В 2019 г. компания «Сахалин Энерджи» отметила два памятных события: 25 лет со дня своего основания и 10 лет с начала эксплуатации первого в России завода по производству сжиженного природного газа.
Производительность завода составляет немногим более 11 млн т / год, он состоит из двух производственных линий одинаковой мощности. За 10 лет работы удалось увеличить показатели технологических линий сжижения более чем на 17 % от максимальной проектной производительности. Среди заводов мира по производству сжиженного природного газа «Сахалин Энерджи» находится на втором месте по производительности одной технологической линии. На момент его запуска в 2009 г. в мире было 10 заводов, сейчас их уже насчитывается 30 и около 10 планируется к строительству. За время существования индустрии разработано и применено на практике немало технологических схем сжижения природного газа для крупнотоннажного производства, большинство из которых представляют один или несколько (каскад) холодильных циклов. Вопрос эффективности той или иной технологии имеет большое значение при проектировании новых заводов по производству сжиженного природного газа.
HTML
В 2019 г. компания «Сахалин Энерджи» отметила два памятных события: 25 лет со дня своего основания и 10 лет с начала эксплуатации первого в России завода по производству сжиженного природного газа.
Производительность завода составляет немногим более 11 млн т / год, он состоит из двух производственных линий одинаковой мощности. За 10 лет работы удалось увеличить показатели технологических линий сжижения более чем на 17 % от максимальной проектной производительности. Среди заводов мира по производству сжиженного природного газа «Сахалин Энерджи» находится на втором месте по производительности одной технологической линии. На момент его запуска в 2009 г. в мире было 10 заводов, сейчас их уже насчитывается 30 и около 10 планируется к строительству. За время существования индустрии разработано и применено на практике немало технологических схем сжижения природного газа для крупнотоннажного производства, большинство из которых представляют один или несколько (каскад) холодильных циклов. Вопрос эффективности той или иной технологии имеет большое значение при проектировании новых заводов по производству сжиженного природного газа.
В данном материале рассматриваются особенности работы холодильных циклов на смесевых хладагентах, применяемых для охлаждения и сжижения природного газа, с акцентом на детали, обусловленные применением именно смесевых хладагентов.
В российской практике прижился термин «смешанный хладагент» как прямой перевод англоязычного Mixed Refrigerant. Но более корректным будет определение «смесевой хладагент», дающее понять, что речь идет о смеси нескольких компонентов, выступающих в роли хладагента.
Холодильные циклы на смесевых хладагентах широко применяются для производства сжиженного природного газа (СПГ). Достаточно сказать, что порядка 70 % СПГ на мировом рынке производится с использованием технологии сжижения C3MR (разработчик – компания Air Products & Chemicals, Inc.), которая подразумевает предварительное охлаждение газа в пропановом холодильном цикле (С3), а окончательное охлаждение и сжижение – в холодильном цикле с использованием смесевого хладагента (Mixed Refrigerant, MR).
Технология Shell DMR, впервые примененная на заводе СПГ компании «Сахалин Энерджи», использует смесевые хладагенты в обоих холодильных циклах – как для предварительного охлаждения, так и для окончательного охлаждения и сжижения природного газа.
В производстве СПГ в качестве хладагентов применяются смеси легких углеводородов и азота. Например, в упомянутой технологии Shell DMR в контуре предварительного охлаждения используется хладагент, состоящий из метана, этана и пропана, а в контуре сжижения хладагент представляет собой смесь азота, метана, этана и пропана.
Применение смесевых хладагентов в крупнотоннажном производстве СПГ обусловлено рядом преимуществ по сравнению с однокомпонентными хладагентами. Эти преимущества условно можно разделить на две группы: термодинамические и эксплуатационные.
Рассмотрим обе группы более подробно.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ СМЕСЕВЫХ ХЛАДАГЕНТОВ
Холодильный цикл служит для передачи энергии (тепла) от более холодной среды (охлаждаемый природный газ) к более теплой (окружающая среда) – в направлении, противоположном естественному порядку вещей, когда тепло передается от более горячего тела к более холодному. Согласно второму закону термодинамики для осуществления работы холодильного цикла к рабочему телу должна быть приложена дополнительная энергия – работа компрессора хладагента. Показателем эффективности холодильного цикла служит его холодильный коэффициент CoP (coefficient of performance) – безразмерная величина, представляющая собой отношение холодопроизводительности цикла к мощности компрессора хладагента. Очевидно, что чем больше величина CoP, тем эффективнее цикл – при одной и той же располагаемой мощности компрессора хладагента больший CoP позволяет охладить боль-ше газа. Далее на примере простейшего идеального холодильного цикла будет показано, каким образом применение смесевого хладагента может обеспечить более высокий холодильный коэффициент по сравнению с однокомпонентным хладагентом.
