Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Акулов-УстСистСПГ.doc
Скачиваний:
279
Добавлен:
20.03.2016
Размер:
2.92 Mб
Скачать

ХарактеристикаВру с использованием холода спг, эксплуатирующихся в Японии

Компания

Место размещения

Начало эксплуатации

Получаемые криопродукты

Массовый расход СПГ, т/ч

Давление регазификации СПГ, МПа

Удельный расход электроэнергии*, кВт·ч/м3

Жидкий О2

Жидкий N2

Жидкий Ar

т/ч

моль % О2

т/ч

моль % N2

т/ч

моль % Ar

Tokyo Liquefied Oxygen Co. Ltd

Район Токио

Апрель 1971 г.

10,0

99,8

3,75

99,999

0,268

99,999

8,0

0,12

0,76

Cold Air Products Co. Ltd

Район Осака

Сентябрь 1977г.

10,8

9,38

23,0

3,1

0,58

Tokyo Oxygen and Nitrogen Co. Ltd**

Район Токио

Октябрь 1978г.

8,58

7,50

0,18

96,0

34,0

0,12

0,51

Chubu Liquid Oxygen Co. Ltd

Район Нагоя

Апрель 1980 г.

5,0

0,214

99,999

26,0

1,05

0,56

*ПриТ= 273 К иР= 0,101 МПа.

**Кроме жидких криопродуктов на установке получают 9600 м3/ч газообразного N2 с мольным содержанием азота 99,999 %.

в криогенный блок. Охлаждение воздуха перед адсорбционным блоком и циркуляционного N2перед азотным компрессором и в про-межуточном холодильнике производится с помощью охлаждающего хладонового контура, в котором хладон охлаждается СПГ. Разделение воздуха осуществляется в одноколонном аппарате.

Кроме того, в схеме этой установки несколько изменена система регазификации. Около 2/3 регазифицируемого СПГ поступает в азотный и хладоновый теплообменники при Р = 1,0 МПа и после регазификации под этим давлением ПГ направляется потребителю, а остальное количество СПГ регазифицируется при Р = 0,12 МПа, обеспечивая последующее охлаждение циркуляционного N2 до более низкой температуры. В дальнейшем этот поток ПГ сжимается с помощью низкотемпературного компрессора ПГ до Р = 0,65 МПа.

В работе [38] проведена оценка эффективности использования холода регазифицируемого СПГ в ВРУ, получающих жидкие криопродукты. Полученная в работе [38] зависимость удельных затрат электроэнергии от производительности установок для ВРУ различного назначения показана на рис. 2.4.9.

2,0

1,5

1,0

0,5

кВт·ч

м3

1000

1

2

3

4000

10 000

м3

l,

Рис. 2.4.9. Зависимость удельных энергозатрат от производительности для ВРУ различного назначения: 1– ВРУ, получающие жидкие криопродукты;2– ВРУ, получающие жидкие криопродукты с использованием холода СПГ;3– ВРУ, получающие газообразные криопродукты

Из рис. 2.4.9 видно, что при использовании холода СПГ в ВРУ, получающей жидкие криопродукты, удельные энергозатраты обычных ВРУ такой же производительности для ВРУ с использованием холода СПГ по уровню удельных энергозатрат приближаются к установкам, предназначенным для получения продуктов разделения воздуха в газообразном виде.

2.5. Утилизация холода сжиженного природного газа в установках разделения воздуха, получающих газообразные криопродукты

Возможности использования холода регазифицируемого СПГ вВРУ, получающих газообразные криопродукты, более ограничены по сравнению с установками, предназначенными для производства жидких О2,N2иAr. В жидкостных ВРУ основными холодопотерями криогенного блока являются потери холода с отводимыми жидкими криопродуктами. В общем балансе холода ВРУ такие холодопотери значительно превосходят все остальные виды холодопотерь. В связис этим использование для их компенсации внешнего источника охлаждения в виде регазифицируемого СПГ, который имеет температуру кипения, близкую к температуре конденсации воздуха и продуктов его разделения, позволяет существенно повысить эффективность ВРУ.

