Автореферат (1025172), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В этом случае использование понятия «эксергиихолода»,отнесенноектеплоте,которуюможетвоспринятьсток,нерационально в едином термодинамическом пространстве, потому что этоискажает изначальное значение термина, данное Рантом в 1956г. Введениетакого термина значительно усложняет применение эксергетическогоанализа для низкотемпературных систем.Проведенный в первой главе анализ показал, чтосуществуетпотребность в создании методики для исследования малотоннажныхустановок сжижения природного газа, которую можно применять дляанализа существующих и проектируемых установок.Во второй главе приведена разработанная методика примененияэнтропийно-статистического анализа для исследования малотоннажныхустановок сжижения природного газа.6! !!.
Используя уравнение Гюи-Стодолы:Δ!! = !о! ∙гдеΔ!!!-суммарнаявеличина!!!!! Δ!! ,(1)производстваэнтропиивследствиенеобратимости во всех ”n” подсистемах, можно в первом приближенииопределить не только теоретические, но и реальные затраты энергии накомпенсацию производства энтропии.Для функционирования реальной криогенной установки требуютсязатраты работы:Lд = l!"# + ∆l,(2)где величина !!"# – это затраты работы криогенной установки, работающейпо циклу с полностью обратимыми процессами (термодинамическисовершеннаяустановка);∆l–величинаэнергетических«потерь»,обусловленных необратимостью.Степень термодинамического совершенства криогенной установкиопределяется как:η=!!"#!д.(3)Для расчета «потерь» в отдельных узлах используется информация оследующих среднестатистических величинах, полученных на основаниимноголетнего опыта проектирования и эксплуатации криогенных установок:TОС=300 К - температура окружающей среды принимается равнойсредней температуре излучения Земли в окружающее пространство;ΔT=5÷10 К - величина недорекуперации в теплообменных аппаратах,возникающая вследствие несовершенства процесса теплообмена;qОС - теплоприток из окружающей среды, который зависит от видаприменяемой изоляции.
В малотоннажных установках сжижения природногогаза применяется, как правило, насыпная (перлит) изоляция или изоляция наоснове вспененного каучука. Для данного характерного температурногоуровня (Т >80 К) qОС= 1÷ 4 кДж/кг сжатого газа;ηиз, ηад – коэффициенты, характеризующие эффективность сжатия в! 7!!компрессорах. Для оценки совершенства процессов в компрессорахиспользуются изотермический ηиз и адиабатный ηад КПД. Значения величин:ηиз=0,55..0,65, а ηад =0,7..0,8.Суммарная работа, затрачиваемая на компенсацию производстваэнтропии в контуре природного газа (ПГ):!ΣΔ!!ПГ= Σ!оо Δ!!! + !!"#! + ΣΔ!!! − !!"# охл. ,(4)где Σ!оо Δ!!! – суммарные затраты энергии на компенсацию производстваэнтропии в узлах контура ПГ (таких как теплообменник, дроссель, эжектор,сепаратор-смеситель, др.), ΣΔ!!! – затраты энергии на компенсациютеплопритоков из окружающей среды и недокуперации, !!"#! , !!"# охл.
–минимальная работа ожижения и минимальная работа предварительногоохлаждения.Суммарная работа, затрачиваемая на компенсацию производстваэнтропии в контуре ПКХМ:!ΣΔ!!ПКХМ= Σ!оо Δ!!! + Δ!!! ! + !!"# охл. ,(5)где Σ!оо Δ!!! - суммарные затраты энергии на компенсацию производстваэнтропии в узлах контура предварительного охлаждения ПКХМ (таких какиспаритель, конденсатор, дроссель); Δ!!! - затраты работы на компенсациютеплопритоков к контуру предварительного охлаждения; Y – величинасоотношения расходов природного газа и внешнего хладагента; !!"# охл.
