CC BY
275
УДК 621.565:621.59
АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАЛОТОННАЖНОЙ УСТАНОВКИ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА C РОТОРНЫМ ВОЛНОВЫМ КРИОГЕНЕРАТОРОМ
А.М. Архаров1, В.Ю. Семенов2, C.B. Малахов2
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация e-mail: crio@power.bmstu.ru
2ПК НПФ “ЭКИП”, пос. Развилка, Ленинский р-н, Московская обл., Российская Федерация
e-mail: vsimen@yahoo.com; malahov.s@bk.ru
На основе характерного для условий газораспределительных станций цикла среднего давления предложена схема ожижителя природного газа с источником холода нового типа — роторным волновым криогенератором. С использованием метода энтропийно-статистического анализа показано, что при достигнутом и экспериментально подтвержденном значении адиабатного коэффициента полезного действия роторного волнового криогенного генератора 55 % степень термодинамического совершенства предложенной установки составляет 17,1 %о.
Ключевые слова: ожижитель природного газа, роторный волновой криогенератор, адиабатный КПД, термодинамическое совершенство.
THERMODYNAMIC EFFECTIVENESS ANALYSIS OF LOW-TONNAGE PLANT FOR NATURAL-GAS LIQUEFACTION WITH ROTOR WAVE CRYOGENIC GENERATOR
I.A. Arkharov 1, V.Yu. Semenov 2, S.B. Malakhov2
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation e-mail: crio@power.bmstu.ru
2Research and Production Cooperative Firm “EKIP”, Moscow region, Russian Federation
e-mail: vsimen@yahoo.com; malahov.s@bk.ru
On the basis of a cycle of average pressure, characteristic for conditions of gas-distributing stations, the scheme of natural gas liquefier with source of new type cold — the rotor wave cryogenerator is offered. With the help of a method entropy — the statistical analysis it is shown that at the reached and experimentally confirmed value of adiabatic efficiency of the rotor wave cryogenic generator of 55 % degree of thermodynamic perfection of the offered installation makes 17,1%.
Keywords: natural gas liquefier, rotor wave cryogenerator, adiabatic efficiency, thermodynamic perfection.
Проблема производства установок сжижения природного газа (СПГ) становится все более актуальной в нашей стране. В связи с необходимостью организации децентрализованного газоснабжения, сглаживания пиков газопотребления и замещения традиционного топлива для транспорта оказываются востребованными так называемые малотоннажные производства СПГ, которые подразумевают установки производительностью до 10т/ч. Созданы и успешно функционируют в течение нескольких лет высокоэффективные ожижители
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2014. № 6 97
природного газа производительностью 1 т/ч (в г. Петергоф и Кингисепп Ленинградской обл.), работающие на основе цикла высокого давления Линде-Хэмпсона с предварительным охлаждением, а также установка производительностью 1 т/ч (пос. Развилка, Ленинский р-н Московской обл.), работающая по несколько усовершенствованному дроссель-эжекторному циклу. Анализ эффективности этих установок, проведенный с помощью развиваемого в МГТУ им. Н.Э. Баумана энтропийно-статистического метода [1-7], показывает, что коэффициент термодинамического совершенства этих циклов составляет 0,287 и 0,296 соответственно [4].
В настоящее время самым крупным отечественным заводом по производству СПГ пока остается ожижитель производительностью 3 т/ч на гидрораспределительной станции ГРС-4 в Екатеринбурге. Данная технология сжижения основана на цикле среднего давления Клода, т.е. использует высокоэффективный (адиабатный КПД процесса расширения достигает 75% ), но сложный и дорогой турбодетандерно-компрессорный агрегат (ТДКА) [4]. Анализ термодинамической эффективности данной технологии показывает, что коэффициент термодинамического совершенства не превышает 17 %, а затраты энергии на компенсацию производства энтропии в ТДКА составляют свыше 25 % суммарно. Надо отметить, что и другое решение проблемы создания высокоэффективных малотоннажных производств СПГ, а именно, с помощью внешнего азотного цикла, подразумевает использование ТДКА в качестве генератора холода.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана был разработан принципиально новый тип генератора холода — волновой роторный криогенератор (РВКГ). Особенности работы РВКГ заключаются в том, что так же как и в ТДКА, компримирование осуществляется за счет энергии расширяющегося газа, но в отличие от последнего степень повышения давления примерно равна степени сжатия, а расход компримируемого потока составляет 20... 25 % расхода детандерного. Исходя из этого, предложена следующая схема установки сжижения газа (рис. 1).