В установках, получающих газообразные продукты, потери холода в криогенном блоке в основном складываются из холодопотерь от недорекуперации с продуктами разделения воздуха и холодопотерь через изоляционное ограждение криогенного блока. Эти холодопотери, особенно в крупных ВРУ, относительно невелики и их компенсация может быть осуществлена за счет холодопроизводительности используемого в ВРУ криогенного цикла. В установках такого типа обычно применяется криогенный цикл низкого давления с турбодетандером, в котором расширяется либо часть перерабатываемого воздуха, либо часть азота, отбираемого из нижней колонны. Использование в них холода СПГ позволяет отказаться от применения в схеме турбодетандера и обеспечить лучшие условия работы узла ректификации.

Давление воздуха, поступающего в ВРУ низкого давления, обычно определено требованиями процесса осушки и очистки его от СО2 и условиями ректификации. В связи с этим включение в схему установки внешнего источника охлаждения в большинстве случаев не позволяет значительно уменьшить давление перерабатываемого воздуха и добиться за счет этого существенного снижения энергетических затрат.

Из предлагаемых в настоящее время направлений возможного использования холода СПГ в установках низкого давления, получающих газообразные криопродукты, можно выделить два основных.

Первое направление связано с уменьшением затрат энергии в ВРУна сжатие перерабатываемого воздуха при конечном давлении сжатияР= 0,55–0,65 МПа. Одно из таких решений предложено в работе [61] и показано на рис. 2.5.1.

Рис. 2.5.1. Схема использования холода СПГ в системе предварительного охлаждения и осушки ВРУ низкого давления, получающей газообразные криопродукты:

I– воздух;II– отбросной азот из регенераторов;III– отбросной азот в регенераторы;IV– воздух в кислородные регенераторы;V– СПГ;VI– воздух в азотные регенераторы;VII– ПГ;VIII– внешний источник тепла;

1– турбодетандер;2,3,4,5,8– теплообменники;6– турбокомпрессор;7– регенераторы

Перерабатываемый воздух поступает в теплообменник 3, где охлаждается приблизительно до 273 К подогретым ПГ. Сконденси-ровавшаяся влага затем отводится во влагоотделителе (на рис. 2.5.1 не показан). Далее поток воздуха делится на две части. Большая, примерно 70 %, направляется в попеременно работающие вымораживатели 4, а меньшая – в азотные регенераторы 7, где охлаждается до 193–213 К и освобождается от Н2О. После теплообменных аппаратов 4 и 7 оба потока воздуха смешиваются и поступают на доохлаждение в теплообменник 5. Выходящий из теплообменника 5 воздух при Т = 153–173 К поступает в турбокомпрессор 6, где сжимается до Р = 0,55–0,6 МПа, и его температура повышается до температуры окружающей среды.

Затем поток воздуха снова делится на две части, меньшая из которых поступает в кислородные регенераторы криогенного блока, а большая – на охлаждение в теплообменник 8. В этом теплообменнике в качестве хладоносителя используется СПГ, который отнимает от воздуха теплоту, равную той, которая отнималась от него в системе АВО (азото-водяного охлаждения) и в регенераторах 7. Часть потока СПГ поступает в теплообменник 5. Выходящие из теплообменников 5 и 8 потоки ПГ окончательно подогреваются в аппаратах 4 и 3.

В теплообменнике 2производится дополнительный подогрев ПГ от внешнего источника перед расширением ПГ в турбодетандере1. Применение в вышерассмотренной схеме процесса низкотемпературного сжатия воздуха приводит к снижению энергозатрат на получаемые криопродукты.

В значительной степени аналогичное решение предлагается в работе [62]. Перерабатываемый воздух при Р = 0,2 МПа проходит систему адсорбционной осушки и очистки от СО2 и затем охлаждается обратными потоками в теплообменнике криогенного блока до 123 К.

