Вживання суміші пропан/етан як робоче тіло холодильної установки комплексу низькотемпературної конденсації природного газу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ

УДК 621.564: 629.463.125

ВЖИВАННЯ СУМІШІ ПРОПАН/ЕТАН ЯК РОБОЧЕ ТІЛО ХОЛОДИЛЬНОГО КОМПЛЕКСУ НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНОЇ КОНДЕНСАЦІЇ ПРИРОДНОГО ГАЗУ

05.05.14 - Холодильна, вакуумна та компресорна техніка, системи кондиціювання

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МАРТИНЮК МАКСИМ ОЛЕГОВИЧ

Одеса 2009

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Хмельнюк Михайло Георгійович, завідувач кафедри холодильних машин і установок Одеської державної академії холоду МОН України

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Лавренченко Георгій Костянтинович, директор ТОВ «Інститут систем перетворювання енергії», м. Одеса, заслужений діяч науки і техніки України

кандидат технічних наук, доцент Калінкевич Микола Васильович, доцент кафедри технічної теплофізики Сумського державного університету МОН України

Захист дисертації відбудеться 7-го грудня 2009 року, у ауд. 108 о 14⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.087.01 в Одеській державній академії холоду за адресою: вул. Дворянська, 1/3, м. Одеса, Україна, 65082.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ОГАХ за адресою: вул. Дворянська, 1/3, м. Одеса, Україна, 65082.

Автореферат розісланий 06.11.2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

д.т.н., проф. ______________________ Мілованов В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.На сьогоднішній день, з причини загальної тенденції до підвищення ефективності низки виробництв з використанням зовнішнього охолоджування, таких, як установки низькотемпературної конденсації природного газу (НТК), вимог з боку екологічних служб про повну переробку попутного нафтового газу без спалювання його на місці нафтовидобування, виникає необхідність зміни параметрів ряду технологічних процесів переробки природного газу. З досвіду експлуатації установок НТК природного газу випливає, що зниження температурного рівня зовнішнього охолоджування потоку, що переробляється, призводить до підвищення глибини вилучення цільових вуглеводнів. Використання суміші пропан/етан дозволяє знизити температурний рівень роботи холодильної установки, але пов'язано з рядом труднощів і вимагає досліджень проточної частини компресора на застосовність перспективного робочого тіла. Важливо як найточніше визначити параметри роботи компресора на запропонованій новій робочій речовині з метою винесення вироку про доцільність його використання і про допустимі режими роботи установки.

Через одиничність експлуатованих зразків компресорів і вартісного процесу проектування та виробництва нових корпусів, інтерес представляє оцінка можливості використання існуючих компресорів на нових робочих тілах. Важливою особливістю експлуатації турбохолодильных агрегатів слід вважати їх низьку уніфікацію відносно до вживаних робочих тіл.

Оцінка роботи холодильної установки на робочому тілі, яке дозволяє розв'язати завдання зниження температурного рівня кипіння, повинна відбуватися спільно із розглядом роботи турбохолодильного компресора.

Дана робота виконана в тісному контакті з прикладним завданням підвищення ефективності установок низькотемпературної конденсації природного газу. В ході досліджень прикладного завдання з'ясувалося, що актуальним є питання надійного і відносно простого методу здобуття характеристик турбохолодильної машини. Це випливає із необхідності мати дані про роботу компресора в передбачуваних умовах, на новому робочому тілі для здобуття параметрів холодильної установки і оптимізації технологічного процесу в цілому.

Зв'язок з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана згідно із: Постановою Кабінету Міністрів України від 03.04.2006р. № 412 «Про забезпечення ефективного використання енергетичних ресурсів»; Постановою Кабінету Міністрів України від 22.10.2008р. № 935 «Про організацію державного контролю за ефективним (раціональним) використанням паливно-енергетичних ресурсів»; Постанови Верховної Ради України від 22.02.2001р. № 2274-111 (2274-14) «Енергетічна стратегія України на період до 2030 року».

Метою роботи є отримання даних по характеристиках роботи пропанового відцентрового компресора типу ТП5-5 на суміші пропан/етан у складі холодильної установки комплексу НТК і оцінка доцільності переводу пропанової холодильної установки на суміш пропан/етан, що забезпечує глибшу переробку попутнього нафтового газу за рахунок зниження температурного рівня отримуваного холоду.

Об'єктом дослідження є відцентровий двосекційний чотириступінчастий холодильний компресор типу ТП5-5 у складі холодильної установки, що працює на пропані і суміші пропан/етан.

Предметом дослідження є робочі процеси в проточній частині холодильного турбокомпресора типу ТП5-5 на суміші пропан/етан, характеристики компресора і параметри холодильної установки.

Для досягнення поставленої мети було необхідно розв'язати такі завдання:

- обгрунтувати доцільність використання нового робочого тіла;

- розробити модель компресора для розрахункового комплексу, який грунтується на кінцево-елементному моделюванні і підтвердити її адекватність експериментальним даним;

- створити методику обробки результатів розрахунку (які являють собою великий набір величин, що вимагають усереднювання) і порівняти з результатами експериментальних досліджень;

- отримати дані по характеристиках роботи холодильного турбокомпресора на штатному і перспективному холодоагентах, що найкоректніше описують роботу компресора у всьому діапазоні зміни експлуатаційних параметрів;

- визначити оптимальну концентрацію суміші пропан/етан;

- отримати узагальнювальні енергетичні показники холодильної установки і компресора для перспективного робочого тіла.

