vdgtuВестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наукиHerald of Dagestan State Technical University. Technical Sciences2073-61852542-095XDaghestan State Technical University10.21822/2073-6185-2025-52-2-27-41vdgtu-1766Research ArticleЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКАENERGY AND ELECTRICAL ENGINEERINGМодификация цикла Mixed Fluid Cascade с рекуперацией теплоты обратных потоков рабочих веществ и оптимизированным давлением потока природного газаModification of the Mixed Fluid Cascade cycle with heat recovery of the working fluid reverse flows and optimised natural gas flow pressurehttps://orcid.org/0000-0003-2665-5788ИконниковаА. Ю.IkonnikovaA. Yu.

Анастасия Юрьевна Иконникова, старший лаборант, ассистент, аспирант, образовательный центр «Энергоэффективные инженерные системы»

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д. 49; 197349, г. Санкт-Петербург, Макулатурный пр., 4, литера А

Anastasia Yu. Ikonnikova, Senior Lab Assistant, Assistant, Postgraduate Student, Educational Center "Energy Efficient Engineering Systems"

49 Kronverksky Ave., St. Petersburg 197101; 4 Makulaturny Ave., litera A, St. Petersburg 197349

aikonnikova@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9263-8153БарановА. Ю.BaranovA. Yu.

Александр Юрьевич Баранов, доктор технических наук, профессор, образовательный центр «Энергоэффективные инженерные системы»

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д. 49; 197349, г. Санкт-Петербург, Макулатурный пр., 4, литера А

Alexander Yu. Baranov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Educational Center "Energy Efficient Engineering Systems"

49 Kronverksky Ave., St. Petersburg 197101; 4 Makulaturny Ave., litera A, St. Petersburg 197349

abaranov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5564-9312КравченкоЮ. А.KravchenkoYu. A.

Юлия Андреевна Кравченко, аспирант, ассистент, образовательный центр «Энергоэффективныеинженерные системы»

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д. 49; 197349, г. Санкт-Петербург, Макулатурный пр., 4, литера А

Yulia A. Kravchenko, Postgraduate Student, Assistant, Educational Center "Energy Efficient Engineering Systems"

49 Kronverksky Ave., St. Petersburg 197101; 4 Makulaturny Ave., litera A, St. Petersburg 197349

jasolonina@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3675-5678КравченкоД. В.KravchenkoD. V.

Денис Владимирович Кравченко, аспирант, ассистент, образовательный центр «Энергоэффективныеинженерные системы»

197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д. 49; 197349, г. Санкт-Петербург, Макулатурный пр., 4, литера А

Denis V. Kravchenko, Postgraduate Student, Assistant, Educational Center "Energy Efficient Engineering Systems"

49 Kronverksky Ave., St. Petersburg 197101; 4 Makulaturny Ave., litera A, St. Petersburg 197349

dvkravchenko@itmo.ruНациональный исследовательский университет ИТМО; ООО «НПП «КРИОНРоссияNational Research University ITMO; LLC "NPP "KRION"Russian Federation2025100820255222741Copyright © Иконникова А.Ю., Баранов А.Ю., Кравченко Ю.А., Кравченко Д.В., 20252025Иконникова А.Ю., Баранов А.Ю., Кравченко Ю.А., Кравченко Д.В.Ikonnikova A.Y., Baranov A.Y., Kravchenko Y.A., Kravchenko D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.dgtu.ru/jour/article/view/1766

Цель. В работе представлены результаты исследования целесообразности рекуперации теплоты обратных потоков рабочих веществ цикла Mixed Fluid Cascade. Показано положительное влияние рекуперации теплоты на величину удельных затрат энергии на получение сжиженного природного газа. Метод. Исследование выполнено в формате математического моделирования работы цикла. Исследована работа цикла Mixed Fluid Cascade в базовом и модифицированном вариантах. Для организации рекуперации теплоты перегрева обратных потоков рабочих веществ в модифицированный вариант были добавлены теплообменные аппараты, расположенные в ступенях сжижения и переохлаждения, в которых обратные потоки рабочих веществ нагревались за счет подвода теплоты от прямых потоков. Также для дополнительного повышения энергоэффективности процесса был добавлен дожимающий компрессор сырьевого потока природного газа. Результат. В численном эксперименте изучено влияние выбора значения давления сырьевого потока природного газа, степени недорекуперации теплоты в дополнительных теплообменных аппаратах, выбора варианта включения теплообменных аппаратов в цикл на величину удельных затрат энергии и массового расхода рабочих веществ в ступенях внешнего охлаждения цикла. Вывод. Результаты исследования показали возможность перераспределения тепловой нагрузки цикла в сторону высокотемпературных ступеней, а также снижение удельных затрат энергии на получение сжиженного природного газа.

