Разработка схемы и эксергетический анализ работы ДГА с возможностью одновременного получения электроэнергии и «Глубокого холода»

Одним из направлений энергосбережения является применение детандер-генераторных агрегатов (ДГА), преобразующих избыточное давление природного газа в электроэнергию.

Как известно, при применении детан-дер-генераторного агрегата для использования давления газа с выработкой электроэнергии газовый поток необходимо подогревать, т.к. в результате расширения газа в детандере и соответствующего понижения его температуры возможно образование конденсатов и гидратов в газопроводах и арматуре, импульсных трубках и, как следствие, их засорение или даже закупорка. В связи с этим газ перед детандер-генераторным агрегатом должен быть нагрет так, чтобы на выходе из него температура газа была не менее 0 0С [2].

Предлагается схема, в которой подогрев заменен адсорбционной осушкой, что делает возможным использование детандер-генераторного агрегата при низких температурах без риска образования в нем, либо после него, конденсатов и гидратов. Адсорбционная осушка газа - технологический процесс, который заключается в избирательном поглощении порами поверхности твердого адсорбента молекул воды из газа, с последующим извлечением их из пор посредством применения внешних воздействий. Процесс адсорбционной осушки газа позволяет достигать депрессии точки росы в 100 0С (минимальная точка росы, достигаемая адсорбцией около -90 0С).

Сыро* _г —^--- [777

газ '       ■■ ■■■■¹ 1

*

Влага

Рисунок 1. Схема адсорбционной установки для осушки газов: 1 и 8 - сепараторы; 2 - адсорберы на стадии осушки; 3 и 4 - адсорберы соответственно на стадиях охлаждения и подогрева; 5 - подогреватель газа; 6 - охладитель газа; 7 - холодильник

Влажный газ поступает в сепаратор 1 для удаления капель влаги, а затем на осушку в адсорберы 2, откуда сухой газ направляют в газопровод. Насыщенный влагой адсорбент регенерируют в адсорбере 4 обдувкой газом, нагретым в аппарате 5. Горячий газ (с температурой 250-350 0С) после регенерации поглотителя охлаждается в аппарате 7, сепарируется в аппарате 8 от влаги и смешивается с основным потоком газа. В адсорбере 3 поглотитель охлаждается сухим газом до 30-400С, после чего аппарат переключают на стадию осушки. Нагреваемый при этом газ перед поступлением в газопровод охлаждается в аппарате 6. Метод может обеспечить глубокую осушку (до точки росы - 80 0С и ниже), отличается простотой и надежностью аппаратуры.

Включив данный блок, либо аналогичный, в схему с ДГА, получаем возможность одновременной выработки электроэнергии и «глубокого холода».

Холод необходим как для заморозки, так и для последующего хранения продукции в холодильных терминалах и на складах.

Принципиальная схема предлагаемой установки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема установки

Схема (рисунок 2) работает следующим образом. Газ высокого давления поступает по трубопроводу 1 в блок осушки 2, где из него удаляются конденсаты и часть гидратов, и направляется в детандер 3. После совершения механической работы в детандере 3, которая преобразуется в электрическую энергию в электрическом генераторе 4, газ с температурой -50 0С и давлением 0,2 МПа направляется в теплообменник 5, где отдает холод теплоносителю для дальнейшего использования конечным потребителем, и с температурой +10 0С и давлением 0,3 МПа направляется в газопровод низкого давления 6.

В зимний период возможно использование тепла окружающей среды и тепла холодильника 7 (рисунок 1) для подогрева газа после ДГА. Окончательная схема в каждом конкретном случае будет зависеть от режима работы объекта и климатических условий.

Проведем эксергетический анализ детан-дер-генераторных установок для получения холода при следующем режиме работы, а именно, при определенной температуре и давлении газа на входе в газопровод на ГРП и ГРС.

Таблица 1

Исходные данные для эксергетического анализа схемы

Среда	t, 0 С (или степень сухости)	Р, MПа	h, кДж/кг	S, кДж/кг◌ּ К
Вода	15	0,1	63	0,22
	20	0,1	84	0,3
	80	0,1	335	1,08
Пар	116	0,18	488,18	1,4880
	154	0,1895	2277,56	7,33
	154	0,186	2778,36	7,3403
	258	0,71	2967,688	7,134
	258	0,723	2967,25	7,1249
Газ	–50	0,2	450	10,4
	10	0,1	560	11
	10	0,3	558	10,5
	15	0,1	575	11,05
	15	0,98	560	9,9
	20	0,98	570	10,0
	30	0,95	593	10,07

Beсна (осень) – температура газа на входе в газопровод (+15 0С);

В качестве условия примем, что в этот период температура снимаемого холода должна быть (+20 0С).

