Разработка методов повышения энергоэффективности получения СПГ на газовой распределительной станции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кравченко Юлия Андреевна

• Кравченко Юлия Андреевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Кравченко Юлия Андреевна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние газовой отрасли в сфере малотоннажного производства сжиженного природного газа

1.1 Развитие малотоннажного производства СПГ в Российской Федерации

1.2 Термодинамические циклы, используемые для редуцирования магистрального природного газа на ГРС

1.3 Принцип действия и устройство регенеративных теплообменных аппаратов

1.4 Теоретические основы моделирования тепловых процессов при производстве СПГ на ГРС

1.5 Выбор и обоснование темы и методики диссертационного исследования

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Математическое и программное обеспечение численного эксперимента

2.1 Физическая модель блока криогенного редуцирования магистрального природного газа

2.2 Математическая модель блока криогенного редуцирования магистрального природного газа

2.3 Программное обеспечение для реализации математической модели блока криогенного редуцирования магистрального природного газа

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Численные исследования технологических процессов в блоке криогенного редуцирования магистрального природного газа

3.1 Задача численного эксперимента

3.2 Верификация математической модели и программного обеспечения для ее реализации

3.3 Исследование работы блока криогенного редуцирования магистрального природного газа в установившемся режиме

3.3.1 Исследование влияния гидравлических сопротивлений в регенеративном теплообменном аппарате на работу блока криогенного редуцирования магистрального природного газа

3.3.2 Оценка влияния размера гранул теплоаккумулирующей насадки на работу блока криогенного редуцирования магистрального природного газа

3.4 Исследование работы блока криогенного редуцирования магистрального природного газа в пусковом режиме

3.5 Исследование работы блока криогенного редуцирования магистрального природного газа в режиме переменного расхода

3.5.1 Незабиваемость блока криогенного редуцирования магистрального природного газа

3.6 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Список рисунков

Приложение А

Приложение Б

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы.

Мировое потребление энергии непрерывно возрастает. Чтобы удовлетворить этот спрос, процессы генерации энергии, использующие природный газ будут играть все более важную роль. Природный газ является экологически чистым ископаемым топливом в результате чего в последнее время к нему проявляется повышенный интерес. Быстро растет спрос на сжиженный природный газ (СПГ) - природный газ, переведенный в жидкое состояние, посредством его охлаждения до температуры -161 оС.

Несмотря на развитие сферы производства СПГ в Российской Федерации имеется очевидный дефицит сжиженного природного газа на внутреннем рынке России. Мощности производителей СПГ ориентированы на экспорт и сами заводы находятся в труднодоступных местах откуда вывозить газ на внутренний рынок нерентабельно, поэтому организациям, заинтересованным в СПГ необходимо искать новые источники газа. С учетом того, что сжижение природного газа это просто форма его «упаковки», которая упрощает его логистику желательно, чтобы эти источники не требовали больших инвестиций на реализацию и энергозатрат.

Анализ публикаций в научной литературе показывает, что самым привлекательным с точки зрения энергоэффективности и минимальных инвестиций объектом, на котором в принципе можно производить сжиженный природный газ, являются городские распределительные станции (ГРС) -технологические предприятия, на которых магистральный газ снижает свое давление до уровня давления городской сети. При таком снижении (редуцировании) происходит падение температуры газа на 30-35 К, для компенсации которого газ предварительно подогревают за счет сжигания его части. Если использовать эффект снижения температуры при редуцировании для выработки сжиженного природного газа, то можно без дополнительных

энергозатрат получить до трёх процентов жидкости, что с учётом больших объёмов, которые пропускаются через ГРС в целом по стране, может насытить внутренний рынок жидким энергоносителем.

При реализации такой технологии возникает ряд нерешенных задач, в частности, для того чтобы направить весь поток газа в криогенный цикл его предварительно необходимо осушить и очистить от углекислого газа, что является достаточно энергозатратным действием. Многие разработчики предлагают различные технологии использования скрытой теплоотводящей способности магистрального природного газа, но все они рассчитаны на использование только части потока газа высокого давления, а для полной утилизации энергетических возможностей магистрального природного газа желательно найти способы его беззатратной осушки и очистки, что позволит вовлекать в процесс выработки СПГ весь редуцируемый поток и создаст условия для масштабного производства сжиженного природного газа на ГРС.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов повышения энергоэффективности получения СПГ на газовой распределительной станции»

Цель работы.

Развитие технологии редуцирования магистрального природного газа на газовой распределительной станции с целью повышения ее энергоэффективности.

Задачи работы.

1. Провести анализ литературы по теме редуцирования магистрального природного газа на газовой распределительной станции.

2. Обобщить информацию о низкотемпературных технологиях, используемых при редуцировании магистрального природного газа, сформулировать предложения по повышению их энергоэффективности.

3. Разработать мероприятия по увеличению доли магистрального природного газа, направляемого в процесс криогенного редуцирования.

4. Разработать математическую и физическую модели, программное обеспечение для их реализации и провести его верификацию.

5. Выполнить численные исследования по моделированию работы блока криогенного редуцирования.

Научная новизна работы.

Научная новизна заключается в разработке энергоэффективной технологии криогенного редуцирования магистрального природного газа на газораспределительных станциях (ГРС), обеспечивающей снижение давления потока без предварительного нагрева и затрат топливного газа, а также перевод части редуцированного газа в сжиженное состояние.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы определяется комплексным подходом к решению задачи повышения энергоэффективности процесса редуцирования магистрального природного газа за счет использования скрытой теплоотводящей способности газа высокого давления для перевода части потока низкого давления в сжиженное состояние. Разработана математическая модель блока криогенного редуцирования магистрального природного газа.

Практическая значимость - разработана энергоэффективная технология криогенного редуцирования магистрального природного газа на газораспределительных станциях (ГРС), при использовании которой снижение давления газа до уровня распределительной сети осуществляется без затрат топливного газа в блоке подогрева, а часть редуцируемого потока переводится в сжиженное состояние и может быть использована в качестве отдельного товарного продукта. Технология создает предпосылки для переработки магистрального газа с использованием методов криогенной ректификации.

Положения выносимые на защиту.

1. Технология криогенного редуцирования магистрального природного газа с одновременным получением сжиженного природного газа без дополнительных затрат энергии.

2. Технологический подход к решению задачи предупреждения гидратообразования в потоке магистрального природного газа в процессе редуцирования.

3. Результаты численных экспериментов по моделированию работы криогенного блока редуцирования магистрального природного газа в различных условиях эксплуатации.

Апробация работы.

Апробация результатов научного исследования подтверждена 10 публичными докладами на всероссийских и международных конференциях:

1. X Международная Научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 27.10.2021 - 29.10.2021).

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

3. 52 Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 31.03.2023 - 03.02.2023).

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

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

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

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

8. LIV Научная и учебно-методическая конференция ИТМО (1111С) (Университет ИТМО г. Санкт-Петербург, 27.01.2025 - 31.01.2025).

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

10. Международная научно-техническая конференция «Пром-Инжиниринг» 2025 (International Conference on Industrial Engineering ICIE-2025) (Московский политехнический университет, OOO «ИнтерКон», г. Москва, место проведения -г. Сочи, 11.05.2025 - 17.05.2025).

Достоверность научных достижений.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным выбором исходных данных, основных допущений и ограничений при постановке научных задач, использованием системного подхода и апробированного математического аппарата их решения и подтверждается достаточной сходимостью полученных результатов с практикой эксплуатации регенеративных теплообменных аппаратов в воздухоразделительных установках (ВРУ).

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационного исследования, а именно методы моделирования процессов снижения давления магистрального природного газа в блоке криогенного редуцирования (БКР), содержащем регенеративные теплообменные аппараты, данные об энергетических показателях БКР, работающих в составе газораспределительных станций, экономии топливного

газа, удельном выходе СПГ 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» при подготовке студентов, 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 13 публикациях. Из них 2 изданы в журналах, 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 81 наименования и двух приложений. Основная работа изложена на 274 страницах, включая, 39 рисунков и 9 таблиц.

