Диссертация (1024726), страница 24
Текст из файла (страница 24)
3, показывают, что дальнейшееусовершенствование данной технологии возможно с помощью организацииотвода тепла на двух уровнях температуры: сначала - на более высокомтемпературном уровне 233 К (-40 0С), а затем на температурном уровне203 К (-70 0С).Принципиальная схема предлагаемой установки представлена на Рис.
5.41.По сравнению со схемой установки с предварительным охлаждением только науровне 203 К (Рис. 3.9) в данном случае цикл дополняется трехпоточнымтеплообменником №21, который помимо потоков фреонов R22 и R23 включает всебя поток природного газа.222Рис. 5.41. Cхема установки высокого давления с предварительным охлаждениемкаскадной холодильной машиной и дроссель-эжектором:I – компрессор ПГ с системой отвода теплоты сжатия qсж; II – теплообменник №1(предварительный); III – парокомпрессионная холодильная машина, работающаяна R22 (К – компрессор R22; К.Х – концевой холодильник; КОН – конденсатор;Др – дроссель); IV – теплообменник №21 (испаритель R22, конденсатор R23); V –холодильная машина, работающая на R23 (К – компрессор R22; Др – дроссель);VI – теплообменник №22 (испаритель R23); VII – теплообменник №3 (основной);VIII – эжектор; IX – сепаратор; X – дроссель; XI – хранилище СПГАнализ предложенного цикла осуществлялся в соответствии с методикойэнтропийно-статистического анализа, изложенной в гл.
2; алгоритм расчетааналогичен приведённому в гл. 3. Результаты расчета параметров в характерных223точках 1-13 дроссель-эжекторного цикла с каскадным предварительнымохлаждениемприведенывтаблицеП.4.1.Результатыэнтропийно–статистического анализа показывают (Рис. 5.42), что по сравнению со схемой,рассмотренной в гл. 3, затраты на компенсацию производства энтропии в контуреприродного газа в схеме с каскадным предварительным охлаждением остаютсябез изменений.Рис.
5.42. Схематическое изображение распределения затрат энергии поэлементам установки высокого давления с предварительным охлаждением вкаскадной холодильной машине и дроссель-эжектором (пунктирной линиейпоказано распределение затрат в цикле с предварительным охлаждением науровне минус 70 0C)Согласно данным приведенным на Рис. 5.42 и Рис.
5.43 изменения происходяттолько в контурах предварительного охлаждения: в контуре хладона R22224уменьшаются затраты в концевом холодильнике (в 2 раза), в дросселе (на 15 %) ив компрессоре (на 12 %). В то же время энергетические потери в испарителеувеличиваются в 2,8 раза, так как хладон R22 охлаждает не только поток хладонаR23, но и поток природного газа. При этом суммарные затраты энергии в контурехладона R22 для установки с предварительным охлаждением на уровне минус70 0С и для установки с каскадным предварительным охлаждением остаютсяУдельные затраты энергиикДж/кг.СПГблизкими по значению.1601401201008060Цикл с предв.
охл-ем науровне -70 С4020Каскадный цикл0Рис. 5.43. Распределение затрат энергии по элементам фреонового контураустановок с одним (203 К) и двумя (233 К и 203 К - каскадный цикл)температурными уровнями предварительного охлажденияПреимуществосхемыскаскаднымпредварительнымохлаждениемдостигается за счет уменьшения затрат на воспроизводство энтропии в контурехладона R23. Введение в схему дополнительной ступени предварительногоохлаждения приводит к уменьшению потерь энергии в испарителе хладона R23практически в три раза; при этом на 38 % уменьшаются потери на сжатие вкомпрессоре R23. Суммарные затраты энергии в контуре R23 уменьшаются почти225на 40 %.
Это, в свою очередь, приводит к сокращению примерно на 5 %суммарных затрат всей установки и, соответственно, к увеличению степенитермодинамического совершенства до величины 0,341, что примерно на 5 %выше, чем в установке с предварительным охлаждением на температурномуровне минус 70 °С.5.4.
Энтропийно–статистический анализ эффективности установки свнешним азотным рефрижераторным детандерным цикломВ соответствии с данными [57] установки сжижения природного газа,основанные на внешнем азотном цикле, занимают второе место по количествусуществующих в мире малотоннажных установок. Поэтому анализ распределенияпотерь энергии по узлам таких установок представляет определенный интерес.Характерная схема установки производительностью 7 т/ч СПГ показана наРис. 5.44.226Рис. 5.44.
Принципиальная схема малотоннажной установки сжиженияприродного газа с внешним азотным циклом охлаждения:I – компрессор ПГ с системой отвода теплоты сжатия qсж1; II – компрессорциркуляционного потока азотного контура с системой отвода теплоты сжатияqсж2; III – компрессор сжатия утечек от осевых уплотнений азотного контура ссистемой отвода теплоты сжатия qсж3; IV – система очистки от CO2; V – IХтеплообменники №№1-5; X – испаритель холодильной машины (фреон R22); XI –охладитель; XII – турбодетандерно компрессорный агрегат (ТДКА); XIII –дроссель № 2; XIV – дроссель №3; XV – дроссель №1Конструктивноаппараты№№ 1-4представляютсобойодинкрупногабаритный пластинчато-ребристый теплообменник, разделенный на схемедля удобства анализа. Принятый при анализе состав природного газа на входе в227установку приведен в таблице 5.2.
