Вход
  1. Главная
  2. Журналы
  3. «Газовая промышленность»
  4. Газовая промышленность 9.2024
Газовая Промышленность 9.2024

Обзорная статья

EDN: AGMGYA

УДК 534.142::66.078
(UDK 534.142::66.078)

Авторизуйтесь

СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ (LIQUEFIED NATURAL GAS (LNG))

ПРОИЗВОДСТВО СПГ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

(THERMOACOUSTIC NATURAL GAS LIQUEFACTION)

В работе рассмотрены основные процессы сжижения природного газа и отмечены трудности, связанные с их практической реализацией. В целях преодоления имеющихся сложностей предложена технология, которая опирается на термоакустический принцип возникновения волн в газовой среде при нагревании до определенной температуры. Обзор литературных источников показал, что в настоящее время активно ведутся работы по применению термоакустического эффекта в холодильных устройствах. Авторы данных исследований достигают криогенных температур. Это подтверждает возможность применения термоакустического принципа для получения СПГ.
Помимо сжижения, рассматривается использование термоакустического эффекта в целях регенерации энергии при регазификации природного газа и хранения СПГ на пристанях и в портах. Практический интерес представляет вариант производства бытовых кондиционеров и промышленных холодильников с термоакустическим охлаждением, не требующих достижения очень низких температур.
По результатам проведенного анализа научных публикаций сделан вывод, что к преимуществам рассматриваемой технологии относятся простота и компактность конструкции, значительная экономия при приобретении (из-за низкой стоимости) и ремонте (за счет увеличения межремонтных периодов) оборудования. Представлен собственный прототип термоакустической установки. Приведены достигнутые на нем параметры. Показаны конструкции одной из основных частей установки – регенератора. Рассмотрены особенности внедрения технологии в производство СПГ, оценена ее экономическая эффективность. Достигнутые результаты дают основание полагать, что термоакустическое получение холода представляет собой перспективное направление. Отмечается, что для развития в этой области требуется проводить дальнейшие исследования.

The paper covers the main natural gas liquefaction processes and highlights the challenges associated with their practical implementation. In order to overcome the existing challenges, a process is proposed that relies on the thermoacoustic principle of wave generation in a gas medium when heated to a certain temperature. A literature review has shown that currently the application of the thermoacoustic effect in refrigeration devices is being actively pursued. The authors of these studies reach cryogenic temperatures. This demonstrates the possibility of applying the thermoacoustic principle for natural gas liquefaction.
Besides liquefaction, the thermoacoustic effect is being considered for energy recovery in natural gas regasification and LNG storage at jetties and ports. Of practical interest is the production of household air-conditioners and industrial refrigerators with thermoacoustic cooling, which do not require very low temperatures.
According to the review of scientific publications, it was concluded that the benefits of the considered process include simple and compact design, significant savings on the purchase (due to low cost) and repair (due to longer intervals between repairs) of equipment. The paper presents an in-house prototype of a thermoacoustic unit. It gives the parameters achieved by the unit. Authors describe the design of one of the main parts of the unit – the regenerator. The paper considers the specific implementation of the process in LNG production and estimates its cost effectiveness. The results achieved suggest that thermoacoustic refrigeration is a promising application. Further research is required to develop this area of application.

ТЕРМОАКУСТИКА, СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ (СПГ), ДЕТАНДЕРНЫЙ ЦИКЛ, ДРОССЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ, КРИОКУЛЕРНАЯ СИСТЕМА

THERMOACOUSTICS, LIQUEFIED NATURAL GAS (LNG), EXPANDER CYCLE, THROTTLE CYCLE, CRYOCOOLER SYSTEM

А.С. Сигов, д.ф.-м.н., акад. РАН, ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет» (Москва, Россия)

А.В. Замрий, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр» (Москва, Россия)

Ю.М. Аверина, к.т.н., доц., ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева» (Москва, Россия)

С.Н. Сергеев, д.б.н., ФГУП «НИИ прикладной акустики» (Дубна, Россия)

В.В. Зосимов, д.ф.-м.н., ФГУП «НИИ прикладной акустики»

Л.А. Алиева, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр»

А.А. Папушкина, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр»

Е.Д. Котикова, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр»

Е.С. Панкратова, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр»