Содержание работы

Введение

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

Глава 1

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния газовой отрасли в сфере малотоннажного производства сжиженного природного газа. Российская Федерация обладает большими запасами природного газа и развитой инфраструктурой для его транспортирования, но несмотря на это уровень газификации как страны в целом, так и отдельных регионов остается на низком уровне. Сжиженный природный газ - это природный газ, который за счет охлаждения до температуры 111 К переведен в жидкое состояние для упрощения его транспортировки и хранения.

Мировая индустрия сжиженного природного газа включает крупнотоннажное производство, основная цель которого - поставка СПГ на мировые рынки, и малотоннажное производство, нацеленное на межрегиональную торговлю и удовлетворение спроса на внутреннем рынке [5]. Производство сжиженного природного газа развивается высокими темпами, но несмотря на это на внутреннем рынке Российской Федерации имеется очевидный дефицит этого перспективного энергоносителя, что связано с экспортоориентированностью крупнотоннажных заводов. Их продукция зафрахтована на многие годы вперед и поставки своей экспортной продукции на внутренний рынок собственники в принципе не рассматривают. Кроме того, с учетом их территориального расположения на периферии страны с прямым доступом к морским и океанским акваториям транспортировка их продукции в центр страны не рентабельна.

Для того, чтобы широко использовать сжиженный природный газ на внутреннем рынке необходимо, чтобы на территории страны существовали распределенные источники для локального газоснабжения.

Развитие распределенного малотоннажного производства сжиженного природного газа имеет важное значение для развития промышленности и транспорта Российской Федерации, обеспеченность природным газом - важное условие улучшения качества жизни населения.

В первом разделе первой главы был проведен анализ современного состояния газовой отрасли в сфере малотоннажного производства СПГ и выявлено, что наиболее перспективным вариантом получения товарного СПГ для развития локального газопотребления могут стать газораспределительные станции, которых в стране насчитывается около 4000. Достаточно хорошо известно и многократно показано, что на этих объектах газовой сети можно получать сжиженный природный газ, затрачивая в несколько раз меньше энергии, чем в случае выработки СПГ на специализированных предприятиях (0,35 кВтч/кг СПГ).

Во втором разделе первой главы рассмотрены основные существующие термодинамические циклы для производства СПГ на ГРС, выявлены и показаны их преимущества и недостатки. Проведен анализ удельных энергозатрат этих циклов в результате которого был сделан вывод, что наиболее привлекательным циклом для получения СПГ на ГРС является простой дроссельный цикл, ввиду его низких удельных энергозатрат на производство сжиженного газа по сравнению с другими.

Рассмотрены технологические проблемы, связанные с подготовкой газа к сжижению и предложен альтернативный метод осушки и очистки магистрального природного газа от высококипящих примесей, методом вымораживания в регенеративных теплообменных аппаратах, который широко используется в воздухоразделительных установках, работающих по циклу П.Л. Капицы (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема блока получения СПГ с очисткой сырьевого газа в регенеративных теплообменниках

ВД - поток газа высокого давления, НД - поток газа низкого давления, Р1, Р2 - регенеративные теплообменники, Др - дроссельный вентиль, Ож - отделитель жидкости, В - запорный вентиль, УР - узел редуцирования

Сопоставление процессов, реализуемых с помощью регенеративных теплообменных аппаратов на воздухоразделительных установках и предложенная схема использования регенеративных теплообменных аппаратов на газораспределительных станциях, существенно различаются между собой прежде всего по уровню давлений, которые в случае редуцирования потока газа на ГРС значительно выше, чем в установках разделения воздуха. Это не позволяет напрямую использовать известную технологию вымораживания высококипящих примесей на теплоаккумулирующей насадке, которая широко используется в воздухоразделительных предприятиях, в газовой отрасли. Нужно выполнить исследования, которые подтвердили бы что и в этом случае технология остается работоспособной.

В ходе дальнейшего исследования были решены задачи, связанные с выбором рационального подхода к моделированию процессов переноса теплоты в регенеративных теплообменных аппаратах, где самым распространенным допущением является рассмотрение процесса нестационарного теплообмена в формате одномерной математической модели.

В одномерном приближении основные уравнения, описывающие процессы, протекающие в регенеративных теплообменных аппаратах, принимают вид:

уравнение движения:

в дш дш др рш2

уравнение неразрывности:

др дв

уравнение энергии газа:

дк д ( дТ\ др

где Рх - проекция плотности массовых сил на ось х;

— тепловой поток сквозь единицу поверхности; Т — средняя по сечению температура газа; йэ — эквивалентный диаметр; ш — скорость газового потока в полном сечении; % - локальный коэффициент гидравлического сопротивления; р - плотность при Т и р в сечении х;

о - производство энтропии в единице объема за счет вязкого трения;

и - периметр поперечного сечения.

Обоснована актуальность внедрения в производство надежной и недорогой установки, включающей в себя блок криогенного редуцирования (БКР) магистрального природного газа с одновременным получением сжиженного природного газа на ГРС.

Блок криогенного редуцирования магистрального природного газа позволит использовать весь поток газа, направляемый в городские распределительные сети для выработки небольшой доли энергоносителя в сжиженном виде.

Практическая реализация схемы простого дроссельного цикла с использованием регенеративных теплообменников требует минимальных инвестиций. При этом создаются условия для полной утилизации потенциальной энергии магистрального природного газа и возможность снизить или полностью исключить затраты топливного газа.

Глава 2

Вторая глава описывает процесс формирования математического и программного обеспечения численного эксперимента. Так как основу предлагаемой технологии криогенного редуцирования магистрального природного газа с одновременным получением сжиженного природного газа из потока магистрального природного газа на газораспределительной станции составляет регенеративный теплообменный аппарат, обоснованы основные технологические параметры насыпных насадок, такие как средняя скорость фильтрации через слой насадки, которая известна из эксплуатационного опыта ВРУ низкого давления и составляет 2,23 < Шф < 6,98 кг/м2 . с , диаметр гранул

насадки, который по литературным данным [41] обычно принимается йгр = 6 мм, удельная теплопередающая поверхность, которая для насадки каменного типа оценивается примерно в а0 = 900 м2/м3[42], удельный свободный объем

насадки, который для рассматриваемого типа насадки равен £ = 0,42 м3/м3 [42] и плотность насыпки рм = 1740 кг/м3[42].

Физическая модель блока криогенного редуцирования магистрального природного газа представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Физическая модель блока криогенного редуцирования магистрального природного газа: X - высота теплоаккумулирующей насадки Др - дроссельный вентиль, Ож - отделитель жидкости, В - запорный вентиль

Физическая модель БКР (см. рисунок 2) включает в себя два основных элемента Р1 и Р2, через которые газовый поток проходит из магистрального трубопровода в распределительную сеть. В теплообменнике высокого давления Р1 поток магистрального газа охлаждается до температуры близкой к насыщению. В теплообменнике низкого давления Р2 природный газ после редуцирования отогревается от температуры насыщения до температуры окружающей среды, регенераторы попеременно подключаются на прямой и обратный поток. Для сброса давления природного газа предусмотрен дроссельный вентиль Др, в котором осуществляется основной процесс редуцирования, после дроссельного вентиля поток направляется в отделитель жидкости Ож, где из потока низкого давления удаляется жидкая фракция с помощью запорного вентиля В, через который жидкая фракция в количестве х при давлении р2, и температуре насыщения Г' отводится из технологического аппарата. Очищенный от жидкости поток газа направляется в регенеративный теплообменник обратного потока Р2, где газ разогревается от Г3 до Г4 за счет поглощения теплоты аккумулированной насадкой в режиме прямого дутья.

В реальном блоке криогенного редуцирования кроме перечисленных элементов присутствует система клапанов, которая осуществляет реверсное переключение регенеративных теплообменников с высокого давления на низкое, но для проведения эксперимента описанием принципа действия этих элементов пренебрегаем, поэтому они не включены в состав физической модели.

