Спосіб змінення густини кріогенних газів і система установок для його здійснення

Реферат: Винаходи належать до газової промисловості, кріогенної техніки і можуть бути використані в газорозподільних системах, терміналах зріджених газів, установках зрідження природного газу, у тому числі, які експлуатуються в умовах відсутності інфраструктурних об'єктів енергопостачання, і установках регазифікації на низькі та середні тиски. У способі проведення процесів зниження-підвищення густини здійснюють періодично повторюваними циклами одночасно для двох кріогенних газів з почерговим вивільненням у циклі регазифікації одним і одночасним акумулюванням у циклі зрідження іншим низькотемпературного холоду в прямому і зворотному розімкнутих циклах пари зв'язаних установок з почерговим переміщенням одного з газів високої густини, до місця прямої або зворотної доставок при виведенні із системи іншого газу низької або середньої густини. Система установок парного циклу змінення густини кріогенних газів складена двома розімкненими контурами зрідження-регазифікації цільового і буферного кріогенних газів, що у пункті відправлення цільового складають установку багатоступеневого теплообміну для зрідження цільового газу регазифікацією буферного з видачею споживачеві або скиданням в атмосферу, а у пункті доставки цільового газу - кріогенну теплонасосну установку для регазифікації цільового з видачею споживачеві зрідженням буферного. При цьому гілка регазифікації контуру цільового газу кріогенної теплонасосної установки пов'язана UA 105077 C2 (12) UA 105077 C2 транспортною системою з гілкою зрідження контуру цільового газу установки багатоступеневого теплообміну, а гілка зрідження контуру буферного газу кріогенної теплонасосної установки пов'язана транспортною системою з гілкою регазифікації буферного газу установки багатоступеневого теплообміну. Винаходи дозволяють знизити питомі енерговитрати на зрідження кріогенних газів, регазифіковних споживачеві на низькі та середні тиски нижче критичного, з додатковим одержанням зрідженого парного кріоагента та спростити технологічної схеми установок для зрідження кріогенних газів. UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винаходи належать до газової промисловості, кріогенної техніки і можуть бути використані в газорозподільних системах, терміналах зріджених газів, установках зрідження природного газу (метану), у тому числі, що експлуатуються в умовах відсутності інфраструктурних об'єктів енергопостачання, і установках регазифікації на низькі та середні тиски. Часткове або повне зрідження природного газу для транспортування з доставкою на віддалені ринки споживання трубопровідним транспортом або в кріогенних ємностях транспортних засобів - енергоємний процес із технічно складним здійсненням, тоді як регазифікування на газорозподільних станціях з перетворенням тисків під потреби споживача здійснюється із втратою відкидного низькотемпературного холоду. По суті, будь-яке перетворення густини кріогенних газів у процесах зрідження і регазифікації з підвищенням або зниженням тисків потребує додаткових енерговитрат або пов'язане з незворотними втратами енергії і холоду низькотемпературного зрідженого природного газу, що призводить до нераціональних витрат первинних паливно-енергетичних ресурсів. Оскільки більшість систем зрідження кріогенних газів, що експлуатуються на цей час, функціонує без використання утилізаційного холоду газорозподільних станцій та інших джерел відкидного холоду, енергетичні втрати видобувних і газоподавальних підприємств становлять значну частину питомих енерговитрат на виробництво споживчого природного газу. При цьому непродуктивне скидання низькопотенціального холоду призводить до надлишкового теплового забруднення атмосфери. У цьому зв'язку підвищення енергетичної і економічної ефективності процесів зрідження газоподібних і регазифікації зріджених кріогенних газів для галузей газової промисловості та кріогенної техніки є актуальною проблемою. Відомий спосіб змінення густини кріогенних газів (пат. РФ № 2073181, F25J 1/00, F25B 9/00, 1997) шляхом проведення декількох циклів розширення-стиснення. Зріджуваний газ стискають до 2 МПа при температурі 300К у трьох циклах компресорного стиснення, охолоджують у трьох детандерних циклах і системі охолодження теплообмінників з наступним дроселюванням та сепаруванням рідкої фази. Відомий пристрій змінення густини кріогенних газів (Система для сжижения газа, пат. РФ № 2073181, F25J 1/00, F25B 9/00, 1997), що містить на вході регенератор, перший вихід якого пов'язаний із входом першого детандера, виходом пов'язаного з першим входом першого теплообмінника, зв'язаного із входом другого сепаратора рідини, перший вихід якого зв'язаний із входом другого детандера, а другий - із входом дроселя, вихід другого детандера і дроселя пов'язані з першим і другим входами першого сепаратора рідини, відповідно, а вихід першого сепаратора рідини через перший теплообмінник і регенератор зв'язаний із входом першого компресора, який через другий теплообмінник зв'язаний із входом другого компресора, що через третій теплообмінник пов'язаний з виходом системи, перший і другий компресори зв'язані загальним валом з відповідними детандерами, а входи і виходи є входами і виходами підключення до системи охолодження навколишнім повітрям. Спосіб і пристрій функціонують із передачею низькотемпературного потенціалу на рівень температур навколишнього середовища з низькими коефіцієнтами зрідження метану та відзначаються високим рівнем питомих енерговитрат. Часткове зрідження метану здійснюють у процесі проведення декількох етапів розширення-стиснення власного кріоагента метану без використання в циклі охолодження більш низькотемпературного буферного газу, що термодинамічно неефективно і призводить до реалізації режиму з надто високою (недостатньо низькою) температурою охолодження метану перед розширенням при одержанні рідкої фази. Відомий спосіб змінення густини кріогенних газів (Спосіб зрідження метану, пат. України № 71595, F25J1/00, Бюл. № 2, 2004) шляхом багатоступеневого каскадного охолодження з декількома газами-холодоагентами, які розширюються в замкнутих циклах охолодження. Відомий спосіб реалізовано на двох багатокомпонентних холодоагентах з передачею відібраного від метану тепла низького температурного потенціалу на рівень температур навколишнього середовища, із стисненням основного об'єму робочих тіл у паровій (газовій) фазі високоенерговитратними компресорами. Крім того, зрідження не забезпечене ефективним охолодженням на рівні найбільш низьких температур, незважаючи на використання дорогих багатокомпонентних холодоагентів. Відомий пристрій змінення густини кріогенних газів (пат. України № 71595, F25J1/00, Бюл. № 2, 2004), що містить контури природного газу метану та пов'язані з ним контури висококиплячого і низькокиплячого багатокомпонентних охолоджувальних агентів, кожний з яких оснащено двома компресорами, двома насосами зріджених газів, двома сепараторами та каскадами пов'язаних регенеративних теплообмінників. 