Диссертация (1172966), страница 22
Текст из файла (страница 22)
С учетом выражения (3.7), а также того, чтоqК = T0(s1 – s3 ),(3.9)иs 3 = s f,получаем уравнение для определения минимальной удельной работыожижения газа с применением холодильного цикла:lmin = lК – lД = T0(s1 – sf ) – (h1 – hf ),(3.10)идентичное уравнению (3.4).Графически на рисунке 3.2 минимальную работу lmin, необходимую длясжижения газа, характеризует площадь, ограниченная линией 1-3-f-2-1.В уравнениях 3.4 и 3.10 второе слагаемое характеризует удельноеколичество теплоты, необходимое для перевода охлаждаемого газа из состояния 1в жидкую фазу в состоянии f. Характерной особенностью идеальногохолодильного цикла сжижения газа является отвод тепла в две стадии: приснижении температуры от Т0 до Тx отводится теплота в количестве (h1 – h2)(уравнение 3.5) и при постоянной температуре Тx отводится теплота конденсации(h2 – hf ) (уравнение 3.6).
Аналогично подразумевается, что в теплообменнике Ттеплота подводится к хладагенту в две стадии: при повышении температуры от Тxдо Т0 подводится теплота в количестве (h1 – h2) и при постоянной температуре Тxподводится теплота, равная теплоте испарения жидкой фазы (h2 – hf ). Анализидеального цикла сжижения газа (Рисунок ) показывает, что непрерывностьотвода теплоты на участке 1-2 сначала на более высоких температурных уровнях,а далее при более низких температурах позволяет достичь минимальныхэнергозатрат.163Осуществление идеального цикла сжижения газа на практике невозможно,однако его сравнение с реальными циклами сжижения газа позволяет оценитьэффективность последних.
Величина минимальной работы идеального цикла длячистого метана, рассчитанная в работе [80], составляетlmin = 1095,07 кДж/кг.В реальных циклах сжижения газов эффективность процессов значительнониже, чем в идеальном цикле вследствие необратимости энергетических потерь вдроссельныхустройствахиихконструкций,наличиягидравлическихсопротивлений в трубопроводах и теплообменных аппаратах, различныхтеплоемкостейсжатогоирасширенногохладагента втеплообменниках,теплообмена с внешней средой и других факторов.На практике повышение энергоэффективности реальных циклов возможноза счет выбора оптимальных параметров цикла сжижения на основе применениянаучных и инженерных решений в области технологических процессов,уменьшающих необратимость потерь энергии.3.2.2 Реальные холодильные циклыВ реальных установках сжижения природного газа используют тот или инойиз известных способов производства холода.
Теоретические основы этихспособов изложены в литературе по криогенной технике таких известныхавторов, как П.Л. Капица, А.М. Архаров, Е.И. Микулин, В.М. Бродянский, другихотечественных и зарубежных ученых. Для сжижения природного газа впромышленных условиях наибольшее распространение получили холодильныециклы,использующиеизоэнтальпический(дросселирование)илиизоэнтропический (расширение в детандере) способы производства холода. Режевстречаются холодильные циклы, построенные на расширении газа в адиабатнойвихревой трубе, на процессе волнового расширения газа [81, стр.188, 194].164Простой замкнутый термодинамический дроссельный цикл (рисунок 3.3)был первым криогенным циклом, нашедшим применение в технике при расчетахи проектировании.
Этот цикл широко используют и сейчас как в егопервоначальномвиде,такивразличныхмодификациях.Наконец,рассматриваемый цикл (в виде отдельной ступени с дросселированием) являетсянеотъемлемой частью большинства современных криогенных установок.Рисунок 3.3 – Принципиальная схема простого дроссельного цикла1 – компрессор; 2 – холодильник-конденсатор с внешним охлаждением; 3–дроссель; 4 – сепаратор; 5 – теплообменник-испаритель для охлаждениясжижаемого газа [7]Газ, сжатый в компрессоре 1 и охлажденный до температуры окружающейсреды в конденсаторе 2, проходит через дроссель 3 (клапан Джоуля-Томсона), гдепри расширении его температура снижается. После дросселирования жидкаячасть потока собирается в нижней части сепаратора 4, откуда далее подается втеплообменник-испаритель 5. В теплообменнике жидкость охлаждает болеетеплое вещество, при этом нагреваясь и испаряясь.
