Каскадная упсг

В каскадной УПСГ (рис. 78) пары этилена, находящегося в танке Т при температуре -102° С, проходят через газовый теплообменник ГТО, в котором подогреваются горячими парами второй ступени компрессора до температу­ры -50° С. Подобный предварительный нагрев всасываемых паров снижает температурные напряжения, действую­щие на компрессор. Сжатые в первой ступени компрессора пары с давлением 6,5 бара

и температурой нагнетания 70° С направляются в промежуточный охладитель ПО, где, проходя через

Рис. 78. Принципиальная схема каскадной УСПГ

слой кипящего этилена при промежуточ­ном давлении 6,5 бара, охлаждаются до 30°С. Охлажденные пары подаются на вторую ступень компрессора и сжима­ются до давления конденсации 13 бар при температуре нагнетания 140° С, после чего пары направляются в газовый теплообменник ГТО, в котором опять охлаждаются до температуры 90° С. Дальнейшее снижение температуры паров осуществляется забортной водой в водяном теплообменнике ВТО.

В испарителе-конденсаторе ИКД, охлаждаемом кипящим хладагентом R22 при температуре -49° С, происходят окончательное снижение температуры паров этилена до температуры конденсации —43° С и непосредственно сама конденсация паров.

Поток жидкого этилена перед промежуточным охладителем делится на две части: меньшая часть, дросселируясь в PB1 до промежуточного давления 6,5 бара, поддерживает уровень жидкого этилена в ПО при температуре -64° С. Основной поток жидкого конденсата этилена, проходя внутри змеевика ПО, переохлаждается до температуры -55° С и дросселируется в регулирующем вентиле РВ2 до давления 1,12 бара. Образовавшаяся парожидкостная смесь возвра­щается в грузовой танк при температуре —102° С.

Ветвь R22 каскадной установки обеспечивает передачу теплоты, взятой в конденсаторе-испарителе И-КД, непо­средственно забортной воде. Образовавшиеся на выходе И-КД холодные пары хладагента с температурой —30° С и давлением 0,7 бара сжимаются на первой ступени компрессора до промежуточного

давления 4 бара. С температурой 70° С горячие пары барботируются сквозь слой кипящего хладона и охлаждаются до температуры 3° С. Охлажденные пары хладона сжимаются на второй ступени компрессора до давления конденсации 10 бар с температурой нагнетания 75° С и направляются в конденсатор КД,

прокачиваемый забортной водой. Образовавшийся конденсат с температу­рой 22°С получает сильное переохлаждение (до 10° С) в промежуточном охладителе ПО, после чего, дросселируясь через регулирующий вентиль РВ4 до давления 0,7 бара, поступает в испаритель-конденсатор. При таком давлении R22 кипит при температуре —49° С, отводя теплоту от паров этилена. Через регулирующий вентиль РВ3 происходит под­питка хладоном промежуточного охладителя ПО до заданного уровня.

Пример 7. По данным, приведенным в предыдущем разделе, построим цикл каскадной УПСГ. На диаграмме Молье для этилена (рис. 79) нанесем барометрические границы для нижней ветви каскада (ветвь этилена):

p0 = 1,12 бара => t0 = -102° С;

pk = 13,0 барa => tk = -50° С

pп = 6,50 бара => tп = -64° С

Для этого возьмем данные из термодинамических таблиц для этилена (см. Прилож. I):

Точка 2, характеризующая состояние паров на всасывании первой ступени компрессора, находится напересече­нии изобары p0 и изотермы, соответствующей температуре всасывания tвс1 = —50° С. Точки 3 и 4 пересечения промежуточного давления pп = 6,5 бара и изотерм tн1 = 70° С характери­зуют нагнетание первой ступени компрессора, а изотермы tвс2= 30° С — второй ступени компрессора. Пересечение изобары кон­денсации pk = 13 бар с изотермой tн2 ⁼ 140° С (температура нагнета­ния второй ступени) дает точку 5 состоянияпаров на выходе из второй ступени компрессора. Точка 6 характеризует состояние па­ров на выходе из газового теплообменника ГТО (пересечение pk = 13 бар и tгто = 90° С). Точка 7 характеризует состояние паров после прохождения водяного теплообменника ВТО (пересечение pk =13 бар и tвто= 40° С). И, наконец, точка 10 характеризует состояние паров этилена на выходе из промежуточного охладителя (при давлении pk = 13 бар и температуре tkпо= -55° С).

