Диссертация (1024726), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Энтропийно-статистический анализ распределения потерь энергиив контуре природного газа (ПГ)Теплообменные аппараты:В многопоточном теплообменном аппарате суммарное производствоэнтропии вследствие конечной разности температур есть разность измененийэнтропиинагреваемых(обратных)иохлаждаемых(прямых)потоков:(2.8)где i – нагреваемые потоки (обратные);j – охлаждаемые потоки (прямые);G –относительные величины массовых потоков.Дроссели:Производство энтропии вследствие конечной разности давлений на входе ивыходе из дросселя в адиабатных условиях:(2.9)60Эжекторы:Производство энтропии вследствие конечной разности давлений на входе ивыходе из эжектора в адиабатных условиях:,(2.10)где Э – относительная величина массового пассивного потока эжектора;- энтропия на входе пассивного потока в эжектор.Значениязатрат энергиинакомпенсациюпроизводстваэнтропии,вычисленной по уравнениям (2.8-2.10), рассчитываются по зависимости (2.2).СовременныеконструкцииТДКАхарактеризуютсяналичиемвысокооборотных валов с принудительно-циркуляционной системой маслянойсмазки несущих подшипников.
При этом часть энергии, вырабатываемойдетандером, при передаче от детандерной части к компрессионной неизбежнопереходит в теплоту и выходит из системы с потоком масла (Рис. 2.4). Следуеттакжеотметить,вырабатываемойчтовозможностьсовременнымиполезногоотечественнымииспользованиядетандерамиэнергии,установоксреднего давления, ограничена возможностью появления жидкой фазы ПГ навходе в детандер.
Поэтому вся генерируемая детандером мощность не может бытьнаправлена на повышение давления прямых потоков цикла, а вынужденнотратится на байпасе компрессорной части, т.е. на производство энтропии.61Рис. 2.4. ТДКА в виде открытой термодинамической подсистемы:qм.о. – теплота трения масляных подшипников;,,,,,,,,энтальпии и энтропии материальных потоков на входе и выходе компрессорной идетандерной ступени, соответственноЭнергетический баланс ступени ТДКА определяется следующим образом:где- действительная работа сжатия в компрессорной ступени ТДКА,определяемая согласно уравнениям (2.6) или (2.7).Суммарные потерипри передаче энергии от детандерной ступениТДКА к компрессорной:(2.11)где- затраты энергии на компенсацию производства энтропии в байпасе;рассчитываются аналогично затратам на компенсацию потерь в дросселе;62- затраты работы на компенсацию производства энтропии вследствиетрения в подшипниках ТДКА.При этом qм.о..Работа расширения детандера определяется величиной изменения энергиипотока на входе и выходе:Производство энтропии вследствие несовершенства процессов в детандереопределяется энтропийным балансом:(2.12)Затраты работы компрессора на компенсацию теплопритоков определяютсякак часть удельных затрат изотермической (адиабатной ) работы сжатия:(2.13)где- коэффициент удельных затрат изотермической работы сжатия (прииспользовании адиабатной работы сжатиясоотв.);qx – полная удельная холодопроизводительность анализируемой установкиили подсистемы установки (холодопроизводительность внешнего холодильногоцикла, изотермический эффект дросселирования и т.д.).Очевидно, что работа изотермического (адиабатного) сжатия компрессораопределит затраты энергии в цикле криогенной установки [6]:(2.14)63(2.15)При анализе эффективности процесса адиабатного сжатия требуется учетнесовершенствапроцессапередачитепладополнительного слагаемого в суммусжатияпутемвведенияв правой части уравнения (2.15).Производство энтропии в концевом холодильнике (аппаратах воздушногоохлаждения - АВО, конденсаторах ПКХМ):(2.16)где qк.х.
