Использование теплоты десублимации паров воды для регазификации сжиженного природного газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кравченко Денис Владимирович

• Кравченко Денис Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Кравченко Денис Владимирович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние техники и технологии регазификации криогенных продуктов

1.1 Развитие техники и технологии регазификации сжиженного природного газа

1.1.1 Регазификаторы с водяным орошением

1.1.2 Регазификаторы с погружной горелкой

1.1.3 Атмосферные регазификаторы

1.1.4 Регазификаторы жидкостного типа с промежуточным теплоносителем

1.2 Выбор источника теплоты для регазификации сжиженного природного газа

1.3 Теоретические основы моделирования тепловых процессов при десублимации паров воды за счет отвода теплоты к потоку регазифицируемого СПГ

1.4 Выбор и обоснование темы и метода выполнения диссертационного исследования

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Математическое и программное обеспечение численных экспериментов

2.1 Физическая модель регазификатора с использованием теплоты десублимации паров воды

2.2 Математическая модель объекта исследования

2.3 Программное обеспечение для реализации математической модели криогенного десублиматора паров воды

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Численные исследования процессов переноса теплоты в установке регазификации сжиженного природного газа

3.1Верификация математической модели и программного обеспечения

3.2 Регазификация с подводом теплоты через гладкие трубы

3.3 Регазификация сжиженного природного газа в условиях изменения интенсивности подвода теплоты

3.4 Регазификация сжиженного природного газа при давлении больше критического

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Список рисунков

Приложение А

Приложение Б

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы.

Использование сжиженного природного газа для транспортирования и хранения этого экологически чистого топлива стремительно растет. СПГ обладает преимуществами как перед другими энергоносителями, так и по сравнению с природным газом по трубопроводам: сжижение природного газа значительно уменьшает его объём и упрощает логистику и хранение, а сам по себе природный газ является более экологичным видом топлива по сравнению с углем или нефтепродуктами. Кроме этого, сжиженный природный газ обладает еще одним полезным энергоресурсом, а именно способностью поглощать теплоту на низком температурном уровне, это дает возможность использовать сжиженный природный газ в качестве приемника теплоты, поступающей от источников, имеющих более высокую температуру. Эту способность сжиженного природного газа используют для выработки электроэнергии за счет теплоты, отбираемой из окружающей среды, однако подобные технологические решения позволяют получить не более 10% энергии, затраченной при производстве СПГ. Для создания более энергоэффективного процесса перевода СПГ в газообразное состояние необходимо использовать теплоту регазификации СПГ для отвода теплоты, выделяемой на более низких температурных уровнях, что позволит заменить дорогостоящее криогенное или холодильное оборудование и исключить энергозатраты связанные с его эксплуатацией. Одной из технологий, способных создавать тепловую нагрузку на низком температурном уровне, можно считать процесс сублимационной сушки сырья и полуфабрикатов, который сопровождается большими затратами тепловой энергии при переходе ассоциированной воды в газообразное состояние. Обычно при реализации технологии сублимационной сушки теплоту конденсации паров воды отводят с помощью многоступенчатых холодильных установок [18]. Использование СПГ в качестве криоагента позволяет решить эту задачу с помощью технологий,

применяемых в криовакуумных насосах. Сочетание технологического и конструктивного опыта эксплуатации криовакуумных насосов с технологическим опытом, накопленным в области сублимационной сушки, позволяет быстро перейти от идеи к созданию действующих криовакуумных установок, использующих теплоту поглощаемую при регазификации СПГ для реализации технологического процесса сублимационной сушки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование теплоты десублимации паров воды для регазификации сжиженного природного газа»

Цель работы.

Повышение энергоэффективности процесса регазификации сжиженного природного газа.

Задачи работы.

1. Выполнить литературный обзор и обосновать оптимальное направление повышения энергоэффективности процесса регазификации СПГ.

2. Разработать физическую и математическую модели объекта исследования.

3. Разработать программное обеспечения для реализации математической модели.

4. Исследовать процесс конденсации паров воды на теплообменной поверхности, охлаждаемой за счет поглощения теплоты регазификации СПГ при низких давлениях распределительной сети.

5. Выбрать и обосновать конструкцию десублимационного теплообменного аппарата.

6. Исследовать процесс конденсации паров воды на теплообменной поверхности, охлаждаемой за счет отвода теплоты к потоку сжиженного природного газа под закритическим давлением.

Научная новизна работы.

Обосновано новое решение задачи повышения энергоэффективности процесса регазификации сжиженного природного газа за счет использования теплоты десублимации паров воды.

Экспериментально доказана возможность использования теплоотводящей способности сжиженного природного газа для покрытия тепловой нагрузки в установках сублимационной сушки растительного сырья.

На основе полученных экспериментальных результатов, сформированы рекомендации по конструкции теплообменного оборудования для регазификации сжиженного природного газа с использованием теплоты конденсации паров воды в установках сублимационной сушки.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость заключается в том, что разработаны физическая и математическая модели теплообменных аппаратов для использования теплоты конденсации паров воды в процессе регазификации сжиженного природного газа. Разработано программное обеспечение пригодное для проведения исследований процессов десублимации паров воды за счет теплоты регазификации сжиженного природного газа.

Практическая значимость - доказана возможность организации процесса регазификации СПГ при умеренных и закритических давлениях за счет использования теплоты десублимация паров воды. Разработаны мероприятия, снижающие себестоимость автономного газоснабжения с использованием СПГ.

Положения выносимые на защиту.

1. Выявлена целесообразность использования установок сублимационной сушки в качестве источника теплоты для повышения энергоэффективности регазификации сжиженного природного газа.

2. Показана эффективность использования теплоты регазификации сжиженного природного газа, кипящего под низким и закритическим давлением.

3. Выделены и охарактеризованы этапы процесса накопления водного конденсата на поверхности регазификатора СПГ.

Апробация работы.

1. XI Конгресс молодых ученых 2022 года (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 04.04.2022 - 08.04.2022).

2. 52 Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 31.03.2023 - 03.02.2023).

3. XII КМУ 2023 (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 03.04.2023 -06.04.2023).

4. XI Международная научно-техническая конференция "Искусственный холод в XXI веке" (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 15.11.2023 -17.11.2023).

5. Пятьдесят третья (ЬШ) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (1111С) (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 29.01.2024 - 02.02.2024).

6. XIII Конгресс молодых ученых ИТМО (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 08.04.2024 - 11.04.2024)

7. LIV Научная и учебно-методическая конференция ИТМО (ППС) (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 27.01.2025 - 31.01.2025).

8. XIV Конгресс молодых ученых ИТМО (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 07.04.2025 - 11.04.2025).

Достоверность научных достижений.

Достоверность полученных результатов подтверждается: применением известных и зарекомендованных подходов, использованных для создания математической модели, обоснованностью сделанных теоретических допущений; верификацией математической модели объекта исследования и программного обеспечения, основанной на использовании опубликованных результатов независимых исследований; высокой степенью корреляции результатов расчетно-экспериментальных исследований.

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационного исследования, моделирования процесса десублимации паров воды на теплопередающей поверхности теплообменных аппаратов охлаждаемых за счет использования теплоты регазификации сжиженного природного газа кипящего при давлении распределительной сети или при разогреве СПГ при закритическом давлении, программное обеспечение созданное для выполнения программы исследований, данные об оптимальных значениях величины тепловой нагрузки и продолжительности непрерывной работы аппаратов для десублимации паров воды используются в учебном процессе при проведении лекционных и практических занятий по курсам «Перспективы развития техники и технологии СПГ», «Научные основы криогенной техники», «Системы производства, хранения и транспортирования сжиженного природного газа» в рамках подготовки магистрантов обучающихся по направлению 16.04.03 Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения на образовательной программе магистратуры «Энергоэффективные инженерные системы и технологии СПГ» по специализации «Технологии сжиженного природного газа».

Публикации.

Основные результаты по теме диссертации изложены в 10 публикациях. Из них 1 в журнале, рекомендованных ВАК, 3 опубликованы в изданиях, индексируемых в базе цитирования Scopus.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований и двух приложений. Основная работа изложена на 299 страницах, включая 48 рисунков и 2 таблицы.

Содержание работы

Введение

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна, теоретическая и практическая значимость, а также сформулированы положения, выносимые на защиту.

Глава 1

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния техники и технологии регазификации криогенных продуктов. Отрасль сжиженного природного газа (СПГ) в мире развивается возрастающими темпами. Транспортировка СПГ при расстоянии более чем в 2500 километров может успешно конкурировать по себестоимости с трубопроводным транспортом газа. По сравнению с трубопроводными поставками природного газа рынок СПГ обладает гибкостью и мобильностью, и имеет преимущества модульного наращивания поставок, а также снимает, в ряде случаев, проблемы зарубежного

транзита. Темпы роста рынка СПГ многократно превышает показатели роста рынка трубопроводного природного газа. Перед использованием конечным потребителем СПГ, как и другие жидкие криопродукты должен пройти этапы регазификации и подогрева до температуры близкой к температуре окружающей среды.

Развитие технологий производства, транспортировки и регазификации сжиженного природного газа приводит к росту интереса в области сжиженного природного газа не только крупных производителей и поставщиков СПГ, но и региональных и локальных предприятий.

Использование криогенных технологий перевозки газа в состоянии жидкости выигрывает в энергетическом плане потому, что затраты энергии возникают только при производстве сжиженного природного газа и его последующей регазификации в отличии от трубопроводной транспортировки природного газа. Ввиду гидравлического сопротивления возникающего из-за трения газа о внутренние поверхности газопровода приходится размещать дожимающие компрессорные станции через каждые 100 км магистрального трубопровода, чтобы каждый раз поднимать давление для обеспечения прохода газа по трубопроводу до конечного потребителя, поэтому затраты энергии распределяется по всей протяженности газовой магистрали.

В настоящее время существует несколько технологий регазификации сжиженного природного газа. В зависимости от производительности и местоположения регазификационной установки выбирается тот или иной вариант. Наиболее распространенным способом крупнотоннажной регазификации импортируемого СПГ является процесс, осуществляемый в теплообменных аппаратах с водяным орошением и использованием в качестве теплоносителя морской воды. На регазификационных пунктах малой производительности особенно в странах, расположенных в южной климатической зоне, широко применяют атмосферные испарители.