При этой температуре воздух поступает на сжатие в низкотемпературный компрессор, где его давление повышается до 0,6 МПа. Понижение температуры сжатого воздуха до 123 К производится втеплообменнике СПГ, а затем он снова направляется в криогенный блок, где охлаждается газообразными О2иN2доТ= 103 К и подается на разделение в колонну двукратной ректификации.

Одним из вариантов такого решения является схема ВРУ, предложенная в работе [63] и показанная на рис. 2.5.2.

Рис. 2.5.2. Схема ВРУ низкого давления для получения газообразных О2иN2cиспользованием холода регазифицируемого СПГ:I– воздух;II– газообразный О2;III– отброснойN2;IV– чистыйN2;V– СПГ;VI– ПГ;1,7– компрессоры;2– адсорберы;3,6,8– теплообменники;4– ректификационная колонна;5– конденсатор-испаритель

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 до Р = 0,2 МПа, осушается и очищается от СО2 в двух попеременно работающих адсорберах 2 и после охлаждения в теплообменнике 3 до состояния, близкого к насыщению, подается в среднюю часть колонны однократной ректификации 4. Продукты разделения воздуха – газообразный кислород, «грязный» и чистый азот – отводятся из колонны и подогреваются до температуры, близкой к температуре окружающей среды, в теплообменнике 3. Часть чистого азота, отводимого из колонны 4, поступает во флегмообразующий контур установки. Этот контур включает в себя теплообменники 6 и 8, низкотемпературный азотный компрессор 7 и конденсатор-испаритель 5. Циркуляционный N2, отводимый из верха колонны 4, подогревается в теплообменнике 6 до 108 К и сжимается в компрессоре 7 до Р = 0,6 МПа. Теплота сжатия от азота отводится в теплообменнике 8, охлаждаемом СПГ, далее в теплообменнике 6 и конденсаторе-испарителе 5 происходят дополнительное охлаждение и конденсация N2, а затем – дросселирование на верхнюю тарелку ректификационной колонны.

Аналогичный принцип в построении флегмообразующего контура ВРУ, использующей холод СПГ, заложен и в схемы, приведенные в работах [64, 65]. На рис. 2.5.3 приведена принципиальная схема ВРУ, предназначенной для получения газообразных О2иN2.

Рис. 2.5.3. Установка для получения газообразных О2иN2с использованием холода СПГ:I– воздух;II– газообразный О2;III– газообразныйN2;IV– СПГ из емкости;V– ПГ потребителю;1,10– турбокомпрессоры;2,3,9,11– теплообменники;4– турбодетандер;5– переохладитель;6– нижняя колонна;7– верхняя колонна;8– конденсатор-испаритель

Схему этой установки, предложенной в работе [64], отличает то,что без узла использования СПГ она тождественна схеме ВРУ низкого давления с турбодетандером на потоке газообразного азота, отбираемого из нижней колонны.

Перерабатываемый воздух поступает в турбокомпрессор 1, гдесжимается до давления 0,38 МПа. После охлаждения в каналах пластинчато-ребристых теплообменников2и3поток воздуха при температуре около 94 К подается в нижнюю ректификационную колонну. В теплообменниках2и3одновременно с охлаждением воздуха производится удаление из него примесей Н2О и СО2, которые вымерзают в каналах пластинчато-ребристых теплообменников. В колонне6осуществляется предварительное разделение воздуха на обогащенную кислородом кубовую жидкость и газообразный азот.