Идеальный холодильный цикл представляет собой обратный цикл Карно и включает следующие стадии (рис. 1а):
– изоэнтропическое сжатие (1–2). На этой стадии энергия сжатия W сообщается хладагенту;
– конденсация при постоянной температуре (2–3). На этой стадии энергия отводится от хладагента в окружающую среду;
– изоэнтропическое расширение (3–4);
– кипение при постоянном давлении (4–1). На этой стадии хладагент получает энергию Q от охлаждаемого продукта.
На TS-диаграмме, показанной на рис. 1б, холодопроизводительность цикла Q (изменение энтальпии хладагента при постоянном давлении в процессе 4–1) будет равна площади заштрихованного прямоугольника ниже линии 4–1:
Q = T.∆S = TC.(S1 ‑ S4), (1)
где T – температура; S – энтропия. Аналогично минимально необходимая работа компрессора W будет равна площади прямоугольника, ограниченного контуром 1–2–3–4:
W = (TH - TC).(S1 ‑ S4). (2)
Холодильный коэффициент K идеального цикла, таким образом, будет равен:
. (3)
Соответственно, в идеальном холодильном цикле его эффективность зависит только от температур испарения и конденсации хладагента. Чем ниже температура на холодной стороне цикла, тем менее эффективен процесс с точки зрения необходимой мощности компрессора. То же самое справедливо для разницы температур между теплой и холодной сторонами цикла – чем больше разница температур, тем менее эффективным может быть цикл.
Здесь важно отметить, что в идеальном цикле нет разницы температур между хладагентом и охлаждаемым продуктом при испарении, как и разницы температур между хладагентом и окружающей средой при конденсации. То есть предполагается бесконечно большая площадь поверхности теплообмена как испарителя, так и конденсатора. В реальности, разумеется, поверхность теплообмена конечна и ограниченна и для него требуется некоторый перепад температур между горячим и холодным продуктами. Температура хладагента при конденсации будет всегда выше температуры окружающей среды, а температура хладагента при испарении всегда должна быть ниже, чем температура охлаждаемого продукта.
TS-диаграмма на рис. 2 показывает, что по сравнению с идеальным циклом для достижения той же холодопроизводительности Q при одинаковых температурах окружающей среды TH и охлаждаемого продукта TC требуется затратить большую работу компрессора хладагента на величину площади, ограниченной контурами 1’–1–4–4’ и 2–2’–3’–3. При этом ∆TH представляет собой температурный напор в конденсаторе, а ∆TC – температурный напор в испарителе. Очевидно, что чем больше величины TH и ∆TC, тем большая мощность компрессора потребуется холодильному циклу для достижения заданной холодопроизводительности. Соответственно, тем ниже будет холодильный коэффициент CoP.
Говоря иначе: чем меньше разница температур между хладагентом и охлаждаемым продуктом при передаче тепла, тем большая эффективность холодильного цикла может быть достигнута. На этом факте базируется основное преимущество смесевых хладагентов перед однокомпонентными.
Реализуется это преимущество за счет температуры кипения хладагентов. Однокомпонентный хладагент кипит при постоянной температуре, которая однозначно определяется давлением, при котором происходит кипение. Температура же охлаждаемого продукта (природного газа) уменьшается по ходу процесса. Таким образом, на теплой стороне теплообменника, в котором происходит охлаждение газа, разница температур между хладагентом и газом будет выше, чем на холодной стороне аппарата. Ключевое отличие смесевого хладагента заключается в том, что при постоянном давлении он выкипает в интервале температур. Путем подбора состава смесевого хладагента регулируется диапазон его температуры кипения, и таким образом можно добиться более-менее постоянного перепада температур между газом и хладагентом по всей длине теплообменника.
Это проиллюстрировано на двух диаграммах на рис. 3. Голубая линия на обеих диаграммах показывает участок кривой охлаждения природного газа (количество отводимого тепла при изменении температуры) в теплом пучке основного криогенного теплообменника в производстве СПГ – диапазон температур от 223 до 143 К (от –50 до –130 °С). Синяя линия на рис. 3а показывает количество энергии, поглощаемое смесевым хладагентом при его кипении в теплообменнике. Синяя линия на рис. 3б – температуры кипения однокомпонентных хладагентов в каскадном цикле сжижения в том же интервале температур на примере пропан-этилен-метанового цикла; отображены температуры кипения этилена при трех уровнях давления и кипения метана при высоком давлении. Площадь заштрихованной области между кривой охлаждения газа и кривой кипения хладагента демонстрирует потери эффективности холодильного цикла, возникающие вследствие разности температур между хладагентом и охлаждаемым продуктом. Очевидно, что даже для каскадного цикла, использующего несколько разных однокомпонентных хладагентов при разных уровнях давления, потери эффективности выше, чем для цикла на смесевом хладагенте.