Время переключения аппаратов является предметом экспериментального исследования.

Перенос теплоты от прямого редуцируемого потока газа к обратному можно описать выражением:

пр ^ пр х) = обр ^ обр) (4)

где цпр, цоб — перенос теплоты прямым и обратным потоком газа, дпр, добр — массовый расход прямого и обратного потока, к пр, к Пр1х — энтальпия прямого потока на входе и выходе из аппарата, к Вбр, к Обр — энтальпия обратного потока на входе и выходе из аппарата.

Обычно на этапе обобщенного анализа расход прямого потока выбирают в соответствии с технологическими рекомендациями для проектирования низкотемпературных аппаратов дпр = 1кг/с [46], а все другие потоки рассматривают как долю от этого потока.

В нашем случае из БКР выделяется поток жидкости, доля которого составляет х, а в приемную сесть низкого давления поступает поток газа доб, который вычисляется по формуле:

доб = дпр(1 — х), (5)

где дпр - массовый расход прямого потока газа, кг/с; х - коэффициент ожижения.

Для описания тепловых процессов в регенеративных теплообменниках используют объемный коэффициент теплоотдачи, который описывает интенсивность теплоотдачи в единице объема теплообменного аппарата и определяется по формуле:

ау = а0 а, (6)

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/^м2 . ;

а0 - удельная теплопередающая поверхность, м2/мз

Расчет объемного коэффициента теплоотдачи, основан на вычислении объемного числа Нуссельта, выглядит следующим образом [42]:

МЩ- Л

а" = ~Щ~, (7)

где Л - коэффициент теплопроводности газа, Вт/М . к)

Ыщ - число Нуссельта, приведенное к единице объема насадки; йэ - эквивалентный диаметр, м.

Число Нуссельта для насыпных насадок [42]:

= 0,3 Де°,8£°,75, (8)

где Де - число Рейнольдса [64]; £ — пористость м3/м3.

Увеличение скорости фильтрации будет неизбежно приводить к увеличению чисел Рейнольдса и Нуссельта, то есть интенсифицировать теплоотдачу. Одновременно будет происходить рост гидравлических потерь в насадочных теплообменниках. В общем случае рост гидравлического сопротивления теплообменных аппаратах негативно сказывается на криогенной аппаратуре, но применительно к решаемой задаче, которая преследует цель снижения давления газового потока - дросселирование, негативное влияние гидравлических потерь несущественно.

Величина гидравлического сопротивления насадки рассчитывается по формуле [42]:

р • wф2 Н

(9)

где £ - коэффициент сопротивления; р — средняя плотность газа в регенераторе, кг/м3; Я - высота теплообменника, м.

Описанные выше аналитические выражения будут использованы при построении математической модели блока криогенного редуцирования магистрального природного газа.

Во втором разделе второй главы описана математическая модель блока криогенного редуцирования магистрального природного газа.

Учитывая тепловую задачу, решаемую в рамках данного диссертационного исследования, важнейшую роль играет моделирование процесса переноса теплоты между прямым и обратным потоками редуцируемого природного газа, который осуществляется опосредованно за счет контактного теплообмена с теплоаккумулирующей насадкой аппаратов.

Для описания процесса изменения теплосодержания в материале насадке и газе, который находится внутри теплообменного аппарата, используют два уравнения энергии, которые могут быть записаны при помощи системы из двух дифференциальных [42]:

дк дк дт

дк дк V""1

£Р^ = а°а (Т ^ Яу,

д^ д2Ту^

(1 - е)Ры^т = аа0(Т - Тш) + (1- (10)

Представленные уравнения позволяют описать основные процессы переноса теплоты и массы внутри блока криогенного редуцирования в общем случае, а применительно к конкретной ситуации систему уравнений можно значительно упростить.

Принимая во внимание то, что элемент блока криогенного редуцирования магистрального природного газа имеет значительные размеры, можно несколько упростить выражение, которое описывает перенос теплоты в пределах насадочного слоя. Поскольку высота аппарата много больше диаметра (X » Б), то последний член уравнения, который описывает перенос теплоты по высоте слоя насадки контакта теплопроводностью, пренебрежимо мал по сравнению с другими членами уравнения, поэтому его можно приравнять к нулю:

д2Тш

Яш = (1- ~ 0.

Уравнение энергии для газовой среды содержит (уравнение 1 системы (10)) переменную яу , которая представляет собой сумму внутренних энергий источников теплоты внутри моделируемой системы.

В общем случае в качестве таких источников могут выступать элементы, обладающие теплотворной способностью - биологические объекты, радиоактивные и т.д., а в нашем случае, в качестве распределенного источника теплоты можно рассматривать теплоприток через тепловое ограждение регенеративного аппарата. Этот показатель можно принять постоянным на основании известных литературных данных [46] по заданной производительности аппарата.

Решая систему уравнений (10) методом конечных разностей, можно получить выражения для вычисления значение энтальпий газа и материала насадки на последующем временном слое:

[а°а (7^ — 7ЭДх — — Л^)] Дт

= Л+-д^-; (11)

аа°(Г — Гш)Дт = °1 — £)Р ■ (12)

Для перехода к вычислительному эксперименту необходимо сформулировать условия его однозначности, то есть задать начальные и граничные условия.

Блок криогенного редуцирования магистрального природного газа захолаживается во время пуска установки, так как на первом этапе исследования принято допущение, что в начальный момент времени в слое насадки уже сформировано распределение температур, которое описывает изменение температуры от температуры окружающей среды до температуры обратного потока.

Начальные условия могут быть сформулированы в следующем виде:

т = 0

^пр > ^Ш! > ^ пг , Т пг /(Робр)

На теплом конце теплообменного аппарата в режиме теплого дутья температура прямого потока равна температуре окружающей среды, а давление -давлению прямого потока:

I = 1

^пр ^ос , Р Рпр где Гпр - температура прямого потока; Гос- температура окружающей среды; рпр - давление прямого потока.

На холодном конце теплообменника температура входящего обратного потока равна температуре насыщенных паров, а давление - давлению обратного потока:

I = п

^об = ^''пг , Р = Роб где Гоб - температура обратного потока;

Г и

''пг - температура насыщенных паров природного газа; роб - давление обратного потока.

При известных значениях давления газа в прямом и обратном потоке система граничных и начальных условий однозначно определена, так как мы знаем температуру окружающей среды, по давлению потока можно определить энтальпию газа на входе, а энтальпию обратного потока по температуре насыщения газа при давлении обратного потока, таким образом физические условия эксперимента полностью определены.

Совокупность рассмотренных выше алгебраических уравнений формирует математическую модель объекта исследования, которая будет реализована в виде программного обеспечения пригодного для постановки вычислительного эксперимента.

Третий раздел второй главы посвящен созданию программного обеспечения для реализации математической модели блока криогенного редуцирования магистрального природного газа.

Анализ современных языков программирования показал, что наиболее легким для освоения и создания программного обеспечения для реализации математической модели БКР магистрального природного газа может служить высокоуровневый язык программирования Python [47], в котором имеется возможность использования библиотек стандартных программ, что значительно расширяют его базовый функционал. В частности, для выполнения численных экспериментов в рамках диссертации была использована подключаемая библиотека CoolProp, которая позволяет с достаточной точностью определять необходимые теплофизические параметры веществ [48].

Так как во встроенных библиотеках Python отсутствуют необходимые для расчета сведения о значениях энтальпии и теплоемкости базальтовой насадки, была разработана собственная библиотека, которая с помощью подпрограмм и poisfcJTwi решает эту проблему.

Блок-схема программного кода, обеспечивающего моделирование работы блока криогенного редуцирования магистрального природного газа представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Блок-схема программного кода

Основными результатами работы алгоритма являются значения температур и энтальпий насадки и газа на новом временном слое в каждом сечении регенератора, продолжительность полуцикла, а также количество полученной жидкости и средний коэффициент ожижения за полуцикл дутья.

