CC BY
79
УДК 621.56
С. А. Путилин, А. Е. Семёнов, А. М. Цейтлин, Е. И. Меркулов
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ УСТАНОВКИ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПРИ ЗАМЕНЕ ХЛАДАГЕНТА R-22 НА R-410A
S. A. Putilin, A. E. Semenov, A. M. Tseitlin, E. I. Merkulov
CHANGE OF THERMODYNAMIC INDICES OF INSTALLATION OF NATURAL GAS LIQUEFACTION AT REPLACEMENT OF REFRIGERANT R-22 INTO R-410A
Сжиженный природный газ - перспективное моторное топливо. Отечественный типовой мини-завод по производству сжиженного природного газа использует цикл однократного дросселирования с предварительным охлаждением в двухступенчатой паровой холодильной машине, работающей на хладагенте R-22. Актуальна задача замены R-22 с целью защиты от разрушения озонового слоя атмосферы земли. Проведены расчёты, показавшие возможность снижения энергозатрат на сжижение природного газа и улучшения некоторых других термодинамических показателей при замене R-22 на R-410a, поскольку температура кипения у R-410a ниже, чем у R-22 при равных значениях давления кипения.
Ключевые слова: сжиженный природный газ, топливо, энергия, термодинамика, энтальпия, энтропия, компрессор, конденсатор, испаритель, дросселирование.
Liquefied natural gas is a perspective motor fuel. Domestic typical mini-factory of liquefied natural gas production uses a cycle of single throttling with forecooling in the double-stage vapor-compression refrigerating unit, using refrigerant R-22. The problem of the replacement of refrigerant R-22 is an actual as protection of the earth ozone layer against destruction is important. The calculations have been made; they have shown a possiblity of decrease of power inputs for liquefying of natural gas and improvement of some other thermodynamic parameters when replacing R-22 to R-410a, as the boiling temperature is below at R-410a, than at R-22 with equal boiling pressure.
Key words: liquefied natural gas, fuel, energy, thermodynamics, enthalpy, entropy, compressor, condenser, evaporator, throttling.
Сжиженный природный газ - эффективный вид альтернативного моторного топлива для автомобильного, железнодорожного, судоходного и авиационного транспорта. За рубежом отчётливо наметилась тенденция к использованию сжиженного природного газа на транспорте. Работы, выполненные фирмами Ford, MAH, Saviem, Toyota Menka, подтверждают техническую возможность и экономическую целесообразность применения сжиженного природного газа в качестве топлива на транспорте. Так, американская компания Mack, совместно с фирмой Waste Manage Inc., в течение 20 лет производит автомобильные двигатели на сжиженном природном газе. Седельный тягач Mack CH/LNG, работающий на сжиженном природном газе, имеет большой запас хода - до 1 000 км. В настоящее время ещё один промышленный лидер США -United Parcel Service - начал использовать сжиженный природный газ в качестве моторного топлива. Сжиженный природный газ в качестве моторного топлива начал применяться в Бельгии, Великобритании, Германии, Голландии, Испании, Норвегии, Финляндии, Франции.
Отечественный типовой мини-завод по производству сжиженного природного газа -ЗАО «Сигма-газ», введённый в промышленную эксплуатацию, использует цикл однократного дросселирования с предварительным охлаждением. Контур предварительного охлаждения включает оригинальную двухступенчатую холодильную машину К-127 московского завода «Компрессор» холодопроизводительностью 131 кВт при температуре кипения хладагента в испарителе t0 = - 40 °C. В качестве хладагента используется R-22.
Актуальна проблема отказа от использования R-22 с целью защиты озонового слоя земной атмосферы. Представляется перспективным использование R-410a вместо R-22, поскольку его температура кипения будет ниже, чем у R-22 при одинаковых значениях давления кипения, а понижение температуры кипения должно снизить энергозатраты на производство сжиженного
природного газа. Для оценки перспектив замены R-22 на R-410a была произведена сравнительная оценка термодинамических показателей цикла однократного дросселирования с предварительным охлаждением для сжижения природного газа.
