Установка для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу

1. Установка для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу, що містить не менше двох термодинамічно зв'язаних замкнутих контурів, що працюють за циклом Ренкина, призначених для циркулювання випарного текучого середовища, кожний з яких містить послідовно з'єднані трубопроводами випарник, силову турбіну, конденсатор і циркуляційний насос, причому замкнуті контури термодинамічно зв'язані спільним теплообмінним апаратом, гріюча сторона якого є частиною тракту циркулювання випарного робочого текучого середовища одного контуру й виконує функцію конденсатора, а охолодна сторона є частиною тракту циркулювання випарного робочого текучого середовища іншого контуру й виконує функцію випарника, причому до складу установки входить пароводяний контур, в якому робочим текучим середовищем є вода і водяна пара, отри U 2 (19) 1 3 може бути застосованою при будівництві терміналів для зберігання та регазифікації зрідженого природного газу. Відомою є установка для виробництва електроенергії й регазифікації зрідженого природного газу, що працює за замкнутим циклом Ренкина, до складу якої входять випарник, силова турбіна, конденсатор, пов'язаний з лінією подачі зрідженого природного газу, і циркуляційний насос. У відомій установці випарний проміжний теплоносій (зокрема, пропан) розширюється в турбіні, що приводить електрогенератор, а в процесі конденсації проміжного теплоносія, що розширився в турбіні, у конденсаторі відбувається нагрівання та регазифікація зрідженого природного газу. (Патент США №4320303, F01K25/10, F17C9/04, F01K25/00, F17C9/00, опубл. 1116.03.1982). У відомій установці використовується низькотемпературний енергетичний потенціал зрідженого природного газу, однак випарювання проміжного теплоносія здійснюється за рахунок тепла морської води, у результаті чого установка працює в діапазоні температур нижче температури навколишнього середовища, і при цьому не можуть бути використані випари зрідженого природного газу, неминучі при експлуатації терміналів для зберігання та регазифікації зрідженого природного газу. Відомою є також прийнята за прототип установка для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу, що містить не менш двох термодинамічно зв'язаних замкнутих контурів, що працюють за циклом Ренкина, призначених для циркулювання випарного робочого текучого середовища, кожний з яких містить послідовно з'єднані трубопроводами випарник, силову турбіну, конденсатор і циркуляційний насос, причому замкнуті контури термодинамічно зв'язані спільним теплообмінним апаратом, гріюча сторона якого є частиною тракту циркулювання випарного робочого текучого середовища одного контуру й виконує функцію конденсатора, а охолодна сторона є частиною тракту циркулювання випарного робочого текучого середовища іншого контуру й виконує функцію випарника, один контур установки є паровим і його випарник по гріючій стороні зв'язаний із джерелом продуктів згоряння вуглеводневого палива, а інший контур призначений для циркулювання органічного робочого текучого середовища, і його конденсатор по охолодній стороні зв'язаний з лінією зрідженого природного газу, (Патентна заявка США №2009100845 (А1), варіант Фіг.8, F01K25/00, опубл. 23.04.2009). Застосування пароводяного контуру в прийнятій за прототип установці дозволяє використовувати випари зрідженого природного газу, що виникають при експлуатації терміналів для зберігання й регазифікації зрідженого природного газу. Однак, як і попередня, прийнята за прототип установка передбачає використання одного робочого текучого середовища для утилізації всього теплоперепаду в одному органічному каскаді, що викликає значні технологічні труднощі, пов'язані з тим, що досить важко, практично неможливо підібрати таке органічне робоче текуче середовище, що добре працює у всьому діапазоні температур, не перехо 55566 4 дячи у надкритичний стан; при цьому в циклі можуть виникати як дуже високі, так і дуже низькі тиски, значні труднощі становить досягнення ефективного теплообміну й оптимальних термодинамічних показників циклу й оптимальних ваговогабаритних і міцнісних показників устаткування, використовуваного для здійснення цього способу, зокрема, теплообмінних апаратів, забезпечення оптимальних проточних частин турбін. Технічна задача корисної моделі полягає в удосконаленні установки для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу, що містить два термодинамічно зв'язаних замкнутих контури, що працюють за циклом Ренкина, призначених для циркулювання випарного текучого середовища, кожний з яких