Вертикаль 9—11 отображает процесс дросселирования на регу­лировочном вентиле РВ1 а вертикаль 10—12— дросселирование кон­денсата в РВ2 перед сбросом в танк, когда температура парожидко-стной смеси достигает -102° С.

Точно так же на диаграмме Молье строится цикл для верхней ветви установки R22. Температурный напор в 6° С, создаваемый в И-КД, позволяет передавать теплоту от этиленовой ветви установки к хладоновой ветви. Перепады давления на всех ступенях компрессоров находятся в допустимых пределах. Таким образом, рассмотренная нами каскадная УПСГ может обеспечить транспортировку этилена при любых температурных режимах.

Рис. 79. Цикл каскадной УПСГ

РАСЧЕТ ОБЩЕГО ВРЕМЕНИ ПОГРУЗКИ СУДНА В ПОРТУ

На небольших терминалах обычно нет возможности получать пары груза с судна во время погрузки. Если темпера­тура груза в береговой емкости выше температуры, соответствующей максимальному установочному давлению предо­хранительных клапанов на грузовых танках, то груз необходимо охлаждать до необходимой температуры в процессе погрузки, используя судовую УПГС. При определении скорости погрузки кроме типа груза необходимо учитывать следующие параметры:

• температуру груза на судовых манифолдах;

• температуру танка перед погрузкой;

• давление в танке во время погрузки;

• производительность компрессорной установки;

• температуру окружающей среды (воздуха, воды).

Тепловой баланс грузового танка во время погрузки распределится следующим образом:

• на охлаждение материала танка;

• на охлаждение изоляции танка;

• на охлаждение груза и атмосферы танка;

• приток тепла от окружающей атмосферы и забортной воды.

Тепловой баланс не должен превышать суммарную холодопронзводительность установки повторного сжижения газа.

Время, которое потребуется на погрузку Тп, можно рассчитать как

Тп = Qт + Qi + QL + QA,

Q’net + Q’TR

где QT — количество теплоты, которое необходимо удалить из материала танка; Qi — количество теплоты, которое необходимо удалить из изоляции танка; QL — количество теплоты, которое необходимо удалить из груза; QA — количество теплоты, которое необходимо удалить из атмосферы танка; Q’TR — количество теплоты, проникающей в танк извне в единицу времени; Q’net — суммарная холодопроизводительность компрессорной установки; штрих означает величину в единицу времени (скорость).

Далее запишем

QT = mT • cT • (t1 – t2)

Qi = mi • ci • (t1 – t2)

QA = VT • ρA • ∆hA

где mT — масса танка; mL — количество груза к погрузке; cT — удельная теплоемкость материала танка; mi — вес изоляции танка; ci — удельная теплоемкость изоляции танка; VT — объем танка; ∆hA — разность энтальпии груза, поступающего на судовой манифолд, и груза в танке после погрузки; ρA — плотность паров груза в начале погрузки; ∆hL — разность энтальпии между атмосферой танка перед началом погрузки и жидким грузом в конце погрузки; t1 — температура поверхности танка перед погрузкой; t2 — температура поверхности танка после окончания погрузки.

Количество теплоты, которое нужно удалить из материала танка QT, находим умножением массы танка на удель­ную теплоемкость материала, из которого он изготовлен, и на разность температур поверхности танка до и после погрузки.

Количество теплоты, которое необходимо удалить из изоляции танка Qi определяют как произведение массы изоляции танка на ее удельную теплоемкость и на разность температур изоляции до и после погрузки. Окончательный результат нужно умножить на 0,5, поскольку часть изоляции в конце погрузки будет иметь температуру груза (внутрен­няя часть), а часть — температуру окружающей среды (внешняя часть изоляции).

Количество теплоты, которое необходимо удалить из груза, поступающего в танк, QL определим как произведе­ние массы фуза в танке на разность энтальпии до и после погрузки:

QL = mL • ∆hA

Количество теплоты, которое нужно удалить из ат­мосферы танка в процессе погрузки, можно определить, если нанести все известные параметры на упрощенную диаграмму Молье. Полагаем, что атмосфера танка перед началом погрузки содержит пары пропана при температу­ре 15° С и давлении 0,1 бара.