В первом разделе первой главы представлен анализ современного состояния техники и технологии регазификации сжиженного природного газа, рассмотрены

основные существующие системы регазификации СПГ, выявлены и показаны их преимущества и недостатки. Исходя из проведенного анализа можно сделать вывод, что рассмотренные технологические решения, которые обеспечивают перевод сжиженного природного газа в газообразное состояние, не предусматривают утилизацию энергии, затраченной на ожижение природного газа. Более того некоторые технологии предполагают дополнительные затраты энергии на подогрев теплоносителя которые обеспечиваются за счет сжигания части природного газа, а в некоторых случаях электроэнергией. Это делает поиск доступных источников теплоты, которую можно было бы затратить на регазификацию сжиженного природного газа необычайно актуальным.

Во втором разделе первой главы рассмотрены альтернативные источники теплоты для регазификации сжиженного природного газа, выявлены и показаны их преимущества и недостатки. Проведен анализ конкретных примеров использования теплоты регазификации сжиженного природного газа для решения различных технологических задач, в результате которого был сделан вывод, что наибольшую энергоэффективность процесса регазификации можно получить в том случае, когда теплоотводящая способность СПГ будет реализована на максимально низком температурном уровне близком к температуре кипения сжиженного природного газа. Наиболее энергоэффективным представляется использование теплоты регазификации СПГ на уровне криогенных или умеренно низких температур, где отвод теплоты через испарители СПГ позволят заменить дорогостоящие криогенное или холодильное оборудование. Анализ литературы, связанной с низкотемпературными технологиями, показал, что наибольшие потоки теплоты наблюдаются при реализации технологий, в которых происходит кипение воды или конденсации ее паров. Среди попыток использовать теплоотводящую способность сжиженного природного газа было выполнено исследование, в котором для покрытия тепловой потребности регазификации использовался процесс кристаллизации воды в установке по производству талой воды, но учитывая большую разность температур между нормальной температурой кристаллизации воды и температуры регазификации СПГ это

технологическое решение следует считать неэнергоэффетивным. Одним из направлений низкотемпературного использования теплоты регазификации сжиженного природного газа могут стать системы сублимационной сушки сырья и полуфабрикатов, где необходимо отводить теплоту конденсации влаги из вакуумного пространства, в котором находится осушаемое сырье, причём отвод теплоты осуществляется на сравнительно низком уровне температуры.

Процессы сублимации всесторонне изучены и отработаны на практике, можно говорить о сформировавшемся технологическом подходе к организации сублимационной сушки влажного сырья. Это позволяет упростить задачу и вывести комплекс вопросов связанных с извлечением паров воды из сырья из рассмотрения и рассматривать аппарат сублимационной сушки как источник теплоты, отводимой на относительно низком температурном уровне, который будет поставлять в аппарат по регазификации необходимую теплоту в виде потока водяных паров.

С другой стороны если говорить о внешней границе системы, где происходит десублимация паров воды, то процессы, протекающие в этой сфере очень схожи по физической сути с процессами, протекающими в криовакуумных системах. Это позволяет использовать некоторые аналитические выражения и технологические рекомендации из области криовакуумных технологий для решения поставленной научно-технической задачи.

Процессы сублимации влаги хорошо описаны, а процессы десублимации на поверхностях, имеющих криогенные температуры не имеют подробного описания, однако хорошим подспорьем для разработки научных исследований в этой области теории криогенной десублимации паров воды служат научные достижения в области криовакуумных технологий, где процесс криогенной конденсации различных материальных потоков используется для создания низкого давления в системе. Основные положения криовакуумной теории, которые пригодны для использования в данном конкретном случае выглядят следующим образом. В расчетный момент времени для каждого участка рассчитывают потенциал движения к поверхности осаждения и выбирают

наибольший из них. Зона поверхности осаждения, для которой потенциал наибольший, считается зоной осаждения. Потенциал осаждения находится как:

Potenz = ps — Y&P — Pt

где ps - давление плоскости подачи пара;

Y&P - сумма указанных выше гидравлических сопротивлений;

pt - давление, соответствующее температуре наружного слоя уже намерзшего льда

Гидравлические сопротивления находятся как где Q - поток пара, Н-м/с;

U - проводимость элемента вакуумной системы м3/с.

Для расчетов в области криовакуумной техники используется оценка физического процесса с использованием величины числа Кнудсена. Для различных значений чисел Кнудсена формулы расчета проводимости системы имеют отличный вид [39,40,77,78]. Неконденсирующиеся газы оттесняются набегающим потоком пара в направлении движения потока и удаляются вакуумным насосом. При этом условии поток пара через слои газа выражаем как:

D р dpn

qm = s----—,

RnTp — Pn dl

где s - площадь зоны десублимации, м2;

р - давление парогазовой смеси;

рп - парциальное давление водяного пара;

Rn - газовая постоянная водяного пара, Дж/(кг-К);

Т - температура парогазовой смеси.

Для расчета коэффициента диффузии D (м2/с) воспользуемся [36]:

где Мп - молекулярная масса пара; Мв - молекулярная масса воздуха; Уп - молярный объём водяного пара; Ув - молярный объём воздуха; Сп-в - коэффициент бинарной системы:

Существует несколько способов повышения коэффициента теплового потока - интенсификация теплоотдачи с обеих сторон, увеличение теплопередающей поверхности и увеличение разности температур.

После регазификации насыщенные пары с температурой 127 К направляются в установку быстрой заморозки для повышения температуры необходимой для использования природного газа в сетях газораспределения.

Обоснована актуальность использования теплоты конденсации влаги для утилизации теплоты для регазификации СПГ. Этот вывод вытекает из того что во-первых, процесс конденсации паров воды очень энергоемкий так как удельная теплота конденсации составляет порядка 2260 кДж/кг, во-вторых, технологии,

Сп-в = 1,47Г(7П - Тв)0,5

где Тп - температура пара;

Тв - температура воздуха;

п (Уп +

Ь = 8-

Уп + Ув

которые предполагают отвод большого количества паров воды на низкотемпературном уровне достаточно многообразны, а в-третьих, использование процесса регазификации СПГ для десублимации паров воды позволит отказаться от использования дорогостоящего и энергоемкого холодильного оборудования, которое в традиционных технологических системах обеспечивает переконденсацию паров воды. Внедрение систем десублимации паров воды на базе регазификаторов сжиженного природного газа создает условия для развития технологии сублимационной осушки различного вида сырья. Получение потребителями дополнительной прибыли за счет использования теплоты регазификации СПГ, повысит конкурентоспособность систем автономного газоснабжения основанных на использовании СПГ с системами газоснабжения, основанными на трубопроводной доставке природного газа.

Глава 2

Вторая глава диссертационного исследования посвящена разработке математического и программного обеспечения численного эксперимента. Основным элементом предлагаемой технологии использования теплоты десублимации паров воды для регазификации сжиженного природного газа является теплообменный аппарат, на теплопередающей поверхности которого инициируется процесс намораживания водяного конденсата на температурном уровне кипения СПГ.

Определенную трудность организации вычислительного эксперимента по выбору оптимального технологического режима работы системы регазификации сжиженного природного газа за счет использования теплоты сублимации поступающей из установки сублимационной сушки влагосодержащего сырья, представляет неопределенность самого процесса генерации теплоты, которая вносится в разрабатываемое устройство с потоком паров воды. Для этого следует рассмотреть блок схему установки сублимационной сушки (см. рисунок 1), в

которой конденсация паров обеспечивается еще за счет отвода теплоты конденсации к кипящему СПГ.

Рисунок 1 - Принципиальная схема установки сублимационной сушки

влагосодержащего сырья

Установка сублимационной сушки водосодержащего сырья состоит из сублимационной камеры 1 и конденсационной камеры 3, которые соединены каналом 2. В системе, образованной узлами 1,2,3 с помощью вакуумного насоса 4 поддерживается пониженное давление. Осушаемое сырье 5 размещается на подогреваемых поддонах 6, в которым подводится тепловая энергия цсуб обеспечивающая процесс сублимации воды из замороженного сырья. Образовавшиеся пары воды с расходом дсуб по каналу 2 перемещаются в камеру 3 и конденсируются на поверхности труб 7 системы регазификации СПГ. Теплота конденсации паров воды, передается сжиженному природному газу через стенку труб 7, что обеспечивает его переход криогенной жидкости в газообразное состояние. Фактически тот процесс, который предполагается изучить и

оптимизировать сводится к поглощению теплоты выделенной в установке сублимационной сушки, которая может быть описана путем определения интенсивности подвода теплоты и максимального температурного уровня, на котором эту теплоту необходимо отвести. Исходя из этого при проведении численных экспериментов имитировать присутствие в системе аппарата сублимационной сушки можно, задавая некоторые значения количества потока теплоты, поступающего в десублиматор и температурный уровень, который надо поддерживать в процессе сублимации что позволит моделировать процесс вымораживания конденсации паров воды.

Теплота, подведённая к сырью 5 в аппарате сублимационной сушки, полностью затрачивается на сублимацию влаги:

Чсуб Тсубдсуб,

где: гсуб - удельная теплота сублимацией воды (см. табл. 1)

Таблица 1 - Зависимость удельной теплоты сублимации воды от температуры и давления [18]

Удельная теплота сублимации льда

Температура насыщения °С Давление насыщения Рн, кПа Удельная теплота сублимации льда %б, кДж/кг

-40 0,0128 2840,91

-30 0,038 2839,37

-20 0,10 2838,65

-10 0,26 2836,52

0 0,61 2834,75

Расход паров воды в канале 2 однозначно определяется интенсивностью подвода теплоты к поддонам 6:

9 суб

Ч суб

г,

суб

В конденсационный камере 3 пары воды конденсируются на поверхности труб 7, при этом к поверхности труб подводится теплота конденсации:

^кон Тсубдсуб•

Очевидно, что теплота конденсации количественно равна теплоте сублимации, которая подводится к ощущаемому сырью в камере 1:

^кон Чсуб•

Учитывая то, что целью исследования является разработка технологии регазификации СПГ, в которой процесс сублимации выступает в виде источника тепловой энергии, можно исключить из рассмотрения процессы, протекающие в сублимационной камере, задавая интенсивность подвода теплоты конденсации дкон на единицу длины труб теплообменника. В этом случае исследуемую систему можно представить в упрощенном виде (см. рисунок 2).

а.