Увеличение эффективности каскадного цикла на однокомпонентном хладагенте может быть достигнуто за счет применения большего количества уровней давления кипения хладагента, но на практике редко применяется больше трех уровней давления в каждом цикле по причине усложнения схемы компримирования и увеличения количества технологического оборудования.
Следует отметить, что компримирование и дросселирование в реальных процессах также не являются изоэнтропическими – их неидеальность вносит свой вклад в увеличение минимальной работы цикла. Тем не менее увеличение энтропии при компримировании и дросселировании будет одинаковым как для однокомпонентных, так и для смесевых хладагентов, потому эти процессы не будут рассматриваться в контексте сравнения хладагентов.
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ СМЕСЕВЫХ ХЛАДАГЕНТОВ
Кроме более высокой термодинамической эффективности холодильного цикла, описанной ранее, применение смесевых хладагентов по сравнению с однокомпонентными обеспечивает ряд преимуществ с точки зрения эксплуатации технологической установки. Преимущества эти обусловлены возможностью регулировать состав смесевого хладагента в ходе эксплуатации установки. Этот процесс осуществляется «на лету» путем добавления нужных компонентов в контур хладагента и репроцессинга смеси по мере необходимости. Посредством регулирования состава хладагента решаются две задачи.
Первая задача – кривая кипения хладагента подстраивается под кривую охлаждения газа. Таким образом обеспечивается максимальная эффективность цикла при изменяющейся температуре газа / смесевого хладагента на входе в цикл (которая, в свою очередь, зависит от температуры окружающей среды). Кроме того, возможна ситуация с изменением кривой охлаждения газа вследствие изменения состава сырьевого природного газа, но для заводов СПГ, перерабатывающих газ от одного источника, это менее актуально.
Задача оптимизации состава смесевого хладагента «на лету» включает две части:
– определение оптимального состава хладагента для текущих условий – целевых концентраций для каждого компонента хладагента. Для этого может использоваться как теоретический, так и эмпирический подход. На заводе СПГ компании «Сахалин Энерджи» используется эмпирический подход, основанный на анализе производительности холодильных циклов при разных условиях с различными составами смесевых компонентов. Этот подход применяется для обоих холодильных циклов – цикла предварительного охлаждения и цикла сжижения. При этом критерии оптимизации различны для двух контуров: для контура предварительного охлаждения ставится задача максимизации холодопроизводительности, тогда как для контура сжижения критерием оптимизации является CoP. Результатом решения оптимизационной задачи становится ряд уравнений формы Ci = f(T), где Ci – целевая концентрация i-го компонента хладагента. Для хладагента в контуре предварительного охлаждения в роли T выступает температура окружающей среды, а для хладагента в контуре сжижения за основу берется температура, достигаемая в контуре предварительного охлаждения;
– поддержание оптимального состава хладагентов при изменении внешних условий. Как было сказано ранее, эта задача решается путем добавления чистых компонентов смесевого хладагента в контур. У этого процесса имеется особенность: при добавлении в контур одного из компонентов его концентрация в смеси растет, тогда как концентрация остальных ее компонентов падает. Классические схемы регулирования на PID-контроллерах не позволяют эффективно решать исходные задачи в таких условиях, поэтому используется система APC (Advanced Process Control), позволяющая регулировать одновременно несколько технологических параметров и имеющая функции прогнозирования изменений.
Вторая задача – полное использование имеющейся мощности газовых турбин – приводов компрессоров хладагента во всем интервале температур окружающего воздуха. Тут необходимо вкратце пояснить схему привода компрессоров хладагента – она схематично показана на рис. 4.
Роторы газовой турбины, компрессора хладагента и вспомогательного электродвигателя соединены между собой. Основным приводом компрессора служит газовая турбина. Вспомогательный электродвигатель может работать и как двигатель (в случае, если потребляемая мощность компрессора превышает мощность газовой турбины), и как генератор (подает электроэнергию в заводскую сеть, если мощность газовой турбины превышает потребляемую мощность компрессора).