Принципиальная схема цикла сжижения природного газа представлена на рисунке. Газ высокого давления Р2 выходит из концевого компрессорного холодильника Х при температуре 72, проходит теплообменник Т-1, где охлаждается обратным потоком до температуры ^. Далее газ проходит через испаритель И, где охлаждается до температуры 721 кипящим в испарителе хладагентом. После испарителя газ проходит теплообменник Т-2 и дроссельный вентиль Д-1, где расширяется до давления Р1. Образовавшаяся в результате дросселирования газожидкостная смесь 5 поступает в отделитель жидкости С. Сжиженный природный газ из отделителя жидкости через вентиль В-2 направляется к потребителю, а холодный газ низкого давления последовательно проходит теплообменники Т-2 и Т-1 противотоком к потоку газа высокого давления, нагреваясь до температуры ^ в теплообменнике Т-2, а затем до температуры 18 в теплообменнике Т-1. Из теплообменника Т-1 газ низкого давления, в смеси с газом из газовой системы, поступает в компрессор К при давлении Р1 и температуре 1\.
Принципиальная схема цикла сжижения природного газа
а
Нами были проведены сравнительные расчёты удельных энергозатрат на сжижение природного газа в цикле однократного дросселирования для хладагентов R-22 и R-410a.
В расчётах для контура предварительного охлаждения были сделаны следующие допущения. Давление кипения в испарителе принималось для обоих хладагентов равным Р0 = 1,057 бар. Температура конденсации принята равной ^ = 40 °С. Для предварительного охлаждения принят цикл двухступенчатой паровой холодильной машины с промсосудом без змеевика. Принято, что перегрев пара хладагента перед компрессорами ступеней низкого и высокого давлений, переохлаждение жидкости после конденсатора отсутствуют.
Теплопритоки к узлам паровой холодильной машины из окружающей среды также считаются настолько малыми, что ими можно пренебречь. Адиабатический КПД компрессоров принят равным 100 %.
Из [1] были определены значения температуры кипения в испарителе, давления конденсации при температуре конденсации 7к = 40 °С, холодильные коэффициенты е0 для обоих хладагентов, объёмная производительность компрессоров ступеней низкого давления Ус/ и высокого давления Ус1г при холодопроизводительности паровой холодильной машины Q0 = 100 кВт. Значения температуры кипения оказались равными: ^ = -40 °С для R-22 и ^ = -51,4 °С для R-410а; значения давления конденсации: Рк = 15,335 бар для R-22 и Рк = 23,981 бар для R-410а; холодильные коэффициенты: е0 = 2,38 для R-22 и е0 = 1,8 для R-410а; объёмная производительность компрессоров ступени низкого давления Ус1 = 377,76 м3/ч для R-22 и Ус! = 383,59 м3/ч для R-410а; объёмная производительность компрессоров ступени высокого давления Уск = 158,56 м3/ч для R-22 и Уск = 153,84 м3/ч для R-410а.
Был вычислен объём паров хладагента, который будет поступать в компрессоры ступеней низкого и высокого давления при производстве 1 кДж холода по формулам:
- для ступени низкого давления:
V, = Усг/3600 • Qo; (1)
- для ступени высокого давления:
Vh = ^ь/3600 • Qo. (2)
Они оказались равными: для R-22 VI = 0,00105 м3/кДж, V, = 0,0004404 м3/кДж; для R-410а
Vl = 0,0010655 м3/кДж, Vь = 0,00034273 м3/кДж.
При расчёте контура природного газа были приняты следующие допущения. Температура на входе в компрессор К t\ = 40 °С. Сжатие в компрессоре - изотермическое при температуре ^. Изотермический КПД компрессора принят равным 100 %. Давление на входе в компрессор Р1 = 1 бар. Температура газа на входе в теплообменник Т-1 ^ = Ь. Температурный напор на выходе газа высокого давления из испарителя
Апсш = ^21 - к = 10 °С,
где ^ - температура газа высокого давления на выходе из теплообменника Т-1. Недорекуперация на тёплом конце теплообменника Т-1
А^т-1 = t2 - = 10 °С,
где ^ - температура газа низкого давления на выходе из теплообменника Т-1.
Потерями давления газа в теплообменниках и испарителе, ввиду их незначительной величины, можно пренебречь.
Р2 = Р3 = Р2! = Р4,
Р1 = Р5 = Р6 = Р7 = Р8,
где Р3 - давление газа на входе в испаритель; Р2! - давление газа на входе в тёплый конец теплообменника Т-2; Р4 - давление газа на выходе из холодного конца теплообменника Т-2; Р5 - давление газа на выходе из дросселя Д-1; Р6 - давление газа на выходе из отделителя жидкости С, Р7 - давление газа на выходе из тёплого конца теплообменника Т-2; Р8 - давление газа на выходе из тёплого конца теплообменника Т-1.
