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Produzione di LNG su piccola scala: il caso studio di GRAF
SMEA - Sistemi e Macchine per l’Energia e l’Ambiente – DIN - Università di BolognaProff. Bianchi M., Peretto A., De Pascale A., Melino F.,
Ingg. Branchini L., Ancona M.A., Ottaviano S., Rosati J., Scarponi L.B., Catena F., Brilloni A.
GRAF S.P.A - Ferrari Technology S.r. l. - Via L. Da Vinci, 58, Nonantola (MO)
Ferrara, 7 Febbraio 2018, Castello estense - Sala Imbarcadero 2
Contesto
4
1NG
Extraction
LNG production and storage
LNG Transport
(ship)
LNG Storage3
5
6
2
LNG Distribution (tank trucks)
LNG Filling Stations
GasNetwork
7LNG Re-Gasification
Plant
9NG
Distribution8
10
LNG PRODUCTION & FILLING Stations
Produzione su piccola scala (< 1 MTPA) presso le stazioni di rifornimento:
aumento della sostenibilità economica, ambientale e logistica
FASE I: Studio termodinamico preliminare del processo di liquefazione del gas naturale volto ad
individuare il layout ed i parametri ottimali del ciclo minimizzando il consumo energetico e
privilegiando la semplicità impiantistica.
Obiettivi della collaborazione di ricerca
Definizione e sviluppo di un prototipo di impianto di LNG su piccola scala, ubicato presso le stazioni di rifornimento
FASE III: Realizzazione di un prototipo di impianto di liquefazione e acquisizione dei dati
sperimentali.
FASE II: Valutazione dell’applicabilità di un espansore, in sostituzione della valvola di laminazione,
per recuperare parte dell’energia spesa in fase di compressione. Analisi di stato dell’arte volta ad
individuare la tipologia di macchina più idonea allo scopo. Definizione di un modello di calcolo per la
valutazione delle prestazioni di una pompa volumetrica alternativa funzionante come espansore.
HE 1J-T Valve
LNG Storage
Flash Tank
Mixer
Air
1
Secondary Line
Primary Line
Natural Gas
Feed Line
Compression C1
Air
Aftercooler
C1
Intercooler
C1
3 4 5 6 7 8
10
11
HE 3
Compression C2
Aftercooler
C2
Intercooler
C2
Air Air
1213
1415161718
(Chiller - NH3)
92HE 2
Fase I: Definizione layout singola laminazione, doppia compressione
Fase I:Codice di calcolo
Sviluppo di un codice di calcolo in ambiente VBA,integrato con libreria termodinamica di FluidProp
INPUT principali
Caratteristiche della corrente GN in ingresso (p, T e composizione)
Caratteristiche dei treni di compressione C1 & C2 (β, efficienza politropica e meccanica)
Temperatura in uscita da ICs e ACs
Pressione di stoccaggio (p10)
efficienza scambiatori (o temp. in uscita T), Δp e EER
Portata in massa di LNG (ṁLNG)
OUTPUT principali
Stati fisici e portate in massa ingresso/uscita componenti
Lavoro specifico e potenza elettrica richiesta
Potenza termica scambiata
HE 1 J-T
valve
LNG Storage
Flash Tank
Mixer
Air
1Natural Gas
Feed
Compression C1
Air
Aftercooler
C1
Intercooler
C1
3 4 5 6 7 8
10
11
HE 3
Compression C2
Aftercooler
C2
Intercooler
C2
Air Air
1213
1415161718
HE 2
(Chiller - NH3)
92
Ripartizione β minimizzando lavoro di compressione (includendo perdite di carico negli
scambiatori)
β1,C1 =1
AβC1
T5T3
kk−1
ηp
β2,C1 =βtot,C1Aβ1,C1
𝛽𝐶1 = Τ𝑝7𝑝3
𝐴 = ൗ𝑝5
𝑝4 = ൗ𝑝7
𝑝6
𝛽𝑡𝑜𝑡,𝐶1 = Τ𝑝6𝑝3
Fase I:analisi di sensibilità
Analisi termodinamica parametrica al fine di minimizzare il consumo energetico richiesto dal processo
Parametri chiave di ottimizzazione (range di variazione in accordo con la pratica industriale):
Heat
Exchanger
HE 1
TV
LNG Storage
Tank
Flash Tank
Mixer
Air
1
Secondary Line
Primary Line
From
Natural Gas
Grid
Compression C1
Air
Aftercooler
C1
Intercooler
C1
3 4 5 6 7 8
10
11
Heat
Exchanger
HE 3
Compression C2
Aftercooler
C2
Intercooler
C2
Air Air
1213
1415161718
Heat Exchanger
HE 2
(Compression
Chiller - NH3)
92
1) max pressure (p7)
2) LNG pressure (p10)
3) Temp. raffreddamento (T8)
1) Pressione massima del ciclo (p7) 200 ÷ 300 bar
2) Presione di stoccaggio LNG (uscita dalla valvola J-T, p10) 3 ÷ 15 bar
3) Temperatura raffreddamento (uscita chiller, T8) -20 ÷-50 °C
0.56
0.58
0.60
0.62
0.64
0.66
0.68
-160
-150
-140
-130
-120
-110
-100
3 5 7 9 11 13 15
200 bar225 bar250 bar275 bar300 bar
LNG Temp.
