CC BY
105
Особенности производства СПГ на газораспределительных станциях при переменном давлении в магистральном газопроводе
С.П. Горбачев, главный научный сотрудник ООО «ВНИИГАЗ», д.т.н, А.А. Логинов, аспирант Московского энергетического института
Сжиженный природный газ (СПГ) выгодно производить на газораспределительных станциях. Для этого используется перепад давлений между газопроводами высокого (магистральный) и низкого давлений. Для создания криогенной СПГ-установки выбран дроссельно-детандерный цикл среднего давления. Целью исследования является определение изменений производительности установки при повышении (снижении) давления в магистральном газопроводе без использования регулирования или с учетом его возможностей. Рассматриваются также способы снижения и увеличения производительности установки, вызванные несогласованностью производства и потребления СПГ Математическое моделирование различных режимов работы СПГ-установки проводилось с использованием программы, предназначенной для расчета реализуемых технологических процессов. На ее основе определены характеристики СПГ-установки в нерасчетных режимах.
Сжиженный природный газ на газораспределительных станциях (ГРС) производится, как правило, за счет внутреннего охлаждения газа при его расширении от давления магистрального газопровода (2-7 МПа) до давления распределительного газопровода (0,3-0,6 МПа) [1,2].
В этих условиях наиболее эффективным является цикл Клода с использованием в качестве расширительной машины турбодетандера [3-5]. Расчетная схема такой установки представлена на рис. 1.
Газ по этой схеме сжижается следующим образом. Газ из магистрального газопровода высокого давления 1 поступает в теплообменник предварительного охлаждения 4 и после охлаждения в нем разделяется на две части. Одна часть газа расширяется в турбоде-тандере 5 и направляется в обратный поток. Оставшаяся часть газа подается в детандерный теплообменник 6, в котором происходит конденсация прямого потока с его последующим переохлаждением. После детандерного
теплообменника поток направляется в дроссельный теплообменник 7, а затем через дроссельный вентиль 8 в сборник-сепаратор 9. Из сепаратора жидкость выводится за пределы установки, а обратный поток газа через дроссельный, детандерный теплообменники и теплообменник предварительного охлаждения возвращается в газопровод низкого давления 3.
Особенности этой установки в отличие от традиционных ожижительных установок заключаются в следующем:
■ в магистральном газопроводе, следовательно, на входе в установку, имеются как суточные, так и сезонные колебания давления в широком диапазоне значений, что приводит к изменению производительности установки;
■ из-за несогласованности производства и потребления СПГ возникает необходимость в регулировании (в частности - снижении) холодопроизводи-тельности установки;
■ при низкой температуре газа за детандером возможна кристаллизация
паров диоксида углерода и компрессорного масла, содержащихся в исходном газе.
Цель данной работы - определение изменений производительности установки при повышении (снижении) давления в магистральном газопроводе без организации регулирования или с использованием системы регулирования; разработка простого и достаточно эффективного способа снижения производительности установки, если ее производительность превышает потребление СПГ
Показатели СПГ-установки при нерасчетных режимах работы
Работа проводилась с применением математического моделирования различных режимов работы установки, исходные данные для расчета приведены в табл. 1.
Рис. 1. Расчетная схема установки сжижения природного газа на ГРС:
1 - газопровод высокого давления;
2 - редуктор ГРС; 3 - газопровод низкого давления; 4 - теплообменник предварительного охлаждения ТО1; 5 - турбоде-тандер; 6 - детандерный теплообменник ТО2; 7 - дроссельный теплообменник ТО3; 8 - дроссельный вентиль; 9 - сборник-сепаратор; 10 - регулятор давления
ЩИ дШи. 0 4
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (4) июль 2008 г.
Таблица 1
Исходные данные для расчета цикла сжижения природного газа на ГРС в номинальном режиме
Параметры Значение
Давление газа в магистральном газопроводе, МПа 3,5
Давление детандерного потока, МПа 3,5
Давление обратного потока, МПа 0,6
Температура газа в магистральном газопроводе, К 290
Изоэнтропный КПД детандера 0,8
Производительность установки, кг/ч 1000
Математическое моделирование проводилось на основе программы, предназначенной для проектного (прямого) расчета технологических процессов. Погрешность расчетов составляла менее 5% при их удовлетворительной сходимости. Чтобы использовать эту программу для нахождения показателей цикла при изменении давления газа на входе без регулирования, то есть при работе установки в нерасчетных режимах, были приняты следующие допущения:
1. При изменении давления газа на входе в установку объемные расходы газа через детандер и дроссельный вентиль остаются постоянными. При этом, естественно, массовые расходы изменяются пропорционально абсолютному давлению газа.
