Система газификации сжиженного природного газа (СПГ) котельной
LIQUEFIED NATURAL GAS (LNG) GASIFICATION SYSTEM FOR BOILER HOUSE

Изобретение относится к газификации сжиженного природного газа (СПГ), где реализуется цикл Ренкина при газификации СПГ. Изобретение позволяет эффективно получать тепловую, электрическую энергию и одновременно лед, пригодный для пищевой промышленности.
Обычно СПГ транспортируют в криогенных емкостях в сжиженной форме, впоследствии его газифицируют для распределения в виде трубопроводного природного газа или для использования путем сжигания непосредственно на месте в котлах котельных и ТЭЦ. При транспортировке температура СПГ составляет примерно минус 160°С и давление поддерживается от 0,1 до 0,2 МПа (от 1 до 2 бар). Для использования СПГ в качестве топлива в котельной его необходимо испарять - превращать в газ, и, в зависимости от назначения котельной, подогреть до температуры от 10 до 30°С.
Известны ряд устройств (см.  Патент №119846 Российская Федерация, МПК F17С 9/02. Газификационная установка / К.В. Ноговицин, В.А. Ноговицин. №2012100874/06; заявл. 11.01.2012; опубл.7.08.2012, Патент №1520298 СССР, МПК F25B9/02, F17С7. Криогенный испаритель /В.П. Ельчинов, А.И. Смородин, А.Г. Лапшин, Н.И. Глебов, В.В. Попов. - №4337226/23-26; заявл. 01.12.1987; опубл. 07.11.1989, Патент №1176137 СССР, МПК F17C/02. Установка для газификации криогенной жидкости / Г.С. Виницкий, Н.Р. Васильев, В.Г. Виницкий. - №3516767/23-26; заявл. 01.12.1982; опубл. 30.08.1985, Бюл. №32,  Патент №132521 Российская Федерация, МПК F17С/02, F17C13. Система регазификации сжиженного природного газа / заявитель и патентообладатель ООО НПФ «Криоген-Холод-Технология». - №2012150625; заявл.6.11.2012; опубл.0.09.2013. Бюл. №26), в которых СПГ переводят из жидкого состояния в газообразное при помощи его нагревания воздухом или водой из окружающей среды (часто морской). Такие установки полностью теряют весь потенциал холода СПГ и при этом не используют сбросную теплоту уходящих дымовых газов котлов.
Известна газификационная установка (см. Патент №1456688 СССР, МПК F17С/02. Газификационная установка / С.И. Загривый. - №90686/23-26; заявл.4.02.1989; опубл.7.02.1989, Бюл. №5), содержащая соединенные между собой емкость для хранения низкокипящей жидкости, устройство для повышения давления жидкости, испаритель-теплообменник, разделенный на секции и установленное между секциями устройство для преобразования кинетической энергии продукта в виде турбогенератора детандерного типа в электрическую, переданную в электроподогреватель для нагрева газа. Однако данная система нерационально использует вырабатываемую в турбогенераторе электрическую энергию, так как при этом не используют имеющуюся в наличии теплоту дымовых газов котлов.
Известна комбинированная система использования СПГ в котельных установках (см. Патент №2176024 Российская Федерация, МПК F01K 13/00, F17D/02. Комбинированная система использования СПГ в котельных установках / Кирилин Н.Г. - 2000102990/06; заявл. 07.02.2000; опубл. 20.11.2001), включающая емкость с СПГ, линию подачи топлива с погружным криогенным насосом, холодильной камерой, нагревателем, расширительной турбиной с электрогенератором на одном валу и котлом с магистралью дымовых газов. Изобретение позволяет повысить КПД всей системы и получить дополнительную электрическую энергию, в т.ч. для кондиционирования воздуха внутри котельной установки. Однако и данная система не предусматривает полное использование теплоты конденсации водяных паров дымовых газов за котлом.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении КПД системы в целом за счет привода электродвигателей агрегатов котельной установки электроэнергией, получаемой не только от турбогенератора, но и от использования теплоты конденсации водяных паров уходящих дымовых газов для нагрева СПГ, при этом основное тепло, идущее на газификацию СПГ, передается в льдогенераторе при фазовом переходе воды в лед с одновременным получением водяного льда, который может быть применен в пищевой промышленности. Кроме того, существенно улучшаются экологические характеристики котлов.
