CC BY
370
108
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
УДК 665.632.078
А.М. Архаров, В.Ю. Семёнов, С.Б. Малахов
Ожижение магистрального природного газа в малотоннажных криосистемах с роторным волновым криогенератором
Ключевые слова:
ожижитель природного газа, роторный волновой криогенератор, адиабатный к.п.д.
Keywords:
natural gas liquefier, rotor wave cryogenerator, adiabatic efficiency.
Проблема производства сжиженного природного газа (СПГ) приобретает в России все большую актуальность. 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 промышленные системы производительностью до 10 т/ч. В Карелии (Петергоф) и Ленинградской области (Кингисепп) созданы и в течение нескольких лет успешно функционируют высокоэффективные ожижители природного газа производительностью 1 т/ч, работающие на основе цикла высокого давления Линде-Хэмпсона с предварительным охлаждением, а в Московской области (п. Развилка) - установка производительностью 1 т/ч, работающая по усовершенствованному дроссель-эжекторному циклу [1-3]. Коэффициент ожижения в этих установках составляет 38-41 %.
В настоящее время самым крупным (из малотоннажных) отечественным заводом по производству СПГ пока остается ожижитель производительностью 3 т/ч на ГРС-4 в Екатеринбурге, коэффициент ожижения установки не превышает 10 %. Данная технология сжижения основана на цикле среднего давления Клода, т.е. использует эффективный (адиабатный к.п.д. процесса расширения достигает 75 %), но сложный и дорогой турбодетандерно-компрессорный агрегат (ТДКА) [4]. Необходимо отметить, что существует и другое решение проблемы создания эффективных малотоннажных производств СПГ, а именно с помощью внешнего азотного цикла, который также подразумевает использование ТДКА в качестве генератора холода.
По убеждению авторов, поиски оптимальных решений этой актуальной проблемы должны и могут быть продолжены, поскольку современная криология имеет хорошую научную базу.
Новаторские работы в этом направлении сделаны за рубежом в середине прошлого века [5-7] и затем продолжены во ВНИИГАЗе [8-11] и в ХАИ им. Н.Е. Жуковского [8, 9, 12]. Результатом стали создание и успешная эксплуатация волновых детандеров в составе установки стабилизации конденсата Сосногорского газоперерабатывающего завода (ГПЗ) и установки исследования технологии извлечения из пласта остаточных запасов ретроградного конденсата на Вуктыльском газоконденсатном месторождении (Республика Коми). Следует отметить, что условия эксплуатации этих устройств ограничены положительными температурами и большими объемными расходами перерабатываемого газа [8, 9]. Логическим продолжением отмеченных исследований явилось создание в МГТУ им. Н.Э. Баумана роторного волнового криогенератора (РВКГ) - генератора холода принципиально нового типа [13-15].
Особенности работы РВКГ заключаются в следующем: также, как и в ТДКА, сжатие в нем осуществляется за счет энергии расширяющегося газа, но в отличие от ТДКА степень сжатия в РВКГ примерно равна степени расширения, а величина компримируемого потока составляет 20-25 % от величины расширяемого потока. С учетом этих особенностей предложена принципиальная схема системы ожижения (рис. 1). Дроссельный поток проходит очистку от диоксида углерода, охлаждается последовательно в теплообменных аппаратах и частично сжижается после расширения в дроссель-эжекторе. Другая часть газа расширяется в двух ступенях РВКГ
№ 1 (21) / 2015
Современные технологии переработки и использования газа
109
Рис. 1. Схема установки c двухступенчатым РВКГ: КМ - «удаленный» компрессор магистрального газопровода; РВКГ1, РВКГ2 - 1-я и 2-я ступени РВКГ соответственно; ТОА1, ТОА2 - основной и дроссельный теплообменники соответственно;
АВО1, АВО2 - аппараты воздушного охлаждения; Сеп1 - сепаратор;
Сеп2 - сепаратор-сборник СПГ; Др1 - дроссель; Эж - дроссель-эжектор; реперные точки 1-17 соответствуют точкам на рис. 2 (см. далее)
до давления, близкого к давлению в низконапорной магистрали. Газовая фаза после отделения в сосуде-сепараторе в виде потока низкого давления из дроссельного теплообменника направляется в основной теплообменник, где обратным потоком охлаждает поток газа, направляемый на дросселирование [5].