1 UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій складного схемного виконання функціонує з високими енерговитратами через переведення відібраного від метану тепла низького температурного потенціалу на рівень температур навколишнього середовища, значні втрати необоротної теплопередачі в трьох контурах пристрою та складні режими функціонування. Відомий спосіб змінення густини кріогенних газів (Способ получения холода, пат. РФ. № 2239131 F25B 1/00, F25B 9/14, 2004), що включає послідовно здійснювані компресорне стиснення у газовій фазі циркулюючого в замкнутому контурі холодоносія з розширенням та частковим зрідженням у детандерно-дросельному низькотемпературному блоці з регенерацією холоду парової фази, стиснення рідкої фази насосом зрідженого газу, випаровування та нагрівання стисненого холодоносія до температур навколишнього середовища теплом, що відводиться від споживача, повернення нагрітого холодоносія в лінію нагнітання компресором у перший найбільш теплий регенеративний теплообмінник. Відомий спосіб енергетично неефективний через передачу низькопотенціального тепла на рівень температур навколишнього середовища та не забезпечує ефективного зрідження промислового кріогенного газу з видачею споживачеві, незважаючи на три каскадне охолодження з використанням розширення кріогенного газу в трьох детандерах, у силу недостатньої питомої холодопродуктивності, яку отримано в низькотемпературному блоці, через значне погіршення термодинамічної ефективності у випадку відбору частини рідкої фази низького тиску та передачу холоду стисненого насосом кріогенного газу на рівень температур навколишнього середовища. Відомий пристрій для зрідження природного газу (Устройство для сжижения природного газа, пат. РФ № 2144649, F25J1/00, 2000), що містить перекачувальні компресори (насоси), підключені до системи каскадно установлених теплообмінників, з'єднаних через паралельно установлені клапан Джоуля-Томпсона та детандер. Відомий пристрій являє собою енерговитратну систему складного функціонування, що перевантажена теплообмінними елементами. При цьому, передача низькопотенціального тепла, яке відбирається від цільового метану, здійснюється послідовно через три замкнутих компресорних контури на рівень температур навколишнього середовища, що призводить до високих питомих енерговитрат. Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб змінення густини кріогенних газів (Способ для сжижения природного газа, пат. РФ № 2144649, F25J 1/00, 2000) шляхом подачі живильного 2 потоку природного газу під надлишковим тиском, що перевищує 56,2 кгс/см (атм) і температурі навколишнього середовища, що перед охолодженням пропускають через детандер для 2 зниження тиску потоку до надлишкового тиску нижче 45,7 кгс/см (атм), прохолоджують потік до температури нижче -18 °C, повертають роботу від живильного потоку в процесі зниження тиску за допомогою детандера, з виходу якого подають живильний потік в охолодний цикл процесу для одержання зрідженого потоку природного газу при атмосферному тиску та температурі нижче -161 °C. Відомий спосіб реалізується шляхом багатоступеневого каскадного охолодження в системі відбору тепла декількома газами-холодоагентами (пропаном, етиленом і метаном), які стискуються, охолоджуються при непрямому теплообміні та розширюються в замкнутих циклах охолодження. Реалізація способу в установках на компресорних циклах охолодження при багатоконтурній каскадній передачі низькопотенціального тепла пов'язана з високими енерговитратами через переведення відібраного тепла на рівень температур навколишнього середовища і втрати необоротної теплопередачі між контурами багатоконтурного пристрою. Найбільш близьким є пристрій змінення густини кріогенних газів (Устройство для получения холода, пат. РФ. № 2239131 F25B 1/00, F25B 9/14, 2004), що містить двигун, компресор, послідовно підключені теплообмінник на холодоносії (холодоагенті) з температурою навколишнього середовища, перший регенеративний теплообмінник, за яким паралельно підключений детандер із другим регенеративним теплообмінником, причому вихід детандера приєднаний до зворотної порожнини другого регенеративного теплообмінника, послідовно за другим регенеративним теплообмінником включений третій регенеративний теплообмінник, пряма порожнина якого через регульований дросель з'єднана із входом сепаратора, а зворотна - з паровим виходом сепаратора, другий детандер, включений паралельно третьому регенеративному теплообміннику, причому вихід детандера з'єднаний із зворотною порожниною третього регенеративного теплообмінника та паровою порожниною сепаратора, та третій детандер, включений паралельно дроселю, а насос приєднаний до рідинного виходу сепаратора та випарника холодильної камери, що також приєднаний до порожнини прямого потоку холодильного контуру за компресором, при цьому, випарник з'єднаний з холодильним 2 UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 контуром через теплообмінник, а холодильний контур приєднаний до регенеративного теплообмінника в місці з температурою набивання регенеративного теплообмінника, рівною температурі пари, що вводиться, при цьому ресивер з робочим тілом установлено у холодильній камері та приєднано до випарника. Відомий пристрій, що функціонує за замкнутим тепловим циклом Ренкіна, дозволяє здійснювати часткове зрідження за рахунок холоду, що вироблюється при проведенні декількох етапів розширення-стиснення метану, без використання ексергії зрідженого буферного низькотемпературного газу та відрізняється високим рівнем питомих енерговитрат. При цьому, часткове зрідження холодоагента метану з відбором рідкої фази є високоенерговитратним у циклах компресорного стиснення і детандерного розширення та здійснюється з термодинамічною ефективністю, яка тим нижче, чим більша кількість рідкої фази холодоагента відбирається споживачеві. У разі диверсифікації схеми з заміною холодоагента на більш низькокиплячий кріогенний газ, наприклад азот зрідження метану у холодильній камері енергетично неефективне через великі зовнішні теплопливи з навколишнього середовища та значні втрати необоротної теплопередачі метан-азот на початкових етапах охолодження зріджуваного метану і значній втраті холоду азоту на кінцевих. При цьому в пристрої відомого виконання регенерація холоду, який запасено в зрідженому метані для акумулювання зріджуваним азотом, практично не реалізована. В основу винаходу поставлено задачу створення способу змінення густини кріогенних газів шляхомреалізації акумулювання парним буферним газом відкидного холоду регазифіковного цільового газу в одній з установок парного циклу регазифікації-зрідження, перенесення низькотемпературної ексергії, акукумульованої у зрідженому буферному газі, на інший процес зрідження нової порції цільового газу в другій установці парного циклу взаємодії з першою та періодичного повторення змінюваних циклів переносу утилізованої низькотемпературної ексергії з ефективним її використанням у кожному циклі як джерела низькопотенціального холоду для зрідження цільового кріогенного газу, за рахунок чого досягнуто зниження питомих енерговитрат на зрідження кріогенних газів, регазифіковних споживачеві на низькі та середні тиски нижче критичного, з додатковим одержанням зрідженого парного кріоагента та спрощення технологічної схеми установок для зрідження кріогенних газів. В основу винаходу також поставлено задачу створення системи установок змінення густини кріогенних газів, конструктивне виконання технологічної схеми проведення процесів у кожній з яких визначено умовами одержання та відбору