Диссертация (1025173), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Таким образом,температурный уровень входящего в установку природного газаможет быть очень различен. Процентный состав поступающего газатоже может сильно изменяться. Все эти изменяющиеся параметрытребуют корректировки состава смесевого хладагента. В противномслучае, эффективность цикла сильно снижается;− связанные с предыдущим пунктом трудности в обслуживании;− работа с двухфазным потоком;− большие теплообменные поверхности, обусловленные применениеммногопоточных теплообменников с маленькой разностью температурмежду потоками;− требуетсясистемадляхраненияразличныхиндивидуальныхуглеводородов для создания смесевого хладагента, иногда можетбыть необходимо специальное нетиповое оборудование.В силу большого распространения установок со смесевым хладагентомдля малотоннажного производства, анализ этого цикла приведен в ряде25работ.
Примером исследования установки со смесевым хладагентомявляется отчет по разработке малотоннажного ожижителя природного газа,составленный для отдела энергетики США в Институте Технологии Газа[59]. Производительность экспериментальной установки: 1.7 тонн/день.Выбор в пользу цикла со смесевым хладагентом объясняется авторами тем,что правильно подобранный состав хладагентов позволяет использоватьв установке стандартныекомпрессора и компоненты, характерныедля систем ОВКВ. В ходе исследования было выполнено 17 замеровхарактерных параметров цикла, но на основе полученных данных не былопроведено анализа эффективности установки.
И хотя были отмеченынекоторые зависимости производительности по сжиженному природномугазу от отдельных параметров, экспериментальные данные могли бытьболее полно использованы.В [53] представлен анализ перспективной схемы с охлаждениемс помощью смесевого хладагента, работающего по циклу с сепараторомдефлегматором. Схема установки показана на Рис. 1.3, а распределениезатрат энергии в результате необратимости по элементам установки,полученное с помощью анализа эксергетическим методом, отображенона Рис. 1.4.КомпрессорДр2ПГОтбросной.газОхладительМаслоотделительТО1Дефлегматорсо встроеннымТОДр1ТО2ИспарительСПГРис.
1.3. Установка сжижения природного газа со смесевым цикломохлаждения и дефлегматором264035302520151050pн/pвс=5pн/pвс=4.2pн/pвс=3.5Рис. 1.4. Зависимость распределения затрат энергии в элементах установкиот степени сжатия смесевого компрессора, %Степень термодинамического совершенства установки составляет 3035%. Потребление энергии находится на уровне 0.87-1.00 кВт ч/кг СПГ.Ранее авторами в [54] и [55] была предложена модель для расчетапараметров термостатирования объектов с помощью циклов на смесевомхладагенте.В[53]уделеновниманиеодноступенчатомуциклус разделением фаз смесевого хладагентаи проведено исследованиераспределенияпоэнергетических«потерь»элементамустановкив зависимости от степени сжатия смесевого хладагента.
Показано, чтонаибольшая степень термодинамического совершенства может бытьдостигнута при степени сжатия, равной 3,5.полнуюкартинувлиянияотдельногоДанный пример дает болеефакторанараспределениеэнергетических «потерь», но требует затрат времени на разработкусоответствующей модели.В работе [48] исследуется влияние многопоточных теплообменныхаппаратов на эффективность цикла сжижения.
Расчет проведен для простогодроссельногоцикласосмесевымхладагентом.Схемаустановкипредставлена на Рис. 1.5. Приведено сравнение расчетов потоковв теплообменнике, полученных с помощью термодинамического анализа ис помощью термодинамической модели в Hysys [40].27Рис. 1.5. Одноступенчатый цикл со смесевым хладагентомЭнергетические«потери»втеплообменномаппаратепри термодинамическом расчете получились выше на 1,1%, чем при расчетев Hysys. Это говорит о том, что степень термодинамического совершенствацикла на смесевом хладагенте, полученная по параметрам расчета Hysys,будет несколько завышена по сравнению с реальными данными (37,1%по сравнению с 36,2%). Распределение энергетических «потерь» в узлахцикла представлено на Рис. 1.6.абРис.
1.6. Распределение «потерь» в результате необратимости по элементамцикла на смесевом хладагенте: а – результат при расчете в Hysys; б –результат при термодинамическом расчете по оптимальным параметрам (Др– дроссель, К – компрессоры, КХ – концевые холодильники, ТО –теплообменный аппарат).«Потери» в результате необратимости процессов в отдельных узлахустановки рассчитаны с помощью энтропийного метода, что делает этотанализ особенным среди других примеров исследования малотоннажныхустановок. Анализ проведен на основе [45], где предложен метод28минимизации производства энтропии в термодинамических циклах.
Этотпример подтверждает, что энтропийный метод может быть успешноиспользован для малотоннажных установок и существует интерес к егодальнейшему развитию.В [65] предложен наиболее полный анализ цикла на смесевомхладагенте для сжижения паров природного газа в танкере СПГ,производительностью 20 т/день. Схема установки приведена на Рис. 1.7.Данный цикл был проанализирован с помощью эксергетического метода.Распределение энергетических «потерь» в результате необратимостипо компонентам установки представлены на Рис.
1.8.Рис. 1.7. Установка сжижения паров природного газа со смесевым цикломохлаждения29абРис. 1.8. Распределение затрат энергии в цикле со смесевым охлаждением:а – по всей СПГ установке; б – в холодильном контуре.Наибольшие затраты энергии, наряду в компрессором (30.1%),происходят в теплообменных аппаратах со смесевым хладагентом (8.3% и13.6%) и с природным газом (10.8%).
