Примеры энтропийно-статистического анализа малотоннажных установок ожижения природного газа

В.Ю. Семенов, И.А. Архаров, А.И. Смородин

Примеры энтропийно-
статистического анализа 

малотоннажных установок 
ожижения природного газа 

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования  

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  

(национальный исследовательский университет)»

УДК 621.592(075.8)
ББК 35.112:31.392
        С30

Издание доступно в электронном виде по адресу 

https://bmstu.press/catalog/item/6768

Факультет «Энергомашиностроение»

Кафедра «Холодильная, криогенная техника,  

системы кондиционирования и жизнеобеспечения»

Рекомендовано Научно-методическим советом 

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Семенов, В. Ю.

Примеры энтропийно-статистического анализа малотоннаж-

ных установок ожижения природного газа : учебное пособие / 
В. Ю. Семенов, И. А. Архаров, А. И. Смородин. — Москва, 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 44, [4] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5372-6

Приведены примеры расчета термодинамической эффективности 

циклов работы трех установок сжижения природного газа. Показана 
общая последовательность определения дополнительных затрат работы 
для компенсации производства энтропии в различных элементах рассмотренных 
технологий ожижения природного газа. 

Для студентов, обучающихся по направлению «Холодильная, крио- 

генная техника и системы жизнеобеспечения».

УДК 621.592(075.8)
ББК 35.112:31.392

ISBN 978-5-7038-5372-6

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

С30

press@baumanpress.ru

https://bmstu.press

Предисловие

Учебное пособие подготовлено для самостоятельной проработ-

ки студентами дисциплины «Ожижители природного газа», входящей 
в образовательную программу магистратуры по направлению 
подготовки 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника и системы 
жизнеобеспечения» (уровень магистратуры), профиль «Криогенная 
техника».

Цель изучения пособия — получение и закрепление навыков  

в расчете энергоэффективности процессов ожижения (сжижения) 
природного газа.

Для изучения дисциплины необходимо предварительное освоение 

следующих дисциплин:

1. Иностранный язык.
2. Термодинамика.
3. Низкотемпературные объемные машины.
4. Низкотемпературные турбомашины.
5. Теплообменные аппараты низкотемпературной техники.
6. Теория и расчет циклов криогенных систем.
После изучения пособия студенты овладеют углубленными зна-

ниями о процессах ожижения природного газа, о составе основного 
оборудования установок, характерном для малотоннажного 
масштаба производства СПГ, элементами энтропийно-статистического 
метода анализа энергоэффективности технологических 
процессов получения СПГ, практическими навыками исследования 
и реализации процессов сжижения природного газа, а также смогут 
определять наиболее энергозатратные узлы рассмотренных 
установок ожижения, сопоставлять различные СПГ-технологии 
по критерию энергоэффективности, использовать полученные 
навыки при анализе других аналогичных СПГ-технологий, представлять 
результаты термодинамического анализа в виде аналитических 
обзоров, презентаций.

Основные сокращения

АГНКС — автомобильная газонаполнительная компрессорная

станция

ГРС 
— газораспределительная станция магистрального 

газопровода

КМ 
— компрессор магистрального трубопровода

КОН 
— конденсатор ПКХМ 

КХ 
— концевой холодильник компрессора

ПГ 
— природный газ

ПКХМ — пароконденсационная компрессорная холодильная

машина

СПГ 
— сжиженный природный газ

ТДКА 
— турбодетандерно-компрессорный агрегат

ТО 
— теплообменник

ХМ 
— холодильная машина

Основные обозначения

i — энтальпия, кДж/кг
p — давление, МПа
q — теплота, кДж
s — энтропия, кДж/(кг⋅K)
T — температура, К

Введение

Малотоннажное производство сжиженного природного газа 

(СПГ) предполагает сжижение газа на магистральных газопроводах 
или на ответвлениях.