достатньої кількості низькотемпературного холоду для зрідження висококиплячого або низькокиплячого кріоагентів в установках парної взаємодії для оптимального доведення пари газів до заданого агрегатного стану у кожному циклі, за рахунок чого досягнуто зниження питомих енерговитрат на зрідження кріогенних газів, регазифіковних споживачеві на низькі та середні тиски нижче критичного, з додатковим одержанням зрідженого парного кріоагента та спрощення технологічної схеми установок для зрідження кріогенних газів. Поставлена задача досягається тим, що в способі змінення густини кріогенних газів, який включає підвищення густини кріогенних газів зрідженням у циклах компресорного стиснення, відбору холоду зворотних потоків попередньо розширеного зі здійсненням роботи і здросельованого кріоагента та переміщення зрідженого цільового кріоагента в пункт доставки, згідно з винаходом, процеси підвищення-зниження густини проводять періодичними циклами одночасно для двох кріогенних газів з почерговим вивільненням у циклі регазифікації одним і одночасним акумулюванням у циклі зрідження іншим низькотемпературного холоду в прямому та зворотному розімкнутих циклах змінення густини кріогенних газів пари зв'язаних установок з почерговим переміщенням одного з газів високої густини, до місця прямої або зворотної доставок при виведенні із системи іншого газу низької або середньої густини, при цьому процес зрідження цільового висококиплячого кріоагента з підвищенням до високої 2,0-3,3 критичної густини в установці багатоступеневого теплообміну проводять при послідовному підвищенні густини попередньо стисненого компресором до закритичного тиску висококиплячого кріоагента з акумулюванням холоду, що вивільняється, від попередньо стисненого до закритичного тиску насосом зрідженого газу та розширеного у детандері за не менш ніж чотириразового зниження тиску регазифіковного буферного низькокиплячого кріоагента, з одночасним відбором холоду зріджуваним висококиплячим кріоагентом у регенеративних теплообмінниках при переведенні низькокиплячого кріоагента у газоподібний стан для видачі споживачеві або скидання в атмосферу, зріджений цільовий висококиплячий кріоагент переміщують у пункт доставки, регазифікують для видачі споживачеві зі зниженням густини та відбором холоду, що вивільнюється, при одночасному його акумулюванні з підвищенням до високої 1,5-3,3 критичної густини зріджуваним буферним низькокиплячим кріоагентом у кріогенній теплонасосній 3 UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 установці з послідовним підвищенням густини при стисненні з відведенням тепла у ступенях компресора до температури навколишнього середовища, акумулюванні холоду зворотного потоку регазифіковного висококиплячого кріоагента, регенерації холоду пари низькокиплячого кріоагента, конденсації на високому та проміжному тисках з випаром висококиплячого кріоагента, охолодженні зріджуваного низькокиплячого кріоагента проміжного тиску власними парами низького тиску, дроселюванні та сепарації до зрідженого стану низькокиплячого кріоагента, зріджений низькокиплячий кріоагент переміщують у пункт відправлення висококиплячого кріоагента, періодичне повторення циклів регазифікаці-зрідження кожного з кріоагентів в установках парного циклу функціонування здійснюють із поповненням ззовні об'ємів виведених кріоагентів. Поставлена задача вирішується тим, що в системі установок змінення густини кріогенних газів, яка містить контур низькокиплячого кріоагента (холодоагента) з гілкою зрідження, що включає компресор з кінцевим холодильником, пов'язаним з порожниною прямого потоку першого теплообмінника, порожнина зворотного потоку якого зв'язана із входом компресора, зв'язані перший, другий і третій регенеративні теплообмінники, при цьому порожнина прямого потоку третього теплообмінника через перший дросель сполучена із входом сепаратора, газовий вихід якого сполучений з порожниною зворотного потоку третього теплообмінника, а рідинний вихід сепаратора сполучений з насосом зріджених газів гілки регазифікації, детандер, згідно з винаходом, пристрій додатково містить контур висококиплячого цільового кріоагента з гілкою зрідження установки багатоступеневого теплообміну, що включає ємність газоподібного висококиплячого кріоагента, другий компресор, послідовно сполучені порожнини прямого потоку четвертого і п'ятого регенеративних теплообмінників, через другий дросель зв'язані із другим сепаратором, газовий вихід якого через порожнину прямого потоку шостого регенеративного теплообмінника сполучений з рідинним виходом другого сепаратора, пов'язаного з ємністю зрідженого висококиплячого цільового кріоагента, магістральним трубопроводом сполученою з ємністю зрідженого висококиплячого гілки регазифікації контуру висококиплячого цільового кріоагента, сполученою з третьою порожниною низького тиску випарника-конденсатора кріогенної теплонасосної установки, яка через порожнину зворотного потоку другого теплообмінника, сполучена з ємністю регазифікованого висококиплячого кріоагента, а у контурі низькокиплячого кріоагента з гілкою зрідження кріогенної теплонасосної установки порожнини прямого потоку з'єднаних паралельно першого та другого теплообмінників по входу сполучені через блок комплексного очищення з кінцевим холодильником першого компресора, а по виходу з першою порожниною високого тиску випарника-конденсатора, яка через третій дросель з'єднана із другою порожниною підвищеного тиску випарника-конденсатора, по виходу сполученою із входом порожнини прямого потоку третього регенеративного теплообмінника, виходом через дросель сполученою з сепаратором, по виходу з'єднаним з ємністю зрідженого низькокиплячого кріоагента, пов'язаною магістральним трубопроводом з ємністю зрідженого низькокиплячого кріоагента гілки регазифікації контуру низькокиплячого кріоагента установки багатоступеневого теплообміну, пов'язаною із входом насоса зріджених газів, який через послідовно з'єднані порожнини високого тиску зворотного потоку шостого, п'ятого та четвертого теплообмінників сполучений з детандером, по виходу сполученим третьою порожниною зворотного потоку низького тиску четвертого теплообмінника, сполученою з ємністю споживача або атмосферою. Зрідження одного кріоагента за рахунок регазифікації іншого може виконуватися за умови досить малої, до 60 К, різниці критичних температур кипіння для тимчасового підвищеннязниження густини з високою термодинамічною ефективністю циклів передачі утилізованого низькотемпературного холоду одним або іншим, з використовуваних у парі, газів. При виборі пари газів, у яких критичні температури порівняні для акумулювання-вивільнення енергії (холоду) при охолодженні-отепленні двох газів у парному циклі, необхідне виконання умови достатньої кількості холоду, з акумульованого у зрідженому буферному низькокиплячому кріоагенті при регазифікації порції більш висококиплячого цільового рідкого кріоагента, для зрідження наступної такої ж за об'ємом порції цільового кріоагента. Виконання цієї умови приводить до різкого зменшення потреб енергоспоживання в пункті відправлення цільового газу та зменшення залежності від наявності відповідної енергетичної інфраструктури, що особливо важливо при транспортуванні метану. Так, для використання у синхронних циклах передачі низькопотенціальної теплоти найбільш