CC BY
59
УДК 621.64
Сравнительный анализ схем выдачи охлажденного СПГ под давлением
Д-р техн. наук Иванов В.И. [email protected] Раджабов Р.Н. [email protected] Университет ИТМО 191002, Россия, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
Перед транспортированием сжиженного природного газа (СПГ) по трубопроводу его охлаждают. Для этого часто используют метод вакуумирования парового пространства над жидкостью. В работе сравниваются энергетические затраты на выдачу охлажденного СПГ под избыточным давлением путём выдавливания его паром и с использованием жидкостного насоса. Также проведены энергетические затраты при предварительном охлаждении СПГ жидким азотом. Показано, что из трёх рассмотренных схем наименьший расход энергии показывает вариант охлаждения путём вакуумирования с последующим нагнетанием жидкостным насосом.
Ключевые слова: охлаждение СПГ, энергетические затраты, жидкостной насос, вакуумирование, испарение. DOI: 10.17586/2310-1148-2017-10-4-13-21
The comparing analysis of schemes demonstrating an issuance of cooled LNG
under pressure
D.Sc. Ivanov V.I. [email protected] Radjabov R.N. [email protected] ITMO University 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
Before the transportation of liquefied natural gas through a pipeline it is cooled. For this purpose a method of evacuating the vapour space above the liquid is frequently using. This work compares the energy costs of issuance of the cooled LNG pressurized by squeezing his own steam and with the use of the liquid pump. Also energy costs for LNG precooling with liquid nitrogen are showed. It is shown that the lowest power consumption of these three schemes shows an embodiment of cooling by evacuation with subsequent liquid injection pump. Keywords: cooling LNG, energy cost, liquid pump, evacuating, evaporation.
Охлаждение СПГ ниже температуры кипения при атмосферном давлении, т.е. ниже Т(1 = 1 \,7 К , необходимо для его транспортировки, хранения и безопасного использования [1]. Хранение СПГ в состоянии насыщения без охлаждения приводит к его значительным потерям при хранении, кавитации в насосах при перекачке, возникновения двухфазного потока в протяженных трубопроводах и гидравлическим ударам [2].
Широкое использование охлажденного СПГ привело к созданию целого ряда систем его захолаживания. При этом особую значимость приобретают энергетические показатели этих систем.
В промышленных масштабах охлаждение СПГ осуществляют различными способами: либо за счёт внешнего источника холода, например, жидкого азота или рефрижераторной установки, либо за счёт испарения части СПГ при барботировании через него малорастворимого газа (гелия). Однако наиболее простым в реализации и достаточно эффективным является охлаждение путём вакуумирования парового пространства резервуара с СПГ [9]. Охлаждение можно осуществлять как непосредственно в самом резервуаре, так и в теплообменном аппарате в процессе выдачи жидкости потребителю. В целях повышения экономичности иногда применяют ступенчатое охлаждение в нескольких аппаратах [3].
Снижение давления пара над зеркалом жидкости вызывает её вскипание. Теплота, затрачиваемая на кипение, отводится от оставшейся жидкости и её температура снижается [10, 11].
Для выдачи охлажденного СПГ потребителю под требуемым давлением применяют либо способ выдавливания собственным паром, либо используют жидкостные насосы [4, 8].
Для определения достоинств и недостатков систем охлаждения и выдачи СПГ под давлением рассмотрим три различные схемы. В двух схемах охлаждение осуществляется путём вакуумирования парового пространства над жидкостью, а в третьей схеме используется сторонний более низкотемпературный криоагент - жидкий азот [12, 13, 14, 15].
Исходные условия для всех схем одинаковы:
- масса жидкого метана в сосуде Он = ООООсг;
- давление в сосуде рн = ),\МПа ;
- температура жидкости Тн = 11,5К Конечные условия:
- остаток жидкой фазы в сосуде после завершения выдачи продукта Ок — ЮО/сг ;
- продукт выдаётся под давлением рк — ,6МПа ;
- температура выдаваемого продукта Тк = 05,7К
а)
рк=1,6 МПа
ТК=105,7 К
б)
рк =1,6 МПа -►
Тк =105,7 К
4
3
в)
N.