Т.М. Зубарев, ООО «Межотраслевой экспертно-аналитический центр»

A.S. Sigov, DSc in Physics and Mathematics, RAS Academician, MIREA – Russian Technological University (Moscow, Russia)

A.V. Zamriy, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center (limited liability company) [OOO “Mezhotraslevoj ekspertno-analiticheskij centr”] (Moscow, Russia)

Yu.М. Averina, PhD in Engineering, Associate Professor, Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia (Moscow, Russia)

S.N. Sergeev, DSc in Biology, Research Institute of Applied Acoustics (Dubna, Russia)

V.V. Zosimov, DSc in Physics and Mathematics, Research Institute of Applied Acoustics

L.A. Alieva, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center

A.A. Papushkina, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center

E.D. Kotikova, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center

E.S. Pankratova, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center

T.M. Zubarev, OOO Interdisciplinary Expert and Analytical Center

Федорова В.А. Роль СПГ в экспортной стратегии России // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2019. № 10 (94). С. 98–104. EDN: UYSBCR.

Мещерин И.В., Настин А.Н. Анализ технологий получения СПГ // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2018. № 10 (82). С. 96–106. EDN: YOKXEL.

Гусейнов Ч.С., Федорова Е.Б., Кульпин Д.Л., Левдик В.Н. Новая технология сжижения природного газа // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2023. № 2 (134). С. 14–16. EDN: PQCQIE.

Климентьев А.Ю. Карта российской СПГ отрасли 2022 // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2022. № 4. С. 50–60. EDN: MBRONH.

Шкурат А.Н. Перспективы термоакустических охладителей в производстве сжиженного природного газа // Переработка углеводородного сырья: проблемы и инновации – 2022: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Астрахань: Астраханский гос. техн. ун-т, 2022. С. 264–266. EDN: ODBXHJ.

Мещерин И.В., Настин А.Н. Анализ технологий получения сжиженного природного газа в условиях арктического климата // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. 2016. № 3 (284). С. 144–157. EDN: WWKERJ.

Карагусов И.В., Юша В.Л., Карагусов В.И. Термоакустический ожижитель природного газа // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность. 2013. № 2. С. 255–288. EDN: RSSOJD.

Avent A.W., Bowen C.R. Principles of thermoacoustic energy harvesting // The European Physical Journal Special Topics. 2015. Vol. 224. P. 2967–2992. DOI: 10.1140/epjst/e2015-02601-x.

Kajurek J., Rusowicz A. Experimental investigation on the thermoacoustic effect in easily accessible porous materials // Energies (Basel, Switz.). 2020. Vol. 14, No. 1. Article ID 83. DOI: 10.3390/en14010083.

Верещагина Т.Н., Михеев А.С., Кудряева Ю.В. Термоакустический эффект и его применение // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2021. № 2. С. 127–138. DOI: 10.55176/2414-1038-2021-2-127-138. EDN: KGHNIG.

Xu J., Zhang L., Hu J., et al. An efficient looped multiple-stage thermoacoustically-driven cryocooler for liquefaction and recondensation of natural gas // Energy. 2016. Vol. 101. P. 427–433. DOI: 10.1016/j.energy.2016.01.085.

Luo K., Sun D.M., Zhang J., et al. A multi-stage traveling-wave thermoacoustically-driven refrigeration system operating at liquefied natural gas temperature // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 278, No. 1. Article ID 012139. DOI: 10.1088/1757-899X/278/1/012139.

Hou M., Wu Z., Hu J., et al. Experimental study on a thermoacoustic combined cooling and power technology for natural gas liquefaction // Energy Procedia. 2019. Vol. 158. P. 2284–2289. DOI: 10.1016/j.egypro.2019.01.251.

Xu J., Hu J., Luo E., et al. Numerical study on a heat-driven piston-coupled multi-stage thermoacoustic-Stirling cooler // Appl. Energy. 2022. Vol. 305. Article ID 117904. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117904.

Патент № 93948 Российская Федерация, МПК F25J 1/00 (2006.01). Термоакустическая установка для получения СПГ: № 2010101287/22: заявл. 18.01.2010: опубл. 10.05.2010 / Кирилин А.Н., Телегин В.А., Федосеев О.Б. // Yandex.ru: патенты. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU93948U1_20100510 (дата обращения: 11.09.2024). EDN: SRHBJO.