Для достижения технического результата в системе газификации сжиженного природного газа (СПГ) котельной, содержащей емкость с СПГ, криогенный насос, трубопровод подачи СПГ с регулировочным клапаном, турбодетандер с электрогенератором на одном валу, магистраль дымовых газов, теплообменники (ТО) для нагрева природного газа за счет тепла дымовых газов, магистраль дымовых газов выполнена в виде идущего от котельной центрального общего газохода, соединенного с двумя дополнительными газоходами, а именно по направлению дымовых газов - нисходящим и восходящим газоходами, снабженными регулировочными шиберами и установленными в них ТО нагрева природного газа, причем оба дополнительных газохода снизу сообщены между собой с помощью поворотного газохода с установленным на дне последнего сепарационным устройством для сбора и удаления конденсата, при этом система дополнительно снабжена соединенными между собой с помощью трубопроводов льдогенератором и ТО - охладителем питьевой воды, поступающей из установки водоподготовки, кроме того, льдогенератор соединен с трубопроводом подачи СПГ, вход ТО - охладителя питьевой воды соединен с выходом турбодетандера, а выход с входом ТО нагрева природного газа, установленного в восходящем газоходе.
Предлагаемая система газификации сжиженного природного газа (СПГ) котельной включает в себя: криогенные емкости для хранения СПГ, криогенный насос для перекачки СПГ через теплообменники, расположенные в магистрали дымовых газов и получающие тепло от уходящих дымовых газов котлов котельной, турбодетандер с электрическим генератором на одном валу. Магистраль дымовых газов выполнена в виде центрального общего газохода и двух дополнительных газоходов с установленными в них теплообменниками (ТО) и снабженных регулировочными шиберами для регулировки расхода дымовых газов, причем оба газохода отходят от центрального общего газохода и сообщены снизу между собой поворотным газоходом с оборудованным на его дне сепарационным устройством для отделения от охлажденных дымовых газов сконденсированной воды. Идущий из турбодетандера трубопровод подсоединен к теплообменнику - охладителю питьевой воды, который служит для предварительного охлаждения питьевой воды, прокачиваемой через него и через установку водоподготовки насосом из природного источника пресной воды. Охлажденная вода из теплообменника - охладителя поступает в льдогенератор, где замораживается, и образующийся водяной лед поступает на склад для реализации потребителям. Энергия, вырабатываемая в электрогенераторе, направляется на привод льдогенератора и электродвигателей котельной.
В систему газификации сжиженного природного газа (СПГ) котельной в трубопровод СПГ после турбодетандера введение теплообменника - охладителя питьевой воды и на входе в турбодетандер льдогенератора через теплообменник, при этом льдогенератор служит испарителем СПГ и позволяет получать дополнительный продукт водяной лед, пригодный для использования в пищевой промышленности, а также позволяет эффективно использовать энергию фазового перехода воды в лед. При этом увеличивается тепловой потенциал газа, идущего в турбодетандер, что увеличивает производимую им мощность. Дополнительно полученную в электрогенераторе энергию направляют на работу льдогенератора и электродвигателей котельной.
Система газификации СПГ котельной иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 представлен цикл нагрева СПГ, расширения природного газа (ПГ) в турбодетандере и нагрева за турбодетандером на диаграмме метана: 0 - параметры СПГ в хранилище; 1 - параметры после перекачки криогенным насосом в дьдогенератор; 2 - параметры после испарения СПГ в льдогенераторе; 3 - параметры ПГ после нагрева перед турбодетандером; 4 - параметры после адиабатического расширения в турбодетандере; 5 - параметры ПГ после окончательного подогрева, на фиг. 2 схематично изображена система газификации СПГ котельной.
