CC BY
330
УДК 665.632.078
А. М. Цейтлин, Ю. А. Хахалева Астраханский государственный технический университет
МИНИМАЛЬНО ВОЗМОЖНЫЕ ЭНЕРГОЗАТРАТЫ НА СЖИЖЕНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЦИКЛА ОДНОКРАТНОГО ДРОССЕЛИРОВАНИЯ
За последние 10 лет спрос на сжиженный природный газ (СПГ) ежегодно увеличивался примерно на 6 %. Стоимость 1 т сжиженного природного газа снижается при увеличении мощности установки. Это приводит к постоянному увеличению мощности линий сжижения от менее чем 1 млн т/год около 30 лет назад до примерно 4 млн т/год в наши дни [1]. При больших объёмах производства используются три основных типа технологии сжижения: классические каскадные процессы на чистых холодильных агентах, процессы с применением смешанных холодильных агентов и процессы с применением детандеров [2]. С другой стороны, даже на территории газифицированных регионов России существует большое число промышленных, коммунально-бытовых, сельскохозяйственных, транспортных и жилых объектов, строительство газопроводов к которым по тем или иным причинам нецелесообразно, а дальнейшее использование пропана и тем более дизельного топлива снижает их экономическую эффективность. Сжиженый метан, получаемый на малотоннажных установках, конечно, дороже получаемого на крупных. И всё же он существенно дешевле традиционных нефтяных видов топлива [3].
Технологии малотоннажного производства СПГ начали создаваться в 1993 г. для нужд Северо-Западного региона России [4]. Объекты малотоннажного производства СПГ позволяют обеспечивать газом население, коммунально-бытовых и мелких промышленных и сельскохозяйственных потребителей. Малотоннажное производство сжиженного природного газа становится самостоятельным видом деятельности [5]. Значительное снижение производительности ожижителя может определить целесообразность выбора другой технологии сжижения, чем на больших ожижителях. Так, в производстве сжиженных азота и кислорода на малых кислородных станциях успешно реализуется цикл однократого дросселирования [6]. Этот же цикл использован в одном из отечественных ожижителей природного газа [7]. Оценке величины энергозатрат при ожижении СПГ с помощью цикла однократного дросселирования посвящена настоящая работа.
Проведены расчёты минимально возможных удельных энергозатрат на сжижение природного газа при использовании цикла однократного дросселирования.
Принципиальная схема ожижителя природного газа представлена на рисунке.
Принципиальная схема ожижителя природного газа:
1 - газопровод природного газа; 2 - компрессор; 3 - регенеративный теплообменник;
4 - дроссель; 5 - сепаратор; 6 - трубопровод СПГ
Ожижитель работает следующим образом. В компрессор 2 поступает смесь газа низкого давления из газопровода 1 и регенеративного теплообменника 3. Сжатый газ высокого давления из компрессора направляется к тёплому концу теплообменника. В теплообменнике сжатый газ охлаждается за счёт регенеративного теплообмена с газом низкого давления. После выхода из теплообменника газ высокого давления направляется к дросселю 4, где дросселируется до низ-
кого давления. В результате дросселирования образуется парожидкостная смесь, которая направляется в сепаратор 5. В сепараторе сжиженый природный газ отделяется от пара и удаляется из ожижителя по трубопроводу 6. Пар из сепаратора поступает в холодный конец теплообменника 3, где нагревается за счёт регенеративного теплообмена с потоком газа высокого давления. Из теплообменника газ низкого давления подаётся на смешение с газом из газопровода 1.
Принято, что сжатие в компрессоре - обратимое изотермическое, что недорекуперация на тёплом конце теплообменника, потери давления в нём, теплопритоки из окружающей среды в теплоизолирующий кожух настолько малы, что ими можно принебречь. Принято, что давления и температуры потоков газа низкого давления на выходе из регенеративного теплообменника и на выходе из газопровода одинаковы, что температура изотермического сжатия в компрессоре равна температуре газа низкого давления на выходе из теплообменника.
При обратимом изотермическом сжатии в компрессоре расход энергии l1 на сжатие 1 кг природного газа от давления Ра на входе в компрессор до давления Ръ на выходе из компрессора равен:
ll = Та • ( Sa - Sb ) - ia + 4, (1)
где Та - температура изотермического сжатия; Sa - энтропия природного газа при давлении Ра и температуре Та; Sb - энтропия природного газа при давлении Ръ и температуре Та; ia - энтальпия природного газа при давлении Ра и температуре Та; ie - энтальпия природного газа при давлении Ръ и температуре Та.
Пусть из 1 кг газа, прошедшего компрессор, получилось х кг сжиженного природного газа. Тогда, согласно [6],
х = (ia - ib)/(ia - ic), (2)
где ic - энтальпия сжиженного природного газа в состоянии насыщения при давлении Ра.
Удельные энергозатраты на получение сжиженного природного газа l определялись как
l = l1/x. (3)
В первом приближении энтальпия и энтропия природного газа принимались равными таковым для метана, поскольку метан составляет подавляющую часть природного газа. Теплофизические параметры метана принимались по [8]. Давление на входе в компрессор принималось
равным Ра = 0,1 МПа. Результаты расчётов представлены в таблице.
