Циклы с использованием многокомпонентных холодильных агентов используются в крупных установках получения в связи с тем, что они обеспечивают этот процесс с минимальными затратами энергии при приемлемых, хотя и крупных, капитальных вложениях и допустимых сроках окупаемости.
Проведенный анализ и расчеты показали целесообразность использования такой принципиальной схемы и для установок сжижения природного газа производительностью 5…20 т/ч.
Как указывалось ранее, широкое распространение цикла на смеси объясняется его большими потенциальными возможностями. Практически для любых начальных условий (начального давления газа и его состава) можно подобрать смесь, обеспечивающую высокую эффективность цикла. При этом, естественно, необходимо принимать во внимание возможности обеспечения установки сжижения составляющими многокомпонентного хладагента для восполнения его неизбежных потерь.
Принципиальная схема установки сжижения газа на смесях хладагентов применительно к средним установкам сжижения природного газа представлена на рисунке:
Сущность предложенной технологии заключается в использовании многокомпонентной смеси углеводородов (от бутанов до метана) с азотом в качестве рабочего тела холодильной установки, обеспечивающей требуемый для сжижения природного газа диапазон выработки холода. Сжатие смешанного холодильного агента производится в одном компрессоре. После сжатия смесь охлаждается, конденсируется за счет теплообмена с водой и обратным потоком холодильного агента и дросселируется до давления всасывания. После рекуперации «холода» смесь в газообразном состоянии засасывается в компрессор.
К преимуществам установок, использующих для охлаждения и сжижения природного газа многокомпонентный холодильный агент, относятся высокая доля сжижения газа, достаточно низкое энергопотребление и автономность установки, т. е. возможность размещения ее в любом месте, где имеется магистральный газопровод или его отводы с приемлемым давлением газа.
При строительстве установки для сжижения газа по этой схеме возможно использование компрессоров, работающих на АГНКС. В этом случае оптимальным является использование природного газа после его сжатия в компрессоре с давлением 7,0 МПа.
Для получения минимальных затрат энергии была проведена оптимизация состава МРТ для различной производительности установок и разных давлений сжимаемого газа применительно к малым и средним установкам. Опыт применения и изучение характеристик систем на смесях показывают, что правильный выбор качественного состава МРТ, концентраций компонентов и давлений в цикле обеспечивает высокую эффективность процессов охлаждения. Формирование смеси должно проводиться так, чтобы обеспечивать минимум потерь энергии как в процессе получения холода, так и в процессе передачи его объекту.
Таким образом, одна из основных задач при разработке ДРС, работающих на МРТ, состоит в расчете парожидкостных равновесий с учетом термодинамических свойств, необходимых для анализа циклов. Расчет позволяет оценить влияние каждого компонента МРТ на характеристики системы в целом.
Как указывалось ранее, на кафедре низких температур МЭИ разработан пакет прикладных программ, позволяющий решить задачу проектирования низкотемпературных циклов на МРТ (их подбор), при использовании которого были оптимизированы режимы внешнего холодильного цикла для различных вариантов схем сжижения природного газа. При этом расчеты дроссельной схемы и оптимизация состава смеси были проведены для различных значений температуры предварительного охлаждения от 180 до 130 К.
Результаты расчетов удельных суммарных величин энергопотребления показали, что с ростом давления в магистрали снижается удельное энергопотребление, а удельные энергозатраты в этих схемах находятся в пределах 0,4…0,5 кВт ч/кг (при КПД компрессора 0,5, давлении входа газа 4,0 МПа, производительности установки 10… 12 т/ч).
При проведении термодинамической оптимизации цикла применительно к природным газам, не содержащим тяжелых углеводородов, при повышении давления входа газа до 5,0 МПа можно снизить энергопотребление на сжижение до 0,35 кВт-ч/кг при доле сжижения 0,9…0,95. Таким образом, в простейшем варианте схемы представляется возможным получить весьма высокую термодинамическую эффективность. Однако это достигается за счет возрастания необходимой поверхности теплообменных аппаратов, а ее снижение возможно за счет использования эффективных пластинчато-ребристых теплообменников или предварительного охлаждения газа и смешанного хладагента в пропановой парокомпрессионной установке.
Как было показано выше, для крупных установок сжижения предусматривается контур предварительного охлаждения природного газа на пропане или пропан-этане. Введение такого контура для установок невысокой производительности (а рассматриваемые типоразмеры установок относятся именно к такому типу установок) нецелесообразно, так как существенно увеличивается номенклатура и состав основного оборудования и усложняется эксплуатация установки.