1

Рисунок 2 - Принципиальная схема установки регазификации СПГ за счет теплоты выделяемой в процессе сублимационной сушки влагосодержащего сырья

В этом случае исследуемый процесс можно рассматривать как перенос теплоты конденсации паров воды через металлическую конструкцию, ограждающую кипящий сжиженный природный газ.

Вакуум в системе сублимационной сушки (рисунок 1) поддерживается с помощью насоса 4. Вакуумный насос поддерживает в системе давление, которое ниже давления тройной точки паров воды [18, 37]. Это создает условия для того, чтобы влага сублимировалась, а не испарялась. Инициирует процесс подвод теплоты, а пониженное давление создает условия чтобы процесс шел в режиме сублимации паров воды из сырья 5. Для ускорения процесса сублимации к сырью 5 подводится тепловой поток дсуб. Предполагаем, что вся подведенная теплота затрачивается на сублимацию воды из сырья и приводит к образованию потока массы уже в процессе сублимации. Задача аппарата 3 полностью сконденсировать поток паров воды на поверхности труб теплообменника 7. Благодаря наличию вакуумного насоса 4 и десублиматора 3 парциальное давление паров воды в пределах системы изменяется от исходного Р1 до конечного Рп:

При этом давление в камере сублимационной сушки при любых условиях должно быть ниже давления тройной точки воды:

Р, < 600 Па

Парциальное давление паров воды на противоположном конце моделируемой системы зависит от температуры поверхности вымораживателя влаги:

Рп =ЛЩ

Для вымораживания паров воды необходимо создать развитую теплопередающую поверхность, которая будет охлаждаться за счёт отвода теплоты регазификации сжиженного природного газа. Такую поверхность может обеспечить рекуперативный теплообменник, в который сжиженный природный газ поступает из криогенного хранилища I (рисунок 3). Хранилище представляет

собой криогенную цистерну объёмом от 0,5 до 5 м3. Сжиженный природный газ хранится в цистерне под избыточным давлением до 0,8 МПа, которое поддерживается за счёт испарения части жидкости в испарителе 2. Отбор жидкости в испаритель 2 осуществляется либо вручную при помощи вентиля ВШ, либо с использованием автоматического регулятора давление РД.

Вымораживание паров воды на поверхности гладкой трубы, охлаждаемой сжиженным природным газом, представляет собой процесс нестационарного переноса теплоты и массы [2,25], который инициируется за счет разности парциальных давлений паров воды в сублимационной камере и над поверхностью конденсации (см. рисунок 2)

Физическая модель вымораживания паров воды на поверхности гладкой трубы охлаждаемый сжиженным природным газом представлена на рисунке 3.

Р[

т = 0

Р"

Д

т

* 1Л.

Т'

0 <т < тг

п

Б

8

А

I

1-Г

У////////Ш

Т'~—~тах 1 А

£ Т—Ттах и А

Г) Т—Тта: и А

'///////////г

■ ■■■■■■■■■■■■■■■ ■■:

Рисунок 3 - Физическая модель блока криогенного редуцирования магистрального природного газа

т

т

т

Сжиженный природный газ (СПГ) заполняет внутритрубное пространство вымораживающего устройства (см. рисунок 3). СПГ находится в состоянии

насыщенной жидкости, температура которой зависит от давления в правовом пространстве трубы:

Т' = f(Pn)•

Температура внутренней поверхности трубы зависит от интенсивности отвода теплоты от трубы к сжиженному природному газу и подвода теплоты с внешней стороны трубы. В начальном состоянии, до начала поступления паров воды подвод теплоты с внешней стороны трубы пренебрежимо мал, поэтому температура трубы близка по величине к температуре СПГ:

при т = 0 Ты ^ Т'.

Образование инея на наружной поверхности трубы начинается с момента, когда в трубное пространстве поступают пары воды, из устройства сублимационной сушки. По условиям сублимации парциальное давление паров воды должно быть меньше парциального давления паров воды в тройной точке [66].

Во втором разделе второй главы описана математическая модель объекта исследования.

Учитывая поставленную задачу, решаемую в рамках данного диссертационного исследования, важнейшую роль в постановке численного эксперимента играет моделирование процесса десублимации паров воды на теплопередающей поверхности теплообменника-регазификатора, процесса, который реализуется за счет отвода теплоты регазификации к потоку сжиженного природного газа. Принято допущение, что интенсивность подвода теплоты конденсирующимися парами воды определена условиями работы сублимационной установки. Сжиженный природный газ кипит в трубном пространстве при постоянном давлении определяемым давлением в распределительной сети. В таких условиях основным источником

неопределенности является переменная толщина слоя конденсата, которая за время эксперимента увеличивается в пределах:

0 < 8 < 8тах

где 8тах —максимальная толщина слоя конденсата, при которой парциальное давление паров воды не превышает давление в тройной точке [18].

Во время работы рассматриваемой системы регазификации происходит два нестационарных процесса: накопление конденсата на поверхности труб и перенос теплоты за счет теплопроводности слоя конденсата, который сопровождается постепенным снижением температуры слоев накопленного льда.

Задача переноса теплоты в подобных системах прописывается с помощью уравнения энергии, которое для рассматриваемой системы записывается в радиальных координатах:

дк 1 дцг

дк _ где р--плотность и энтальпия конденсата на бесконечно малом кольцевом

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кравченко Денис Владимирович, 2025 год

Список литературы

1. Агейский Д.Э., Фальман А.Г. Перспективы регазификации СПГ // Вестник Международной академии холода - 2015. - № 2. - С. 46-49.

2. Кошкин В. К. и др. Нестационарный теплообмен //М.: Машиностроение. - 1973. - Т. 328. - С. 5.

3. Бармин И.В. Сжиженный природный газ вчера, сегодня и завтра / И.В. Бармин, И.Д. Кунис. - Москва : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 256 с.

4. Голубева И.А., Мещерин И.В., Дубровина Е.П. Производство сжиженного природного газа: вчера, сегодня, завтра // Мир нефтепродуктов. 2016. № 6. С. 4-13.

5. Атмосферная сублимационная сушка пищевых продуктов / Б.П. Камовников, А.В. Антипов, Г.В. Семенов и др. — М.: Колос, 1994. — 253 с.

6. Сублимация и машины для сублимации URL: https://propionix.ru/sublimaciya-liofilizaciya (дата обращения: 15.03.2023).

7. Баранов А.Ю., Середенко Е.С., Малышева Т.А., Кравченко Ю.А. Моделирование регазификационных и рециркуляционных процессов при транспортировке сжиженного природного газа // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки - 2023. - Т. 50. -№ 1. - С. 6-14

8. Вакуумная сублимационная установка YBC-0.3 •Шик // Проспект МГУПБ, руководитель разработки к.т. н. Семенов Г.В. —М.: МГУПБ,1999. — 17 с.

9. Лебедев А. П., Перельман Т.Л. Тепло и массообмен в процессах сублимационной сушки в вакууме. — М.: Энергия, 1973. — 336 с.

10. Леончик Б.И., Касьянов Г.И., Шаззо Р.И. Термовлажностные и низкотемпературные теплотехнологические процессы и установки. — М.: М ГУПП, 1998. — 105 с.

11. Ривкин С. Л., Александров А. А., Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос. службой стандартных справочных данных—2-е изд., перераб. и доп.—М.: Энергоатомиздат, 1984, 80 с. с ил.

12. Теплообменные аппараты холодильных установок / под общ. ред. Г.Н. Даниловой. Л.: Машиностроение, 1986. 303 с.

13. Тепляшин В.Н., Ченцова Л.И., Невзоров В.Н., Технологии и оборудование для сушки растительного сырья [Электронный ресурс]: учеб. пособие /; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2019. - 173 с.

14. Фёдорова Е.Б., Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа: технологии и оборудование. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011. - 159 с.г ил., ISBN 978-5-91961-045-8.

15. Холодильные машины: Учебник для втузов по специальности «Холодильные машины и установки» / Н.Н. Кошкин, И.А. Сакун, Е.М. Бамбушек и др.; под общ. ред. И.А. Сакуна. - Л.: Машиностроение, Ленингр. Отд-ние, 1985. - 510 с., ил.

16. Батршина А. И. Способы регазификации сжиженного природного газа //Символ науки. - 2016. - №. 10-2. - С. 10-14.

17. Liu Z., Wang H., Zhang X. et al. An experimental study on minimizing frost deposition on a cold surface under natural convection conditions by use of a novel anti-frosting paint // International Journal of Refrigeration 2006. Vol. 29 P. 229-236.

18. Гуйго Э. И. Сублимационная сушка пищевых продуктов. / Эдуард Иосифович Гуйго, Нина Константиновна Журавская, Эрнест Иванович Каухчешвили. - М.: Пищевая промышленность, 1966. - 357 с.

19. Key R. D., Edvardsson T. Choose the best refrigeration technology for small-scale LNG production //Hydrocarbon Processing. - 2014.

20. Иконникова А.Ю., Баранов А.Ю., Кравченко Ю.А., Кравченко Д.В. Модификация цикла Mixed Fluid Cascade с рекуперацией теплоты обратных потоков рабочих веществ и оптимизированным давлением потока природного газа // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки -2025. - Т. 52. - № 2. - С. 27-41.

21. Расчет криогенных установок. Учеб. пособие для холодильных и технологических вузов./Под ред. С.С. Будневича. - 2-е изд., перераб. и доп.Л:. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1979.-367 с. ил.

22. Иванов В.И. Эксплуатация воздухоразделительных установок: Учеб. пособие. СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2012. 93 с.

23. Архаров А.М. и др. Криогенные системы. Том 2. Основы проектирования приборов, установок и систем. М.: Машиностроение, 1999. — 720 с.

24. Д. Л. Глизманенко. Получение кислорода. Издание 5-е. М. «Химия» 1972, 752 с.; 46 табл.; 339 рис.; список литературы 15 ссылок.

25. Алексеев В.П., Вайнштейн Г.Е., Герасимов П.В. Расчет и моделирование аппаратов криогенных установок,- Д.: Энергоатомиздат., 1987.280 с

26. Герш С.Я. Глубокое охлаждение. Ч.2: Конструкции машин и аппаратов, тепловые расчеты, описание установок глубокого охлаждения. Ч.2, Изд. 3, перераб. и доп. 1960. 496 с.

27. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра, 1990. 762 с.: ил.

28. Справочник по физико-техническим основам криогеники/ М.П. Малков, И.Б. Данилов, А.Г. Зельдович, А.П. Фрадков; Под ред. М.П. Малкова. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.-432 с., ил.

