Развитие методов снижения выбросов двухфазного криогенного продукта при испытании энергетической установки

Развитие методов снижения выбросов двухфазного криогенного продукта при испытании энергетической установки

В. А. Шишков, начальник технического отдела ООО «Рекар» (Тольятти), академик РАЕ, д.т.н.

Определены технологические процессы и уровни потерь криогенного продукта в полном цикле от момента его доставки до окончания испытания энергетической установки при ее доводке. Цель работы - снижение стоимости проведения испытаний. Поставлены задачи по минимизации и утилизации потерь криогенного продукта при проведении испытаний. Разработаны алгоритмы и методики определения потерь криогенного продукта в различных технологических процессах, которые позволяют оптимизировать проведение испытания энергетической установки. На основе разработанных методик выполнены расчеты и определены относительные потери криогенного продукта в зависимости от применяемой теплоизоляции криогенных трубопроводов и арматуры, начальной и конечной температур системы подачи, давления криогенного продукта в процессе охлаждения, материала трубопроводов и вида криогенного продукта (водород, азот, кислород). Предложены методы и технические решения по снижению и утилизации выбросов криогенного продукта в зависимости от его расхода в технологических процессах при проведении испытаний энергетических установок. Для снижения потерь криогенного продукта даны рекомендации по параметрам и условиям при проведении технологической операции охлаждения трубопроводов, агрегатов стенда и энергетической установки при ее испытании. Работа предназначена для инженеров, конструкторов и технологов испытательных станций.

__Ключевые слова:

энергетическая установка, криогенный продукт, относительные потери на охлаждение, испытание.

Актуальность работы

Энергетический кризис, порожденный быстрым ростом производственных мощностей и снижением запасов природных богатств органических соединений на основе нефти, требует ускорения темпов по разработке, испытаниям, доводке и ввода в эксплуатацию энергетических установок, работающих на перспективных топливах. Одними из перспективных топлив являются жидкий водород [1] и сжиженный природный газ. Для испытаний энергетических установок и их топлив орегулирующей аппаратуры были созданы испытательные стенды. Но стенды не имеют достаточной проработки всех систем. Поэтому возникли большие расходы криогенного продукта, связанные с выбросом в атмосферу азота, гелия, водорода и метана [2, 3].

Топливная система испытательного стенда состоит из следующих узлов: хранилище жидкого криогенного продукта в виде теплоизолированных емкостей с арматурой; система заправки от транспортных емкостей с системой продувки трубопроводов и емкостей; система подачи криогенного продукта из хранилища к турбонасосному агрегату с запорной арматурой и системой дренажа в атмосферу; турбонасосный агрегат стендовый или установленный на энергетической установке с системой «байпас»; теплообменник стендовый или установленный в энергетической установке; агрегаты системы управления; системы дренажа на выходе из турбонасосного агрегата и на выходе из теплообменника; система наддува и дренажа емкостей хранилища криогенного продукта.

Доли потерь криогенного продукта (рис. 1) при проведении испытания энергетической установки:

1. При транспортировке криогенного продукта от завода-производителя до хранилища испытательного стенда - на охлаждение жидкой фазы с помощью дренажирования газовой фазы (0,729... 0,857 %).

2. При сливе криогенного продукта из транспортных емкостей в емкости хранилища на стенде - потери на охлаждение и продувку/очистку трубопроводов (1,215.2,286 %).

3. При хранении жидкого криогенного продукта в емкостях на стенде между испытаниями - потери на охлаждение жидкой фазы путем дренажирования газовой фазы (0,729.0,857 %).

4. При термостатировании емкости за счет выпаривания части жидкой фазы криогенного продукта перед испытанием для получения более низкой температуры на входе энергетической установки (до 3,429 %).

5. При охлаждении криогенных стендовых трубопроводов и арматуры перед испытанием (3,429.4,286 %).

6. Выбросы в атмосферу при проведении испытаний насосного агрегата для энергетической установки - захолаживание агрегатов для проверки их прочности и работоспособности при низких температурах, определение рабочих характеристик, ресурсные испытания энергетической установки (12,57.18,57 %).

7. Потери, связанные с наддувом хранилища жидкого криогенного продукта для создания избыточного рабочего давления на входе в насос (0,171.0,214 %).