Параметры с индексом «0» – значения при параметрах окружающей среды.

В адсорбер 2 входит поток газа, имеющий расход газа G g1 = 100000 м³/ч, темп ерату-ру t g1 = 15 ⁰С и давление p g1 = 0,98 MПа, эксергия газа на входе в теплообменник определятся по формуле (1).

E D = G [( h - h ) - T ( v - v )]     (1)

BX       g g 1      0 g       0 g 1      0 g

Энтальпию природного газа определим с помощью H–S диаграммы природного газа. Чтобы определить энтальпию осушенного газа, представим ее в виде формулы смеси газа и воды (2):

h_rM = a • h + (1 - a ) • h.               (2)

CM     g g           g B

Норма влагосодержания природного газа в газопроводе d = 0,2 г/м³, после осушки d = 0,02 г/м³, доля газа до осушки a g = 0,9997, а после осушки будет еще больше, из чего можно сделать вывод, что изменение эксергии будет пренебрежимо мало, тогда Е вх = Е вых

К адсорберу подводится поток тепла q для регенерации адсорбента от горячего источника, имеющий температуру t I , эксергия этого потока:

T

E A = G • q • (1 - T)                (3)

Из адсорбера газ выходит с температурой t g тд1 = t g1 и давлением р g тд1 = p g1 , его эксергия остается неизменной.

Поскольку полезная работа в адсорбере не производится, то потерю работоспособности газа в нем найдем по формуле (4):

D A = ( EA + E A ) - E A             (4)

ВХ      q 1        ВЫХ

После адсорбера осушенный поток газа направляется в детандер 3, где происходит его расширение с совершением механической работы. Параметры газа перед детандером G g1 , p gD1 , и t gD1 , параметры газа на выходе из детандера G g1вых , p gD1вых и t gD1вых .

Соответственно:

ED1 = E db,x(5)

ВХ ВЫХ

Эксергия газа на выходе из детандера определя ется по формуле:

EBD = G [(h - h )- T (v 2 - v )] (6) BЫХ      g gD2     0g      0 gD20

Поскольку детандер производит полезную работу l полезн = N D1 , то потерю работоспособности определим по формуле:

DD = (ED + ED,J - Nm(7)

BХ BЫХD

После прохождения детандера газ направляется в теплообменник 5, где отдает свой холод потребителю. Поток газа имеет параметры t gD2 и p gD2 , его эксергия равна:

ED = E DLx                   (8)

BХ     BЫХ

В теплообменник входит поток (вода), имеющий расход G B температуру t Ввх и давление р Ввх , эксергия воды на входе в теплообменник:

E DD = Gb [ ( hssx - h o в ) - D ( ^SBBx - V В ) ] (9) BХ      B BBХ 0 B       0 BBХ 0 B

Из теплообменника газ выходит с температурой t gx , давлением р gx , его эксергия: G г = const = 100*10³ м³/ч.

E D = G [( h - h ) - D ( _s - V )] (10) BЫХ      g gХ 0 g       0 gХ     0 g

Из теплообменника вода выходит с температурой t ввых , давлением р ввых , ее эксергия:

EDDBiX = Gr l ( hfiRB - h o R ) - D ( ^SRRbIX - V) r ) l (11) BЫХ      B BBЫХ 0 B      0 BBЫХ 0 B

Поскольку полезная работа в теплообменнике не производится, то получим:

D TX = ( ED + ED ) - ( ED,_b , + ED,_b ,)     (12)

BX BX      BЫЫ BЫЫ

Найдем расход воды через теплообмен- ник:

G • ( h_x - h_{D 2})

G B = g V gX ----gDll                 (13)

(h — h )

BBЫХ BBХ

Суммарная величина потерь работоспособности по всему циклу детандер-генераторной установки для получения холода составит:

D_yc D = D A + D D + D^TTX             (14)

Таблица 2 Эксергетический баланс детандер-генераторной установки для одновременного получения электроэнергии и холода. Параметры газа на входе: t=(+150C), Рвх=0,98 МПа

	№ п.п.	Узел установки	Обозна чение	Значение, кВт
Н о	1	Адсорбер	D A	537,5
	2	Детандер	D D	2100,02
	3	Холодиль ник	D tx	-886,62
	Ито-гo		D уст	1750,9
Эксергетический КПД			П е =0,849

Сравним предложенную схему со схемами, в которых используется подогрев газа. Возьмем стандартную схему, которая состоит из теплообменного аппарата для подогрева газа и детандера. Схема работает следующим образом: газ поступает в теплообменный аппарат, где подогревается до необходимой температуры, затем он попадает в детандер, где расширяется, выполняя работу, и выходит с той же температурой, что и был до подогрева и заданным рабочим давлением.

