Разработка и исследование роторного волнового криогенератора для установок сжижения природного газа

Эффективность криогенных установок определяется совершенством используемых аппаратов, машин и в том числе расширительных устройствкриогенераторов. В настоящее время наиболее эффективной расширительной машиной является турбодетандер. Однако создание турбодетандеров для малотоннажных ожижителей легких газов (в том числе природного газа) сопряжено с рядом трудностей связанных с ростом скорости вращения ротора, возможной конденсацией тяжелых фракций в процессе расширения и загрязненности газа. Кроме того сложность конструкции, высокая стоимость и ограниченная надежность вынуждают отказываться от применения турбодетандеров при малотоннажном производстве. Дроссельные расширительные устройства весьма надежны, конструктивно просты и недороги, однако адиабатный процесс расширения в них газа реализуется без совершения внешней работы и поэтому не является холодопроизводящим, что и определяет меньшую, как правило, термодинамическую эффективность установок с дросселированием [1]. Это обуславливает интерес к исследованиям волновых криогенераторов (ВКГ) работающих с совершением внешней работы и отличающихся невысокой стоимостью.

Работы по созданию и исследованию безмашинных волновых криогенераторов были начаты в 1979 году в проблемной и отраслевой лабораториях газодинамических методов получения холода МГТУ им. Н. Э. Баумана с участием ОАО «Криогенмаш», ОАО «Гелиймаш» и акустическим институтом им. H.H. Андреева. Созданные волновые криогенераторы эллипсоидного и параболоидного типа позволили получить КПД до 18%, а в криогенераторах с использованием эффекта Коанда, — КПД достигало 40%.

Результатом исследований в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» стало создание и промышленное применение ряда волновых расширительных машин: так называемых пульсационных охладителей газа (ПОГ) статического типа работающих с КПД 35−40% и с механической системой газораспределения с КПД 40−65%, энергообменников и «волновых детандеров» с КПД до 80%.

Отметим, что частота вращения газораспределителя в ПОГ с механической системой газораспределения, энергообменников и «волновых детандеров» гораздо меньше, чем у турбодетандеров — от 1000 до 8000 об/мин.

Первые исследования энергообменных аппаратов были направлены на применение их для наддува двигателей внутреннего сгорания. По своему функциональному назначению они были аналогичны турбокомпрессору, используя энергию давления расширяемого (активного газа) для компримирования пассивного газа посредством ударных волн. Детандерно-компрессорный режим энергообменника не является единственным. Путём изменения фаз газораспределения возможна эксплуатация энергообменника в режиме делителя потока (аналог — вихревая труба), а также в режиме уравнителя давлений (аналог — эжектор), что существенно расширяет область применения данных устройств.

Исследования направленные на применение энергообменников в установках низкотемпературной обработки газа, проведенные ВНИИГАЗ, привели к созданию «волновых детандеров». «Волновые детандеры» по функциональному назначению аналогичны детандерно-компрессорному агрегату. Конечный результат этих работ — успешная промышленная эксплуатация разработанной конструкции «волнового детандера» ВД-1 в составе установок «отбензинивания» газов Сосногорского ГПЗ и исследования технологии извлечения из пласта остаточных запасов ретроградного конденсата на Вуктыльском (Республика Коми) газоконденсатном месторождении. Режимы работы «волновых детандеров» на этих установках ограничены большими объемными расходами перерабатываемого газа (до 20 тыс. м. куб/час) и температурой расширяемого (активного) газа 270.310К. Режимы работы «волновых детандеров» на этих установках ограничены большими объемными расходами перерабатываемого газа (до 20 тыс. м. куб/час) и температурой расширяемого (активного) газа 270.310К.

Перспективность применения «волновых детандеров» в области низких температур для малотоннажных установок сжижения природного газа определяет актуальность настоящей работы. Созданное и исследованное газорасширительное устройство — роторный волновой криогенератор (РВКГ) является продолжением в развитии волновых криогенераторов (ВКГ) и отличается от «волновых детандеров» рядом конструктивных особенностей.

