Спосіб отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу

1. Спосіб отримання енергії та регазифікації зрідженого природного газу, що передбачає використання хоча б двох каскадів із застосуванням замкнутого термодинамічного циклу Ренкина, при якому робоче текуче середовище випарюють у випарнику, отриману пару розширюють у силовій турбіні, пару, що розширилася в турбіні, конденсують у конденсаторі, і отриманий конденсат подають у випарник, термодинамічно зв'язаних за рахунок використання тепла, що віддається під час конденсації робочого текучого середовища одного каскаду, для випарювання робочого текучого середовища іншого каскаду, причому спосіб передбачає використання каскаду, що є пароводяним, в якому як робоче текуче середовище використовують воду та водяну пару, що отримують під час випарювання води за рахунок тепла продуктів згоряння вуглеводневого палива, і використання каскаду, в якому як робоче текуче середо U 2 (19) 1 3 55567 4 може бути застосованою при будівництві термінаі міцнісних показників устаткування, використовулів для зберігання та регазифікації зрідженого ваного для здійснення цього способу, зокрема, природного газу. теплообмінних апаратів, забезпечення оптимальВідомий спосіб виробництва електроенергії та них проточних частин турбін. регазифікації зрідженого природного газу, що пеТехнічна задача корисної моделі полягає в редбачає нагрівання й випарювання проміжного удосконаленні способу отримання енергії та регатеплообмінного середовища (зокрема, пропану), зифікації зрідженого природного газу, що передрозширення його в турбіні, що приводить електробачає використання двох термодинамічно зв'язагенератор, і конденсацію пароподібного проміжноних каскадів із застосуванням замкнутого го теплообмінного середовища, що розширилося в термодинамічного циклу Ренкина, при якому роботурбіні, при нагріванні та регазифікації зрідженого че текуче середовище випарюють у випарнику, природного газу [Патент США №4320303, отриману пару розширюють у силовій турбіні, паF01K25/10, F17C9/04, F01K25/00, F17C9/00, опубл. ру, що розширилася в турбіні, конденсують у кон1116.03.1982]. денсаторі, і отриманий конденсат подають у випаВідомий спосіб дає можливість використовурник, причому в першому - паровому - каскаді в вати низькотемпературний енергетичний потенціякості робочого текучого середовища використоал зрідженого природного газу, однак випарюванвують воду й водяну пару, що отримують при виня проміжного теплоносія здійснюється за рахунок парюванні води за рахунок тепла продуктів зготепла морської води, у результаті чого установка ряння вуглеводневого палива, а в другому каскаді працює в діапазоні температур нижче температури в якості робочого текучого середовища використонавколишнього середовища, і при цьому не мовують органічне текуче середовище, що випарюжуть бути використані випари зрідженого природють за рахунок використання тепла, що віддається ного газу, неминучі при експлуатації терміналів при конденсації робочого текучого середовища для зберігання та регазифікації зрідженого приропершого каскаду, і конденсують за рахунок нагрідного газу. вання або/і випарювання зрідженого природного Відомий також прийнятий за прототип спосіб газу. Пропоноване вдосконалення здійснюють отримання енергії та регазифікації зрідженого шляхом включення додатково хоча б одного проприродного газу, що передбачає використання міжного каскаду із застосуванням замкнутого тердвох термодинамічно зв'язаних каскадів із застомодинамічного циклу Ренкина з використанням суванням замкнутого термодинамічного циклу Реорганічного текучого середовища в якості робочонкина, при якому робоче текуче середовище випаго текучого середовища між пароводяним каскарюють у випарнику, отриману пару розширюють у дом і каскадом, у якому робоче текуче середовище силовій турбіні, пару, що розширилася в турбіні, конденсують за рахунок нагрівання або/і випарюконденсують у конденсаторі і отриманий конденвання зрідженого природного газу, використовуюсат подають у випарник. У першому, пароводяночи в якості робочого текучого середовища різні му, каскаді в якості робочого текучого середовища вуглеводневі сполуки; при цьому каскади послідовикористовують воду й водяну пару, що отримувно термодинамічно зв'язані за рахунок викорисють під час випарювання води за рахунок тепла тання тепла, що віддається при конденсації газопродуктів згоряння вуглеводневого палива, а в подібного робочого текучого середовища одного другому, органічному, каскаді в якості робочого каскаду, для випарювання робочого текучого сетекучого середовища використовують органічне редовища наступного каскаду. Зокрема, у випадку текуче середовище, що випарюють за рахунок одного проміжного каскаду в якості робочого текувикористання тепла, що віддається під час кончого середовища в першому каскаді використовуденсації робочого текучого середовища першого ють воду й пару, у другому (проміжному) каскаді каскаду, і конденсують за рахунок нагрівання або/і етан, а в третьому каскаді - метан, за рахунок конвипарювання (регазифікації) зрідженого природноденсації якого нагрівають і/або випарюють зріджего газу [Патентна заявка США №2009100845 (А1), ний природний газ. Отримуваний технічний реваріант фіг.8, F01K25/00, опубл. 