використовувані пари кріогенних газів: висококиплячий - метан, низькокиплячий - азот або інші пари газів, наприклад висококиплячий - кисень, низькокиплячий - азот, висококиплячий - кисень, низькокиплячий - повітря тощо. 4 UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Зрідження цільового висококиплячого кріоагента з підвищенням густини до високої 2,0-3,3 критичної густини та зрідження буферного низькокиплячого кріоагента з підвищенням густини до високої 1,5-3,3 критичної густини у циклах зрідження здійснюють за необхідності транспортування в пункти прямої та зворотної доставок з достатніми рівнями густини за умов термодинамічної ефективності проведення процесів та доведенням до зрідженого стану кожного з кріогенних газів в системі установок запропонованої технологічної схеми виконання. При цьому зрідження кріогенних газів до густини нижче нижніх границь інтервалів підвищення густини кріоагентів обумовлено рівнем енергоефективності проведення циклів, а вище вищих границь інтервалів - низькою стискувальною здатністю зріджених кріоагентів. Розширенння у детандері проводять за не менш ніж чотириразового зниження тиску регазифіковного буферного низькокиплячого кріоагента. У разі більш високого залишкового тиску, наприклад триразового зниження тиску розширеного потоку цільового газу, температура охолодження цільового газу перед дроселюванням надто висока, що призведе до підвищення енерговитрат. У запропонованому способі і системі установок парного циклу послідовне чергування процесів регазифікації-зрідження метану та азоту здійснюється з мінімальними витратами енергії за рахунок почергового використання то одного, то іншого з парних низькотемпературних газів як буферного кріогенного газу з акумульованою у ньому ексергією регазифікованого кріоагента, яка зазвичай втрачається, а конфігурація виконання конструктивної схеми проведення процесів у кожній з установок парного циклу взаємодії дозволяє реалізувати умови відбору та передачі тепла низькотемпературного потенціалу на рівні знижених температур для регазифікації висококиплячого (цільового) кріоагента зі зрідженням низькокиплячого і навпаки регазифікації низькокиплячого зі зрідженням висококиплячого. Відкидна ексергія переноситься із процесу регазифікації цільового газу при відборі холоду буферним газом в одній з установок парного циклу в інший процес зрідження цільового кріогенного газу холодом, що вивільнюється при регазифікації буферного газу в другій установці парного циклу взаємодії. При одночасному парному проведенні процесів з реалізацією в системі установок запропонованої конфігурації (конструктивного виконання) парного циклу взаємодії проявляється нова властивість, яка полягає у суттєвому підвищенні термодинамічної ефективності процесів змінення густини кріогенних газів за практично повного виключення енерговитрат на зрідження другої (наступної) порції парного цільового зріджуваного газу високого вище критичного тиску при закачуванні у магістральні кріогенні трубопроводи (ємності транспортування) першого парного газу за рахунок почергової (оборотної) передачі утилізованого у кожному з циклів регазифікації низькотемпературного холоду одного з парних газів і використання його на зрідження іншого парного газу. Таке виконання приводить до зниження питомих енерговитрат на проведення процесів регазифікації-зрідження при спрощенні технологічних схем проведення процесів, за рахунок зниження енергоємності приводу обладнання зріджуваних установок порівняно з установками повного циклу при каскадному охолодженні зрідженого газу та зменшення екологічних навантажень, пов'язаних з викидами у навколишнє середовище та роботою додаткового кріогенного обладнання. Тому, відмітні ознаки способу змінення густини кріогенних газів і системи установок для його здійснення є суттєво необхідними та достатніми для здійснення технічного результату та вирішення поставленої задачі зниження питомих енерговитрат на зрідження кріогенних газів, регазифіковних споживачеві на низькі та середні тиски нижче критичного, з додатковим одержанням зрідженого парного кріоагента зі спрощенням технологічної схеми установок для зрідження кріогенних газів. На фігурі подано принципову схему системи установок змінення густини кріогенних газів. Спосіб змінення густини кріогенних газів реалізується в системі установок парного циклу взаємодії. Система установок парного циклу змінення густини кріогенних газів складена двома розімкненими контурами зрідження-регазифікації цільового і буферного кріогенних газів. У пункті відправлення цільового газу зв'язані теплопередачею контури цільового і буферного газів складають установку багатоступеневого теплообміну для зрідження цільового газу регазифікацією буферного, у пункті доставки цільового газу - кріогенну теплонасосну установку для регазифікації цільового з видачею споживачеві зрідженням буферного. При цьому гілка регазифікації контуру цільового газу кріогенної теплонасосної установки пов'язана транспортною системою з гілкою зрідження контуру цільового газу установки багатоступеневого теплообміну, а гілка зрідження контуру буферного газу кріогенної теплонасосної установки пов'язана транспортною системою з гілкою регазифікації буферного газу установки багатоступеневого теплообміну. 5 UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Гілка зрідження контуру буферного газу у кріогенній теплонасосній установці регазифікаціїзрідження містить компресор 1, пов'язаний з кінцевим холодильником 2, який через блок 3 комплексного очищення, пов'язаний по входу зі з'єднаними паралельно першим та другим регенеративними теплообмінниками 4, 5, відповідно, по виходу з'єднаними з порожниною високого тиску випарника-конденсатора 6. Порожнини зворотного потоку з'єднаних послідовно першого та третього теплообмінників 4 і 7, відповідно, по виходу сполучені із входом компресора 1. Порожнина прямого потоку третього теплообмінника 7, по входу сполучена з виходом порожнини проміжного тиску випарникаконденсатора 6, а вихід через перший дросель 8 сполучений із входом сепаратора 9, газовий вихід якого сполучений з порожниною зворотного потоку третього теплообмінника 7, а рідинний - кріогенним трубопроводом 10 сполучений з насосом 11 зрідженого газу гілки регазифікації контуру буферного низькокиплячого газу установки багатоступеневого теплообміну зрідженнярегазифікації. Гілка зрідження контуру цільового газу установки багатоступеневого теплообміну зрідженнярегазифікації включає ємність 12 газоподібного висококиплячого кріоагента, другий дотискуючий компресор 13, послідовно сполучені порожнини прямого потоку четвертого і п'ятого регенеративних теплообмінників 14, 15, відповідно, через другий дросель 16 зв'язані із другим сепаратором 17, газовий вихід якого через порожнину прямого потоку шостого регенеративного теплообмінника 18 сполучений з рідинним виходом. Другий сепаратор 17 рідинним виходом через магістральний кріогенний трубопровід 19 пов'язаний з порожниною зворотного потоку випарника-конденсатора 6 у гілці регазифікації контуру цільового висококиплячого газу кріогенної теплонасосної установки зрідження-регазифікації, що через порожнину зворотного потоку другого теплообмінника 5, сполучена із ємністю 20 газоподібного висококиплячого кріоагента. При цьому, у контурі зріджуваного низькокиплячого кріоагента