Котельная на сжиженном природном газе (СПГ) с производством водяного льда Российский патент 2025 года по МПК F01K3/00 F25C1/00 

Изобретение относится к котельным установкам, работающим на сжиженном природном газе (СПГ), газифицированном при котельной, а именно к установкам, в которых реализуется цикл Ренкина при газификации СПГ.

Обычно СПГ транспортируют в криогенных емкостях в сжиженном состоянии, впоследствии его газифицируют для распределения в виде трубопроводного природного газа или для использования путем сжигания непосредственно на месте. При транспортировке температура СПГ составляет примерно минус 160°С и давление поддерживается от 0,1 до 0,2 МПа (от 1 до 2 бар). Для использования СПГ в качестве топлива в котельной его необходимо испарять - превращать в газ и в зависимости от назначения котельной подогреть до температуры от 10 до 30°С.

Известны ряд устройств [Пат. РФ №119846 ПМ, опубл.27.08.2012; А.С. СССР №1520298, опубл.07.11.1989; А.С. СССР №1176137, опубл. 30.08.1985; Пат. РФ №132521 ПМ, опубл. 20.09.2013], в которых СПГ переводят из жидкого состояния в газообразное при помощи его нагревания воздухом или водой из окружающей среды (часто морской). Такие установки полностью теряют весь потенциал холода СПГ и при этом не используют сбросную теплоту уходящих дымовых газов котлов.

Известна газификационная установка [А.С. СССР №1456688, опубл. 07.02.1989], содержащая соединенные между собой емкость для хранения низкокипящей жидкости, устройство для повышения давления жидкости, испаритель-теплообменник, разделенный на секции, и установленное между секциями устройство для преобразования кинетической энергии продукта в виде турбогенератора детандерного типа в электрическую, переданную в электроподогреватель для нагрева газа.

Однако данная система не рационально использует вырабатываемую в турбогенераторе электрическую энергию, так как при этом не используют имеющуюся в наличии теплоту дымовых газов котлов.

Известна комбинированная система использования СПГ в котельных установках [Пат. РФ №2176024, опубл.20.11.2001], включающая емкость с СПГ, линию подачи топлива с погружным криогенным насосом, холодильной камерой, нагревателем, расширительной турбиной с электрогенератором на одном валу и котлом с магистралью дымовых газов. Однако и данная установка не предусматривает полное использование теплоты конденсации водяных паров дымовых газов за котлом.

Известна установка регазификации сжиженного природного газа (СПГ) котельной [Пат. РФ №2772676, опубл.24.05.2022], включающая в себя криогенную емкость для хранения СПГ, криогенный насос для перекачки СПГ через теплообменники, получающие тепло от уходящих дымовых газах котлов котельной, турбодетандера с электрическим генератором, газоходы с дымососом, отличающаяся тем, что испаритель - подогреватель СПГ, из которого подогретый газ направляется в турбодетандер, располагается в отдельном газоходе, связанном через регулировочный шибер с общим газоходом дымовых газов котла, а подогреватель газа, идущего из турбодетандера, располагается в отдельном газоходе, связанном через регулировочный шибер с общим газоходом дымовых газов котла, на выходе эти два газохода соединяются поворотным газоходом с установленным на дне которого сепарационным устройством для удаления конденсата водяных паров, поворотный газоход на выходе связан через регулировочный шибер с общим газоходом дымовых газов котла.

Недостатком данной установки является то, что при работе установки используется не весь потенциал холода СПГ.