В исследованной схеме эффективностьцикла достигает 34%, а потребление энергии составляет 0,49 кВт ч/кг СПГ.Определив узлы установки с наибольшими затратами в результатенеобратимости (как, например, в теплообменных аппаратах в случаесо смесевым циклом), можно далее совершенствовать рассмотренныеэлементы. Например, в [58] показано, как оптимизация состава смесевогохладагента по разнице температур между горячим и холодным потокомв теплообменнике цикласмесевогохладагентапозволяет снизить «потери» в компрессорена30%иблагодаряэтомуповыситьтермодинамическую эффективность SMR цикла с 27.42% до 45.45%.
В [41]циклы сжижения природного газа (цикл Prico на смесевом хладагенте [7374], циклы с одним и двумя детандерами, ряд каскадных циклов)оптимизированыпо температуреподавлению,природногогазарасходунаисоставувыходеизхладагентаитеплообменников.Для определения энергетических затрат в отдельных узлах использовалсяэксергетическийметод.Наибольшие«потери»вциклесжиженияприродного газа происходят при сжатии в компрессоре, поэтому в работебыло предложено использовать многоступенчатое сжатие, снижающее30затраты энергии на 16%.
Показано, что азотный цикл охлаждения с двумядетандерами при наиболее оптимальных параметрах на 38.45% болееэффективен, чем в одним детандером. Использование усложнённогокаскадного цикла (с использованием усложненной схемы для каждой ветвикаскада)позволяетпонизитьэнергетические«потери»на34.7%.Проведенный анализ был бы невозможен без начального определенияраспределения энергетических затрат в цикле.В работах [51, 69] приведены аргументы в пользу использованияобратного цикла Брайтона для малотоннажного производства. В связис непрерывным совершенствованием конструкций детандеров и ТДКА, ихэффективность значительно повысилась по сравнению с моделями 1970годов (порой более, чем на 10% [69]).
Это дало новый виток в развитии иприменении обратного цикла Брайтона для малотоннажных установоксжижения природного газа.Преимуществами обратного цикла Брайтона являются [43, 49, 52, 73]:− надежность работы установки;− меньшая зависимость эффективности цикла от состава газа;− возможность использования стандартного оборудования;− небольшое количество единиц оборудования;− работы с однофазным хладагентом;− легкость в обслуживании.Недостатками данного цикла являются:− более высокое потребление энергии по сравнению с цикломна смесевом хладагенте;− большие капитальные затраты на детандеры;− при большом расходе хладагента установка имеет большие размеры.Примеровдетальногоисследованиямалотоннажныхустановоксжижения природного газа, работающих по обратной схеме Брайтона,немного.Большинствопроизводством.исследованийсвязаныскрупнотоннажным31В[77]приводитсясравнениеперспективныхсхемустановокдля получения СПГ на морских судах.
Хотя в данной работе предложенныесхемы представлены как малотоннажные, рассмотренные установки имеютпроизводительность80т/час,чтоскореедаетправоговоритьо крупнотоннажном производстве. Из четырех рассмотренных циклов (см.Рис.1.9)наиболееэффективнойявляетсяустановкасосмесевымхладагентом. В цикле New LNG затрачивается на 10% больше энергии, ав других двух циклах (GCL и cLNG) еще дополнительные 6-7%. Нопри оптимизации двух последних процессов (GCL и cLNG) данноерасхождение можно уменьшить. В работе также отмечается ценностьисследования установок с определением распределения затрат энергиипо отдельным компонентам.
Это дает возможность определить области,требующие усовершенствования, в каждом отдельном цикле.Рис. 1.9. Энергетические «потери» в работе в циклах установокдля получения СПГ на морских суднах (SMR цикл – одноконтурноеохлаждение смешанным хладагентом; New LNG цикл – цикл, где частьосновногопотокаПГпроходитчерездля предварительного охлаждения; GCL циклТДКАииспользуется– цикл, где весь поток32проходит через турбодетандер в ТДКА; cLNG цикл– цикл с внешнимазотным охлаждением и 2 ТДКА)В работе [47] стандартный каскадный цикл для крупнотоннажногоожижения сопоставлен с различными вариациями циклов на основеобратного цикла Брайтона на азоте и циклов Джоуля-Томсона на этилене(C2) и пропане (C3).
В цикле (I) на Рис. 1.10. азотный цикл являетсяотдельной ступенью, отвечающей за охлаждение природного газа на самомнизком уровне температур. В цикле (II) азот предварительно охлаждаетсяэтиленом и пропаном; в цикле (III) азот предварительно охлаждаетсяпропаном и регенерируется в теплообменниках с этиленом; в цикле (IV)азот регенерируется в теплообменниках с этиленом и пропаном.Для анализа циклов были приняты следующие допущения:− Гидравлические «потери» в теплообменниках равны нулю.− Температура на выходе из концевого холодильника составляет 310К.− Адиабатная эффективностьвсех компрессоров и детандеровсоставляет 80%.− Минимальная разница температур между теплым и холоднымпотоками в теплообменниках составляет 3К.Все принятые допущения кроме последнего пункта соответствуютсреднестатическим значениям, которые могут быть использованы такжедля анализамалотоннажныхустановокВеличинанедокуперациивдля теплообменныхаппаратов,3Ксжиженияявляетсяиспользуемыхприродногослишкомвпроизводстве СПГ, и должна быть принята на уровне 5-10К.газа.низкоймалотоннажном33Рис.1.10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
