Диссертация (1025173), страница 12
Текст из файла (страница 12)
ПГРасхождение результатов вычислений затрат энергии находитсяв пределах 0,4 % ( δ3 = 2945, 62 − 2934,93 = 10.69кДж).кг сжим. ПГТаким образом,в первом приближении можно утверждать, что найденное распределениезатрат энергии по элементам всей низкотемпературной установкидля сжижения природного газа, верно.101Таблица 11Основные узлы ипроцессы установкисжиженияМинимальноПроизводствонеобходимые затратыэнтропии в основныхэнергии для компенсацииузлах,производства энтропии,кДж/кг СПГ ·КкДж/кг СПГКонтур природного газаДроссель № 10.04212.6-460.6Дроссель № 20.0154.46Дроссель № 30.09929.69ТКА-779.38ТКА (от тепла)-2.24Охладитель-36.53Теплообменник №10.31896.38Теплообменник №20.05416.26Теплообменник №30.397118.03Теплообменник №40.715213.89Теплообменник №50.1235.88Теплопритоки отокр.
средыФреоновый контур-13.76Дроссель № 40.07221.44Конденсатор0.0278.034-5.590.02321.68-0.906Азотный контурТДКонцевойхолодильникИспарительТеплопритоки отокр. среды102Рис. 3.18. Схематическое изображение распределения затрат энергии,кДж/кг СПГ, по элементам установки с азотным контуром охлаждения;циклы: ηиз=0.6 и ηS=0.8 (сплошные линии); ηиз=0.65 и ηS=0.835 (штриховыелинии)Затратыв результатеэнергиинанеобратимостикомпенсациюрабочихпроизводствапроцессоввкомпрессорахопределены следующим образом:(Δl 'сж ) ПГ =энтропииlиз111кДж;− lиз1 = lиз1 ⋅ (− 1) = 446,9 ⋅ (− 1) = 297,933ηизηиз0, 6кг сжим.
ПГ103Δl 'сж2 = lиз2 ⋅ (11кДж− 1) ⋅ y = 143 ⋅ (− 1) ⋅13, 244 = 1262, 62ηиз20,6кг сжим. ПГΔl 'сж3 = lиз3 ⋅ (11кДж− 1) ⋅ y = 2, 749 ⋅ (− 1) ⋅13, 244 = 24, 27ηиз30,6кг сжим. ПГΔl 'сж4 = lад ⋅ (11кДж− 1) ⋅ y = 35,847 ⋅ (− 1) ⋅13, 244 = 203, 472ηад10, 7кг сжим. ПГ(Δl 'сж ) N2 = Δl 'сж2 + Δl 'сж3 + Δl 'сж4 − lTД ⋅ y = 1262, 62 + 24, 27 + 203, 472 −−55, 274 ⋅13, 244 = 758,3(Δl 'сж ) R22 =кДжкг сжим. ПГlад R2211кДж− lад R22 = lад R22 ⋅ (− 1) = 82,935 ⋅ (− 1) = 20, 734.ηад R22ηад20,8кг сжим.
ПГДействительная суммарная работа, затрачиваемая на сжатие ПГ,азота и R22, равна:l∑ действ =+lиз1 lиз2 ⋅ y lиз3 ⋅ y lад R22 446,9 143 ⋅13, 244 2, 749 ⋅13, 244+++=+++ηиз1 ηиз2ηиз3ηад20, 60, 60, 682,935кДжкВт ⋅ ч= 4065, 72= 1,129.0,8кг жидк. ПГкг жидк.
ПГСтепень термодинамического совершенства установки сжижения ПГ:ηтерм =lmin ожиж. ПГ1068,1== 0, 263 .l∑ действ4065, 725.) Оценка зависимости распределения затрат энергии на производствоэнтропии от КПД компрессора и детандера.Рассмотренный вариант был рассчитан при среднестатическихзначениях изотермического КПД компрессора ηиз=0.6 и КПД детандераηS=0.8. Представляется интересным рассмотреть влияние данных величинна распределение затрат энергии по элементам установки. Для этого былпроведен аналогичный расчет при изменении одного из параметров либообоих параметров значениями ηиз1,2=0.65 и ηS=0.835. Результаты сравненияприведены в Таблице 12.
Диаграммы распределения затрат электроэнергиипо элементам установки представлены на Рис. 3.18 и на Рис. 3.19.104Таблица 12η при ηs=0,8Характеристики установки0,60,65η при ηs=0,8350,6Азотный«потери» работы в1262.6 1019.8 1018.1Компрессорнаиболее«энергонапряженных» Турбодетандерноузлах установки,Компрессорный 779.4 779.4 660.4кДж/кгСПГагрегатПроизводительность, кг/ч538853886682Удельные затраты электроэнергии,1.129 1.0460.97кВтч/кгСПГТермодинамическая эффективность0.263 0.284 0.3060,65822.3660.466820.8990.33∆l кДж/кгСПГ!12001000η=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∆l кДж/кгСПГ140012001000800η=0,6 и ηs=0,8600η=0,65 и ηs=0,8400η=0,6 и ηs=0,835200η=0,65 и ηs=0,8350б105∆l кДж/кг СПГ!40.0035.0030.0025.0020.0015.0010.005.000.00lmin охл Др № 4N2η=0,6 и ηs=0,8η=0,65 и ηs=0,8η=0,6 и ηs=0,835η=0,65 и ηs=0,835КонКХИспОСΔlсж R22вРис.