–величина минимальной работы предварительного охлаждения ПГ.Мерой достоверности расчета является величина разности энергии,вырабатываемой компрессорами (изотермическая или адиабатная работасжатия), и затрачиваемой на генерацию энтропии по контурам природногогаза и ПКХМ (суммарныетеоретические «потери», определяемыеуравнениями (4), (5)):Δ = ΣΔl′!ПГ + ΣΔl′!ПКХМ − lиз.сж + Y!lПКХМад8! !!В третьей главе приведены результаты энтропийно-статистическогоанализа ряда существующих и проектируемых малотоннажных установоксжижения природного газа.Наосновепредложеннойметодикиисследованыустановкисдроссельным циклом высокого давления с предварительным фреоновымохлаждением, с дроссельно-эжекторным циклом высокого давления с однойи двумя дроссель-эжекторными ступенями, с предварительным охлаждениемна температурном уровне -70°С и с внешним азотным рефриджераторнымдетандернымциклом.Результатырасчетараспределениязатратнапроизводство энтропии по узлам установок в контуре природного газаприведены на Рис.1.В результате проведенного анализа можно наглядно видеть путисовершенствования дроссельного цикла с предварительным охлаждением.Введение дополнительного дроссель – эжектора для рециркуляции пара изхранилища СПГ в прямой поток уменьшает общие затраты в результатенеобратимости всей установки на 9%, снижая энергозатраты в дроссельнойгруппе на 19% (1,7% от общих затрат).
Благодаря этому степеньтермодинамического совершенства повышается на 3,1%.Применение предварительного охлаждения на уровне -70°С позволяетдополнительно снизить затраты в дроссельной группе таким образом, чтоони составляют 13% от общих энергетических «потерь» в установке. Затратыэнергии на сжатие в компрессоре снижаются с 34,7% в цикле с однимдроссель-эжектором до 27,8% в цикле с предварительным охлаждением до 70°С. Это позволяет достичь степени термодинамического совершенства0,325, что на 10% выше, чем в цикле с одним дроссель-эжектором, и на 13%выше, чем в дроссельном цикле.! 9!!40.0Удельные энергетические потери, %35.030.025.020.015.010.05.00.0lmin ожиж ДроссельнаяПГгруппаТОДругиеэлементыОСНедΔlсж ПГУстановка с дроссельным циклом высокого давления и предварительным фреоновымохлаждением*Установка с дроссельным циклом высокого давления и предварительным фреоновымохлаждением**Установка с одной дроссель-эжекторной ступенью*Установка с одной дроссель-эжекторной ступенью**Установка с двумя дроссель-эжекторными ступенями**Установка с одной дроссель-эжекторной ступенью, предназначенная для сжиженияприродного газа с содержанием низкокипящих компонентов до 9%**Установка с одной дроссель-эжекторной ступенью и предвариельным охлаждением на уровне-70°С*Установка с одной дроссель-эжекторной ступенью и предварительным охлаждениемкаскадной холодильной машиной*Ожижитель природного газа с внешним азотным рефрижераторным детандерным циклом приη=0,6 и ηs=0,8**Ожижитель природного газа с внешним азотным рефрижераторным детандерным циклом приη=0,65 и ηs=0,8**Ожижитель природного газа с внешним азотным рефрижераторным детандерным циклом приη=0,6 и ηs=0,835**Ожижитель природного газа с внешним азотным рефрижераторным детандерным циклом приη=0,65 и ηs=0,835**Рис.
1. Сравнение распределения энергетических затрат по элементам циклаприродного газа, % (от общих затрат) : * - цикл, рассчитанный на метане, **- цикл, рассчитанный на природном газе10! !!В четвертой главе приводится описание опытно-промышленнойустановки,работающейподроссель-эжекторномуциклу,методикаизмерений и результаты проведенных исследований.Принципиальная схема установки приведенана Рис.2. В общей сложности было проведено 6опытныхрежимов,втечениекоторыхрегистрировались температура, давление и расходв указанных выше точках.Рис. 2.
Принципиальная схема установки СПГ сУдельные затраты энергии, %дроссельно-эжекторным циклом45.0040.0035.0030.0025.0020.0015.0010.005.000.00Общий расчетЭксперимент 1Эксперимент 2Эксперимент 4Эксперимент 5Эксперимент 6Эксперимент 3Рис. 3. Распределение энергетических затрат на производство энтропии вузлах установки сжижения природного газа с дроссель-эжекторным цикломохлаждения, %! 11!!Полученные в результате расчета и эксперимента распределениеэнергетических «потерь» по узлам установки приведены на Рис.
3.Расхождение расчетных и экспериментальных значений энергетических«потерь» составляет менее 5%, что говорит о том, что можно успешноиспользовать предложенную методику для анализа установок сжиженияприродного газа.Экспериментальныеданныеподтвердилираспределениеэнергетических «потерь» в результате необратимости по основным узламустановки. Наибольшие «потери» происходят в дроссель-эжекторном узле исоставляют 21,8%. Но введение дроссель-эжектора в цикл привело кснижению общих затрат на дросселирование на 1,7% от общих затрат.