press. Max (p7)
pressione stoccaggio LNG (p10
) [bar]
Tito
lo, X
[-]
Tem
pera
tura
LN
G [°
C]
All’aumentare della pressione massima si riduce il titolo all’uscita dalla valvola di laminazione,contestualmente si riduce la portata in massa che attraversa il treno di compressione C1
All’aumentare della pressione di stoccaggio dell’LNG, si riduce il titolo all’uscita dalla valvola di laminazione ilche implica minor portata in massa di GN per data portata di LNG prodotto
Titolo all’uscita della valvola J-T Portata in massa al compressore C1
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.0
3.1
3 5 7 9 11 13 15
200 bar225 bar250 bar275 bar300 bar
Port
ata
in m
assa
al c
ompr
esso
re C
1 [k
g/s]
pressione stoccaggio LNG (p10
) [bar]
Press. Max (p7)
Effetto della pressione massima e della pressione di LNG
Fase I:risultati analisi di sensibilità
Significativo effetto della pressione di stoccaggio di LNG sul consumo elettrico specifico del processo,effetto trascurabile della pressione massima
La riduzione della temperatura di pre-raffreddamento LNG diminuisce significativamente il consumo di energia specifica del processo
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20co
nsu
mo
ele
ttri
co
sp
ec
ific
o, e
[kJ/
kg]
Temperatura raffreddamento (uscita chiller) T8 [°C]
p7
= 250 barp
10 = 9 bar
Effetto della temperatura in LNG
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
3 5 7 9 11 13 15
200 bar225 bar250 bar275 bar300 bar
co
nsu
mo
ele
ttri
co
sp
ecif
ico
, e
[kJ/
kg]
pressione stoccaggio LNG (p10
) [bar]
press. Max (p7)
Consumo elettrico specifico per unità di LNG prodotto
Effetto della pressione max. e pressione di LNG
Fase I:risultati analisi di sensibilità
HE 1J-T Valve
LNG Storage
Flash Tank
Mixer
Air
1Natural Gas
Feed Line
Compression C1
Air
Aftercooler
C1
Intercooler
C1
3 4 5 6 7 8
10
11
HE 3
Compression C2
Aftercooler
C2
Intercooler
C2
Air Air
1213
1415161718
(Chiller - NH3)
92HE 2
Caso base
Fase I:modifiche al layout di partenza
HE 1J-T Valve
LNG Storage
Flash Tank
Mixer
Air
1Natural Gas
Feed Line
Compression C1
Air
Aftercooler
C1
Intercooler
C1
3 4 5 6 7 8
10
11
HE 3
Aftercooler
C2
Air
1213
141516
(Chiller - NH3)
92HE 2
Compression C2
Caso base modificato
1) C2 senza IC
Fase I:modifiche al layout di partenza
HE 1
LNG Storage
Flash Tank
Mixer
Air
1Natural Gas
Feed Line
Compression C1
Air
Aftercooler
C1
Intercooler
C1
3 4 5 6 7 8
10
11
HE 3
Aftercooler
C2
Air
1213
141516
(Chiller - NH3)
92HE 2
Expander
Compression C2
1) C2 senza IC
2) Espansore in sostituzionedella valvola J-T
Caso base modificato
Fase I:modifiche al layout di partenza
X =
0.8
X =
0.2
X =
0.4
X =
0.6
T =
50 °
C
T =
-150
°C
T =
-100
°C
T =
-70
°C
T =
300
°C
T =
200
°C
T =
250
°C
T =
100
°C
T =
150
°C
T =
30 °
C
T =
0 °C
T =
-50
°C
Case MP1Case MP2
Expander Case
J-T valve
Effetto dell’espansore
riduzione del titolo (X) all’uscitadell’espansore
riduzione della portata in massacircolante sulla linea primaria esecondaria di compressione
riduzione del lavoro di compressioneper entrambi i treni C1 & C2
