Спосіб утилізації холоду зрідженого природного газу при його регазифікації з виробленням електроенергії

Реферат: Спосіб утилізації холоду при регазифікації зрідженого природного газу, який полягає в виробленні електроенергії для зовнішніх споживачів та приводу робочих насосів, реалізується завдяки утилізаційному контуру, робоче тіло якого переміщується в замкненому циклі та підігрівається від зовнішнього середовища. Вироблення електроенергії здійснюють за рахунок використання двигуна з зовнішнім підведенням теплоти, в якому робоче тіло утилізаційного контуру здійснює робочий цикл Стірлінга. UA 93473 U (12) UA 93473 U UA 93473 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технології здійснення процесу регазифікації зрідженого природного газу (ЗПГ) морських приймальних LNG - терміналів. Спосіб може бути використаний для одночасної регазифікації ЗПГ та вироблення електричної енергії. Відомо про спосіб утилізації холоду регазифікації ЗПГ (Патент RU № 2315902, МПК F17C9/02, опубл. 27.01.2008), в якому холод регазифікації використовується для виробництва льоду з води, що подається як теплоносій до теплообмінних апаратів - випарників природного газу. В запропонованому способі кінцевий результат утилізації низькотемпературного енергетичного потенціалу ЗПГ має обмежене використання через нестабільність споживання та складнощі, пов'язані з перевезенням та зберіганням льоду. Як найближчий аналог прийнято спосіб регазифікації ЗПГ з виробленням електроенергії (Патент UA № 55853, МПК F17C7/00, F17C9/00, F25B9/06, опубл. 27.12.2010), який включає стиснення зрідженого природного газу насосом, випаровування та підігрівання природного газу робочим тілом до температури подачі в газотранспортну систему, розширення робочого тіла в детандері з виробленням електроенергії та передачу її частини зовнішнім споживачам. Застосування детандера дозволяє генерувати електроенергію, кількість якої залежить від ступеня зниження тиску та параметрів робочого тіла. Недоліком цього способу є неефективне використання низькотемпературного енергетичного потенціалу ЗПГ через термодинамічні обмеження вуглеводневих теплоносіїв, що використовуються в циклі Ренкіна як робочого тіла - температура конденсації теплоносіїв не дозволяє в повному обсязі використати наявний перепад температур. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу утилізації холоду при регазифікації ЗПГ за рахунок застосування двигунів з зовнішнім підведенням теплоти, які працюють за циклом Стірлінга, що підвищує теплову ефективність утилізаційного контуру, та збільшує обсяги згенерованої електроенергії. Поставлена задача вирішується тим, що запропонований спосіб утилізації холоду ЗПГ при його регазифікації з виробленням електроенергії, що включає стиснення зрідженого природного газу насосом, випаровування та підігрів природного газу робочим тілом до температури подачі в газотранспортну систему, відповідно до корисної моделі, доповнюється утилізаційним контуром, що використовує кріогенний енергетичний потенціал ЗПГ в двигуні з зовнішнім підведенням теплоти. Утилізаційний контур складається з робочих циліндрів двигуна Стірлінга, теплообмінного апарату для охолодження робочого тіла зрідженим природним газом, та теплообмінного апарату для його нагріву морською водою і електрогенератора, з'єднаного з вихідним валом двигуна. Отримуваний технічний результат полягає в тому, що регазифікація зрідженого природного газу здійснюється в утилізаційному контурі установки при відведенні теплоти від робочого тіла, який циркулює в двигуні з зовнішнім підведенням теплоти по замкненому циклу Стірлінга, ефективна потужність якого використовується для приводу генератора електричного струму. Схема установки утилізації холоду зрідженого природного газу при його регазифікації з генеруванням електричної енергії представлена на рисунку. Процес регазифікації реалізується наступним чином: ЗПГ подається в насос Н2, де його тиск підвищується до тиску газотранспортної системи ГТС, і після цього надходить до теплообмінного апарату ТО2 утилізаційного контуру УК. В теплообмінному апараті ТО2 робоче тіло двигуна з зовнішнім підведенням теплоти, що працює за циклом Стірлінга, охолоджується та випаровує і підігріває природний газ до температури газу в газотранспортній системі. Робота двигуна забезпечується відведенням від його робочого тіла теплоти в теплообмінному апараті ТО2 та підведенням теплоти у теплообмінному апараті ТО1 від морської води, що подається насосом НІ. Робоче тіло двигуна циркулює в замкнутій системі між циліндром розширення ЦР та циліндром стиснення ЦС послідовно рухаючись через теплообмінний апарат ТО1, регенератор Р і теплообмінний апарат ТО2 і в зворотному напрямку. Вихідний фланець двигуна з'єднаний з валом електрогенератора ЕГ для вироблення електроенергії. Згенерована електрична енергія витрачається для живлення насосів Н1, Н2 та передається зовнішнім споживачам. Приклад 1 Прийнято, що природний газ на 100 % складається з метану, як робоче тіло утилізаційного контуру використано етан. ЗПГ подається в насос, де стискається до тиску в газотранспортній системі, потім - до теплообмінника, в якому