містить послідовно з'єднані трубопроводами випарник, силову турбіну, конденсатор І циркуляційний насос, причому замкнуті контури термодинамічно зв'язані спільним теплообмінним апаратом, гріюча сторона якого є частиною тракту циркулювання випарного текучого середовища одного контуру й виконує функцію конденсатора, а охолодна сторона є частиною тракту циркулювання випарного текучого середовища іншого контуру й виконує функцію випарника, один контур установки є пароводяним, і його випарник по гріючій стороні зв'язаний із джерелом продуктів згоряння вуглеволневого палива, а інший контур призначений для циркулювання органічного робочого текучого середовища, і його конденсатор по охолодній стороні зв'язаний з лінією зрідженого природного газу. Пропоноване вдосконалення здійснюють шляхом доповнення установки між пароводяним контуром і контуром, конденсатор якого по охолодній стороні зв'язаний з лінією зрідженого природного газу, хоча б одним проміжним призначеним для циркулювання органічного робочого текучого середовища замкнутим контуром, що працює за циклом Ренкина, до складу якого входять послідовно з'єднані трубопроводами випарник, силова турбіна, конденсатор і циркуляційний насос, причому контури послідовно термодинамічно зв'язані, використовуючи різні вуглеводневі сполуки у якості робочих текучих середовищ у різних контурах, призначених для циркулювання органічного робочого текучого середовища; при цьому контури послідовно термодинамічно зв'язані за рахунок використання тепла, що віддається при конденсації газоподібного робочого текучого середовища одного контуру, для випарювання робочого текучого середовища наступного контуру. Зокрема, у випадку одного проміжного контуру в якості робочого текучого середовища в першому контурі використовують воду й пару, у другому (проміжному) контурі - етан, а в третьому контурі метан, за рахунок конденсації якого нагрівають і/або випарюють зріджений природний газ. Отримуваний технічний результат полягає в тому, що теплоперепад між температурою конденсації робочого текучого середовища першого контуру (пари) і температурою зберігання зрідженого природного газу спрацьовують у декількох (як мінімум, у двох) контурах з використанням різних органічних робочих текучих середовищ, що забезпечує можливість роботи в докритичних областях, а отже, 5 відсутність термодинамічних втрат, пов'язаних з роботою в критичних областях; у зв'язку з тим, що процеси випарювання й конденсації забезпечують найефективніший теплообмін і відбуваються при постійному тиску, можуть бути забезпечені низькі перепади температур у теплообмінних апаратах і прийнятні габаритні й міцнісні характеристики, а також оптимальні термодинамічні й технологічні показники. Установка для отримання енергії й регазифікації зрідженого природного газу містить більше двох (як мінімум три) послідовно термодинамічно зв'язаних замкнутих контури, що працюють за циклом Ренкина, призначених для циркулювання випарного робочого текучого середовища, кожний з яких містить послідовно з'єднані трубопроводами випарник, силову турбіну, конденсатор і циркуляційний насос, причому замкнуті контури термодинамічно зв'язані спільним теплообмінним апаратом, гріюча сторона якого є частиною тракту циркулювання випарного робочого текучого середовища одного контуру й виконує функцію конденсатора, а охолодна сторона є частиною тракту циркулювання випарного робочого текучого середовища іншого контуру й виконує функцію випарника. Один контур установки є пароводяним, у ньому робочим текучим середовищем є вода й водяний пара, що отримують при випарюванні води у випарнику, що по гріючій стороні пов'язаний із джерелом продуктів згоряння вуглеводневого палива. Установка також містить контур, призначений для циркулювання органічного робочого текучого середовища, і його конденсатор по охолодній стороні зв'язаний з лінією зрідженого природного газу. Між пароводяним контуром і контуром, конденсатор якого по охолодній стороні зв'язаний з лінією зрідженого природного газу, установка містить хоча б один проміжний призначений для циркулювання органічного робочого текучого середовища замкнутий контур, що працює за циклом Ренкина, до складу якого входять послідовно з'єднані трубопроводами випарник, силова турбін, конденсатор і циркуляційний насос. У призначених для циркулювання органічного робочого текучого середовища контурах робочими текучими середовищами є різні вуглеводневі сполуки. У варіанті установка містить один проміжний призначений для циркулювання органічного робочого текучого середовища замкнутий контур, робочим текучим середовищем у якому є