aumento della temperatura in ingressoal compressore C2
A parità di parametri operativi del ciclosi osserva:
C1
C2
Fase I:espansore vs. valvola J-T
C1-1
1
C1-2
2 3 4 5 6 7 8 9 10
11
12
14 13
NG Feed Line
Compression C1
Intercooler C1
Aftercooler C1
Mixer
HE1HE2HE3Flash Tank
LNG
ChillerEXPANDER
p1 = 3 bar pMAX = 200 bar
T6=25 °C
pLNG = 3 bar
Ai fini della sperimentazione a banco prova è stato identificato un layout semplificato:
alimentazione dalla rete gas a bassa pressione, assenza della linea secondaria di compressione, presenza dell’espansore
Fase I:alimentazione a bassa pressione
T8= -35 °C
Parametri essenziali per la progettazione dei componenti principali
Stato dell’arte degli espansori criogenici:
1. Grandi impianti di produzione del GNL: macchine commerciali di grande taglia (fino ad 1 MW)
dimensionate per portate molto maggiori (≈250 kg/s) rispetto l’applicazione in studio; complessità
architettonica non giustificabile per l’applicazione in oggetto;
2. Turbo-espansori criogenici sperimentali: turbomacchine flusso radiale con taglie nell’ordine del kW.
Pressioni di esercizio (pmax=4÷70 bar), condizioni di stato fisico del fluido (zona di lavoro interamente
nel campo del liquido sottoraffreddato o del vapore surriscaldato) e velocità di rotazione (>20000
rpm) incompatibili con le esigenze del Committente.
Fase II:considerazioni preliminari espansore
Specifiche richieste
• Portata di GN elaborata : 0.034 kg/s
• Rapporto di espansione: variabile tra minimo di 200/10 ed un massimo di 200/3
• Temperatura ingresso GN : -35 °C ÷ -70 °C
• Espansione campo bifase
Riconversione di una macchina operatrice alternativa a pistoni
Fase II:specifiche pompa criogenica
Riconversione di una macchina operatrice alternativa a pistoni
Modello selezionato: pompa CRYOPUMP RP 45/40
Macchina alternativa mono-pistone a singolo effetto
Necessità di riprogettare il sistema di aspirazione e scarico
Grandezza Valore
Alesaggio (D) [mm] 45
Corsa (s) [mm] 40
pressione max [bar] 250
Velocità max (n) [giri/min]
275
Sviluppo di un modello termodinamico a parametri concentratidi un espansore volumetrico alternativo a pistone integrato con
libreria termodinamica FluidProp
Fase II:modello termodinamico espansore
P.M.S. P.M.I.
D
s
VC
V0
rl
V0 VC
pS
pA
0 1
2
34
5
p
V
DpA
DpS
a)
b)
OUTPUT principali
diagramma di indicatore (p-V) dell’espansore
stato fisico del fluido (punti 0-1-2-3-4-5) e trasformazioni suldiagramma termodinamico (log p-h);
Stima della portata elaborata dalla macchina e dei principaliparametri di prestazione dell’espansore (potenza, lavorospecifico ed efficienza);
Valutazione dei tempi di apertura delle valvole.
IPOTESI fondamentali
apertura valvole aspirazione e scarico istantanee e perdite dicarico concentrate a P.M.S e. a P.M.I.
aspirazione (tratto 0-1) e scarico (tratto 3-4) a pressionecostante
espansione modellata come: trasformazione isoentropica (tratto1-2), trasformazione isoentalpica (tratto 2-3); ri-compressioneisoentropica (tratto 4-5).