Такимобразом, удалось повысить эффективность цикла сжижения путем внедрениядешевого, простого и надежного устройства.Впятойглавеописываетсяэкспериментальнаяустановкаспредварительным охлаждением до -70°С, проводится анализ полученныхрезультатов и их сопоставление с данными, полученными расчетным путем спомощью разработанной методики. Принципиальная схема установкипредставлена на Рис. 4.! Распределение затрат на производство энтропии вцикле сжижения природного газа представлено на Рис. 6. Расхождениерасчетных и экспериментальных данных по узлам установки с дроссельноэжекторным циклом и предварительным охлаждением на температурномуровне -70°С составляет не более 4%, что еще раз подтверждает, чтопредложенная методология применения энтропийно-статистического анализаможетбытьуспешноиспользованадлярасчетараспределенияэнергетических «потерь» в установке.Результаты анализа показывают, что схему сжижения природного газаможно усовершенствовать, если природный газ предварительно охлаждать неодной нижней ветвью каскада R23, а обеими фреоновыми ветвями каскадаR22 и R23.
Предварительный отвод тепла на более высоком температурномуровне может позволить уменьшить «потери» во фреоновых контурах и,12! !!соответственно,повыситьэффективностьожижительнойустановки.Принципиальная схема предлагаемой установки представлена на Рис. 5. Вцикл входит трехпоточный теплообменник №2, который помимо потоковфреонов R22 и R23 включает в себя поток природного газа.
Результатыпроведенного анализа установки с каскадным охлаждением схематическиизображено на Рис. 7. Как наглядно видно из рисунка, затраты напроизводство энтропии в контуре природного газа в предложной схеме скаскадным охлаждением остаются без изменений.Рис.
4. Принципиальная схемаопытно-экспериментальнойустановки с дроссель-эжекторнымциклом высокого давления ипредварительнымфреоновымохлаждением на температурномуровне -70°СРис.5.Принципиальнаясхемаустановки в дроссель-эжекторнымцикломвысокогодавленияикаскадным фреоновым охлаждением! 13!!Удельные затраты энергии,%35.00контур ПГ30.0025.0020.0015.0010.00контур R404Аконтур R235.000.00Предварительный!расчет! Эксперимент!1! Эксперимент!2! Эксперимент!3! Эксперимент!4!Рис.
6. Распределение затрат энергии в установке сжижения природногогаза, % (от общих затрат)Рис. 7. Схематическое изображение распределения затрат энергии поэлементам установки, работающей по дроссель-эжекторному типу скаскадным циклом предварительного охлаждения (пунктирной линиейпоказано распределение затрат в цикле с предварительным охлаждением натемпературном уровне -70°С)14! !!Основной выигрыш в расходуемой на производство энтропии работепроисходит во фреоновом контуре R23. Благодаря тому, что фреон в контуреR22 предварительно частично охлаждает природный газ, минимальнаяработа охлаждения, приходящаяся на контур R23, снижается на 34%.
В связис этим значительно уменьшаются энергетические «потери» в испарителе и насжатие в компрессоре. Вследствие этого суммарные энергетически затраты вконтуре R23 уменьшаются на 38%. Это ведет к сокращению общих затратвсей установки на 5,5%. Таким образом, на основании анализа, проведенногопо предложенной методике, разработан усовершенствованный цикл сдроссель-эжектором и каскаднымохлаждением. Реализация этого циклапозволяет уменьшить удельные затраты электроэнергии до 0,478 кВт ч/кгСПГ и достичь степени термодинамического совершенства 0,341.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫНа основе энтропийно-статистического подхода впервые разработанаметодика анализа малотоннажных установок сжижения природного газа.На основании предложенной методики выполнено исследование установоксжиженияприродногогаза,работающихпо7различнымтермодинамическим циклам.Применение разработанной методики позволило:− выявитьузлысмаксимальными«потерями»энергиив исследованных установках;− показать распределение «потерь» энергии по узлам установоксжижения природного газа;− предложить новый цикл с дроссель-эжектором и каскаднымохлаждением.Выявлено, что совершенствование дроссельного узла путем замены егона дроссель-эжектор повышает эффективность обычного дроссельного циклана 3%.! 15!!Термодинамические расчеты показали, что применение внешнегоазотного цикла в исследованных установках для целей сжижения природногогаза эффективнее циклов высокого давления.Результатыпо разработаннойсравненияметодике,расчетныхпоказалиданных,хорошееполученныхсогласованиес экспериментальными данными, полученными на двух промышленныхустановкахсжиженияприродногогаза.Расхождениеэнергетических «потерь» по узлам установок не превысило 5%.16! !!значенийПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