23.04.2009]. зультат полягає в тому, що теплоперепад між Застосування пароводяного каскаду в прийнятемпературою конденсації робочого текучого сетому за прототип способі дозволяє використовуваредовища першого каскаду (пари) і температурою ти випари зрідженого природного газу, що виниказберігання зрідженого природного газу спрацьоють при експлуатації терміналів для зберігання та вують у декількох (як мінімум, у двох) каскадах з регазифікації зрідженого природного газу. Однак, використанням різних органічних робочих текучих як і попередній, прийнятий за прототип спосіб песередовищ, що забезпечує можливість роботи в редбачає використання одного робочого текучого докритичних областях, а отже, відсутність термосередовища для утилізації всього теплоперепаду в динамічних втрат, пов'язаних з роботою в критичодному органічному каскаді, що викликає значні них областях; у зв'язку з тим, що процеси випарютехнологічні труднощі, пов'язані з тим, що досить вання й конденсації забезпечують важко, практично неможливо підібрати таке органайефективніший теплообмін і відбуваються при нічне робоче текуче середовище, що добре прапостійному тиску, можуть бути забезпечені низькі цює у всьому діапазоні температур, не переходячи перепади температур у теплообмінних апаратах і у надкритичний стан; при цьому в циклі можуть прийнятні габаритні й міцнісні характеристики, а виникати як дуже високі, так і дуже низькі тиски, також оптимальні термодинамічні й технологічні значні труднощі становить досягнення ефективнопоказники. го теплообміну й оптимальних термодинамічних Спосіб отримання енергії та регазифікації показників циклу й оптимальних вагово-габаритних зрідженого природного газу передбачає викорис 5 55567 6 тання більше двох каскадів (як мінімум трьох касза допомогою установки, схему якої показано на кадів) із застосуванням замкнутого термодинамічФіг.1. ного циклу Ренкина, при якому рідке робоче текуче Установка для отримання енергії та регазифісередовище випарюють у випарнику, отриману кації зрідженого природного газу містить три поспару (газоподібне робоче текуче середовище) ролідовно термодинамічно зв'язаних контури (див. зширюють у силовій турбіні, пару, що розширилася Фіг.1). в турбіні (газоподібне робоче текуче середовище) До складу першого контуру входять випарник конденсують у конденсаторі, і отриманий конден1, турбіна 2, конденсаторна частина конденсаторасат (рідке робоче текуче середовище) подають у випарника 3, циркуляційний насос 4, послідовно випарник. Каскади термодинамічно послідовно з'єднані в замкнутий контур трубопроводом 5. Тузв'язані за рахунок використання тепла, що віддарбіна 2 є силовою, або енергетичною, оскільки ється при конденсації робочого текучого середовона призначена для вироблення енергії, зокрема, вища одного каскаду, для випарювання робочого вона приводить електрогенератор 6. Перший контекучого середовища іншого каскаду. Спосіб петур є пароводяним, робочим текучим середовиредбачає використання пароводяного каскаду, у щем у першому контурі є вода й отримуваний при якості робочого текучого середовища в ньому виїї випарюванні пар. Випарник 1 по гріючій стороні, користовують воду й водяник пара, що отримують з'єднаний із джерелом продуктів згоряння (ПЗ) при випарюванні води за рахунок тепла продуктів вуглеводневого палива. Джерелом продуктів згозгоряння вуглеводневого палива. Спосіб передбаряння вуглеводневого палива може бути, напричає також використання органічного каскаду, у клад, газотурбінний двигун або топка парогенераякому в якості робочого текучого середовища витора, у яких як паливо можуть використовуватися користовують органічне текуче середовище, що випари зрідженого природного газу; таким чином, конденсують за рахунок нагрівання або/і випару випарник 1 по гріючій стороні може бути пов'язазрідженого природного газу. Між паровим касканий з лінією випарів зрідженого природного газу дом і органічним каскадом, робоче текуче середо(не показано). Випарник 1 функціонально є привище якого конденсують