етан, а в контурі, конденсатор якого по охолодній стороні пов'язаний з лінією зрідженого природного газу, робочим текучим середовищем є метан. Джерело продуктів згоряння вуглеводневого палива може бути зв'язаним з лінією випарів зрідженого природного газу, що виникають при експлуатації терміналів для зберігання та регазифікації зрідженого природного газу. На Фіг.1 показана схема установки для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу з одним проміжним контуром між паровим контуром і контуром, конденсатор якого по охолодній стороні пов'язаний з лінією зрідженого природного газу. На Фіг.2. показана T-S діаграма термодинамічних процесів, що лежать в основі 55566 6 роботи варіанта заявленої установки для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу, показаного на Фіг.1. Установка для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу містить три послідовно термодинамічно зв'язаних контури (див. Фіг.1). До складу першого контуру входять випарник 1, турбіна 2, конденсаторна частина конденсаторавипарника 3, циркуляційний насос 4, послідовно з'єднані в замкнутий контур трубопроводом 5. Турбіна 2 є силовою, або енергетичною, оскільки вона призначена для вироблення енергії, зокрема, вона приводить електрогенератор 6. Перший контур є пароводяним, робочим текучим середовищем у першому контурі є вода й отримуваний при її випарюванні пар. Випарник 1 по гріючій стороні, з'єднаний із джерелом продуктів згоряння (ПЗ) вуглеводневого палива. Джерелом продуктів згоряння вуглеводневого палива може бути, наприклад, газотурбінний двигун або топка парогенератора, у яких як паливо можуть використовуватися випари зрідженого природного газу; таким чином, випарник 1 по гріючій стороні може бути пов'язаний з лінією випарів зрідженого природного газу (не показано). Випарник 1 функціонально є пристроєм для отримання оптимальних робочих параметрів пари перед турбіною і може містити елементи, наявність яких є очевидною для фахівця в галузі парової енергетики і які не показані окремо, щоб не захаращувати схему очевидними подробицями; це може бути утилізаційний або обладнаний топкою парогенератор з пароперегрівником. До складу другого контуру, входять охолодна частина конденсатора-випарника 3, турбіна 7, конденсаторна частина конденсатора-випарника 8, циркуляційний насос 9, послідовно з'єднані в замкнутий контур трубопроводом 10. Турбіна 7 є силовою, або енергетичною, оскільки вона призначена для вироблення енергії, зокрема, вона приводить електрогенератор 11. Робочим текучим середовищем у другому контурі є етан. Другий контур термодинамічно пов'язаний з першим контуром завдяки спільному елементу -конденсаторувипарнику 3, конденсаторна частина якого входить до складу першого контуру, а охолодна частина до складу другого контуру. До складу третього контуру, входять охолодна частина конденсатора випарника 8, турбіна 12, конденсаторна частина конденсатора-випарника 13, циркуляційний насос 14, послідовно з'єднані в замкнутий контур трубопроводом 15. Турбіна 12 є силовою, або енергетичною, оскільки вона призначена для вироблення енергії, зокрема, вона приводить електрогенератор 16. Робочим текучим середовищем у третьому контурі є метан. Третій контур термодинамічно зв'язаний із другим контуром завдяки спільному елементу -конденсаторувипарнику 8, конденсаторна частина якого входить до складу другого контуру, а охолодна частина до складу третього контуру. Охолодна частина конденсатора-випарника 13 з'єднана з лінією подачі зрідженого природного газу (ЗПГ) 17. Послідовність термодинамічного зв'язку контурів полягає в тому, що другий контур термодина 7 мічно зв'язаний з першим контуром через конденсатор-випарник 3, а третій контур у свою чергу зв'язаний із другим контуром через конденсаторвипарник 8. Силові турбіни (зокрема, турбіни 2, 7, 12), що входять до складу контурів, можуть бути використані не тільки для приводу електрогенераторів, але також для приводу насосів і компресорів. З метою спрощення викладання, на Фіг.1 не показано різне допоміжне устаткування (наприклад, клапани, елементи керування та ін.), наявність якого є очевидним для фахівця відповідної галузі техніки. При роботі установки для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу використовують кілька послідовно термодинамічно зв'язаних каскадів з використанням циклу Ренкина; причому між першим (пароводяним) каскадом і останнім каскадом, органічне робоче текуче середовище якого конденсують за рахунок нагрівання або/і випару зрідженого природного газу, додатково використовують хоча б один проміжний каскад із застосуванням замкнутого