Вирішення сформульованих завдань досягнуте в рамках наступних методів:

- кінцево-елементного моделювання проточної частини компресора;

- дослідження течії стискуваного потоку в проточній частині відцентрового компресора;

- дослідження процесів переробки попутного нафтового газу на установках НТК; компресор течія потік стискування

- дослідження пропанової холодильної установки комплексу НТК.

Наукова новизна виконаної роботи полягає:

- встановлено, що використання суміші пропан/етан в якості робочого тіла холодильної установки дозволяє знизити температурний рівень її роботи із -38 ⁰С до -49 ⁰С і забезпечити глибоку переробку попутнього нафтового газу на установці НТК;

- вперше отримані характеристики роботи компресора на новому робочому тілі із врахуванням особливостей роботи двосекційного складання при дотриманні умови енергетичного балансу потоків в компонентах установки;

- встановлено можливі режими роботи компресора на суміші пропан/етан за умов узгодження секцій між собою (побудовані загальні характеристики компресора);

- розроблені принципи раціональної організації робочих процесів холодильної установки на неазеотропній суміші з частковим розділенням холодоагенту на фракції і диференціюванням температурних рівнів роботи випарників різного призначення з однаковим тиском кипіння;

- вперше розроблена кінцево-елементна модель розрахунку двосекційного чотириступінчастого холодильного відцентрового компресора типу ТП5-5, яка дозволяє адекватно оцінювати параметри потоку в його проточній частині, що підтверджується зіставленням із експериментальними даними;

Обгрунтованість і достовірність наукових результатів підтверджується коректною постановкою виконаних досліджень, задовільним узгодженням отриманих розрахункових даних з результатами експерименту, відповідністю вживаних розрахункових комплексів міжнародним стандартам.

Наукове значення мають наступні результати досліджень:

- характеристики турбокомпресора на суміші пропан/етан як науково-технічна основа переводу компресорів на роботу на новому холодоагенті;

- обгрунтовані принципові підходи до дослідження роботи компресора при його переході на нові холодоагенти, зокрема, показано, що представлення характеристик двосекційного холодильного компресора для всього корпусу в загальному вигляді унеможливлює проведення дослідження холодильної установки на новому холодоагенті, що вимагає відновлення балансу потоків через другу секцію, тоді як характеристики кожної секції забезпечують можливість проведення такого дослідження;

- обгрунтовані принципи переводу компресора на роботу на нових холодоагентах, зокрема, показано, що проточна частина першої секції відцентрового холодильного компресора типу ТП5-5 може бути використана для стискування нового робочого тіла, тоді як проточна частина другої секції вимагає конструктивних змін;

- виявлені особливості здійснення холодильного циклу на суміші, що вимагають зміни як температурного рівня кипіння, так і конденсації, а також збільшення теплового навантаження на випарники;

- встановлено, що використання неазеотропної суміші як холодоагенту дозволяє диференціювати температурні рівні роботи випарників різного призначення у складі однієї холодильної установки за допомогою часткового розділення в процесі конденсації і при загальному тиску кипіння.

Практичне значення отриманих результатів:

- отримано великий об'єм даних про роботу відцентрового компресора у складі холодильної установки на новому холодоагенті;

- встановлено, що використання суміші пропан/етан як робочого тіла холодильної установки дозволяє знизити температурний рівень її роботи і забезпечити більш глибоку переробку попутнього нафтового газу на установці НТК;

- схемне рішення по модернізації пропанової установки, яке дозволяє диференціювати температурні рівні кипіння за допомогою часткового розділення холодоагенту на фракції, що дозволяє максимально ефективно використати потенціал суміші пропан/етан у якості холодоагенту;

- створена модель компресора типу ТП5-5, яка дозволяє проводити розрахунок характеристик машини для подальшого використання їх в проектній діяльності;

- на підставі результатів досліджень стало можливим проводити масштабний моніторинг установки НТК для удосконалення технологічного процесу.

Особистий внесок автора. Автором самостійно опановане і доопрацьоване в світлі застосовності до холодильних агрегатів сучасне середовище моделювання і розрахунку течії газу в проточній частині компресора. Особисто автором були створені умови для експлуатації обчислювального комплексу. Отримані всі основні результати роботи і систематизовані для зручного використання у прикладній області проектування і експлуатації установок НТК.

Апробація результатів дисертації. Основні результати виконаних досліджень доповідалися автором на 6-ій Міжнародній науково-технічної конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології», м. Одеса, 2007; III-й Міжнародній науково-технічній конференції «Низькотемпературні і харчові технології в ХХ1 столітті»: Санкт-Петербург, 2007 і 2008; Науково-технічній конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології», м. Одеса, 2009; Науково-технічній конференції «Устаткування і технології харчових виробництв», ДНУЄіТ, Донецьк - 2009г.; Науково-технічній конференції «Сучасні проблеми холодильної і криогенної техніки».

