование циклов сжижения природного газа в основном проведенодля крупнотоннажного производства.

Малотоннажное сжижение природногогаза гораздо менее освещено в литературе. В большинстве случаевэффективность работы установок оценивается по удельным затратамэлектроэнергии на 1 кг СПГ. Несмотря на то, что такой подход кажетсярациональным, он не всегда верен для установок сжижения природного газа,потому что не дает представления об эффективности и распределенииэнергетических «потерь» по узлам установки.Эффективностьцикласточкизрениятермодинамическогосовершенства рассмотрена лишь в нескольких работах. ТермодинамическийКПД более достоверно характеризует рассматриваемый цикл, потому чтоотражает «потери» холодопроизводительности в результате необратимостипроцессов и позволяет установить их относительное значение.При проведении детального исследования циклов рассматриваемыеустановки сжижения природного газа анализируются и с помощьюэксергетического метода.