перша порожнина високого тиску випарника-конденсатора 6 через третій дросель 21 з'єднана із другою порожниною підвищеного тиску випарника-конденсатора 6. Вихід насоса 11 зрідженого газу гілки регазифікації контуру низькокиплячого буферного газу установки багатоступеневого теплообміну зрідження-регазифікації через послідовно з'єднані порожнини високого тиску зворотного потоку шостого, п'ятого та четвертого теплообмінників 18, 15, 14, відповідно, сполучений з детандером 22, по виходу сполученим із третьою порожниною зворотного потоку низького тиску четвертого теплообмінника 14, сполученою з ємністю споживача буферного газу (на фіг. не показана) або атмосферою. Крім того, протилежні точки трубопроводу 10 оснащені установленими на виході із сепаратора 9 гілки зрідження контуру буферного газу кріогенної теплонасосної установки та на вході насоса 11 зріджених газів гілки регазифікації контуру буферного газу установки багатоступеневого теплообміну ємностями 23 і 24, відповідно, рідкого низькокиплячого кріоагента. Протилежні точки трубопроводу 19 оснащені, установленими на рідинному вході в порожнину низького тиску випарникаконденсатора 6 гілки регазифікації контуру цільового газу кріогенної теплонасосної установки та на рідинному виході сепаратора 17 гілки зрідження контуру цільового газу установки багатоступеневого теплообміну ємностями 25 і 26, відповідно, рідкого висококиплячого кріоагента. Система установок змінення густини кріогенних газів у парному циклі взаємодії функціонує з використанням як цільового переміщуваного кріогенного газу більш висококиплячого метану, а як буферного кріоагента - відкидного азоту, наприклад з повітророздільної установки (на фіг. не показано). Запропонований спосіб потребує у пункті прямої або зворотної доставки, кріогенним трубопроводом чи транспортною ємністю, первісного першоразового заправлення відповідної установки низькокиплячим буферним або висококиплячим цільовим зрідженим газом, отриманим від традиційного кріогенного зріджувача, для наступної регазифікації з відбором низькотемпературного тепла при зрідженні парного газу. Спосіб полягає в проведенні процесів підвищення-зниження густини періодично повторюваними циклами одночасно для двох кріогенних газів з почерговим вивільненням у циклі регазифікації одним і одночасним акумулюванням у циклі зрідження іншим низькотемпературного холоду в прямому і зворотному розімкнутих циклах пари зв'язаних установок з почерговим переміщенням одного з газів високої густини, до місця прямої або зворотної доставок при виведенні із системи іншого газу низької або середньої густини, при цьому процес зрідження цільового висококиплячого кріоагента з підвищенням до високої 2,0-3,3 критичної густини в установці багатоступеневого теплообміну проводять при послідовному підвищенні густини попередньо стисненого компресором до закритичного тиску висококиплячого кріоагента з акумулюванням холоду, що вивільняється, від попередньо 6 UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стисненого до закритичного тиску насосом зрідженого газу та розширеного у детандері за не менш ніж чотириразового зниження тиску регазифікованого буферного низькокиплячого кріоагента, з одночасним відбором холоду зріджуваним висококиплячим кріоагентом у регенеративних теплообмінниках при переведенні низькокиплячого кріоагента у газоподібний стан для видачі споживачеві або скидання в атмосферу, зріджений цільовий висококиплячий кріоагент переміщують у пункт доставки, регазифікують для видачі споживачеві зі зниженням густини та відбором холоду, що вивільнюється, при одночасному його акумулюванні з підвищенням до високої 1,5-3,3 критичної густини зріджуваним буферним низькокиплячим кріоагентом у кріогенній теплонасосній установці при послідовному підвищенні густини при стисненні з відведенням тепла у ступенях компресора до температури навколишнього середовища, акумулюванні холоду зворотного потоку регазифіковного висококиплячого кріоагента, регенерації холоду пари низькокиплячого кріоагента, конденсації на високому та проміжному тисках з випаром висококиплячого кріоагента, охолодженні зріджуваного низькокиплячого кріоагента проміжного тиску власними парами низького тиску, дроселюванні та сепарації до зрідженого стану низькокиплячого кріоагента, зріджений низькокиплячий кріоагент переміщують у пункт відправлення висококиплячого кріоагента, періодичне повторення циклів регазифікації-зрідження кожного з кріоагентів в установках парного циклу функціонування здійснюють із поповненням ззовні об'ємів виведених кріоагентів. У гілці зрідження контуру цільового кріоагента установки багатоступеневого теплообміну цільовий кріогенний висококиплячий метан у газоподібному стані з ємності 12 (газопроводу видобутку) надходить у дотискуючий компресор 13 при тисках нижче критичного 4,6 МПа. Стиснутий до закритичного тиску метан із температурою навколишнього середовища надходить через послідовно з'єднані порожнини прямого потоку четвертого теплообмінника 14 і п'ятого теплообмінника 15 у третій дросель 16. Після розширення одержана двофазна суміш метану низького тиску надходить у другий сепаратор 17. Відділена у сепараторі 17 парова фаза зріджується в порожнині прямого потоку шостого регенеративного теплообмінника 18 і з'єднується з рідкою фазою сепаратора 17. Рідкий метан із густиною до 2,0-3,3 критичної 3 густини, що відповідає густині 400-423 кг.м , близькою до теоретично граничної, надходить у ємність 25 рідкого висококиплячого кріоагента, з якої магістральним кріогенним трубопроводом 19 (або ємностями транспортних засобів) транспортується у ємність 26 рідкого висококиплячого кріоагента пункту прямої доставки цільового кріоагента на регазифікацію. У пункті доставки цільового газу - зрідженого метану здійснюють його регазифікацію зі зниженням густини у гілці регазифікації контуру цільового висококиплячого метану кріогенної теплонасосної установки регазифікації-зрідження з відбором кріогенного холоду, що вивільнюється буферним низькокиплячим азотом. При цьому, рідкий метан з ємності 25 надходить у третю порожнину випарника-конденсатора 6, випаровуючись у якій, википає, забезпечуючи конденсацію азоту високого та проміжного тиску. Проходячи через порожнину зворотного потоку другого теплообмінника 5, пара метану догрівається до температур близьких температурам навколишнього середовища. Регазифкований метан надходить у другу ємність 20 висококиплячого кріоагента, звідки за допомогою дотискуючого компресора (на фіг. не показаний) подається споживачеві під заданими тисками. На вхід компресора 1 подається відкидний азот, низького тиску, що стискується до тисків 1,6-2,1 МПа і до охолоджується в кінцевому холодильнику 2 до температури навколишнього середовища. Для уникнення кристалізації при кріогенних температурах залишкова волога, вуглекислота та інші домішки, що переходять у тверду фазу, видаляються у блоці 3 комплексного очищення. Очищений азот розділяється на два потоки, перший з яких охолоджується власними парами у першому регенеративному теплообміннику 4. Другий охолоджується парами регазифіковного метану до 131 К у другому теплообміннику 5. Охолоджений азот конденсується при 119,5 К у першій порожнині високого тиску випарникаконденсатора 6 за рахунок випарювання метану низького тиску, що кипить при 111,7-115 К. Отримана