Вернувшись снова вгазообразное состояние, рабочее тело вновь подается для сжатия в компрессор 1.Цикл замыкается. Выходящий с верха сепаратора паровой поток, возникшийвследствие дросселирования, может подаваться как прямо на вход компрессора,165так и в некоторых случаях смешиваться с потоком жидкости из сепаратора инаправляться на линию расхода холода, тем самым добавляя в поток жидкостихолод от парового потока.Как процесс для производства холода, изоэнтропическое расширение вдетандере термодинамически более эффективно, чем расширение в дроссельномвентиле.
Схема простого детандерного цикла представлена на рисунке 3.4.Расширение сжатого газа в детандере происходит без обмена теплом сокружающей средой, и совершаемая при этом газом работа производится за счетего внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается. При расширении газав детандере достигается заметно больший эффект охлаждения, чем придросселировании.
Кроме того, отдача внешней работы детандером приводит куменьшению общего расхода энергии в цикле.Рисунок 3.4 – Принципиальная схема простого детандерного цикла:К – компрессор; ТК – теплообменник-конденсатор; Д – детандер;ТИ – теплообменник-испаритель [7]Различают открытые и закрытые детандерные циклы. На рисунке 3.4показан закрытый детандерный цикл, в котором циркулирует отдельный потокхладагента. Открытые детандерные циклы используются по следующей схеме:поток газа при сжижении разделяется на две части, одна из которых подается в166детандер и, охладившись, используется для охлаждения другой части газовогопотока в теплообменнике. В этом случае в качестве рабочего тела циклавыступает отделившаяся часть газового потока.
При такой схеме коэффициентожижения, или доля ожиженного газа, остается в интервале от 10 до 15 %.Холодильные циклы с вихревой трубой встречаются намного реже, чемдроссельные или детандерные. Принципиальная схема такого цикла представленана рисунке 3.5. Сжатый в компрессоре 1 хладагент охлаждается и конденсируетсяв теплообменнике 2, а затем подается на вход вихревой трубы 3. Принципдействия вихревой трубы (ВТ) заключается в том, что сжатый газ черезтангенциально расположенное сопло ВТ подается в улитку, где устанавливаетсяинтенсивное круговое течение.
При этом происходит разделение потока газа напериферийный, теплый (красная стрелка), и на осевой, более холодный (голубаястрелка). Часть газа в виде теплого потока выводится из системы и может бытьсброшена в газораспределительные сети низкого давления или использована вкачестве топливного газа. Другая часть газа в виде холодного потока собирается вемкости 4, а затем подается в испаритель 5, где за счет его испарения охлаждаетсяпоток сжижаемого газа.Механизм энергетического разделения потоков в вихревой трубе ещенедостаточно изучен, хотя исследования вихревого эффекта, вихревых труб исоответствующих установок весьма многочисленны.По данным д.т.н., проф. Архарова А.М., который является несомненнымавторитетом в области криогеники, снижение температуры холодного потокадаже в лучших конструкциях вихревых труб достигает только от 55 до 65 %разности температур в изоэнтропийном процессе (при расширении газа вдетандере).
В вихревых трубах, создаваемых для охлаждения, величинахолодного потока составляет всего от 20 до 35 % от общего потока газа, поэтому«становится очевидной низкая термодинамическая эффективность вихревойтрубы как генератора холода.