Публікації. Основний зміст дисертації викладений в 5-ти статтях, опублікованих в професійних періодичних виданнях ВАК і 5-ти друкарських працях, опублікованих у формі доповідей і тез в збірках наукових праць міжнародних конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація містить вступ, п'ять розділів, висновки по кожному розділу і узагальнювальні висновки, список використаної літератури і додатки. Робота містить 176 сторінок тексту, 57 рисунків, 21 таблицю, і 79 найменувань бібліографічних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі виконується обгрунтування доцільності дослідження можливості використання суміші пропан/етан як холодоагента холодильної установки комплексу НТК з метою підвищення ефективності переробки вуглеводневої сировини. Підкреслюється актуальність даного напряму розробок. Проводиться опис особливостей переробки попутнього нафтового і природного газу. Встановлюється зв'язок роботи з науковими програмами, затвердженими державою у сфері енергетики. Сформульовані мета і завдання дослідження. Представлені основні наукові результати роботи, вказаний особистий внесок автора в дослідження проблематики, перераховані зведення про апробацію основних результатів дисертації і публікації в професійних періодичних виданнях.

У першому розділі розглядається процес переробки природного і попутнього нафтового газу на установці НТК. Даються визначення основним критеріям ефективності переробки, позначаються напрями, в яких можливо вести дослідницьку діяльність. Визначається залежність ефективності розділення сировини на важливі складові від температури охолоджування потоку перед масообмінними пристроями. Наводяться дані про роботу комплексу НТК по заміряних фактичних значеннях параметрів матеріальних потоків. Проводиться порівняння отриманих даних із значеннями, що регламентуються. Описується весь процес переробки і схема установки НТК. Проводиться аналіз існуючих аналогічних виробництв із застосуванням зовнішнього охолоджування, холодильних установок і апаратів, вживаних для цього. Визначається доцільність зниження температурного рівня охолоджування потоку газу.

Сирий газ, що поступає на переробку, а також попутний нафтовий газ з родовищ піддається попередній обробці, де з нього видаляється волога і інші баластні домішки, прямує в установку низькотемпературної конденсації (Рисунок 1), де відбувається відділення вуглеводнів складу С3+ у вигляді широкої фракції легких вуглеводнів (ШФЛВ) і утворення сухого відбензиненого газу складу С1+С2. Якісним показником цього процесу є коефіцієнт вилучення цільових вуглеводнів, який досягає значень 90-93%.

Під коефіцієнтом вилучення цільових вуглеводнів мається на увазі відсотковий вміст в готовій продукції тих фракцій, які обумовлені в регламенті про фракційний склад продукції тієї або іншої марки. За даними моніторингу виробництва на предмет відповідності режимних параметрів розрахунковим значенням, виявлена загальна тенденція, яка відображує стійку залежність кількості продукції, що виробляється, від температурного рівня ряду процесів установки НТК вуглеводнів, в якому істотну роль грає початкова температура потоку газу і відповідно кількість отримуваного конденсату (Рисунок 2).

У другій главі розглядається можливість використання суміші пропан/етан з метою зниження температурного рівня кипіння у випарнику. Вказана неодмінна необхідність пошуку потрібних компонентів перспективного холодоагенту серед тих, які можливо отримати на тому ж виробництві і в достатній кількості. Найбільш відповідним є етан. Приведені основні властивості обох компонентів в чистому вигляді і в суміші один з одним. Розраховані параметри теоретичного парокомпресійного циклу для різних концентрацій суміші, проведений порівняльний аналіз термодинамічної ефективності циклу. Позначена необхідність здобуття характеристик відцентрового компресорного агрегату типу ТП5-5 на новому робочому тілі для найбільш коректного аналізу роботи холодильної установки.

Зниження температури кипіння пропана нижче t₀ = - 38 ⁰C неможливе у наслідок неприпустимого за регламентом зниження тиску кипіння. Додавання в пропан деякої кількості більш низькокиплячих вуглеводнів, наприклад, етану, дозволяє при збереженні тиску кипіння на необхідному рівні отримати нижчу температуру кипіння. Отримувана в результаті зеотропная суміш дає можливість здійснити її часткове розділення в процесі конденсації на легку і важку фракції, і тим самим здійснити цикл на декількох температурних рівнях. На рисунку 3 показана залежність температури від тиску на лінії насичення для чистого пропана і його суміші з етаном. Видно, що додавання етану призводить до зниження температури насичення при однаковому тиску. Другою важливою особливістю використання суміші пропан/етан слід вважати вищу питому холодопродуктивність циклу. На рисунку 4 показана залежність питомої холодопродуктивності циклу від кількості добавки етану в пропан при постійних тиску кипіння і конденсації. Причина, по якій фіксувалися тиски для порівняльної оцінки полягає в тому, що суміш пропан/етан неазеотропна. Це призводить до зміни температури в процесі конденсації і кипіння.

Збільшення питомої холодопродуктивності при додаванні в пропан етану викликане зміною температурного рівня і інтервалу циклу, а також термодинамічними властивостями етану. Зростання холодильного коефіцієнта (рисунок 5) викликане інтенсивнішим зростанням холодопродуктивності по відношенню до роботи стискування холодоагенту при збільшенні концентрації етану в суміші і при зниженні температури конденсації.