рідка фаза розширюється в третьому дроселі 22 до проміжного тиску 1,6-1,7 МПа, повертається у другу порожнину конденсації випарника-конденсатора 6, у якій відбувається зрідження парової фази проміжного тиску. Рідкий азот проміжного тиску переохолоджується власною парою до 114 К у третьому теплообміннику 7, розширюється в першому дроселі 8 до тиску 0,1-1,0 МПа. Двофазна суміш азоту при 77,3-104,0 К надходить у перший сепаратор 9. Відділена парова фаза через порожнини зворотного потоку третього теплообмінника 7 і першого теплообмінника 4 надходить на повторне стиснення у компресор 1 за температур 285,0-290,0 К. Рідкий азот із сепаратора 9 з густиною 1,5-3,3 критичної, що близька до граничної 3 830 кг/м , збирається у ємності 23 рідкого низькокиплячого кріоагента, з якої транспортується магістральним кріогенним трубопроводом 10 (чи транспортними ємностями) у ємність 24 рідкого 7 UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 низькокиплячого кріоагента пункту зворотної доставки (пункт відправлення метану). З ємності 24 рідкий низькокиплячий кріоагент надходить на вхід насоса 11 зріджених газів, у якому стискується до тиску 5,0 МПа та подається на вхід порожнини зворотного потоку шостого регенеративного теплообмінника 18, у якому холодний закритичний азот забезпечує зрідження пари метану до рідкого стану низького тиску та надходить на вхід п'ятого регенеративного теплообмінника 15, у якому охолоджує закритичний метан четвертого регенеративного теплообмінника 14 перед дроселюванням останнього. Нагрітий у п'ятому теплообміннику 15 азот надходить у порожнину зворотного потоку високого тиску четвертого теплообмінника 14, у якій азот високого тиску нагрівається до температури, близької температурі навколишнього середовища. Нагрітий азот з порожнини високого тиску четвертого теплообмінника 14 розширюється у детандері 22 за не менш ніж чотирикратного зниження тиску з охолодженням до температури не нижче 96 К. Охолоджений азот низького тиску, вдруге нагрітий у другій порожнині зворотного потоку теплообмінника 14, виводиться із системи та видається споживачеві або скидається в атмосферу. При відсутності газопроводів доставка рідких метану та азоту до установок регазифікаціїзрідження з парним циклом функціонування може здійснюватися за допомогою кріогенних ємностей транспортних засобів. У випадках переміщення газів, що не горять, або за вибухобезпечного виконання системи установок як буферний газ може бути використане повітря. Для обґрунтування виконання технічного результату та вирішення поставленої задачі проведено аналіз процесів, реалізованих у синхронних циклах функціонування системи парних установок запропонованого конструктивного виконання на сталих (оптимальних) режимах регазифікації-зрідження кріогенних газів кожної з установок системи. Перевірні розрахунки, що проведені з використанням теплофізичних властивостей реальних кріоагентів (робочих тіл) системи, підтверджують відповідність вихідних характеристик кріогенних газів висококиплячого метану та низькокиплячого - азоту, які пройшли перетворення в процесах регазифікаціїзрідження системи парних установок з передачею низькотемпературного холоду для змінення агрегатного стану у парних циклах. Ідеалізований перевірний розрахунок, виконаний за умови малих технічних втрат в елементах конструкції, доводить виконання енергетичних балансів у запропонованій системі парних установок. При цьому, вихідні тиски для зріджуваних газоподібних кріоагентів, тиски переміщуваних між парними установками зріджених метану та азоту приймалися рівними 0,1 МПа, а тиск конденсованого азоту випарника-конденсатора 6, який відповідав температурі нормального кипіння метану, приймався 1,62 МПа. Розрахунковіхарактеристики системи установок парного циклу взаємодії зрідженнярегазифікації азоту та метану визначені для вагової витрати метану gCH4=1,0 кг/с. Розрахункові значення температур, тисків, ентальпій, ентропій метану та азоту у виділених точках принципової схеми системи установок парного циклу взаємодії наведені у табл. Термодинамічні властивості метану та азоту визначені за стандартними розрахунковими програмами загального доступу Національного бюро стандартів США. За розрахунком для гілки регазифікації контуру цільового газу у кріогенній теплонасосній установці. При зрідженні азоту регазифіковним метаном у режимі найбільшої ексергетичної ефективності з максимальним відбором зрідженого азоту вагові витрати по прямому потоку азоту високого тиску компресора та зворотному потоку низького тиску циклу зрідження азоту, відповідно, gпрN2=3,186 КГ/С, gзв N2=1,051 кг/с, температури кріоагентів у точках 11 і 15 розрахункової схеми визначені за попереднім проектним розрахунком. 8 UA 105077 C2 Таблиця Розрахункові значення температур, тисків та довідкові значення ентальпій та ентропій метану і азоту у виділених точках принципової схеми системи установок парної взаємодії 1 2 3 4 СН4 СН4 СН4 СН4 300 300 122,5 111,51 Тиск, МПа 0,10 5,0 5,0 5,0 5 СН4 111,51 0,1 510,56 6 СН4 111,51 0,1 -0,56 7 СН4 111,51 0,1 510,56 8 9 10 11 СН4 N2 N2 N2 300 300 300 130,65 0,10 0,10 1,62 1,62 914,1 311,2 307,91 116,32 12 N2 111,63 1,62 -44,10 13 N2 113,2 1.62 -56,4 14 N2 77,244 0,1 77,07 15 N2 111,63 0,10 114,30 16 N2 77,244 0,1 - 122,25 17 18 19 20 21 22 N2 N2 N2 N2 N2 N2 79,0 81,62 96,2 300 96,20 300 5,0 5,0 5,0 5,0 0,10 0,1 -115,22 -109,98 -80,18 300,95 97,83 311,20 № п/п Робоче тіло Температура, К 5 10 15 20 Ентальпія, кДж/кг 914,10 865,43 44,72 6,67 Ентропія кДж/(кг•К) 6,6951 4,5475 Примітки За насиченою парою За насиченою рідиною За насиченою парою 6,8457 6,0170 За насиченою рідиною За насиченою парою За насиченою рідиною 5,6522 5,6522 6,8457 Адіаб. ККД детанд. - 1,0 Температури потоків у виділених точках розрахункової схеми відповідають граничним рівням ефективності теплообмінних апаратів, оскільки теплі недорекуперації, які обумовлені різницею температур між входом і виходом потоків теплоносіїв на більш теплих краях регенеративних теплообмінників, близькі до нуля. Енергетичні баланси окремих елементів системи на реальних властивостях метану і азоту, розраховано на підставі прийнятих вище значень вагових витрат потоків метану і азоту. Для вагового паровмісту азоту ха після дроселювання за законом збереження енергії для дроселя 8 і сепаратора 9: i13 = (1-xа) i16+xа i14, (1), де iK - ентальпія низькокиплячого кріоагента азоту у к-й виділеній точці розрахункової схеми; ха - ваговий паровміст азоту. Після підставлення числових значень ентальпії в означених точках установки хa =(-56,4-(-122,25))/(122,25+77,07)=65,85/199,32=0,330. Вагова витрата зворотного потоку азоту низького тиску як добуток вагового паровмісту азоту після дроселювання на витрату прямого компресорного потоку азоту складає: gпp N2•xa=3,186•0,330=1,051 кг/с, що з припустимою точністю відповідає прийнятому за результатами попереднього проектного розрахунку значенню gзв N2=1,051 кг/с. Максимальний вихід рідкого азоту сепаратора 9 за різницею витрат прямого та зворотного потоків азоту склав: 2,171 кг/с. Енергетичний баланс регенеративного теплообмінника 7: xа(i15-i14) = (i12-i13), (2) 9 UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 де ха - ваговий паровміст азоту низького тиску циклу; іK - ентальпія низькокиплячого кріоагента азоту та висококиплячого метану