Спосіб виробництва електроенергії при регазифікації зрідженого природного газу

Реферат: Винахід належить до випуску зрідженого природного газу з ємностей зберігання у газотранспортну систему з використанням низькотемпературного потенціалу газу для продукування електрики. Зріджений природний газ зі сховища стискають до тиску у газотранспортній системі і попередньо підігрівають у додатковому теплообміннику. В основному теплообміннику його випаровують та перегрівають до температури газу у газотранспортній системі, куди його спрямовують. Для підігрівання газу у протитечійному теплообміннику використовують робоче тіло в газоподібному стані, яке в основному теплообміннику охолоджують та частково зріджують. Сконденсовану частину видаляють в сепараторі, а газоподібну частину повністю конденсують в додатковому теплообміннику. Ці частини конденсату окремо стискають до однакового тиску і змішують. Суміш підігрівають спочатку від зовнішнього середовища, а потім випаровують і перегрівають відпрацьованими газами газотурбінної установки, яка працює на технологічних випарах зрідженого природного газу. Нагріте робоче тіло розширюють в турбодетандері з продукуванням електрики. Винахід сприяє підвищенню енергоефективності процесу регазифікації зрідженого природного газу завдяки спалюванню технологічних випарів газу у газовій турбіні, використанню двостадійних теплообмінних процесів для підігріву газу і конденсату робочого тіла, а також для охолодження робочого тіла, зі зменшеними перепадами температур. UA 107402 C2 (12) UA 107402 C2 UA 107402 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до способів вивантажування з посудин зрідженого природного газу (ЗПГ), а саме до регазифікації, тобто переведенню ЗПГ в газоподібний стан, в системах з використанням детандерів. Спосіб може бути застосований при будівництві терміналів для зберігання та регазифікації зрідженого природного газу. Відомий спосіб регазифікації ЗПГ [Патент ЄАПВ № 009276 F01K 25/08, Конструкции и способы для выработки электроэнергии с регазификацией сжиженного природного газа. Мэк Джон (US) Флуор Текнолоджиз Корпорэйшн (US), вариант фиг. 1 - № 200700241, Зареєстровано 2005.07.14, Опубл. 2007.12.28], згідно з яким, холод від зрідженого природного газу використовують у ряді циклів в парогазовій енергоустановці для збільшення потужності. Відомий спосіб передбачає стиснення зрідженого природного газу насосом до тиску в газопроводі, випарювання частини ЗПГ в першому теплообміннику за рахунок конденсації робочого тіла енергетичного циклу, яке потім нагрівають зовнішнім джерелом, випаровують і приводять в дію турбодетандер, з'єднаний з електрогенератором; у другому теплообміннику холод зрідженого природного газу, що залишився, забезпечує охолодження теплового джерела, яке використовують для конденсації пари в парогенераторному циклі та/або повітря, що подають в газову турбіну. Відомий спосіб, хоча і дозволяє збільшити загальну ефективність інтегрованої парогазової енергоустановки, не використовує увесь потенціал холоду ЗПГ для виробництва електричної енергії. Крім того, газотурбінна установка працює за рахунок спалювання частини регазифікованого ЗПГ і не утилізує випари природного газу, що неминуче виникають при експлуатації терміналів для зберігання та регазифікації зрідженого природного газу, внаслідок теплообміну з довкіллям. До того ж має місце недорекуперація тепла в парогенераторному циклі: потік охолодженого паливного газу виходить з парогенератора з температурою 300 F (149 °C). Найбільш близьким по суті є прийнятий за прототип спосіб регазифікації ЗПГ (Патент 9 України на корисну модель № 55853 М.кл F 17 С 7/04, 9/02, F25 В 9/06, 2010), який включає стиснення зрідженого природного газу насосом, випаровування та підігрівання природного газу робочим тілом до температури подачі в газотранспортну систему; переміщення робочого тіла в замкненому циклі, підігрівання його та випаровування від зовнішнього середовища, розширення робочого тіла в турбодетандері з виробництвом електроенергії і конденсацію його при нагріванні та регазифікації зрідженого природного газу. Відомий спосіб дає можливість використовувати весь низькотемпературний енергетичний потенціал зрідженого природного газу для виробництва електричної енергії, однак випаровування робочого тіла здійснюють за рахунок тепла навколишнього