Однако ее конструктивная простота … в некоторыхслучаях играет определяющую роль, особенно когда степень термодинамическогосовершенства генератора холода не является решающим фактором» [81, с. 191-167192]. По расчетам и опыту эксплуатации вихревых труб, коэффициент ожижениясоставляет от 2 до 16 %. [80]Рисунок 3.5 – Принципиальная схема простого цикла с вихревой трубой:1 – компрессор; 2 – холодильник-конденсатор с внешним охлаждением; 3 –вихревая труба: голубая стрелка – осевой холодный поток, красная стрелка –периферийный горячий поток; 4 – емкость; 5 – холодильник-испаритель дляохлаждения сжижаемого газа [81, 82]Впромышленныхустановкахсжижениягазадляповышенияэффективности процесса вышеперечисленные циклы комбинируют друг с другом.3.2.3 Технические и технологические решенияСовременное производство СПГ, независимо от производительноститехнологических линий, можно условно разделить на два этапа: подготовка газа исобственно сжижение газа.
Процессы подготовки газа, о которых речь пойдетдалее, широко используются в промысловой подготовке газа к трубопроводномутранспорту, промышленной переработке газа, на предприятиях газохимии и вдругихотраслях.Восноветехнологийподготовкигазалежаттакие168массообменныепроцессы,какабсорбция,ректификацияиадсорбция,гидродинамические процессы – осаждение, фильтрование и сепарация.Процесс сжижения газа представляет собой термодинамический процесспоследовательного охлаждения и конденсации природного газа при теплообменесразличнымиизоэнтропийнымхладагентамиспоследующимрасширением.Комбинацияизоэнтальпическимтехнологическихилирешенийитехнических устройств для охлаждения, конденсации и заключительногодросселирования природного газа представляет собой технологию сжижения,которая лицензируется компанией-разработчиком. За период существованиямировойиндустрииСПГбылоразработаномножествотехнологийпромышленного сжижения природного газа.
Меньшая часть из них применяется вкрупнотоннажном производстве СПГ, бόльшая – в средне- и малотоннажном.В основе всех технологий сжижения лежат холодильные циклы, которыемогут быть замкнутыми или открытыми. Замкнутые холодильные циклы (ЗХЦ)используют рабочие вещества – хладагенты – и служат внешним источникомохлаждения газа. В открытых холодильных циклах (ОХЦ) хладагентом являетсячасть потока самого природного газа.
Как правило, крупнотоннажные технологиисжижения используют ЗХЦ, в малотоннажных технологиях применяются какЗХЦ, так и ОХЦ. В качестве хладагентов внешних холодильных цикловприменяют как компоненты природного газа (азот, метан, этан, пропан, бутаны,и-пентан) в чистом виде или в смесях, так и синтетические вещества(хлорфторуглероды, гидрофторуглероды, гидрофторхлоруглероды). В работе [83]отмечается,чтокхладагентампредъявляютсяследующиетребования:температура кипения хладагента при атмосферном давлении и давлениеконденсации при температуре окружающей среды должны быть как можно болеенизкими, объемы паров, образующиеся при испарении в теплообменнике, недолжны быть значительными.ДляпроизводстваСПГвпромышленныхмасштабах(крупно-исреднетоннажное производство) экономически более выгодно использоватькомпоненты природного газа в качестве хладагентов ЗХЦ.
У каждого компонента169есть свой диапазон температур кипения-конденсации в зависимости от давления(см. рисунок 3.6). Верхние пределы – это критические температуры и давления,выше которых газ нельзя сконденсировать. Нижний предел – атмосферноедавление, поскольку снижение давления ниже атмосферного нежелательно посоображениям безопасности. Следовательно, данным диапазоном ограничиваетсядиапазон температур дроссельного холодильного цикла, где в качестве хладагентаиспользуетсятолькоодинкомпонент.Так,например,пропанможетконденсироваться с отводом тепла в окружающую среду с температурой 20 °Спри давлении 0,8 МПа, а этан – при давлении 3,8 МПа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