Про номінальні енергетичні параметри холодильної установки, що працює на суміші, можливо говорити лише за наявності характеристик турбокомпресора для цього робочого тіла.

У третій главі описана методика розрахунку відцентрового компресора в розрахунковому комплексі на основі кінцево-елементного моделювання процесу течії і стискування газу. Показані всі етапи постановки завдання розрахунку. Обгрунтовані в світлі особливостей роботи холодильного агрегату всі основні налаштування вирішувача і додаткові функції.

Процес реалізації розрахунку турбомашини можна розділити на наступні стадії:

1.Побудова твердотілої моделі розрахункової області і виділення симетричної геометрії;

2.Розбиття твердотілої моделі на безліч кінцевих об'ємів (розрахункова сітка) тієї або іншої конфігурації:

3.Постановка завдання розрахунку в попередньому вирішувачі:

4.Процес розрахунку у вирішувачі;

5.Обробка отриманих результатів розрахунку в пост-процесорі:

6.Коректування постановки завдання з метою уточнення параметрів, що впливають на адекватність розрахунку на підставі отриманих проміжних результатів; інтеграція попередніх результатів розрахунку в набір величин, що ініціюються, для початку наступного розрахунку з найбільш наближеного стану до сталого режиму.

Для розрахунку була виділена 1/11 частина кожного симетричного елементу проточної порожнини компресора. Відсікання відбувається досить складною криволінійною поверхнею, індивідуальною для кожного елементу проточної частини. Основний критерій при виборі характеру поверхні відсікання - строге дотримання умови

F_повн = 11* F_част(1)

в будь-якому перетині проточної частини.

Для робочого колеса (22 лопатки) перетин проходить посередині міжлопаткового каналу так, щоб виділити дві лопатки цілком і по половині міжлопаткового каналу з кожного боку. Аналогічно відбувається виділення 1/11 частин останніх елементів секції компресора.

Для розбиття твердотілої моделі проточної частини компресора на кінцеві елементи (об'єми) використовувався сітковий генератор CFX-Mesh. Дане застосування дозволяє найкоректніше побудувати розрахункову сітку для стискуваного плинного середовища. Розрахункова сітка частини лопатки робочого колеса і ВРА представлена на рисунках 7 і 8. Розмір елементів вибраний виходячи з раціонального поєднання точності опису фрагмента проточної частини і сумарної кількості комірок в сітці. Так, оптимальний розмір комірок для області робочого колеса знаходиться в межах 0,003 - 0,0015 м. Сумарна кількість комірок для частини лопатки робочого колеса складає 418511 штук. Кількість розрахункових комірок критично важлива з точки зору можливостей обчислювальної техніки. Останні елементи проточної частини компресора були розбиті на кінцеві об'єми аналогічним чином.

На рисунку 9 позиції 2 і 5 є доменами, що обертаються, позиції 1 і 4 - доменами із стінками, що обертаються, останні - нерухомими в глобальній системі координат. Визначення домена відбувається з метою привласнення йому характерних властивостей, таких, як тип системи відліку координат (coord. frame), локалізація геометричної області (location), вигляд рідини (fluids list), типу середовища (solid, porous, fluid), тиск середовища, по відношенню до якого буде визначено поточний тиск (reference pressure), для зручності обробки результатів, у всіх піддоменах набуте значення: reference pressure = 0. В такому разі всі величини тиску, що відображуються, будуть абсолютними.

P_abs=P_ref+P_stat(2)

Модель рідини - total energy. Дана модель використовує адіабатичні умови течії, вся енергі, що виділилася в потоці із-за тертя і стискування, присутня на всьому протязі течії. Дана модель щонайкраще підходить для стискуваних середовищ. Адіабатична течія газу дозволяє найкоректніше оцінити гідравлічні втрати в проточній частині. Модель турбулентності - shear stress transport. Дана модель прийнята внаслідок того, що досить коректно прогнозує розвиток турбулізації потоку після віддалення від стінки при складному розподілі градієнтів тиску. У проточній частині турбомашини мають місце досить складні явища пристінних течій, тому, дана модель, як та, що включає пристінні функції при визначенні параметрів рівнянь, є відповідною. Характеризуючи напругу зрушення, ця модель дає досить точне передбачення початку і кількості розділення потоку при складних градієнтах тиску. Визначальний аргумент функції залежить від відстані до найближчої стінки каналу. Наведена модель дозволяє уникати дуже дрібних розрахункових сіток, оскільки для чисельного вирішення рівнянь Навьє-Стокса, було б потрібно мати розрахункову мережу, елементи якої менше найменшого вихору.

,(3)

,(4)

де: у - відстань до найближчої стінки каналу; у - кінематична в'язкість;

,(5)

,(6)

(7)

Кінематична в'язкість рухомого потоку:

,(8)

де: S - інваріантна міра рівня напруги шарів потоку, що зрушуються.