середовища, зокрема морської води, в результаті чого установка працює в діапазоні температур нижче температури довкілля, це спричиняє її невисоку енергетичну ефективність. Крім того, прийнятий за прототип спосіб передбачає, щовесь теплоперепад, пов'язаний з нагріванням, випаровуванням та перегріванням ЗПГ до температури подачі в газотранспортну систему, припадає на один теплообмінник, і використання для цього одного робочого тіла, навіть складної суміші, не може забезпечити ефективний теплообмін й оптимальні показники силового циклу. Також в цьому способі не можуть бути використані випари зрідженого природного газу, що виникають при експлуатації терміналів для зберігання та регазифікації ЗПГ. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу виробництва електроенергії при регазифікації зрідженого природного газу, в якому в результаті перегрівання робочого тіла відпрацьованими газами газотурбінної установки (ГТУ) перед подаванням його в турбодетандер на розширення з виробництвом електроенергії, а також здійснення проміжної сепарації робочого тіла в процесі теплообміну зі зрідженим природним газом, забезпечується підвищення енергоефективності силового циклу і за рахунок цього значно збільшується обсяг електроенергії, що отримують при регазифікації ЗПГ, крім того, утилізують випари зрідженого природного газу, неминучі при експлуатації терміналів. Поставлену задачу вирішено завдяки тому, що у способі виробництва електроенергії при регазифікації зрідженого природного газу, який включає стиснення зрідженого природного газу, підігрівання, випаровування та перегрівання газоподібного природного газу для подачі в газотранспортну систему в основному теплообміннику робочим тілом, яке подають в протитечії в замкненому циклі та конденсують в цьому теплообміннику, стиснення, підігрівання та випаровування робочого тіла від зовнішнього середовища, розширення його в турбодетандері з виробництвом електроенергії та передачу її частини зовнішнім споживачам, згідно з винаходом, робоче тіло спочатку охолоджують в основному теплообміннику і частково зріджують, причому сконденсовану частину робочого тіла відділяють від газоподібної частини, яку потім повністю конденсують у додатковому теплообміннику, після стискання змішують з попередньо стиснутою 1 UA 107402 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 частиною робочого тіла в зрідженому стані і після підігрівання суміш випаровують та додатково перегрівають відпрацьованими газами газотурбінної установки. Сукупність відмінних ознак дозволяє вирішити поставлену задачу завдяки тому, що додаткове перегрівання робочого тіла відпрацьованими газами ГТУ дає можливість нагріти його до температури, значно вищої за температуру довкілля перед подаванням в турбодетандер, а це дозволяє істотно збільшити кількість роботи, яку, як відомо, здатне виробляти при розширенні робоче тіло. Оскільки процес регазифікації зрідженого природного газу складається з підігрівання, випаровування та перегрівання, то коли його здійснюють в двох послідовних теплообмінниках, в яких фактично використовують робоче тіло різного складу за рахунок проміжної сепарації цього багатокомпонентного робочого тіла, це забезпечує зменшення термодинамічних втрат та досягнення ефективного теплообміну, що підтверджує мінімальний перепад температур між кривою конденсації робочого тіла і кривою випаровування ЗПГ на Q-Т діаграмі. І це все разом забезпечує підвищення енергоефективності силового циклу. Крім цього, для роботи ГТУ, відпрацьованими газами якої здійснюють перегрів робочого тіла, використовують випари зрідженого природного газу, що неминуче виникають при експлуатації терміналів ЗПГ внаслідок теплообміну з довкіллям, для повернення яких в сховище раніше витрачали енергію. Таким чином, сукупність відмінних ознак складається з раніше невідомих операцій для одержання позитивного ефекту. На фіг. 1 зображено схему способу виробництва електроенергії при регазифікації зрідженого природного газу. На фіг. 2 та фіг. 3 наведені як приклад Q-T діаграми, відповідно, додаткового і основного теплообмінників випаровування зрідженого природного газу і конденсації робочого тіла детандерного циклу. Спосіб виробництва електроенергії при регазифікації зрідженого природного газу здійснюють наступним чином: зріджений природний газ із ємності - сховища 1 подають на насос 2, де його