у к-й виділеній точці розрахункової схеми. i12-i13 =(-44,1-(-56,4))=12,30 кВт. xа(i15-i14) = ха(114,30-77,07)=0,33•37,23=12,29 кВт. Енергетичний баланс установлених паралельно теплообмінників 4 і 5, визначений рівнянням: gCH4 (i8-i7)+gзв N2 (i9-i15) = gпрN2 (i10-i11), (3) gCH4 (i8-i7)+gзв N2 (i9-i15)=(914,1-510,56)+1,051 (311,2-114,3)=610,48 кВт gпрN2 (i10-i11) = 3,186 (307,91-116,32) = 610,41 кВт. Енергетичний баланс випарника-конденсатора 6 в ідеалізованому режимі з малим температурним напором за малої величини гідравлічного опору дроселя 21: gпрN2 (i11-i12) = gCH4 (i7-i6) (4) gпрN2 (i11-i12) = 3,186 (116,32-(-44,1))=511,10 кВт gCH4 (i7-i6) = 510,56-(-0,56))=511,12 кВт. Виконання енергетичних балансів за рівняннями 2, 3, 4 підтверджує високу точність вихідних даних, прийнятих за результатами попереднього проектного розрахунку. Розрахункові значення ідеалізованих енергетичних характеристик теплонасосної установки по зрідженню 2,171 кг азоту за регазифікації 1,0 кг метану щодо роботи стиснення ізотермічного азотного компресора: Lст N2=gпрN2 (T9(10)(s9-s10)-(i9-i10)), (5) де: Lст N2 - робота стиснення ізотермічного азотного компресора 1, T9(10) - температура навколишнього середовища, s9,s10 - ентропія азоту в точках 9 і 10. Lст N2=3,186 (300•(6,8457-6,0170)-(311,2-307,91)=0,7816 МВт•с. Питома робота зрідження азоту за 1 секунду у запропонованій установці, яка дорівнює співвідношенню Lст N2 до gпрN2, становить 0,366 МДж/кг, що в 2,1 рази менше теоретично мінімальної питомої роботи 0,7696 МДж/кг [1] для зрідження 1,0 кг азоту за тиску 0,1 МПа та початкової температури 300 К. У запропонованій кріогенній теплонасосній установці системи установок парного циклу взаємодії реалізована передача тепла азотного потенціалу температури на рівні температур 111,5-300 К, з яких 56 % передається на рівень температур нормального кипіння метану (112 К). Таким чином, середня температура метану як теплого джерела теплонасосної установки становить 153 К. При зниженні температури теплого джерела з 300 до 153 К холодильний коефіцієнт ідеального зворотного циклу Карно підвищується з 77,24/(300,0-77,24)=0,3466 до 77,24/(153-77,24)=1,02. Ідеальний зворотний цикл Карно на одиницю відведеного тепла азотного потенціалу температури витрачає 0,981 замість 2,8851 еквівалентних одиниць роботи, тобто у 2,94 рази (на 66,0 %) менше. Розрахункове значення питомих витрат роботи на ідеалізованому режимі зрідження азоту в кріогенній теплонасосній установці виявляється меншим від теоретично мінімального в 2,1 разу (на 52,4 %). Зменшення роботи ідеального зворотного циклу Карно при зниженні середньої температури теплого джерела з 300 до 153 К корелює зі зниженням розрахункового енергоспоживання розглянутої теплонасосної установки, порівняно з ідеальним зріджувачем азоту [1]. Отримані результати доводять істотне зниження питомих енерговитрат на зрідження азоту у кріогенній теплонасосній установці запропонованого виконання парного циклу взаємодії з передачею тепла азотного потенціалу температури на метановий рівень температур у порівнянні з теоретично мінімальною роботою ідеального кріогенного зріджувача [1], що функціонує з передачею відібраного від азоту тепла на рівень температур навколишнього середовища. За розрахунком для установки багатоступеневого теплообміну зрідження цільового та регазифікації буферного кріоагента. При зрідженні метану регазифіковним азотом найменша вагова витрата азоту gmin N2=1,38 кг/с, для зрідження 1,0 кг/с метану та температура метану в точці 4 принципової схеми прийняті за результатами попереднього проектного розрахунку. В ідеалізованому варіанті розрахунку температура метану перед дроселюванням відповідає температурі конденсації метану атмосферного тиску. Порівняння температур потоків кріоагентів у виділених точках розрахункової схеми (табл.) доводить, що теплі недорекуперації три порожнинного регенеративного теплообмінника близькі до нуля, температурний напір випарника - конденсатора 6 становить 0,12 К і відповідає граничним рівням ефективності теплообмінних апаратів. 10 UA 105077 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Розрахункова формула для вагового паровмісту метану хм із закону збереження енергії для дроселя 16 і сепаратора 17: i4 = (1 - хм) i6 + хм i5, (6) де: хм - ваговий паровміст метану; і4, i6, i5 - ентальпії в точках схеми установки хм = (i4-i6)/(i5-i6) =(-6,67-(-0,56))/(510,56-(-0,56)=7,23/511,12=0,01414. Енергетичний баланс теплообмінника 14: gCH4 (i2-i3) = gmin N2 ((i20-i19)+(i22-i21)) (7) i2-i3=865,43-44,72=820,71 кВт gmin N2 ((i20-i19)+(i22-i21))=1,38 ((300,95-(-80,18))+(311,20-97,83))=1,38(381,13+213,37)=820,41 кВт, Енергетичний баланс теплообмінника 15: gCH4 (i3-i4) = gmin N2 (i19-i18) (8) і3 - і4=44,72-6,67=38,05 кВт. gmin N2 (i19-i18) =1,38((80,18)-(-109,98))=41,12 кВт. Енергетичний баланс теплообмінника 18: gCH4 (i5-i6) = gmin N2 (i18-i17) (9) gCH4 (i5-i6)=0,01414 (510,56-(-0,56))=7,23 кВт gmin N2 (i18-i17)=1,38 •((-109,98)-(-115,22))=1,38•4,2=7,23 кВт. Підстановка даних ентальпії (табл.) у рівняння 7, 8, 9 підтверджує виконання енергетичних балансів з деяким запасом по холоду потоку азоту. Таким чином, перевірний розрахунок балансів системи установок підтверджує можливість проведення регазифікації-зрідження у синхронних циклах системи установок парного функціонування з доведенням кріогенних газів до заданого агрегатного стану та відповідає вихідним даним, прийнятим за результатами проектного розрахунку. Визначимо ідеалізовані енергетичні характеристики розглянутої системи установок. Питома робота адіабатного стиснення рідкого азоту насосом 11: Lст = gmin N2 (i17-i16) (10) Lст =1,38 (-115,22-(-122,25))=9,70 кВт•с. Робота адіабатного детандера 22 при зниженні тиску азоту не менше, ніж у 4 рази, визначена за зниженням ентальпії: Lроз = gmin N2 (i21-i20) (11) Lроз = 1,38 (97,83-300,95)=1,38(-203,12)=-280,31 кВт•с, де Lроз - робота адіабатного детандера 22. Перевищення роботи, виробленої детандером 22, над роботою, споживаною насосом зріджених газів 11, згідно 10, 11 і довідкових значень ентальпії азоту становить - 0,2706 МДж при зрідженні 1,0 кг метану. Максимальна робота ізотермічного метанового компресора 13 для зрідження 1 кг метану за 1 секунду складає: Lст CH4=gCH4 (T1(2)(s1-s2)-(i1-i2)), (12) Lст CH4=300 (6,6951-4,5475)-(914,10-865,43)=644,28-48,67=0,5956 МВт•с. Підтверджена перевірними розрахунками енергетичних балансів 6-9 величина мінімальної витрати азоту на зрідження 1 кг метану становить 1,38 кг/кг в установці багатоступеневого теплообміну - другій установці системи парного циклу взаємодії. Така величина у порівнянні з розрахунковою величиною 2,135 кг/с максимальної витрати азоту, що зріджується в кріогенній теплонасосній установці, забезпечує надлишкову кількість зрідженого азоту до 0,791 кг/с на потреби споживання. Наразі робота азотного компресора 1-0,7816 МДж з рівняння 5, використана для потреб парних установок, може бути зменшена пропорційно зниженню вагової витрати азоту. Для зрідження 1,38 кг/с азоту подача азоту компресором 1 дорівнює 1,38/(1-xa)=1,38/(1-0,33)=2,06 кг/с. Мінімальна робота ізотермічного компресора 1 при стисненні азоту зменшиться пропорційно зниженню подачі азоту: (2,06/3,186)0,7816=0,5054 МВт•с. Перевищення мінімальної роботи, що витрачається компресорами 13, 1 метану та