2(ж)
р п=0,12 МПа
Тк=105,7 К
Кллмл
рк =1,6 МПа
Тк =105,7 К
Рис. 1. Схемы систем выдачи охлаждённого СПГ под давлением: 1 - внутренний сосуд резервуара; 2 - вакуумный насос; 3 - испаритель подъёма давления; 4 - жидкостной насос; 5 - змеевик теплообменника
1
3
4
По схеме (рис. 1, а) выполняются следующие операции:
- жидкий метан охлаждается до температуры Тк = путём вакуумирования парового пространства насосом 2; давление пара в конце охлаждения достигает рп = 1а [5];
- после отключения вакуумного насоса 2, подают жидкость в испаритель 3 и устанавливают давление рк = ;
- жидкость выдавливается из сосуда под давлением рк= и температуре Тк =
Расход энергии при реализации процесса по данной схеме находится по следующим зависимостям [6, 7]: 1) Начальный объём СПГ
10000 _
р 422,24
кг
где р = 1-22,24—- - плотность жидкого метана при Т — 11,5К
м
2) Объём внутреннего сосуда резервуара
О О /1 о о
где /3 — - коэффициент заполнения сосуда
3) Начальный объём паровой фазы
4) Объём паровой фазы в конце выдачи продукта
V. =
Р
430,3/
где р - плотность жидкого метана при Т —
С А А
5) Средняя теплота парообразования в интервале температур T и Тк
'1 '1 кг
6) Средняя теплоёмкость жидкого метана в интервале температур Тн и Тк
и
с =
где Нн и Нк энтальпии жидкого метана соответственно при Т и Т
7) Расход жидкого метана на охлаждение путём вакуумирования
Çk = 1 - 1 -
G Г п Г п ■
" ехр ! ! | I
L J L J
где G - масса жидкого метана после охлаждения
8) Объём паровой фазы в конце процесса охлаждения путём вакуумирования
Г Л 1 АЛЛА
V" р 43U,3 /
9) Расход жидкого метана, подаваемого в испаритель 3, для поддержания давления в сосуде рк =
в течение всего периода выдачи продукта
—
где р = - - плотность пара в конце процесса выдачи продукта; р = - плотность пара в конце
M M"
процесса охлаждения путём вакуумирования
10) Расход энергии на охлаждение
= А
охл
Расход энергии на выдавливание жидкости
L А = А • =
выд
где / = --удельный расход энергии на ожижение метана [1]
кг
11) Среднее давление в сосуде в течение вакуумирования
р*= z
где р„ = 1а - давление в конце процесса вакуумирования
с
1С Г-
12) Примем температуру газа перед насосом Тн =
13) Объём газа, подлежащий откачке
Л Н(Л
V = - -
ср
где р = - - плотность газа при рн = и температуре Т =
ЛГ
_ .3
14) Для вакуумирования примем насос 2НВР-10Д, быстрота действия которого = • /си по-
с
требляемая мощность привода Ын =
15) Продолжительность вакуумирования
Т7 ~ /Г л /Г А 1
16) Расход энергии на работу вакуумного насоса
А Т
Кп = = =
JOUU зоии
17) Общий расход энергии по схеме 1а
L = + + = + +
По схеме (рис. 1, б.) последовательность процессов следующая:
- жидкость охлаждается путём вакуумирования; давление в сосуде снижается от рн = до
Рп= г*;
- температура жидкости снижается от Тн = др Тк = после чего вакуумный насос отключается;
- жидкость подают в испаритель, резко повышая давление в сосуде до рп = , при этом жидкость становится недонагретой (её температура остаётся равной Тк = );
- жидкостной насос выдаёт недонагретую жидкость под давлением рк =
Расход энергии при работе по схеме рис. 1б:
1) Расход энергии на охлаждение жидкости по схеме 1б такой же как по схеме 1а, т.е.
Ь =Д • = • =
ОХ/7
2) Расход газифицированного жидкого метана на создание подпора рп = , необходимого для безкавитационной работы жидкостного насоса
где р - плотность сухого насыщенного пара при давлении рк = та
3) Расход энергии на создание подпора жидкой фазы перед жидкостным насосом
Ь л =Д • = •
подл
4) Расход энергии на работу вакуумного насоса будет таким же как в схеме 1а, т.е.
лг
Кп = = = •
зоии зоии
_ .3
5) При подаче жидкостного насоса = • продолжительность опорожнения сосуда составит
с
А пппп
Т = - - ,
зыю- • • •
кг
где р — —г - плотность выдаваемой жидкости
м
6) Напор, создаваемый жидкостным насосом
1 /ГАЛААА
Н= -
Р... '
7) Расход энергии на работу жидкостного насоса
V и,
ж. Н.
