Методика анализа термодинамической эффективности установки для получения сжиженного природного газа

Анализ эффективности установки заключается в учете первого и второго начал термодинамики.

Существуют два метода анализа термодинамической эффективности:

- метод энергетических потоков (эксергетический метод);

- энтропийный метод.

Метод энергетических потоков заключается в вычислении потоков энергии, изменение которых позволяет анализировать эффективность различных узлов и элементов установки.

Этропийный метод позволяет без расчета всех потоков рассчитать потери, которые затем суммируются.

Рассмотрим энтропийный метод анализа установки сжижения природного газа.

Реальные процессы, происходящие в криогенных установках неравновесны и, в силу этого, необратимы. Причиной необратимости является конечная величина разности химических потенциалов массовых потоков (разность температур, давлений, концентраций). Результатом необратимости рабочих процессов является производство энтропии.

Из этого следует, что величина энтропии в системе будет равна сумме величин производства энтропии во всех подсистемах (компрессоре, дросселе, теплообменных аппаратах и т.д.).

(2.1)

где ∆𝑠𝑖 ′ - производство энтропии в i-той подсистеме реальной криогенной установки;

i – номер подсистемы.

Для компенсации производства энтропии в целях поддержания работоспособности установок требуются дополнительные затраты энергии, например, в виде работы, которые определяются произведением температуры T на величину общего производства энтропии системы Σ∆𝑠𝑖 ′ и определяется по формуле:

(2.2)

Для функционирования установки необходимо определить действительные затраты работы, которые найдем по формуле:

, (2.3)

Величина в уравнении (2.3) – это затраты работы в криогенной установке, работающей по циклу с полностью обратимыми процессами.

Для определения минимальной работы ожижения, минимальной работы предварительного охлаждения и изотермической работы сжатия будем использовать следующую формулу:

(2.4)

где и - изменение энтропии;

– - изменение энтальпии сжижаемого газа.

Степень термодинамического совершенства установки определяется отношением теоретически минимально необходимой затраты работы к действительной:

𝜂 = * 𝐿, (2.5)

Далее определяем методику основных характеристик рабочего цикла установки.

Для этого будем использовать дополнительную среднестатистическую информацию полученную на основании проектирования и эксплуатации установок и систем:

- температура окружающей среды T принимается равной средней температуре окружающего пространство: T=300К;

- разницу температур в теплообменных аппаратах, возникающую вследствие несовершенства процесса теплообмена, принимается в диапазоне ΔT=5÷10 К;

- теплоприток, для данного характерного температурного уровня (Т > 80 К) будет равен (q=1÷ 4 кДж/кг) сжатого природного газа;

-коэффициенты полезного действия компрессоров (для оценки совершенства процессов в компрессорах используются изотермический ηиз и адиабатный ηs коэффициенты полезного действия) будут ровны: ηиз=0,55..0,65, и ηs=0,7..0,8.

На рисунке 2.9 показана работа сжатия компрессора которая определяется энергетическим и энтропийным балансом.