термодинамічного циклу Ренкина з використанням органічного текучого середовища в якості робочого текучого середовища. При роботі описаного варіанта установки реалізується варіант способу отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу з одним проміжним каскадом, включеним між паровим каскадом і каскадом, органічне робоче текуче середовище якого конденсують за рахунок нагрівання або/і випару зрідженого природного газу. Перший каскад отримання енергії, або паровий каскад, у якому в якості робочого текучого середовища використовують воду й водяну пару, отримувану при випарюванні води за рахунок тепла продуктів згоряння вуглеводневого палива, реалізується в першому контурі. За рахунок тепла продуктів згоряння (ПС) вуглеводневого палива, які можуть бути отримані при спалюванні випарів зрідженого природного газу, у випарнику 1 нагрівають і випарюють воду, що подається по трубопроводу 5 циркуляційним насосом 4, і отримують перегріту пару з оптимальними робочими параметрами. Отримана перегріта пара надходить у силову парову турбіну 2, де вона здійснює роботу, завдяки якій електрогенератор 6, що приводиться турбіною 2, виробляє електричну енергію. Відпрацьована у турбіні 2 пара, що розширилася, надходить у конденсатор-випарник 3, де конденсується, віддаючи тепло робочому текучому середовищу другого контуру - етану. Вода (конденсат пари) з конденсатора-випарника 3 надходить у циркуляційний насос 4. Другий (проміжний) каскад отримання енергії реалізується в другому (проміжному) контурі. За рахунок тепла, що віддається при конденсації водяної пари в конденсаторі-випарнику 3, випарюють рідке робоче текуче середовище - рідкий етан, подаваний по трубопроводу 10 циркуляційним насосом 9. Отриманий газоподібний етан надходить у силову парову турбіну 7, де він здійснює роботу, завдяки якій електрогенератор 11, що приводиться турбіною 7, виробляє електричну енергію. Відпрацьований у турбіні 7 газоподібний 55566 8 етан, що розширився, надходить у конденсаторвипарник 8, де конденсується, віддаючи тепло робочому текучому середовищу третього контуру метану. Рідкий етан (конденсат) з конденсаторавипарника 8 надходить у циркуляційний насос 9. Третій каскад отримання енергії, у якому в якості робочого текучого середовища використовують органічне текуче середовище, що конденсують за рахунок нагрівання або/і випару зрідженого природного газу, реалізується в третьому контурі. За рахунок тепла, що віддається при конденсації пароподібного робочого середовища другого (проміжного) каскаду - газоподібного етану, в конденсаторі-випарнику 8, випарюють рідке робоче текуче середовище третього каскаду - рідкий метан, що подається по трубопроводу 15 циркуляційним насосом 14. Отриманий газоподібний метан надходить у силову парову турбіну 12, де він здійснює роботу, завдяки якій електрогенератор 12, що приводиться турбіною 16, виробляє електричну енергію. Відпрацьований у турбіні 12 газоподібний метан, що розширився, надходить у конденсатор-випарник 13, де конденсується, віддаючи тепло зрідженому природному газу (СПГ), подаваному по трубопроводу 17. Рідкий метан (конденсат) з конденсатора-випарника 13 надходить у циркуляційний насос 14. По охолодній стороні з конденсатора-випарника 13 виходить регазифікований природний газ (РПГ). Перший (пароводяний) каскад, реалізований у першому (пароводяному) контурі, працює в діапазоні температур вище температури навколишнього середовища як класична енергетична установка із застосуванням циклу Ренкина, а проміжний другий (етановий) каскад, реалізований у другому (етановому) контурі, і останній третій (метановий) каскад, реалізований у третьому (метановому) контурі, працюють у діапазоні температур нижче температури навколишнього середовища за тим же циклом Ренкина. Каскади (і, відповідно, контури) отримання енергії послідовно термодинамічно зв'язані, оскільки теплоту конденсації газоподібного робочого текучого середовища одного каскаду послідовно використовують для випару рідкого робочого текучого середовища наступного каскаду, а саме: другий каскад термординамічно зв'язаний з першим каскадом завдяки використанню тепла, що віддається при конденсації газоподібного робочого текучого середовища першого каскаду - водяної пари в конденсаторі-випарнику 3, для випару рідкого робочого текучого середовища другого каскаду - рідкого етану, а третій каскад термодинамічно зв'язаний із другим каскадом завдяки використанню тепла, що віддається при конденсації газоподібного робочого текучого середовища другого каскаду - газоподібного етану в конденсаторі-випарнику 8, для випару рідкого робочого текучого