Известна система газификации сжиженного природного газа (СПГ) котельной [Пат. РФ №2783081, опубл.24.05.2022] (взятая за прототип), включающая в себя криогенную емкость для хранения СПГ, криогенный насос для перекачки СПГ через теплообменники, расположенные в магистрали дымовых газов и получающие тепло от уходящих дымовых газов котлов котельной, турбодетандер с электрическим генератором на одном валу. Магистраль дымовых газов выполнена в виде центрального общего газохода и двух дополнительных газоходов с установленными в них теплообменниками (ТО) и снабженных регулировочными шиберами для регулировки расхода дымовых газов, причем оба газохода отходят от центрального общего газохода и сообщены снизу между собой поворотным газоходом с оборудованным на его дне сепарационным устройством для отделения от охлажденных дымовых газов сконденсированной воды. Идущий из турбодетандера трубопровод подсоединен к теплообменнику-охладителю питьевой воды, который служит для предварительного охлаждения питьевой воды, прокачиваемой через него и через установку водоподготовки насосом из природного источника пресной воды. Охлажденная вода из теплообменника-охладителя поступает в льдогенератор, где замораживается, и образующийся водяной лед поступает на склад для реализации потребителям. Энергия, вырабатываемая в электрогенераторе, направляется на привод льдогенератора и электродвигателей котельной.

Недостатком данной установки является то, что при работе установки льдогенератор, работающий на испаряющемся СПГ, может использовать только технологию получения чешуйчатого или кускового льда, которая требует больших затрат электрической и тепловой энергии. Льдогенераторы такого типа, работающие на СПГ, пока не освоены промышленностью.

В предлагаемом в качестве изобретения техническом решении для получения водяного льда (частиц льда и снега) предложен льдогенератор, работающий на охлажденном испаряющемся СПГ воздухе, который в замкнутом контуре замораживает распыленную воду по типу «снежной пушки», технология которой давно промышленно освоена. Такой льдогенератор на порядок конструктивно проще, меньше по массе и по энергопотреблению.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении эффективности получения водяного льда за счет снижения энергетических затрат.

Для достижения технического результата в котельной на сжиженном природном газе (СПГ) с производством водяного льда, включающей криогенную емкость для хранения СПГ, криогенный насос для перекачки СПГ через теплообменники, получающие тепло от заморозки воды в льдогенераторе и от уходящих дымовых газов котлов котельной, турбодетандер с электрическим генератором, газоходы с регулировочными шиберами, емкость с водой и насосом и системой водоподготовки, сепарационное устройство с емкостью сбора конденсата, хранилища льда, льдогенератор включает осевой вентилятор подачи воздуха, теплообменник-охладитель воздуха за счет нагрева и испарения подаваемого в него СПГ, распылительное устройство, установленное на входе в расширительную камеру льдогенератора, при этом льдогенератор вмонтирован в перегородку, которая делит хранилище льда на две равные части, каждая из которых соединена с льдогенератором с помощью воздуховодов с запорными шиберами с возможностью обеспечения попеременного заполнения льдом одной части и освобождения от полученного льда другой части хранилища льда.

Котельная на сжиженном природном газе (СПГ) с производством водяного льда включает: криогенные емкости для хранения СПГ, криогенный насос для перекачки СПГ через теплообменники, расположенные в магистрали дымовых газов и получающие тепло от уходящих дымовых газов котлов котельной и через льдогенератор с насосной подачей в него воды, хранилище льда, турбодетандер с электрическим генератором. В предлагаемой установке магистраль дымовых газов из котла выполнена из двух газоходов: основного, в котором последовательно от котла расположены подогреватель СПГ для подогрева его газового состояния перед подачей в турбодетандер и подогреватель СПГ для подогрева его газового состояния, выходящего из охладителя воздуха, где СПГ испаряется и частично подогревается при заморозке воды и охлаждения льда потоком воздуха; байпасного газохода, подсоединенного к основному через регулирующий шибер, обеспечивающий требуемый поток уходящих газов для теплообменников СПГ. Второй по ходу уходящих газов теплообменник оснащен каплеуловителем конденсата водяных паров и системой его дренажа в конденсатную емкость. Производство водяного льда проходит в льдогенераторе, работающем на охлажденном холодом испаряющегося СПГ в ТО-охладителе воздуха. Воздуховоды образуют замкнутый контур, в который входят осевой вентилятор, хранилище льда, разделенное на две равные части перегородкой, которые при помощи шиберов попеременно включаются в общий замкнутый контур. В верхней части замкнутого контура, находящегося над и между частями хранилища последовательно после вентилятора и ТО-охладителе воздуха, расположен узел распыления воды, которая насосом из емкости под давление продавливается через распыливающие сопла в поток охлажденного воздуха, где в виде мелких капель замерзает во взвешенном состоянии и потоком охлажденного воздуха направляется в одну из частей хранилища. Забор воздуха из хранилища производится с противоположной стороны от входа потока воздуха с замерзшей водой, что обеспечивает полное оседание в хранилище замерзшей воды (частиц льда и снега). Части хранилища льда работают попеременно в двух режимах: заполнение и расход массы замерзшей воды (частиц льда и снега). Энергия, вырабатываемая в турбогенераторе, направляется на привод электродвигателей вентилятора льдогенератора и другого оборудования котельной.