2. Поскольку отношения массовых расходов при изменении давления не меняются, то температура газа перед детандером (после теплообменника предварительного охлаждения) принимается неизменной и равной ее значению в номинальном режиме.
3. При отклонении массового расхода газа от номинального значения
2,5 3 3,5 4 4,5 Давление перед детандером, МПа
Рис. 2. Изменения КПД детандера в зависимости от давления газа перед СПГ-установкой
изоэнтропный КПД детандера изменяется в соответствии с рис. 2.
При проведении термодинамического расчета цикла необходимо было учитывать специфику детандерного теплообменника, в котором происходит охлаждение и конденсация прямого потока за счет холода обратного потока. При снижении давления прямого потока будет нарушаться работоспособность этого теплообменника в его холодной части согласно положениям II начала термодинамики, так как количество теплоты, подводимое к обратному потоку, может быть меньше теплоты фазового перехода. В этом случае прямой поток будет выходить из детандер-ного теплообменника в двухфазном состоянии.
Результаты численного моделирования при изменении давления в магистральном трубопроводе с 3,5 до 2,5 МПа и с 3,5 до 4,0 МПа представлены на рис. 3, 4 и в табл. 2.
Из рис. 3 видно, что при снижении давления на входе в установку с 3,5 до 2,5 МПа (режим работы Б в табл. 2) коэффициент ожижения уменьшается с 0,13 до 0,07 без учета изменения КПД детандера, а производительность установки - с 1116 до 396 кг/ч. Падение производительности установки объясняется уменьшением коэффициента ожижения и снижением массового расхода газа, поступающего в установку. При росте давления с 3,5 до 4,0 МПа (режим работы Д) коэффициент ожижения увеличивается до 0,14, а производительность установки возрастает до 1368 кг/ч.
Регулирование работы установки при изменении давления на входе предусмотрено для обеспечения ее
0,15
ода
1 0,14
о.оа^г^
^— 2
0,07
н 0,17
5 § 0,15
6 § 0,13
0,11 0,09 § 3 0,07 * 0,05
2,5 3 3,5 4
Давление на входе в установку, МПа
Рис. 3. Зависимость коэффициента ожижения от давления на входе в установку:
1 - с учетом изменения КПД детандера;
2 - без использования регулирования
максимально возможной производительности при новом значении входных параметров. При пассивном регулировании (режимы работы В и Е) предполагается, что объемный расход газа через детандер может оставаться постоянным, а расход газа через дроссельный вентиль (продукционный поток) меняться. При этом устанавливаются новые оптимальные соотношения между детандерным и продукционным потоками и значения температур перед детандером (табл. 2).
Из расчетов, представленных на рис. 3, видно, что при пассивном регулировании параметров установки коэффициент ожижения уменьшается до 0,08, а производительность снижается до 468 кг/ч по сравнению с номинальным режимом (при снижении давления газа на входе в установку с 3,5 до 2,5 МПа). При этом температура газа перед детандером снижается с 215 до 200 К, как показано в табл. 2. При изменении соотношения расходов детандерного и продукционного потоков несколько меняется соотношение между тепловыми нагрузками
и
1 ¡2 5 о к о
О щ
а. С
1368
1116
""Ю32
,1
468^®*
ч2
396
160 о
140 0 120 0 100 0 800 600 400 200
2,5 3 3,5 4
Давление на входе в установку, МПа
Рис. 4. Изменение производительности в зависимости от давления на входе в СПГ-установку:
1 - с учетом изменения КПД детандера;
2 - без использования регулирования
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (4) июль 2008 г.