Теплопритоки из окружающей среды к теплообменникам Т-1 и Т-2, испарителю и отделителю жидкости настолько малы, что ими можно пренебречь.
Методика расчётов соответствовала [2].
Работа изотермического сжатия в компрессоре К в расчёте на 1 кг проходящего через компрессор газа определялась как
I = Т (51 - 52) + /1 - /2, (3)
где Т = 273,16 + t\ - температура изотермического сжатия, К; 51 - энтропия газа на входе в компрессор К; - энтальпия газа на входе в компрессор К; 52 - энтропия газа на выходе из ком-
прессора К; /2 - энтальпия газа на выходе из компрессора К.
Массовая доля сжиженного природного газа вычислялась по формуле
х = (/7 - /2!)/(/7 - *», (4)
где /7 - энтальпия газа на выходе из тёплого конца теплообменника Т-2; /2! - энтальпия газа на входе в тёплый конец теплообменника Т-2; - энтальпия сжиженного природного газа
в отделителе жидкости С.
Количество холода, расходуемое на охлаждение 1 кг проходящего через испаритель газа, составляет:
Чир = /1 - /8 + х(/7 - /», (5)
где /8 - энтальпия газа на выходе из тёплого конца теплообменника Т-1.
Механическая работа на привод компрессоров холодильной установки контура предварительного охлаждения, необходимая для производства в этом контуре холода дпр, составляет:
А Чпр / е0. (6)
Суммарные затраты механической работы в компрессоре К и компрессорах контура предварительного охлаждения на переработку 1 кг поступающего в компрессор К природного газа составляют:
,2 = ,1 + I. (7)
Суммарные затраты механической работы в компрессоре К и компрессорах контура предварительного охлаждения на производство 1 кг сжиженного природного газа составляют:
13 = 12 /х. (8)
Затраты механической работы в компрессоре К на производство 1 кг сжиженного природного газа составляют:
14 = I /х. (9)
Затраты механической работы в компрессорах контура предварительного охлаждения на производство 1 кг сжиженного природного газа составляют:
,5 = ,1 /х. (10)
Объём пара хладагента, поступающего в компрессор ступени низкого давления паровой холодильной машины при охлаждении в испарителе 1 кг природного газа высокого давления, составляет:
V = V, • Чпр. (11)
То же для компрессора ступени высокого давления:
vh Чпр. (12)
Объём пара хладагента, поступающего в компрессор ступени низкого давления паровой холодильной машины при сжижении 1 кг природного газа, составляет:
Vгх = Vl/х. (13)
То же для компрессора ступени высокого давления:
Vhх = Vh/х. (14)
Значения величин энтальпий и энтропий природного газа принимались равными таковыми для метана из [1]. Результаты расчётов представлены в таблице.
Термодинамические показатели цикла однократного дросселирования с предварительным охлаждением для сжижения природного газа
Т ермодинамический параметр Хладагент Давление газа на выходе из компрессора К, бар
120 140 160 180 200
Работа 1 изотермического сжатия в компрессоре К в расчёте на 1 кг проходящего через компрессор природного газа, кДж/кг Я-22, Я-410а 751,38 772,91 791,42 807,69 822,3
Массовая доля сжиженного природного газа х, кг/кг Я-22 0,266 0,299 0,321 0,338 0,349
Я-410а 0,301 0,332 0,351 0,364 0,373
Работа 14 в компрессоре К на производство 1 кг сжиженного природного газа, кДж/кг Я-22 2 830 2 589 2 462 2 392 2 358
Я-410а 2 494 2 327 2 254 2 219 2 205
Работа 11 в компрессорах контура предварительного охлаждения на охлаждение 1 кг природного газа в испарителе И Я-22 161,68 176,36 182,94 184,85 183,6
Я-410а 173,33 187,56 192,66 192,88 190,62
Работа 15 в компрессорах контура предварительного охлаждения на производство 1 кг сжиженного природного газа, кДж/кг Я-22 256 248 239 230 221
Я-410а 358,94 346,64 332,82 319,24 306,7
Суммарная работа 13 в компрессоре К и компрессорах контура предварительного охлаждения на производство 1 кг сжиженного природного газа, кДж/кг Я-22 3 086 2 837 2 702 2 622 2 579
Я-410а 3 005 2 782 2 667 2 604 2 568
Продолжение табл.