Введение в состав котельной установки газификации сжиженного природного газа (СПГ) льдогенератора, работающего на охлажденном воздухе холодом от испаряющегося СПГ в теплообменнике-охладителе, позволяет получать лед при меньших энергетических и материальных затратах. При этом увеличивается тепловой потенциал газа, идущего в турбодетандер, что увеличивает производимую им мощность. Дополнительно полученная в турбогенераторе электрическая энергия направляется на работу электродвигателя осевого вентилятора льдогенератора, насоса подачи воды в льдогенератор и другого оборудования котельной.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 изображена схема котельной на сжиженном природном газе (СПГ) с производством водяного льда, на фиг. 2 - цикл нагрева СПГ, расширения ПГ в детандере и нагрева за детандером на диаграмме метана: 0 - параметры СПГ в хранилище; 1 - параметры после перекачки криогенным насосом в подогреватель; 2 - параметры после испарения СПГ; 3 -параметры ПГ после нагрева перед турбодетандером; 4 - параметры после адиабатического расширения в турбодетандере; 5 - параметры ПГ после окончательного подогрева.

Котельная на сжиженном природном газе (СПГ) с производством водяного льда содержит емкость СПГ 1, трубопровод 2 заправки СПГ, трубопровод 3 выдачи СПГ, криогенный насос 4, теплообменник-подогреватель 5 СПГ в газоходе 6, теплообменник-подогреватель 7 газа в газоходе 6, общий газоход 8, идущий из котла 9, соединенный с байпасным газоходом 10 при помощи регулировочного шибера 11, газоход 6 соединен с выходом байпасного газохода 10 после теплообменников 5 и 7; криогенный насос 4 связан с теплообменником (ТО)-охладителем воздуха 12, входящего в состав льдогенератора 13, выход ТО-охладителя 12 воздуха последовательно связан с теплообменниками 5 и 7 и последний (7) связан с входом в турбодетандер 14, из которого газ направляется через ресивер 15 и ГРП (газораспределительный пункт) 16, минуя атмосферный теплообменник 17, к котлу 9. Льдогенератор 13 включает ТО-охладитель 12 воздуха, распылительное устройство 21, установленное на входе в расширительную камеру льдогенератора 13, и осевой вентилятор 22. Смесь охлажденных и подсушенных продуктов сгорания из газохода 6 и горячих продуктов сгорания из общего газохода 8 через байпасный газоход 10 дымососом (на чертеже не показан) направляется в дымовую трубу (на чертеже не показан). Турбодетандер 14 приводит в движение электрический генератор 18. Пресная вода из емкости 19 насосом 20 подается через установку подготовки воды (на чертеже не показана) в распылительное устройство 21 льдогенератора 13. Осевой вентилятор 22 льдогенератора 13 забирает воздух из одной из частей 23 или 24 хранилища 25 льда и подает его в ТО-охладитель 12 воздуха. Хранилище 25 поделено по центру перегородкой (на фиг. 2 не обозначена) на две равные части помещения, в перегородку установлен (вмонтирован) льдогенератор 13. Льдогенератор 13 по мощности выбирают в зависимости от общего расхода СПГ в котельной. Поток охлажденного воздуха подхватывает капли воды, вылетающие из сопел распылительного устройства 21, и в расширительной камере 26 льдогенератора 13 охлаждаются и превращаются в ледяные частицы, которые вместе с потоком воздуха через запорный шибер 26 или 27 направляются в одну из частей 23 или 24 хранилища 25 льда. Воздух из одной из частей 23 или 24 хранилища 25 поступает к осевому вентилятору 22 льдогенератора 13 через запорный шибер 28 или 29. Замороженную воду (частиц льда и снега) выдают потребителю из той части 23 или 24 хранилища 25, в которые перекрыт поток воздуха запорными 26 или 27 и 28 или 29. Сепарационное устройство 30, установленное в газоход 6 между теплообменниками 5 и 7, связано с конденсатным баком 31 собирает выделившийся из уходящих газов конденсат водяных паров.

