CC BY
68
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4 8211. Государственная регистрация №042 1200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Низкотемпературная энергетическая установка на основе емкости с криогенной заправкой # 06, июнь 2014
DOI: 10.7463/0614.0716978
Довгялло А. И., Угланов Д. А., Цапкова А. Б., Шиманов А. А.
УДК 621.5
Россия, СГАУ им. С.П. Королева
dmitn,.uglanov.'S.mail.ni а tsapkovafgmail.ru tema444stfg,mail.ru
Введение
Сжиженный природный газ (СНГ) сегодня находит всё большее применение. Он используется для газификации коммунального хозяйства, промышленных предприятий, автотранспорта в местах и регионах, удаленных от газопроводной системы.
Существует ряд решений, которые позволяют использовать низкотемпературный потенциал СНГ для получения дополнительной энергии[1]. Одним из таких решений является установка в комплекс СНГ газовой турбины за теплообменником-испарителем, с помощью которой можно получить работу, которую затем возможно преобразовать в электрическую энергию. В данной публикации произведён расчёт схемы комплекса СНГ с установленными в нем тремя турбинами.В качестве аккумулятора давления в газификаторе используется ёмкость с криогенной заправкой (ЕКЗ) (рис. 1) [2,3].
Особенностью ЕКЗ является то, что она может заправляться как газообразным продуктом, так и криогенным. В случае заправки ёмкости газообразным продуктом она работает как обычный баллон высокого давления, а в случае заправки равным по массе криогенным компонентом газификация происходит уже внутри ЕКЗ, что позволяет заправлять ёмкость при меньших давлениях. Внутренняя термосная емкость для криогенного компонента предотвращает тепловые удары и смягчает условия по термоциклической прочности конструкции [4,5].
Рис. 1. Ёмкость с криогенной заправкой:1 - вентиль запорный; 2 - клапан предохранительный; 3 - баллон; 4 - изоляция; 5 - изоляция внутренней емкости; 6 - внутренняя емкость; 7 - проставки опорные; 8 - фильтр; 9 - проставки радиальные; 10 - стакан; 11 - трубка заправочная; 12 - змеевик; 13 - сильфон; 14 - штуцер
1. Постановка задачи и результаты расчетатеплоотрицательной энергоустановки
При охлаждении природного газа затрачивается большое количество энергии (расчеты показывают, что эта величина составляет около 20 кВтч / кг). В дальнейшем использовании СПГ в качестве топлива в энергетическом комплексе необходимо проводить его газификацию. В ходе этого процесса в газификаторе используется тепло окружающей среды. При этом не используется низкотемпературный потенциал СПГ.
В данной статье предлагается использовать ЕКЗ в составе системы топливоподачи в
энергетическом комплексе на СПГ. В качестве устройств для получения дополнительной энергии предлагается использовать несколько расширительных турбин, соединенных в единый комплекс вместе с ЕКЗ. При этом необходимо подобрать турбины оптимальным образом с необходимой степенью расширения для получения максимально возможного количества энергии, с одной стороны, а с другой стороны, исключить возможности образования гидратов.
На основе ЕКЗ была спроектирована установка, утилизирующая низкопотенциальное тепло, при эксплуатации которой вырабатывается дополнительная электрическая энергия [1].Энергоустановка, использующая запасенное низкопотенциальное тепло для производства энергии (по терминологии Г.Н. Алексеева[6]) называется теплоотрицатель-ной. Принципиальная схема установки представлена на рис. 2.
Рис. 2.Принципиальная схема теплоотрицательной установки: 1 - ёмкость с криогенной заправкой (ЕКЗ); 2 - задвижка; 3 - задвижка; 4 - редуктор на давление Р1; 5 - первая турбина 1 контура; 6 - электрогенератор; 7 - вторая турбина 1 контура;8 - электрогенератор; 9 - редуктор на давление Р5; 10 - теплообменник; 11 -газопоршневая установка (ГПУ);12 - электрогенератор; 13 - задвижка; 14 - редуктор на давление Р4; 15 -
турбина 2 контура; 16 - электрогенератор
Работа установки осуществляется следующим образом.
После газификации в баллоне со сжиженным природным газом 1при открытом положении задвижек 2 и3 газ поступает в первый контур, проходя через редуктор 4, который поддерживает давление на входе в турбину 5 постоянным и равным р2. Проходя через турбину 5, газ понижает давление до уровня р3, совершает механическую работу, которая после преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора 6. Далее газ проходит через турбину 7, понижая давление до значения р5, при этом вырабатывается электрическая энергия на электрогенераторе 8.За турбиной газ подогревается в теплообменнике 10 и используется в газопоршневой установке 11, которая вырабатывает основную электроэнергию.