Т ермодинамический параметр Хладагент Давление газа на выходе из компрессора К, бар
12G 14G 16G 18G 2GG
Объём пара хладагента V,, поступающего в компрессор ступени низкого давления паровой холодильной машины при сжижении 1 кг природного газа, м3/кг. R-22 0,638 0,619 0,598 0,574 0,552
R-410a 0,688 0,665 0,638 0,612 0,588
Объём пара хладагента V,, поступающего в компрессор ступени высокого давления паровой холодильной машины при сжижении 1 кг природного газа, м3/кг R-22 0,268 0,26 0,251 0,241 0,232
R-410a 0,276 0,267 0,256 0,246 0,236
Количество тепла, передаваемое от 1 кг газа высокого давления в испарителе кипящему хладагенту дш, кДж/кг R-22 161,68 176,36 182,94 184,85 183,6
R-410a 173,33 187,56 192,66 192,88 190,62
Количество тепла, передаваемое от газа высокого давления в испарителе кипящему хладагенту чпрх при сжижении 1 кг природного газа, кДж/кг R-22 607,82 589,83 569,9 546,89 526,07
R-410a 646,09 623,94 599,08 574,44 552,06
Относительное увеличение доли сжижаемого природного газа при ретрофите, % 11,3 11 9,3 7,7 6,9
Относительное уменьшение энергозатрат на сжижение природного газа при ретрофите, % 7,6 5,8 4,3 3,4 2,6
Относительное уменьшение энергозатрат на привод компрессора К для сжижения природного газа при ретрофите, % 11,9 10,1 8,4 7,2 6,5
Относительное увеличение энергозатрат на привод компрессоров контура предварительного охлаждения для сжижения природного газа при ретрофите, % 40,2 39,8 39,3 38,8 38,8
Относительное увеличение объёмной производительности компрессора ступени низкого давления паровой холодильной машины для сжижения природного газа при ретрофите, % 7,8 7,4 6,7 6,6 6,5
Относительное увеличение объёмной производительности компрессора ступени высокого давления паровой холодильной машины для сжижения природного газа при ретрофите, % 3,0 2,7 2,0 2,1 1,7
Относительное увеличение холодопроизводительности паровой холодильной машины для сжижения природного газа при ретрофите, % 6,3 5,8 5,1 5,0 4,9
Расчёты подтвердили возможность улучшения термодинамических показателей цикла сжижения природного газа при замене R-22 на R-410a. Так, при давлении газа на выходе из компрессора К Р2 = 160 бар относительное уменьшение общих энергозатрат на сжижение природного газа составляет 8,4 %, в том числе уменьшение энергозатрат на привод компрессора К - 8,4 %. На 9,3 % увеличится доля сжижаемого природного газа, что позволит сократить капитальные затраты на компрессорное и теплообменное оборудование газового контура. Вместе с тем необходимо учесть относительное увеличение требуемой холодопроизводительности паровой холодильной машины на 5,1 %, энергозатрат на привод компрессоров контура предварительного охлаждения на 39,3 %, требуемой объёмной производительности компрессоров паровой холодильной машины для ступени низкого давления на 6,7 %, для ступени высокого давления - на 2 %. К отрицательным факторам добавляется повышение давления конденсации.
Необходимо также учесть, что с повышением давления газа на выходе из компрессора К относительное сокращение энергозатрат на сжижение природного газа и рост доли сжижаемого природного газа уменьшаются.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Компьютерная программа «CoolPack».
2. Техника низких температур / А. М. Архаров, К. С. Буткевич и др. - М.: Энергия, 1975. - 512 с.
Статья поступила в редакцию 13.10.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Путилин Сергей Анатольевич - Астраханский государственный технический университет; канд.
техн. наук, доцент; доцент кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.ru.
Putilin Sergey Anatolievich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science,
Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.ru.
Семёнов Александр Евгеньевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.ru.
Semenov Alexander Evgenievich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.ru.
Цейтлин Александр Матвеевич - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.ru.
Tseitlin Alexander Matveevich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.ru.
Меркулов Евгений Игоревич - Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Холодильные машины»; kxm@astu.ru.
Merkulov Evgeny Igorevich - Astrakhan State Technical University; Undergraduate of the Department "Refrigerating Machines"; kxm@astu.ru.