29. Акулов Л. А. и др. Теплофизические свойства криопродуктов. - 2012.

30. Python для начинающих: с чего начать изучение // Яндекс Образование URL: https://education.yandex.ru/journal/start-python (дата обращения: 17.02.2024).

31. CoolProp URL: https://coolprop.org/ (дата обращения: 17.02.2024).

32. Баранов А.Ю., Кравченко Ю.А., Кравченко Д.В., Баранов М.В. Схема переработки магистрального газа на газораспределительных станциях с использованием регенеративных теплообменников [Scheme for Processing Mainline Gas at Gas Distribution Stations Using Regenerative Heat Exchangers] // Проблемы региональной энергетики [Problemele energeticii regionale] - 2025. - № 1(65). - С. 72-84.

33. Епифанова В. И., Аксельрод Л. С. (ред.) Разделение воздуха глубоким охлаждением: Технология и оборудование: В 2 т. - 1973.

34. Е. Шевцова , К. Александров; А. Кудрявцева, М. Чернов. Системы автономного и резервного газоснабжения. Справочное руководство. - Санкт-Петербург: ООО «Химгазкомплект», 2009. - 264 с.

35. Kravchenko D.V., Baranov A.Y., Sokolova E.V., Solonina Y.A., Spiridonova A.P. Choosing and justifying technological solutions to reduce LNG evaporation losses in large-capacity storage facilities // AIP Conference Proceedings -2021, Vol. 2412, pp. 030051

36. Акаев К. Е., Сосунов С. А. Десублимация водяного пара на сложноориентированных охлаждаемых поверхностях с различными температурами по секциям //Вестник международной академии холода. - 2005. -№. 1. - С. 19-21.

37. Семенов Г. В. и др. Тепломассообмен в промышленных процессах вакуумного сублимационного обезвоживания с учетом условий контактирования //Вестник Международной академии холода. - 2010. - №. 2. - С. 25-33.

38. Аношин И.М. Теоретические основы массообменных процессов пищевых производств. —М.: Пищевая промышлен- ность, 1970.

39. Фролов Е.С., Минайчев В.Е. Вакуумная техника: Справоч- ник. —М.: Машиностроение, 1992.

40. Шумский К.И. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения.—М.: Машиностроение, 1967.

41. Акулов Л. А., Зайцев А. В. Перспективы утилизации холода сжиженного природного газа при малотоннажной регазификации //Вестник Международной академии холода. - 2013. - №. 2. - С. 29-31.

42. Чириков К. Ю., Мельник В. П. Использование СПГ в народном хозяйстве. — М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, 1991.

43. Данилов К. Л., Фокин Г. А. Энергосберегающая криогенно-газовая технология производства талой воды. // Вестник Международной академии холода. 2011. № 1.

44. Акулов, Л.А. Установки и системы низкотемпературной техники. Ожижение природного газа и утилизация холода сжиженного природного газа при регазификации: учеб. пособие / Л.А. Акулов. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2006. -175 с.

45. Акулов Л. А. Использование холода сжиженного природного газа в установках разделения воздуха. — М.:ЦИНТИ Химнефтемаш, 1984.

46. Титов Г. Н., Замарашкина В. Н. ПРИМЕНЕНИЕ ХОЛОДА РЕГАЗИФИКАЦИИ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВВОХДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ //Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО.

- 2018. - С. 56-58.

47. Пестич С. Д., Нефёдова М. А. Повышение безопасности при регазификации сжиженного природного газа //Academy. - 2018. - Т. 2. - №. 6 (33).

- С. 4-8.

48. Апицына О. С. и др. Методика моделирования теплопереноса в испарителях теплохладоэнергетических комплексов при кипении рабочего вещества в мини и макро-каналах //Вестник международной академии холода. -2022. - №. 4. - С. 52-59.

49. Малышев А. А., Мамченко В. О., Киссер К. В. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков хладагентов. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 116 с.

50. Ховалыг Д., Бараненко А. В. Методы расчета градиента давления двухфазного потока при течении в малых каналах // Вестник Международной академии холода. 2012. № 1. С. 3-10.

51. Зайцев А. В. Разработка алгоритма решения уравнений Навье — Стокса для течения криогенной жидкости в трубе // Вестник Международной академии холода. 2011. № 3. С. 37-42.

52. Герш С.Я. Глубокое охлаждение. Ч.1: Термодинамические основы сжижения и разделения газов - Л.: Госэнергоиздат. - 1957, 392с.

53. Фальман А. Г., Агейский Д. Э. Эксергетический анализ способов регазификации СПГ //Вестник международной академии холода. - 2015. - №. 3. -С. 34-38.

54. Напалков Г. Н. Тепломассоперенос в условиях образования инея. -Машиностроение, 1983.

55. Зайцев А. В. и др. Комплексный метод расчёта двухфазного потока при внутриканальном кипении хладагентов //ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». - 2020. - Т. 4.

- №. 2. - С. 16-26.

56. Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники, часть 1: учебное пособие для вузов //М.: Пищепром, 1996.-344 с. - 1996.

57. Малышев А. А. и др. Экспериментальное исследование гидродинамических характеристик при кипении хладагентов в миниканалах с использованием истинных параметров фаз //Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение». - 2019. - Т. 3. - №. 2.

- С. 44-50.

58. Кравченко Д.В., Баранов А.Ю. (науч. рук. Баранов А.Ю.) Физическая модель процесса десублимации паров воды // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, [2025]. URL: https://kmu.itmo.ru/digests/article/15511 - 2025

59. Кравченко Д.В., Баранов А.Ю. (науч. рук. Баранов А.Ю.) Выбор граничных условий для численного эксперимента математической модели криогенного вымораживателя в установках сублимационной сушки // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, [2024]. URL: https://kmu.itmo.ru/digests/article/13825 - 2024

60. Кравченко Д.В., Баранов А.Ю. (науч. рук. Баранов А.Ю.) МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КРИОГЕННОГО ВЫМОРАЖИВАТЕЛЯ ПАРОВ ВОДЫ В УСТАНОВКЕ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, [2023]. URL: https://kmu.itmo.ru/digests/article/11615 - 2023

61. Иконникова А.Ю., Баранов А.Ю., Кравченко Д.В., Середенко Е.С. Оптимизация давления сырьевого потока установки ожижения природного газа работающей по циклу Mixed Fluid Cascade [Optimization of Mixed Fluid Cascade Natural Gas Liquefaction Plant Feed Stream Pressure] // Проблемы региональной энергетики [Problemele energeticii regionale] -2024. - № 1(61). - С. 111-126

62. Баранов А. Ю., Соколова Е. В. Хранение и транспортировка криогенных жидкостей. Часть 1. - 2017.

63. Баранов А. Ю., Соколова Е. В. Хранение и транспортировка криогенных жидкостей. Часть 2. - 2018.

64. Daniarta S., Imre A. R. Cold energy utilization in LNG regasification system using organic rankine cycle and trilateral flash cycle //Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. - 2020. - Т. 64. - №. 4. - С. 342-349.

65. Исаченко В. П., Осипова А. С. Сукомел. Теплопередача //М.: Энергоиздат.-1981.—416 с. - 1981.

66. Мохова Е. К., Пальчикова В. В., Гордиенко М. Г. Математическое моделирование тепло-и массообмена в процессе вакуумной сублимационной сушки //Успехи в химии и химической технологии. - 2020. - Т. 34. - №. 6 (229). -С. 130-132.

67. Kim D., Giametta R. E. H., Gundersen T. Optimal use of liquefied natural gas (LNG) cold energy in air separation units //Industrial & Engineering Chemistry Research. - 2018. - Т. 57. - №. 17. - С. 5914-5923. ВРУ

68. Жучков А. В. и др. Закономерности процесса десублимационного фракционирования многокомпонентных систем //Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - №. 2. - С. 85-89. Десублимация

69. Мальцева О. М. Моделирование процесса намораживания льда на цилиндрической поверхности емкостного криоконцентратора //Техника и технология пищевых производств. - 2016. - Т. 42. - №. 3. - С. 118-124. Намораживание

70. Семенов Г. В., Краснова И. С., Петков И. И. Выбор режимных параметров вакуумной сублимационной сушки сухих термолабильных материалов с заданным уровнем качества //Вестник Международной академии холода. - 2017. - №. 1. - С. 18-24.

71. Короткий И. А., Федоров Д. Е., Тризно Н. А. Исследование работы емкостного кристаллизатора для разделительного вымораживания жидких пищевых продуктов //Техника и технология пищевых производств. - 2012. - №. 4 (27). - С. 106-110.

72. Семенов Е. В. и др. Моделирование процесса генерации льда и инея на поверхности воздухоохладителя //Вестник Международной академии холода. -2009. - №. 4. - С. 5-9.

73. Агейский Д. Э. Повышение энергоэффективности установок регазификации жидких криопродуктов : дис. - С.-Петерб. нац. исслед. ун-т информац. технологий, механики и оптики, 2016.

74. Майкова Т. С., Баранов А. Ю. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ РЕГАЗИФИКАЦИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВТОРИЧНОГО КРИОАГЕНТА //Энергоэффективные инженерные системы, технологии СПГ, водородная энергетика. - 2023. - С. 11-12.

75. Выгон Г., Белова М. Развитие мирового рынка СПГ: вызовы и возможности для России //Энергетический центр Московской школы управления Сколково. - 2013.

76. Wang Z. et al. Study of frost layer growth process on horizontal cold surfaces in the channels //International Journal of Thermal Sciences. - 2023. - Т. 194. -С. 108557.

77. Иванов В.И. Вакуумная техника: Учебное пособие. - СПб.: Университет ИТМО, 2016. - 129 с.

78. Иванов В. И., Соколова Е. В. Криовакуумные системы //СПб.: СПб НИУ ИТМО. - 2012.

79. Фальман А. Г., Агейский Д. Э. Рабочее тело цикла Ренкина для утилизации холода регазификации //Вестник Международной академии холода. -2016. - №. 2. - С. 71-75.

80. Мезенцева Н. Н., Мезенцев И. В., Мухин В. А. Теплообмен при пузырьковом кипении неазеотропных смесей в горизонтальных трубах //Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. - 2016. - Т. 11. -№. 3. - С. 46-52.

81. Апицына О. С. и др. Расчет локальной теплоотдачи при кипении рабочих веществ в стесненном пространстве //Вестник Международной академии холода. - 2021. - №. 2. - С. 79-87.