8. При очистке трубопроводов до и после проведения испытания с выбросом криогенного продукта в атмосферу (до 1,714 %). Эти выбросы зависят от объема трубопроводов, заполненных жидкой фазой криогенного продукта, и от наличия линии их слива в теплоизолированную емкость хранилища:

^8 = Кст Рж /mм,

где Уост - остаточный объем жидкого криогенного продукта в трубопроводах испытательного стенда; рж - плотность криогенной жидкости; тм - масса криогенного трубопровода.

Суммарные потери криогенного продукта на испытательной станции составляют 36,19.45,07 %. В камере сгорания энергетической установки сгорает 54,93.63,81 %. Экономическая целесообразность утилизации потерь криогенного продукта зависит от периода времени проведения технологической операции, величины расхода на выброс, температурных внешних условий и затрат на выбранные способы и системы повторного его использования. Суммарные потери (рис. 1) криогенного продукта при испытании энергетической установки составляют:

I ^,.

10 лет

журналу

29

1=1

Рис. 1. Потери криогенного продукта при испытании энергетической установки

Возможными путями использования выбросов криогенного продукта при проведении испытаний могут быть:

• улучшение теплоизоляции трубопроводов, емкостей и агрегатов энергетической установки;

• применение установки для ожижения при больших расходах на выброс криогенного продукта или ожижителя Скотта при малых расходах;

• установка для дожигания горючих газов в газовом котле для выработки тепловой энергии;

• применение двигателя внутреннего сгорания для привода электрогенератора или насоса для перекачки воды в емкость, расположенную выше уровнем, с целью последующего использования ее потенциальной энергии;

• установка дополнительных газовых емкостей и компрессора для приема и хранения выбросов;

• электрохимическое сжигание горючего для получения электроэнергии (топливный элемент);

• использование высокого давления на наддув емкостей при сливе/заправке и перед началом испытания энергетической установки;

• использование хладоресурса криогенного продукта в сопутствующих технологических операциях и его химической энергии, например, кислорода, в окислительных процессах.

На рис. 2 показана классификация использования выбросов криогенного продукта при отработке энергетической установки.

При различных технологических операциях при проведении испытаний получают различные выбросы криогенного продукта в газовой, паровой или парожид-костной фазах. Для утилизации различных фаз криогенного продукта применяют разные методы. Для утилизации парожидкостной фазы криогенного продукта необходимо выполнить разделение фаз, а затем применить соответствующий метод охлаждения. В качестве разделителей паровой и жидкой фаз применяют следующие устройства: центробежные камеры, вихревые устройства, устройства поворота потока, отстойные криогенные камеры и т.д. В качестве устройств и способов для охлаждения жидкой фазы криогенного продукта могут быть термостатирова-ние путем откачки паров из подушки емкости, различные по конструкции дросселирующие устройства, охлаждение другим криогенным продуктом, имеющим

10 лет

журналу

31

Рис. 2. Классификация использования выбросов криогенного продукта при отработке энергетической установки

более низкую температуру ожижения. Охлаждение паровой и газовой фаз обычно осуществляют в специальных циклах ожижения криогенного продукта.

На рис. 3 показаны варианты устройств дросселирования парожидкостной смеси криогенного продукта.

Потери криогенного продукта на захолаживание системы подачи

Минимальные относительные потери криогенной жидкости Омин=тж/тм, где тж - масса криогенной жидкости на захолаживание теплоизоляции и металла криогенного трубопровода или агрегата массой тм.

Минимальные относительные потери на захолаживание систем подачи стенда и энергетической установки с учетом внешнего теплопритока включают потери теплоты на испарение и нагрев жидкой и газовой фаз криогенного продукта [2, 4]

О

мин!

к нас м

[I(См + ^/тм)6Т]/(]СждТ+к& +\С/Т),

0ж

где Тк - конечная температура металла; Т0 - начальная температура металла;

Т

0

Рис. 3. Устройства дросселирования двухфазного криогенного продукта

См= / (Тм) - теплоемкость металла в зависимости от температуры; ц = / (ДТ) -тепловой поток через теплоизоляцию; ¥ - площадь теплопередачи; Тнас - температура насыщения криогенного продукта; Т0ж - начальная температура криогенной жидкости; Сж = / (Тм) - теплоемкость жидкого криогенного продукта до линии насыщения; ку=А-ку +(1-А)ку = / (Т) - скрытая теплота испарения криогенного продукта (ку - ортоводород, к^ - параводород, А - доля ортоводорода в смеси); Тм - температура металла равна температуре пара криогенного продукта; Ср= / (Т) - теплоемкость криогенного продукта в зависимости от температуры.