Wollan J.J., Swift G.W., Backhaus S.N., Gardner D.L. Development of a thermoacoustic natural gas liquefier: report No. LA-UR-02-1623. Los Alamos, NM, USA: Los Alamos National Lab., 2002. 9 p.

Arman B., Wollan J., Kotsubo V., et al. Operation of thermoacoustic Stirling heat engine driven large multiple pulse tube refrigerators // Cryocoolers 13: Proceedings of the Conference / ed. by R.G. Ross. Boston, MA, USA: Springer, 2005. P. 181–188. DOI: 10.1007/0-387-27533-9_26.

Патент № 90178 Российская Федерация, МПК F25J 1/00 (2006.01). СПГ-танкер: № 2009133857/22: заявл. 09.09.2009: опубл. 27.12.2009 / Кирилин А.Н., Телегин В.А., Федосеев О.Б. // Yandex.ru: патенты. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU90178U1_20091227 (дата обращения: 11.09.2024). EDN: IAYZML.

Карагусов В.И. Реконденсация паров СПГ на речном транспорте // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. № 1 (31). С. 11–13. EDN: PVPJSL.

Карагусов В.И., Юша В.Л., Карагусов И.В. Термоакустический ожижитель природного газа для заправки речных судов // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. № 2 (32). С. 66–68. EDN: QBQGZZ.

Wang K., Dubey S., Choo F.H., Duan F. Thermoacoustic Stirling power generation from LNG cold energy and low-temperature waste heat // Energy. 2017. Vol. 127. P. 280–290. DOI: 10.1016/j.energy.2017.03.124.

Hou M., Wu Z., Yu G., et al. A thermoacoustic Stirling electrical generator for cold exergy recovery of liquefied nature gas // Appl. Energy. 2018. Vol. 226. P. 389–396. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.05.120.

Xu J., Luo E., Hochgreb S. A thermoacoustic combined cooling, heating, and power (CCHP) system for waste heat and LNG cold energy recovery // Energy. 2021. Vol. 227. Article ID 120341. DOI: 10.1016/j.energy.2021.120341.

Sun D., Zhang J., Pan H., et al. Numerical study on a three-stage traveling-wave thermoacoustic generator with a simplified structure simultaneously utilizing cold and low-grade thermal energy // Cryogenics. 2021. Vol. 120. Article ID 103385. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2021.103385.

Fedorova VA. Role of LNG in Russia’s export strategy. Business Magazine “Neftegaz.RU” [Delovoy zhurnal Neftegaz.RU]. 2019; 94(10): 98–104. (In Russian)

Meshcherin IV, Nastin AN. Analysis of LNG production technologies. Business Magazine “Neftegaz.RU”. 2018; 82(10): 96–106. (In Russian)

Guseynov ChS, Fedorova EB, Kulpin DL, Levdik VN. New for natural gas liquefaction technology. Business Magazine “Neftegaz.RU”. 2023; 134(2): 14–16. (In Russian)

Klimentyev AYu. LNG Map Russia 2022. Business Magazine “Neftegaz.RU”. 2022; 124(4): 50–60. (In Russian)

Shkurat AN. Prospects of thermoacoustic coolers in natural gas liquefaction. In: Astrakhan State Technical University (ASTU) Processing of hydrocarbon raw materials: Problems and innovations – 2022: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, 10 November 2022, Astrakhan, Russia. Astrakhan, Russia: ASTU; 2022. p. 264–266. (In Russian)

Meshcherin IV, Nastin AN. Analysis of technologies for production of liquefied natural gas in the Arctic climate. Proceedings of Gubkin University [Trudy Rossiyskogo gosudarstvennogo universiteta nefti i gaza imeni I.M. Gubkina]. 2016; 284(3): 144–157. (In Russian)

Karagusov IV, Yusha VL, Karagusov VI. Thermoacoustic natural gas liquefier. Young Russia: Advanced Technologies for Industry [Rossiya molodaya: peredovye tekhnologii – v promyshlennost’]. 2013; (2): 255–288. (In Russian)

Avent AW, Bowen CR. Principles of thermoacoustic energy harvesting. The European Physical Journal Special Topics. 2015; 224: 2967–2992. https://doi.org/10.1140/epjst/e2015-02601-x.