иВЬ»|Щ|Ц .....ШТШД^т
ш
Транспорт на СПГ
Таблица 2
Основные параметры СПГ-установки при ее работе в нерасчетных режимах (номинальный режим - производительность 1000 кг/ч при давлении газа на входе 3,5 МПа)
Давление на входе в установку, МПа 3,5 2,5 4,0
Режим работы А Б В Г Д Е
Объемный расход газа на входе в установку, м3/ч (физический) 11554 8090 8090 13064 13335 12169
Массовый расход газа на входе в установку, кг/ч 8280 5760 5760 9360 9720 8640
Доля детандерного потока 0,84 0,84 0,9 0,91 0,84 0,83
Расход продукционного (дроссельного) потока, кг/ч 1325 921 576 842 1555 1469
Температура газа, К перед детандером 215 2151 200 200 215 230
после детандера 142,5 156 155 143,5 138,82 148
на выходе из установки 282 266 284 275 285,5 283
Тепловая нагрузка на теплообменник, кВт3 ТО1 446 293 356 574 533 379
ТО2 177 73 73, 6 122 214 225
ТО3 0,2 0,1 0,4 0,16 0,76 0,8
Коэффициент ожижения 0,13 0,07 0,08 0,085 0,14 0,15
Производительность установки по СПГ, кг/ч 1116 396 468 795 1368 1332
Примечания. А - номинальный режим, на который рассчитана СПГ-установка; Б, Д - режимы без регулирования (КПД детандера - 0,8); В, Е -режимы с пассивным регулированием (КПД детандера изменяется согласно рис. 2); Г - режим с увеличенным расходом газа через детандер при сохранении его мощности (КПД детандера - 0,8); 1 паросодержание прямого потока после детандерного теплообменника равно 0,49 (нарушение работоспособности теплообменника в его холодной части); 2 возможна кристаллизация диоксида углерода при его концентрации в исходном газе, равной 0,05%; 3 обозначения рекуперативных теплообменников соответствуют рис. 1.
на теплообменники (табл. 2), но при описании указанных нерасчетных режимов это не учитывалось.
При повышении давления на входе в установку с 3,5 до 4,0 МПа коэффициент ожижения увеличивался до 0,15, а производительность - до 1332 кг/ч.
Одним из методов повышения производительности установки при снижении давления на входе является увеличение массового расхода газа через турбодетандер, в частности, путем замены его проточной части. При этом мощность детандера и поверхности теплообменников будут соответствовать номинальному режиму.
Было проведено также описание характеристик установки при использовании этого метода регулирования при снижении давления на входе в установку с 3,5 до 2,5 МПа. Как показали расчеты (режим работы Г), замена проточной части детандера позволяет увеличить выход СПГ до 795 кг/ч против 468 кг/ч в установке с пассив-
ным регулированием, несмотря на то, что из-за недостаточной поверхности теплообменников недорекуперация на выходе из установки возрастает с 6 до 15 К. Таким образом, замена проточной части турбодетандера дает возможность обеспечить производительность установки на уровне 70% от номинального значения при снижении давления газа на входе в установку с 3,5 до 2,5 МПа.
Как указывалось выше, при производстве СПГ на газораспределительной станции иногда необходимо снижать производительность установки при уменьшении его потребления. Из результатов моделирования режимов работы установки следует, что весьма эффективным методом снижения производительности является дросселирование газа на входе в установку (рис. 1) с последующим пассивным регулированием. При этом не требуется никаких дополнительных аппаратов. Газ возвращается в газопровод при
относительно высокой температуре, а процесс регулирования заключается в поддержании давления на входе в установку и обеспечении достаточно высокой температуры газа на выходе из установки за счет изменения расхода продукционного потока. Высокая эффективность такого способа регулирования объясняется тем, что в цикле не затрачивается энергия на ожижение газа и необратимость процесса дросселирования проявляется только в относительном увеличении расхода газа через установку (снижении коэффициента ожижения).
Работа установки с переменным давлением газа на входе имеет еще одну особенность. Она обусловлена тем, что в природном газе, отбираемом из газопровода, содержатся вы-сококипящие компоненты (в первую очередь, диоксид углерода), которые могут кристаллизоваться в процессе охлаждения, в том числе в потоке газа на выходе из детандера. При концент-
■Фв ЯШИР ШП Фв jaâssat ПИВ Л
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (4) июль 2008 г.