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 ее до давления прямого потока в компрессионной части РВКГ1 и РВКГ2 и смешения с дроссельным потоком на входе в верхний аппарат. Теплота сжатия при этом сбрасывается в окружающую среду с помощью АВО1 и АВО2.
Процесс сжижения согласно предложенной схеме представлен на рис. 2 в координатах «удельная изобарная теплоемкость (S) / температура (Г)».
Конструкция РВКГ (рис. 3) надежна, криогенератор прост в изготовлении и техническом обслуживании. Устройство состоит из цилиндрического ротора 3, вращающегося между торцевыми дисками 4, 5. Ротор (рис. 4) состоит из вала, газодинамической части и магнитной муфты. Газодинамическая часть представляет собой полый титановый цилиндр с центральным отверстием для установки на вал 7 и периферическими прямоугольными каналами для прохода газа. В торцевых дисках имеются также отверстия для подвода и отвода активного газа высокого давления и отвода пассивного газа низкого давления. Привод ротора осуществляется стандартным асинхронным двигателем, необходимым только для согласования фаз газораспределения и преодоления сил трения. С целью передачи вращающего момента в герметичную полость использовались магнитные муфты 9, 10. Расположение вала консольное, что позволяет поместить подшипниковую группу в «теплой» зоне устройства. Сопла и газораспределители обеспечивают два цикла работы за один оборот вала.
№ 1 (21) / 2015
110
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
Рис. 2. Схематическое изображение цикла работы установки сжижения природного газа
c РВКГ
Рис. 3. Конструкция РВКГ: АУ и АК - вход и выход расширяемого газа; PN и PV - вход и выход компримируемого газа; 1, 2 - газораспределители активного и пассивного газа соответственно; 3 - газодинамическая часть ротора; 4, 5 - сопла активного и пассивного газа; 6 - корпус ротора; 7 - вал ротора; 9, 10 - ведущая и ведомая магнитные полумуфты соответственно; 11 - керамическая втулка; 12 - двигатель
Рис. 4. Ротор РВКГ в сборе
№ 1 (21) / 2015
Современные технологии переработки и использования газа
111
Для исследования процессов в РВКГ разработан экспериментальный стенд (рис. 5). Технологическое оборудование и измерительная система стенда позволили исследовать аппарат на различных режимах работы и провести весь комплекс измерений интегральных параметров потоков. В качестве активной и пассивной сред использовался метан, подаваемый с аккумуляторов автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (АГНКС). Особенностью технологической схемы испытаний РВКГ являлся замкнутый контур пассивного газа (см. пунктирную линию на рис. 5).
Температура расширяемого активного газа зависела от текущих параметров работы АГНКС
и требуемого давления на входе в РВКГ и изменялась в диапазоне 239-196 K. При использовании холодильной установки температура расширяемого газа снижалась до 172 K. Давление активного газа в экспериментах варьировалось в диапазоне 4,2-2,0 МПа.
Анализ результатов экспериментального исследования (рис. 6) подтвердил предположение о том, что основным холодопроизводящим процессом в данном устройстве служит процесс выхлопа. Поэтому РВКГ демонстрирует максимальную эффективность в области малых степеней расширения активного потока пт (пт < 2,5). При этом степень сжатия пассивного потока пк приблизительно равнялась пт,
Ч
H2O
I
V
Рис. 5. Схема экспериментального стенда
Осевой зазор, мм: □ 0,1 9 0,066 Д 0,045
а б
Рис. 6. Адиабатный к.п.д. цад РВКГ (а) и отношение расходов пассивного и активного газов Qn / Qa (б) в зависимости от пк при различных значениях величины осевого зазора
№ 1 (21) / 2015
112
Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ
а расход пассивного газа составлял 20-30 % величины активного потока. На рис. 6 также показано влияние величины осевого зазора на эффективность РВКГ. Более подробно конструкция и анализ работы РВКГ описаны в работах [6, 7].