82. Zhou Z., Fang X., Li D. Evaluation of correlations of flow boiling heat transfer of R22 in horizontal channels //The Scientific World Journal. - 2013. - Т. 2013. - №. 1. - С. 458797.

83. Nino V. G. Characterization of two-phase flow in microchannels. -University of Illinois at Urbana-Champaign, 2002.

84. Lockhart W. R. Proposed correlation of data for isothermal two-phase, two-component flow in pipes //Chemical engineering progress. - 1949. - Т. 45. - №. 1. - С. 39-48.

85. Маринюк Б. Т., Королев И. А. Особенности формирования и динамики роста инея на теплообменных поверхностях криогенного оборудования //Холодильная техника. - 2017. - №. 11. - С. 38-41.

86. Маринюк Б. Т. Аппараты холодильных машин (теория и расчет).-М.: М 26 Энергоатомиздат, 1995,-160 с: ил. ISBN 5-233-02129-7.

87. Королев И. А. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ КРИООСАДКА НА ОХЛАЖДАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ХОЛОДИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ //Москва. - 2018. - С. 162.

Список рисунков

1 Регазификатор с водяным орошением (рисунок заимствован из работы [16]).. 130

2 Регазификатор с погружной горелкой (рисунок заимствован из работы [47]). 131

3 Атмосферный регазификатор.................................................................................133

4 Регазификаторы жидкостного типа с промежуточным теплоносителем (рисунок заимствован из работы [16]).......................................................................................134

5 Схема органического цикла Ренкина с использованием теплоты регазификации СПГ...............................................................................................................................137

6 Схема ВРУ с использованием теплопоглощающей способности регазифицируемого СПГ ...........................................................................................139

7 Фазовые переходы воды при изменении температуры парциального давления ее паров (рисунок заимствован из работы [18])...........................................................142

8 Изменение температуры и влажности растительного сырья при сублимационной сушке (рисунок заимствован из работы [13])...........................................................143

9 Схема установки для сушки в глубоком вакууме (рисунок заимствован из работы [18])..................................................................................................................144

10 Сублимационная сушильная установка для обезвоживания биологических материалов (рисунок заимствован из работы [18]).................................................146

11 Принципиальная схема установки сублимационной сушки влагосодержащего сырья.............................................................................................................................160

12 Принципиальная схема установки регазификации СПГ за счет теплоты выделяемой в процессе сублимационной сушки влагосодержащего сырья .......163

13 Принципиальная схема установки для хранения и регазификации сжиженного природного газа...........................................................................................................165

14 Физическая модель вымораживания паров воды на поверхности гладкой трубы охлаждаемый сжиженным природным газом .........................................................167

15 Начало образования конденсата из паров воды..................................................173

16 Передача теплоты в процессе формирования начального слоя водяного конденсата...................................................................................................................176

17 Выделение первого цилиндрического элемента из начального участка слоя водяного конденсата ..................................................................................................177

18 Физическая модель переноса теплоты через элементарные участки цилиндрического тела конденсата ...........................................................................179

19 Подпрограмма ро1Бк_Ыг1 ....................................................................................183

20 Подпрограмма poisk_Ttri.......................................................................................184

21 Подпрограмма ро1Бк_Ысе1...................................................................................185

22 Подпрограмма ро1Бк_Лсе1 ..................................................................................186

23 Подпрограмма QI-1................................................................................................189

24 Подпрограмма QI+1...............................................................................................190

25 Подпрограмма МЫ ................................................................................................191

26 Экспериментальные данные по нарастанию слоя инея на низкотемпературной поверхности (рисунок заимствован из работы [17])...............................................194

27 Сравнение результатов моделирования процесса накопления водного конденсата с экспериментальными данными независимых исследований .........195

28 Распределение температур конденсата в зависимости от количества подведенной теплоты.................................................................................................196

29 Распределение температур конденсата в зависимости от диаметра трубы .... 197

30 Кривая изменения величины удельного теплового потока и интенсивности испарения влаги в процессе сублимационной сушки (рисунок заимствован из работы [18])..................................................................................................................199

31 График изменения интенсивности удельного подвода теплоты в десублиматор ....................................................................................................................................... 200

32 Изменение температуры поверхности наружного участка конденсата ..........201

33 Процесс намораживания конденсата при переменном подводе теплоты конденсации паров воды ........................................................................................... 202

34 Распределение температур по слоям конденсата при удельной интенсивности теплового потока за счет конденсации паров воды 1000 Вт/м...............................203

35 Распределение температур по слоям конденсата при удельной интенсивности теплового потока за счет конденсации паров воды 1500 Вт/м..............................204

36 Распределение температур по слоям конденсата при удельной интенсивности теплового потока за счет конденсации паров воды 2000 Вт/м...............................205

37 Блок-схема регазификации СПГ при подаче КПГ в пневмонакопитель.........207

38 Фазовый переход сжиженного природного газа при различных давлениях .. 208

39 Физическая модель десублиматора паров воды за счет использования теплоты регазификации закритического потока СПГ ...........................................................209

40 Схема движения материальных потоков в десублиматоре ..............................213

41 Начало образования конденсата из паров воды.................................................220

42 Схема переноса теплоты через слой конденсата ...............................................223

43 Изменение температуры поверхности конденсата при тепловом потоке 1 кВт ....................................................................................................................................... 227

44 Изменение температуры поверхности трубы при тепловом потоке 1 кВт......228

45 Изменение температуры потока закритического флюида при тепловом потоке 1 кВт................................................................................................................................229

46 Изменение толщины слоя конденсата при тепловом потоке 1 кВт.................230

47 Изменение толщины слоя конденсата при тепловом потоке 1,5 кВт..............231

48 Изменение толщины слоя конденсата при тепловом потоке 2 кВт.................231

Приложение А

(справочное)

Акт внедрения результатов диссертационного исследования в учебный процесс Университета ИТМО при подготовке студентов, обучающихся по направлению 16.04.03 Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения на образовательной программе магистратуры ОЦ ЭИС по специализации «Технологии сжиженного природного газа»

I/ITMO

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высиего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО» (Университет ИТМО)

Кронверкский пр-Т. д. 49. лит А, Саша-Петербург, Россия, 197101 Тел.: {8121480-00 00 | Факс [phone]

UL1<CP<I<1IO. Г II | |1<пс I и

^ Л 4J (11'ЖДЛЮ

ойч^вательного цсм1 Ра tlfi^^Mwf и 11ЖС1 icpH ые

ip^ríif. 1вх>ф. И.В. Баранов .•-.■; ■ fu

АКТ ВНИДРЕ11ИЯ

результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Кравченко Дениса Владимировича «Использование теи.тош десублимации паров воды для регазификации сжиженного

природного га и»

Результаты диссертационного исследования Кравченко Д.В. «Использование геилоты десублимации паров воды для регазификации сжиженного природного газа», методы моделировали* процесса десублимации пиров воды на геплопередающей поверхности теплообменных аппаратов охлаждаемых за счет использования геидоты регазнфикации сжиженною природного газа кипящею при давлении распределительной сети или при разогреве С'ПГ при закритичсском давлении, программное обеспечение созданное для выполнения программы исследовании, данные об оптимальных значениях величины тепловой нагрузки и продолжительности непрерывной работы аппаратов для десублимации паров волы используются в учебном процессе при проведении лекционных и практических занятий по курсам «Перспективы развитии техники и технологии ( III », «Научные основы криогенной техники». «Системы производства, хранения и транспортирования сжиженного природного газа» в рамках подготовки магистрантов обучающихся по направлению I6.U4.U3 Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения на образовательной программе магистратуры Энергочффектнвные инженерные системы и (ехнологин СП1 по специализации «Технологии сжиженного природного ia'ia».

Руководитель специализации, д.т.п.. проф.

Приложение Б

(обязательное) Тексты публикаций

PR.OBLEMELE ENERGETICIIREGIONALE 1 (61) 2024

Optimization ofMiied Fluid Cascade Natural Gas Liquefaction Plant Feed

Stream Pressure -^konnikova A. Уи.Л2 Baramov А. Ун..1 Rravchenko D. V.,1 Seredenko E. S.

'HMO University ■^Scientific and Production Enterprise «KKYON» Saint Petersburg. Russian Federation

Abstract. This paper presents the results of a study on optimising the feed stream pressure of the Mixed Fluid Cascade natural gas liquefaction cycle. The objective is to optimise the pressure of the feed stream to distribute heat effectively over the cooling stages acid reduce the energy cost of the cycle. To achieve the goal the following tasks haw been done: constructing the mathematical model of the cycle, performing the calculation experiment for different values of The feed stream pressure to determine energy characteristic values, and dewmining the optimal values of feed stream pressure. The flow characteristics of the working substances in the cycle are determined based oil the Peng-Ri>binson^Stiyjek-Vera equations of state and Benedict-Webb-Rubin. The mass flow of The working substance is calculated for each cycle's stage heat load, ат both constanT and different values of the working point temperatures. The distribution of heat load for liquefying 1 kg of natural gas by stages is displayed, and achievable working point temperatures of the feed flow are determined. The energy consumed by the compressor units and the amount of compression hear dissipaTed are calculaTed. The study's main finding is That the optimal feed pressure in The Mixed Fluid Cascade cycle is higher Than The standard pressure. The .significance of The obtained results lies in the significanT reduction of energy costs of the Mixed Fluid Cascade cycle at a feed stream pressure of 13 MPa

Keywords-, liquefied natural gas. mainline gas, energy efficiency, pressure increase. DOI: https:Hdei.org/10.52254Л857-0070.2в24.1-61.10

Орпшиел pieviunii fluxului de alimratarc л unei iuvinLiili de lichefiere л snze-loi un tu rale саге fuurпопелiá ре cicLnl Mixed Fluid Caxrak Ibobn A.Yu. '-Влглшру А,Ул.. ЧСгатгепко D.V.. ^eredenko E.S.

