Диссертация (1025173), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Цикл с каскадным охлаждением и 4 варианта схем на основеобратного цикла Брайтона на азоте и циклов Джоуля-Томсона на этилене(C2) и пропане (C3) (C – компрессор, E – детандер)На Рис. 1.11. приведено распределение затрат энергии по элементамустановок. Эффективность циклов, сочетающих в себе цикл Брайтона иДжоуля-Томсона, получилась выше, чем у обычного каскадного цикла(особенно в циклах (III) и (IV)). Главные затраты энергии в результатенеобратимости процессов в каскадном цикле происходят в дроссельнойгруппе, так как дросселирование играет решающую роль в нижней ветвикаскада. В комбинированных циклах «потери» в результате необратимостив теплообменных аппаратах ниже, чем в каскадном цикле, потому чторазница в температуре между поступающим природным газом и азотомменьше, а такжепотому что расширение в детандере происходит34с меньшими потерями, чем в дросселе.
Сравнивая циклы (III) и (IV), можновидеть, что в цикле (III) наибольшие «потери» в результате необратимостипроисходят на более низком температурном уровне (в теплообменниках идросселях), а в цикле (IV) – при температуре окружающей среды (К.Х.).Данный пример демонстрирует, как анализ распределения затрат энергиипо элементам циклов позволяет наглядно сравнить установки еще на стадииих проектирования.Рис.1.11.Распределение«потерь»врезультатенеобратимостипо элементам установок: Д – детандеры, Др – дроссели, К – компрессоры,КХ – концевые холодильники, ТО – теплообменные аппараты.В [63] приведен сравнительный анализ различных циклов, работающихпо обратному циклу Брайтона и его различным вариациям, который былпроведен компанией Статойл (Норвегия) совместно с научным центромСИНТЭФ (Фонд научных и промышленных исследований, Норвегия).Исследованные установки относятся к крупнотоннажному производству, ноинтересен подход к их сравнению.
Схемы установок приведены на Рис. 1.12.Все рассмотренные циклы, включая дополнительные 3 цикла с охлаждениемсмесевым хладагентом, были рассчитаны при равной затрачиваемой энергиивцикле,котораяопределяласьмаксимальнойпроизводительностьюгазотурбинного двигателя. В результате анализа сравнивалось количество35СПГ, полученного в каждой установке. Как можно видеть на Рис. 1.13,наибольшаяпроизводительностьСПГбылаполученавциклес двухконтурным охлаждением смесевым хладагентом.а – азотный цикл с одним детандером; б – азотный цикл с двумя детандерами (BHP);в – цикл с охлаждением азотом и метаном (Niche); г – азотный цикл с двумя детандерами(Statoil);36д – азотный цикл с двумя детандерами и предварительным охлаждением.Рис.
1.12. Схемы установок сжижения природного газа, работающиепо обратному циклу БрайтонаРис. 1.13. Производительность каждой установки при равных затратахэнергии (а – азотный цикл с одним детандером; б – азотный цикл с двумядетандерами (BHP); в – цикл с охлаждением азотом и метаном (Niche); г –азотный цикл с двумя детандерами (Statoil); д – азотный цикл с двумядетандерами и предварительным охлаждением; е – цикл со смесевымохлаждением (Prico); ж – цикл со смесевым охлаждением (Linde LiMuM);з – цикл с двухконтурным охлаждением смесевым хладагентом)37В результате исследования было показано, что:− цикл с одним детандером на 30% уступает в производительностициклу с двумя детандерами;− цикл с охлаждением азотом и метаном (технология NicheСПГ[50])требует меньше энергии, так как его производительность на 13%выше, чем у цикла с двумя детандерами и азотным контуром;− производительность цикла с двумя детандерами находится на одномуровне с циклом на смесевом хладагенте.В тоже время важно отметить, что не всегда существует возможностьпровести подобный анализ для сравнения установок, потому что какправило, затраты энергии во всех установках различны, а пересчет цикловустановок при равном значении может быть очень трудоемким и не всегдавозможным.Всоответствии с [64] для установок малотоннажного сжижениярешающими факторами для выбора цикла являются низкая стоимость ипростота реализации, поэтому можно считать, что обратный цикл Брайтонаоптимален для таких установок.
В работе приведен сравнительный анализдвух установок: с одним детандером и предварительным охлаждениемпропаном (а на Рис.1.14) и с двумя детандерами (б на Рис.1.14). Для расчетабыли приняты следующие допущения:− Минимальная разница температур между теплым и холоднымпотоком в теплообменниках составляет 3К.− КПДкомпрессоровсоответственно.идетандеровсоставляет70%и78%38абРис. 1.14. Схемы малотоннажных установок сжижения природного газа,работающие по обратному циклу Брайтона: а – с одним детандером ипредварительным охлаждением пропаном; б – с двумя детандерами.Результаты сравнения двух установок эксергетическим методомприведены на Рис.