Когда давление в баллоне со сжиженным природным газом 1 становится равным давлению р3, закрывается задвижка 3 и открывается задвижка13, и газ поступает во второй контур, проходя через редуктор 14, который поддерживает давление на входе в турбину 15 постоянным и равным р4. На турбине совершается механическая работа, которая далее с помощью электрогенератора 16 преобразуется в электрическую энергию. За турбиной газ подогревается в теплообменнике 10 и используется в газопоршневой установке 11, которая вырабатывает электроэнергию.
Таким образом, такая схема позволяет получить дополнительную электрическую энергию, которую можно использовать для различных целей, в том числе для нужд населенных пунктов.
Расчеты установки по схеме на рис. 2 проводились с учетом того, что для ГПУ необходима подача газа под давлением^ = 0,1 МПа с расходом газа Ог = 0,042 кг/спримощности ГПУ ЫГПу = 1011 кВт.
Для оценки эффективности работы были проведены расчеты предлагаемой установ-кипри различных конечных давлениях в ЕКЗ. Во всех вариантах масса заправленного кри-опродукта составляет 866 кг. Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты расчетатеплоотрицательной установки
р, МПа V, м3 Тгазиф, ч турб 1 конт., кВтч турб 1 конт., кВтч ^'турб 2 конт., кВтч ^^Етурб, кВтч кВтч кВтч Тэл. эн., ч
2,5 54,0 25,7 4,23 15,99 16,18 36,40 4303,36 4339,76 4,3
5 27,0 25,4 12,64 16,46 16,48 45,58 4766,23 4811,81 4,7
10 13,5 24,6 25,37 9,69 18,02 53,08 5147,83 5200,91 5,1
15 9,0 24,8 36,02 3,72 19,02 58,76 5360,15 5418,91 5,3
20 6,7 25,6 45,32 2,84 17,52 65,68 5466,64 5532,32 5,4
30 4,5 26,4 54,33 1,87 11,01 67,21 5572,47 5639,68 5,5
Для объективной оценки использования низкопотенциального тепла СПГ в установке на основе ЕКЗ предлагается использовать следующие показатели:
• О м - удельное количество дополнительной энергии, кВтч / кг:
Щ
п = —
11 'м '
т
где - количество дополнительной энергии,кВт; т- масса газа в ЕКЗ кг. Ор - удельное количес ции, кВтч / (кгМПа):
• 0,р - удельное количество дополнительной энергии с учетом давления газифика-
Пр =
р -т
где р - давление газа вЕКЗ после газификации СПГ, МПа.
• О - удельное количество дополнительной энергии с учетом объема ЕКЗ, кВтч /
(кгм3):
_ Щ
^ V ~ 77 < У-т
где V -объем ЕКЗ, м3.
Результаты сравнительного расчета приведены в табл. 2 и на рис. 3.
Р, МПа кВт ■ ч п„,- р кг-МПа кВт ■ ч пг,-г кг-м^ кВт-ч П"" кг
2,5 2,005 0,093 5,011
5 1,111 0,206 5,556
10 0,601 0,445 6,006
15 0,417 0,695 6,257
20 0,319 0,946 6,388
30 0,217 1,447 6,512
Данные показатели позволяют объективно оценить потенциальные возможности получения дополнительной энергии при использовании криопродуктов с последующей их регазификацией в ЕКЗ с учетом эксплуатационных ограничений и расхода рабочего тела. На основании выше изложенного можно сделать вывод о перспективности предлагаемого технического решения и о возможности его применения в различных областях техники.
2. Схема и результаты расчета теплоотрицательной установки с возможностью заправки автомобилей
На основе схемы, рассмотренной выше, была спроектирована теплоотрицательная установка, служащая для заправки автомобилей природным газом [1]. Схема установки представлена на рис. 4.
7,00 6,00 5,00 4,00
о
3,00 2,00 1,00 0,00
Рис. 3. Результаты сравнительного расчета теплоотрицательной установки
Принцип работы установки состоит в следующем. В ёмкость с криогенной заправкой заправляется сжиженный природный газ при температуре 112 К. Далее он газифицируется за счет естественных теплопритоков (либо с помощью внешнего теплообменника) до температуры окружающей среды 300 К и давления 30 МПа.
П(Р) О(У) О(т)
2 6 10 14 18 22
Давление в ЕКЗ, МПа
26
30
После полной газификации газа из емкости может производиться заправка автомобилей на автомобильной газонаполнительной станции (АГНС). Давление при заправке автомобильного баллона составляет 20 МПа. Если установка рассчитана на заправку 10 автомобилей и время заправки одного автомобиля составляет 7 минут, то расход газа при заправке одного автомобиля составляет 0,066 кг/с. Газонаполнительная станция может заправлять метаном и технические баллоны (например, для сварочного оборудования).