Природный газ — смесь гомологов метана и других газов (азо-

та, кислорода, гелия, водорода и т. д.) с содержанием метана более 
90 %. Сжиженный природный газ может использоваться в качестве 
газомоторного топлива (для автомобильного, железнодорожного, 
водного транспорта, сельскохозяйственной техники, авиационного 
транспорта, ракетно-космической техники), для автономной 
газификации жилищно-коммунального хозяйства и предприятий, 
резервирования топлива и создания запасов в целях сглаживания 
пиков потребления газа. Малотоннажное производство СПГ  
открывает возможность коммерциализации ранее не востребованного 
газа малодебитных скважин или источников газа с низким 
содержанием углеводородов (биогаз, шахтный и попутный газ).

К малотоннажному производству СПГ, согласно ГОСТ  

Р 55892–2013 «Объекты малотоннажного производства и потреб- 
ления сжиженного природного газа. Общие технические требования», 
относятся установки производительностью до 10 т/ч.

Производство СПГ весьма энергозатратно в силу необратимо-

сти реальных рабочих процессов в криогенных установках. Также 
известно, что малые масштабы производства увеличивают удельные 
энергозатраты и себестоимость продукта. Поэтому конкретизация 
источников необратимости и определение их вклада в общие  
затраты энергии при работе установок весьма актуально. Эту задачу 
возможно решить с помощью метода энтропийно-статистического 
анализа. 

Конечная цель энтропийно-статистического анализа — вы-

явление наиболее «энергозатратных» узлов установок сжижения 
природного газа. Для наглядности полученные результаты представляются 
в виде диаграммы распределения потоков энергии.  
В дальнейшем эти данные могут быть использованы при сопоставлении 
различных технологий СПГ по критерию энергоэффективности.


Исходные данные и среднестатистические величины, исполь-

зуемые в расчетах, соответствуют реальным условиям эксплуатации.

1. Анализ термодинамической эффективности установок, 

работающих по простому дроссельному циклу  

высокого давления с предварительным охлаждением  
на уровне 233 K (минус 40 °C) для условий работы  

на чистом метане

В 1996 г. запущена в эксплуатацию и успешно функционирует 

установка сжижения природного газа (ПГ) на базе автомобильной 
газонаполнительной компрессорной станции АГНКС № 8 в г. Петергоф 
Ленинградской области. Работа этого мини-завода основана 
на дроссельном цикле высокого давления Линде — Хэмпсона с 
предварительным охлаждением с помощью фреоновой машины. 
Установка оснащена двумя компрессорами, каждый производительностью 
1740 м3/ч при нормальных условиях с электродвигателем 
мощностью 295 кВт. Общая производительность по жидкому 
метану составляет 961 кг/ч, по сжимаемому газу — 2324 кг/ч. Для 
предварительного охлаждения применена пароконденсационная 
компрессорная холодильная машина (ПКХМ) на основе поршневого 
компрессора К-127 холодопроизводительностью (холодильной 
мощностью) 175 кВт при температуре 238 К. Проведем анализ на 
примере этой установки.

Исходные данные для определения характеристик  

метанового цикла

Tо.с
K
= 300
 
— средняя температура окружающей среды;

Т3 = 238 К 
— температура предварительного охлаждения метана;

RCH4
Дж/(кг К)
=
⋅
0 51834
,
 — газовая постоянная метана;

p1 = 24,5 МПа — давление сжатия;
p10 = 0,6 МПа — давление всасывания;
p6 = 0,6 МПа — давление при отгрузке жидкости;
∆T1
10
=
К  
— неполнота рекуперации теплоты в теплообмен-

нике TO1 на температурном уровне T1
300
=
К  

(значение недогрева обратного потока);

∆T2
5
=
К  
— неполнота рекуперации теплоты в теплообмен-

нике ТО3 на температурном уровне предварительного 
охлаждения T2
238
=
К;

qо.с

В =1 5
, кДж/кг сж СН4  — удельное значение теплопритоков из

окружающей среды к контуру В (предварительному 
теплообменнику ТО1);

qо.с

А = 3 7
, кДж/кг сж СН4  — удельное значение теплопритоков из 

окружающей среды к контуру А (к основному 
теплообменнику ТО3);

cp =
⋅
2 227
,
кДж/(кг К) 
— теплоемкость метана при нормальных

условиях;

ρCH

3

4
кг/м
= 0 667
,
 
— плотность метана при нормальных

условиях;

ηиз = 0,6 
— изотермический КПД процесса сжатия

метана в компрессоре.