где Г] — — КПД жидкостного насоса
8) Общий расход энергии по схеме 1,б
Ь= + + + = + + +
По схеме (рис. 1в.) последовательность процессов следующая:
- жидкость метана охлаждается до температуры Тк = , при подаче в змеевик 5 жидкого азота, при этом давление в сосуде снижается до рп= ^;
- жидкость подают в испаритель 3, повышая давление в сосуде до рп = та, при этом жидкость становится недонагретой (её температура остаётся равной Тк = );
- жидкостной насос 4 выдаёт недонагретую жидкость под давлением рк =
потребителю
Расход энергии по данной схеме складывается из:
- расхода энергии на получение требуемого количества жидкого азота, идущего на охлаждение СПГ;
- расхода энергии на охлаждение доли СПГ, которая газифицируется в испарителе 3 для создания давления в сосуде рп = та;
- расхода энергии на работу жидкостного насоса 4
1) Расход жидкого азота на охлаждение СПГ
2)
а =
а
га
где к— - коэффициент учитывающий потери жидкого азота при транспортировании и переливе;
с — --теплоёмкость СПГ;
кг-
"Чж
га = - - теплота испарения жидкого азота
кг
2) Расход энергии на получение жидкого азота ^а
- '
где 1а = — - удельный расход энергии на ожижение азота
кг
3) Расход СПГ на создание давление в сосуде аналогичен варианту по схеме "б", т. е. А _ =
4) Расход энергии на ожижение доли СПГ, которая газифицируется в испарителе 3 для создания условий безкавитационной работы жидкостного насоса
I л = А • = •
лодл
5) Расход энергии на работу жидкостного насоса 4
L............77.......
ж.н.
где Г] — — КПД жидкостного насоса 6) Общий расход энергии по схеме 1в
L = + + = + +
В табл. 1 сопоставлены характеристики трёх рассмотренных выше схем выдачи охлаждённого СПГ под давлением
Таблица 1
Характеристики схем выдачи охлаждённого СПГ под давлением
Схемы Исходная масса СПГ, кг Температура, К Давление, МПа Потери СПГ, кг Расход жидкого азота, кг Расход энергии, кВтч
Нач. Конеч. Нач. Конеч.
а 10 000 111,5 105,7 0,1 1,6 1011 0 1019
б 10 000 111,5 105,7 0,1 1,6 420 0 448
в 10 000 111,5 105,7 0,1 1,6 50 1488 2300
Выводы
1. Схема (рис. 1, а) наиболее проста в реализации. Из дополнительного оборудования требуется лишь вакуумный насос. Однако этой схеме присущи серьёзные недостатки - это потеря ~ 10% продукта и значительный расход энергии.
2. Схема (рис. 1, в) термодинамически менее совершенна, поскольку требует значительного расхода более низкотемпературного, чем СПГ, криоагента, т.е. жидкого азота. Кроме того, требуется встраивать в сосуд с СПГ дополнительный змеевик и иметь оборудование для подачи азота в указанный змеевик.
3. Наиболее приемлемой для принятых параметров системы является схема (рис. 1, б). Она обеспечивает умеренные потери СПГ и наименьший расход энергии на выдачу охлажденного СПГ под давлением.
Литература
1. Бармин И.В., Кунис И.Д. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра. // Под ред. А. М. Архарова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009г. - 256 с.
2. Mokhatab S. et. al, Handbook of Liquefied Natural Gas, Galf Proffesional Publishing, Burlington, Massachusetts, 2014.
3. Акулов Л.А., Борзенко Е.И., Зайцев А.В. Теплофизические свойства и фазовое равновесие криопродуктов. СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. - 567 с.
4. Архаров А.М., Тычкова С.О. К задаче об изменении температуры криогенных жидкостей при откачке их паров и хранении // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение» 2010. № 3. С. 41-45.
5. Neill D.T., Hashemi H.T., Slipcevich C.M. Boil-off rates and wall temperatures in aboveground LNG storage tanks. -Chem. Eng. Progress Symposium Series, 1968, vol. 64, №87, P. 111-119.
6. Иванов В.И., Еремеев В.А. Система выдачи охлажденных криопродуктов под давлением // Сборник тезисов V всероссиского конгресса молодых ученых - 2016.
7. Макарей Н.М., Иванов В.И. Исследование процесса охлаждения криогенных жидкостей путем вакуумирования // Научная школа «Техника и физика низких температур». Проблемы криогенной техники и технологий -2014. С. 67-70
8. Петров Е.Т., Опалихин А.Ф. Особенности численного исследования теплофизических параметров парогазовых потоков в камерах холодильников с регулируемой газовой средой // Вестник Международной академии холода. 2017. № 3. С.47-52.
9. Грачёв А. Б., Ворошилов Б. С., Бродянский В. М. Охлаждение криогенных жидкостей вакуумированием парового пространства // Инженерно-физический журнал. 1975. Т. 29. № 6. С. 1007-1012.
10. Домашенко А.М. Экспериментальное исследование неравновесности испарения при охлаждении жидких кислорода и азота вакуумированием парового пространства [Текст] / А.М. Домашенко, В.П. Качура, Н.В. Филин. Труды НПО «Криогенмаш». Процессы и технологии в криогенном машиностроении. - Балашиха.: 1975.