Система газификации сжиженного природного газа (СПГ) котельной (фиг. 2) включает емкости 1 с СПГ, трубопровод 2 заправки СПГ, трубопровод 3 выдачи СПГ, криогенный насос 4, магистраль дымовых газов, представляющая собой центральный общий газоход 9, идущий от котельной и соединенный с двумя дополнительными газоходами, а именно: по направлению дымовых газов - нисходящим газоходом 6 и восходящим газоходом 8, теплообменник (ТО) 5 для нагрева СПГ в нисходящем газоходе 6, теплообменник 7 для нагрева газа в восходящем газоходе 8, газоходы 6 и 8 сообщены друг с другом с помощью поворотного газохода 12, криогенный насос 4 для подачи СПГ в льдогенератор 13, служащий для нагрева и испарения СПГ; выход из ТО 5 связан с входом турбодетандера 14 с электрогенератором 24 на одном валу, а выход из турбодетандера 14 связан с входом ТО - охладителя 15 питьевой воды, а выход ТО - охладителя 15 питьевой воды соединен с установленным в восходящем газоходе 8 ТО 7 для нагрева природного газа, из которого подогретый газ направляется через ресивер 21 и ГРП 16 к котлам 10 котельной, дымосос 11 с трубой 23. Нисходящий газоход 6 на входе дымовых газов имеет возможность перекрываться регулировочным шибером 17, восходящий газоход 8 на выходе дымовых газов имеет возможность перекрываться регулировочным шибером 18, на дне поворотного газохода 12 оборудовано сепарационное устройство 19 с трубопроводом 20 для дренажа образующегося конденсата. Перед ГРП 16 в трубопровод газа врезан ресивер 21, а на обходной линии этого трубопровода установлен резервный атмосферный подогреватель 22 на случай нештатной ситуации. Охлажденные и подсушенные продукты сгорания дымососом 11 направляются в атмосферу через трубу 23. Турбодетандер 14 приводит в движение электрический генератор 24. Пресная вода из естественного водоема 25 насосом 26 поступает в установку 27 водоподготовки воды. Образующийся водяной лед 28 из льдогенератора 13 удаляют на склад.
Система газификации сжиженного природного газа (СПГ) котельной работает следующим образом.
СПГ из емкостей 1 по трубопроводу 3 криогенным насосом 4 подают в льдогенератор 13, где СПГ нагревается и испаряется за счет тепла фазового перехода воды в лед, при этом при заморозке вода, поступающая из источника 25 пресной воды и прокачиваемая с помощью насоса 26 через установку 27 водоподготовки и далее в ТО - охладитель 15 питьевой воды, замораживается, а нагретый газ далее поступает в расположенный в нисходящем газоходе 6 ТО 5 для его дальнейшего нагрева. При этом расход дымовых газов, поступающих по центральному общему газоходу 9, регулируется шибером 17, установленном в нисходящем газоходе 6, таким образом, чтобы дымовые газы на выходе из нисходящего газохода 6 имели температуру, обеспечивающую максимальную конденсацию водяных паров, а газ максимально нагрелся от продуктов сгорания. Подогретый газ из ТО 5 направляется в турбодетандер 14 с электрогенератором 24 на одном валу. В турбодетандере 14 давление газа и теплота преобразуется в механическую работу вращения электрогенератора 24, вырабатываемый электрический ток от которого поступает на привод льдогенератора 13 и привод электродвигателей котлов 10 котельной. Охлажденный газ после турбодетандера 14 поступает в ТО - охладитель 15 питьевой воды и затем в ТО 7 для нагрева газа, который установлен