Мощность газовой турбины зависит от температуры окружающего воздуха – при ее увеличении мощность турбины уменьшается. Потребляемая мощность компрессора хладагента, наоборот, увеличивается при росте температуры вследствие повышения массового расхода хладагента (при неизменном его составе). Это проиллюстрировано на рис. 5а.
На рис. 5 на обоих графиках голубой линией показана располагаемая мощность турбины, синей – потребляемая мощность компрессора хладагента. На рис. 5а в точке 1 при температуре Т1 мощности компрессора и турбины равны, вспомогательный электродвигатель не производит и не потребляет электроэнергию. Правее точки 1 мощность компрессора выше располагаемой мощности турбины и вспомогательный электродвигатель компенсирует недостаточную мощность, потребляя электроэнергию из заводской сети. В точке 2 при температуре Т2 достигается максимальная мощность электродвигателя PM и при дальнейшем росте температуры необходимо снижать массовый расход хладагента для уменьшения потребляемой мощности компрессора, так как суммарной мощности газовой турбины и электродвигателя становится недостаточно. Уменьшение расхода хладагента приводит к значительному перегреву паров хладагента выше точки росы, что резко уменьшает эффективность холодильного цикла. Левее точки 1 мощность компрессора ниже располагаемой мощности турбины и вспомогательный электродвигатель работает в режиме генератора, поставляя избыток электроэнергии в заводскую сеть. В точке 3 при температуре Т3 достигается максимальная мощность электродвигателя PM и при дальнейшем снижении температуры газовая турбина загружена не на полную мощность (голубая штриховая линия на рис. 5а). То есть при температуре воздуха ниже Т3 используется не вся доступная мощность газовой турбины. Таким образом, при фиксированном составе хладагента в диапазоне температур окружающего воздуха от Т3 до Т2 достигается оптимальная работа холодильного цикла.
График на рис. 5б показывает изменение потребляемой мощности компрессора при изменении состава хладагента. Более лег-кий состав (с низкой температурой кипения) при той же температуре воздуха увеличивает потребляемую мощность компрессора, что позволяет использовать всю имеющуюся мощность газовой турбины при низкой температуре воздуха (в зимний период). В свою очередь, более тяжелый состав хладагента с высокой температурой кипения уменьшает потребляемую мощность компрессора и позволяет поддерживать оптимальную работу холодильного цикла при высокой температуре воздуха в летний период. Соответственно, при изменении состава хладагента расширяется диапазон температур эффективной работы цикла – от Т3’ до Т2”.
Проблема неполной утилизации располагаемой мощности газовой турбины менее актуальна в схемах, в которых на одном валу устанавливается несколько компрессоров, перекачивающих хладагенты разных контуров. Такие схемы позволяют более гибко перераспределять имеющуюся мощность между компрессорами ценой удвоения количества компрессоров и их технологической обвязки.
НЕДОСТАТКИ СМЕСЕВЫХ ХЛАДАГЕНТОВ
Применению смесевых хладагентов также присущ ряд недостатков.
Обусловлены они в основном типом теплообменного оборудования, задействованного в холодильных циклах со смесевыми хладагентами. В отличие от испарителей (кожухотрубных теплообменников с паровым пространством), применяемых для однокомпонентных хладагентов, использование смесевых хладагентов подразумевает применение спирально-навитых теплообменников.
Первый недостаток, связанный с этим, – более высокое гидравлическое сопротивление трубного пучка. Например, в пропановом цикле предварительного охлаждения с тремя уровнями давле-ния кипения пропана потери давления по трубному пучку будут порядка 60 кПа (три испарителя последовательно по 20 кПа гидравлических потерь в каждом). В то же время в цикле предварительного охлаждения, использующем смесевой хладагент (как на заводе СПГ компании «Сахалин Энерджи»), используются два спирально-навитых теплообменника (высокого и низкого давления) с суммарным гидравлическим сопротивлением порядка 400 кПа. Поскольку контур предварительного охлажде-ния используется для охлаждения как природного газа, так и смесевого хладагента второго контура, повышенные потери давления приводят:
– к уменьшению производительности сжижения (сжижение газа идет более эффективно при высоком давлении);
– нерациональному использованию мощности компрессора хладагента второго контура – часть мощности компрессора расходуется на преодоление гидравлического сопротивления теплообменников в контуре предварительного охлаждения.
