Результаты расчета детандерного цикла ожижения метана при различных значениях Gд

Доля детандерного потока Gд, кг	Коэффициент ожижения ПГ х,	Минимальная разность температур между потоками для тепло- обменника ТО
0,5 0,6 0,63 0,65	0,291 0,311 0,320 0,325	10 10 10 3,5

Энергетический баланс установки в соответствии с обозначениями, приведенными на рис. 1.3.6, записывается в следующем виде:

i₁ + q_c = G_д (i₁ – i₂) + (1 – x) i₆ + xi₀.

При этом с увеличением доли G_д происходило уменьшение разности температур между потоками на холодном конце теплообменника ТО.

Для трех первых режимов минимальная разность температур между потоками для теплообменника ТО определялась принятой разностью температур на его теплом конце. Для последнего режима определяющей стала разность температур между потоками на холодном конце теплообменника. Таким образом, режимом, близким к оптимальному, является режим, когда на детандер поступает 65 % метана высокого давления, подаваемого в установку.

В работе [38] при анализе различных циклов ожижения ПГ для подобного цикла дана зависимость коэффициента ожижения от повышения давления ПГ, поступающего в ожижитель. Эти данные приводятся ниже.

Давление ПГ на входе
в ожижитель Рн, МПа ……………….	4,5	9	12	16
Коэффициент ожижения, % ………..	16,6	26,5	29	31,6

К сожалению, ряд параметров, принятых при расчете данного цикла, в работе [38] не приводится. Однако приведенные выше данные по зависимости Р_н = f(x) достаточно хорошо согласуются с данными, приведенными в табл. 1.3.3, и результатами последующего анализа для циклов среднего давления с расширением в детандере части охлажденного природного газа. Некоторое улучшение показателей этого цикла может быть достигнуто при более высоком значении η_ад детандера. Однако в этом случае при расширении метана в детандере из него будет выходить парожидкостная смесь. В этом случае поток газа после детандера так же, как и поток после дросселя, необходимо направить в отделитель жидкости ОЖ. Расчеты показывают, что при значении η_ад = 0,8 при незначительном отклонении степени сухости газа после детандера от единицы может быть получено значение х, равное 35 %.

В настоящее время наибольший интерес представляют данные по детандерным циклам среднего давления. Это объясняется тем, что ожижители метана, работающие по циклу среднего давления с расширением в детандере части сжатого метана, могут работать на использовании перепада давлений на газораспределительных станциях (ГРС) магистральных газопроводов. При этом их эффективность, как будет показано ниже, значительно выше, чем эффективность ожижителей дроссельного типа или ожижителей, использующих вихревую трубу.

На рис. 1.3.7 показаны принципиальные схемы таких ожижителей и дано изображение криогенных циклов, по которым они работают в S–Т-диаграмме.

В ожижителе, показанном на рис. 1.3.7, а, метан перед ГРС отбирается из магистрального газопровода (МГ) и направляется в двухступенчатую установку, где в первой ступени часть газа при температуре окружающей среды поступает на расширение в детандер Д, а вторая часть – на охлаждение в теплообменник ТО1.

Рис. 1.3.7. Принципиальные схемы ожижителей метана, работающих по циклу среднего давления с расширением в детандере части газа, и изображение циклов в S–T-диаграмме:

а – с расширением в детандере части неохлажденного газа;

б – с расширением в детандере части охлажденного газа;

МГ – магистральный газопровод; ГРС – газораспределительная станция; ТО1, ТО2, ТО3 – теплообменники; Д – детандер; ДВ – дроссельный вентиль;

ОЖ – отделитель жидкости

Рис. 1.3.7. Принципиальные схемы ожижителей метана, работающих по циклу среднего давления с расширением в детандере части газа, и изображение циклов в S–T-диаграмме:

в – с внешним источником охлаждения и расширением в детандере части охлажденного газа;

МГ – магистральный газопровод; ГРС – газораспределительная станция; ТО1, ТО2, ТО3, ТО4 – теплообменники; Д – детандер; ДВ – дроссельный вентиль; ОЖ – отделитель жидкости

Расширенный в детандере газ смешивается с обратным потоком газа, выходящим из теплообменника ТО2 второй ступени охлаждения, и охлаждает прямой поток сжатого газа в теплообменнике ТО1, по выходе из которого поступает в трубопровод расширенного газа низкого давления, подаваемого из ГРС потребителю.

Сжатый газ по выходе из ТО1 поступает в теплообменник ТО2, где охлаждается потоком неожиженного газа, выходящего из отделителя жидкости ОЖ, и поступает на дроссель ДВ. После дросселирования этого потока в отделитель жидкости, ожиженная часть СПГ поступает потребителю, а неожиженный поток последовательно подогревается в теплообменниках ТО2 и ТО1.

Как и при анализе предыдущих циклов, количество сжатого метана, поступающего в ожижитель, принимается равным 1 кг.

При этом системы осушки и возможной очистки ПГ не рас-сматриваются и принимается, что на ожижение поступает метан в виде «сухого» газа. При анализе установок, показанных на рис. 1.3.7, было принято, что суммарный теплоприток извне составляет q_c = 6 кДж/кг, температура газа, поступающего в ожижитель, T₁ = 300 К, давление сжатого метана, поступающего из МГ, составляет 6,0 МПа, а давление газа, выходящего из ожижителя, Р₂ = 0,6 МПа.

Рассматривалось три варианта каждой установки, для которых значения изоэнтропного КПД детандера соответственно составляли 0,70; 0,75; 0,80. Относительная недорекуперация на верхнем температурном уровне Т₁принималась равной α = 0,02.

Определение неизвестных хиG_дможет быть произведено решением системы уравнений:

– изоэнтропного КПД детандера

; (1.3.17)

– энергетического баланса I ступени, который по отношению к G_дзаписывается в виде

; (1.3.18)

– энергетического баланса IIступени, записанного в отношениихв виде

. (1.3.19)

В уравнениях (1.3.18) и (1.3.19) и– удельные теплопритоки извне – относятся соответственно кIиIIступеням. Принято, что= 4 кДж/кг, а= 2 кДж/кг.

При решении уравнений (1.3.17) – (1.3.19) методом последовательных приближений принималась такая недорекуперация на теплом конце теплообменника ТО2 ΔТ₂ = Т₂ – Т₆, при которой достигалась величина приемлемой минимальной ΔТ между прямым и обратным потоками по высоте теплообменника ТО1. При этом считалось, что температура метана за детандером Д и на выходе из теплообменника ТО2 одна и та же и равна Т₆. Данные, полученные в результате расчета установки (см. рис. 1.3.7, а), приведены в табл. 1.3.4.

Таблица 1.3.4