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

2СОДЕРЖАНИЕСтр.УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ .......................................................................... 5!ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 8!ГЛАВА I.! ТЕХНОЛОГИИ МАЛОТОННАЖНОГОПРОИЗВОДСТВА СПГ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ИХЭФФЕКТИВНОСТИ ..........................................................................................

14!1.1.! Методы термодинамического анализа низкотемпературных систем ........1.2.! Сравнительный анализ существующих установок малотоннажногосжижения природного газа .................................................................................. 21!1.3.! Цели и задачи исследования .......................................................................

39!ГЛАВА II.! МЕТОДИКА ЭНТРОПИЙНО-СТАТИСТИЧЕСКОГОАНАЛИЗА МАЛОТОННАЖНЫХ УСТАНОВОК СЖИЖЕНИЯПРИРОДНОГО ГАЗА ........................................................................................ 41!2.1.! Термодинамические основы ....................................................................... 41!2.2.! Определение исходных данных и основных характеристикрабочего цикла установки ....................................................................................

42!2.3.! Энтропийно-статистический анализ распределения затрат энергиив цикле установки сжижения природного газа .................................................. 45!2.4.! Особенности энтропийно-статистического анализа распределениязатрат энергии цикла с предварительным охлаждениемпарокомпрессионной холодильной машины (ПКХМ) .....................................

49!Выводы по главе ................................................................................................... 53!ГЛАВА III.! РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА СУЩЕСТВУЮЩИХМАЛОТОННАЖНЫХ УСТАНОВОК СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГОГАЗА ЭНТРОПИЙНО-СТАТИСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ ...................... 54!3Стр.3.1.! Сопоставление результатов анализа эксергетическим иэнтропийно-статистическим методом классических циклов ЛиндеХемпсона и Капицы, применительно к сжижению природного газа ..............

54!3.2.! Установки с дроссельным циклом высокого давления ипредварительным фреоновым охлаждением (в г. Петергоф и др.) .................. 56!3.3.! Установки с дроссельно-эжекторным циклом высокого давления ипредварительным фреоновым охлаждением ...................................................... 61!3.3.1.! С одной дроссель – эжекторной ступенью (в поселке РазвилкаМосковской Области) ........................................................................................... 61!3.3.2.! С двумя дроссель - эжекторными ступенями (серийновыпускаемые установки ОАО Криогенмаш на экспорт) ..................................

74!3.3.3.! С одной дроссель–эжекторной ступенью, предназначенные длясжижения природного газа с содержанием низкокипящих компонентовдо 9%........................................................................................................... 80!3.3.4.! С дроссельно-эжекторной ступенью и предварительнымохлаждением на температурном уровне -70°С .................................................. 84!3.3.5.! Перспективная схема установки сжижения с одной дроссель –эжекторной ступенью и предварительным охлаждением каскаднойхолодильной машиной..........................................................................................

88!3.4.! Ожижитель природного газа с внешним азотнымрефрижераторным детандерным циклом (ОАО Криогенмаш) ........................ 90!Выводы по главе ................................................................................................. 106!ГЛАВА IV.! ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕУСТАНОВКИ С ДРОССЕЛЬНО-ЭЖЕКТОРНЫМ ЦИКЛОМ ИПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ФРЕОНОВЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ .................. 112!4.1.! Опытно-промышленная установка ..........................................................

112!4Стр.4.2.! Измеряемые параметры, методика проведения эксперимента ............. 115!4.3.! Методика обработки и сопоставления полученных данных ................. 117!4.4.! Анализ полученных результатов. ............................................................ 124!Выводы по главе ................................................................................................. 126!ГЛАВА V.! ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕУСТАНОВКИ С ДРОССЕЛЬНО-ЭЖЕКТОРНЫМ ЦИКЛОМ ИПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ ФРЕОНОВЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ НАТЕМПЕРАТУРНОМ УРОВНЕ -70°С ............................................................ 128!5.1.! Опытно-промышленная установка ..........................................................

128!5.2.! Измеряемые параметры, методика проведения эксперимента. ............ 130!5.3.! Методика обработки и сопоставления полученных данных ................. 131!5.4.! Анализ полученных результатов. ............................................................ 134!Выводы по главе ................................................................................................. 138!ВЫВОДЫ ......................................................................................................... 139!СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ................................. 140!Приложение ......................................................................................................... 148!!!5УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯАГНКС – автомобильная газонаполнительная компрессионная станция;ГРС – газораспределительная станция;КПД – коэффициент полезного действия;НД, Нед – недокуперация;ПКХМ – парокомпрессионная холодильная машина;ПГ – природный газ;СПГ – сжиженный природный газ;СХА – смесевой хладагент;ТД – турбодетандер;ТО – теплообменный аппарат;ТКА, ТДКА – турбокомпрессорно-детандерный агрегат;ХМ – холодильная машина;УСПГ – установка сжижения природного газа;ад.