Котельная с установкой газификации сжиженного природного газа (СПГ) работает следующим образом (см. фиг. 2).

В котельной котел 9 работает на газовом топливе, получаемом из емкости 1 СПГ и подаваемом криогенным насосом 4 в систему газификации СПГ. Газификация СПГ (испарение и подогрев) проводится за счет тепла фазового перехода воды в лед и физического тепла и тепла конденсации водяных паров уходящих продуктов сгорания котла 9. Также тепло уходящих продуктов сгорания используется для подогрева испарившегося СПГ в теплообменниках 5 и 7 для организации работы турбодетандера 14 с электрическим генератором 18 в открытом цикле Ренкина с производством дополнительной электрической энергии.

СПГ из емкости 1 по трубопроводу 3 криогенным насосом 4 подается в теплообменник-охладитель (ТО-охладитель) 12 воздуха льдогенератора 13, где СПГ нагревается и испаряется при этом воздух, прокачиваемый осевым вентилятором 22 из одной из частей 23 или 24 хранилища 25 охлаждается. Поток охлажденного воздуха из ТО-охладителя 12 подхватывает капли воды, прокачиваемой насосом 20 через распылительное устройство 21 и несет капли воды в расширительную камеру (на фиг. 2 не обозначена) льдогенератора 13, где они, охлаждаясь холодным воздухом, превращаются в частицы льда. Поток воздуха с полностью замороженными частицами льда через открытое отверстие в шибере 26 попадает в часть 23 хранилища 25, где скорость потока резко снижается и частички льда под действием силы тяжести по мере движения потока в верхней части хранилища 25 льда опускаются на его дно. Поток воздуха, подсасываемый осевым вентилятором 22 из части 23 хранилища 25 через открытое отверстие в шибере 28, очищенный от частичек льда, направляется в ТО-охладитель воздуха 12. Процесс при таком открытом положении шиберов 26 и 28 и закрытом положении шиберов 27 и 29 продолжается до момента заполнения части 23 хранилища 25. После заполнения части 23 хранилища 25 круговой поток воздуха переключается на другую часть 24 хранилища 25 при помощи соответствующего открытия шиберов 27 и 29 и закрытия отверстий в шиберах 26 и 28. В момент времени, когда одна часть хранилища 25 (23 или 24) заполнена, а другая заполняется, то из первой части идет отгрузка сыпучего льда потребителям или на склад хранения. В сепарационном устройстве 30, установленном в газоход 6 между теплообменниками 5 и 7, происходит отделение от охлажденных продуктов сгорания конденсата водяных паров, который стекает в конденсатный бак 31. Испарившийся в ТО-охладителе 12 СПГ направляется для дальнейшего подогрева физическим теплом и теплом конденсации водяных паров уходящих продуктов сгорания в последовательно соединенные теплообменники 5 и 7, в которые продукты сгорания проходят по газоходу 8 и регулируются по расходу шибером 11, при этом часть уходящих продуктов сгорания регулировочный шибер 11 направляет в байпасный газоход 10. Между теплообменниками 5 и 7 установлено сепарационное устройство 30, в котором происходит отделение конденсата водяных паров от охлажденных продуктов сгорания, который далее стекает в конденсатный бак 31.