Рассмотрим два варианта.

Схема с подогревом газа, входные параметры и количество теплоты на подогрев примем то же самое, что и использовалось на регенерацию адсорбента, что позволит подогреть газ до 65 0С, параметры газа на выходе из схемы также одинаковы. Используя формулы, представленные выше, проведем тот же анализ, получим следующие данные.

Таблица 3 Эксергетический баланс детандер-генераторной установки для получения электроэнергии с подогревом газа до 650С. Параметры газа на входе: t=(+150C), Рвх=0,98 МПа

	№ п.п.	Узел установки	Обозна чение	Значение, кВт
S а Н о	1	Теплообменник	d t	583,33
	2	Детандер	D d	4500,04
	Ито го		D уст	5083,37
Эксергетический КПД			П е =0,628

Полученные данные показывают, что КПД схемы с подогревом до 65 0С чуть больше 60%, при том, что КПД разработанной схемы составляет 85%.

Рассмотрим другой вариант схемы с подогревом, зададимся оптимальной температурой подогрева 90 0С (температуру считаем оптимальной, т.к. при относительном внутреннем КПД детандера 0,7-0,85 и давлении 0,98 МПа из h-s диаграммы природного газа получаем температуру на выходе 15 0С). Остальные параметры оставим без изменения: входные и выходные. Используя тот же алгоритм расчета, получим следующие данные.

Таблица 4 Эксергетический баланс детандер-генераторной установки для получения электроэнергии с подогревом газа до 900С.

Параметры газа на входе: t=(+150C), Рвх=0,98 МПа

	№ п.п.	Узел установки	Обозна чение	Значение, кВт
S а Н о	1	Теплообменник	d t	563,26
	2	Детандер	D d	3600,03
	Итого		D уст	4163,29
Эксергетический КПД			П е =0,707

Данная схема более эффективна в сравнении с предыдущей, где подогрев до 65 0С, ее КПД возрос до 70 %, однако пришлось увеличить количество тепла, подведенное к теплообменному аппарату на 33 %, и несмотря на это ее КПД все еще далек от КПД предложенной схемы, который составляет 85 %.

Оценив эффективность схемы с осушкой относительно схем с подогревом газа, проведем анализ влияния сезонности и входных параметров на эксергетический КПД.

Зададимся следующими условиями:

• 1.    Относительный внутренний КПД детандера не превышает 85%.

• 2.    Параметры газа на выходе постоянны: температура t g = -50 ⁰С и давление p g = 0,2 МПа.

• 3.    Параметры газа и окружающей среды по сезонам:

  • 3.1.    Зима, газ +5 ⁰С, воздух - 15 ⁰С;

  • 3.2.    Весна, газ +5 ⁰С, воздух +5 ⁰С;

  • 3.3.    Лето, газ +20 ⁰С, воздух +15 ⁰С;

  • 3.4.    Осень, газ +10 ⁰С, воздух +10 ⁰С.

• 4.    Диапазон изменения входного давления от 0,7 МПа (минимальное значение вход-

• ного давления учитывая п.1 ) до 1,3 МПа с шагом 0,3 МПа.

• 5.    Расход газа постоянный G g1 = 100000 м³/ч.

Специально были выбраны разные температуры для весны и осени, чтобы наиболее полно отследить влияние исходных данных и темп ературы окружающей среды на потери эксергии.

Проведем тот же расчет (1-14) для каждого из сезонов и входных давлений.

По полученным данным построим рисунок 3.

Рисунок 3. Влияние входных параметров на эксергетический КПД одноступенчатой схемы.

По графику (рисунок 3) можно сделать выводы:

• 1.    Основное влияние оказывает входное давление, т.к. оно напрямую связано с КПД детандера, так, при давлении 0,7 МПа КПД 80-85 %, при увеличении давления в 2 раза КПД падает на 20-25 %.

• 2.    Сезонность оказывает незначительное влияние по сравнению со входным давлением (3-5 %). Самый низкий КПД весной, это связано с тем, что при равных входных параметрах газа (сравниваем с зимой) температура окружающей среды ниже, поэтому эксергетический потенциал входного газа выше, чем весной.

Проведенные расчеты позволяют сделать следующие выводы:

• 1.    Эксергетический КПД схемы с осушкой выше на 22 % за счет использования меньшего количества теплоты (только на регенерацию).

• 2.    В предлагаемой схеме потери работоспособности относительно схем с подогревом уменьшились в 2-2,5 раза.

• 3.    Появилась возможность охлаждения дымовых газов до более низкой темп ературы без риска низкотемпературной конденсации в связи с осушкой природного газа.