– адиабатная;вс. – всасывание;вх. – вход;вых. – выход;д., действ. – действительная;дет – детандер;др – дроссель;жидк. – жидкий;и., исп. – испаритель;из. – изотермическая;к. – конденсация;кон. – конечная;конд. – конденсатор ;к.х. – концевой холодильник;6н. – нагнетание;нач. – начальная;ожиж. – ожижение;охл. – охлаждение;полн. – полная;предв. – предварительный;пр. охл.

– предварительное охлаждение;реал. – реальная;сеп. – сепаратор;сж. – сжатие;сжим. – сжимаемый;эж. – эжектор;max – максимальный;min – минимальный;ΔS i' – производство энтропии в i-ом элементе, [ε x – холодильный коэффициент, [кДж!(холода)кДж!(работы)кДжкг∙К];];(ε x )д – действительный холодильный коэффициент, [кДж!(холода)кДж!(работы)];ηад, ηs – адиабатный КПД;ηиз – изотермический КПД;! – степень сжатия;φ – коэффициент удельных затрат мощности, [кДж!(работы)кДж!(холода)];φ д – действительный коэффициент удельных затрат мощности, [G – относительная величина массовых потоков;i – энтальпия, [кДжкг];k – показатель адиабаты;l – работа, [кДжкг];lmin – минимальная работа, [кДжкг];кДж!(работы)кДж!(холода)];7p – давление, [МПа];q – теплота, [кДжкг];qx полн – полная удельная холодопроизводительность цикла, [qх реал– реальная удельная холодопроизводительность, [s – энтропия, [кДжкг∙К];T – температура, [К];Too– температура стока, [К];кг!жидк.ПГx – коэффициент ожижения, [кг!сжим.ПГ].кДжкгкДж];кг];8ВВЕДЕНИЕПолучение сжиженного природного газа (СПГ) является сегодня однимиз перспективных направлений развития российской промышленности.В 2009 году на Сахалине совместно с зарубежными компаниями былпостроен первый крупнотоннажный завод по сжижению природного газа«Сахалин-2» мощностью 26 300 тонн СПГ в сутки.

В настоящее времянаходятсянастадиикрупнотоннажныхпланированиязаводов:иразработки«ВладивостокСПГ»ещенанесколькополуостровеЛомоносова, «Балтийский СПГ» в Ленинградской области, «Ямал СПГ»на Ямале. Производительность таких заводов составляет 1100-1800 тоннСПГ в час. Получаемый на этих заводах СПГ рассчитан на удовлетворениеэкспортных 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 потребленияв российских регионах.По данным [23] интенсивное строительство малотоннажных установоксжижения природного газа по всему миру началось после 2000 г., однаконаиболее ускоренный рост наблюдается с 2010-2014гг. На данный моментРоссия занимает 3 место по количеству введенных в эксплуатациюустановок (введено 12 установок). Развитие малотоннажного производствасжиженного природного газа активно поддерживается программамиПравительства РФ [27, 32].

Нельзя забывать о незаменимой роли9малотоннажногопроизводстваприиспользованииСПГна железнодорожном, морском и авиационном транспорте.Для совершенствования существующих и проектируемых установоксжижения природного газа малой производительности важно иметьвозможность определять узлы этих установок, в которых ««потери»энергии»наиболеесущественны,иработатьнадповышениемэффективности этих узлов. В МГТУ им. Баумана активно разрабатываетсяметод энтропийно-статистического анализа, который позволяет детальноанализировать криогенные установки и решать такого рода задачи.Предложенная в настоящей работе методика анализа малотоннажныхустановок сжижения природного газа дает возможность применитьэнропийно-статистический метод для исследования существующих ипроектируемых установок с целью определения их энергоэффективности.Перспективность применения предложенной методики для определенияновых схемных решений сжижения природного газа делают ее актуальной.Цельюработытермодинамическойпотерьвявляетсяэффективностималотоннажныхприменениеэтойразработкаметодикииустановкахдляметодикираспределениясжиженияанализаисследованияэнергетическихприродногосуществующихигаза,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 энтропиив отдельных узлах установки на термодинамическуюсистемы сжижения.эффективность104.Экспериментальное определение реальной термодинамическойэффективности опытно-промышленных установок сжижения природногогаза и сопоставление полученных результатов с расчетными значениями.5.Выборнаиболееэнергоэффективногоцикладля малотоннажного сжижения природного газа и определение пути егодальнейшего совершенствования.Научная новизна1.анализаВпервые предложена методика энтропийно-статистическогодляисследованиясуществующихиразрабатываемыхмалотоннажных 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 циклс дроссель-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.Методикаэнтропийно-статистическогоанализадля исследования установок сжижения природного газа.2.Результатырасчетногоисследованиясуществующихиперспективных установок сжижения природного газа.3.Результатыэкспериментальныхисследованийопытно-промышленных установок сжижения природного газа.Степень достоверности полученных автором результатовДостоверностьприменениемполученныхавторомсертифицированныхданныхизмерительныхподтверждаетсяприборов,11использованием проверенных способов измерения параметров и методикпроведения экспериментов.