IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

В XX веке стремительно выросло энергопотребление планеты, и очень остро встали вопросы о ресурсо и энергосбережении, а также о более полном использовании энергетического потенциала топлива.

Особенно актуальны вышеописанные вопросы в технологиях, связанных с газоиспользующим оборудованием. Существует огромное число способов комплексного использования теплоты продуктов сгорания газа, которые позволяют увеличить КПД агрегатов до 75-80%.

Во второй половине ХХ века и по сегодняшний день развитие технологий и новых материалов позволило не только осуществить процесс ожижения природного газа, транспортировку к потребителю, газификацию и эффективное использование, но и сделать эту технологическую линию рентабельной и конкурентоспособной по сравнению с газоснабжением с помощью магистральных газопроводов. Технологии газоснабжения с помощью сжиженного природного газа  (здесь и далее СПГ) очень перспективные и имеют большое число преимуществ, но они открывают обширное поле для размышления на предмет не только эффективного использования тепла, но и холода, который в большом количестве получается при газификации СПГ.

В данной статье рассматривается интерпретация установки, описанной в патенте № 2166705 под названием «Высокоэффективная энергохолодильная установка» (см. рисунок 1).

Энергохолодильная установка состоит из емкости со сжиженным газом 1, линии подачи топлива 2, включающей в себя регулирующий клапан 3, газификатор 4, дроссельный вентиль 5, холодильную камеру 6, вихревую трубу 7, магистраль холодного потока 8, магистраль теплого потока 9 с нагревателем 10, расширительной турбиной 11, расположенной на одном валу с потребителем мощности 12, и расширительной емкостью 13, двигателя Стирлинга 14, магистрали отработанных газов 15, проходящих через нагреватель 10. Двигатель Стирлинга 14 включает в себя холодильник 16, камеру сгорания 17 и систему охлаждения 18, состоящую из охладителя 19, связанного с окружающей средой, и насоса 20.

Высокоэффективная энергохолодильная установка работает следующим образом.
Жидкость системы охлаждения 18 двигателя 14 подводится к газификатору 4 линии подачи топлива 2, в который через регулирующий клапан 3 поступает сжиженный газ из теплоизолированной емкости 1. Передавая скрытую теплоту парообразования охлаждающей жидкости системы охлаждения 18 в газификаторе 4, сжиженный газ испаряется, расширяется, дросселируется в вентиле 5 и поступает в холодильную камеру 6, где охлаждает внутреннюю среду камеры 6 до нужной температуры, при этом сам нагревается с повышением давления. Из холодильной камеры 6 газ поступает в вихревую трубку 7, где разделяется на два потока: холодный и теплый. Холодный поток по магистрали 8 вновь поступает в камеру 6. Теплый поток по магистрали 9 проходит через нагреватель 10, где нагревается до высокой температуры с повышением давления за счет теплообмена с отработанными газами двигателя Стирлинга 14. После нагревателя 10 газ поступает в турбину 11, где, расширяясь, совершает дополнительную полезную работу, передаваемую потребителю мощности 12, а затем через расширительную емкость 13 поступает в камеру сгорания 17 двигателя 14. Отработанные газы по магистрали 15 проходят через нагреватель 10 и удаляются в окружающую среду. С целью охлаждения двигателя Стирлинга 14 предусмотрена система охлаждения 18. По этой системе нагретая от рабочего тела двигателя 14 охлаждающая жидкость из холодильника 16 с помощью насоса 20 подается сначала в охладитель 19, где происходит теплообмен с окружающей средой (например, атмосферным воздухом), при этом охлаждающая жидкость охлаждается до температуры окружающей среды. Затем жидкость подается в газификатор 4, где она охлаждается до температуры ниже температуры окружающей среды за счет теплообмена с сжиженным газом и поступает вновь в холодильник 16. За счет теплообмена охлаждающей жидкости с низкой температурой и рабочим телом двигателя 14 происходит снижение нижней температуры цикла двигателя Стирлинга 14, что приводит к увеличению КПД.

В данной статье предложен измененный вариант вышеописанной схемы (рисунок 2) с учетом того, что природный газ в большей степени является сырьем для получения тепловой энергии. Тогда как в исходной схеме предполагается получение в первую очередь механической энергии.

Основным изменением является замена двигателя Стирлинга на паровую или водогрейную котельную установку (также возможна замена на печь), которая производит пар и горячую воду для нужд производства.

1 - Резервуар СПГ; 2 - Линия подачи топлива; 3 - Регулирующий клапан; 4 - Газификатор; 5 - Дроссельный вентиль; 6 - Холодильная камера; 7 - Вихревая труба; 8 - Магистраль холодного потока; 9 - Магистраль теплового потока; 10 - Нагреватель;

11 - Расширительная турбина; 12 - Потребитель мощности; 13 - Холодная вода; 14 - Горячая вода; 15 - Пар; 16 - Холодильник; 17 - Компрессор; 18 - Дымовой тракт; 19 - Вода на ГВС; 20 - СПГ в резервуар.