'ünnmítitea ITMO ; Intreprinderea de cercetare si productie ,.KRIOK": bank: Petersburg. Federatia Rjusa RezumaL Aceastá lucrare pieziutá remítatele irnui studiu privmd optimizare» presiuuii ñuxului de alimentare a ciclului de lichefiere a gazelor naturale ín cascada de fluide miste. Qbiectivul eslíe de a optimiza presiimea üimilui dje alimentare pentru a distribuí efirient caldura pe etapele de raciie si pentru a reduce costal energiei ciclului. Pentiu atingerea stopului. au fast realízate unnatoarele sarcini: construirea modeliüui niatematic al cicllihii. efectuarea experimentiüui de calad pentni diferite valori ale preriu^ii ñuxului de alimentare pencil a determina valorile caracteristice euergetice si determiiiarea valarile optime ale pnesiiuiii curentului de alimentare. Caracteristicile de curgere ale snbstantelor de lucm in cichi sunt determinate pe baza ecuatiilcr de stare Peng-RobinsoQ-Stnjek-Vera si Benedict-Webb-Eubin. Díbitul niasic al substantei de lucrueste calcula! pentru barcina térmica a fiecarei etape a ciclului atat la valori constante. cát si la valori difeiite ale temperanirilor pimctului de lucrn. Este afisala distributia incarcátuiii tenuice pentru lichefierea a 1 kg de gaz natural pe trepte si se determina temperaturile de lucm realizabile ale fluxiüui de alimentare. Se calculeaza energía consumata de unitatiie compren саге si candtalea de caldura de conipresie disipata. Principela constatare a studiiüui este cá presiunea optima de aliineutare in ciclul Mised Fluid Cascade este mai таге decát presiunea standard. Senuiificina rezultatelor obtmute consta in reducerea senmificativa a costurilor energetice ale ciclului Mmed Fluid Cascade la o presiune a flusului de alimentare de 13 MPa.

Cwfintt-chme: gaz nsmnal lichefial gaz principal, eficienta energetics, cresterea presiunii.

О Иконникова А.Ю., Баранов А.Ю.. Кравченко Д£.; Сереленко Е.С.. 2024 г.

Оппипца давдсш сырьевого потоки уставов« шхвхжякя природного газа рлйотош<п по

циклу Miied Fluid Cascade 'IIkohhiikdb^ А.Ю.. '-Баранов AJO., 'Кравченко Д.В.г'Сер еден ко Е.С.

•Университет ИТМО 2 ООО Научно-производственное предприятие чКРИОН)' Санкт-Петербург. Российская Федерация Лннот íi а ия. В работе представлены результаты исслелован:м по опппшзашш давления сырьевого потока цикла вшшп природного газа Mixed Fluid Casca sde. Целью данной работы является опшмизаши давления сырьевого потока ожижаемого газа в пнкле Mixed Fluid Cascade, обеспечивавшая зффектпвное распределение тепловой нагрузки по ступеням охлаждения н снижение обшнх знергетических затрат цикла. Для достижения поставленной пели были решены следующие задачи: построение математической модели пикла. проведение вычислительного эксперимента для различные значешш давления потока сырья с определением значениях энергетических характеристик цикла, определение оптимальных значение давлений сырьевого потока. В ранках исследования смоделирован цикл Mixed Fluid Cascade. Свойства потоков рабочих вешеств пикла определены на основанш! ¡равнении состояния Пенга-Робинсона в модификапии Стрижека-Веры и Бенелнкта-Вебба-Рубина. Для каждой ступени цикла рассчитаны тепловая нагрузка, массовый расход рабочего вешестьа при значениях давления сырьевого потока от 5 МПа до 25 МПа при постоянных значениях ieimepaiyp рабочих точек. Показано распределение обшей тепловой нагрузки на ожижение 1 кг природного газа по ступеням. Рассчшаны достижимые температуры рабочих точек потока природного газа при постоянстве расходов рабочие вешеств. соответствующих стандартному варианту цикла. Полученные значения использованы для определения энергетических затрат цикла. Определено количество энергии, потребляемое компрессорными установками ступеней п количество отводимой теплоты сжатия. В результате выявлено наличие оптимальных значений давления сырьевого потока, соответствующих минимальным энергетическим затратам на ожижение природного газа. Наиболее важным результатом исследования является определение оптимального значения давления сырьевого потока пикла Mixed Fluid Cascade, превышающее стандартное. 'Значимость полученные результатов состоит в значительном снижении энергетических затрат цикла Mixed Fluid Cascade при давлении сырьевого потока 1j МПа. Обоснована пелесообразностъ применения дополнительного ложатия сырьевого пока газа в пикле Mixed Fluid Cascade. Предложены решения по оптимизации работы пикла. Ключевые слова сж!сженнь[й природный газ. магистральный газ. энергоэффективность, повышение давления.

ВВЕДЕНИЕ

Резкое падение трубопроводных поставок природного газа [1] последних лет н прогнозируемое продолжение роста мирового рынка сжиженного природного газа заставляет прон ¡водителей разрабатывать новые технологические решения. Повышение энергоэффективностн производства позволит значительно снтигь себестоимость получаемого СПГ: поскольку от 35% до 40 % общих затрат на производство СПГ приходится на эксплуатацию и строительство установок ожижения, что отмечается в [2,3]. В условиях быстроразвнвающегося рынка попек принципиально новых технологических решении рационально заменить, совершенствованием хорошо изученных классических технологий. В то время как большая часть исследований ведется в области получения СПГ на плавучих заводах и малых месторождениях [4]. необходимо продолжать развивать крупнотоннажные технологии. Пример внедрения в

производство технологии ((Арктический каскад» [5] показывает, что разработка новых технологических решений «с нуля» неизбежно сопровождается преодолением ряда проектных технологических п производственных трудностей свя!анных с необходимостью организации производства новых видов оборудования.

Усовершенствование хорошо

апробированных на практике технологий сводит к минимуму7 указанные проблемы, так как большинство классических циклов получения СПГ может быть реяли ;авано с нсполыованнем уже применяемого оборудования. Такое усовершенствование предполагает прежде всего улучшение энергетических показателей циклов сжижения природного газа.

В настоящее время технология сжижения природного газа Mixed Fluid Cascade (MFC) компаний Linde и Statoil остается одной из самых востребованных в мире [б] Процесс ожижения природного газа MFC представляет собой вариант классического каскада.

состоящего из трех ступеней охлаждения, работающих на смешанных рабочих веществах (СРВ) [7]. Такой подход позволяет существенно сократил. потерн энергии в процессе сжижения за счет приближения температуры рабочего вещества внешней степени охлаждения к кривой конденсации природного raja. В работах по повышению энергоэффективностн различных циклов сжижения природного газа отмечается наибольшее влияние оптимизации составов смешанных рабочих веществ [8,9]. Для совпадения профиля линии кипения смешанного СРВ и лшпш конденсации природного газа необходимо подбирать состав СРВ с учетом состава сырьевого природного газа и особенностей теплоопводящего цикла. Учитывая многообразие состава природного газа, а также способность природного газа менять свой состав по мере исчерпания месторождения. задача выбора и последующей коррекции состава одного шш двух СРВ представляется достаточно сложной. Однако использование СРВ позволяет имитировать paooriy

многоступенчатого каскадного цикла н сокращать действительное число ступеней охлаждения.

Как и другие многотоннажные технологии сжижения природного газа процесс MFC постоянно оптимизируется: В современной научной литературе рассмотрено множество методов оптимизации цикла MFC. Как правило методики рассматривают комплексную оптимизацию всего цикла, поскольку попытки изменения одного из параметров в найденном оптимальном решении прпводяг к возникновению большого количества ошибок [10]. Для решения этой проблемы как правило применяют различные упрошенные модели и методики, например как в работе [11]. где предлагается оптимизировать ступени охлаждения по-отдельносли. При оптимизации ступеней, которые представляют собой

парокомпресснонные холодильные машины, стоит учитывать результаты исследования [^показывающие зависимость между' котнчеством возможных параметров для оптимизации н котнчеством компрессоров н вентилей в ступени (без учета составов СРВ). Другой подход продемонстрирован авторами [13]. применившими многомерный алгоритм Когпшса для оптимизации и минимизации потерь энергии.

Поскольку цикл работает с применением смешанных рабочих веществ, основная часль исследований рассматривает оптимизацию их компонентных составов. Как отмечалось ранее, корректный подбор составов СРВ позволяет достичь наибольшей

эффективности. Однако, из-за высокой чувствительности работы цикла к компонентам СРВ оптимизация составов представляет собой серьезную проблему. Как отмечается в работе [14]. основную трудность, вызывает возникновение температурных засечек в тешюобменных аппаратах. Для решения этой проблемы авторы приводят новую комбинированную методику с применением методов машинного обучения для потноценного проектирования снстем: использующих СРВ. учитывающую термодинамику процессов и позволяющую избежать возникновения засечек за счет применения псевдо-холодного потока.

Также в многих работах особое внимание уделяется компактности установок и возможности расположения на плавучих заводах [15].

В работе [1(5] отмечается ранее упомянутое влияние температуры окружающей среды. Авторами указывается что оптимизация с учетом температурных условий может снизить потребление энергии на 3-^4%. В то же время, авторами [17,18] указывается на то. что процессы производства СПГ. расположенные в теплом климате потребуют на 20-26% больше энергжн чем аналогичные, расположенные в .Арктике.

В исследовании [11] проводился анализ влияния давления природного газа на потребление энергии циклом. Авторы отмечают возможность снижения затрат энергии, однако не рассматривают давления сырьевого потока выше 9,5 МПа. Также указывается на снижение массовых расходов рабочих веществ. Как правили более высокие давления не рассматриваются, поскольку уже превышаюл давление магистрального газа.

Практически все реализуемые технологии крупнотоннажного производства СПГ являются криогенными циклами среднего давления, в которых давление сырьевого потока в среднем не превышает 5-6 МПа. Такие решения объясняются, с одной стороны достаточно высокими энергетическими затратами на сжатие, а с другой расположением заводов СПГ в непосредственной близости от

месторождений. Однако существуют заводы, использующие в качестве сырья магистральный газ высокого давления. Поскольку в основном на магасгральны газопроводах располагаются малотоннажные предпрнялня. использующие перепад давлений на газораспределительных станциях, исследования как правило ведутся с точки зрения эффективности редуцирования магистрального газа для производства СПГ [1Д2021] .

Поскольку в настоящее время некоторые крупнотоннажные производства могут располагаться не в близи месторождения н использовать в качестве сырья магистратьный газ. принято решение рассмотреть оптимизацию давления сырьевого погона цикла MFC в более широком диапазоне давлений { до 25 МП а). Использование технологии MFC на таком производстве потребовало бы снижения давления сырьевого газа в два раза, при этом терялась скрытая в сырьевом газе холодопроизводптельностъ.