Второй недостаток применения спирально-навитых теплообменников – усложненная схема контроля технологического процесса. Жидкий хладагент после дросселирования частично испаряется, и образовавшаяся двухфазная смесь подается в кожух теплообменника сверху, где жидкость равномерно распределяется по сечению аппарата и стекает вниз по трубному пучку. По мере движения вниз жидкий хладагент испаряется, обеспечивая теплосъем с трубного пучка, и выходит снизу теплообменника в газообразном виде, после чего направляется на всас компрессора хладагента. Задачей системы контроля процесса в данном случае становится обеспечение полного испарения жидкого хладагента в теплообменнике и перегрева паров выше точки росы во избежание попадания жидкости в компрессор. Реализуется эта задача так называемым контроллером точки росы. Контроллер рассчитывает точку росы газа на входе в компрессор (используя уравнение состояния), исходя из текущего состава хладагента (по показаниям поточного анализатора) и давления на всасе компрессора, и регулирует массовый расход хладагента в кожух теплообменника таким образом, чтобы температура хладагента на всасе компрессора была на 2–5 К выше рассчитанной точки росы.
Третий недостаток, также связанный с применением спирально-навитых теплообменников, заключается в низком диапазоне их производительности. Минимальное значение производительности, при котором обеспечивается стабильная работа теплообменника, составляет 50–60 % от номинальной производительности. Связано это с работой распределительного устройства в верхней части теплообменника, которое должно обеспечивать равномерное орошение жидким хладагентом трубного пучка по всему сечению аппарата. При работе на малых расходах хладагента равномерное распределение жидкости не обеспечивается – большая часть потока сосредоточена либо в центре, либо на периферии аппарата – в зависимости от конкретной конструкции распределительного устройства. Соответственно, часть потока охлаждаемого продукта, проходящая по избыточно орошаемым трубкам, переохлаждается, тогда как остальная часть охлаждается недостаточно. Такая ситуация грозит, во‑первых, неполным испарением хладагента и сопутствующим риском попадания жидкости в компрессор, а во‑вторых, недостаточным охлаждением газа / хладагента в трубном пучке. Описанная проблема наиболее остро проявляется во время пуска технологической линии сжижения газа, когда в процессе захолаживания оборудования спирально-навитые теплообменники должны продолжительное время работать с производительностью ниже минимальной величины. Поэтому во время запуска линии сжижения пристальное внимание уделяется распределению жидкого хладагента в теплообменниках и накоплению жидкости в сепараторах, установленных на всасе компрессоров хладагента, – рост ее уровня в сепараторах служит индикатором неполного испарения жидкости в теплообменниках.
В заключение следует отметить, что, несмотря на имеющиеся недостатки (большинство из которых успешно преодолеваются тем или иным способом), применение смесевых хладагентов имеет фундаментальное преимущество – более высокую термодинамическую эффективность холодильного цикла. Это обеспечивает как повышенную производительность линии сжижения при ограниченной мощности приводов компрессоров, так и большую энергетическую эффективность процесса сжижения – больший выход продукции на сырье за счет меньшего расхода газа на собственные нужды, в первую очередь топливо. Так, например, выход готового продукта завода СПГ компании «Сахалин Энерджи» составляет 93 % от объема сырьевого природного газа, что считается высоким показателем для заводов СПГ. Остальные 7 % используются на собственные нужды предприятия и включают топливо газовых турбин – приводов основных компрессоров хладагента, топливо для газотурбинных электрогенераторов и для прочих потребителей, таких как отопление и продувка факельных коллекторов.
Просто ответить на вопрос, какая технология сжижения наиболее эффективна, недостаточно, поскольку все бизнес-процессы в компании, как и технические инновации, должны работать на повышение эффективности и снижение издержек. Оценить эффективность работы компании позволяет процесс бенчмаркинга. «Сахалин Энерджи» участвует в исследовании с 2011 г. Первый отчет вышел в 2012 г., в исследовании участвовало 13 заводов СПГ со всего мира, в 2017 г. их количество выросло до 20. Результатом колоссальной работы стало присвоение в 2018 г. заводу по производству СПГ компании «Сахалин Энерджи» высшей награды концерна Shell – звания лучшего газоперерабатывающего завода в структуре концерна. Критериями оценки выступили показатели эффективности и анализ мероприятий и программ по улучшению эффективности работы завода.
Сахалин Энерджи Инвестмент Компани Лтд.
693020, РФ, г. Южно-Сахалинск,
ул. Дзержинского, д. 35
Тел.: +7 (4242) 66‑20‑00
Факс: +7 (4242) 66‑28‑01
E-mail: ask@sakhalinenergy.ru
www.sakhalinenergy.ru
+7 495 240-54-57
info@neftegas.info