Objective. The paper investigates the feasibility of heat recovery from reverse flows in the Mixed Fluid Cascade cycle, highlighting its positive impact on specific energy consumption for liquefied natural gas (LNG) production. Method. The study employs mathematical modeling to analyze both the basic and modified cycle operations. The modified version incorporates heat exchangers in the liquefaction and subcooling stages, allowing reverse flows to be heated by direct flow heat. Additionally, a booster compressor for the feed natural gas flow is introduced to enhance energy efficiency. Result. The numerical experiments assess how variations in feed flow pressure, heat under-recovery in heat exchangers, and their configuration affect specific energy consumption and mass flow rates in the cycle's external cooling stages. Results indicate that thermal load can be redistributed towards high-temperature stages, leading to a reduction in specific energy consumption for LNG production. Conclusion. Overall, the research demonstrates the potential benefits of implementing heat recovery strategies in the Mixed Fluid Cascade cycle, contributing to more efficient LNG production processes.

недорекуперацияэнергоэффективностьсжиженный природный газповышенное давлениепотери энергииunderrecoveryenergy efficiencyliquefied natural gashigh pressureenergy lossesReferencesАрхаров И.А., Александров А.А., Навасардян Е.С. Теория и расчет циклов криогенных систем. 2009.Arkharov I.A., Aleksandrov A.A., Navasardyan E.S. Theory and calculation of cycles of cryogenic systems. S. Theory and calculation of cycles of cryogenic systems. - 2009. (In Russ)Новотельнов В.Н. Криогенные машины / В.Н. Новотельнов, Суслов А.Д., Полтараус В.Б. – Спб.: Политехника, 1991. – 335 с.Novotelnov, V.N. Cryogenic machines / V.N. Novotelnov, AD. Suslov, VB. Poltaraus - SPb.: Politechnika, 1991. - 335 с. (In Russ)Архаров А.М., Сычев В.В., Архаров И.А. Сопоставление результатов термодинамического анализа энергетических потерь в высокотемпературных и низкотемпературных системах, машинах и установках//Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, спецвыпуск «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения. – 2008.Arkharov A.M., Sychev V.V., Arkharov I.A. Comparison of the results of thermodynamic analysis of the energy losses in the high-temperature and low-temperature systems, machines and installations//Vestnik of the Moscow State Technical University named after N.E. Bauman, special issue ‘Refrigerating and cryogenic engineering, air-conditioning and life-support systems. - 2008. (In Russ)Kronberg A. et al. Theoretical limits on the heat regeneration degree//International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2020. – Т. 161. – С. 120282. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120282Kronberg A. et al. Theoretical limits on the heat regeneration degree. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020;161:120282. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120282Pereira M.A.M. et al. Energy and economic comparison of five mixed-refrigerant natural gas liquefaction processes//Energy Conversion and Management. – 2022. – Т. 272. – С. 116364 https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116364Pereira M.A.M. et al. Energy and economic comparison of five mixed-refrigerant natural gas liquefaction processes. Energy Conversion and Management. 2022;272:116364 https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116364Streit J.R., Razani A. Second-law analysis and optimization of reverse brayton cycles of different configurations for cryogenic applications//AIP Conference Proceedings. – American Institute of Physics, 2012. – Т. 1434. – №. 1. – С. 1140-1148. https://doi.org/10.1063/1.4707035Streit J.R., Razani A. Second-law analysis and optimization of reverse brayton cycles of different configurations for cryogenic applications//AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics, 2012; 1434(1):1140-1148. https://doi.org/10.1063/1.4707035Люгай Д.В., Шайхутдинов А.З., Мутовин Ю.Г., Одишария Г.Э. Проблемные вопросы разработки и реализации проектов СПГ//Вести газовой науки. 2017. № 1 (29).Lyugai D.V., Shaikhutdinov A.Z., Mutovin Yu.G.G., Odisharia G.E. Problematic issues of development and implementation of LNG projects . Vesti gazovoy nauki. 2017;1(29). (In Russ)Andress D.L., Watkins R.J. Beauty of simplicity: Phillips optimized cascade LNG liquefaction process //Advances in Cryogenic Engeineering: Transactions of the Cryogenic Engineering Conference-CEC. – 2004. – Т. 49. – С. 91-100. https://doi.org/10.1063/1.1774671Andress D.L., Watkins R.J. Beauty of simplicity: Phillips optimized cascade LNG liquefaction process //Advances in Cryogenic Engeineering: Transactions of the Cryogenic Engineering Conference-CEC. 2004; 49: 91-100. https://doi.org/10.1063/1.1774671Wu X. et al. A critical analysis of natural gas liquefaction technology//Fluid Dynamics and Materials Processing. – 2021. – Т. 18. – №. 1. – С. 145-158. https://doi.org/10.32604/fdmp.2022.018227.Wu X. et al. A critical analysis of natural gas liquefaction technology. Fluid Dynamics and Materials Processing. 