При достижении в ЕКЗ давления 20 МПа заправка автомобилей далее не может производиться. Оставшееся количество природного газа поступает в магистраль с расширительными турбинами, на которых вырабатывается электрическая энергия, и далее газ используется в газопоршневой установке (ГПУ). ГПУ вырабатывает электрическую энергию для нужд населения. Для ГПУ необходима подача газа под давлением 0,1 МПа, расход газа составляет 0,042 кг/спримощности ГПУ 1011 кВт,всего потребуется 866 кг метана на 6 часов работы.
Рис. 4. Принципиальная схема комбинированной теплоотрицательной установки: 1 - ёмкость с криогенной заправкой (ЕКЗ); 2 - задвижка; 3 - задвижка; 4 - автозаправочная станция; 5 - задвижка;6 - задвижка; 7 -редуктор на 10 МПа; 8 - турбина с л? = 8,8; 9 - электрогенератор; 10 - турбина с л? = 10;11 -электрогенератор; 12 - редуктор на 0,1 МПа; 13 - теплообменник; 14 - газопоршневая установка (ГПУ);15 -электрогенератор; 16 - задвижка; 17 - редуктор на 1 МПа; 18 - турбина с л? = 3,9; 19 - электрогенератор
Вследствие того, что давление в ЕКЗ после начала истечения начинает снижаться, то степень расширения на турбинел?тоже соответственно уменьшится. Это приводитк падению удельной работы и мощности. Для стабильной работы турбины нужно обеспечить постоянную степень расширения на турбине. Для этого предлагаетсяустановить газовый
редуктор, который понижает давление на входе в турбину и поддерживает постоянный перепад на ней. Выполненные расчеты в соответствии с методикой [7] позволяют найти степень расширения, при которой полная работа турбин будет максимальна.
Полученные результаты показали, что оптимальная степень расширения для первой турбины в первом контуре составит Л = 8,8; для второй турбины в первом контуре Л = 10;для турбины второго контура Л = 3,9.
Результаты расчета теплоотрицательной установки представлены в табл. 3.
Табл. 3. Результаты расчетатеплоотрицательной установки
Степень расширения Мощность, кВт Время работы, мин Работа, кВт-ч
Первая турбина 1 контура 8,8 14,35 128 30,63
Вторая турбина 1 контура 10,0 8,73 90 13,04
Турбина 2 контура 3,9 5,52 7 0,64
Итого (на турбинах) - - 225 44,31
ГПУ - 1010,00 225 3780,91
Итого - - 225 3825,22
Общее количество выработанной электрической энергии составит 3825,22 кВтч в течение 225 мин. Время работы теплоотрицательной установки, включая время газификации метана в ЕКЗ, время заправки автомобилей, и время выработки электроэнергии, составит 24 ч.
Проведенная экономическая оценка теплоотрицательной установки показала, что срок окупаемости установки составляет 3,4 года.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования теплоотрицательных энергетических установок.
Выводы
В настоящей публикации была рассмотрена возможность использования низкопотенциального тепла СПГ в установке на основе ЕКЗ. Были найдены показатели, позволяющие объективно оценить возможность получения дополнительной энергии при использовании криопродуктов. В результате сделан вывод о перспективности предлагаемого технического решения и о возможности его применения в различных областях техники.
В данной статье был произведен расчет теплоотрицательной установки с возможностью заправки автомобилей. В ходе работы были подобраны турбины оптимальным образом с необходимой степенью расширения для получения максимально возможного количества энергии.Оптимальная степень расширения для первой турбины в первом контуре составит Л = 8,8; для второй турбины в первом контуре Л = 10;для турбины второго
контура п? = 3,9. При этом выполненная оценка по уровню температур и давлений ис-ключаетвозможность образования гидратов.
Таким образом, проведенные расчеты показывают перспективность исследования в данной области развития энергетических установок, а также позволяют реализовать потенциал энергосбережения при использовании сжиженного природного газа и других криогенных жидкостей.
Список литературы
1. Довгялло А.И., Сармин Д.В., Угланов Д.А., Шиманов А.А. Оценка возможности применения теплоотрицательной энергетики в комплексах сжиженного природного газа // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2013. № 3. С. 93-98.
2. Довгялло А.И., Лукачев С.В., Романов И.Г., Россеев Н.И., Цибизов Ю.И. Топливный баллон: пат. 2163699 РФ. 2001. Бюл. № 6. 3 с.
3. Довгялло А.И., Угланов Д.А., Ашихмина Т.В. Оценка термоциклической прочности в топливном баллоне с криогенной заправкой // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2007. № 2. С. 83-86.
4. Довгялло А.И., Сармин Д.В., Угланов Д.А. Предварительные исследования тепловых процессов в баллоне с криогенной заправкой бортовой дроссельной системы // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2011. № 3, ч. 4. С. 78-84.