В предлагаемой схеме сепарирование потока хладагента, как это предусматривается в крупных установках для получения расчетного режима процесса теплообмена, не предусматривается, что накладывает определенные повышенные требования на трехпоточный теплообменник. При его проектировании необходимо предпринять меры по организации равномерного распределения двухфазного потока по сечению теплообменника, что удается осуществить для установок небольшой производительности. Для установок производительностью 10…12 т/ч и более требуются дальнейшие исследования, учитывающие масштабный фактор с целью гарантированного решения этого вопроса.
Холодильная установка на смесях углеводородов с азотом позволит реально снизить удельное энергопотребление в установках сжижения природного газа до 0,4…0,5 кВт ч/кг. При этом рассматривается вариант установки получения по схеме без отбора жидкой фазы хладагента в процессе работы, что существенно упростит как техническое решение установки, так и ее эксплуатацию. Доля сжижаемого газа в этом случае составит 0,8…0,9, а необходимый температурный уровень 140… 145 К обеспечивается четырехкомпонентной углеводородной смесью. Этот вариант представляется нам наиболее перспективным для установок малой производительности.
Таким образом, в настоящее время имеется методика оптимального подбора компонентов смесевого хладагента, состоящего из углеводородов и азота, и пакет прикладных программ для ЭВМ, позволяющие минимизировать энергозатраты установки охлаждения СПГ с учетом проведенного эксперимента по уточнению бинарного взаимодействия компонентов смеси.
В связи с тем, что производство СПГ является достаточно энергоемким, отказ от электропривода компрессоров и переход на газотурбинный привод с использованием в качестве топлива природного газа позволит существенно снизить электропотребление с соответствующим упрощением системы электроснабжения и предоставит возможности для независимого расположения комплекса.
В настоящее время российская промышленность выпускает достаточно широкую номенклатуру газотурбинных двигателей. Анализ установок для получения СПГ малой и средней производительности показывает возможность использования их для привода компрессоров. В этом случае осевой или центробежный компрессор целесообразно посадить на одну ось с газовой турбиной.
Одним из возможных вариантов сжижения природного газа является теплообмен природного газа с жидким азотом, имеющим значительно более низкую температуру существования (77 К), чем СПГ При этом для экономии азота необходимо использовать не только зону его кипения, но и зону прогрева. Для этого с целью исключения возможности охлаждения природного газа до температур ниже заданных (вплоть до получения шуги или твердого природного газа) необходима оптимизация скоростей потока и температурных напоров в каждой зоне теплообменника и величины недорекуперации азота на выходе из него.
Однако следует иметь в виду, что для получения 1 кг СПГ потребуется порядка 3 кг жидкого азота, что вызвано различными теплоемкостями этих продуктов, недорекуперацией холода и другими потерями в теплообменнике. В России таким образом получали СПГ для испытаний авиационных двигателей в г. Самаре в 1985—1986 гг. Процесс получения СПГ за счет сжижения природного газа с помощью жидкого азота на воздухоразделительной установке (ВРУ), где получает жидкие кислород и азот производительностью 1360 кг/ч, был разработан и введен в эксплуатацию фирмой Linde. Схема сжижения природного газа на ВРУ показана на рисунке ниже, а ниже приводится ее краткое описание.
Перед сжижением природный газ отводится на блок комплексной очистки 3 с синтетическими цеолитами, где охлаждается газообразным азотом и очищается от С02, сернистых соединений и осушается. Затем он охлаждается кипящим жидким азотом в теплообменниках 4 и 5 и конденсируется, сливаясь в емкость 6, откуда поступает через центробежный насос 10 к потребителю.
Жидкий азот, слитый в емкость 2 из резервуара ВРУ, разделяется на три потока. Основной поток поступает в теплообменник 5, где он кипит, и его пары поступают в теплообменник 4, откуда, нагревшись до температуры окружающей среды, отводится в атмосферу. Для сохранения кондиции СПГ небольшой поток азота направляется в змеевик 7, размещенный в емкости для конденсации образовавшихся паров СПГ (или для большего охлаждения жидкости), и далее в атмосферу. Третий поток жидкого азота поступает в теплообменник 8, где испаряется и подогревается теплым воздухом, затем дополнительно подогревается электрогрелкой и направляется на регенерацию одного из адсорберов и далее в атмосферу.
Такой метод получения СПГ ввиду его простоты и отсутствия машинного оборудования в составе ВРУ требует значительно меньших капитальных вложений для его создания и может оказаться рентабельным для конкретных целей (например, на космодроме).
По материалам: http://www.rosselhozpitomnik.ru/.