стискають до тиску у газотранспортній системі і спочатку подають у додатковий теплообмінник 3 на підігрів, потім в основний теплообмінник 4 на випаровування та перегрів до температури газотранспортної системи 5. Для підігрівання ЗПГ в теплообмінники 4 та 3 в протитечії подають робоче тіло 6, яке є сумішшю вуглеводнів, наприклад, парафінових (метану, етану, пропану, бутану, пентану) або фреонів. Робоче тіло в газоподібному стані спочатку подають в основний теплообмінник 4 в протитечії до ЗПГ, там його охолоджують та частково зріджують, цю сконденсовану частину робочого тіла видаляють з потоку в сепараторі 7, а частину робочого тіла, що залишилась в газоподібному стані, збагачену таким чином низькокиплячими компонентами, подають у додатковий теплообмінник 3, де її повністю конденсують. Зміна складу робочого тіла таким чином між теплообмінниками 4 та 3 дозволяє забезпечити в них оптимальні перепади температур і ефективний теплообмін. Далі кожну з двох частин робочого тіла в рідкому стані окремо стискають насосами 8 та 9 до однакового тиску і подають у змішувач 10. Отриману суміш первинного складу спочатку підігрівають у нагрівнику 11 від зовнішнього середовища. Далі у випарнику 13 робоче тіло випаровують і перегрівають відпрацьованими газами газотурбінної установки 12, яка працює за рахунок випарів зрідженого природного газу, що виникають в сховищі ЗПГ 1. Потім робоче тіло подають на турбодетандер 14, де розширюють з виробництвом електроенергії. Електроенергію, що виробляють генератором на турбодетандері 14, використовують для роботи насосів 2, 8 та 9, а решту передають зовнішнім споживачам. Приклад 1 (за прототипом) ЗПГ витратою 6239.6 кмоль/год. стискали до тиску у газотранспортній системі, переводили до газоподібного стану і підігрівали до температури газу у газотранспортній системі за рахунок тепла робочого тіла, за яке використовували етан (100 %). Робоче тіло циркулювало у замкненому циклі, його випаровували та підігрівали від зовнішнього середовища до температури -5 °C, потім розширювали в турбодетандері з виробництвом електроенергії. Електроенергію використовували для роботи двох насосів, решту електроенергії передавали зовнішнім споживачам. Приклад 2 (за запропонованим способом) На установці регазифікації ЗПГ за запропонованою схемою здійснювали випаровування ЗПГ до подачі природного газу в газотранспортну систему. Як природний газ використовували суміш метану (98 %) з етаном (2 %); як робоче тіло використовували суміш парафінових вуглеводнів: метан (5.3 %), етан (86.9 %), пропан (5.0 %), бутан (2.8 %). ЗПГ витратою 6239.6 кмоль/год. з ємності 1 подавали на насос 2, де його стискали до тиску у газотранспортній системі, потім послідовно направляли на теплообмінники 3 та 4. Процес регазифікації проходив у 2 етапи: в теплообміннику 3 зріджений природний газ нагрівали до 2 UA 107402 C2 5 10 15 температури початку випаровування, а в основному теплообміннику 4 випаровували і перегрівали до температури подавання в магістральний газопровід. Робоче тіло, яке циркулювало у замкненому циклі, подавали в основний теплообмінник 4 в протитечії до ЗПГ в газоподібному стані, там його охолоджували та частково зріджували, в сепараторі 7 конденсат із робочого тіла видаляли, а частину робочого тіла, що залишилася в газоподібному стані, направляли в додатковий теплообмінник 3, де здійснювали її повну конденсацію. Потім кожну з двох частин робочого тіла окремо стискали насосами 8 та 9 до однакового тиску і подавали у змішувач 10. Отриману таким чином суміш первинного складу спочатку підігрівали у нагрівачі 11 від зовнішнього середовища (наприклад, морської води) до температури -5 °C, далі в теплообміннику 13 випаровували і перегрівали відпрацьованими газами газотурбінної установки 12, яка живилась випарами зрідженого природного газу, що виникали при зберіганні в сховищі ЗПГ. Потім робоче тіло подавали на турбодетандер 14, де розширювали з виробництвом електроенергії. Електроенергію, що виробляли генератором на турбодетандері 14, частково використовували для живлення насосів 2, 8 та 9, решту електроенергії передавали зовнішнім споживачам. В таблиці наведено порівняльні характеристики способів виробництва електроенергії при регазифікації зрідженого природного газу за прототипом та запропонованим способом. Таблиця Характеристики способів виробництва електроенергії при