На рис. 4. приведены расчетные минимальные относительные потери на испарение жидкого нормального водорода [5, 6] при р=0,1 МПа для захолаживания до температуры 22 К коррозионной стали, нержавеющей стали Х18Н10Т и меди.

Минимальные относительные потери (рис. 5) на поддержание низкой температуры систем стенда в процессе проведения испытания энергетической установки учитывают потери теплоты нагрева жидкой фазы и испарение криогенного продукта только на компенсацию теплопритока через изоляцию:

к нас

^М„н2=[ I (др / шм ЦТ ]/(| сж&т+н&).

Т0

т

Рис. 4. Относительные потери на испарение жидкого нормально водорода при ¿>=0,1 МПа на захолаживание коррозионной стали, нержавеющей стали Х18Н10Т и меди

Рис. 5. Минимальные относительные потери на испарение параводорода при р=0,1 МПа для поддержания низкой температуры нержавеющей стали Х18Н10Т при проведении испытания энергетической установки и компенсации теплопритока через изоляцию:

- - q = 10 000 кдж/час м2;

------- q = 1 000 кдж/час м2

Минимальные относительные потери криогенного продукта на захо-лаживание систем стенда и агрегатов энергетической установки для промежуточных диапазонов температур составляют:

^^мин ^минТ1 ^минТ2 .

Использование параводорода на за-холаживание систем более эффективно из-за теплоты пара-орто-перехода, составляющей 16 дж/моль. Содержание па-раводорода в общей массе жидкой фазы обычно не превышает 2 %.

На рис. 6 приведена расчетная зависимость относительных потерь на испарение жидкого азота при р=0,1 МПа при захолаживании коррозионной стали, нержавеющей стали Х18Н10Т и меди. Потери по массе жидкого азота на захо-лаживание системы в отличие от водорода в 11 раз больше из-за его низких теплоемкости и теплоты испарения. Если криогенный трубопровод, кроме экран-но-вакуумной изоляции, имеет дополнительный трубопровод типа труба в трубе, то предварительное захолаживание целесообразно выполнять жидким азотом, направляя его в межтрубное пространство. Жидкий азот во много раз дешевле жидкого водорода.

На рис.7 приведена расчетная зависимость относительных потерь на испарение жидкого кислорода при р=0,1 МПа на захолаживание коррозионной стали, нержавеющей стали Х18Н10Т и меди.

Эффективности захолаживания криогенных кислородных систем с помощью жидкого азота не наблюдается из-за примерно одинаковой теплоемкости и теплоты испарения азота и кислорода. Но захолаживание криогенных кислородных систем с помощью жидкого азота имеет несколько преимуществ: более высокая пожарная безопасность, азот не замерзнет в системе при последующей подаче жидкого кислорода, т.к. температура тройной точки его выше на 22,81 К.

10 лет

журналу

33

Рис. 6. Относительные потери на испарение жидкого азота при р=0,1 МПа для захолаживания коррозионной стали, нержавеющей стали Х18Н10Т и меди

Рис. 7. Относительные потери на испарение жидкого кислорода при р=0,1 МПа для захолаживания коррозионной стали, нержавеющей стали Х18Н10Т и меди

300 260 220 180 140 100 80 60 40 36 32 28 24 7, К

ПНерж.стальр=0|1 п-ПНерж.стальр=06 -±-ОНерж.стальр=1,2

Рис. 8. Относительные минимальные потери на испарение жидкого нормального водорода при давлении 0,1; 0,6 и 1,2 МПа на захолаживание нержавеющей стали Х18Н10Т

Рис. 9. Относительные максимальные и минимальные потери на испарение жидкого нормального водорода при р=0,1 МПа для захолаживания нержавеющей стали Х18Н10Т

На рис. 8 приведена расчетная зависимость минимальных относительных потерь на испарение жидкого нормального водорода при различных давлениях для захолаживания нержавеющей стали Х18Н10Т. Из рисунка видно, что отличие относительных потерь при различных давлениях незначительно. В целях повышения безопасности работ, а также снижения затрат на повышение давления криогенного продукта захолаживание систем стенда рекомендуется выполнять при низких давлениях.

Рис. 10. Устройства разделения паровой и жидкой фаз криогенного продукта

Минимальные потери на испарение наблюдаются при давлении, близком к давлению в критической точке (1,2 МПа). Это можно объяснить асимптотическим возрастанием теплоемкости нормального водорода при приближении к критической точке. Средние значения минимальных потерь на испарение при захолаживании нержавеющей стали Х18Н10Т в соответствии с расчетами наблюдаются при низком давлении (0,1 МПа) нормального водорода.