11. Жданов Б. С. Переохлаждение, хранение и термостатирование криогенных жидкостей [Текст]: Учеб. пособие по курсу «Криогенные заправочные системы» / Под ред. Г. Н. Бобровникова ; М-во высш. и сред. спец. образования СССР. Моск. высш. техн. училище им. Н. Э. Баумана. - Москва : [б. и.], 1972, обл. 1973. - 75 с. : ил.; 20 см.
12. H.G. Winningham, "Pumping A Liquefied Natural Gas (LNG), Pre-heating, Dividing the LNG into Two Streams with One Being Called the Cold LNG Reflux Stream and the Other Being Called the Residual LNG Stream; Heating and Vaporizing the Residual LNG Stream to Produce Feed Gas Stream; Using A Cryogenic Fractionation, Feeding", U.S. Patent 7,165,423, July 23, 2007.
13. Ralph G. Scurlock, Stratification, rollover and handling of LNG, LPG and other cryogenic liquid mixtures. 2016.
References
1. Barmin I.V., Kunis I.D. Szhizhennyi prirodnyi gaz vchera, segodnya, zavtra. // Pod red. A. M. Arkharova. - M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2009g. - 256 s.
2. Mokhatab S. et. al., Handbook of Liquefied Natural Gas, Galf Proffesional Publishing, Burlington, Massachu-setts, 2014.
3. Akulov L.A., Borzenko E.I., Zaitsev A.V. Teplofizicheskie svoistva i fazovoe ravnovesie krioproduktov. SPb.: SPbGUNiPT, 2009. - 567 s.
4. Arkharov A.M., Tychkova S.O. K zadache ob izmenenii temperatury kriogennykh zhidkostei pri otkachke ikh parov i khranenii // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya «Mashinostroenie» 2010. № 3. S. 41-45.
5. Neill D.T., Hashemi H.T., Slipcevich C.M. Boil-off rates and wall temperatures in aboveground LNG storage tanks. - Chem. Eng. Progress Symposium Series, 1968, vol. 64, №87, P. 111-119.
6. Ivanov V.I., Eremeev V.A. Sistema vydachi okhlazhdennykh krioproduktov pod davleniem // Sbornik tezisov V vse-rossiskogo kongressa molodykh uchenykh - 2016.
7. Makarei N.M., Ivanov V.I. Issledovanie protsessa okhlazhdeniya kriogennykh zhidkostei putem vakuumirovaniya // Nauchnaya shkola "Tekhnika i fizika nizkikh temperatur". Problemy kriogennoi tekhniki i tekhnologii. 2014. S. 67-70
8. Petrov E.T., Opalikhin A.F. Thermophysical parameters of steam gas flow in refrigerating chambers with controlled atmosphere. Numerical analysis. // VestnikMezhdunarodnoi akademii kholoda. 2017. No 3. p.47-52.
9. Grachev A. B., Voroshilov B. S., Brodyanskii V. M. Okhlazhdenie kriogennykh zhidkostei vakuumirovaniem paro-vogo prostranstva // Inzhenerno-fizicheskii zhurnal. 1975. T. 29, № 6. S. 1007-1012.
10. Domashenko A.M. Eksperimental'noe issledovanie neravnovesnosti ispareniya pri okhlazhdenii zhidkikh kisloroda i azota vakuumirovaniem parovogo prostranstva [Tekst] / A.M. Domashenko, V.P. Kachura, N.V. Filin. Trudy NPO «Kriogenmash». Protsessy i tekhnologii v kriogennom mashinostroenii. - Balashikha.: 1975.
11. Zhdanov B. S. Pereokhlazhdenie, khranenie i termostatirovanie kriogennykh zhidkostei [Tekst]: Ucheb. posobie po kursu "Kriogennye zapravochnye sistemy" / Pod red. G. N. Bobrovnikova ; M-vo vyssh. i sred. spets. obrazovaniya SSSR. Mosk. vyssh. tekhn. uchilishche im. N. E. Baumana. - Moskva : [b. i.], 1972, obl. 1973. - 75 s. : il.; 20 sm.
12. H.G. Winningham, "Pumping A Liquefied Natural Gas (LNG), Pre-heating, Dividing the LNG into Two Streams with One Being Called the Cold LNG Reflux Stream and the Other Being Called the Residual LNG Stream; Heating and Vaporizing the Residual LNG Stream to Produce Feed Gas Stream; Using A Cryogenic Fractionation, Feeding", U.S. Patent 7,165,423, July 23, 2007.
13. Ralph G. Scurlock, Stratification, rollover and handling of LNG, LPG and other cryogenic liquid mixtures. 2016.
Статья поступила в редакцию 02.11.2017 г.