Минимальные удельные энергозатраты на сжижение природного газа при использовании цикла однократного дросселирования
Давление на выходе из компрессора Рь, МПа Температура изотермического сжатия Та, К Доля сжиженного газа х, кг/кг Минимальные удельные энергозатраты на сжижение природного газа l, КДж/кг
20 340 0,156 5 813
320 0,188 4 485
300 0,23 3 398
290 0,255 2 937
280 0,284 2 524
270 0,316 2 159
260 0,353 1 839
250 0,393 1 562
240 0,437 1 323
17 340 0,138 6 383
320 0,167 4 913
300 0,205 3 701
290 0,229 3 185
280 0,257 6 975
270 0,289 2 307
260 0,326 1 945
250 0,368 1 628
240 0,416 1 359
Продолжение табл.
Давление на выходе из компрессора Рь, МПа Температура изотермического сжатия Та, К Доля сжиженного газа х, кг/кг Минимальные удельные энергозатраты на сжижение природного газа 1, КДж/кг
14
340 0,117 7 248
320 0,142 5 577
300 0,152 4 698
290 0,196 3 604
280 0,221 3 067
270 0,25 2 584
260 0,285 2 156
250 0,328 1 777
240 0,38 1 452
12 340 0,102 8 084
320 0,124 6 233
300 0,152 4 698
290 0,17 4 038
280 0,192 3 437
270 0,218 2 894
260 0,25 2 407
250 0,29 1 970
240 0,34 1 586
10 340 0,086 9 254
320 0,104 7 156
300 0,128 5 420
290 0,142 4 666
280 0,16 3 985
270 0,182 3 365
260 0,208 2 807
250 0,241 2 299
240 0,286 1 842
Как следует из таблицы, величина I колеблется в интервале 9 300-1 300 КДж/кг СПГ и зависит от давления Рь на выходе из компрессора и температуры изотермического сжатия Та.
С понижением температуры изотермического сжатия удельные энергозатраты существенно снижаются. Так, при Рь = 17 МПа с понижением Та от 340 до 240 К I снижается от 6 383 до 1 359 КДж/кг, т. е. в 4,7 раза. Следовательно, в зимние месяцы стоимость сжижения природного газа будет значительно ниже, чем в летние. Помимо того, в северных регионах России среднегодовые удельные энергозатраты будут ниже, чем в южных. Наконец, в ночные часы суток, когда температура воздуха ниже, чем днём, удельные энергозатраты также будут снижаться.
Основными факторами, увеличивающими реальные энергозатраты на производство сжиженного природного газа, являются потери при сжатии: термодинамические потери из-за нагрева природного газа в цилиндрах компрессора, потери давления в клапанах, утечки через поршневые уплотнения, затраты энергии на преодоление сил трения в движущихся парах, потери в электроприводе компрессора. Эти потери учитываются изотермическим коэффициентом полезного действия компрессора и коэффициентом полезного действия его приводного электродвигателя.
Выводы
1. Величина минимальных удельных энергозатрат на сжижение природного газа с помощью цикла однократного дросселирования составляет 9 300-1 300 КДж/кг СПГ.
2. Увеличение реальных энергозатрат может быть учтено с помощью изотермического КПД компрессора и КПД его приводного электродвигателя.
3. В зимние месяцы стоимость сжижения природного газа будет значительно ниже, чем в летние.
4. В северных регионах России среднегодовая величина удельных энергозатрат будет меньше, чем в южных.
5. Удельные энергозатраты будут снижаться в ночные часы.
ШИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мартен П. И., Бутлан П. Новая концепция производства СПГ // Газовая промышленность. - 2005. -№ 1. - С. 64-66.
2. Изотов Н. И., Никифоров В. Н. Исследование технологий сжижения природного газа // Газовая промышленность. - 2005. - № 1. - С. 67-68.
3. Пронин Е. Н. Российский рынок сжиженного природного газа: итоги 2005 г. // Газовая промышленность. - 2006. - № 3. - С. 72-73.
4. Технологии малотоннажного производства СПГ в Северо-Западном регионе России / Ю. М. Баранов, А. А. Беляев, В. Д. Глазунов и др. // Газовая промышленность. - 2005. - № 1. - С. 74-76.
5. Будзуляк Б. В., Сердюков С. Г., Пронин Е. Н. Малотоннажное производство СПГ - самостоятельный вид деятельности // Г азовая промышленность. - 2005. - № 1. - С. 68-69.
6. Архаров А. М., Марфенина И. В., Микулин Е. И. Криогенные системы. Т. 1. Основы теории и расчёта. -М.: Машиностроение, 1996. - 576 с.
7. Ходорков И. Л., Бреднев В. А. Многоцелевая автогазонаполнительная компрессорная станция // Газовая промышленность. - 2006. - № 1. - С. 70-71.
8. Таблицы стандартных справочных данных. Метан жидкий и газообразный. Плотность, энтальпия, энтропия и изобарная теплоёмкость при температурах 100-1000 К и давлениях 0,1-100 МПа. ГСССД 18-81. - М.: Изд-во стандартов, 1982.
Получено 06.12.2006
MINIMALLY POSSIBLE POWER INPUTS FOR LIQUEFACTION OF NATURAL GAS AT THE USE OF A SINGLE THROTTLING CYCLE
А. M. Tseitlin, Yu. А. Khakhaleva
The technique and results of calculations of minimally possible power inputs for liquefaction of natural gas at the use of a single throttling cycle are introduced in the paper. In these calculations the following statements were accepted: compression in the compressor is reversible isothermal; there is temperature difference on the warm end of a regenerative heat exchanger; there are pressure losses in it; and heat gain from the environment is so small that can be neglected. Enthalpy and entropy of natural gas were considered as equal to those for methane, as natural gas consists of methane. The results of these calculations have practical value for estimation of use expediency of a single throttling cycle at the liquefaction of natural gas in mini-ton manufactures.
