Для решения первоочередных задач по внедрению в различные отрасли хозяйства России с учетом его многоцелевого использования был проведен анализ возможных схем и выполнены проектные проработки установок сжижения малой и средней производительности, которые показали, что можно ограничиться установками двух типов — производительностью 0,8…1 т/ч и 10. 12т/ч. Рассмотрим термодинамические схемы возможной реализации таких установок.
Цикл с однократным дросселированием, основанный только на эффекте Джоуля—Томпсона, изображенный на рисунке:
Анализ этого простейшего цикла показывает, что выход жидкости и термодинамический КПД n цикла растут с повышением давления сжатия и снижением удельной работы сжижения Nd.
Это важное обстоятельство связано с увеличением «дельта»it при повышении давления. Однако при давлении выше 20 МПа темп снижения энергетических затрат цикла уменьшается и при этом существенно растут затраты на оборудование и эксплуатацию, поэтому давление (20…22) МПа для этого цикла можно считать предельным. Следует иметь в виду, что дроссель-эффект у природного газа значительно выше, чем воздуха. Наличие в нем тяжелых углеводородных фракций только увеличивает это различие, а наличие азота снижает его незначительно. Следует учитывать также, что потери при дросселировании, обусловленные неравновесным характером теплообмена, непосредственно связаны с потерями в регенеративном теплообменнике.
Цикл, изображенный на рисунке выше, малоэффективен. Коэффициент сжижения газа практически составляет 12…15 %, удельная работа сжижения 1,5…2 кВт ч/кг. Анализ термодинамических потерь в этом цикле показывает, что основная их доля падает на неизотермичность процесса сжатия в компрессоре и на необратимость в процессе дросселирования.
Для увеличения процента выхода жидкости в цикле ее получают практически при давлении 6 атм. Получая жидкость при давлении, близком к атмосферному (с целью увеличения возможностей использования), необходимо дополнительно сжимать «отбросной» газ до давления 0,3.. 0,4 МПа для сброса его в газораспределительную сеть Показатели цикла могут быть улучшены несколькими способами:
- повышением давления природного газа на входе в установку;
- предварительным охлаждением природного газа внешним холодильным агентом;
- многоступенчатым дросселированием и обеспечением циркуляции потоков при промежуточных давлениях.
При использовании в дроссельных циклах предварительного охлаждения природного газа до температуры —(30…40) °С при помощи пропановой или фреоновой парокомпрессионной холодильной установки можно увеличить коэффициент сжижения до 35 %, а удельную работу сжижения снизить с 2 до (0,8…0,7) кВт ч/кг. Недостатком схемы является большое количество несжиженного природного газа (65 %) с давлением, близким к атмосферному, который для направления в газораспределительную сеть должен быть дополнительно сжат до давления 0,3…0,4 МПа.
В настоящее время за рубежом детандерные холодильные циклы нашли применение в основном в установках покрытия пиковых нагрузок газопотребления. Особенно эффективны детандерные циклы, работающие по принципу использования перепада между давлениями в газопроводе и в газораспределительной сети на ГРС. В этом случае используется «даровая» энергия дросселирования газа, получающаяся за счет сброса давления магистрального трубопровода до рабочего (0,3. .0,4 МПа) в сети.
Детандер используется для повышения эффективности установки. При этом чем выше давление природного газа на входе в ожижитель, тем эффективнее цикл. Однако следует учитывать, что эффективность детандеров повышается, если они надежно работают в области влажного пара, содержащего до 20…25 % жидкой фазы В настоящее время отечественными исследователями ведутся работы в этом направлении.
Расчеты показывают, что при давлении газа на входе в установку, равном 3,5 МПа (минимальное в магистральном трубопроводе), сжижаемая доля газа составляет 15… 17% при больших поверхностях теплообменников Т, и Т2 ввиду того, что теплопередача лимитируется обратным потоком. При меньшем давлении коэффициент сжижения снижается, а доля несжиженного газа увеличивается. Ввиду низкого давления газа за детандером (0,15…0,2 МПа) для выдачи в сеть его необходимо сжать, используя дожимающий компрессор К, смонтированный на одном валу с детандером (ДКА), т. е. детандер является приводом компрессора.
Достоинством этого цикла является простота схемы, гибкость регулирования, а также возможность использовать в качестве рабочего тела природный газ, что исключает затраты на производство, транспорт и хранение специальных хладагентов. Недостатком является необходимость очистки всего газа, идущего на сжижение (а не только сжиженного). Принципиально, что на ГРС для получения СПГ может быть использован «холод», образующийся при сбросе давления до 0,6.. 0,4 кПа при подаче газа из магистрального трубопровода потребителям, величина которого зависит в каждом конкретном случае от потребления, колеблющегося в зависимости от времени года. Кроме того, потребуется введение в схему дополнительного теплообменника (на рис. 5.6 не показан) или создание взамен теплообменника Т, трехпоточного сложного теплообменника. При небольших преимуществах все это усложняет схему и приводит к нестабильной работе, что для серийных установок недопустимо.
При давлении газа на входе, равном 5 МПа, энергетические затраты этих установок составляют 0,6.. 0,7 кВт-ч/кг СПГ.
Больший эффект снижения энергозатрат и увеличение процента выхода жидкости перерабатываемого газа до 7…8 МПа можно обеспечить предварительным охлаждением потока, направляемого в детандер, с помощью парокомпрессионной холодильной установки. Ограничивающим фактором здесь служит температура начала конденсации детандерного потока. За рубежом уже разработаны и успешно эксплуатируются в промышленности турбодетандеры на природном газе высокого давления (до 15 МПа), допускающие конденсацию 20% весового количества потока непосредственно в машине. В этом случае величина удельного энергопотребления может быть доведена до 0,45 .0,55 кВт-ч/кг СПГ и резко увеличен процент выхода жидкости.
Наибольший эффект можно получить, если для сжижения газа использовать созданные для заправки автомобилей компримиро-ванным газом высокого давления (20 МПа) мало загруженные (до 20 %) уже существующие автомобильные газонаполнительные компрессорные станции АГНКС. На этих станциях можно отбирать газ давлением 20 или 7 МПа от компрессоров и направлять его в установку сжижения газа. При этом может быть использована инфраструктура этой станции — подведенный газ, электроэнергия, вода, часть оборудования, обслуживающий персонал и др.
Все действующие в настоящее время в Российской Федерации установки сжижения природного газа работают по схемам, приведенным на рисунках выше, или близким к ним. Они привязаны к действующим ГРС или АГНКС, т. е. имеют возможность получения холода за счет перепада давления на ГРС или использования высокого давления, получаемого компрессорами АГНКС, что позволяет снизить затраты на энергопотребление и приобретение компрессорного оборудования.