рации диоксида углерода в исходном газе 0,05% (мольн.) кристаллизация его при давлении 0,6 МПа происходит при температуре 138 К. Таким образом, при расширении газа в детандере с давления 4,0 МПа и температуры 215 К на выходе из детандера начинается кристаллизация диоксида углерода. С таким явлением необходимо считаться в случаях работы ожижительной установки при повышенных давлениях газа на входе в нее.
Выводы
Результаты моделирования показывают, что снижение производительности установки сжижения природного газа при уменьшении давления газа на входе слабо компенсируется использованием пассивного регулирования (путем изменения соотношения продукционного и детандерного потоков газа). Для повышения эффективности работы установки в этих условиях необходимо увеличивать массовую производительность турбодетандера за счет замены проточной части. В то же время, искусственное снижение дав-
ления газа на входе в установку путем дросселирования позволяет эффективно уменьшать производительность установки, если ее значение превышает потребление СПГ
При работе установки с переменным давлением газа на входе необхо-
димо контролировать температуру газа за детандером, чтобы избежать кристаллизации высококипящих примесей (диоксида углерода).
По материалам журнала «Технические газы», № 2 2008 г.
Литература
1. Сердюков С.Г., Ходорков И.Л. Типовой мини-завод по производству сжиженного природного газа на газоредуцирующих станциях (ГРС) магистральных трубопроводов. - Материалы научно-технического совета ОАО «Газпром» по теме «Перспективы и опыт применения сжиженного природного газа на объектах ОАО «Газпром». - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2002. - С. 28-34.
2. Скородумов Б., Дарбинян Р., Передельский В. и др. Решение проблем энергоснабжения промышленных, социальных объектов и населенных пунктов с использованием СПГ. - «Автогазозаправочный комплекс + Альтернативное топливо». - 2002, № 6. - С. 44-47.
3. Krakovskiy B.D., Martynov V.A., Popov O.M. et al. Natural gas liquefier. - Proc. of Int. Inst. of Refrigeration Conf. «The Eighth Cryogenics 2004». - Praha: 11R, 2004. - P. 203-209.
4. Машканцев М.А. Детандерно-компрессорные схемы производства сжиженного природного газа для газораспределительных станций с низким давлением входящего газа. - Материалы научно-технического совета ОАО «Газпром» по теме «Перспективы и опыт применения сжиженного природного газа на объектах ОАО «Газпром». - М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2002. - С. 16-20.
5. Горбачев С.П. Оценка эффективности производства СПГ на газораспределительных станциях. - Технические газы. - 2005, № 5. - С. 35-40.
К сведению авторов
Редакция доводит до сведения авторов требования, которые необходимо соблюдать при предоставлении статей для публикации в нашем журнале.
Материалы статей должны быть представлены на любом электронном носителе в программе WinWord с указанием имени файла и с приложением данного текста в распечатанном виде. Объем статьи - не более 8 стр. формата A4 по 1800 знаков с пробелами на каждой. Всего 14400 знаков с пробелами. Со статьей должна быть представлена краткая аннотация.
Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. В текстовом материале не должно быть рукописных вставок и вклеек. Статьи, напечатанные на пишущей машинке, не принимаются. Электронный вид статьи должен точно соответствовать материалам на бумажном носителе.
Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих ГОСТов.
На электронном носителе текст и рисунки должны быть выполнены в программе Microsoft Word с обозначением файлов шрифтов в формате tif, rtf, doc. Название файла только латинскими буквами. Рисунки - в формате tif (300 dpi, ŒYK), eps, jpg, jpeg, cdr. Отдельно необходимо представить список подрисуночных подписей.
Не следует форматировать текст самостоятельно.
При пересылке материалов по E-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы.
При подготовке статей к изданию необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ.
Статья должна содержать следующие сведения об авторе (авторах): ФИО полностью, должность, ученая степень (если есть), почтовый и электронный адреса, контактные телефоны (служебный, домашний). Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию.
В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц.
Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.
Принятые для печати в журнале «Транспорт на альтернативном топливе» материалы публикуются на безгонорарной основе.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 4 (4) июль 2008 г.
.....TMïïwfttRi,. МЬид^яаьДШш^И^ЮяДЬ