1.15. В первом цикле 7,6% энергетических «потерь»происходят при предварительном охлаждении пропаном, в результате чего«потери» в детандере составляют 29,8%, что на 10% ниже, чем во второмцикле. Общие затраты энергии в первом цикле на 5,5% ниже, чем во втором.В результате этого эффективность первого и второго циклов составляет32.9% и 31.0% соответственно.
Данный анализ является одним из наиболееполных примеров исследования малотоннажных установок, работающих пообратному циклу Брайтона.39абРис. 1.15. Распределение «потерь» в результате необратимости по элементамустановок, работающих по обратному циклу Брайтона: а – с однимдетандером и предварительным охлаждением пропаном; б – с двумядетандерами.Какможновидеть,наданныймоментанализисравнениемалотоннажных установок сжижения природного газа является интересной,но не до конца раскрытой областью науки.
В связи с этим важно уделитьболее пристальное внимание этой теме и исследовать ее более детально.1.3.Цели и задачи исследованияВ связи с увеличивающимся интересом к теме малотоннажногосжижения регулярно появляются новые схемы и решения. Часто требуетсясопоставить установки между собой, чтобы определить, какой вариантбудет наиболее оптимальным при данных условиях.Приведенный в этой главе анализ показывает, что в большинствеслучаев эффективность работы установок оценивается по удельнымзатратам электроэнергии на 1 кг СПГ. Несмотря на то, что такой подходкажется рациональным, он не всегда верен для установок сжиженияприродного газа, потому что не дает представление об эффективности ираспределении энергетических «потерь» по узлам установки.Эффективностьцикласточкизрениятермодинамическогосовершенства рассмотрена лишь в нескольких работах [43, 47-48, 53, 64-65,73, 75, 77].
Термодинамический КПД более достоверно характеризует40рассматриваемыйцикл,потомучтоотражает«потери»холодопроизводительности в результате необратимости процессов ипозволяет установить их относительное значение.При проведении детального исследования циклов рассматриваемыеустановки сжижения природного газа анализируются и с помощьюэксергетического метода, как, например, в [47, 53, 64-65, 75, 77].Для данного анализа требуется рассчитать все потоки эксергии, что невсегда целесообразно и часто достаточно трудоемко.Малотоннажное сжижение природного газа гораздо менее освещенов рассмотренной литературе. Исследование циклов ожижения в основномпроведено для крупнотоннажного производства.
В связи с этим порезультатам обзора современного состояния проблемы можно утверждать,чтосуществует потребность в создании методики для исследованиямалотоннажных установок сжижения природного газа, которую можноприменять для анализа существующих и проектируемых установок.Для решения этой проблемы в данной работе были поставленыследующие задачи:− разработать методику для применения энтропийно-статистическогоанализакисследованиюмалотоннажныхустановоксжиженияприродного газа;− исследоватьисравнитьтермодинамическуюэффективностьсуществующих малотоннажных установок сжижения природного газа;− проанализировать и оценить влияние отдельных узлов установкина термодинамическую эффективность цикла сжижения;− определить энергетические «потери» в результате необратимостив опытно-промышленных установках сжижения природного газа исопоставить полученные результаты с расчетными значениями;− определитьнаиболееэффективныециклыдлямалотоннажногосжижения природного газа и обозначить пути их дальнейшегосовершенствования.41ГЛАВА II.
МЕТОДИКААНАЛИЗАЭНТРОПИЙНО-СТАТИСТИЧЕСКОГОМАЛОТОННАЖНЫХУСТАНОВОКСЖИЖЕНИЯПРИРОДНОГО ГАЗАНа основе предложенного в работах [2-8] метода энтропийностатистического анализа была разработана методика его применениядля анализа малотоннажного производства СПГ.2.1.Термодинамические основыРеальныенеобратимы.разностивкриогенныхустановкахнеравновесныиПричиной необратимости является конечная величинахимическихконцентраций)являетсяпроцессыпотенциаловмассовыхпроизводствопотоков.(разностьМеройэнтропии.температур,давлений,необратимостипроцессовИзменениевеличиныэнтропииопределяется вторым законом термодинамики:!" ≥!"!!(2.1)Очевидно, что в силу свойства аддитивности энтропии, её общееизменениебудетсуммойизмененияэнтропиикаждойподсистемы(компрессора, детандера, дросселя, теплообменных аппаратов и т.д.).∆!! = Σ∆!!′где Σ∆!!′(2.2)- производство энтропии в подсистемах реальной криогеннойустановки, i – количество подсистем.В соответствии с уравнением Гюи-Стодолы (1.2) для компенсациипроизводства энтропии требуется работа, которая передается в виде теплотывокружающуюсредустемпературойTОС.Такимобразом,дляфункционирования реальной криогенной установки требуются затратыработы:!д = !!"# + ∆!(2.3)42Величина !!"#в уравнении (2.3) – это затраты работы криогеннойустановки, работающейпо циклу с полностью обратимыми процессами(термодинамически совершенная установка).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