При большой скорости движения криогенного продукта максимальные удельные потери (рис. 9) на захолажива-ние не учитывают потери теплоты за счет нагрева газовой фазы.

При захолаживании нержавеющей стали Х18Н10Т от 300 до 50 К максимальные потери на испарение жидкого нормального водорода при р=0,1 МПа больше минимальных потерь в 10 раз. При дальнейшем захолаживании от 50 до 20 К отличия в максимальных и минимальных потерях на испарение незначительные.

Варианты использования выбросов криогенного продукта при различных технологических операциях:

1. При перевозке криогенного продукта в транспортных емкостях выбросы на термостатирование имеют малые секундные расходы. Для утилизации наиболее приемлемы: ожижитель Скотта; для водорода топливный элемент для получения электрической энергии.

2. При сливах/заправках криогенного продукта из транспортных емкостей в стационарные получают выбросы с большими секундными расходами. Для утилизации приемлемы: ожижитель высокой производительности; предварительное охлаждение трубопроводов жидким азотом; конструкции трубопроводов и агрегатов с улучшенной теплоизоляцией; для метана и водорода применение двигателей внутреннего сгорания совместно с генератором.

3. При хранении криогенного продукта его потери характеризуются малыми секундными расходами. Для утилизации наиболее приемлемы: ожижитель Скотта; для водорода топливный элемент для получения электрической энергии; сбор выбросов в дополнительные емкости высокого давления с применением компрессоров.

4. При термостатировании криогенного продукта в емкости хранилища -на выбросе средние секундные расходы. Утилизация как в п. 3.

5. При захолаживании перед испытанием энергетической установки выбросы криогенного продукта с большими секундными расходами. Использование выбросов как в п. 2.

6. При испытании энергетической установки выбросы криогенного продукта с большими секундными расходами. Для утилизации выбросов наиболее

10 лет

журналу

35

Научные разработки и исследования

KWWWWWW

\

приемлемы: ожижитель высокой производительности; использование системы «байпас» на отдельных участках системы подачи; совершенствование теплоизоляции систем стенда; использование эффекта охлаждения при дросселировании парожидкостной смеси криогенного продукта.

На рис. 10 показаны варианты для разделения паровой и жидкой фаз криогенного продукта (устройства поворота потока, вихревая камера, турбина Пельтона).

Выводы и предложения

1. Разработаны методы по снижению потерь криогенного продукта при проведении испытаний энергетических установок.

2. Минимальные потери (до -15 %) жидкого водорода наблюдаются при захо-лаживании меди от 300 до 120 К. Потери водорода при охлаждении от 120 до 20 К для нержавеющей стали и меди имеют незначительные отличия (±0.. .5 %).

3. Использование параводорода на захолаживание систем более эффективно из-за теплоты пара-орто-перехода.

4. Для снижения потерь на захолаживание жидкого водорода целесообразно выполнять предварительное захолаживание жидким азотом.

5. Для повышения безопасности работ захолаживание криогенных кислородных систем целесообразно выполнять жидким азотом.

6. Для снижения потерь на испарение жидкого водорода процесс захолажива-ния нержавеющей стали необходимо выполнять при давлении, близком к давлению (1,2 МПа) в тройной точке. Для повышения безопасности проведения работ и снижения расходов на повышение давления захолаживание рекомендуется проводить при давлении близком к 0,1 МПа.

7. Из-за несовершенства системы подачи криогенного продукта максимальные потери на захолаживание системы могут быть в 10 раз больше минимальных.

8. Предложенная методика позволяет спланировать возможные потери криогенного продукта при проведении испытаний энергетической установки и утилизацию выбросов.

_ Литература

1. Гельперин И.И. Жидкий водород / И.И. Гельперин, А.А. Ильинский, О.А. Алмазов, И.А. Адугин. - М.: Химия, 1980. - 228 с.

2. Теплопередача при низких температурах / Под ред. У Фрост, перевод с англ. В.В. Альтова и А.А. Васильева. - М.: Мир, 1977. - 392 с.

3. Фастовский В.Г. Криогенная техника / В.Г. Фастовский, Ю.В. Петровский, А.Е. Ровинский. - М.: Энергия, 1967. - 415 с.

4. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А. и др. Методы сопряженных задач теплообмена. -М.: Машиностроение, 1983. - 232 с.

5. Варгафтик Н.В. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

6. Кожевников И.Г., Новицкий Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982. - 328 с.