Дроссельный поток проходит очистку от диоксида углерода, охлаждается последовательно в теплообменных аппаратах и частично сжижается после расширения в дроссель-эжекторе ЭЖ. Другая часть газа расширяется в детандере до давления 0,71 МПа. Газовая фаза после отделения в сосуде-сепараторе потоком низкого давления (0,71 МПа) после дроссельного теплообменника направляется в теплообменник, где обратным потоком охлаждает поток газа, направляемый на дросселирование [3]. Отличительной особенностью предлагаемой схемы является увеличение потока, направляемого на ожижение, без дополнительных затрат работы “удаленного” компрессора КМ путем отбора части обратного потока низкого давления после верхнего теплообменника, сжатия его до давления прямого в компрессионной части РВКГ и
98 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №6
Рис. 1. Схема установки c двухступенчатым РВКГ:
КМ — “удаленный” компрессор магистрального газопровода; РВКГ1, РВКГ2 — первая и вторая ступени РВКГ; ТОА1, ТОА2 — основной и дроссельный теплообменники; АВО1, АВО2 — аппараты воздушного охлаждения; Сеп1 — сепаратор, Сеп2 — хранилище СПГ; Др1 — дроссель ожижителя, Эж — дроссель-эжектор
смешения с дроссельным на входе в верхний аппарат. Теплота сжатия при этом сбрасывается в окружающую среду с помощью аппаратов воздушного охлаждения.
Последующий термодинамический анализ цикла установки ожижения природного газа на базе РВКГ (рис. 2) основан на экспериментально полученном значении адиабатного КПД, максимальное значение которого при степени расширения, равной двум, достигала 55% [4].
Исходные данные для расчета установок СПГ на ГРС следующие: То.с = 300 K — средняя температура окружающей среды; Pi = 3,1 МПа — давление сжатия компрессора магистрального газопровода; р0 = 0,72 МПа — давление всасывания компрессора магистрального газопровода; р9 = 0,35 МПа — давление при отгрузке СПГ; ДГ1 = 5 K — неполнота рекуперации на уровне Ti = 300 K;
ПизКМ = 0,6 — КПД компрессора магистрального газопровода КМ; кДж
qoc = 2------——-----удельная величина теплопритоков из окружаю-
кг сж.СН4
щей среды. Для установок использовался природный газ следующего состава: метан СН4 — 0,976; этан C2Н6 — 0,0069; пропан C3Н8 — 0,0032; i-бутан C4Hi0 — 0,0004; n-бутан C4Hi0 — 0,0005; n-пентан
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2014. №6 99
Рис. 2. Схематическое изображение цикла установки сжижения природного газа c РВКГ в координатах T—S
С5H12 — 0,0001; n-гексан С6H14 — 0,0003; азот N2 — 0,0118; кислород О2 — 0,0002; диоксид углерода СО2 — 0,0006.
Характеристики в расчетных точках (таблица) нижеприведенных циклов определены с помощью программного комплекса Aspen HYSYS v.7.2. В качестве уравнения состояния использовалась зависимость Ли - Кеслера.
Энтропийно-статистический анализ распределения затрат энергии на компенсацию производства энтропии в основных узлах и процессах ожижительной установки с РВКГ.