Работа турбодетандера 14 с электрическим генератором 18 обеспечивается по давлению криогенным насосом 4 и по температуре теплообменниками 12, 5 и 7. В турбодетандере 14 срабатывает термодинамический потенциал подогретого испарившегося СПГ. Давление за турбодетандером 14 снижается до величины несколько большей, чем требуется для работы горелочного устройства котла 9. Дальнейшая регулировка давления газа происходит в ресивере 15 и ГРП 16. Также на трубопроводе за детандером 14 перед ресивером 15 на обходной линии установлен атмосферный теплообменник 17 в качестве аварийного, который подключен через соответствующую арматуру непосредственно к емкости 1 СПГ (на рисунке не показаны).

Работоспособность установки докажем расчетом конкретной котельной с тепловой мощностью Q₁=10 МВт, и КПД котлов на СПГ

Физические свойства СПГ:

Плотность сжиженного газа при атмосферном давлении: 420 кг/м; Низшая теплота сгорания (при 0°С и 101,325 кПа): 35,2 МДж/м³ (или 11500 ккал/кг=48185 кДж/кг).

Для работы котельной потребуется расход СПГ:

где - теплотворная способность СПГ.

Расход жидкого СПГ:

Чтобы перевести СПГ из жидкого состояния в газообразное и получить дополнительную энергию, необходимо СПГ перекачать в ТО-охладитель 12 воздуха льдогенератора 13, подняв давление с 0,6 МПа (в хранилище 1) до 2 МПа.

Необходимая мощность криогенного насоса составит:

где - КПД насоса;

- КПД электродвигателя. Далее от точки «1» до точки «2» происходит испарение СПГ в охладитель 12 воздуха при температуре -161°С и давлении 2 МПа. При этом рост энтальпии ΔН₂ составит:

Тепловая мощность ТО-охладителя 12 воздуха:

В процессе от точки «2» до точки «3» происходит перегрев природного газа (ПГ) в теплообменниках 5, 7 при давлении 2 МПа до температуры 110°С. При этом увеличение энтальпии ΔН₃ составит:

Тепловая мощность теплообменников (подогревателей) 5 и 7:

Суммарная тепловая мощность ТО-охладителя 12 воздуха и теплообменников 5 и 7:

Далее от точки «3» до точки «4» проходит адиабатическое расширение в турбодетандере 14 до давления 0,1МПа. При этом энтальпия ПГ снижается на:

Полученная мощность электрического генератора:

Эта энергия передается электрическому генератору 18. Температура ПГ в результате расширения в турбодетандере 14 снижается до -73°С.

В процессе 4-5 идет подогрев ПГ при давлении 0,1 МПа в атмосферном теплообменнике 17. При этом энтальпия увеличится на:

Температура в точке «5» 23°С, что достаточно для работы горелочных устройств котлов.

При тепловой мощность льдогенератора и температуре питьевой воды в нем можно заморозить воду до температуры льда в следующем количестве:

- теплота плавления льда;

где - теплоемкость воды;

- теплоемкость льда.

Чтобы реализовать цикл турбодетандера 14 для расхода СПГ В=0,226 кг с учетом потерь в окружающую среду, необходимо от уходящих продуктов сгорания котла отобрать следующую тепловую мощность:

При сжигании 1 кг СПГ образуется:

при плотности

при плотности

при плотности

- теоретически необходимый объем воздуха.