в восходящем газоходе 8 с регулировочным шибером 18. При этом расход дымовых газов регулируется шибером 18 таким образом, чтобы дымовые газы на выходе из восходящего газохода 8 имели температуру 30°С, а природный газ (ПГ) нагрелся до температуры 20°С в ТО 7. Подогретый газ из ТО 7 направляется в ресивер 21 через ГРП 16 и далее к горелкам котлов 10 котельной и к другим котлам 29 котельной. Охлажденные дымовые газы, выходящие из нисходящего газохода 6 и восходящего газохода 8, попадают в поворотный газоход 12, где из них при помощи сепарационного устройства 19 отделяется конденсат водяных паров, который выводится через трубопровод 20 в конденсатный бак (на схеме не показан). Дымовые подсушенные газы из поворотного газохода 12 направляются через восходящий газоход 8 и регулировочный шибер 18 к дымососу 11. При этом охлажденные и подсушенные газы из восходящего газохода 8 смешиваются с остатком горячих дымовых газов из общего центрального газохода 9 и удаляются дымососом 11 в трубу 23 и в атмосферу. Температура смеси дымовых газов, идущих в дымосос 11, понижается, и соответственно уменьшается ее объемный расход, что снижает мощность для привода дымососа 11. Снижение температуры смеси дымовых газов не приводит к увеличению коррозии газоходов и трубы из-за того, что из нее удалена основная часть влаги, которая в виде конденсата может в дальнейшем использоваться для питания котлов и тепловой сети. При этом при помощи холода СПГ в льдогенераторе 13 получают лед из пресной и прошедшей водоподготовку воды и пригодный для использования в пищевой промышленности.
СПГ
Работоспособность предлагаемой системы газификации СПГ котельной докажем расчетом на примере конкретной котельной с тепловой мощностью Qi=10 МВт, с коэффициентами полезного действия (КПД) котлов на СПГ η=92%.
Физические свойства СПГ:
3
Плотность сжиженного газа при атмосферном давлении: 420 кг/м;
3
Низшая теплота сгорания (при 0°С и 101,325 КПа): 35,2 МДж/м(или 11500 ккал/кг=48185 кДж/кг).
Теплота испарения СПГ равна 511кДж/кг, а подогрев его паров от температуры насыщения до 290 К (17°С) позволяет отнять количество теплоты, равное 382 кДж/кг.
Для работы котельной потребуется расход СПГ:
1
н.СПГ
СПГ
p
В=Q/(Q⋅η)=10000/(48185 0,92)=0,226 кг/с=812 кг/ч,
p
н.СПГ
где Q=48185 кДж/кг - теплотворная способность СПГ.
Расход жидкого СПГ:
СПГ
СПГ
3
W=В/ρ=0,226/420=0,000538 м/с.
Чтобы перевести СПГ из жидкого состояния в газообразное и получить дополнительную энергию, необходимо СПГ перекачать в через льдогенератор, подняв давление с 0,6МПа (в хранилище) до 2МПа (фиг. 1, процесс «0-1»).
Необходимая мощность криогенного насоса составит:
кн
СПГ
н
Э
6
Ν=ΔΡ W/(η⋅η)=(2-0,6) 10 0,000538/(0,7 0,95)=-Т 133 Вт=1,133 кВт,
н
где η=0,7 - КРД насоса;
э
η=0,85 - КРД электродвигателя.
2
Далее от точки «1» до точки «2» происходит испарение СПГ в льдогенераторе при температуре -161°С и давлении 2МПа. При этом рост энтальпии ΔΗ составит:
2
2
ΔΗ=Η-Η,=622-175=446 кДж/кг.
Тепловая мощность льдогенератора:
льд
2
СПГ
Ν=ΔН⋅В=446 0,226=100,8 кВт.
3
В процессе от точки «2» до точки «3» происходит перегрев ПГ в теплообменнике 5 при давлении 2МПа до температуры 110°С. При этом увеличение энтальпии ΔΗ составит:
3
3
2
ΔΗ=Η-Η=1210-622=588к Дж/кг.
Тепловая мощность теплообменника 5:
5
3
СПГ.ТЭЦ
=
Ν=ΔΗ В588·0,226=132,9 кВт.