азоту і насосом 11 зрідженого азоту, у порівнянні з максимальною роботою, виробленою азотним детандером 22, дорівнює 0,5054+0,5956-0,2706=0,8304 МДж. Теоретично мінімальна питома робота ідеальної одиничної установки зрідження метану атмосферного тиску без використання акумульованого холоду буферного газу за аналітичними даними [1] становить 1,11 МДж/кг. 11 UA 105077 C2 5 10 Таким чином, проведений перевірний розрахунок доводить, що ідеалізована робота із тривалого підвищення густини зрідженням двох кріогенних газів, метану і азоту в системі установок парної взаємодії на 25,2 % менше теоретично мінімальної роботи зрідження метану у одиничній установці. Реалізація запропонованої системи забезпечує підвищення густини зрідженням 1 кг метану за рахунок зворотної доставки не більш ніж 1,38 кг буферного рідкого азоту. При цьому величини теплоємностей азоту і метану відносяться приблизно як 1:2, а теплота конденсації метану, більш ніж удвічі, перевершує теплоту випару азоту. Отриманий виграш у порівнянні із простим випаром азоту для зрідження метану становить більше 30 % за переміщуваною вагою азоту. Джерело інформації: 1. Архаров A.M., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Теория и расчёт криогенных систем. Учебник для вузов по специальности "Криогенная техника" / М.: Машиностроение. - 1978, 415 с. - С. 171). 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Спосіб змінення густини кріогенних газів, який включає підвищення густини цільового кріоагента зрідженням у циклах компресорного стиснення при відборі холоду зворотних потоків попередньо розширеного зі здійсненням роботи і здросельованого кріоагента-зріджувача та переміщення зрідженого цільового кріоагента в пункт доставки, який відрізняється тим, що процеси підвищення-зниження густини здійснюють періодично повторюваними циклами одночасно для двох кріогенних газів з почерговим вивільненням у циклі регазифікації одним і одночасним акумулюванням у циклі зрідження іншим низькотемпературного холоду в прямому та зворотному розімкнутих циклах змінення густини кріогенних газів, процеси проводять в парі зв'язаних установок - установці багатоступеневого теплообміну та кріогенній теплонасосній установці, з почерговим переміщенням одного з газів високої густини до місця прямої або зворотної доставки при виведенні із системи іншого газу низької або середньої густини, при цьому в установці багатоступеневого теплообміну проводять процес зрідження цільового висококиплячого кріоагента з підвищенням до високої 2,0-3,3 критичної густини шляхом послідовного підвищення густини цільового висококиплячого кріоагента, попередньо стисненого компресором до закритичного тиску з акумулюванням холоду, що вивільняють, від регазифіковного буферного низькокиплячого кріоагента, попередньо стисненого до закритичного тиску насосом зрідженого газу та розширеного у детандері за не менш ніж чотириразового зниження тиску, з одночасним відбором холоду зріджуваним висококиплячим кріоагентом у регенеративних теплообмінниках при переведенні низькокиплячого кріоагента у газоподібний стан для видачі споживачеві або скидання в атмосферу, зріджений цільовий висококиплячий кріоагент переміщують у пункт доставки, а у кріогенній теплонасосній установці регазифікують цільовий висококиплячий кріоагент для видачі споживачеві зі зниженням густини та відбором холоду, що вивільнюється, при одночасному його акумулюванні з підвищенням до високої 1,5-3,3 критичної густини зріджуваним буферним низькокиплячим кріоагентом з послідовним підвищенням густини при стисненні з відведенням тепла у ступенях компресора до температури навколишнього середовища, акумулюванні холоду зворотного потоку регазифіковного висококиплячого кріоагента, регенерації холоду пари низькокиплячого кріоагента, конденсації на високому та проміжному тисках з випаром висококиплячого кріоагента, охолодженні зріджуваного низькокиплячого кріоагента проміжного тиску власними парами низького тиску, дроселюванні та сепарації до зрідженого стану низькокиплячого кріоагента, зріджений низькокиплячий кріоагент переміщують у пункт відправлення висококиплячого кріоагента, періодичне повторення циклів регазифікації-зрідження кожного з кріоагентів в установках парного циклу функціонування здійснюють із поповненням ззовні об'ємів виведених кріоагентів. 2. Система установок для змінення густини кріогенних газів, яка містить контур низькокиплячого буферного кріоагента з гілкою зрідження, що включає компресор з кінцевим холодильником, пов'язаним з порожниною прямого потоку першого регенеративного теплообмінника, порожнина зворотного потоку якого зв'язана із входом компресора, зв'язані порожнинами прямого та зворотного потоку перший, другий і третій регенеративні теплообмінники, при цьому порожнина прямого потоку третього теплообмінника через перший дросель сполучена із входом першого сепаратора, газовий вихід якого сполучений з порожниною зворотного потоку третього теплообмінника, а рідинний вихід першого сепаратора сполучений з насосом зріджених газів гілки регазифікації, детандер, яка відрізняється тим, що система додатково містить контур 12 UA 105077 C2 5 10 15 20 висококиплячого цільового кріоагента з гілкою зрідження установки багатоступеневого теплообміну, що включає ємність газоподібного висококиплячого кріоагента, другий компресор, послідовно сполучені порожнини прямого потоку четвертого і п'ятого регенеративних теплообмінників, через другий дросель зв'язані із другим сепаратором, газовий вихід якого через порожнину прямого потоку шостого регенеративного теплообмінника сполучений з рідинним виходом другого сепаратора, пов'язаного з ємністю зрідженого висококиплячого цільового кріоагента, кріогенним трубопроводом сполученою з ємністю зрідженого висококиплячого кріоагента гілки регазифікації контуру висококиплячого цільового кріоагента, сполученою з третьою порожниною низького тиску випарника-конденсатора кріогенної теплонасосної установки, яка через порожнину зворотного потоку другого теплообмінника сполучена з ємністю регазифікованого висококиплячого кріоагента, а у контурі низькокиплячого кріоагента з гілкою зрідження кріогенної теплонасосної установки, порожнини прямого потоку з'єднаних паралельно першого та другого теплообмінників по входу сполучені через блок комплексного очищення з кінцевим холодильником першого компресора, а по виходу з першою порожниною високого тиску випарника-конденсатора, яка через третій дросель з'єднана із другою порожниною підвищеного тиску випарника-конденсатора, по виходу сполученою із входом порожнини прямого потоку третього регенеративного теплообмінника, виходом через дросель сполученою з сепаратором, по виходу з'єднаним з ємністю зрідженого низькокиплячого кріоагента, пов'язаною магістральним трубопроводом з ємністю зрідженого низькокиплячого кріоагента гілки регазифікації контуру низькокиплячого кріоагента установки багатоступеневого теплообміну, пов'язаною із входом насоса зріджених газів, який через послідовно з'єднані порожнини високого тиску зворотного потоку шостого, п'ятого та четвертого, теплообмінників сполучений з детандером, по виходу сполученим третьою порожниною зворотного потоку низького тиску четвертого теплообмінника, сполученою з ємністю споживача або атмосферою. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 13