Глава 3

Третья глава диссертации посвящена численным исследованиям технологических процессов в блоке криогенного редуцирования магистрального природного газа. В первом разделе третьей главы поставлены основные задачи численного эксперимента, среди которых можно выделить следующие:

• Позволяет ли цикл получения сжиженного природного газа за счет утилизации теплоотводящей способности магистрального природного газа исключить затраты топливного газа при подготовке сжатого газа к редуцированию.

• Какова оптимальная продолжительность полуцикла эксплуатации насадочного теплообменного аппарата в блоке криогенного редуцирования магистрального природного газа.

• Какие параметры слоя теплоаккумулирующей насадки (размер частиц, высота слоя, скорость фильтрации) обеспечивают наилучшее эксплуатационные показатели теплообменного аппарата периодического действия.

Так как разрабатываемая технология должна исключить использование части природного газа в качестве топлива для узла подогрева газового потока перед редуцированием, скрытая теплоотводящая способность потока магистрального природного газа, которая ранее компенсировалась за счет теплоты сгорания топливного газа, должна полностью затрачиваться на перевод части газового потока в жидкое состояние. Регенеративные теплообменники являются аппаратами периодического воздействия, так как перенос теплоты между прямым и обратным потоками рабочего вещества осуществляется за счет теплоаккумулирующей способности насадки, которая имеет конечное значение и определяет продолжительность полуцикла работы аппарата. В качестве условия завершения полуцикла можно рассматривать состояние насадочного теплообменного аппарата, при котором после дросселирования потока высокого давления прекращает образовываться влажный пар:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кравченко Юлия Андреевна, 2025 год

// // / N1

// А

// //

/ / —1—

73 123 173

223 273 323 Температура, К

Рисунок 4 - Распределение температуры прямого и обратного потоков воздуха по

высоте регенератора, полученное в результате вычислительного эксперимента 1 - начало холодного дутья; 2 - конец холодного дутья; 3 - начало теплого дутья;

4 - конец теплого дутья

Рисунок 5 - Изменение средней температуры прямого и обратного газовых потоков по высоте регенератора (по опытам В.Ф. Густова) [41] а - соотношение потоков 1,03, абсолютное давление 5,3 кг/см2; б - соотношение

потоков 1,00, абсолютное давление 5,4 кг/см2 1 - начало холодного дутья; 2 - конец холодного дутья; 3 - начало теплого дутья;

4 - конец теплого дутья

Сопоставление графиков по изменению средней температуры прямого и обратного потоков по высоте регенератора, полученных независимыми исследователями [41] и представленных на рисунке 4 и их сопоставление с графиками на рисунке 5 дает основание утверждать, что разработанная математическая модель и программное обеспечение для ее реализации адекватны и можно перейти к выполнению основной программы вычислительного эксперимента.

На следующем этапе проводимых численных экспериментов была исследована работа блока криогенного редуцирования магистрального

природного газа в установившемся режиме. Установившийся режим работы подразумевает постоянство расхода магистрального газа через газораспределительную станцию.

Перед началом процесса моделирования режима теплого дутья т = 0 необходимо задать распределения температурного поля насадки по высоте регенератора, в качестве которого в условиях неопределенности обычно принимается линейное распределение температуры насадки от температуры входящего газа до температуры входящего обратного потока. На каждом участке регенератора для каждого отрезка времени рассчитываются: температура газовой среды, выходящего с участка, и температура насадки после прохождения газа. После окончания периода теплого дутья аналогично моделируется взаимодействие насадки с холодным газовым потоком.

В ходе проводимого численного исследования были получены данные о распределении температур слоев насадки по высоте насыпного слоя регенератора в периоды теплого и холодного дутья (рисунки 6,7).

300

{р 280

&

л 260 и

I 240 н

220

200 180 160 140

т = 180 с

т = 60 с

т=0с

т = 120 с

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Номер сечения

Рисунок 6 - Изменение распределения температур в насадке в установившемся

режиме в период теплого дутья

с! 280

£

л 260 и

I 240 Н

220 200 180 160 140

т = 0 с

т = 60 с

т = 180 с

т = 120 с

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Номер сечения

Рисунок 7 - Изменение распределения температур в насадке в установившемся

режиме в период холодного дутья

Полученные в рамках проведенного численного исследования данные о распределении температур слоев насадки по высоте насыпного слоя регенератора в периоды теплого и холодного дутья могут быть использованы как начальные для проведения дальнейших экспериментов.

В рамках программы численных экспериментов была выполнена оценка влияния локальных гидравлических сопротивлений, а также размера гранул теплоаккумулирующей насадки в регенеративном теплообменном аппарате на работу блока криогенного редуцирования магистрального природного газа:

^ ртд = 95 Па, ^ рхд = 656,6 Па.

Анализ полученных значений позволяет сделать вывод, что полученные значения из-за сравнительного малых гидравлических сопротивлений в регенеративном теплообменном аппарате для прямого и обратного потока не оказывают существенного влияния на работу блока криогенного редуцирования магистрального природного газа, а также что несмотря на двукратное увеличение

размера гранул существенных изменений в работе регенеративного теплообменника не произошло (рисунок 8,9).

с 240

кГ

и

н е 230

ч

2

л к 220

е

р

е с 210

я

м

е р 200

т

190

180

170

160

ё = 12 мм

ё = 6 мм

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Номер цикла

Рисунок 8 - Зависимость времени переключения от диаметра гранул насыпной насадки регенеративного теплообменного аппарата

300

280

ей

р

&

I 260

с

е

н

240 220 200 180 160 140

ё = 6 мм

ё = 12 мм

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Номер сечения

Рисунок 9 - Диаграмма установившегося распределения температур в слое насадке от диаметра гранул в начальный момент цикла регенератора

Далее было проведено исследование работы блока криогенного редуцирования магистрального природного газа в пусковом режиме.

Ранее, при проведении вычислительных экспериментов в качестве начальных условий использовалось допущение о линейном распределении температур по высоте слоя теплоаккумулирующей насадки регенеративных теплообменных аппаратов блока криогенного редуцирования. Такое допущение было возможным, потому что после многочисленного повторения циклов прямого и обратного дутья внутри слоя формируется некоторое постоянно воспроизводимое начальное распределение температур, но такое распределение температур может сформироваться после достаточно большого числа циклов, что может существенно сказаться на работе особенно в режиме с переменным расходом магистрального природного газа, поэтому необходимо выполнить вычислительный эксперимент, в рамках которого удастся исследовать порядок формирования распределения температур по высоте слоя насадки при первичном запуске блока криогенного редуцирования, а также интенсивность переноса теплоты на разных участках теплообменного аппарата.

Предлагаемая схема установки блока криогенного редуцирования основана на простом дроссельном цикле, где отсутствуют внутренние источники холодопроизводительности, например, детандерные агрегаты, поэтому охлаждение насадки в пусковом периоде производится потоком газа низкого давления, поступающего в регенеративный теплообменник после прохождения дроссельного устройства (рисунок 10). Охлаждение насадки можно считать оконченным, когда после значительного числа переключений в регенераторе в каждом последующем цикле распределение температур по высоте аппаратов в каждый определенный момент времени регулярно воспроизводится в период теплого и холодного дутья.

Рисунок 10 - Начальное охлаждение насадки регенератора в составе БКР

Для исследования работы насадочного теплообменного аппарата в период начального охлаждения принимается, что температура насадки и температура газа имеют одинаковую температуру, равную температуре окружающей среды:

7^вд,нд li=0

= Т:

ВД,НД

J, ВД,НД гр

li=n 1 ос<

вд,нд _ ^вд,нд _ грвд,нд _

вд lwi = 0

вд lwi

вд lwi=n

т,

oc

Массовая скорость обратного потока газа меняется в зависимости от количества отведенной жидкости в период теплого дутья. Удельное количество жидкости, полученное в результате дросселирования потока высокого давления, может быть определено с помощью выражения:

х

h" - hm hLNG h i=n

h" 'LNG

h'

'LNG

В случае, если выход жидкости отсутствует массовая скорость фильтрации потока низкого и высокого давления равны между собой:

if х = 0 th е п w^ = w^-

А в случае, если коэффициент ожижения х > 0 , то массовая скорость фильтрации потока низкого давления может быть определена с помощью выражения:

¿/ х > 0 ¿Яеп ШфД = ^|д(1 — х).