1. Минимально необходимые удельные затраты энергии для компенсации производства энтропии в теплообменнике ТОА1:
_ __ ____________ кДж
Д5тОА1 = (s15 — s14 )G14 + (s3' — s10 )G10 + (s3 — s4 )G4 = 0,075 —;
кг • K
A^TOA1 = TO.C ^STOA1
22,5
кДж
кг
2. Минимально необходимые удельные затраты энергии для компенсации производства энтропии в теплообменнике ТОА2:
кДж
Л$ТОА2 = (s14 — s13 )G13 — (s4 — s5 )G5 = 0,°13
кг-K’
A^TOA2 =
TO.C ASTOA2 = 3,9
кДж
кг
100 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №6
Параметры характерных точек цикла установки ожижения природного газа на базе РВКГ для условий ГРС
Точкн Температура T, K Давление р, МПа Энтальпня i, кДж/кг Энтропня s, кДж/(кг-К) Расход G, кг/ч Отно снтельный расход G
0 300 0,72 -4526 12,54 28 750 1,0
1 300 3,1 -4549 11,74 28 750 1,0
2 300 3,1 -4548 11,76 5395 0,188
3 300 3,1 -4549 11,74 34 140 1,19
3’ 300 3,1 -4549 11,74 26 970 0,938
3” 300 3,1 -4549 11,74 7170 0,249
4 188,1 3,1 -4851 10,46 7170 0,249
5 178,5 3,1 -5049 9,364 7170 0,249
6 142,7 0,72 -5045 9,735 7457 0,259
7 142,7 0,72 -5324 7,694 2828 0,0983
8 129,8 0,35 -5324 7,718 2828 0,0983
9 129,8 0,35 -5367 7,318 2541 0,0853
10 216,5 3,1 -4758 10,93 26970 0,938
10' 188,9 1,5 -4792 11,07 26970 0,938
11 167 0,72 -4823 11,23 26970 0,938
12 129,8 0,35 -4939 11,26 286,7 0,01
13 163,5 0,72 -4828 11,21 31 600 1,099
14 183 0,72 -4783 11,47 31 600 1,099
15 295 0,72 -4537 12,52 31 600 1,099
16 295 0,72 -4537 12,52 26 230 0,912
17 300 0,72 -4526 12,56 5395 0,188
17' 300 1,45 -4533 12,16 5395 0,188
3. Необходимые удельные затраты энергии для компенсации необратимости рабочих процессов в компрессоре КМ:
кДж
^изкм — (to.c(sq — sie) — (*о — *1в))^о — 217-
кг
— изотермическая работа компрессора; по статистическим данным
/нз кДж
для компрессора данного типа пнзКМ — 0,6, /дкм — — — 361,7------,
Пиз кг
Д/КМ — 1д1 — /нз1 — 144,7^^~.
кг
4. Анализ процессов в РВКГ (рнс. 3).
5. Минимально необходимые удельные затраты энергии для компенсации производства энтропии в детандерной части РВКГ:
кДж
Д5дРВГК — (s11 — s10)G10 — 0,281 Д/дРВГК — Тс.ОД^дРВГК — 84,3
кг • K’ кДж
кг
ISSN 0236-3941. Вестннк МГТУ нм. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2014. № 6 101
Рис. 3. Схема распределения затрат энергии в установке СПГ на ГРС, использующей цикл с РВКГ
1дрвгк — (&ю — *11 )giq — 60,97
кДж
кг
— работа расширения в детандер-
кДж
кг
изотермическая
ной части РВКГ;
^дРВГК — (TO.C (s17 — s2) — (i17 — *2 ))G17 — 44
работа сжатия в компрессорной ступени РВКГ;
кДж
А1кРВГК — 1дРВГК — 1изРВГК — 20---необходимые удельные затраты
кг
энергии для компенсации необратимости рабочих процессов в компрессоре РВКГ.
6. Минимально необходимые удельные затраты энергии для компенсации производства энтропии в дросселе Др1:
Д5Др1 — (s8 — s7)G8 — 0,0024 к^ K; Д1Др1 — То.С Д^Др! — 0,7 ^
кг
102 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №6
7. Минимально необходимые удельные затраты энергии для компенсации производства энтропии в эжекторе ЭЖ:
кДж
Д$эж — S6G6 — S5G5 — S12G12 — 0,077
кг • K
Д/эж — Т0.СД5эж — 23,1
кДж
кг
8. Изотермический эффект дросселирования, обусловленный работой “отдаленного” компрессора:
кДж
7км — Go(io — ii) — 23
кг
9. Изотермический эффект дросселирования, обусловленный работой компрессорной части РВКГ:
кДж
7рВГК — G17(i17 — i2) — 3,8
кг
10. Холодопроизводительность детандерной части РВКГ:
кДж
7дрвгк — (i1o — i11)G1o — 60,97
кг
11. Теоретическая (полная) удельная холодопроизводительность цикла:
кДж
7е — 7км + 7рвгк + 7дрвгк — 87,7 ■
кг
12. Затраты работы на компенсацию теплопритоков из окружающей среды:
*вз 0 А7 Л, д0кДж
— — — 2,47; Д/о.с — ?о.с<£ — 4,9----.