Технологическая схема криогенного ожижения природного газа производительностью 3 т/ч (см. рис. 1) разработана на основании экспериментальных результатов, полученных при следующих, характерных для газораспределительных станций, условиях: давление природного газа в магистрали среднего давления - 3,1 МПа, давление в магистрали низкого давления - 0,71 Мпа, расход газа в ожижителе - 28750 кг/ч. Высокая эффективность установки достигается путем использования двухступенчатого РВКГ, где каждая ступень работает в области оптимальной степени расширения. Результаты расчета рабочего цикла (см. рис. 1) средствами программного комплекса Hysys 7.3 показывают, что величина коэффициента ожижения составляет 8,5 %. Состав газа принимался таким же, как на ожижителе ГРС-4 в Екатеринбурге. В качестве уравнения состояния использовалась зависимость Ли-Кеслера.
На основе анализа затрат на изготовление опытного образца РВКГ проведена ориентиро-
Список литературы
1. Пат. 2180081 РФ. Способ сжижения метана... / Семенов В.Ю. и др.; опубл. 27.02.2002.
2. Пат. 2180082 РФ. Установка сжижения метана. / Семенов В.Ю. и др.; опубл. 27.02.2002.
3. Архаров А.М. К анализу существующих установок ожижения природного газа малой производительности / А.М. Архаров и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2010. - № 7. - С. 24-35.
4. Пат. 2272971 РФ. Установка частичного сжижения природного газа / Краковский Б. Д. и др.; опубл. 27.03.2006.
5. Azoury P.H. Introduction to the dynamic pressure exchanger / P.H. Azoury // Proceedings / Institution of Mechanical Engineers. - 19651966. - V 180. - Part 1. - № 18.
вочная стоимостная оценка изготовления промышленного образца РВГК в сравнении со стоимостью агрегатов аналогичного назначения, применяемых в настоящее время на производстве. Как и ожидалось, затраты на изготовление РВКГ оказались в 4-5 раз ниже стоимости изготовления традиционных турбодетандеров -компрессорных агрегатов, широко используемых в криогенной технике. Общая ожидаемая экономия может составить до 25 %.
Таким образом, в МГТУ им. Н.Э. Баумана разработан детандер-компрессор принципиально нового типа - роторный волновой криогенератор. Экспериментальные исследования показали, что разработанная конструкция обеспечивает адиабатный к.п.д. 50-55 % при степени расширения 1,5-2,5 в диапазоне температур 238-163 K. При этом за счет энергии расширяющегося газа оказалось возможным сжать газ обратного потока в количестве примерно 25 % величины расхода расширяющегося потока практически до начального давления расширения.
Предложенная схема эффективной малотоннажной установки ожижения магистрального природного газа позволит снизить капитальные затраты соответствующих производств на 25 % по сравнению с аналогами, базирующимися на технологиях с использованием традиционных детандер-компрессоров.
6. Уэтэрстон Р. Энергообменник - новая концепция в теории высокоэффективных газотурбинных циклов / Р. Уэтэрстон,
А. Герцберг // Энергетические машины и установки. - 1967. - № 2. - C. 48-62.
7. Кентфилд Дж. Характеристики обменников давления - делителей и уравнителей /
Дж. Кентфилд // Труды ASME. Сер. D. - 1965. -№ 3.
8. Бобров Д.М. Генераторы холода на базе волновых обменников давления / Д.М. Бобров, Ю.А. Лаухин, А.М. Сиротин и др. // Газовая промышленность. - 1993. - № 1. - С. 48-62.
9. Эрсмамбетов В.Ш. Результаты численных и экспериментальных исследований волнового детандера / В.Ш. Эрсмамбетов, Ю.А. Лаухин, Д.М. Бобров и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1996. - № 5. - С. 14-16.
№ 1 (21) / 2015
Современные технологии переработки и использования газа
113
10. Бобров Д.М. Расширительная холодильная техника для газовой и нефтяной промышленности - современное состояние, тенденции развития, опыт эксплуатации /
Д.М. Бобров, Ю.А. Лаухин, А.М. Сиротин // Подготовка и переработка газа и газового конденсата. - М.: ИРЦ Газпром, 2002. - С. 88.