В ходе проведенного численного эксперимента было замечено, что в сочетании с выбранной массовой скоростью фильтрации магистрального природного газа и времени переключения условие ограничения эксперимента, в качестве которого использовалось значение энтальпии редуцированного природного газа, при которой после дросселирования потока высокого давления прекращает образовываться влажный пар наступало значительно раньше и выходящий после дроссельного вентиля поток редуцированного природного газа начинал нагревать насадку низкого давления, необходимо варьировать продолжительность дутья в зависимости от массовой скорости природного газа высокого давления (см. рисунок 11).

начало выделенхи I

жидкой фракции

И и \

||\\\ т\ V АД \

Куу ЬуЧ Х \\ \\

' \ 1 \ \ N \ Л Чч4

V V * \ 4 \ \ \ ч NN

Ь \\ \\ ^ ч^ч^ ч. Ч

•Л • \\ I_\ л—\ ч \ \ N ^^ Чч ч \ \ ч Ч.»_ч. ч ^ч^ч

1 > ч\ \\ \ \ ч ч ч \ч ч ч ч ч Ч> ч V

т—1— « \ г > N \ \ ч Т ч 1 ч ч ч ч > N ] / ^ 1 \ N\ чч

20

еч

щ

19 Ц £

18 а

<и

17 1 К

16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160

Температура, К

теплое дутье

холодное дутье

Рисунок 11 - Характер изменения распределения температур по высоте регенеративного теплообменного аппарата в начальный момент теплого и холодного дутья в течение пускового режима регенератора

В этой связи была проведена серия экспериментов по поиску оптимального времени переключения, массовой скорости потока газа высокого давления, а также высоте насыпного слоя. На этом эксперимента шаг по высоте насыпного

слоя был уменьшен в два раза и принимался йх = 0,15 метра, при общей высоте

Н = 3 метра, так как полученное ранее распределение температур показывает, что

большая часть теплообменника существенно не сказывается на переносе теплоты,

так как температура теплоаккумумлирующей насадки меняется незначительно за

один цикл. Время переключения использовалось в пределах т = 240 — 540

секунд, а массовая скорость газа варьировалась в пределах

шф = 0Д —0,5кг/ 2 . ф ' ' / м2 • с

Результаты проведенного эксперимента представлены в виде графиков, изображенных на рисунке 12.

;

1

Л

№

№ т\

н\\ 1

п\\

|\ \\ \\ V.

ц Л \\ V

д О \ \\ Vч> ч \

\ \ \ \ \\ ч \

\ * \ V \\

N \ \ \\ ч % N

X "Ч "V

% ч

ч

19 я £

Рч

«

17 |

16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

295 285 275 265 255 245 235 225 215 205 195 185 175 165 155

т=240 с, №=0,5 кг/с-м2

-т=540 с, л¥=0Д кг/с-м2

-т=360 с, лу=0,3 кг/с-м2

-т 420 с, и- 0.25 кг/с-м2 ТемпеРатУРа> К -т=450 с, \у=0,25 кг/с-м2 - - холодное дутье, теплое дутье

Рисунок 12 - Моделирование работы БКР магистрального природного газа в

пусковом режиме

Анализ графиков, представленных на рисунке 12 позволяет обосновать оптимальное значение массовой скорости фильтрации природного газа высокого давления, а также соответствующую ей продолжительность прямого дутья. Наиболее оптимальным вариантом по результатам численного эксперимента

является с массовой скоростью w = 0,25 кг/с. м2 и продолжительностью дутья

т = 450 с. Характер изменения распределения температур по высоте насадки в течение начального периода охлаждения и в установившемся режиме в периоды теплого и холодного дутья представлен на рисунках 13-15.

20 * >гН

Я

19 %

и о

18 & о

17 Д

16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 б 5 4 3 2 1

|1\ \ \ 1V \

»V \ , \\ \

11Л\

1 \ \ Д 1 \ ^ \\\

: \ \ \ V \ \ Vх \

V \

1 \ \л \ V ' ч ч \ \ X

\\ V V \\ \\ \ ч

V \ \ \ \ ч N. ч \ N ч ч. > А

ч ч ч \\ ч N X N ч V V \ ч

ч ч ч ч Оч ч\ ■А ч \ > \ 444 \ ^ч ч \ \\

300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170

Температура, К

---холодное дутье, - теплое дутье

т=0 часа -т=0,5 часа -т=1 час

т=2 часа

■1=2,5 часа

т=3 часа

т=1,5 часа ■ х=4 часа

Рисунок 13 - Моделирование работы БКР в пусковом режиме при оптимальных

значениях = 0,25 кг/ 2 ,т = 450 с.

ф ' / С • м2

По результатам исследования в установившемся режиме средний коэффициент ожижения за полуцикл прямого дутья составил х = 0,078, а суммарный выход жидкости д^с = 8,84 кг/с. м2, при этом максимальный

перегрев насадки за период теплого дутья составил ДГвд = 40,5 К.

Рисунок 14 - Изменение температуры насадки по высоте регенератора в период теплого дутья при оптимальных значениях Шф = 0,25 кг/ 2, т = 450 с.

Рисунок 15 - Изменение температуры насадки по высоте регенератора в период холодного дутья при оптимальных значениях Шф = 0,25 кг/ 2, т = 450 с.

Графики, приведенные на рисунках 14, 15 показывают динамику изменения температуры по высоте насадочного слоя, которая определяется процессом передачи теплоты, протекающим в слое. На начальном этапе дутья т = 0 с минимальная температура насадки в регенераторе, находящемся в режиме прямого дутья, составляет = 172 К. По мере прогрева слоя происходит увеличение температуры, и она достигает значения = 212 К после этого происходит переключение аппарата. В то же время в аппарате низкого давления

процесс движется в другую сторону, первоначально перегретый слой в котором температура на входе в него составляет = 212 К достаточно быстро охлаждается до температуры насыщенных паров СПГ (Г = 152 К), после прекращения выделения паров после дроссельного вентиля происходит постепенный нагрев насадки потоком редуцированного природного газа и в конце эксперимента температура насадки составляет = 171,4 К.

Выполненный численный эксперимент расширил представления о физике процессов, протекающих в регенеративных теплообменных аппаратах блока криогенного редуцирования магистрального природного газа при первичном пуске установки. Полученную информацию необходимо использовать в дальнейших экспериментах для анализа работы регенератора в условиях близким к реальным.

Завершающим этапом численных экспериментов было исследование работы блока криогенного редуцирования магистрального природного газа в режиме переменного расхода. Потребление природного газа в распределительной сети отличается неравномерностью, причем каждой категории газопотребителей свойственны характерные сезонные, недельные и суточные неравномерности потребления [57]. В разные периоды суток потребление газа в распределительной сети может колебаться в диапазоне от 2,9% до 7%.

В зависимости от того, какая доля от среднего суточного потребления газа приходится на текущий период суток, изменяется массовая скорость фильтрации магистрального природного газа через регенеративный теплообменник блока криогенного редуцирования магистрального природного газа в соответствии с:

24 • рг;

где рг; — % от суточного расхода в зависимости от времени суток.

Для проведения численного эксперимента потребовалось усложнение алгоритма программы и в результате блок-схема программы, позволяющей

смоделировать работу БКР магистрального природного газа в условиях переменного расхода на ГРС, приняло следующий вид (рисунок 16):

Рисунок 16 - Блок-схема алгоритма работы БКР магистрального природного газа

в условиях переменного расхода на ГРС

Результаты проведенного численного эксперимента представлены в виде графиков на рисунках 17-19. Графические материалы и полученные расходные характеристики блока криогенного редуцирования позволяют утверждать, что несмотря на значительные суточные колебания расхода газа через ГРС блок криогенного редуцирования работает устойчиво и обеспечивает практически полную утилизацию скрытой теплоотводящей способности газа для получения сжиженного природного газа, таким образом защищает распределительную сеть от поступления в нее переохлажденного газового потока.