7е кг
13. Минимальная работа ожижения:
^min T0.C (s0 s9) (i0 i9) 726 ; %in X 1minG9 61, 9 .
кг кг
14. Суммарная действительная работа:
/дЕ — Д/Т01 + Д/Т02 + Д/Др1 + Д/кРВГК +
+Д/дРВГК + Д/о.с + Д/ эж + /min X
+Д/км — 366 ^Дж.
Расхождение результатов при вычислении величины действительной работы:
S — 366 - 361,7 — 4,35 —, т.е. 1,2%.
кг
15. Степень термодинамического совершенства:
/min X п
П — —J---— 0,171.
/дЕ
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2014. № 6 103
На основе затрат на изготовление опытного образца РВКГ была проведена примерная оценка стоимости промышленного агрегата для установки СПГ производительностью 3 т/ч. Как и ожидалось, затраты на изготовление РВКГ оказались в 4-5 раз ниже цен на традиционные турбодетандер-компрессоры, широко используемые в криогенной технике. Общая ожидаемая экономия может составлять до 25 % общей стоимости установки.
Выводы. Предложены перспективная схема установки СПГ с детандер-компрессором нового типа — РВКГ, в котором отсутствуют потери при передаче энергии от детандерной части к компрессорной. Достигнутое в настоящее время значение адиабатного КПД этого устройства (0,55) позволяет проектировать установки со степенью термодинамического совершенства 17,1 %. Данная величина показывает, что термодинамическая эффективность предлагаемой технологии близка к эффективности традиционной технологии при ожидаемом снижении затрат на изготовление до 25 %.
Энтропийно-статистический анализ показал, что наибольший вклад в неравновесность процесса сжижения вносят процессы в следующих узлах установки: в “удаленном” компрессоре магистрального трубопровода (КМ) — до 40 % и в РВКГ — 28,8 %. Данное обстоятельство заметно снижает эффективность установки в целом. Дальнейшее усовершенствование возможно путем улучшения характеристик РВКГ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Архаров А.М., Сычев В.В. Основы энтропийно-статистического анализа реальных энергетических потерь в низкотемпературных и высокотемпературных машинах и установках // Холодильная техника. 2005. № 12. С. 5-12.
2. Архаров А.М., Сычев В.В. И еще раз об энтропии и задаче определения реальных (действительных) величин энергетических потерь вследствие необратимости // Холодильная техника. 2007. № 4. С. 4-9.
3. Архаров А.М., Сычев В.В., Архаров И.А. Сопоставление результатов термодинамического анализа энергетических потерь в высокотемпературных и низкотемпературных системах, машинах и установках // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2008. Спец. вып. “Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения”. C. 14-34.
4. Патент РФ № 2272971. Установка частичного сжижения природного газа. Русинов Д.А. и др.
5. Архаров А.М. О едином термодинамическом пространстве, теплоте, холоде, эк-сергии и энтропии как о базовых понятиях инженерной криологии // Холодильная техника. 2009. № 6. C. 23-32.
6. К анализу существующих установок ожижения природного газа малой производительности / А.М. Архаров, И.А. Архаров, Ю.А. Шевич и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 7. C. 24-35.
7. Архаров А.М., Семенов В.Ю., Малахов С.Б. Анализ процессов в роторном волновом криогенераторе // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. № 7. C. 15-20.
104 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №6
REFERENCES
[1] Arkharov A.M., Sychev V.V. The basis of ’entropy and statistical analysis of real loses of power on low and high temperature machines and plant. Kholodilnaya Tekhnika [Refrigeration equipment], 2005, no. 12, pp. 14-23 (in Russ.).
[2] Arkharov A.M., Sychev V.V. And again on the entropy and the problem of determining the actual (real) values of the energy loss due to irreversible. Kholodilnaya Tekhnika [Refrigeration equipment], 2007, no. 4, pp. 8-13 (in Russ.).
[3] Arkharov A.M., Sychev V.V., Arkharov I.A. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im.N.E. Baumana, Mashinostr., Spetsvyp. “Kholodil’naya i kriogennaya tekhnika, sistemy konditsionirovaniya i zhizneobespecheniya” [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Mech. Eng., Spec. Iss. “Refrigeration and Cryogenic Engineering, Air Conditioning Systems and Life Support”], 2008 (in Russ.).