за рахунок нагрівання строєм для отримання оптимальних робочих паабо/і випару зрідженого природного газу, додаткораметрів пари перед турбіною і може містити елево використовують хоча б один проміжний каскад менти, наявність яких є очевидною для фахівця в із застосуванням замкнутого термодинамічного галузі парової енергетики і які не показані окремо, циклу Ренкина, при якому робоче текуче середощоб не захаращувати схему очевидними подровище, у якості якого використовують органічне бицями; це може бути утилізаційний або обладнатекуче середовище, випарюють у випарнику, ний топкою парогенератор з пароперегрівником. отриману пару розширюють у силовій турбіні, паДо складу другого контуру, входять охолодна ру, що розширилася в турбіні конденсують у кончастина конденсатора-випарника 3, турбіна 7, конденсаторі, і отриманий конденсат подають у випаденсаторна частина конденсатора-випарника 8, рник, причому каскади послідовно термодинамічно циркуляційний насос 9, послідовно з'єднані в зазв'язані. У якості органічних робочих середовищ у мкнутий контур трубопроводом 10. Турбіна 7 є різних каскадах використовують різні вуглеводневі силовою, або енергетичною, оскільки вона призсполуки. У варіанті між паровим каскадом і касканачена для вироблення енергії, зокрема, вона дом, робоче текуче середовище якого конденсуприводить електрогенератор 11. Робочим текучим ють за рахунок нагрівання або/і випарювання середовищем у другому контурі є етан. Другий зрідженого природного газу, використовують один контур термодинамічно пов'язаний з першим конпроміжний каскад, у якості робочого текучого сетуром завдяки спільному елементу -конденсаторуредовища в якому використовують етан, а в касвипарнику 3, конденсаторна частина якого входить каді, робоче текуче середовище якого конденсудо складу першого контуру, а охолодна частина ють за рахунок нагрівання або/і випару зрідженого до складу другого контуру. природного газу, у якості робочого текучого сереДо складу третього контуру, входять охолодна довища використовують метан. Продукти згоряння частина конденсатора випарника 8, турбіна 12, вуглеводневого палива хоча б частково можуть конденсаторна частина конденсатора-випарника отримувати спалюванням випарів зрідженого при13, циркуляційний насос 14, послідовно з'єднані в родного газу, що виникають при експлуатації терзамкнутий контур трубопроводом 15. Турбіна 12 є міналів для зберігання та регазифікації зрідженого силовою, або енергетичною, оскільки вона призприродного газу. начена для вироблення енергії, зокрема, вона На Фіг.1 показано схему установки для отриприводить електрогенератор 16. Робочим текучим мання енергії та регазифікації зрідженого природсередовищем у третьому контурі є метан. Третій ного газу, що реалізує варіант заявленого способу контур термодинамічно зв'язаний із другим контуотримання енергії та регазифікації зрідженого ром завдяки спільному елементу - конденсаторуприродного газу з одним проміжним каскадом, випарнику 8, конденсаторна частина якого входить включеним між паровим каскадом і органічним до складу другого контуру, а охолодна частина каскадом, робочу текуче середовище якого кондо складу третього контуру. Охолодна частина денсують за рахунок нагрівання або/і випару зрідконденсатора-випарника 13 з'єднана з лінією поженого природного газу. На Фіг.2. показана T-S дачі зрідженого природного газу (ЗПГ) 17. діаграма термодинамічних процесів, що лежать в Послідовність термодинамічного зв'язку контуоснові варіанта заявленого способу отримання рів полягає в тому, що другий контур термодинаенергії та регазифікації зрідженого природного мічно зв'язаний з першим контуром через конденгазу з одним проміжним каскадом, реалізованого сатор-випарник 3, а третій контур у свою чергу 7 55567 8 зв'язаний із другим контуром через конденсаторметану. Рідкий етан (конденсат) з конденсаторавипарник 8. випарника 8 надходить у циркуляційний насос 9. Силові турбіни (зокрема, турбіни 2, 7, 12), що Третій каскад отримання енергії, у якому в входять до складу контурів, можуть бути викорисякості робочого текучого середовища використотані не тільки для приводу електрогенераторів, вують органічне текуче середовище, що конденале також для приводу насосів і компресорів. сують за рахунок нагрівання або/і випару зріджеЗ метою спрощення викладання, на Фіг.1 не ного природного газу, реалізується в третьому показано різне допоміжне устаткування (наприконтурі. За рахунок тепла, що віддається при конклад, клапани, елементи керування та ін.), наявденсації пароподібного робочого середовища друність якого є очевидним для фахівця відповідної гого (проміжного) каскаду - газоподібного етану, в галузі техніки. конденсаторі-випарнику 8, випарюють рідке робоПри роботі установки для отримання енергії та че текуче середовище третього каскаду - рідкий регазифікації зрідженого природного газу викорисметан, що подається по трубопроводу 15 циркулятовують кілька послідовно термодинамічно зв'язаційним насосом 14. Отриманий газоподібний мених каскадів з використанням циклу Ренкина; притан надходить у силову парову турбіну 12, де він чому між першим (пароводяним) каскадом і здійснює роботу, завдяки якій електрогенератор останнім каскадом, органічне робоче текуче сере12, що приводиться турбіною 16, виробляє електдовище якого конденсують за рахунок нагрівання ричну енергію. Відпрацьований у турбіні 12 газоабо/і випару зрідженого природного газу, додаткоподібний метан, що розширився, надходить у конво використовують хоча б один проміжний каскад денсатор-випарник 13, де конденсується, із застосуванням замкнутого термодинамічного віддаючи тепло зрідженому природному газу циклу Ренкина з використанням органічного теку(СПГ), подаваному по трубопроводу 17. Рідкий чого середовища в якості робочого текучого сереметан (конденсат) з конденсатора-випарника 13 довища. При роботі описаного варіанта установки надходить у циркуляційний насос 14. По охолодній реалізується варіант способу отримання енергії та стороні з конденсатора-випарника 13 виходить регазифікації зрідженого природного газу з одним регазифікований природний газ (РПГ). проміжним каскадом, включеним між паровим касПерший (пароводяний) каскад, реалізований у кадом і каскадом, органічне робоче текуче середопершому (пароводяному) контурі, працює в діапавище якого конденсують за рахунок нагрівання зоні температур вище температури навколишнього або/і випару зрідженого природного газу. середовища як класична енергетична установка із Перший каскад отримання енергії, або парозастосуванням циклу Ренкина, а проміжний другий вий каскад, у якому в якості робочого текучого се(етановий) каскад, реалізований у другому (етаноредовища використовують воду й водяну пару, вому) контурі, і останній третій (метановий) каскад, отримувану при випарюванні води за рахунок тепреалізований у третьому (метановому) контурі, ла продуктів згоряння вуглеводневого палива, працюють у діапазоні температур нижче темперареалізується в першому контурі. За рахунок тепла тури навколишнього середовища за тим же цикпродуктів згоряння (ПС) вуглеводневого палива, лом Ренкина. Каскади (і, відповідно, контури) які можуть бути отримані при спалюванні випаров отримання енергії послідовно термодинамічно зрідженого природного газу, у випарнику 1 нагрізв'язані, оскільки теплоту конденсації газоподібновають і випарюють воду, що подається по трубопго робочого текучого середовища одного каскаду роводу 5 циркуляційним насосом 4, і отримують послідовно використовують для випару рідкого перегріту пару з оптимальними робочими парамеробочого текучого середовища наступного каскатрами. Отримана перегріта пара надходить у сиду, а саме: другий каскад термординамічно зв'язалову парову турбіну 2, де вона здійснює роботу, ний з першим каскадом завдяки використанню завдяки якій електрогенератор 6, що приводиться тепла, що віддається при конденсації газоподібнотурбіною 2, виробляє електричну енергію. Відпраго робочого текучого середовища першого каскаду цьована у турбіні 2 пара, що розширилася, надхо- водяної пари в конденсаторі-випарнику 3, для дить у конденсатор-випарник 3, де конденсується, випару рідкого робочого текучого середовища друвіддаючи тепло робочому текучому середовищу гого каскаду - рідкого етану, а третій каскад тердругого контуру - етану. Вода (конденсат пари) з модинамічно зв'язаний із другим каскадом завдяки конденсатора-випарника 3 надходить у циркулявикористанню тепла, що віддається при конденсаційний насос 4. ції газоподібного робочого текучого середовища Другий (проміжний) каскад отримання енергії другого каскаду - газоподібного етану в конденсареалізується в другому (проміжному) контурі. За торі-випарнику 8, для випару рідкого робочого терахунок тепла, що віддається при конденсації вокучого середовища третього каскаду - рідкого медяної пари в конденсаторі-випарнику 3, випарюють тану. Тепло, що відводиться при конденсації рідке робоче текуче середовище - рідкий етан, газоподібного робочого текучого середовища треподаваний по трубопроводу 10 циркуляційним тього (останнього) каскаду - газоподібного метану насосом 9. Отриманий газоподібний етан надхов конденсаторі-випарнику 13, використовують для дить у силову парову турбіну 7, де він здійснює нагрівання й/або випару зрідженого природного