Математическая модель рабочего колеса гидропривода погружного насоса для выдачи СПГ

23 Apr 2021, 12:20
15m
oral Sustainable cold chains Sustainable cold chains

Speaker

Mr Aleksandr Baranov (ITMO University)

Description

По соображениям пожарной безопасности выдача сжиженного газа их хранилищ осуществляется через верхнее сечение хранилища высотой до 50 м, поэтому для вытеснения СПГ используют погружные центробежные насосы с электроприводом, способные преодолеть гидростатическое давление столба криопродукта в линии выдачи (до 0,25 МПа). Из-за специфических условий эксплуатации насосы сжиженного природного газа (ПНСПГ) являются наиболее критичным узлом технологического блока накопления-выдачи СПГ. Из-за низкой надежности агрегатов в одном хранилище устанавливают до 5 ПНСПГ, из которых 2 насоса остаются в резерве.
Повышенные эксплуатационные риски связаны с использованием электродвигателя для привода ПНСПГ. Эти риски связаны с проблемами:
- смазки трущихся частей;
- подачи электрической мощности (до 350 кВт на один ПНСПГ) сквозь слой криогенной жидкости;
- низкой устойчивости лакокрасочного покрытия проводов к динамическим нагрузкам при криогенных температурах и т.д.
КПД центробежного насоса составляет не более 70%, т.е. до 30% мощности электропривода ПНСПГ в виде теплоты выделяется в емкость накопления СПГ. Из-за этого подвода теплоты за время выдачи СПГ Из-за подвода теплоты, выделенной в ПНСПГ за время отгрузки, затрачивается до 0,26% выданного из хранилища СПГ.
Несмотря на то, что большинство ПНСПГ снабжены электрическим, приводом. Более эффективным источником энергии для выдачи СПГ представляется объемный гидропривод.
Технологическая схема производства СПГ содержит скрытый источник потенциальной энергии, который можно использовать для привода ПНСПГ. Магистральный газ поступает в блок ожижения с давлением 6,5 МПа, с таким же давлением из блока выходит продукционный поток СПГ. Поток СПГ направляют в гидротурбину («жидкостной детандер»), которая преобразует потенциальную энергию электрическую и снижает давление потока СПГ до уровня близкого к атмосферному. До гидротурбины СПГ находиться в недогретом состоянии, а его свойства сходны со свойствами любой традиционной жидкости. Если направить часть этого потока на гидротурбину, соосно размещённую с рабочим колесом ПНСПГ, энергия жидкостного потока преобразуется в энергию вращения рабочего колеса турбины и будет затрачена на вращение рабочего колеса насоса.
Использование СПГ в качестве источника механической энергии значительно упрощает конструкцию ПНСПГ. Устраняются проблемы уплотнения подшипников, так как переток жидкости из турбины в рабочее колесо не влияет на производительность насоса.
Для оценки работоспособности агрегата ПНСПГ с приводом от гидротурбины необходимо составить математическую модель работы рабочего колеса гидротурбины в условия отгрузки СПГ из накопительной емкости.
Энергия, затрачиваемая на вытеснение единицы массы СПГ за пределы хранилища, зависит от наполненности резервуара. Уровень СПГ в хранилище является функцией времени. Уравнение для расчета энергии вытеснения СПГ выглядит следующим образом: E_выт=g∙(Y_max-y_спг ), y_спг=f(τ)
где Y_max – максимальная высота емкости, Y_max=27 м; y_спг – уровень СПГ с емкости в каждый момент времени.
Уровень СПГ в накопительной емкости изменяется в пределах от 10% до 90% максимального уровня заполнения. Для емкостей накопления СПГ проекта «Балтийский СПГ» максимальный уровень налива составляет 24 метра; минимальный – 3 метра.
Процесс отгрузки СПГ из накопительной емкости может осуществляться двумя способами:
- При постоянном расходе СПГ высокого давления на рабочем колесе гидротурбины и переменном расходе в линии выдачи;
- При постоянном расходе в линии выдачи и переменном расходе СПГ высокого давления на турбине.
В случае постоянного расхода СПГ высокого давления на турбине полная мощность турбины зависит исключительно от уровня СПГ в накопителе в данный момент времени. Приращение мощности турбины определяется приращением разности уровней СПГ «до» и «после» перемещения массы СПГ в линию выдачи.
Постоянный расход СПГ высокого давления на турбине приводит к возникновению переменного расхода в линии выдачи. Изменения уровня СПГ одинаково влияет на изменение как мощности турбины, так и мощности насоса. При этом, полная мощность насоса зависит от величины расхода на выдаче в заданный момент времени.
В случае использования режима эксплуатации насосного агрегата с переменным расходом потока высокого давления на турбине, линия выдачи СПГ работает в номинальном режиме при постоянном режиме. Мощность, развиваемая насосом в процессе работы, является функцией уровня СПГ в накопительной емкости.
В процессе отгрузки величина потенциальной энергии, которую необходимо передать массе СПГ для перемещения в линию выдачи увеличивается, следовательно, потребляемая насосом мощность с течением времени увеличивается. Регулирование величины расхода потока СПГ высокого давления через рабочее колесо турбины должно происходить таким образом, чтобы с учетом КПД составных элементов агрегата на валу насоса обеспечивалась необходимая мощность, а расход в линии выдачи оставался постоянным в течение всего процесса отгрузки.
С помощью полученных систем уравнений представляется возможным расчет основных характеристик двух режимов работы модернизированного насосного агрегата в процессе отгрузки СПГ из накопителя.
После верификации предполагается усложнить математическое описание процессов, протекающих в ПНСПГ и перейти к исследованию работы гидропривода с переменным расходом СПГ высокого давления.

Position of speaker graduate studen
Affiliation of speaker ITMO University
Publication Журнал "Вестник Международной академии холода" 

Primary author

Mishel Davydenko (PhD student, ITMO Univercity)

Presentation Materials