Использование для получения СПГ цикла с более высоким давлением потока сырьевого газа позволит снизить удельные затраты энергии на ожижение получить дополнительный источник повышения энерго эффективности. Учитывая то. что к примеру балтийские заводы по производству СПГ находятся в непосредственной близости от компрессорных станций Портовая н Славянская, которые способны сжимать газ до 22 МПа. рационально оценить насколько эффективно сжижение сырьевого газа с повышенным давлением.

Можно предположить, что повышение давления позволит перенести существенную часть тепловой нагрузки ожижения природного газа на более высокий температурный уровень, за счет повышения температуры конденсации вькококипяпшх компонентов сырьевого потока газа.

Затраты энергии на то. чтобы повысить давление сжатого газа в 2-3 раза относительно невелики, поскольку, величина работы компрессора 'зависит от степени сжатия газового потока. Испотьзуя магистральный газ давлением от 7 до 10 М11а. можно с небольшими затратами энергии доводись давление сырьевого потока на входе в блок ожижения до уровня 20-22 МПа. Очевидно, что повышение давления сырьевого потока будет оправдано только в том случае, если оно

приведет к снижению затрат энергии на получение еднницы массы СПГ.

Определить опшмальное давление потока можно используя метод численного эксперимента выполненному на математической модели реального цикла ожижения природного газа MFC. Оптимальное давление сырьевого потока должно определяться из минимума затрат энергии на ожижение еднницы массы продукта согласно [22]

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОД>~ЧЕНПЯ СЖИЖЕННОГО

ПРИРОДНОГО ГАЗА ПРИ ПОВЫШЕННОМ ДАВЛЕНИИ СЪЕРЬЕВОГО ПОТОКА В ходе исследования рассмотрен каскадный цикл на смешанных рабочих веществах MFC [Mixed Fluid Cascade) компаний Linde и Statoil. схема цикла изображена на рис. 1. Установка пре дставтяег собой каскад из 3 паровых циклов, работающих на смешанных рабочих веществах Рнс.1. Схема установки, работающей по циклу Mixed Fluid Cascade 1. [23]

Каждое рабочее вещество циркулирует в отдельной ступени внешнего охлаждения, которые последовательно охлаждают (MR-IJ, сжижают (MR-2) н переохлаждают(МК.-3) сырьевой полок природного газа.

После ступени переохлаждения полученная жидкость дросселируется в сепаратор С-1. в котором жидкая фракция выделяется из потока и направляется в хранилище. LNG.

Для численного эксперимента:

был выбран следующий состав рабочих веществ для всех ступеней охлаждения приведенный в лаблнце 1;

начальные параметры рабочих точек цикла приняты в соответствии с данными таблицы 2;

состав сырьевого потока природного газа (табл. 3) принят в соответствии с данными

0 составе газа в газопроводе Ухта-Грязовец:

теплопрптоки от окружающей среды приняты равными нулю.

Математический эксперимент проведен в два этапа:

1 Определение зависимости удетьной тепловой нагрузки на внешние ступени охлаждения от клипы давления сырьевого природного газа.

^грвр^ - : -I - ^

■ЛЬГЕ МЬв

Рис. . Сигма угтановкн. ра&отпкший

2. Определение удельных

энергетических показателей цикла МГС при различных давлениях сырьевого природного газа.

Определение лермодннамнческнх

параметров рабочих точек производилось на основе уравнений Пенга-Робннсона в

по циклу М|1е(1 ПиМ Савойе1 [23]

модификации Стрпжека-Веры и Бенедикта-Веббаг-Рубина [24,25].

При сравнении рассчитанных энергетических характеристик, используемые уравнения показали расхождение не боле е 4%, уменьшающееся с ростом давления и падением температуры

Таблица I3.

Состав смешанных рабочих веществ в ступенях цикла5 [23]

СРВ МЬсей ]tefi¿geтaпr СзЩ мольн % (пю1.%) СзЩ молви % (1П01.%) СзЩ. мольн % (шо1.%) ст мольн % (шо1.%) Е-СШю, мольн % (шо1.%) мольн % (шо1.%)

ПО Ргесоо]^ 0 40.24 0 42.45 0 17.31

Сжижение ЫфкйсаЬоп 32.92 27.77 26.66 12.65 0 0

Переохлаждение ЬиЬсоо1и^ 73.57 11.29 0.01 0 15.13 0

Таблица I4.

Параметры рабочих точек цикла 5 [23].

№ Т,К[К) Р. МПа (МРа) N° Т,К(К) Р. МПа (МРа) № т,К[К) Р. МПа (МРа)

N0 28(5.15 6.00 13 246.15 3.39 26 184.03 0.35

1 308.15 3.39 14 246.15 2.79 108.55 0.1013

2 308.15 2.79 15 251.15 1.69 27 306.55 0.67

3 308.15 1.69 16 243.57 0.3 28 301.26 0.67

4 276.15 6.00 17 269.86 0.3 29 347.62 1.69

5 276.15 3 39 18 187.95 6.00 30 331.31 1.5

б 276.15 2.79 19 187.95 3.39 31 308.15 1.5

7 28195 1.69 20 191.65 2.79 32 350.09 2.79

3 28195 1.69 21 181.06 0.31 33 327.77 2.5

9 28195 1.69 22 237.19 0.31 34 308.15 2.5

10 272.62 0.67 23 111.15 6.00 35 336.18 3.39

11 297.72 0.67 24 114.15 3.39 36 108.55 0.1013

12 246.15 6.00 25 106.94 0.35 ВО& 108.55 0.1013

™ Адгайх 1

Для определения основных энергетических характеристик использовалось уравнение энергетического баланса:

а)

где ^ - тепловой полок, входяпщи в контур цикла г-он ступени: д -тепловой

поток, выходящин ш контура цикла г-<н ступени.

Расчет величины удельной тепловой нагрузки на внешние ступени охтажде-вня

Расчет значений удельных тепловых нагрузок проводился при условии постоянства температур во всех рабочих точках цикла (табл.3).

Таблица 3s.

Состав и параметры потока сырьевого газа

Компонент Component Молярная доля Mole fraction

СН4 0.94

СДЪ 0.02

CiHs 0.01

C4H10 0.01

N2 0.02

Параметры Parametrs

Давлеш1е. Mils Pressure. MPa 9 8

Температура. К Temperature. К 286.15

Массовый расход, кп'с Mas^ flow, kg.'sec 1.0

Полезная нагрузка ц^ ступени

определялась как количество теплоты которое необходимо олвестн от потока природного газа для охлаждения до заданной темперагтуры:

где

- массовый расход потока

Чц,

(2)

природного газа, g I кг/с (к^'зес), и

'г,. ,-. - значения энталышй потока природного

газа на входе и выходе из 1-ой степени соответственно например (табл. 4):

Чрь =й*(*>ге-'1з) (3)

Таблица 4*

Расчет удельной полезной тепловой нагрузки на ступени охлаждения при давлении 5.0 МПа°.

№ ступени охлаждения Stage № Вход Inlet Выхо Д Outlet Температура. К Temperature. К Давление. МПа Pressure, MPa Энтальпия. кДж-'кг Enthalpy; kJAg Нагрузка. кВт/кг Heat load, fcW/fcg

1 NG 28615 6 783.87 106.87

12 246.15 6 677

2 12 246.15 6 677 397.97

IS 187.95 6 279.03

3 IS 187.95 6 279.03 294483

23 11.1.15 6 -15.453

Результаты расчета представлены расчета удельной тепловой нагрузки на ступенн цикла при разных значениях, давления сырьевого потока газа представлены на рисунке 2. График показывает что увеличение давления сырьевого потока сопровождается снижением тепловой нагрузки на ступенн сжижения и

переохчаждення^,. Нагрузка ступени

сжижения изменяется в пределах 200400ьйЛг (кит1:.г) т.е. в два раза. Нагрузка ступени переохтаждення изменяется менее существенно 250 < (¡щ < 300 кВт/кг

(кЛМкд) (-17%), однако с учетсы низкого температурного уровня отвода теплоты

(111.15 К), это небольшое снижение может существенно влиять на показатели энергоэффектнвносги цикла.

В то же время происходит рост нагрузки ступени предварительного охлаждения (q ).которая возрастает в пределах

100 £ д < кВт'кг (kW/kg). при повышении

давления сырьевого потока сгг 5 до 14 МПа (МРа).

Дальнейший рост давления природного газа сопровождается снижением значения ¿¡р., .которое связано с падением удельного

тепчосодержання сырьевого потока при высоких давлениях.

Аналогично для ступени ожижения:

=+SsmiSs+SstP2hx+ №' gneOb

+£ж; ÜU + Ь») = Jan fe -hu)'

где:

(5)

г.ипФп-ЬнЬ^з,

При составлении баланса ступени предварительного охлаждения ступень упрощена до одного тептообменного аппарата без разделения потока.

550

500

750

I я я Я

я п 700 ■о и

II

I и л S.

Iм

650

$00

550

5 6 7 0 9 11111 12 13 14 1& 16 17 10 19 20 21 22 21 24 25

Давление потока ПГ. МПа Natural gas flow pressure. МРн

Рис. Зависимость удельной полезней тепловой на грузки на uiik л ожижения МТС от давления

потока природного газа.11

ЕщЬяб + Sstr:Ä+ Ssxnh + +&ипЧб "

Sss Vinggsu-э (^ - ^j) -- ^4) + = -

= SsmCr -*is>

где:

ЦрпЪ.- QpJ + Тя.ш-.

со

(б)

Таким образом полная тепловая нагрузка на ступень охлаждения:

где -количество теплоты, отводимое

от потока ! -го смешанного рабочего вещества проходящего сквозь ступень :

где удельный расход -го СРВ, й^,-и ^ - энталышн на входе н выходе потока г

- го СЕВ в рассматриваемой ступени соответственно.

Результаты расчета величины суммарной удельной нагрузки на каждую из ступеней охлаждения представлены на рисунке 4.

Исходя иг полученных результатов, общая тепловая нагрузка каждой ступени снижается. Такой эффект объясняется снижением массовых расходов потоков рабочих веществ и соответственно нагрузок на их охлаждение.

Результаты расчета значений температур на выходе из ступеней цикла представлены на рисунке б. Уменьшение суммарной тепловой нагрузки и повышение температурного уровня отвода теплоты, создают условия: в которых хоподрпронзводительнссть низкотемпе-

ратурных ступеней превышает подвод теплоты от сырьевого потока.