Параметры в характерных точках определены спомощью программного комплекса Aspen Hysys [144]. В качестве уравнениясостояния использовалась зависимость Пенга - Робинсона.Таблица 5.2Состав природного газа для установки с внешним азотным цикломСоставCH4N2 C2H6 C3H8 i-C4H10 C4H10 i-C5H12 C5H12 C6H14 CO2%, об.
97,13 1,01,20,450,08Энтропийно-статистический0,08анализ0,010,01проводилсяв0,01O20,02 0,01соответствиисметодикой, изложенной в главе 2. Исходные данные, параметры цикла вхарактерных точках, порядок расчета приведены в таблице П. 5.1, в таблице П. 5.2и в приложении П.5, соответственно. Распределение затрат энергии при принятыхв гл.2 среднестатистических значениях характерных параметров установокприведено в таблице П. 5.3.Представляет интерес анализ влияния совершенства (КПД) машинногооборудованиявходящеговустановкунавеличинутермодинамическойэффективности установки в целом и на распределение затрат энергии по ееэлементам.
На Рис. 5.45 показано изменение распределения затрат энергии приувеличении изотермических КПД компрессора ПГ ηиз1 и циркуляционногокомпрессора азота ηиз2 с величины 0,6 до 0,65, а также при увеличенииадиабатного КПД детандера ηs с величины 0,8 до 0,835. Анализ полученныхрезультатов показывает, что наибольший вклад вносят потери в результатенеобратимости в основном компрессоре азотного контура (от 25,9 % приηиз1,2 =0,65 и ηs =0,835 до 31,4 % при ηиз1,2 =0,6 и ηs =0,8).228∆l кДж/кгСПГ12001000η=0,6 и ηs=0,8800η=0,65 и ηs=0,8600η=0,6 и ηs=0,835400η=0,65 и ηs=0,8352000lmin ожиж ПГДр № 1Δlсж ПГа)б)в)Рис.
5.45. Распределение минимально необходимой работы для компенсациипроизводства энтропии по элементам установки при различных значениях КПДмашинного оборудования:а) – контур природного газа; б) – азотный контур; в) – фреоновый контур229Существенны величины потерь в ТДКА (от 19,3% при ηиз1,2=0,6 ηs =0,835 до20,9 % при ηиз1,2=0,65 и ηs=0,8), в турбодетандере (от 9,1 % при ηиз1,2=0,6 иηs=0,835 до 12,4 % при ηиз1,2 =0,65 и ηs=0,8), в компрессоре ПГ (от 6,5 % от общихзатрат при ηиз1,2=0,65 и ηs=0,8 до 8,7 % при ηиз1,2=0,6 и ηs=0,835) и дожимающемкомпрессоре ТДКА (от 5,1 % при ηиз1,2=0,6 и ηs=0,8 до 5,5 % при ηиз1,2=0,65 иηs=0,8).Затратыработыкомпрессоровнакомпенсациюнесовершенствапроцессов теплообмена составляют ~12 % при стандартных значениях КПДмашин.
Повышение КПД турбодетандера до ηs=0,835 эта величина уменьшаетсяна 25 %. При этом вышеперечисленныеработойдетандера,холодопроизводительноститермодинамическойкотораяцикла.эффективностипотери частично компенсируютсязатрачиваетсяСледуетнаотметить,открываетувеличениечтоповышениевозможностиувеличенияпроизводительности установки, оставаясь в рамках реализуемых температурныхнапоров в теплообменных аппаратах. При этом происходит увеличение нагрузкина предварительную ступень фреонового охлаждения с соответствующимувеличением затрат на компенсацию несовершенства процессов в ней (см.Рис. 5.45, в). Расхождение расчетных суммарных значений затрат энергии,полученныхприэнтропийно-статистическоманализеиработысжатиякомпрессоров составляет 0,4 %, что подтверждает достоверность результатов ореальном распределении затрат на производство энтропии по всем основнымэлементам рассматриваемой установки.
Основные характеристики установки свнешним азотным циклом охлаждения приведены в таблице 5.3.Таблица 5.3Эффективность установки при различных значениях изотермического КПДкомпрессоров η1,2 и адиабатного КПД детандера ηsХарактеристики установки1η при ηs=0,8η при ηs=0,8350,60,650,60,652345230Таблица 5.3 (продолжение)12345АзотныйЗатраты работы в1238,8 1019,8 1018,1Компрессорнаиболее«энергонапряженных» Турбодетандерноузлах установки,Компрессорный 779,4 779,4 660,4кДж/кг СПГагрегатПроизводительность, кг/ч538853886682Удельные затраты электроэнергии,1,113 1,0460,97кВт·ч/кг СПГТермодинамическая эффективность0,267 0,284 0,306822,3660,466820,8990,33Анализ полученных результатов показал, что большая часть затрат энергии(более 80 %) приходится на азотный контур.
С увеличением КПД «машинного»оборудования азотного контура потери вследствие необратимости процессов восновном компрессоре уменьшились на 35 %, а потери в ТДКА – на 15 %. Крометого, повышение КПД турбодетандера привело к снижению затрат накомпенсацию несовершенства процессов теплообмена на 25 %. Очевидно, что этифакторыоказалисьрешающимидляувеличениятермодинамическойэффективности цикла. Удельные затраты электроэнергии, необходимые дляреализации процесса ожижения, с увеличением КПД основного «машинного»оборудования азотного контура также уменьшились на 20 %, расчетная величинаэтих затрат составила 0,899 кВтч/кг СПГ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