Эксперименты показали, что имеются серьезные колебания значения среднечасового коэффициента ожижения в течение суток (рисунок 17). Коэффициент ожижения изменяется в широких пределах и на отдельных этапах

работы блока криогенного редуцирования достигает очень больших значений, что связано с тем, что в данный период времени расход газа через блок криогенного редуцирования резко снижается и высокий коэффициент ожижения достигается за счет ранее аккумулированной теплоотводящей способности магистрального газа. В этот период происходит некоторый перегрев теплоаккумулирующей насадки, так как снижается расход обратного потока. Снижение расхода происходит по двум причинам: во-первых, полный среднечасовой расход через блок криогенного редуцирования меньше среднестатического за счет низкого потребления в сети, во-вторых, существенная часть газа выделяется в жидком виде (до 35%). В результате взаимодействия этих двух факторов при возобновлении номинальной пропускной способности (с 6-7 часов) наблюдается резкое падение среднечасового коэффициента ожижения, которое через некоторое время компенсируется и на протяжении большей части суток остается на уровне 6-7%. Так как производство жидкости является побочным процессом на ГРС и не влияет на работу блока криогенного редуцирования магистрального природного газа, колебание коэффициента ожижения никак не сказывается на эффективности работы предложенного узла. В то же время температура обратного потока остается стабильна. В зависимости от массовой скорости газа, проходящего через единицу площади поперечного сечения регенеративного теплообменного аппарата, меняется и характер распределения температур в теплообменных аппаратах БКР. В результате неравномерности поступления теплоты с потоком газа высокого давления в отдельные периоды суток с существенно пониженным расходом газа высокого давления наблюдается увеличение значения среднего коэффициента ожижения. Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к резкому снижению значения среднего коэффициента ожижения, так как за время работы в предыдущих полуциклах насадка плохо охлаждалась в полуцикле обратного дутья, что связано со снижением расхода газа в обратном потоке.

Рисунок 17 - Зависимость среднего коэффициента ожижения от часа суток

Колебание массовой скорости фильтрации и изменение коэффициента ожижения в простом дроссельном цикле были причиной того, что количество жидкости, получаемой в блоке криогенного редуцирования, также меняется в зависимости от часа суток, что отражено на графике, представленном на рисунке 18. Характер расхода жидкости, получаемой в блоке криогенного редуцирования кардинально отличается от графика коэффициента ожижения (см. рисунок 17). Коэффициент ожижения — это относительная величина, а выход жидкости — это абсолютная величина, некоторое физическое количество жидкости, которое в периоды высокого коэффициента ожижения невелико, потому что мал массовый расход потока газа высокого давления. По мере роста потока и восстановления нормального температурного распределения в насадочном слое выход жидкости нарастает и в часы максимального потребления магистрального природного газа достигает 9ьыс ~ 100 кг / 2 , что представляет существенный промышленный интерес.

о я

и

И

Я н

о §

§

X о к Рн

120 100 80 60 40 20 0

у

И у / / т

\ \ / / /

4 \ \ 1 / В / / /

/ Н

гч т ■ ■

-и (Ч

1/4 ЧО Г- СО СТ1 о ■ ■■■■■ 1—1

т «о Г-- ОО I

1— 1—Н I—I

и м т

/1 ю [ч но

О 1—I сч гл П М П (Ч

Часы суток

Рисунок 18 - Зависимость массового расхода, получаемой жидкости от часа суток

Гистограмма, представленная на рисунке 19 содержит сведения как о среднечасовом выходе жидкости, так и о расходе газа и позволяет составить представления о связи между количеством перерабатываемого газа и количеством получаемой жидкости.

Рисунок 19 - Зависимость массового расхода газа, проходящего через единицу поверхности поперечного сечения теплообменника БКР и массового расхода

получаемой жидкости от часа суток

По результатам проведенного численного эксперимента по исследованию блока криогенного редуцирования в условиях переменного расхода на ГРС можно сделать вывод о работоспособности регенеративных теплообменных аппаратов и блока криогенного редуцирования, построенного с их использованием, одновременно показана возможность получения существенного количества сжиженного природного газа без дополнительных затрат энергии. Более того, предложенная технология позволяет исключить использование топливного газа в блоке подогрева, таким образом достигается двойной экономический эффект как за счет выработки дополнительной продукции в виде СПГ, так и за счет энергетических ресурсов в виде экономии топливного газа.

Среднесуточный коэффициент ожижения природного газа составил х = 0,078, а выход жидкости, отнесенный к единице поверхности теплопередающего аппарата - дьмс = 1684,93 кг/м2 . СуТ , что составляет около

615 тонн/^ ^^ . К примеру, АГРС Саратов 70-М, расположенная в Адлерском

районе г. Сочи, годовая максимальная производительность которой достигает 1,85 млрд м3/год позволит получить около 100 тыс. тонн СПГ в год посредством внедрения предложенного блока криогенного редуцирования магистрального природного газа.

Масштабируя полученный результат на 4000 ГРС Российской Федерации можно высказать предположение, что суммарно можно производить более 20 млн тонн СПГ в год, причем организация этого производства потребует минимальных финансовых вложений, а производительность 20 млн тонн СПГ в год это производительность крупнейшего газоперерабатывающего предприятия - Ямал-СПГ, которое на данный момент составляет примерно 50% от годового производства экспортоориентированного СПГ предприятия Российской Федерации.

Заключение

В ходе диссертационного исследования был проведен анализ возможности повышения энергоэффективности процесса редуцирования магистрального природного газа на газораспределительных станциях за счет внедрения цикла трансформации теплоты, который использует скрытую теплоотводящую способность магистрального газа для перевода части редуцируемого потока в сжиженное состояние.

В ходе исследования выявлено, что наиболее перспективным вариантом получения товарного СПГ для развития локального газопотребления могут стать газораспределительные станции, которых в стране насчитывается около 4000.

Применительно к данной технологической задаче были рассмотрены циклы производства малотоннажного сжиженного природного газа и выявлены их основные преимущества и недостатки. Показано, что развитие производства СПГ на ГРС перспективно с энергетической точки зрения, так как получение жидкости происходит в основном за счет энергии, уже затраченной при сжатии природного газа перед его подачей в транспортный трубопровод. Но эту энергоэффективную технологию, основанную на использовании скрытой теплоотводящей способности, сдерживают трудности, связанные с очисткой природного газа от высококипящих компонентов.

В диссертационном исследовании предложена энергоэффективная технология редуцирования магистрального природного газа на газораспределительных станциях, которая исключает затраты топливного газа, на его подогрев перед редуцированием, кроме этого, позволяет перевести часть редуцируемого природного газа в сжиженное состояние.

Разработана энергоэффективная технология, подготовки природного газа к сжижению, позволяющая использовать для получения СПГ весь поток магистрального природного газа перерабатываемый ГРС.

Для проведения диссертационного исследования была разработана математическая модель блока криогенного редуцирования магистрального природного газа, построенного на базе насадочного теплообменного аппарата и программное обеспечение для ее реализации.

Выполнено исследование работы блока криогенного редуцирования магистрального природного газа в условиях постоянного расхода магистрального природного газа на ГРС, а также исследование работы БКР в режиме начального охлаждения.

Подобрана оптимальная скорость фильтрации магистрального природного газа w = 0,25 кг/с. м2 и продолжительностью дутья т = 450 с. По результатам

исследования в установившемся режиме средний коэффициент ожижения за цикл полудутья составил х = 0,078, а выход жидкости ^¿^с = 8,84 кг/с. м2,

максимальный перегрев насадки за период теплого дутья составил ДГвд = 40,5 К.