Это вызывает снижение расчетных значений температуры сырьевого потока газа на выходе ступеней сжижения и переохлаждения до технически возможного предела (рис. 6).

3KI

250 4 1 1 ' 1-

i а 3! 11» * 3 £ SO О

^ Б 7 В 9 10 11 12 13 14 15 1Б 17 IB IB 20 21 .22 23 24 Датчик» истока ПГ. МП-н Natural двь flow pressure. МРв • ступс-нь ПО • ступень, одокения • ступень пермесялижав-ыя Pr<£COOing sH>ge i!qy*Pce1lon «оде диЪсмвод si&ge

Р¡jc.il. Зависимость температуры поток,! природного гш на выю» из ступени от давления.

Для устранения переизбытка хоподопронзводнтельностн целесообразно увеличить подвод теплоты за счет увеличения расхода сырьевою потока газа нлн снизить холодопронзводительность низкотемпературных ступеней охлаждения за счет уменьшения расхода СРВ. Выполнение этих мероприятий снизит удельные затраты энергии при производстве единицы массы СНГ.

Расчет энергетических характеристик ипкла

Основными потребителями энергии в цикле являются компрессорные машины ступеней охлаждения и компрессор повышающий давление сырьевого потока газа.

Теплота, отведенная от потока сырьевого газа, сбрасывается в окружающую среду через концевые холодильники ступеней охлаждения и дожимающего компрессора сырьевого потока.

На рисунке 7 представлены зависимости величины работы сжатия СРВ совершаемой компрессорами ступеней внешнего

охлаждения и дожнмным компрессором сырьевого потока природного газа.

Удельные затраты энергии в дожнмном компрессоре по мере увеличения давления сырьевого потока на входе в цикл ожижения возрастают до 163 кДж/кг (kJ/tg).

По мере роста давления сырьевого потока природного газа происходит снижение работы сжатия СРВ в ступенях внешнего охлаждения:

Наибольшее снижение величины совершенной работы наблюдается в ступени предварительного охлаждения. где совершаемая работа сжатия убывает с начальных 329 еДж'кг (kJ/kg). до 263 кДжкг (kJ/kg). при максимальном давлении сырьевого потока.

Зависимость суммарной работа сжатия всех компрессорных машин от выбора величины давления

сырьевого потока газа qT =f(PL) представлена на рисунке S.

На графике зависимости есть экстремум, который соответствует диапазону7 давления от 13 до 14 МПа (МРа).

а тепловыделения в концевом холодильнике дожимающего компрессора возрастают. В результате зависимость величины суммарных тепловыделений от выбора давления сырьевого потока меняется по сложному законуг (рисунок 10) е имеет минимум в диапазоне давлений от 15 до 16 МПа (МРа). Следует отметить, что разность между максимальным и минимальным значением суммарной теплоты отведенной в окружающую среду невелика и составляет 1.1 в то время как тепловая нагрузка на концевой теплообменник ступени предварительного охлаждения при повышении давления от 10 до 25 МПа (МРа) увеличивается на 20% [рисунок 9).

Незначительное изменение количества суммарной теплоты отведенной в окружающую среду указывает на то. что увеличение давления сырьевого потока природного газа вызывает перераспределение тепловой нагрузки за счет роста теплоты, отведенной в концевом холодильнике дожимающего компрессора.

Энергоэффектвность сжижения природного газа при повышенном давлении сырьевого потока подтверждается данными, которые приведены в таблице 5: где наряду7 энергетическими показателями цикла ожижения, полученными прн повышенном давлении ПГ приведены аналогичные показалелн. рассчитанные для давления 6.0 МПа (МРа).

Таблица 51е.

Сравнение удельных (отнесенных на 1 кг потока природного газа) значении расходных н энергетических показателей цикла олснжения природного газа при разных давлениях сырьевого

потока-3..

Значения показателей Values of indices Давление потока ПГ. МПа Flow pressure. МРа

6 13 14

Расход СРВ по ступеням охлаждения, кг/кг MR flow by coolins stages, ke-lc?

Предварительного охлаждения Precooling 3.74 3.29 3.24

Сжижения Liquefaction 1.92 1.52 1.49

Переохлаждения Subcooling 1.02 0.93 0.92

Полезная тепловая нагрузка. кДж/кг Effective thermal load. kJ/kg 7S5.S 693.7 682.21

Работа сжатия компрес сора. кДж/кг Compressor work kJTkg 917.2 833.97 333.91

Суммарная тепловая нагрузка концевых холодильников. кДк/кг Total thermal load of coolers. kJ kg 168-5 2 7 1547.0 1545.6

заключение

Выполненный анализ влияния величины давления сырьевого потока газа на расходные и сырьевые показатели цикла Mixed Fhiid Cascade показал, возможность снижения удельных затрат энергии прн получении сжиженного природного газа.

Повышение давления сырьевого потока газа уменьшает количество теплоты, которое этот поток вносит в цикл ожижения. Прн увеличении давления сырьевого потока до 25 МПа удельная тепловая нагрузка на ступени внешнего охлаждения снижается до уровня 600 кДк/кг. Это существенно меньше удельных затрат энергии при номинальном давлении цикла Mixed Fhiid Cascade 6 МПа. Прн этом часть теплоты ожижения сырьевого

потока газа отводится в дожимающем компрессоре, за счет дополнительных затрат энергии на совершение работы сжатия.

Наиболее эффективное сочетание параметров цикла достигается при выборе конечного давления дожимающего компрессора в диапазоне значений от 13 до 14 МПа. в этом случае удельные затраты энергии на получение СПГ снижаются до уровня S33.91 кДк/кг

Учитывая позитивный эффект, который достигается за счет повышения давления сырьевого потока природного газа, следует рекомендовать этот технологический прием к широкому применению, особенно для производителей получающих сырьевой газ по

магистральным трубопроводам высокого давления.

Повышенное давление сырьевого потока природного газа дает дополнительные технологические преимущества, связанные с подготовкой сырья к сжижению. лак как при повышенном давлении газового потока улучшаются условия для абсорбции кислых газов [27,28,29] и адсорбционной осушки и очистки [30.31,32]. Повышенное парциальное давление примесей увеличивает поглощающую способность сорбентов, высокая плотность газового потока позволяет существенно уменьшить проходное сечение сорбцнонных аппаратов. Повышение давления существенно снизит

металлоемкость всей установки за счет увеличения компактности тепло и массообменных аппаратов.

Высокое давление сырьевого потока газа улучшает условия дтя извлечения шши»

APPENDIX 1 (ЦРШЮЖЕНИЕ 1) 4rig.I Mixed Fluid Cascade cycle diagram !-i Table 1. Composition of mixed refrigerants in cycle stages

J,5Table 2. Cycle оретшting point parameter i,7Iable 3. Composition and parameters of the feed gas flow

'■"Table -I. Calculation of the specific effective heat load at the cooling stage at a pressure of 5.0 MPs 111 Fig. I Dependence of the value of effective specific heat load on the cycle stage on the feed gas flow pressure vaJne

Fig .J Dependence of specific effective heat load per MFC liquefaction cycle on natural gas flow pressure

1! Fig .4 Dependence of the value of the total specific load on each of the cooling stages oil the raw material flow pressure value

ls Fig.? Dependence of MR stage flow rale on natural gas flow pressure

1J Fig Dependence ofnaUiralgas flow temperature at the stage outlet on pressure 15 Fig.7 Dependence of stage compression wort: on natural gas flow pressure

1( Fig .8 Dependence of total cycle compression wort on feed material flow pressure 17 Fig .9 Dependence of cooler heat load on naUiral gas flow pressure

1! Fig. 10 Dependence of total heat load of end coolers on natural gas flow pressure B,!iTab]e 5. Comparison of specific (per 1 kg of natural gas flow) consumption and energy values of the natural gas liquefaction cycle at different feed, stream pressures

компонентов природного газа: этана, пропана, бутана н получения ШФЛУ, которые производители СПГ стремятся реалнзовываль в виде самостоятельного продукта. Учитывая гамму положительных результатов связанных с повышением давления сырьевого газа поступающего в блок ожижения, следует рекомендовать этот технологический прием для использования во всех проектируемых циклах получения С ПГ

Исследование показало, что реализация установки, работающей по циклу Mixed Fluid Cascade, при стандартных параметрах вызывает значительные энергетические потерн. Учет особенностей условий организации производства позволяет получить дополнительное снижение затрат энергии и увеличить производительность.

."LiiTepaTypa (References}

[1] Bp B. P. Statistical review of world energy 2023. Available at: https: www.eaergyhis1.org stahsrical-ie^iew Iicceiied 03.01.2024)

[2] Jamieson D . Johnson P.. Targeting and achieving lower cost liquefaction plants. Proceedings of LNG 12, Pertli Australia. 1998

[3 ] Dinap oli R. N.. LNG plant cost: present and future trends. Proceedinas of LNG 12, Perth. Australia. 1998 '

[4] Wonsuh l_im_ Kwangho Choi, and II Moon. Industrial ife Engineering Chemistry Research 2013, vol. 52, 'no. pp. 3065-3088 doi: 10.1021/ie302877g (acceded 08.11.2023)

[5] Medculov V. I. Analysis of Russian Arctic LNG projects and their development prospects. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020, vol. 940; no. 1. p. 012114 dd: 10.108K/1757-899X^940/1/012114 (acceded 07.10.2023)

[6] Venkatarathnam G.. & Timmerhaus K. D. Cryogenic mixed refrigerant processes.2008. New York: Springer

[7] Choi M. LNG for Petroleum Engineers. SPE Projects. Facilities & Construction, 6(04), 255— 263. doi: 10.211 S/l 3 3 722 -pa (¿«ssssd №7.12.2023)

[S] He T., Mao N.. Liu Z.. Qiy-um M. A., Lee M., & Pravez A. M. Impact of mixed refrigerant selection on energy and exergy performance of naUiral gas liquefaction processes. Energy, 2020. no. pp. 117378. doi:

10.1016/i .energy. 2020.117378 (accessed

20.10.2023)

[9] Sayadmosleh E., Soleimani M.. Shirazi L.. & Sarmad. M. Mixed refriEienmt components

selection criteria m LNG processes thermodynamic analysis and prioritization guidelines. Sustainable Energy Technologies aud Assessments. 2022, no. 49.pp. 101788, doi: 10.101Щ .seta .2021.10178 8 (accessed