Оскільки інтерес представляють сталі режими роботи компресора, то тип симуляції обраний як Steady state. При такому підході параметри потоку газу, що розраховуються, не є функцією часу і при обробці результатів розрахунку відсутня можливість оцінити характер зміни тієї або іншої величини з часом. Передбачається, що процес відбувається достатньо довго, і всі параметри в будь-якій точці розрахункової області слабо змінюються при кожному прирості тимчасового проміжку. Проте, для симуляції процесу все ж існує поняття фізичної шкали часу (Physical timescale). Для визначення характеру цієї зміни (як швидко) потрібний деякий характерний час процесу. Тому фізична шкала часу хоч і явно в результатах розрахунку не відображується, але істотно впливає на сам процес рішення, за допомогою міри зміни параметрів при подальших ітераціях. Збіжність рішення в цілому визначається цією величиною, яку для стаціонарних завдань ще називають «помилковими тимчасовими кроками».

Для процесу течії, що цікавить, був оцінений часовий масштаб, в рамках якого відбуваються такі зміни в потоці, що можна виявити присутність відмінності. По рекомендаціях технічної документації розрахункового комплексу, слід оцінювати масштаб часу виходячи з передбачуваної швидкості потоку в домені і його лінійного розміру.

,(9)

де: l - характерний лінійний розмір домена; u - середня швидкість потоку.

По усереднених величинах l = 0.13 м, u = 85м/с, можна визначити середній масштаб тимчасових кроків: Дt = 0,00153с. Подальші розрахунки підтвердили правильність такого припущення, і остаточний, прийнятий масштаб тимчасових кроків склав: Дt = 0,0015с.

Четвертий розділ присвячений перевірці розрахунків проточної частини компресора і обробці результатів розрахунку (здобуття характеристик). Виконано порівняння отриманих результатів для перевірочного зразка з експериментальними даними про випробування аналогічного компресора ГПА-Ц-16/76-1,44. Оцінці піддалися основні параметри роботи агрегату на номінальному режимі. Графічні залежності їх у вигляді характеристик представлені на рисунках 10 і 11.

На більшій частині діапазону зміни витрати газу видно, що значення міри підвищення тиску і політропного ККД декілька завищені. Це виходить в основному з того, що в розрахунку не враховувалися деякі втрати від перетічок через лабіринтові ущільнення, погрішністю розрахунку параметрів газу по рівнянню стану Редліха-Квонга. Проте, з причини того, що завищення значень параметрів носить систематичний характер, і в загальному випадку отримані рішення добре корелюють з експериментальними даними, загальна погрішність обчислень коливається в межах 2-11%. Для розрахунку течії в проточній частині турбокомпресора це достатня точність.

В результаті розрахунку турбокомпресора ТП5-5 був отриманий набір даних, що представлений сукупністю значень тих або інших величин в кожній вузловій точці елементу. Інтегральні і усереднені параметри були отримані для можливості кількісної оцінки характеру стискання суміші. За результатами усереднювання були побудовані основні характеристики турбомашини на пропані і суміші пропан/етан різних концентрацій.

Як видно з рисунків 12 і 13, використання суміші в номінальному режимі роботи компресора призводить до зниження міри підвищення тиску, що неминуче призведе до необхідності знижувати температуру конденсації за інших рівних умов. Менше значення Пк викликане тим, що при однакових окружних швидкостях на виході з робочих коліс, внаслідок того, що молекулярна вага суміші нижча, а також меншого значення зменшення питомого об'єму (меншій щільності в характерних перетинах), кінетична складова енергії потоку буде нижча. Так, для повного тиску з виразу (10) видно, що в кінетичну складову входить щільність газу і його швидкість.

p* = p + сс²/2(10)

На рисунках 14 і 15 показана залежність політропного ККД від масової витрати холодоагенту. З рисунка 14 видно, що характеристика енергетичної ефективності першої секції компресора для суміші пропана з етаном пологіша, що має на увазі можливість ефективної роботи машини в досить широкому діапазоні зміни витрати. Слід також відзначити і близьке максимальне значення ККД по відношенню до роботи машини на пропані. Більш крута характеристика ККД для пропана пояснюється тим, що чистий пропан володіє більшою динамічною в'язкістю, а краща стисливість призводить до того, що швидкості потоку більшою мірою змінюються в різних перетинах. Тому проточна частина хоч і була спроектована для стискування пропана, але має невеликий діапазон ефективної роботи в разі не використання вузлів регулювання. (Розрахунок політропного ККД був зроблений лише для повністю відкритих лопаток вхідного направляючого апарату (ВНА) і для однієї номінальної частоти обертання ротора - 8800 об/хв. При цьому масова витрата змінювалася за рахунок перепаду тисків на вході-виході секції. Це не суперечить загальноприйнятим прийомам випробувань відцентрових машин, і дозволяє визначати необхідність того або іншого методу регулювання продуктивності максимізувати значення політропного ККД для даного режиму. Для одного ж режиму обертання ротора і положення лопаток ВНА (як в даному випадку), потрібно знати характер зміни ККД, аби говорити про прийнятне значення масової витрати.) З рисунка 14 видно, що прийнятне значення масової витрати для суміші декілька нижче. Це пояснюється тим, що щільність потоку суміші в характерних перетинах проточної частини нижче по відношенню до пропану, і при одних і тих же окружних і радіальних швидкостях на виході з робочих колес, одному і тому ж перетині каналу, масова витрата буде пропорційна швидкості в перетині, площі перетину і щільності потоку (G = c_r*F*с). Не дивлячись на цей факт, корисна холодопродуктивність установки на суміші виявляється вищою при менших значеннях масової витрати холодоагенту.