Завершающим этапом в рамках диссертационного исследования стало

исследование работы блока криогенного редуцирования магистрального

природного газа в условиях переменного расхода магистрального природного газа

на газораспределительных станциях. По результатам проведенного численного

эксперимента по исследованию блока криогенного редуцирования в условиях

переменного расхода на ГРС можно сделать вывод о работоспособности

регенеративных теплообменных аппаратов и их пригодности для получения СПГ.

Среднесуточный коэффициент ожижения составил х = 0,078, а выход жидкости

07^ = 1684,93 кг/ 2 , что составляет около 615 тонн/ 2 . К примеру, > / м2 • сут /м2 • год г ^

АГРС Саратов 70-М, расположенная в Адлерском районе г. Сочи, годовая

максимальная производительность которой достигает 1,85 млрд м3/год позволит

получить около 100 тыс. тонн СПГ в год посредством внедрения предложенного

блока криогенного редуцирования магистрального природного газа.

В работе обоснована возможность широкого внедрения технологии криогенного редуцирования магистрального природного газа, достоинством

которой является не только энергоэффективность, которая обеспечивает исключение затрат энергии при редуцировании газа и дает возможность получить дополнительную товарную продукцию в виде сжиженного природного газа, но и обладает низкими инвестиционные затратами.

Аппараты, включенные в состав блока криогенного редуцирования предельно просты, могут быть изготовлены практически на любом машиностроительном предприятии, а сама по себе технология простого дросселирования хорошо изучена и не требует никакого дополнительного сложного оборудования, что снижает потенциальную себестоимость и квалификационные требования к обслуживающему персоналу, что создает условия для повышения уровня автоматизации блока криогенного редуцирования магистрального природного газа.

Получение сжиженного природного газа при редуцировании магистрального природного газа создает технологические условия для развития методов комплексного разделения природного газа перед его подачей в распределительную сеть. Наличие жидкой фракции дает основание для внедрения на ГРС методов криогенной ректификации, которые широко применяются на воздухоразделительных предприятиях и позволяют извлекать из многокомпонентной газовой смеси - воздуха даже такие редкие компоненты как неон криптон ксенон и гелий, которые присутствуют в незначительных долях [39]. Применительно к природному газа, показаны возможности перевода его части в сжиженное состояние, что позволяет выстраивать на базе ГРС блоки по извлечению из газа поступающего в распределительную сесть такие компоненты как этан, пропан и бутан, себестоимость которых на рынке в 2-3 раза выше, чем стоимость основного газоносителя - метана.

Публикации по теме работы.

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1. 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

2. Baranov A., Kravchenko Y.A., Ikonnikova A.Y. Numerical Modeling of the Operation of a Packaged Heat Exchanger in Obtaining Liquefied Natural Gas at Gas Distribution Stations//International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2025, 2025, pp. 128-133

3. 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

В изданиях из списка ВАК РФ:

1. 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

2. 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

В прочих изданиях:

1. Кравченко Ю.А., Баранов А.Ю. (науч. рук. Баранов А.Ю.) Влияние компонентного состава газа на работу насадочного теплообменного аппарата в

установке получения СПГ на ГРС // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, [2025]. URL: https://kmu.itmo.ru/digests/article/15494

2. Кравченко Ю.А., Баранов А.Ю. (науч. рук. Баранов А.Ю.) Верификация математической модели регенеративного теплообменного аппарата в цикле ожижения природного газа // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, [2024]. URL: https: //kmu. itmo .ru/digests/article/13819

3. Кравченко Ю.А., Баранов А.Ю. (науч. рук. Баранов А.Ю.) Разработка методики выделения нестабильного газового конденсата из магистрального природного газа на ГРС // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, [2023]. URL: https: //kmu. itmo .ru/di gests/article/10743

4. Кравченко Ю.А., Баранов А.Ю. (науч. рук. Баранов А.Ю.) Снижение негативного влияния газораспределительных станций на окружающую среду в Российской Федерации // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, [2022]. URL: https://kmu.itmo.ru/digests/article/8520

5. Кравченко Ю.А., Калимуллин Т.Р., Беляев В.В. (науч. рук. Баранов А.Ю.) Выбор способа выдачи сжиженного природного газа из крупнотоннажных хранилищ // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, [2021]. URL: https://kmu.itmo.ru/digests/article/5869

6. Кравченко Ю.А., Спиридонова А.П., Баранов А.Ю. Установка для производства сжиженного природного газа на газораспределительной станции // X Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 27-29 октября 2021г.): материалы конференции -2021. - С. 97-99.

7. Логвиненко Е.В., Солонина Ю.А., Кравченко Д.В., Баранов А.Ю., Спиридонова А.П. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

РЕШЕНИЙ ПО СОКРАЩЕНИЮ ПОТЕРЬ ОТ ИСПАРЯЕМОСТИ СПГ В КРУПНОТОННАЖНЫХ НАКОПИТЕЛЬНЫХ ХРАНИЛИЩАХ//В книге: Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства. Материалы 11-й Международной научно-технической конференции. - 2021. - С. 60-61

8. Андреев А.М., Кравченко Ю.А. (науч. рук. Баранов А.Ю.) Организация выдачи сжиженного природного газа из крупнотоннажных хранилищ-накопителей // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, [2020]. URL: https://kmu.itmo.ru/digests/article/3696

Synopsis

General thesis summary

Relevance.

Global energy consumption is constantly growing. Natural gas-based power generation technologies will play an increasingly important role in meeting this demand. Natural gas is an environmentally friendly fossil fuel, and interest in it has recently been growing. Demand for liquefied natural gas (LNG) - natural gas liquefied by cooling to -161°C - is rapidly growing.

Despite the development of LNG production in the Russian Federation, there is a clear shortage on the domestic market. LNG production capacity is export-oriented, and the plants themselves are located in hard-to-reach locations, making transporting the gas to the domestic market unprofitable. Therefore, organizations interested in LNG must seek new sources of gas. Given that liquefied natural gas is merely a "package" for it, simplifying logistics, it is desirable that these sources do not require large investments in sales and energy costs. An analysis of scientific literature shows that the most attractive facility for liquefied natural gas production in terms of energy efficiency and minimal investment is gas distribution stations (GDS) - processing facilities where the pressure of main gas is reduced to the pressure level of the city grid. This reduction results in a 30-35 K drop in gas temperature, which is compensated for by preheating the gas by flaring a portion of it. Harnessing this temperature reduction for liquefied natural gas production allows for the recovery of up to three percent of liquid fuel without additional energy consumption. Given the large volumes processed at GDSs across the country, this could saturate the domestic market with liquid energy.

Implementing this technology raises a number of unresolved issues. Specifically, to direct the entire gas flow into the cryogenic cycle, it must first be dried and purified of carbon dioxide, a highly energy-intensive process. Many developers propose various technologies for utilizing the latent heat capacity of natural gas, but all of them are designed to utilize only a portion of the high-pressure gas flow. To fully utilize the energy potential of natural gas, it is advisable to find cost-effective ways to dry and purify it, which will allow the entire reduced flow to be involved in the LNG production process and create conditions for large-scale production of liquefied natural gas at gas distribution stations.

Research object.

Development of technology for reducing main natural gas at a gas distribution station in order to increase its energy efficiency.

Research subject.

1. To analyze the literature on the reduction of main natural gas at a gas distribution station.

2. To summarize information on low-temperature technologies used in the reduction of main natural gas, to formulate proposals for improving their energy efficiency.

3. To develop measures to increase the share of main natural gas sent to the process of cryogenic reduction.

4. Develop mathematical and physical models, software for their implementation and carry out its verification.

5. To carry out numerical studies to simulate the operation of the cryogenic reduction unit.

Scientific novelty.

The scientific novelty lies in the development of an energy-efficient technology for cryogenic reduction of main natural gas at gas distribution stations (GDS), which provides a decrease in flow pressure without preheating and fuel gas consumption, as well as the conversion of a part of the reduced gas into a liquefied state.

Theoretical and practical significance.