середовища третього каскаду - рідкого метану. Тепло, що відводиться при конденсації газоподібного робочого текучого середовища третього (останнього) каскаду - газоподібного метану в конденсаторі-випарнику 13, використовують для нагрівання й/або випару зрідженого природного газу. 9 Будь-яка енергетична установка працює в діапазоні (Тв-Тн) верхньої температури Тв (температури нагрівача) і нижньої температури Тн (температури холодильника). З курсу термодинаміки відомо, що ККД ідеального циклу (теплової машини) Карно залежить тільки від цих температур і визначається як відношення їхньої різниці до верхньої температури: =(Тв-Тн)/Тв. Чим вище верхня температура Тв, тим вище ККД. Нижня температура в традиційних енергетичних установках обмежується температурою навколишнього середовища. На терміналі зріджений природний газ (ЗПГ) зберігається при температурі -163°С(110К). Це величезний акумулятор енергії. Використання цієї енергії в процесі регазифікації зрідженого природного газу дає можливість істотно розширити термодинамічні можливості. ККД циклу Карно енергетичної установки першого (пароводяного) каскаду установки для отримання енергії та регазифікації зрідженого газу дорівнює відношенню різниці верхньої температури Тв1 і нижньої температури Тн1 першого каскаду: (відношення К1=(Тв1–Тн1)/Тв1=(826-285)=0,655 площі прямокутника ABCD до площі прямокутника ABQP - див. Фіг.2). Змінити його в даних температурних межах неможливо. Однак, використавши ще два прямих цикли - другий (етановий) з верхньою температурою ТВ2 і нижньою температурою Тщ і третій (метановий) з верхньою температурою ТВ3 і нижньою температурою ТН3 - і знизивши нижню температуру установки до 110К, можна домогтися збільшення корисної роботи (сума площ прямокутників ABCD, EFGH, IGKL див. Фіг.2), відношення якої до наявної кількості теплоти (площа прямокутника ABQP - див. Фіг.2) визначає ККД трикаскадного циклу Карно, що дорівнюватиме: =[(TB1-TH1)+(TВ2-ТН2)+(ТВ3-ТН3)]/ТВ1=[(826-285)+ +(275-183)+(173-120)]/826=0,831. Таким чином, ККД трикаскадного циклу значно збільшується й істотно наближається до ідеального. У випадку декількох проміжних каскадів, реалізованих у проміжних контурах, перший (пароводяний) каскад, реалізований у першому (пароводяному) контурі, працює в діапазоні температур вище температури навколишнього середовища як класична енергетична установка із застосуванням 55566 10 циклу Ренкина, а проміжні каскади й останній каскад, реалізовані в проміжних і останньому контурах із застосуванням різних органічних сполук у якості робочих текучих середовищ, працюють у діапазоні температур нижче температури навколишнього середовища за тим же циклом Ренкина, причому каскади (і, відповідно, контури) послідовно термодинамічно зв'язані таким чином, що тепло, що відводиться від газоподібного робочого текучого середовища в процесі конденсації в одному каскаді, використовується для випарювання рідкого робочого текучого середовища в наступному каскаді; в останньому каскаді тепло, що відводиться від газоподібного робочого текучого середовища в процесі конденсації використовується для регазифікації зрідженого природного газу. Використанням різних органічних робочих текучих середовищ у проміжних і останньому каскадах забезпечує можливість роботи в докритичних областях і відсутність пов'язаних з роботою в критичних областях термодинамічних втрат, при цьому можуть бути забезпечені низькі перепади температур у теплообмінних апаратах і прийнятні ваго-габаритні й міцнісні характеристики, а також оптимальні термодинамічні та технологічні показники. Отриманої від силових турбін енергії може вистачити не тільки для внутрішніх потреб установки або термінала для зберігання та регазифікації зрідженого природного газу, але й для постачання на сторону. Пропонована установка для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу може бути реалізований при сучасному рівні науки й техніки, оскільки теоретичні основи використовуваних процесів вивчені, технологія виробництва елементів розвинена, і виробнича база існує. Завдяки ефективному використанню низькотемпературного енергетичного потенціалу зрідженого природного газу й раціональній утилізації випарів зрідженого природного газу реалізація пропонованої установки для отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу при створенні термінала для зберігання та регазифікації зрідженого природного газу забезпечує енергонезалежність термінала, можливість експорту енергії та мінімальний вплив на навколишнє середовище. 11 Комп’ютерна верстка О. Рябко 55566 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601