Далее от точки «3» до точки «4» проходит адиабатическое расширение в турбодетандере 14 до давления 0,1 МПа. При этом энтальпия ПГ снижается на:
4
3
4
ΔΗ=Η-Η=1210-770=440 кДж/кг.
Полученная мощность электрического генератора 24:
эг
4
СПГ
д
Э
Ν=ΔН⋅В/(η⋅η)=440 0,226/(0,8 0,95)=130,8 кВт.
Эта энергия передается электрическому генератору 24. Температура ПГ в результате расширения в турбодетандере 14 снижается до -73°С.
В процессе 4-5 идет подогрев ПГ при давлении 0,1 МПа в ТО - охладителе воды 15 и теплообменнике 7. При этом энтальпия увеличится на:
5
5
4
ΔН=Н-Н=960-770=190 кДж/кг.
Тепловая мощность ТО - охладителя воды 15 и теплообменника 7:
15
7
5
СПГ
Ν+Ν=ΔΗ⋅В=190⋅0,226=43,9 кВт.
Температура в точке «5» 23°С, что достаточно для работы горелочных устройств котлов.
1п1
вод2
льд
При тепловой мощности льдогенератора Ν=100,8кВт и температуре питьевой воды t=1°C в нем можно заморозить воду до температуры льда t=-10°С в следующем количестве:
льд
1п1
в
tвод2
льд
льд
G=N/[c(-0)+r+с (0-t)]=100,8/[4,19(1-0)+334+2,1(0+10)]=0,281 кг/с=1011 кг/ч,
в
где с=4,19 кДж/(кг⋅К) - теплоемкость воды;
льд
с=2,1 кДж/(кгК) - теплоемкость льда.
вод1
вод2
Количество тепла, которое будет передано СПГ в ТО - охладителе воды 15 составит при охлаждении ее от t=5°C до t=1°C:
15
льд
в
вод1
вод2
N=G c (t-t)=0,281 ·4,19(5-1)=4,71 кВт.
7
Тогда Ν=43,9-4,71=39,2 кВт.
Чтобы реализовать цикл турбодетандера для расхода СПГ В=0,226 кг с учетом потерь в окружающую среду, необходимо от уходящих продуктов сгорания котла отобрать следующую тепловую мощность:
пуг
5
7
N=(Ν+Ν)/ϕ=(132,9+39,2)/0,95=181,1кВт.
При сжигании 1 кг СПГ образуется:
CO2
2
со2
3
3
3
V=1,25 м/м СО (2,475 кг) при плотности ρ=1,98 кг/м;
Н2О
2
Н2О
3
3
=
3
V=2,675 м/м НО (2,14 кг) при плотности ρ0,803 кг/м;
N2
2
N2
=
3
3
3
V7,51 м/м Ν (5,82 кг) при плотности ρ=1,29 кг/м.
0
V=9,42 м /м - теоретически необходимый объем воздуха.
Объем продуктов сгорания на выходе из котла при α=1,2 составит:
г
CO2
H2O
N2
0
3
3
3
V=V+V+V+(α-1) V=1,25+2,675+7,51+(1,2-1) 9,42=13,32 нм/нм=18,58 нм/кг.
100
a
H2O
г
Парциальное давление водяных паров в продуктах сгорания p=P(V/V)=0,1(2,675/13,32)=0,02 МПа.
30
Парциальное давление водяных паров в продуктах сгорания на линии насыщения при температуре 30°С р=0,004 МПа. Количество сконденсированной воды в подогревателе природного газа (ППГ) при охлаждении продуктов сгорания до при температуры 30°С:
H2O
H20
Н2О
30
100
G=V ρ (1-р/р)=2,14(1-0,004/0,02)=1,712 кг/кг.
При этом выделится количество теплоты:
H2O
Qкон=B r G=0,226-2500-1,712=967,3 кВт. (4280 кДж/кг),
где r=2500 кДж/кг - теплота конденсации водяных паров.