роботу, завдяки якій електрогенератор 11, що газу. приводиться турбіною 7, виробляє електричну Будь-яка енергетична установка працює в діаенергію. Відпрацьований у турбіні 7 газоподібний пазоні (ТВ-ТН) верхньої температури ТВ (темпераетан, що розширився, надходить у конденсатортури нагрівача) і нижньої температури Тн (темпевипарник 8, де конденсується, віддаючи тепло ратури холодильника). З курсу термодинаміки робочому текучому середовищу третього контуру відомо, що ККД ідеального циклу (теплової маши 9 55567 10 ни) Карно залежить тільки від цих температур і якості робочих текучих середовищ, працюють у визначається як відношення їхньої різниці до вердіапазоні температур нижче температури навколишнього середовища за тим же циклом Ренкина, хньої температури: =(ТВ-ТН)/ТВ. причому каскади (і, відповідно, контури) послідовЧим вище верхня температура ТВ, тим вище но термодинамічно зв'язані таким чином, що тепККД. Нижня температура в традиційних енергетило, що відводиться від газоподібного робочого чних установках обмежується температурою натекучого середовища в процесі конденсації в одвколишнього середовища. На терміналі зріджений ному каскаді, використовується для випарювання природний газ (ЗПГ) зберігається при температурі рідкого робочого текучого середовища в наступ- 163 С (110 К). Це величезний акумулятор енергії. ному каскаді; в останньому каскаді тепло, що відВикористання цієї енергії в процесі регазифікації водиться від газоподібного робочого текучого сезрідженого природного газу дає можливість істотредовища в процесі конденсації використовується но розширити термодинамічні можливості. для регазифікації зрідженого природного газу. ККД циклу Карно енергетичної установки перВикористанням різних органічних робочих тешого (пароводяного) каскаду установки для отрикучих середовищ у проміжних і останньому каскамання енергії та регазифікації зрідженого газу додах забезпечує можливість роботи в докритичних рівнює відношенню різниці верхньої температури областях і відсутність пов'язаних з роботою в криТВ1 і нижньої температури ТН1 першого каскаду: тичних областях термодинамічних втрат, при цьо(відношення К1=(ТВ1-ТН1)/ТВ1=(826-285)=0,655 му можуть бути забезпечені низькі перепади темплощі прямокутника ABCD до площі прямокутника ператур у теплообмінних апаратах і прийнятні ABQP -див. Фіг.2). Змінити його в даних темпераваго-габаритні й міцнісні характеристики, а також турних межах неможливо. Однак, використавши оптимальні термодинамічні та технологічні показще два прямих цикли - другий (етановий) з верхники. Отриманої від силових турбін енергії може ньою температурою ТВ2 і нижньою температурою вистачити не тільки для внутрішніх потреб устаноТН2 і третій (метановий) з верхньою температурою вки або термінала для зберігання та регазифікації ТВ3 і нижньою температурою ТН3 - і знизивши нижзрідженого природного газу, але й для постачання ню температуру установки до 110К, можна домогна сторону. тися збільшення корисної роботи (сума площ пряПропонований спосіб отримання енергії та ремокутників ABCD, EFGH, IGKL - див. Фіг.2), газифікації зрідженого природного газу може бути відношення якої до наявної кількості теплоти реалізований при сучасному рівні науки й техніки, (площа прямокутника ABQP - див. Фіг.2) визначає оскільки теоретичні основи використовуваних проККД трикаскадного циклу Карно, що дорівнюватицесів вивчені, технологія виробництва елементів ме: розвинена, і виробнича база існує. =[(TВ1-ТН1)+(ТВ2-ТН2)+(ТВ3-ТН3)]/ТВ1=[(826Завдяки ефективному використанню низько285)+(275-183)+(173-120)]/826=0,831. температурного енергетичного потенціалу зріджеТаким чином, ККД трикаскадного циклу значно ного природного газу й раціональній утилізації збільшується й істотно наближається до ідеальновипарів зрідженого природного газу реалізація го. пропонованого способу отримання енергії та регаУ випадку декількох проміжних каскадів, реалізифікації зрідженого природного газу при створензованих у проміжних контурах, перший (пароводяні термінала для зберігання та регазифікації зрідний) каскад, реалізований у першому (пароводяженого природного газу забезпечує ному) контурі, працює в діапазоні температур енергонезалежність термінала, можливість експовище температури навколишнього середовища як рту енергії та мінімальний вплив на навколишнє класична енергетична установка із застосуванням середовище. циклу Ренкина, а проміжні каскади й останній каскад, реалізовані в проміжних і останньому контурах із застосуванням різних органічних сполук у 11 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 55567 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