Стоит отметить, что наравне с котельной установкой возможно использование печи или даже их совместное использование.

Данная схема позволяет значительно расширить область применения природного газа на производстве. Здесь он используется не только в качестве топлива, но также в качестве хладагента. Кроме этого вышеописанная схема позволяет увеличить эффективное использование как тепла, полученного при сжигании природного газа, так и холода, полученного при газификации СПГ.

Для оценки эффективности описанной схемы и создания расчета для подбора оборудования при будущем проектировании подобных схем предлагается математическая модель термодинамических процессов установки, основанная на уравнении состояния Пенга-Робинсона.

Получившее наибольшее распространение в мировой практике уравнение Пенга-Робинсона имеет вид:

где Р - давление (МПа), Т - температура (К), V - молярный объем (м³/кмоль), R=0,0083144 МПа∙м³/кмоль∙К.

Коэффициенты уравнения (1) для чистых веществ определялись из того условия, что на зависимости Р=Р(V) на критической изотерме критическая точка является точкой перегиба

Из условий (2) следует, что

Температурная поправка φ(Т) служит для улучшения описания поведения чистых веществ и имеет следующий вид

где ω - ацентрический фактор вещества.

Это уравнение самое подходящее для расчета смеси углеводородов и может использоваться в широком спектре параметров веществ (t> -271⁰C, P<100 МПа)

Для создания термодинамической модели процессов предполагаемых в схеме будет использоваться следующий состав природного газа, описанный в таблице 1.

Таблица1 Состав газа

Указанной газовой смеси соответствует следующая фазовая диаграмма (рисун), данные которой следует учитывать при расчете схемы.

Расчет по уравнению состояния Пенга Робинсона осуществлен в программе AspenTech HYSYS от фирмы Hyprotech. Расчетная схема представлена на рисунке 3.

Исходя из расчета и полученных данных (таблица 2) рекомендуется использовать криогенные резервуары для хранения СПГ, ввиду большего давления при котором хранится топливо, нежели в изотермических резервуарах. Например, резервуары ОАО «Криогенмаш» РЦГ (50-250)/0,5-1 с экранно-вакуумной изоляцией и рабочим давлением 0,5 МПа РЦВ 10/1,6, РЦВ-25/1,6-2, РЦВ-63/0,5 с экранно-вакуумной изоляцией и рабочим давлением 1,6 Мпа.

После холодильной камеры 2 рекомендуется установить компрессор и увеличить давление потока 12 до значения давления потока 10, иначе смешение в смесителе будет проходить при наименьшем давлении, что снизит эффективность дальнейшего потока.

На потоке 15 можно поставить, как турбодетандер, так и расширительную турбину, для производства электроэнергии.

В приложении HYSYS имеется большое количество динамических операций подбора параметров и оптимизации схемы (Balance Adjust ), которые позволяют варьировать не только технологические, но и экономически параметры, определить наилучшую конфигурацию схемы.

На основе проведенного исследования  энергохолодильной установки предлагается модифицировать схему, описанную в патенте № 2166705 и заменить двигатель Стирлинга котельнй установкой (также возможна замена на печь), что позволит эффективно использовать её на предприятиях, где необходимы, как теплогенераторы, так и промышленные холодильники (мясокомбинат), где СПГ будет являться источником холода, электричества и тепла. Такая схема позволит полностью использовать физико-химические свойства топлива.

Также в представленной статье описана математическая модель термодинамических процессов, основанная на модифицированном фирмой Hyprotech уравнении состояния Пенга-Робинсона, которая создавалась с целью энергетической оценки схемы энергохолодильной установки. Основные параметры потоков и результаты расчетов при конкретных начальных условиях представлены в таблице 2.

Таблица 2 Параметры потоков расчетной схемы

В исследовании, которое описывает данная статья, продолжается поиск и разработка оптимальной конфигурации схемы с технологической, энергетической и экономической точек зрения. А результаты, полученные к настоящему моменту, показывают, что при наличии возможности бесперебойной и дешевой поставки СПГ на промышленные предприятия, где технология производства подразумевает использование большого количества тепла и холода, возможно использование описанной схемы с увеличением эффективности производство до 4 раз. Кроме этого в разрабатываемой технологии в качестве хладагент применяется природный газ, который абсолютно не токсичен и не наносит вред окружающей среде в отличии от хладагентов, которые используют в холодильных машинах в настоящее время.

Использованная литература:

• 1. Бармин И.В., Кунис И.Д., Сжиженный природный газ, вчера, сегодня, завтра. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 256 с.: ил.
• 2. Акулов Л.А., Установки и системы низкотемпературной техники. Ожижение природного газа и утилизация холода при его регазификации. СПб.: Изд-о С.-Петербург. ун-та низкотемпературных и пищевых технологий.
• 3. Брусиловский А.И., Фазовые превращения при разработке нефти и газа. Москва: Издательский дом "Грааль", 2002 год. 575 стр.
• 4. Кириллов Н.Г. Высокоэффективная энергохолодильная  установка., патент № 2166705