випаровується і підігрівається, за рахунок теплоти від робочого тіла утилізаційного контуру, та подається до газотранспортної системи. В свою чергу етан охолоджується і зріджується в теплообміннику, насосом подається до теплообмінника-підігрівача утилізаційного контуру, в якому випаровується і підігрівається, за рахунок теплоти від повітря навколишнього середовища. Нагріте робоче тіло утилізаційного 1 UA 93473 U 5 10 15 20 контуру розширюється в детандері, а потім охолоджується в теплообміннику ЗПГ. Електрична енергія, вироблена генератором, який приводиться детандером, використовується для живлення насосів і передається зовнішнім споживачам. Приклад 2 Установка регазифікації зрідженого природного газу забезпечує підготовку природного газу до подачі в газотранспортну систему, працюючи відповідно до запропонованої схеми. Прийнято, що природний газ на 100 % складається з метану, як робоче тіло двигуна з зовнішнім підведенням теплоти використовують гелій. ЗПГ під тиском 0,15 МПа подається в насос Н2, де його тиск підвищується до тиску газотранспортної системи ГТС 5 МПа, і після цього надходить до теплообмінного апарату ТО2 утилізаційного контуру УК. В теплообмінному апараті ТО2 гелій охолоджується до 118 К та випаровує й підігріває природний газ до температури газу в газотранспортній системі 246 К. Робота двигуна забезпечується відведенням від його робочого тіла теплоти в теплообмінному апараті ТО2 та підведенням теплоти у теплообмінному апараті ТО1 від морської води, що подається насосом НІ. Морська вода з температурою 293 К надходить до ТО1 і з температурою 277 К скидається після нагріву робочого тіла двигуна з зовнішнім підводом теплоти до басейну. Гелій під тиском 9,4 МПа циркулює в замкнутій системі в газоподібному стані між циліндром розширення ЦР та циліндром стиснення ЦС, послідовно рухаючись через теплообмінний апарат ТО1, регенератор Р і теплообмінний апарат ТО2 і в зворотному напрямку. Вихідний фланець двигуна з'єднаний з валом електрогенератора ЕГ для вироблення електроенергії. Згенерована електрична енергія витрачається для живлення насосів Н1, Н2 та передається зовнішнім споживачам. Параметри роботи установки регазифікації ЗПГ з виробленням електричної енергії наведені в таблиці. Таблиця Параметри роботи установки регазифікації ЗПГ з виробленням електричної енергії Елемент схеми Морська вода Насос Н1 Теплообмінний апарат ТО1 на вході/виході Зріджений природний газ Насос Н2 Теплообмінний апарат ТО2 на вході/виході Гелій Теплообмінний апарат ТО1 на вході/виході Теплообмінний апарат ТО2 на вході/виході Кількість виробленої електроенергії 25 30 35 Тиск, МПа Температура, К Витрата, кг/с Вироблення/споживання електроенергії, кВт 0,15 293 450 850 0,15 293/277 450 5 113 28 361 5 113/246 28 9,4 260/190 30 9,4 190/118 30 3780 Запропонований спосіб використовує утилізаційний контур для випаровування та підігрівання зрідженого природного газу перед подачею до газотранспортної системи, дозволяє повністю використати температурний перепад ЗПГ в циклі роботи двигуна з зовнішнім підводом теплоти завдяки робочому тілу - гелію, що має низьку температуру кипіння (4 К) на відміну від робочого тіла найближчого аналога - етану (249 К). В запропонованому способі для вироблення електроенергії використано двигун з зовнішнім підводом теплоти, що працює за циклом Стірлінга, термодинамічна ефективність роботи якого прирівнюється до роботи ідеального циклу Карно, тому завдяки низькій температурі ЗПГ (113 К) має теплову ефективність, що в п'ять раз перевищує теплову ефективність утилізаційного контуру, який працює за циклом Ренкіна. T   1 min , Tmax   1 118  0,546 . 260 2 UA 93473 U 5 10 15 20 В запропонованому способі регазифікації в утилізаційному контурі виробляється 3780 кВт електроенергії, якої повністю вистачає на живлення насосів, а решта відпускається зовнішнім споживачам Nспож  N  NH1  NH2 Nспож  3780  850  361  2569 кВт . В найближчому аналозі кількість виробленої електричної енергії для відпуску зовнішнім споживачам складає 333 кВт. Таким чином, запропонований спосіб утилізації холоду зрідженого природного газу при його регазифікації з виробленням електроенергії позбавлений недоліків найближчого аналога при постачанні газифікованого природного газу до газотранспортної системи та має наступні переваги: повне використання температурного перепаду ЗПГ; підвищення теплової ефективності двигуна з зовнішнім підводом теплоти без спалювання палива; вироблення значної кількості електричної енергії і для відпуску зовнішнім споживачам. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб утилізації холоду при регазифікації зрідженого природного газу, який полягає в виробленні електроенергії для зовнішніх споживачів та приводу робочих насосів, реалізується завдяки утилізаційному контуру, робоче тіло якого переміщується в замкненому циклі та підігрівається від зовнішнього середовища, який відрізняється тим, що вироблення електроенергії здійснюють за рахунок використання двигуна з зовнішнім підведенням теплоти, в якому робоче тіло утилізаційного контуру здійснює робочий цикл Стірлінга. Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 3