Для другої секції, на рисунку 15, спостерігається зворотня картина. Характеристика ККД для суміші крутіше, ніж для пропана. Друга секція менш пристосована для стискування газу, відмінного по властивостях від пропана.

Залежність споживаної компресором потужності від витрати холодоагенту приведена на рисунках 16 і 17.

Збільшення концентрації етану призводить до зниження споживаної для стискування потужності.

П'ятий розділ присвячений оцінці роботи холодильної установки на суміші на підставі отриманих характеристик секцій компресора. Оцінена допустима концентрація суміші за умови температури конденсації. Основне значення мають температура конденсації, холодопродуктивність установки. Розглянута робота холодильної установки з частковим розділенням суміші на фракції. Розроблені рекомендації по застосуванню суміші. Робота двосекційного компресора з проміжним відбором пари з переохолоджувача вимагає узгодження режимів секцій по умові витрати і тиску нагнітання (температури конденсації). Критерій, за яким робилося узгодження, полягає в рівності кількості тепла переохолодження основного потоку (1-ій секції) і холоду випару потоку, що переохолоджував, для деякої температури конденсації. За значеннями температури конденсації, виходячи з фактичних значень температури довколишнього повітря на місці роботи установки, зроблений висновок про допустиме максимальне значення концентрації етану - 15%. Для цього значення концентрації отримана залежність корисної холодопродуктивності від температури конденсації (рисунок 19).

З рисунка 19 видно, що гранично допустима температура кінця конденсації суміші 85/15% для номінальної частоти обертання ротора - 14,5⁰С. Кліматичні умови району виробництва дозволяють здійснювати цикл на суміші велику частину року (рисунок 20). Номінальна холодопродуктивність установки на пропані при t₀ = -38^оС і t_к = 47^оС - 5400 кВт. Холодопродуктивність установки на суміші пропан/етан виявляється вищою. Для середньої температури кипіння t₀ = -45^оС і t_к = 13^оС, Q₀ = 5900 кВт.

Підвищена холодопродуктивність - обов'язкова умова роботи установки на суміші. Звуження температурного інтервалу циклу - також неодмінна умова.

Унаслідок неазеотропності пропонованої суміші, виникає ряд труднощів, пов'язаних з роботою деяких апаратів. Зокрема випарника, де кипіння відбувається у вільному об'ємі. Неминуче відбуватиметься зміна складу холодоагенту і не повною мірою використовуватиметься потенціал холоду.

Найбільш перспективним варіантом є розділення потоку холодоагенту після конденсатора на два, які відрізняються фракційним складом вихідних компонентів. Як показали дослідження різних варіантів схемних рішень, представляється найбільш вдалим наступний варіант, який дозволяє (Рисунок 21) адаптувати пропановую холодильну установку (ПХУ) для роботи на суміші пропан/етан.

Використання неазеотропної суміші-холодоагенту дозволяє диференціювати температурні рівні ряду технологічних процесів шляхом її розділення на різні фракції. Враховуючи те, що установка НТК потребує різну кількість холоду на різних температурних рівнях, представляється вдалим варіант суміші пропан/етан, яка дозволить отримувати холод в одному циклі на рівні до -49 ⁰С.

ВИСНОВКИ

У дисертації отримані дані про роботу пропанового компресора типу ТП5-5 і самій ПХУ на суміші пропан/етан. Обгрунтована можливість використання суміші і оцінені основні енергетичні параметри ПХУ. На підставі проведених досліджень можна сформулювати такі основні висновки:

1. Використання суміші пропан/етан дозволяє знизити температуру кипіння при збереженні тиску на нормальному рівні (0,12МПа);

2. Звуження температурного інтервалу роботи холодильної установки допустимо робити з причини особливостей клімату району виробництва;

3. Коректний розрахунок проточної частини компресора методом кінцевих елементів дозволяє отримати характеристики компресора на новому робочому тілі без проведення випробувань. Але треба поперед за все визначити методи та моделі, що є найточнішими у використанні саме в цьому випадку шляхом зіставлення експериментальних даних про роботу типового зразка та розрахункових даних того самого зразка;

4. Оскільки робота двосекційного компресора (два компресори в одному корпусі) виконується з проміжним відбором пари з переохолоджувача, слід мати на увазі обов'язкове зведення балансу матеріальних потоків через обидві секції компресора за умовою рівності тепла переохолодження і кількості холоду циклу, що переохолоджував. Лише в цьому випадку можна говорити про ті або інші температури конденсації для відповідних витрат холодоагенту;

5. Обов'язковою умовою роботи холодильної установки на суміші пропан/етан є підвищена холодопродуктивність (5900 кВт) відносно до пропану (5400 кВт). Потрібне звуження температурного інтервалу циклу. Так, температура конденсації має бути знижена від +47 ⁰С, як максимальна для пропана, до +13 ⁰С, що можливо завдяки кліматичним умовам району розташування установки. Температура кипіння знижується із -38 ⁰С до -49 ⁰С;

6. Використання неазеотропної суміші пропан/етан дозволяє диференціювати температурні рівні кипіння за допомогою розділення потоку холодоагенту на фракції з різною концентрацією вихідних компонентів;

7. Можлива робота компресора типу ТП5-5 на суміші пропан/етан в досить широкому діапазоні зміни основних параметрів потоку (масова витрата крізь першу секцію для суміші може становити від 12 до 16 кг/с), але друга секція має бути довантажена додатковою витратою холодоагента.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Мартинюк М.О. Работа холодильных компрессоров типа ТКФ на альтернативных рабочих телах / Хмельнюк М.Г., Мартинюк М.О., Козорез А.І. // Холодильна техніка і технологія. 2007. №1 (105). С. 25-28.