11. Козлов А.В. Повышение эффективности эксплуатации волновых детандеров в установках низкотемпературной обработки углеводородного газа: автореф. дис. ... канд. техн. наук / А.В. Козлов. - М., 2003. - 19 с.
12. Эсрмамбетов В.Ш. Совершенствование модели процесса и исследования режимов работы волнового обменника давления, предназначенного для наддува дизеля: автореф. дис. ... канд. техн. наук / В.Ш. Эсрмамбетов. -Харьков, 1988. - 26 с.
References
1. Pat. 2180081 RF. Method of methane liquation. / Semenov V.Yu. et al.; pub. 27.02.2002.
2. Pat. 2180082 RF. Methane liquation plant. / Semenov V.Yu. et al.; pub. 27.02.2002.
3. Arkharov A.M. To the analysis of the existent natural gas liquation plants of low productivity / A.M. Arkharov et al. // Khimicheskoye i neftegazovoye mashinostroenie. - 2010. - № 7. -P. 24-35.
4. Pat. 2272971 RF. The plant for partial liquation of natural gas / Krakovsky B.D. et al.;
pub. 27.03.2006.
5. Azoury P.H. Introduction to the Dynamic Pressure Exchanger / P.H. Azoury // Proceedings / Institution of Mechanical Engineers. -1965-1966. - V 180. - Part 1. - № 18.
6. Weterston R. Energy exchanger is a new concept of the theory of high-efficiency gas turbine cycles / R. Weterston, A. Herzberg // Energeticheskie mashiny i ustanovki. - 1967. - № 2. - P 48-62.
7. Kentfield J.A.C. The Performance of pressure-exchanger dividers and equalizers /
J.A.C. Kentfield // ASME Proceedings. Ser. D. -1965. - № 3.
8. Bobrov D.M. Chillers based on the wave pressure exchangers / D.M. Bobrov,
Yu.A. Laukhin, A.M. Sirotin, A.M. Lyashenko, V.Sh. Ersambetov // Gazovaya promyshlennost’. -1993. - № 1. - P 48-62.
9. Ersambetov V.Sh. The results of computational and experimental studies of wave expander /
V.Sh. Ersambetov, Yu.A. Laukhin, D.M. Bobrov, A.M. Sirotin, A.V. Kozlov // Khimicheskoye i neftyanoye mashinostroenie. - 1996. - № 5. -
P. 14-16.
13. Пат. 2495341 РФ. Установка сжижения природного газа / Архаров А.М. и др.; опубл. 10.10.2013.
14. Архаров А. М. Анализ рабочих процессов в роторном волновом криогенераторе /
А.М. Архаров и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2012. - № 7. -C. 15-20.
15. Семенов В.Ю. Экспериментальное исследование криогенного волнового детандер-компрессора / В. Ю. Семенов и др. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2009. - № 4. - C. 23-25.
10. Bobrov D.M. Expanding cryogenic machinery for gas and oil industry - modern state, outlooks, operational experience / D.M. Bobrov, Yu.A. Laukhin, A.M. Sirotin // Preparation
and processing of gas condensate. - Мoscow: Gazprom Information and Advertising Centre, 2002. - С. 88.
11. Kozlov A.V. Rising the efficacy of wave expanders in the plants for low-temperature hydrocarbon
gas processing: synopsis of a thesis . Ph.D. in engin. / A.V. Kozlov. - Moscow, 2003. - 19 p.
12. Ersambetov V.Sh. Perfection of the process model and investigations of operational modes of the wave pressure exchanger, aimed at diesel supercharging: synopsis of a thesis .
Ph.D. in engin. / V.Sh. Ersambetov. - Khar’kov, 1988. - 26 p.
13. Pat. 2495341 RF. The plant for natural gas liquation / Arkharov A.M. et al.; pub. 10.10.2013.
14. Arkharov A.M. Analysis of working processes in the rotor wave cryogenic generator /
A.M. Arkharov et al. // Khimicheskoye i neftegazovoye mashinostroenie. - 2012. - № 7. -P. 15-20.
15. Semenov V.Yu. Experimental study of compressor cryogenic wave expander / V.Yu. Semenov
et al. // Khimicheskoye i neftegazovoye mashinostroenie. - 2009. - № 4. - P. 23-25.
№ 1 (21) / 2015
