Диссертация (1172966), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Таким образом, состав циркулирующего хладагентаполностью соответствует составу равновесной паровой фазы при испарении СПГ.Излишки образовавшегося хладагента могут быть использованы в качестветопливного газа или смешиваться с потоком сырья.Основным преимуществом данного процесса является то, что хладагентберется непосредственно из потока сырьевого газа. При этом исключаетсянеобходимость завоза и хранения специальных хладагентов.Результаты термодинамических расчетов показали, что при том же расходеприродного газа, одинаковом массовом выходе СПГ и топливного газа азотнометановый холодильный цикл является более эффективным.
Затраты энергии наработу компрессора К3 и холодильника Х (в данном примере – АВО) на 1 кгпроизводимого СПГ в азотно-метановом цикле более чем на 20 % ниже, чем вазотном цикле.Рисунок 3.52 – Технологическая схема сжижения МУО на основе азотнометанового холодильного цикла: Т1, Т2, Т3 – теплообменники; Д1, Д2 –турбодетандеры; К1, К2, К3 – компрессоры; Х – холодильник; Др – дроссель(Источник: составлено автором)269Экономия энергии в азотно-метановом цикле связана с тем, чтотеплоемкость азотно-метановой смеси выше, чем чистого азота, и, следовательно,при тех же условиях ниже расход хладагента в азотно-метановом цикле и болеенизкая, по сравнению с азотным циклом, нагрузка на компрессор и холодильник.Также для газа того же состава была рассмотрена простая дроссельнаясхема с предварительным охлаждением с помощью серийной холодильноймашины (см.
рисунок 3.21).Основными критериями выбора данной технологической схемы были:− надежность (из-за особенности эксплуатации скважин угольногометана);− простота регулирования системы;− возможность блочно-модульного строительства (компактность).Наличие предварительного охлаждения позволяет уменьшить нагрузку, а,соответственно,иповыситьпроизводительностьосновногокриогенноготеплообменника.
Учитывая необходимый диапазон температур от минус 25 °С доминус 45 °С, для этапа предварительного охлаждения была выбрана холодильнаямашина с фреоном-12 в качестве хладагента (как вариант, возможен выборпропановой холодильной машины).Были проведены исследования зависимости коэффициента ожижения газаот степени его сжатия в компрессоре и температуры предварительногоохлаждения (минус 25, минус 35 и минус 45 °С). На рисунке 3.53 показано, чтокоэффициентожижениярастетсповышениемдавлениянагнетаниявкомпрессоре.
Кроме того, чем ниже температура предварительного охлаждения,тем выше коэффициент ожижения при том же давлении нагнетания.270Коэффициент ожижения, %252015-25 С-35 С10-45 С5060708090100110120Давление, МПа*10130140150Рисунок 3.53 – Зависимость коэффициента ожижения МУО от давлениянагнетания в компрессоре и температуры предварительного охлаждения [149]Так как при постепенном повышении давления нагнетания в компрессоре изафиксированном давлении дросселирования газа может произойти переходпроцесса из области нисходящих в область восходящих изоэнтальпийных кривых,чтосоответствуетотрицательномудроссель-эффекту,былипроведеныдальнейшие исследования коэффициента ожижения от давления нагнетания вболее широком интервале для температуры предварительного охлаждения минус45 °С.На рисунке 3.54 показано, что максимальное значение коэффициентаожижения равное 25,3 % было получено при давлениях нагнетания от 3,6 до3,8 МПа, при дальнейшем повышении давления коэффициент ожиженияпонижается из-за отрицательного дроссель-эффекта.
При повышении давлениянагнетания более 2,0 МПа прирост коэффициента ожижения незначителен посравнению с возрастающим давлением нагнетания компрессора, что будетсвязано с более высокими капитальными и эксплуатационными затратами.271Следовательно, за оптимальную величину давления нагнетания в данном циклеможет быть принято давление 2,0 МПа. При этом давлении коэффициентожижения составляет 23 %.Коэффициент ожижения, %302525,3%2015105050100150200250300350Давление, МПа*10400450500Рисунок 3.54 – Зависимость коэффициента ожижения МУО от давлениянагнетания при температуре предварительного охлаждения минус 45 °С [149]Рассмотренный процесс сжижения МУО и малотоннажная установка на егоосновеможетбытьиспользованаприразработкесхемыавтономногогазоснабжения населенных пунктов. Основным преимуществом данного процессаявляется то, что хладагент берется непосредственно из потока сырьевого газа.При этом исключается необходимость завоза и хранения специальныххладагентов.Таким образом, проведенные анализ и исследование различных технологийполучения СПГ из МУО показывают, что технологический процесс сжиженияугольного метана должен выбираться после тщательных технико-экономическихрасчетов, которые должны основываться на учете состава и извлекаемых запасовМУО, назначения СПГ, региональной социально-производственной структуры идругих факторов.272ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 31.Тщательный анализ литературных и патентных источников позволилсобрать и изложить в данной работе материал как по принципиальнымтехнологическим схемам сжижения, так и по основным параметрам веденияпроцессов.Следует отметить, что для каждой из технологий получения СПГсуществует свой диапазон производительности, в котором та или иная технологияэффективна.
Например, открытые циклы с детандерами применяются только вмалотоннажном производстве, а каскадные процессы с двумя или тремя циклами– в средне- или крупнотоннажном. Анализ литературных источников, в которыхприведены данные по производительности одной технологической линии по тойили иной технологии, позволил разработать диаграмму, представленную нарисунке 3.22.2.Проведенные аналитические исследования литературных источниковпоказали, что наиболее эффективными крупнотоннажными процессами сжиженияв настоящее время являются процессы с предварительным охлаждениемпропаном или смесевым хладагентом (СХА).