Kajurek J, Rusowicz A. Experimental investigation on the thermoacoustic effect in easily accessible porous materials. Energies (Basel, Switz.). 2020; 14(1): article ID 83. https://doi.org/10.3390/en14010083.

Vereshchagina TN, Mikheev AS, Kudryaeva YV. Thermoacoustic effect and its application. Problems of Atomic Science and Technology. Series: Nuclear and Reactor Constants [Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: Yaderno-reaktornye konstanty]. 2021; (2): 127–138. https://doi.org/10.55176/2414-1038-2021-2-127-138. (In Russian)

Xu J, Zhang L, Hu J, Wu Z, Bi T, Dai W, et al. An efficient looped multiple-stage thermoacoustically-driven cryocooler for liquefaction and recondensation of natural gas. Energy. 2016; 101: 427–433. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.01.085.

Luo K, Sun DM, Zhang J, Shen Q, Zhang N. A multi-stage traveling-wave thermoacoustically-driven refrigeration system operating at liquefied natural gas temperature. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017; 278(1): article ID 012139. https://doi.org/10.1088/1757-899X/278/1/012139.

Hou M, Wu Z, Hu J, Zhang L, Luo E. Experimental study on a thermoacoustic combined cooling and power technology for natural gas liquefaction. Energy Procedia. 2019; 158: 2284–2289. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.251.

Xu J, Hu J, Luo E, Hu J, Zhang L, Hochgreb S. Numerical study on a heat-driven piston-coupled multi-stage thermoacoustic-Stirling cooler. Appl. Energy. 2022; 305: article ID 117904. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117904.

Kirilin AN, Telegin VA, Fedoseev OB. Thermoacoustic plant for LNG production. RU93948 (Patent) 2010.

Wollan JJ, Swift GW, Backhaus SN, Gardner DL. Development of a thermoacoustic natural gas liquefier. Los Alamos National Lab. Report No.: LA-UR-02-1623, 2002.

Arman B, Wollan J, Kotsubo V, Backhaus S, Swift G. Operation of thermoacoustic Stirling heat engine driven large multiple pulse tube refrigerators. In: Ross RG (ed.) Cryocoolers 13: Proceedings of the Conference, 29 March –1 April 2004, New Orleans, LA, USA. Boston, MA, USA: Springer; 2005. p. 181–188. https://doi.org/10.1007/0-387-27533-9_26.

Kirilin AN, Telegin VA, Fedoseev OB. LNG carrier. RU90178 (Patent) 2009.

Karagusov VI. Recondensation lng vapor in river transport. Alternative Fuel Transport [Transport na al’ternativnom toplive]. 2013; 31(1): 11–13. (In Russian)

Karagusov VI, Yusha VL, Karagusov IV. Thermoacoustic liquefier of natural gas for filling of river vessels. Alternative Fuel Transport. 2013; 32(2): 66–68. (In Russian)

Wang K, Dubey S, Choo FH, Duan F. Thermoacoustic Stirling power generation from LNG cold energy and low-temperature waste heat. Energy. 2017; 127: 280–290. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.124.

Hou M, Wu Z, Yu G, Hu J, Luo E. A thermoacoustic Stirling electrical generator for cold exergy recovery of liquefied nature gas. Appl. Energy. 2018; 226: 389–396. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.05.120.

Xu J, Luo E, Hochgreb S. A thermoacoustic combined cooling, heating, and power (CCHP) system for waste heat and LNG cold energy recovery. Energy. 2021; 227: article ID 120341. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120341.

Sun D, Zhang J, Pan H, Shen Q, Qi Y, Qiao X, et al. Numerical study on a three-stage traveling-wave thermoacoustic generator with a simplified structure simultaneously utilizing cold and low-grade thermal energy. Cryogenics. 2021; 120: article ID 103385. https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2021.103385.

Перевод выполнен Moscow Translation Agency

Назад к журналу
ТЕРРИТОРИЯНЕФТЕГАЗ

Внимание к деталям — от идеи
до воплощения! Только актуальная информация и свежие новости.

Журналы

Контент

О нас

Контакты