volume specifico valutato tramite discretizzazione del salto dipressione
Analisi parametrica di sensibilità sulle grandezzeinterne che influiscono sulla portata elaborata e sullariprogettazione valvole e sistema aspirazione/scarico:
Volume nocivo (V0)
Grado di apertura valvola aspirazione (α)
Pressione allo scarico (ps)
Velocità di rotazione (n)
Temperatura di raffreddamento monte espansore (TA)
Fase II:Risultati analisi di sensibilità
Effetto della pressione di scarico e del coefficiente di apertura valvola aspirazione
α=30%
α=40%
α=50%
α=60%
mDES
0,8mDES
α=70%
α=80%
0,011
0,016
0,021
0,026
0,031
0,036
0,041
0,046
0,051
0,056
0,061
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Port
ata
[kg/
s]
Pressione allo scarico [bar]
Per dato grado di apertura valvola (α), la portata diminuisce all’aumentare della pressione di scarico: andamento monotono decrescente con ginocchio in corrispondenza del cambio di fase
Assegnata ps, la portata aumenta all’aumentare del grado di apertura valvola
Effetto del volume nocivo
per assegnati valori di ps e di α, portata aumenta all’aumentare del volume nocivo.
α=40%
α=50%
α=60%
mDES
0,8mDES
0,011
0,016
0,021
0,026
0,031
0,036
0,041
0,046
0,051
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Port
ata
[kg/
s]
Pressione allo scarico [bar]
V0=1906 mm3
V0=8200 mm3
Fase II:Risultati analisi di sensibilità
TA=-65°C TA=-40°C
Coefficiente α α=20% α=25% α=30% α=20% α=25% α=30%
Portata [kg/s] 0.0247 0.0301 0.0356 0.0207 0.0252 0.0298
Portata liquido [kg/s] 0.0133 0.0165 0.0198 0.0146 0.0182 0.0219
Lavoro [J/ciclo] 343 406 466 391 459 523
Potenza producibile [kW] 2.0 2.4 2.7 2.3 2.7 3.1
Rendimento isoentropico [%] 70.0 67.9 66.1 69.6 66.9 64.6
Funzionamento con sotto-espansione
(p2>ps) e produzione di liquido interno all’espansore
(trasformazione 1-2)
Fase III: Realizzazione del banco prova
C1-1
1
C1-2
J-T Valves
2 3 4 5 6 7 8 9 10
11
12
14 13
NG Feed Line
Compression C1
Intercooler C1
Aftercooler C1
Mixer
HE1HE2HE3Flash Tank
LNG
Chiller
Sperimentazione in corso con l’obiettivo di stabilizzare il processo
Compressore volumetrico inter-
refrigerato a 4 stadi
Dotato di inverter per regolazione portata
Serbatoio di stoccaggio da 260 litri
Filtri a monte del serbatoio di stoccaggio per rimozione CO2
P1=2.8 ÷ 2.9 bar
P6= 180 bar
T8 =-24 °C
Misura indiretta della produzione di liquido: differenziale di pressione (segnale 0-5 V)
Inizio produzione di liquido Temp. ~ -136 °C
T12 =-128 °C
pLNG = 3.7 bar
T9= - 60 °C
Conclusioni
• Studio termodinamico preliminare mediante codice di calcolo del processo di liquefazione
del gas naturale volto ad individuare layout e parametri ottimali del ciclo minimizzando il
consumo energetico e privilegiando la semplicità impiantistica.
• Valutazione sostituzione valvola J-T con espansore: quantificazione del risparmio energetico
del processo al variare dell’efficienza isentropica dell’espansore.
• Analisi bibliografica e di mercato volta ad individuare l’esistenza di piccoli espansori
criogenici che operino nel campo bifase per l’applicazione in oggetto.
• Sviluppo di un modello termodinamico a parametri concentrati per analisi del
comportamento del fluido evolvente all’interno di un espansore volumetrico a pistone
• Analisi sensibilità sulle grandezze interne che influiscono sulla portata elaborata e sulla
riprogettazione valvole e sistema aspirazione/scarico (volume nocivo, pressione scarico,
grado apertura valvole etc.).