Целью работы является разработка и исследование криогенератора нового типа — роторного волнового криогенератора, научно-методическое обоснование оптимальных геометрических и технологических параметров, а также конструктивных решений, обеспечивающих повышение эффективности его эксплуатации в составе установок сжижения природного газа, работающих на уровне температур 210−180 К.

Основные задачи исследования.

1. Разработка математической модели учитывающей особенности рабочих параметров РВКГ.

2. Отработка конструкций основных узлов, обеспечивающих эксплуатационную надёжность РВКГ.

3. Исследование режимных и геометрических параметров РВКГ на природном газе.

4. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, анализ полученных результатов.

5. Разработка инженерной методики определения рабочих температур РВКГ.

Научная новизна.

Впервые определены термобарические и расходные характеристики промышленного образца роторного волнового криогенератора, реализующего принцип волнового энергообмена в области криогенных температур расширяемого газа.

Разработана математическая модель для определения параметров РВКГ учитывающая свойства реального газа (метана) не только в расчете интегральных характеристик, но и непосредственно в методе «распада разрыва» академика РАН С. К. Годунова. Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по модели на основе метода «распада-разрыва» и полученных экспериментально не превышает ±4%.

Впервые разработана инженерная методика расчета рабочих температур роторного ВКГ для определения изоэнтропного КПД и степени нагрева сжимаемого потока на основе классических уравнений процесса выхлопа и впуска. Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по инженерной методике и полученных экспериментально не превышает ±7%.

Расчеты по упрощенной модели позволяют сделать вывод о существенном влиянии процессов смешения активного и пассивного газа на снижение эффективности РВКГ.

Выявлены основные процессы и фазы в РВКГ. На первой фазе активный газ расширяется изоэнтропно, на второй фазе происходит его выхлоп. Сжатие и нагрев пассивного газа происходит на первой фазе рабочего процесса.

Защищаемые положения.

1. Научное обоснование оптимальных режимных и геометрических параметров РВКГ по результатам стендовых экспериментальных исследований макетного образца.

2. Математическая модель основанная на методе С. К. Годунова (метод «распада разрыва»), учитывающая свойства реального газа.

3. Инженерная методика определения рабочих параметров РВКГ основанная на классических уравнениях для процесса выхлопа.

Степень достоверности полученных автором результатов.

Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается применением аттестованных измерительных средств, апробированных методик измерения и воспроизводимостью результатов. Основные уравнения представленных автором математических моделей и соотношений величин базируются на фундаментальных законах и уравнениях термодинамики и газодинамики.

Практическая ценность.

Впервые разработан опытно-промышленный образец роторного волнового криогенератора.

Разработана математическая модель основанная на методе С. К. Годунова (метод «распада разрыва») для расчёта РВКГ, достоверность которой подтверждена результатами экспериментов.

Разработана инженерная методика расчета рабочих температур РВКГ основанная на классических уравнениях для процесса выхлопа и впуска. Достоверность которой также подтверждена результатами экспериментов.

Выявлены направления повышения эффективности РВКГ: снижение перетечек за счет уменьшения зазоровуменьшение торможения потока газа на торце вертикальной стенки канала путем оптимизации ее геометрии. г.

Подтверждена устойчивая работа устройства в условиях сильной загрязненности примесями (вода, масло, тяжелые углеводороды), а также при появлении двухфазной среды на выходе.

Апробация работы.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (ГАСИС, 2010 г.), 2-й международной конференции «ПРОМЫШЛЕННЫЕ ГАЗЫ» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011 г) и на одиннадцатой международной специализированной выставке «Криоген-Экспо — 2012» (ЦБК «Экспоцентр», 2012 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в журналах рекомендованных ВАК РФ:

1. Результаты экспериментальных исследований криогенного волнового детандер-компрессора / В. Ю. Семенов [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. № 4. С. 23−25.

2. Результаты экспериментальных исследований криогенного волнового детандер-компрессора / A.M. Архаров [и др.] // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2010. С. 122−127.

3. Архаров A.M., Семенов В. Ю., Малахов С. Б. Анализ принципов организации энергообмена в волновых криогенераторах // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 8. С. 77−83.

4. Развитие технологии сжиженного природного газа в московском регионе / A.M. Архаров [и др.] // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2010. С. 214−229.