5. Довгялло А.И., Некрасова С.О., Сармин Д.В., Угланов Д.А. Имитационные испытания баллона с криогенной заправкой для дроссельной системы охлаждения и ее сравнительные характеристики // Прикладная физика. 2013. № 4. С. 54-59.
6. Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирования авиационных двигателей и энергетических установок. М.: Машиностроение, 2003. 616 с.
7. Алексеев Г.Н. Прогнозное ориентирование развития энергоустановок. М.: Наука, 1978. 200 с.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THH BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. N»0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Cold power plant based on the cryogenic refueling tank
# 06, June 2014
DOI: 10.7463/0614.0716978
A.I. Dovgjallo, D.A. Uglanov, A.B. Tsapkova, A.A. Shimanov
Samara State AeroSpace University n.a. S.P. Korolev, 443086, Samara, Russian Federation
d.a.i f5mail.ru dmitrv.u.glanov ff mail.ru a tsapkovaffmail.ru tema444stfS;mail.ru
The paper evaluates the possibility to use a tank with cryogenic refueling as a part of the autonomous complex employing the liquefied natural gas. A cryogenic refueling tank-based installation to utilize a low-grade heat has been designed. During its use extra electric power is generated. To assess a performance capability, the proposed installation calculations have been made for different end pressures in cryogenic refueling tank. In all embodiments, the mass of cryogenic refilled is 866 kg. Depending on the pressure an amount of extra electric power is produced owing to utilizing a low temperature potential of LNG. New values, such as the specific amount of extra energy are introduced. These values allow objective assessment of the potential for extra energy when using the cryogenic products with their subsequent regasification in cryogenic refueling tank taking into consideration the operational constraints and the working fluid flow.
A cold energy power plant has been also designed to refuel vehicles with the natural gas. In this paper the turbines with desirable expansion ratio to generate the maximum possible amount of power were selected in an optimal way. The optimum degree of expansion for the first turbine in the first loop will be n*m = 8.8; for the second turbine in the first loop n*m= 10; turbines for the second loop nT = 3.9. The total amount of generated electric power will be 3725.22 kW*h for 225 min. The action time of cold energy power plant, including the time of methane gasification in cryogenic refueling tank, time of refueling vehicles, and time of electricity generation will be 24 hours. The economic assessment of cold energy power plant has shown that the payback period is 3.4 years.
Thus, the performance evaluation by the temperature and pressure levels eliminates the possibility for forming the hydrates.
So the calculations have shown that research in the development of power plants looks promising as well as allow you to save the energy potential by using the LNG and other cryogenic liquids.
Publications with keywords: liquefied natural gas, tank with cryogenic filling, gas turbine, cold energy recovery device, gas reciprocating unit
Publications with words: liquefied natural gas, tank with cryogenic filling, gas turbine, cold energy recovery device, gas reciprocating unit
References
1. Dovgiallo A.I., Sarmin D.V., Uglanov D.A., Shimanov A.A. [Evaluating the possibility of using low-temperature thermal energy in liquefied natural gas complexes]. Vestnik SGAU -Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University), 2013, no. 3, pp. 93-98. (in Russian).
2. Dovgiallo A.I., Lukachev S.V., Romanov I.G., Rosseev N.I., Tsibizov Iu.I. Toplivnyi ballon [Fuel tank]. Patent RF, no. 2163699, 2001. (in Russian).
3. Dovgiallo A.I., Uglanov D.A., Ashikhmina T.V. [Thermal cycling toughness estimation of fuel tank refueled by cryogen product]. Vestnik SGAU - Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University), 2007, no. 2, pp. 8386. (in Russian).
4. Dovgiallo A.I., Sarmin D.V., Uglanov D.A. [Preliminary tests of tank with cryogenic charging for on-board throttle system of cooling]. Vestnik SGAU- Samara State Aerospace University named after academician S.P. Korolyov (National Research University), 2011, no. 3, pt. 4, pp. 78-84. (in Russian).
5. Dovgiallo A.I., Nekrasova S.O., Sarmin D.V., Uglanov D.A. [Imitations tests of throttle cooling system with cryogenic refueling tank and its comparative characteristics]. Prikladnaia fizika - Applied physics, 2013, no. 4, pp. 54-59. (in Russian).
6. Kulagin V.V. Teoriia, raschet i proektirovaniia aviatsionnykh dvigatelei i energeticheskikh ustanovok [Theory, calculation and design of aircraft engines and power plants]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2003. 616 p. (in Russian).
7. Alekseev G.N. Prognoznoe orientirovanie razvitiia energoustanovok [Forecasted orientation of development of power plants]. Moscow, Nauka Publ., 1978. 200 p. (in Russian).