После погрузки и охлаждения груза до -23° С давление паров в танке будет соответствовать 1,19 бара.

Рис. 80. К определению Q.

Определим разность энтальпии между точкой А, соот­ветствующей температуре танка перед погрузкой, и точ­кой Т, соответствующей температуре танка после оконча­ния погрузки:

∆h = (940 - 469,2) = 470,8 кДж/кг.

Плотность паров пропана можно определить по таблице «Зависимость плотности перегретого пара пропана от давления и температуры». Она составит 1,95 кг/м³. Объем танка известен (1000 м³), так что можно определить количество теплоты, которую необходимо удалить из атмосферы танка в процессе Погрузки. Количество теплоты, поступающей в танк, Q’TR можно определить по специальным кривым (данная информация включается в построеч­ные чертежи судна заводом-изготовителем), а затем результат умножить на 0,5, что даст среднее количество теплоты, поступающее в танк, в зависимости от температуры окружающей среды.

Величины на графике (см. Приложение 1) выражены в кВт (напомним, что 1Вт ⁼ 1 Дж/с). Как рассчитать суммарную охлаждающую способность судовой компрессорной установки, мы рассматривали ранее:

Q’net = Vs • ρs • ∆h ,

где Vs — объем всасывания компрессора; ρs — плотность паров груза; ∆h — разность энтальпии.

Пример 8. Атмосфера в танке перед началом погрузки состоит на 100% из паров пропана. Груз — пропан. Береговой газоотвод отсутствует.

Объем грузовых танков (6 танков)................................ 5200 м³

Количество груза к погрузке .........................................2707 Мт

Температура забортной воды .......................................... 11° С

Давление в танке перед погрузкой ............................. 0,1 бара

Температура танков перед погрузкой............................... 18° С

Температура груза на манифолде ................................... 10° С

Температура танка во время погрузки ............................. -4° С

Вес материала грузовых танков..................................... 740 Мт

Удельная теплоемкость стали............................. 0,419 кДж/кгК

Суммарный вес изоляции танков .................................. 14,4 Мт

Удельная теплоемкость изоляции ..........................0,84 кДж/кгК

Компрессорная установка: ...................................... 3 одинаковых одноступенчатых компрессора

Давление всасывания на компрессорах .................... 3,15 бара

Давление нагнетания компрессоров............................. 7,6 бара

Температура всасывания .....................................................2° С

Температура нагнетания ....................................................58° С

Скорость всасывания каждого компрессора ............... 410 м³/ч

Атмосферное давление........................................... 1000 млбар

1. Рассчитать количество теплоты, которое необходимо удалить из материала танка.

2. Рассчитать количество теплоты, которое необходимо удалить из изоляции танков.

3. Рассчитать количество теплоты, которое необходимо удалить из атмосферы танка.

4. Найти с помощью кривых «Приложения 1» количество теплоты, поступающее в танк из внешней среды.

5. Рассчитать суммарную холодопроизводительность компрессорной установки.

6. Рассчитать полное время, необходимое на погрузку, если во время погрузки используются все три компрес­сора.

Решение:

1. QT = mT • cT • (t1 – t2) = 740 • 10³ • 0,419 • (291 - 269) = 6,82 • 10⁶ кДж.

2. Qi = mi • ci •(t1 – t2) • 0,5 = 14,4 . 10³ • 0,840 • (291 - 269) • 0,5 = 0,13 • 10⁶ кДж.

3. QL = m • ∆h = 2,707 . 10⁶ • (549,3 - 514,0) = 95,56 • 10⁶ кДж.

4. QA ⁼ VT • ρA • ∆hA = 5,200 • 1,95 • (945 - 514) = 4,37 • 10⁶ кДж.

5. QTR = 19 kW. 0,5 = 9,5 = 9,5 • 3600 = 0,034 • 10⁶ кДж/ч.

6. Q’net = VS • ρS • ∆h = 410 • 8,8 • (894,2 - 578,3) = 1,14 • 10⁶кДж/ч,

Общее время, необходимое на погрузку

tп = QT + Qi + QL + QA = (6,82 + 0,13 + 95.56 + 4,37) • 10⁶ кДж = 31,6 ч

Q’net - QTR (3 • 1,14 - 0,034) • 10⁶кДж/ч