регазифікації зрідженого природного газу за прототипом та запропонованим способом 1. Температура на вході в турбодетандер, °C 2. Вироблення електроенергії турбодетандером, кВт 3. Споживана потужність насосів, кВт 4. Корисна потужність установки, кВт 5. Утилізація випарів ЗПГ із сховища 20 25 30 35 40 45 Прототип -5 Запропонований спосіб 200 750 9400 417 333 немає 578 8822 є З таблиці видно, що: 1) В запропонованому способі температура робочого тіла на вході в турбодетандер 200 °C, що істотно вище за температуру довкілля (як в прототипі), і це є однією із причин значного збільшення енергоефективності силового циклу: 2) В запропонованому способі на турбодетандері виробляли 9400 кВт електроенергії, із них 578 кВт витрачали для роботи насосів, решту електроенергії, тобто корисну потужність 9400 кВт - 578 кВт=8822 кВт передали до загальної електромережі. Корисна потужність, яка отримана в способі-прототипі, складала 333 кВт для тих же витрат природного газу, що був регазифікований. 3) При зберіганні в сховищах та в процесі переробки внаслідок теплообміну з довкіллям зріджений природний газ неминуче випаровується, в кількості приблизно 2 % мас. від витрати ЗПГ. Рекуперація цих випарів, тобто повернення їх у сховище, вимагає витрат енергії; в запропонованому способі їх утилізують як живлення газотурбінної установки стандартною потужністю 10 МВт. В способі-прототипі ці випари не утилізують. 4) В запропонованому способі значно зменшені термодинамічні втрати енергії за рахунок мінімізації температурних перепадів потоків внаслідок використання двох послідовних теплообмінників ЗПГ та проміжної сепарації багатокомпонентного робочого тіла, яка приводить до зміни його складу між теплообмінниками, це дозволяє погодити температуру конденсації робочого тіла на Q-Т діаграмі з кривою регазифікації ЗПГ з мінімальною різницею, що неможливо було в способі-прототипі. На фіг. 2 та фіг. 3 приведені Q-T діаграми теплообмінників ЗПГ, які підтверджують роботоздатність циклу з мінімальними втратами енергії. Таким чином, запропонований спосіб виробництва електроенергії при регазифікації ЗПГ позбавлений недоліків, притаманних прототипу, та має такі переваги, що значно підвищують енергоефективність силового циклу, зменшують термодинамічні втрати при теплообміні та дозволяють утилізувати випари ЗПГ, неминучі при експлуатації терміналів. При створенні терміналу для зберігання та регазифікації ЗПГ запропонований спосіб завдяки ефективному використанню низькотемпературного енергетичного потенціалу ЗПГ й раціональної утилізації скидного низькопотенційного тепла ГТУ забезпечить енерго- та ресурсоекономне постачання газифікованого ЗПГ до газотранспортної системи, 3 UA 107402 C2 енергонезалежність термінала, можливість експорту енергії та мінімальний вплив на навколишнє середовище, в т.ч. за рахунок виробництва електроенергії без емісії СО 2 в порівнянні з тепловими електростанціями. 5 10 15 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб виробництва електроенергії при регазифікації зрідженого природного газу, який включає стиснення зрідженого природного газу, підігрівання, випаровування та перегрівання газоподібного природного газу для подачі в газотранспортну систему в основному теплообміннику робочим тілом, яке подають в протитечії в замкненому циклі та конденсують в цьому теплообміннику, стиснення, підігрівання та випаровування робочого тіла від зовнішнього середовища, розширення його в турбодетандері з виробництвом електроенергії та передачу її частини зовнішнім споживачам, який відрізняється тим, що робоче тіло спочатку охолоджують в основному теплообміннику і частково зріджують, причому сконденсовану частину робочого тіла відділяють від газоподібної частини, яку потім повністю конденсують у додатковому теплообміннику, після стискання змішують з попередньо стиснутою частиною робочого тіла в зрідженому стані і після підігрівання суміш випаровують та додатково перегрівають відпрацьованими газами газотурбінної установки. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для роботи газотурбінної установки, відпрацьованими газами якої здійснюють перегрів газоконденсатної суміші робочого тіла, використовують випари зрідженого природного газу, що виникають при експлуатації терміналів зрідженого природного газу. 4 UA 107402 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 5