– тепловая нагрузка концевого холодильника (теплота сжатия иликонденсации);– равновесное изменение энтропии рабочего тела (ПГ, хладон и др.)в процессе охлаждения в концевом холодильнике.Суммарная работа, затрачиваемая на равновесное перераспределение икомпенсацию производства энтропии в контуре ПГ:,где(2.17)- суммарные затраты энергии на компенсацию производства энтропиив узлах контура ПГ (таких как теплообменник, дроссель, эжектор, детандер),вычисляемые по уравнениям (2.8), (2.9), (2.10), (2.12);- потери при передаче энергии от детандерной ступени ТДКА ккомпрессорнойизатратыэнергиинакомпенсациютеплопритоковизокружающей среды, определяемые согласно уравнениям (2.11) и (2.13);– минимальная работа ожижения и минимальная работапредварительного охлаждения, вычисляемые по уравнению (2.4).Мерой достоверности расчета является величина дисбаланса энергии,вырабатываемой компрессором (изотермическая или адиабатная работа сжатия,64определяемая уравнениями (2.14), (2.15)) и затрачиваемой на генерацию иравновесное перераспределение энтропии (суммарные энергетические потери,определяемые уравнением (2.17))..Расхождение результатов вычислений не должно превышать величинывклада наименьшей составляющей правой части уравнения (2.17) в общийэнергетический баланс системы.
Как правило, наименьший вклад вносят потериот теплопритоков из окружающей среды; их величина не превышает 1-2 %.2.6. Особенности энтропийно-статистического анализа распределениязатратэнергиивциклеспредварительнымохлаждениемпарокомпрессионной холодильной машиной (ПКХМ)Исходные данные для определения характеристик цикла ПКХМ:- начальная температура ПГ на входе в испаритель Тх.нач (определяется наэтапе расчета основных параметров в характерных точках цикла ожижения );- конечная температура ПГ на выходе из испарителя Тх.кон (определяетсятакже на этапе расчета основных параметров в характерных точках циклаожижения ).Для выбранного типа хладагента определяется средняя температура виспарителе Tисп (теплообменнике полезной нагрузки).
При этом давление кипенияхладагента выбирается минимальным, но, по требованиям безопасности,величинойнеменееатмосферного.Средняятемператураконденсацииопределяется теплофизическими свойствами выбранного хладона и абсолютноймаксимальной температурой теплого периода года для данной местности [83] сучетом недорекуперации ΔT=5..10 К.65Далее по исходным данным определяются параметры цикла ПКХМ вхарактерных точках согласно алгоритму, изложенному в п. 2.2. На данном этапевсе расчеты удобнее привести к 1 кг хладагента, сжимаемого в компрессореПКХМ.Полная удельная холодопроизводительность цикла:где iвс – энтальпия хладона на всасывании в компрессор ПКХМ;iконд – энтальпия хладона на выходе из конденсатора.Реальная (полная) холодопроизводительность:Минимальная необходимая работа для генерации холода:Адиабатная работа сжатия:где iад – энтальпия хладона на выходе из компрессора в условиях адиабатногосжатия.Действительная затрачиваемая работа:(2.18)66С другой стороны:(2.19)где– теплота сжатия хладагента;– энтальпия хладагента на нагнетании компрессора.Правильность расчета подтверждается балансом величин, полученныхрешением уравнений (2.18) и (2.19).Степень термодинамического совершенства цикла ПКХМ:Величина холодильного коэффициента:- при адиабатном сжатии:- действительный холодильный коэффициент:Затраты работы в ПКХМ:,гдехладагента (хладона);- величина соотношения расходов ПГ и внешнего67– тепловая нагрузка ПКХМ, определяемая на стадии полученияосновныххарактеристикрабочегопроцессапутемрешенияуравненийэнергетического и материального баланса ступени предварительного охлаждения[7, 144].При использовании современных программных комплексов, напримерHYSYS, отношение расходов определяется в результате сходимости расчетацикла.ОценкаэффективностииспользованияПКХМвцикле(степеньтермодинамического совершенства ПКХМ в цикле ожижения):где– величина минимальной работы предварительного охлаждения ПГ;определяется по зависимости (4), при этомизменение энтропии и– изменение энтальпии ПГ в испарителе ПКХМ.Величина изменения энтропии при теплообмене в конденсаторе ииспарителе ПКХМ определяется по уравнению (2.16).