Объем продуктов сгорания на выходе из котла при составит:

Парциальное давление водяных паров в продуктах сгорания

Парциальное давление водяных паров в продуктах сгорания на линии насыщения при температуре 30°С

Количество сконденсированной воды в теплообменниках 5 и 7 природного газа (ПГ) при охлаждении продуктов сгорания до температуры 30°С:

При этом выделится количество теплоты:

Это говорит о том, что даже теплоты конденсации водяных паров хватает для обеспечения работы цикла (967,3>782). Тепло конденсации водяных паров пойдет на нагрев СПГ, выходящего из ТО-охладителя 12 воздуха от температуры до 0°С. При этом от продуктов сгорания будет передано СПГ следующее количество тепла:

Проверим, на сколько охладятся продукты сгорания при температуре уходящих газов при работе цикла.

Энтальпия продуктов сгорания СПГ (на объем природного газа) без учета конденсации водяных паров при температуре и коэффициенте избытка воздуха составит:

Энтальпия продуктов сгорания СПГ (на объем природного газа) без учета конденсации водяных паров при температуре за теплообменником 7 и коэффициенте избытка воздуха составит:

Энтальпия продуктов сгорания, используемая в цикле:

Необходимая разность энтальпий продуктов сгорания:

Это говорит о том, что работа цикла без тепла конденсации невозможна.

Определим, при какой части продуктов сгорания, проходящей через подогреватели, будет обеспечена их требуемая мощность. Составим уравнение теплового баланса:

Тогда в трубу пойдет смесь с подсушенной частью с температурой 30°С с долей 0,536 и часть с температурой 130°С с долей 0,464. Температура смеси будет:

Это вполне удовлетворяет условия работы дымоходов и трубы (влажность уменьшилась в два раза).

Мощность дымососа уменьшится в (130+273)/(73,3+273)=1,135 раз.

Котельная на СПГ с производством водяного льда содержит: криогенную емкость для хранения СПГ, криогенный насос для перекачки СПГ через теплообменники, получающие тепло от воды при переходе ее в твердую фазу и от уходящих дымовых газов котлов котельной, турбодетандер с электрическим генератором, хранилище для хранения твердой фазы. Воздуховоды образуют замкнутый контур, в который входят осевой вентилятор, хранилище льда, разделенное на две равные части перегородкой, которые при помощи шиберов попеременно включаются в общий замкнутый контур. В верхней части замкнутого контура, находящегося над и между частями хранилища, последовательно после вентилятора и охладителя воздуха расположено распылительное устройство для распыления воды, которая насосом из емкости с пресной водой под давлением продавливается через сопла распылительного устройства в поток охлажденного воздуха, где замерзает во взвешенном состоянии и потоком охлажденного воздуха направляется в одну из частей хранилища. Части хранилища работают попеременно в двух режимах: заполнение и расход массы замерзшей воды (частиц льда и снега). Изобретение позволяет повысить эффективность получения водяного льда в льдогенераторе, работающем на охлажденном холодом испаряющегося СПГ в теплообменнике-охладителе воздухе. 2 ил.

Котельная на сжиженном природном газе (СПГ) с производством водяного льда, включающая криогенную емкость для хранения СПГ, криогенный насос для перекачки СПГ через теплообменники, получающие тепло от заморозки воды в льдогенераторе и от уходящих дымовых газов котлов котельной, турбодетандер с электрическим генератором, газоходы с регулировочными шиберами, емкость с водой и насосом и системой водоподготовки, сепарационное устройство с емкостью сбора конденсата, хранилища льда, отличающаяся тем, что льдогенератор включает осевой вентилятор подачи воздуха, теплообменник-охладитель воздуха за счет нагрева и испарения подаваемого в него СПГ, распылительное устройство, установленное на входе в расширительную камеру льдогенератора, при этом льдогенератор вмонтирован в перегородку, которая делит хранилище льда на две равные части, каждая из которых соединена с льдогенератором с помощью воздуховодов с запорными шиберами с возможностью обеспечения попеременного заполнения льдом одной части и освобождения от полученного льда другой части хранилища льда.