Эти технологии были выбраны дляисследования. Были проведены подробный анализ и сравнение эффективноститехнологий AP-C3MR™ и Shell DMR™ в арктических условиях. Проведенныеоптимизационные расчеты процессов сжижения показали, что реализацияпреимуществ холодного климата возможна либо через общее снижениеэнергозатрат, либо через увеличение производительности технологических линийСПГ.3.сжиженияНаряду со сбором и обработкой информации по технологиямбылапроведенаработапоисследованиюоборудования,задействованного в процессах сжижения.
В результате анализа были выявленыосновные группы оборудования, которые являются ключевыми для данныхпроцессов, описаны их характеристики. Подробная систематизация оборудованияхолодильных циклов приведена в монографии [7].2734.Создание более эффективных технологических процессов СПГсвязано с проблемой точности предсказания термодинамических свойствуглеводородных смесей, например, при применении смесевых хладагентов(СХА).Применениесмесевыххладагентовсвязаноснеобходимостьюмаксимально приблизить кривые охлаждения природного газа и используемогохладагента с целью уменьшения энергетических затрат на сжижение. Близкоевзаимное расположение кривых испарения и охлаждения свидетельствует оснижении необратимых затрат энергии в цикле, т.е. такой процесс являетсяэнергоэффективным.
Поскольку состав хладагента зависит от состава сжижаемогогаза, то для каждого месторождения приходится решать задачу подбора СХА. Наоснове проведенных исследований предложена графическая методика подборасостава СХА для холодильных циклов.5.На практике повышение энергоэффективности реальных холодильныхциклов возможно за счет выбора оптимальных параметров цикла сжижения иприменения научных и инженерных решений в области технологическихпроцессов, уменьшающих необратимость потерь энергии. Так, например, наоснове термодинамических исследованийфазового равновесияпостроеназависимость минимальной температуры охлаждения заданного газа от составасмесевого хладагента пропан-этан цикла предварительного охлаждения.6.Термодинамические расчеты с использованием уравнения состоянияПенга-Робинсонаотдельныхэтаповподготовкиисжижениягазаприпроизводстве СПГ позволили установить следующее.При адсорбционной осушке природного газа снижение температуры потокаприродного газа, поступающего на адсорбцию, позволит уменьшить массузагрузки адсорбента, металлоемкость аппарата, снизить расход газов регенерациии охлаждения, а также снизить расход топливного газа.
Следовательно, приразмещенииустановкиадсорбционнойосушкимеждуступенямициклапредварительного охлаждения, без дополнительных энергозатрат на охлаждениепотока природного газа можно значительно снизить как капитальные, так иэксплуатационные затраты на осушку газа.274При сжижении природного газа энергозатраты процесса охлаждения иконденсации зависят от состава сырья и давления природного газа на входе вустановку. Более жирный газ требует более высоких энергозатрат на сжижение посравнению с процессом сжижения сухого газа.
Так, например, по сравнению счистым метаном добавление к метану 7 % этана и 1 % пропана повышаетэнергозатраты на сжижение на 6 %. С другой стороны, увеличение давлениявходного потока газа повышает эффективность отвода теплоты от него.Исследования показали, что для сжижения смеси метана, этана и пропана всоотношении 92 % метана, 7 % этана и 1 % пропана требуется отвести теплоту вколичестве:− при давлении 2 МПа – 14,76 МДж/кмоль;− при давлении 3,7 МПа – 14,35 МДж/кмоль;− при давлении 5 МПа – 14,03 МДж/кмоль;− при давлении 7 МПа – 13,54 МДж/кмоль;− при давлении 10 МПа – 12,83 МДж/кмоль.Т.
е., повышение давления природного газа на входе в технологическуюлинию производства СПГ позволяет снизить энергозатраты на отвод теплоты.Кроме того, повышение давления до сверхкритических значений позволяетизбежать перекачки двухфазного потока по технологическим трубопроводам,тогда как критическое давление смеси, в свою очередь, зависит от состава смеси,как было показано в главе 2.При сжижении метана угольных отложений (МУО) проведенные анализ иисследование различных технологий получения СПГ из МУО показывают, чтотехнологический процесс сжижения угольного метана должен выбираться послетщательных технико-экономических расчетов, которые должны быть основаны научете состава и извлекаемых запасов МУО, назначения СПГ, региональнойсоциально-производственной структуры и других факторов.Особенностью технологической линии производства СПГ из МУО являетсяотсутствие необходимости в установках удаления тяжелых компонентов,275стабилизации конденсата и фракционирования.
Практически полное отсутствиесероводорода в угольном газе значительно облегчает процесс удаления кислыхкомпонентов, который в итоге сводится только к очистке от углекислого газа. Сдругой стороны, из-за большого содержания влаги в поступающем газе установкаосушки должна быть более производительной.Проведенными исследованиями зависимости коэффициента ожиженияМУО от степени его сжатия в компрессоре и температуры предварительногоохлаждения показано, что коэффициент ожижения растет с повышением давленияпотока МУО и снижением температуры предварительного охлаждения.В результате сравнения азота и азотно-метановой смеси при ихиспользовании в качестве хладагента было выявлено, что при том же расходеМУО, одинаковом массовом выходе СПГ и топливного газа, азотно-метановыйхолодильный цикл является более энергоэффективным.
Удельные затратыэнергии в азотно-метановом цикле более чем на 20 % ниже, чем в азотном цикле,что связано с более высоким коэффициентом теплоотдачи азотно-метановойсмеси.7.Так как в Арктическом регионе России находятся большие запасыприродного газа, а строительство газопроводов не всегда экономическицелесообразно, размещение производства СПГ в этом районе вызывает всебольший интерес. Примером могут служить проекты Ямал СПГ, Обский СПГ иАрктик СПГ-2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