The theoretical significance of the work is determined by an integrated approach to solving the problem of improving the energy efficiency of the process of reducing the main natural gas by using the latent heat-dissipating capacity of high-pressure gas to transfer part of the low-pressure flow to a liquefied state. A mathematical model of the cryogenic reduction unit of the main natural gas has been developed.

Practical significance - an energy-efficient technology for cryogenic reduction of main natural gas at gas distribution stations (GDS) has been developed, which reduces gas pressure to the level of the distribution network without spending fuel gas in the heating unit, and part of the reduced flow is converted into a liquefied state and can be used as a separate commercial product. The technology creates prerequisites for processing main gas using cryogenic rectification methods.

Defended research statements.

1. Technology of cryogenic reduction of main natural gas with simultaneous production of liquefied natural gas without additional energy consumption.

2. Technological Approach to Solving the Problem of Preventing Hydrate Formation in the Flow of Main Natural Gas in the Process of Reduction.

3. Results of numerical experiments on modeling the operation of the cryogenic unit of reduction of main natural gas under various operating conditions.

Credibility.

The reliability of the results obtained is ensured by the correct choice of initial data, basic assumptions and limitations in the formulation of scientific problems, the use of a systematic approach and a proven mathematical apparatus for their solution, and is confirmed by the sufficient convergence of the results obtained with the practice of operation of regenerative heat exchangers in air separation units (ASU).

Implementation of the research results.

The results of the dissertation research, namely the methods of modeling the processes of reducing the pressure of the main natural gas in the cryogenic reduction unit (CRU) containing regenerative heat exchangers, data on the energy indicators of the CRU operating as part of gas distribution stations, fuel gas saving, LNG specific yield are used in the educational process during lectures and practical classes on the courses "Prospects for the development of engineering and technology LNG", "Scientific Foundations of Cryogenic Technology", "Systems for the Production, Storage and Transportation of Liquefied Natural Gas" in the training of students studying in the direction 16.04.03 Refrigeration, Cryogenic Equipment and Life Support Systems at the Master's Degree Program "Energy Efficient Engineering Systems and LNG Technologies" with a specialization in "Liquefied Natural Gas Technologies".

Approbation.

The results of the scientific study were confirmed by 10 public presentations at national and international conferences:

1. X International Scientific and Technical Conference "Low-Temperature and Food Technologies in the 21st Century" (ITMO University, St. Petersburg, October 27, 2021 - October 29, 2021).

2. XI Congress of Young Scientists 2022 (ITMO University, St. Petersburg, April 4, 2022 - April 8, 2022).

3. 52nd Scientific and Educational Conference of ITMO University (ITMO University, St. Petersburg, March 31, 2023 - February 3, 2023).

4. XII CMU 2023 (ITMO University, St. Petersburg, 03.04.2023 - 06.04.2023).

5. XI International Scientific and Technical Conference "Artificial Refrigeration in the 21st Century" (ITMO University, St. Petersburg, 15.11.2023 - 17.11.2023).

6. Fifty-third (LIII) Scientific, Educational, and Methodological Conference of ITMO University (ITMO University, St. Petersburg, 29.01.2024 - 02.02.2024).

7. XIII Congress of Young Scientists of ITMO University (ITMO University, St. Petersburg, 08.04.2024 - 11.04.2024).

8. LIV Scientific, Educational, and Methodological Conference of ITMO University (ITMO University, St. Petersburg, 27.01.2025-31.01.2025).

9. XIV Congress of Young Scientists of ITMO University (ITMO University, St. Petersburg, 07.04.2025-11.04.2025).

10. International Scientific and Technical Conference "Prom-Engineering" 2025 (International Conference on Industrial Engineering ICSIE-2025) (Moscow Polytechnic University, InterCon LLC, Moscow, Sochi, 11.05.2025-17.05.2025).

Publications.

The main results on the topic of the dissertation are presented in 13 publications: two of them were published in journals recommended by the Higher Attestation Commission (HAC), and three were published in journals indexed in the Scopus citation database.

Thesis structure.

The dissertation consists of an introduction, three chapters, a conclusion, a list of references of 81 titles and two annexes. The main work is presented on 274 pages, including 39 figures and 9 tables.

Contents

Introduction

The introduction substantiates the relevance of the dissertation work, formulates the purpose and objectives of the research, demonstrates scientific novelty, theoretical and practical significance, and formulates the provisions submitted for defense.

Chapter 1

The first chapter of this dissertation analyzes the current state of the gas industry, focusing on small-scale production of liquefied natural gas. The Russian Federation possesses significant natural gas reserves and a developed transportation infrastructure, yet the level of gasification, both nationally and in individual regions, remains low. Liquefied natural gas is natural gas cooled to 111 K to facilitate transportation and storage.

The global liquefied natural gas industry includes large-scale production, primarily aimed at supplying LNG to global markets, and small-scale production, focused on interregional trade and meeting domestic demand [5]. Despite the rapid growth of liquefied natural gas production, the Russian domestic market is experiencing a clear shortage of this promising energy source, due to the export orientation of large plants. Their output is chartered for many years in advance, and their owners typically do not consider the possibility of supplying export products to the domestic market. Furthermore, given their location on the outskirts of the country with direct access to sea and ocean waters, transporting products to the center of the country is unprofitable.

For widespread use of liquefied natural gas in the domestic market, the presence of distributed sources of local gas supply in the country is necessary.

The development of distributed small-scale production of liquefied natural gas is of great importance for the development of industry and transport in the Russian Federation; the availability of natural gas is an essential condition for improving the quality of life of the population.

The first section of the first chapter analyzes the current state of the gas industry in the area of small-scale LNG production and reveals that the most promising option for producing commercial LNG for the development of local gas consumption may be gas distribution stations (GDS), of which there are approximately 4,000 in the country. It is quite well known and repeatedly shown that these facilities of the gas network can produce liquefied natural gas, spending several times less energy than in the case of LNG generation at specialized enterprises (0.35 kWh/kg of LNG).

The second section of the first chapter examines the main existing thermodynamic cycles for LNG production at gas distribution stations, identifying and demonstrating their advantages and disadvantages. An analysis of the specific energy consumption of these cycles is conducted, leading to the conclusion that the most attractive cycle for LNG production at gas distribution stations is the simple throttling cycle, due to its low specific energy consumption for liquefied gas production compared to other cycles.

The technological problems associated with the preparation of gas for liquefaction are considered, and an alternative method for drying and purifying main natural gas from high-boiling impurities is proposed using the freezing method in regenerative heat exchangers, which is widely used in air separation plants operating on the P.L. Kapitsa cycle (Figure 1).

Figure 1 - Schematic diagram of an LNG production plant with feed gas purification in

regenerative heat exchangers HP - high-pressure gas flow, LP - low-pressure gas flow, R1, R2 - regenerative heat exchangers, TV - throttle valve, LS - liquid separator, V - valve, RU - reduction unit

Comparisons of technological processes implemented using regenerative heat exchangers in air separation units and the proposed scheme for using regenerative heat exchangers in gas distribution stations (GDS) differ significantly, primarily in terms of pressure levels, which, when gas flow rates are reduced at GDSs, are significantly higher than in air separation units. This precludes the direct use of the well-known technology of freezing high-boiling impurities on heat-accumulating packing, widely used in the air separation and gas industries. Research is needed to confirm the viability of this technology in this case.

In the course of further research, the problems associated with the choice of a rational approach to modeling heat transfer processes in regenerative heat exchangers were solved, where the most common assumption is to consider the process of non-stationary heat transfer in the format of a one-dimensional mathematical model. In a one-dimensional approximation, the basic equations describing the processes occurring in regenerative heat exchangers are as follows: equation of motion:

G dw dw dp pw2

continuity equation:

d p d G

fgp+dX = 0; (2)

gas energy equation:

dh d ( dT\ dp

fPTr = u^+fTAxTx)+fTr+fTa' (3

where Fx — projection of mass force density on the axis x; qw — heat flux through a unit of surface; T — average cross-section gas temperature; de — equivalent diameter;