В случае реализациипроцесса при постоянной разности температур это уравнение упрощается:(где)(2.20)– тепловая нагрузка испарителя или конденсатора;- температура кипения хладона (для испарителя) или окружающей среды(для конденсатора);– средняя температура ПГ (для испарителя) или конденсации хладона (длякондесатора).Суммарная работа, затрачиваемая на равновесное перераспределениеэнтропии и компенсацию производства энтропии в контуре ПКХМ:68(2.21)где- суммарные затраты энергии на компенсацию производства энтропиив узлах контура предварительного охлаждения ПКХМ (таких как испаритель,конденсатор, дроссель), вычисляемые по уравнениям (2.20), (2.9);-затратыработынакомпенсациютеплопритоковкконтурупредварительного охлаждения, вычисляемые по уравнению (2.13);– величина минимальной работы предварительного охлаждения ПГ,определяется по зависимости (2.4).Сходимость расчетных значений затрат энергии по контуру ПКХМ:.Очевидно, что расчетные суммарные затраты энергии на компенсациюпроизводства энтропии и ее равновесное перераспределение во всех контурах –это расчетная сумма затрат энергии на сжатие всех компрессоров.
Величинадисбаланса этих величин есть точность расчета распределения затрат энергии вовсех узлах установки сжижения:()Действительная суммарная работа сжатия компрессоров, затрачиваемая нафункционирование установки сжижения (приведенная к 1 кг полученного СПГ):69где х – коэффициент ожижения; определяется на стадии расчета основныхпараметров установки решением уравнений энергетического и материальногобаланса нижней (дроссельной) ступени установки [7, 144].Величинастепенитермодинамическогосовершенстваопределяетсясогласно уравнению (2.5).
Полученное в результате расчета распределениеэнергетических затрат по узлам установки представляется в виде диаграммы,показанной на Рис. 2.5.Рис. 2.5. Диаграмма условного распределения энергетических потерь вустановке сжижения природного газа с предварительным охлаждением ПКХМ2.7. Выводы по главе 21. Наосновеэксергетическимданных,методамиполученныханализаэнтропийно-статистичесимтермодинамическойиэффективности,70проведено сопоставлениераспределения затрат энергии по узлам установок,работающих по двум классическим криогеннымциклам: циклу Линде –Хэмпсона и циклу Капицы.
Результаты, полученные разными методами анализа,отличаются в пределах 5 %. При этом энтропийно-статистический методпредставляется болеепростым, более информативным, наглядным и менеетрудоемким;2. Наоснованииэнтропийно-статистическогометодапрофессораА.М. Архарова разработана методика анализа термодинамической эффективностималотоннажных установок СПГ.71ГЛАВА 3.
Энтропийно-статистическийанализсуществующихмалотоннажных установок сжижения природного газа3.1. Анализтермодинамическойэффективностиустановок,работающих по простому дроссельному циклу высокого давления спредварительным охлаждением на уровне 233 К (минус 40 0С) для условийработы на чистом метанеК концу 90-х годов ХХ века в РФ стало возобновляться производство СПГ.Так в 1996 г. запущена в эксплуатацию и успешно функционирует установкасжижения природного газа на базе АГНКС №8 в г. Петергоф Ленинградскойобласти. Работа этого мини завода основана на дроссельном цикле высокогодавления Линде-Хэмпсона с предварительным охлаждением с помощьюфреоновоймашины.Установкаоснащена2компрессорами,каждыйпроизводительностью 1740 нм3/ч с электродвигателем мощностью 295 кВт.Общая производительность по жидкому метану 961 кг/ч, по сжимаемому газу –2324 кг/ч.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