5. Анализ рабочих процессов в роторном волновом криогенераторе / A.M. Архаров [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. № 7. С. 15−20.

Личное участие в получении результатов: Все результаты и выводы диссертационной работы получены лично автором в результате проведенных экспериментов и математического моделирования.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы (110 наименований) и приложения. Работа содержит 82 страницы текста, 41 иллюстрацию, 2 таблицы и приложения на 5-и страницах.

Данная работа была проведена в ПК НПФ «ЭКИП». При проектировании РВКГ использовались расчеты и материалы, предоставленные сотрудниками ООО «Газпром ВНИИГАЗ» к.т.н. Ю. А. Лаухиным и к.т.н. A.B. Козловым, а также к.т.н. В. Ш. Эрсмамбетовым. Существенный вклад на всех этапах этой работы от проектирования и постановки экспериментального исследования РВКГ до математического моделирования и анализа полученных результатов внес к.т.н. В. Ю. Семенов, осуществлявший организацию и руководство. Определяющая роль в области теоретического исследования и создания математической модели основанной на классических формулах для выхлопа и впуска принадлежит научному руководителю заслуженному деятелю науки и техники РФ, д. т. н., проф. A.M. Архарову. Автор выражает благодарность коллективу ПК НПФ «ЭКИП», сотрудникам кафедры «Э4» МГТУ им. Баумана, специалистам ООО «Газпром ВНИИГАЗ» к.т.н. Ю. А. Лаухину, к.т.н. A.B. Козлову и д.т.н. С. П. Горбачеву за внимание к работе и поддержку.

Основные результаты и выводы.

Впервые разработан опытно-промышленный образец роторного волнового криогенератора, реализующего принцип волнового энергообмена в области криогенных температур расширяемого газа. Определены термобарические и расходные характеристики РВКГ с энергообменными каналами постоянного сечения.

Разработана математическая модель для определения параметров РВКГ учитывающая свойства реального газа (метана) не только в расчете интегральных характеристик, но и непосредственно в методе академика РАН С. К. Годунова (метод «распада разрыва»). Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по модели на основе метода «распада разрыва» и полученных экспериментально не превышает ±4%, что подтверждает ее применимость для расчета параметров роторного волнового криогенератора в исследованном диапазоне степеней расширения.

Впервые разработана инженерная методика расчета рабочих температур роторного ВКГ для определения изоэнтропного КПД и степени нагрева сжимаемого потока на основе классических уравнений процесса выхлопа и впуска. Расхождение результатов расчетов температур расширенного активного газа и сжатого пассивного газа по инженерной методике и полученных экспериментально не превышает ±7%. Расчеты по инженерной модели показали существенную роль процессов смешения активного и пассивного газа в снижении эффективности РВКГ.

Выявлены основные процессы и фазы в РВКГ. На первой фазе активный газ расширяется изоэнтропно, на второй фазе происходит его выхлоп. Сжатие и нагрев пассивного газа происходит на первой фазе рабочего процесса.

Экспериментально показана возможность увеличения производительности исследованной конструкции РВКГ путем снижения величины гидродинамического сопротивления на входе в энергообменный канал со стороны газораспределителя активного газа.

Подтверждена возможность повышения эффективности криогенератора за счет уменьшения величины торцевых зазоров.

Анализ результатов экспериментального исследования РВКГ подтвердил выводы о максимальной эффективности устройств данного типа в области 7ГК (степень расширения активного потока) менее 2,5, что определяется термодинамическими особенностями процесса выхлопа.

На разработанной и апробированной в реальных условиях конструкции роторного волнового криогенератора был достигнут о адиабатный К.П.Д. 60% на уровне температур минус 35 минус 110 С. Подтверждена устойчивая работа РВКГ в условиях сильной загрязненности рабочего тела примесями (вода, масло, тяжелые углеводороды), а также при появлении двухфазной среды на выходе.

Анализ основных схем энергообмена показал, что схема с двумя пульсаторами и «петлевым» расположением источников и стоков является наиболее эффективной, а наиболее совершенным пульсатором является роторный пульсатор-газораспределитель.