[4] Krakovskiy B.D., Martynov V.A., Popov O.M., Rusinov D.A., Udut V.N. Ustanovka chastichnogo szhizheniya prirodnogo gaza Plant for partial liquefaction of natural gas. Patent RF, no. 2272971, 2006.
[5] Arkharov A.M. About a common temperature space, heat, cold, energy and entropy as basic concepts of engineer’s cryology. Kholodilnaya Tekhnika [Refrigeration equipment], 2009, no. 6, pp. 34-39 (in Russ.).
[6] Arkharov A.M., Arkharov I.A., Shevich Yu.A, Semenov V.Yu., Lavrov N.A., Krasnonosova S.D., Kolobova A.N. To the analysis of available low capacity units for fluidization of natural gas. Khim. i neftegaz. Mashinostr. [Chem. and Petr. Engine.], 2010, no. 7, pp. 24-35 (in Russ.).
[7] Arkharov A.M., Semenov V.Yu., Malakhov S.B. Savitsky A.I. Analysis of working processes in rotor wave cryogenerator. Khim. i neftegaz. Mashinostr. [Chem. and Petr. Engine.], 2012, no. 7, pp. 15-20 (in Russ.).
Статья поступила в редакцию 15.07.2014
Архаров Алексей Михайлович — д-р техн. наук, профессор кафедры “Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения” МГТУ им. Н.Э. Баумана. Лауреат Государственных премий СССР и РФ, заслуженный деятель науки и техники России, академик РАЕН, лауреат премии и почетный член Международного института холода (Париж, Франция), академик Европейской академии естественных наук (Ганновер, Германия), председатель Московского регионального отделения Международной академии холода. Автор 25 книг, более 450 научных работ в области криогеники.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5.
Arkharov I.A. — Dr. Sci. (Eng.), professor of “Refrigerating and Cryogenic Technology, Systems of Air Conditioning and Life Support” department of the Bauman Moscow State Technical University. Laureate of State Prizes of the USSR and the RF, Honored Worker of Science and Technology, academician of the Russian Academy of Natural Sciences. Prize-winner and Honorary Member of the International Institute of Refrigeration (Paris), academician of the European Academy of Natural Sciences (Hannover), President of Moscow Regional Department of the International Academy of Refrigeration. Author of 25 books and more than 450 publications in the field of cryogenics.
Bauman Moscow State Technical University, 2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation.
Семенов Виктор Юрьевич — канд. техн. наук, зам. генерального директора ПК НПФ “ЭКИП” по холодильной и криогенной технике. Автор более 30 научных работ в области криогенной техники.
ПК НПФ “ЭКИП”, Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский район, пос. Развилка, владение 8, офис 44.
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2014. № 6 105
Semenov V.Yu. — Cand. Sci. (Eng.), deputy general director of the Nauchno-proizvodstvennoy kooperativnoy firmy (PK NPF) “EKIP” [Research and Production Cooperative Firm (RPCF) “EKIP”] for the refrigeration and cryogenic technology. Author of more than 30 publications in the field of cryogenic engineering.
PKNPF “EKIP”, Leninskiy rayon, pos. Razvilka, ownership 8, office 44, Moscow region, 142717 Russian Federation.
Малахов Сергей Борисович — начальник конструкторского отдела ПК НПФ “ЭКИП”, аспирант кафедры “Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения” МГТУ им. Н.Э. Баумана.
ПК НПФ “ЭКИП”, Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский район, пос. Развилка, владение 8, офис 44.
Malakhov S.B. — post-graduate of “Refrigeration and Cryogenic Engineering, Air Conditioning and Life Support Systems” department of the Bauman Moscow State Technical University, head of the design department of the Nauchno-proizvodstvennoy kooperativnoy firmy (PK NPF) “EKIP” [Research and Production Cooperative Firm (RPCF) “EKIP”] for the refrigeration and cryogenic technology. Specialist in the field of cryogenic engineering.
PKNPF “EKIP”, Leninskiy rayon, pos. Razvilka, ownership 8, office 44, Moscow region, 142717 Russian Federation.
Bauman Moscow State Technical University, 2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation.
106 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. №6