Особистий вклад: аналіз енергетичних параметрів холодильних установок, розрахунок параметрів стисливості хладагентов, виводи.

2. Мартинюк М.О. Применение смесей углеводородов в установках низкотемпературной конденсации природного газа / Хмельнюк М.Г., Мартинюк М.О. // Збірник наукових праць 6-й Міжнародній науково-технічної конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології». Одеса: Відавн. ОДАХ. 2007. С. 151-152.

(Додаток до журналу «Холодільна техніка і технологія» віп. 3 2007р.)

Особистий вклад: обгрунтування доцільності використання компонентів сумішей, розрахунок компресора і холодильного циклу, аналіз можливості здійснення заміни холодоагенту, систематизація даних про роботу НТК.

3. Мартинюк М.О. Повышение эффективности установок предварительного охлаждения природного газа / Хмельнюк М.Г., Мартинюк М.О., Зозуля О.В. // Матеріали III Міжнародної науково-технічної конференції «Низькотемпературні і харчові технології в ХХ1 столітті»: Санкт-Петербург, 13-15 листопада 2007. С. 133-139. Особистий вклад: систематизація даних про роботу НТК, розробка концепції підвищення ефективності НТК, розрахунок за погодженням режимних параметрів, аналіз результатів моніторингу НТК на предмет ефективності процесу переробки.

4. Мартинюк М.О. Характеристики центробежного пропанового компрессора при переводе его смесь пропан-этан / Хмельнюк М.Г., Мартинюк М.О., Зозуля О.В. // Холодильна техніка і технологія. 2007. №4 (108). С. 5-10. Особистий вклад: перевірочний розрахунок проточної частини компресора, порівняльний аналіз характеристик, основні виводи.

5. Мартинюк М.О. Применение смеси пропан/этан в установках предварительного охлаждения природного газа / Хмельнюк М.Г., Мартинюк М.О., Зозуля О.В., Мілованова В.В. // Холодільна техніка і технологія. 2007. №6 (110). С. 4 - 7. Особистий вклад: систематизація даних про роботу НТК, аналіз результатів моніторингу НТК на предмет ефективності процесу переробки, термодинамічний розрахунок холодильного циклу.

6. Мартинюк М.О. Повышение эффективности установки низкотемпературной конденсации природного газа / Хмельнюк М.Г., Мартинюк М.О., Зозуля О.В. // Технічні гази. 2008. №4. С. 30 -35. Особистий вклад: аналіз виробничого процесу НТК, термодинамічний аналіз деяких робочих тіл і їх сумішей, перевірочний розрахунок компресора, розробка схемного вирішення холодильної установки з частковим розділенням холодоагенту на фракції, розрахунок циклу.

7. Мартинюк М.О. Повышение эффективности установок предварительного охлаждения природного газа // Збірник наукових праць «Сучасні проблеми холодильної техніки і технології». Одеса: Відавн. ОДАХ. 2009. С. 26-27. (Додаток до журналу «Холодільна техніка і технологія» віп. 3 2009р.). Особистий вклад: систематизація даних про роботу НТК, розробка концепції підвищення ефективності НТК, розрахунок за погодженням режимних параметрів, аналіз результатів моніторингу НТК на предмет ефективності процесу переробки.

8. Мартинюк М.О. Работа пропанового холодильного компрессора типа ТП5-5 на новом рабочем теле / Мартинюк М.О., Хмельнюк М.Г. // Збірка наукових праць «Сучасні проблеми холодильної і криогенної техніки». Випуск 35, Том 1. видавництво ОНАХТ. 2009. С. 231-237. Особистий вклад: Розробка твердотілої і кінцево-елементної моделі компресора, газодинамічний розрахунок турбокомпресора в розрахунковому комплексі, систематизація і аналіз результатів розрахунку, визначення характеристик проточної частини.

9. Мартинюк М.О. Повышение эффективности установки низкотемпературной конденсации природного газа / Хмельнюк М.Г., Мартинюк М.О. // Тематична збірка наукових праць «Устаткування і технології харчових виробництв», випуск 21, ДНУЄіТ, Донецьк. 2009г. Особистий вклад: Розробка схемного вирішення холодильної установки з частковим розділенням холодоагенту на фракції, розрахунок циклу, газодинамічний розрахунок турбокомпресора, виводи про роботу НТК із застосуванням перспективного холодоагенту.