Из колонны 6газообразный азот поступает в теплообменник9,где подогревается при температуре от 88 до 126 К. После теплообменника 9 азот направляется в низкотемпературный дожимающий турбокомпрессор 10, где его давление повышается с 0,35 до 0,58 МПа. Понижение температуры азота после турбокомпрессора10производится за счет охлаждения потока азота в теплообменнике 11 испаряющимся СПГ и в теплообменнике9азотом. Азот, выходящий из теплообменника9, распределяется на два потока. Один поток поступаетв конденсатор-испаритель 8, где конденсируется за счет кипения втрубном пространстве жидкого кислорода, подаваемого из верхнейколонны 7. Часть паров О2 из конденсатора-испарителя поступает внижнее сечение верхней колонны7, а другая часть, являющаяся продукционным О2, последовательно подогревается в теплообменниках3и2.

Другой поток газообразного азота под давлением 0,58 МПа подогревается в одной из секций теплообменника 3и затем расширяется до давления, близкого к атмосферному, в турбодетандере4. Поток азота, расширенный в детандере, затем соединяется с потокомN2, выходящим из колонны7и подогретым в переохладителе5. После смешения этих потоков азота суммарный потокN2последовательно подогревается в теплообменниках3и2.

Жидкий N2, отводимый из конденсатора-испарителя, переохлаждается в переохладителе5и дросселируется на верхнюю тарелку ректификационной колонны6. Часть этого азота используется для обеспечения флегмой верхней ректификационной колонны7, которая работает приР= 0,135 МПа.

Использование в данной схеме ВРУ холода СПГ позволяет проводить процесс предварительного разделения воздуха в колонне 6при более низком давлении, чем в обычной ВРУ низкого давления, предназначенной для получения газообразных О2иN2. В этом случае до давления 0,58 МПа, при котором обычно работает нижняя ректификационная колонна, сжимается лишь часть перерабатываемого потока, приходящаяся на долюN2, отводимого из верхней части колонны6. При этом затраты энергии на его сжатие относительно невелики, так как процесс сжатия производится в низкотемпературном турбокомпрессоре10.

Как уже отмечалось выше, при отключении аппаратов 9 и 11 итурбокомпрессора10, повышении давления за компрессором1до 0,6 МПа и подаче части потокаN2из колонны6в конденсатор-испаритель8, а части – на турбодетандер4, данная схема ВРУ становится подобной схеме ВРУ низкого давления, в которой нижняя колонна работает приР= 0,6 МПа, а необходимая холодопроизводительность обеспечивается за счет расширения в турбодетандере части газообразногоN2, отводимого из нижней колонны.

В работе [66] в дополнение к использованию холода СПГ вофлегмообразующем контуре предлагается частично использовать СПГдля охлаждения переключающихся пластинчато-ребристых теплообменников, служащих для охлаждения перерабатываемого воздуха. Это достигается путем введения в верхней части теплообменников дополнительных секций, в которые направляется часть потока отбросного азота после охлаждения в теплообменнике СПГ. Такая система охлаждения позволяет уменьшить время пуска установки и может быть отключена по выходе установки на рабочий режим.

В связи с возрастающим объемом производства и потребления СПГ странами, импортирующими СПГ, и широким использованием его в установках регулирования «пиковых» нагрузок, становится весьма актуальной задача использования холода регазифицируемого СПГ.

Анализ научно-технической и патентной литературы в области использования холода регазифицируемого СПГ показал, что одним из наиболее эффективных потребителей холода СПГ может стать воздухоразделительная техника.

В технике разделения воздуха утилизация холода регазифицируемого СПГ возможна как в установках ожижения газообразных криопродуктов, получаемых на обычных ВРУ, так и в ВРУ, включающих систему регазификации СПГ. В этих случаях осуществляется наиболее полное использование холода регазифицируемого СПГ и существенно снижаются энергозатраты на получение криопродуктов.

Опыт эксплуатации ВРУ, утилизирующих холод СПГ, подтверждает их высокую экономическую эффективность. Сопоставление установок такого типа с обычной ВРУ при одинаковой производительности по жидким криопродуктам показывает, что для установки, использующей холод СПГ, удельные затраты электроэнергии составляют лишь 40 % от удельных энергозатрат обычной ВРУ при одновременном снижении стоимости оборудования.