2021;18( 1):145-158. https://doi.org/10.32604/fdmp.2022.018227.Nagy M. Techno-economic analysis of LNG production alternatives. – 2016.(электронный ресурс ) URL : https://thesis.unipd.it/handle/20.500.12608/28143?mode=simple .Nagy M. Techno-economic analysis of LNG production alternatives. – 2016. (electronic resource) URL: https://thesis.unipd.it/handle/20.500.12608/28143?mode=simple.Федорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа: технологии и оборудование. – 2011.Fedorova E.B. Current state and development of the global industry of liquefied natural gas: technologies and equipment. - 2011. (In Russ)Василевич В.В., Федосеев П.О., Бричка К.М., Шотиди К.Х. Сравнительный анализ современных технологий крупнотоннажного производства сжиженного природного газа.//Газовая промышленность. 2017. № 9 (757). С. 53–57Vasilevich V.V., Fedoseev P.O.O., Brichka K.M., Shotidi K.H. Comparative analysis of modern technologies of large-capacity production of liquefied natural gas. Gas Industry. 2017;9(757):53-57 (In Russ)Zhang J. et al. Comprehensive review of current natural gas liquefaction processes on technical and economic performance//Applied Thermal Engineering.–2020.–Т.166.–С.114736. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114736Zhang J. et al. Comprehensive review of current natural gas liquefaction processes on technical and economic performance. Applied Thermal Engineering. 2020;166:114736. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114736Merkulov V.I. Analysis of Russian Arctic LNG projects and their development prospects//IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2020. – Т. 940. – №. 1. – С. 012114. https://doi.org/10.1088/1757-899X/940/1/012114Merkulov V.I. Analysis of Russian Arctic LNG projects and their development prospects //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2020;940(1):012114. https://doi.org/10.1088/1757-899X/940/1/012114Vatani A., Mehrpooya M., Palizdar A. Advanced exergetic analysis of five natural gas liquefaction processes//Energy conversion and management. – 2014. – Т. 78. – С. 720-737. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.11.050Vatani A., Mehrpooya M., Palizdar A. Advanced exergetic analysis of five natural gas liquefaction processes. Energy conversion and management. 2014;78:720-737. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2013.11.050Архаров А.М., Буткевич И.К.Криогенные машины и инструменты.М.:МГТУ им.Н.Э. Баумана. 2015.Arkharov A.M., Butkevich I.K. Cryogenic machines and tools//M.: Bauman Moscow State Technical University. - 2015. (In Russ)Архаров А.М. Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем. – 2014.Arkharov A.M. Fundamentals of Cryology. Entropy-statistical analysis of low-temperature systems. - 2014. (In Russ)Автор (2024) Optimization of Mixed Fluid Cascade Natural Gas Liquefaction Plant Feed Stream Pressure //Problemele Energeticii Regionale. – 2024. – Т. 61. – №. 1. – С. 111-126. https://doi.org/10.52254/1857-0070.2024.1-61.10Autor (2024) Optimisation of Mixed Fluid Cascade Natural Gas Liquefaction Plant Feed Stream Pressure Problemele Energeticii Regionale. 2024;61(1): 111-126. https://doi.org/10.52254/1857-0070.2024.1-61.10 (In Russ)Helgestad D.E. Modelling and optimization of the C3MR process for liquefaction of natural gas//Process Systems Engineering. – 2009. – Т. 44. (электронный ресурс) URL: https://skoge.folk.ntnu.no/diplom/prosjekt09/helgestad/Helgestad_project.pdfHelgestad D.E. Modelling and optimization of the C3MR process for liquefaction of natural gas//Process Systems Engineering. 2009;44. (electronic resource) URL: https://skoge.folk.ntnu.no/diplom/prosjekt09/helgestad/Helgestad_project.pdfBauer H.C. Mixed fluid cascade, experience and outlook//Paper 25a, 12th Topical Conference on Gas Utilization, AIChE 2012 Spring Meeting, Houston, Texas. – 2012;2. electronic resource) URL:https://www.researchgate.net/profile/Heinz-Bauer/publication/277191917_Mixed_Fluid_Cascade_Experience_and_Outlook/links/55644f2108ae9963a11f246f/Mixed-Fluid-Cascade-Experience-and-Outlook.pdfBauer H.C. Mixed fluid cascade, experience and outlook //Paper 25a, 12th Topical Conference on Gas Utilization, AIChE 2012 Spring Meeting, Houston, Texas. – 2012;2. electronic resource) URL:https://www.researchgate.net/profile/Heinz-Bauer/publication/277191917_Mixed_Fluid_Cascade_Experience_and_Outlook/links/55644f2108ae9963a11f246f/Mixed-Fluid-Cascade-Experience-and-Outlook.pdfWaldmann I.B. Evaluation of process systems for floating LNG production units. In: Tekna conference; 2008Waldmann I.B. Evaluation of process systems for floating LNG production units. In: Tekna conference; 2008Иванова, К.С. Перспективы и проблемы развития производства и сбыта СПГ в России / К.С. Иванова //Проблемы экономики и управления нефтегазовым комплексом. – 2019. – № 7(175). – С. 46-50. – https://doi.org/10.33285/1999-6942-2019-7(175)-46-50.Ivanova, K.S. Prospects and problems of development of LNG production and sales in Russia / K.S. Ivanova. Problems of economics and management of oil and gas complex. 2019;7(175):46-50. – https://doi.org/10.33285/1999-6942-2019-7(175)-46-50

The authors declare that there are no conflicts of interest present.