10. М.О. Мартинюк. Анализ характеристик пропанового холодильного компрессора типа ТП5-5 при его работе на смеси пропан/этан / М.О. Мартинюк, М.Г. Хмельнюк // Технічні гази - №4, 2009г., с. 23-29. Особистий вклад: газодинамічний розрахунок турбокомпресора в розрахунковому комплексі, визначення і аналіз характеристик проточної частини.

АНОТАЦИЯ

Мартынюк М.О. Применение смеси пропан/этан в качестве рабочего тела холодильной установки комплекса низкотемпературной конденсации природного газа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.14 - Холодильная, вакуумная и компрессорная техника, системы кондиционирования. - Одесская государственная академия холода. Одесса 2009г.

В диссертации представлены результаты исследований по применению смеси пропан/этан в холодильной установке НТК с целью повышения эффективности переработки попутнього нефтяного газа посредством снижения температурного уровня внешнего охлаждения потока газа перед разделением. Предложено применение смеси пропан/этан в качестве хладоагента пропановой холодильной установки с целью снижения температурного уровня её работы. Разработана конечно-элементная модель проточной части центробежного пропанового двухсекционного четырехступенчатого компрессора типу ТП5-5. Разработана поверочная модель компресора, для котрого известны характеристики по результатам испытаний натурного образца на заводе-изготовителе. Произведена серия расчетов компресора. Проверена адекватность расчетной модели и примов формализации физических моделей жидкости посредством сравнения результатов расчета с даннями экспериментальных продувок. Проведено исследование работы компрессора на смеси с различными концентрациями этана. Получены характеристики компрессора для смеси пропан/этан. На основании полученных характеристик оценены основные параметры работы холодильной установки на смеси. Оценено количество добавки этана в пропан по условию нормальной работы компрессора и аппаратов воздушного охлаждения. Определено, что количество добавки этана в пропан-хладоагент может варьироваться в зависимости от времени года и соответствующей располагаемой температуры окружающего воздуха. Предложено осуществлять частичное разделение смеси в процессе конденсации на фракции с целью дифференциации температурных уровней отвода тепла от потока газа на различных этапах переработки.

Ключевые слова: установка низкотемпературной конденсации природного газа, пропановая холодильная установка, смесь пропан/этан, центробежный турбокомпрессор, характеристики турбокомпрессора, конечно-элементная модель проточной части, температурный уровень и интервал цикла.

АНОТАЦІЯ

Мартинюк М.О. Вживання суміші пропан/етан як робоче тіло холодильної установки комплексу низькотемпературної конденсації природного газу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.14 - Холодильна, вакуумна і компресорна техніка, системи кондиціонування. - Одеська державна академія холоду. Одеса 2009

У дисертації представлені результати досліджень з використання сумiшi пропан/етан з метою підвищення ефективності переробки попутнього нафтового газу на установках низькотемпературної конденсації за допомогою зниження температурного рівня зовнішнього охолоджування потоку газу перед розділенням. Запропоновано вживання суміші пропан/етан як холодоагента пропанової холодильної установки з метою зниження температурного рівня її роботи. Розроблена кінцево-елементна модель проточної частини відцентрового пропанового двохсекційного чотириступінчастого компресора типу ТП5-5. Проведено дослідження роботи компресора на суміші. Отримані характеристики для суміші пропан/етан. На підставі отриманих характеристик оцінені основні параметри роботи холодильної установки на суміші. Оцінена кількість добавки етану в пропан за умовою нормальної роботи компресора і апаратів повітряного охолоджування. Запропоновано здійснювати часткове розділення суміші в процесі конденсації на фракції з метою диференціації температурних рівнів відведення тепла від потоку газу на різних етапах переробки.

Ключові слова: установка низькотемпературної конденсації природного газу, пропанова холодильна установка, суміш пропан/етан, відцентровий турбокомпресор, характеристики турбокомпресора, кінцево-елементна модель проточної частини, температурний рівень та інтервал циклу.

ABSTRACT

Martynyuk M.O. Usage of mixture propane/ethane as a working medium of a chiller in a complex of low-temperanure condensation of natural gas. - Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of a Cand.Tech.Sci. on a trade 05.05.14 - Refrigerating, vacuum and compressor technique, air conditioning. - the Odessa state academy of refrigeration. Odessa 2009

Effects of studies are introduced to theses on heightening of efficiency of rehash of passing petroleum gas on installations of soft condensation by means of decrease of temperature level of exterior chilling of a gas current before separation. Application of mixture propane/ethane in the capacity of refrigerant in a propane chiller for the purpose of decrease of temperature level of its operation is offered. The is terminating-element model of the setting centrifugal two-section four-stage compressor of type ТP5-5 is designed. Study of operation of the compressor on mixture is carried out. Performances for mixture propane/ ethane are gained. The amount of the component of ethane in propane on a requirement of normal operation of the compressor and air cooling vehicles is evaluated. It is offered to realise fractional separation of mixture in the course of condensation on fraction for the purpose of differentiating of temperature levels of an abstracted heat from a gas current at various temperanure levels.

Keywords: Centrifugal compressor assembly - Performances of compressor sections - Coordination of sections work - Refrigerating capacity - Polytropic coefficient of efficiency of section - Extent of pressure build-up - Basic and supercooling cycle

Размещено на Allbest.ru