ПГ
Это говорит о том, что теплоты конденсации водяных паров вполне хватает для обеспечения работы цикла (967,3>181,1). Но тепло конденсации водяных паров может пойти только на нагрев газообразного СПГ, выходящего из льдогенератора 13 от температуры t=-160°С до 0°С. При этом от продуктов сгорания будет передано СПГ следующее количество тепла:
ух
кон
ПГ
ΠΓ
Q=В с (0-t)]=0,226⋅2,2 (0+160)=79,6 кВт,
ПГ
где с=2,2 кДж/(кг⋅К) - теплоемкость природного газа.
ух
кон
Изменение энтальпии продуктов сгорания для обеспечения Q =79,6 кВт:
кон
кон
ух
ΔJ= Q/В=79,6/0,226=352,2 кДж/кг.
yx
Проверим, на сколько изменится энтальпия продуктов сгорания от температуры уходящих газов t=130°С при работе цикла.
ух
Энтальпия продуктов сгорания СПГ (см. табл. XVI, Тепловой расчет котлов (нормативный метод). - 2-е изд. - СПб.: Изд-во НГЮЦКТИ, 1998) без учета конденсации водяных паров при температуре t=130°С и коэффициенте избытка воздуха α=1,2 составит:
130
Г1
В1
0
0
3
J=J+(α-1) J=1753+(1,2-1)-1501=2053 кДж/м=2863 кДж/кг,
ППГ2
Энтальпия продуктов сгорания СПГ (см. табл. XVI, Тепловой расчет котлов (нормативный метод). - 2-е изд. - СПб.: Изд-во НГЮЦКТИ, 1998) без учета конденсации водяных паров при температуре за подогревателем 7 t=30°С и коэффициенте избытка воздуха α=1,2 составит:
30
Г2
В2
0
0
3
J=J+(α-1) J=438+(1,2-1)375=513 кДж/м=715,5 кДж/кг.
Энтальпия продуктов сгорания, используемая в цикле:
130
30
ΔJ=J-J=2863-715,5=2147,5 кДж/кг.
Необходимая разность энтальпий продуктов сгорания:
н
пуг
ΔJ=N/B=181,1/0,226=801,3 кДж/кг.
Это говорит о том, что работа цикла может быть обеспечена частью продуктов сгорания.
Определим, при какой части продуктов сгорания, которая проходит через теплообменники, будет обеспечена их требуемая мощность. Составим уравнение теплового баланса:
н
130
30
кон
ΔJ=x(J-J)+xQ
н
130
3
кон
x=ΔJ / (J-Jo+Q)=801,2/(2863-715,5+4280)=0,125.
Это значит, что если котельная состоит из трех работающих котлов, мощностью каждого по 10/3=3,33 МВт, то газификацию СПГ можно проводить только при помощи продуктов сгорания одного котла, отбирая часть продуктов сгорания, равную 0,125/0,333=0,337. При этом в трубу от этого котла пойдет смесь с подсушенной частью с температурой 30°С с долей 0,337 и часть с температурой 130°С с долей 0,663. Температура смеси будет:
см
t=30 0,337+130 0,663=97,4°C.
Это вполне удовлетворяет условия работы дымоходов и трубы (влажность уменьшилась в два раза).
Мощность дымососа 11 уменьшится в (130°С+273°С)/(97,4°С+273°С)=1,09 раз.
При этом будет получено из продуктов сгорания конденсата водяных паров 1,712⋅0,125⋅0,226=0,0483 кг/с=174 кг/ч=4,179 т/сут.
льд
Так же произведено водяного льда G=0,282 кг/с=1,011 т/ч=39,6 т/сут.
эг
При этом будет получена электрическая мощность Ν=130 кВт, которая покрывает работу криогенного насоса 4 СПГ, насоса 26 пресной воды, двигателей привода льдогенератора 13 общей мощностью 65,7 кВт. Остаток мощности можно использовать для работы различных агрегатов котельной.