• Realizzazione del banco prova e sperimentazione in corso
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www.grafspa.it - info@grafspa.it
Lisa BranchiniSMEA - Sistemi e Macchine per l’Energia e L’ambiente – DIN-Università di Bologna
lisa.branchini2@unibo.it
Produzione di LNG su piccola scala: il caso studio di GRAF
Fase I:alimentazione a bassa pressione
C1-1
1
C1-2
2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12=1315 14
From NaturalGas Grid
Compression C1
Intercooler C1
Aftercooler C1
Mixer
Heat Exchanger
HE 1
Heat Exchanger
HE 2
Heat Exchanger
HE 3
Flash Tank
LNG Storage Tank
chiller
3 20
0.011
P[bar]
T[°C]
m[kg/s]
3 3,8
0.034200 25
0.034
195.2 -1.6
0.034191.4 -35
0.034
188.2 -63.4
0.034
3.12 -146
0.011
3 -4.0
0.023
3.06 -68.9
0.023
3.12 -146
0.034
3.12 -146
0.023
CASO
P6
[bar]
T2
[°C]
T7
[°C]
EER
del
chiller
T8
[°C]
T9
[°C]
Potenza
compressione
[kWe]
Potenza
chiller
[kWe]
Portata
ricircolo
[kg/s]
Portata
GNL
[kg/h]
note
3bECO 200 3.8 -2 1.3 -35 -63 36.4 3.6 0.023 39.6 UAHE3 = UAHE1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 20 40 60 80 100
C1 & C2
Chiller
Espansore
efficienza isentropica espansore [%]
Pote
nza
spec
ifica
[kJ/
kgLN
G]
valori ottenuti valvola J-T
Influenza dell’efficienza isentropica dell’espansore
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-10
-5
0
5
10
15
0 20 40 60 80 100
titolo
temp. ingresso C2 Tito
lo, X
[-]
efficienza isentropica espansore [%]
Tem
pera
tura
in in
gres
so C
2 [°
C]
valori ottenuti con valvola J-T
Valori selezionati, [Wang & Ding, 2012]
Valori selezionati[Wang & Ding, 2012]
Effetto dell’espansore: riduzione significativa del consumo energetico del processo,principalmente a seguito della riduzione del titolo (X)
Fase I:espansore vs. valvola J-T
Fase I: indicatori di performance
1. Consumo elettrico specifico (𝒆), [kJ/kg]:
𝑃𝑒𝑙 [kW] : potenza elettrica totale richiesta dal processo di liquefazione
ሶ𝑚𝐿𝑁𝐺 [kg/s] : portata in massa di LNG prodotto
2. Potere calorifico residuo (𝑳𝑯𝑽𝑹), [kJ/kg]:
𝜂𝑒𝑙,𝑟𝑒𝑓 [-] : efficienza elettrica di riferimento. 𝒆
𝜼𝒆𝒍,𝒓𝒆𝒇Quantifica energia specifica che dovremmo introdurre con il
combustibile per sostenere l’intero processo di liquefazione;
3. Indice di degradazione del combustibile (𝝆), [%]:
𝒆 =𝑷𝒆𝒍
ሶ𝒎𝑳𝑵𝑮=
𝑷𝒆𝒍 𝑪𝟏+𝑷𝒆𝒍 𝑪𝟐+𝑷𝒆𝒍 𝑪𝒉𝒊𝒍𝒍𝒆𝒓−𝑷𝒆𝒍 𝑬𝑿𝑷
ሶ𝒎𝑳𝑵𝑮
𝑳𝑯𝑽𝑹 = 𝑳𝑯𝑽 −𝒆
𝜼𝒆𝒍,𝒓𝒆𝒇= 𝑳𝑯𝑽 − 𝒆 ∙ 𝑯𝑹𝒓𝒆𝒇
∗
𝝆 =𝑳𝑯𝑽𝑹𝑳𝑯𝑽
=𝑳𝑯𝑽 − 𝒆 ∙ 𝑯𝑹𝒓𝒆𝒇
∗
𝑳𝑯𝑽= 𝟏 − 𝒆 ∙
𝑯𝑹𝒓𝒆𝒇∗
𝑳𝑯𝑽
indici di prestazione: confronto tra diverse soluzioni
Fase I:risultati e confronto
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
LLL
co
nsu
mo
ele
ttri
co
sp
ec
ific
o, e
[kJ/
kgLN
G]
Caso base
Caso baseottimizzato valvola J-T
Caso bassa press.Espansore
Caso baseottimizzato Espansore
-30%
+13%
-43%
Large Scale LNG plants
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
ind
ice d
i d
eg
rad
azio
ne
de
l co
mb
usti
bile
,
[-]
Caso base
Caso baseottimizzato valvola J-T
Caso bassa press.Espansore
Caso baseottimizzato Espansore
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