Модификация цикла Mixed Fluid Cascade с рекуперацией теплоты обратных потоков рабочих веществ и оптимизированным давлением потока природного газа

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.

1. Архаров И.А., Александров А.А., Навасардян Е.С. Теория и расчет циклов криогенных систем. 2009.

2. Новотельнов В.Н. Криогенные машины / В.Н. Новотельнов, Суслов А.Д., Полтараус В.Б. – Спб.: Политехника, 1991. – 335 с.

3. 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.

4. 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.2020.120282

5. Pereira 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.2022.116364

6. Streit 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/10.1063/1.4707035

7. Люгай Д.В., Шайхутдинов А.З., Мутовин Ю.Г., Одишария Г.Э. Проблемные вопросы разработки и реализации проектов СПГ//Вести газовой науки. 2017. № 1 (29).

8. 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/10.1063/1.1774671

9. Wu 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.

10. Nagy M. Techno-economic analysis of LNG production alternatives. – 2016.(электронный ресурс ) URL : https://thesis.unipd.it/handle/20.500.12608/28143?mode=simple .

11. Федорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа: технологии и оборудование. – 2011.

12. 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. 53–57

13. 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.2019.114736

14. Merkulov 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/940/1/012114

15. Vatani 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.2013.11.050

16. Архаров А.М., Буткевич И.К.Криогенные машины и инструменты.М.:МГТУ им.Н.Э. Баумана. 2015.

17. Архаров А.М. Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем. – 2014.

18. 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/10.52254/1857-0070.2024.1-61.10

19. 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.pdf

20. Bauer 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.pdf

21. Waldmann I.B. Evaluation of process systems for floating LNG production units. In: Tekna conference; 2008

22. Иванова, 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.