3.19. Распределение «потерь»необходимойработыдля(удельные значения минимальнокомпенсациипроизводстваэнтропии)по элементам установки при разных значениях КПД машин, кДж/кг СПГ:а – контур природного газа; б – азотный контур; в – фреоновый контур.Анализ полученных результатов показывает, что наибольший вкладвносят «потери»в результате необратимости в основном компрессореазотного контура (от 25.9% при η=0,65 и ηs=0,835 до 31.4% при η=0,6 иηs=0,8).
Эти «потери» частично компенсируются производимой работойдетандера (от 18.1% при η=0,6 и ηs=0,835 до 19.7% при η=0,65 и ηs=0,8).Также существенны «потери» в ТДКА (от 19.3% при η=0,6 и ηs=0,835 до20.9% при η=0,65 и ηs=0,8), в турбодетандере (от 9.1%при η=0,6 иηs=0,835 до 12.4% при η=0,65 и ηs=0,8), в компрессоре природного газа (от6.5% от общих затрат при η=0,65 и ηs=0,8 до 8.7% при η=0,6 и ηs=0,835) идожимающем компрессоре ТДКА (от 5.1% при η=0,6 и ηs=0,8 до 5.5%при η=0,65 и ηs=0,8).Расхождениесуммарныхзначенийэнергозатрат,полученныхпри энтропийно-статистическом анализе, с затратами на работу сжатиясоставляет менее 1%, что подтверждает достоверность результатово реальном распределении затрат на производство энтропии по всемосновным элементам рассматриваемой установки.В рассматриваемую установку входит многопоточный пластинчаторебристый теплообменник, энергетические «потери» в частях которого106составляют ~12% при стандартных значениях КПД машин.
ПовышениеКПД турбодетандера до 0.835 ведет к снижению затрат на теплообменна 25%. Увеличение затрат энергии во фреоновом контуре связанос увеличением расхода природного газа, что приводит к меньшемуохлаждению азота в ТО№1 и требует дополнительного охлаждения.Наибольшие энергетические «потери» в азотном контуре происходятпри сжатии в компрессоре и в ТДКА. Изменение эффективности этихкомпонентов значительно влияет на величину «потерь» . Повышение КПДтурбодетандерас0.8до0.835приводиткснижениюв турбодетандере на 16% и уменьшает «потери»«потерь»на сжатие азотногоконтура на 4%. И хотя такое изменение приводит к увеличению «потерь»в результатенеобратимостивТДКАна5%,общиезатратына производство энтропии в азотном контуре снижаются на 8%.
ИзменениеКПД компрессора с 0.6 до 0.65 также сильно влияет на энергетические«потери» , уменьшая затраты на сжатие азотного контура на треть иснижая общие затраты контура на 10%. Таким образом, можно утверждать,что совершенствование турбодетандера вносит значительный вкладв уменьшениеэнергозатрат,сопоставимыйссовершенствованиемкомпрессорных агрегатов азотного контура.Повышение эффективности компрессора природного газа нарядус компрессором азотного контура снижает общие затраты всей установкина 7.5%.
Как можно видеть на Рис. 3.18, совершенствование машинустановки позволяет достичь значительного сокращения затрат энергиина производство энтропии и повысить степень термодинамическогосовершенства почти на четверть, что является значимым стимуломдля улучшения этих компонентов цикла.Выводы по главе.Полученные результаты расчета для рассмотренных установок былисведены в Таблицу 19 приложения. Рис. 3.20 и Рис. 3.21 демонстрируют107распределение затрат по компонентам установок в контуре природногогаза и во фреоновом цикле.
На основе полученных данных можно сделатьследующие выводы:1.Наиболее низкая степень термодинамического совершенстваимеет место в циклах установки с двумя дроссель-эжекторными ступенями(пункт 3.3.2) иустановки с одной дроссель-эжекторной ступенью,предназначеннойдлясжиженияприродногогазассодержаниемнизкокипящих компонентов до 9% (пункт 3.3.3). Как можно видетьпо диаграмме, минимальная работа сжижения природного газа для этихдвух установок существенно ниже (на 20-25% от среднего значения).Минимальная работа ожижения зависит только от параметров природногогаза на входе и выходе из установки и не зависит от протекающихпроцессов.
В данных двух случаях давление природного газа на входесоставляет 3-4 МПа, что равно давлению в газовой магистрали, в то времякак давление входа в других установках в несколько раз меньше. Нопри этом затраты энергии в компонентах установок близки к затратамв другихустановках,отчастизасчетвведениядополнительногооборудования (напомним, что одной из основных задач установки с двумядроссель-эжекторными ступенями помимо ожижения являлась очисткаприродного газа от азота). В этой связи циклы установок являются менееэффективными, поскольку располагаемая энергия транспортируемого газаполностью не реализуется.10840.0Удельные 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.
3.20. Сравнение распределения энергетических затрат по элементамцикла природного газа, % (от общих затрат): * - цикл, рассчитанныйна метане, ** - цикл, рассчитанный на природном газе10912Удельные энергетические потери, %8.07.06.05.04.03.02.01.00.0Установка 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, предназначенные для сжиженияприродного газа с содержанием низкокипящих компонентов до 9%**Установка с одной дроссель-эжекторной ступенью и предвариельным охлаждением науровне -70°С*Установка с одной дроссель-эжекторной ступенью и предварительным охлаждениемкаскадной холодильной машиной*Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