Принципиальная схема установки сжижения ПГ, работающей 

по дроссельному циклу, представлена на рис. 1. Расчеты приведены 
к 1 кг сжимаемого метана на всасывании в компрессор. На рис. 2 
схематически изображен дроссельный цикл в координатах T–s.

Определение основных характеристик рабочих процессов 

метанового цикла

Параметры установки сжижения ПГ в характерных точках 

метанового цикла рассчитываем согласно методикам, изложенным 
в курсе «Теория и расчет циклов криогенных систем», читаемом 
на кафедре «Криогенная техника». Результаты этих расчетов сведены 
в табл. 1.

Таблица 1

Параметры установки сжижения ПГ в характерных точках метанового цикла

Точки 
цикла

Давление p, 

МПа
Температура T, K
Энтальпия 
i, кДж/кг

Энтропия s, 
кДж/(кг⋅К)

1
24,5
300
875,74
4,00

2
24,5
280
803,59
3,75

3
24,5
238
641,57
3,13

4
24,5
206
520,45
2,58

5
0,6
139
520,45
3,33

6
0,6
139
257,68
1,43

7
0,6
139
706,72
4,67

8
0,6
233
920,03
5,85

9
0,6
290
1045,89
6,34

10
0,6
300
1068,46
6,41

Рис. 1. Принципиальная схема установки ожижения ПГ, работающей по дроссельному 
циклу с предварительным охлаждением ПКХМ на температурном 

уровне 233 К:

I — компрессор метана с системой отвода теплоты сжатия qсж; II — теплообменник ТО1 
(предварительный); III — двухступенчатая поршневая ПКХМ К-127; К — компрессор 
R22; КХ — концевой холодильник; КОН — конденсатор; Др 1 — дроссель контура R22; 
Др 2 — дроссель контура CH4; IV — теплообменник ТО2 (фреоновый испаритель);  

V — теплообменник ТО3 (основной); VI — хранилище СПГ; y, 
кг R

кг сжим CH

22

4

 — отно-

шение расхода R22 к расходу сжимаемого CH4 в компрессоре; x, кг жидк CH

кг сжим CH

4

4

 — 

коэффициент ожижения

Рис. 2. Схематическое изображение дроссельного цикла для установки  

ожижения ПГ в координатах T–s

Коэффициент ожижения x находим из энергетического балан-

са для контура А (см. рис. 1):

i
q
xi
x i
A

3
6
8
1
+
−
=
−
(
)
о.с
,

x
i
i
q

i
i

A

=
−
−
−
=
−
−

−
=
8
3

8
6

920 3
641 57
3 7

920 03
257 68
0 415
о.с
кг ж
,
,
,

,
,
,
идк CH

кг сж CH

4

4

.

Тепловую нагрузку ПКХМ qпр.охл (индекс «пр. охл» означает 

предварительное охлаждение) определяем по уравнению энергетического 
баланса для контура B (см. рис. 1):

i
q
x i
i
x i
q
B

1
8
3
9
1
1
+
+
−
(
)
=
+
−
(
)
+
о.с
пр. охл
;

q
i
q
i
i
i
x
B

пр. охл
о.с
=
+
−
+
−
(
)
−
(
) =
+
−
+
1
3
8
9
1
875 74 1 5
641 57
,
,
,

+
−
(
)
−
=
920 03 1045 89 1 0 415
162 02
,
,
(
,
)
,
.
кДж

кг сж CH4

Полная удельная холодопроизводительность метанового цикла

q
i
i
i
i
х. полн =
−
+
−
=
−
+
−
=

=

10
1
2
3
1068 46
875 74
803 59
641 57

354 74

,
,
,
,

,
кДж

кг сж CH4

.

Работа изотермического сжатия в компрессоре

l
T
s
s
i
i
из CH4 =
−
(
)−
−
(
) =
−
(
)−
−
(
)
10
10
1
10
1
300 6 41 4 0
1068 46
875 74
,
,
,
,
=

= 530 28
,
.
кДж

кг сж CH4

Действительная работа сжатия метана lдейств CH4  при ηиз = 0,6

l
l

действ CH

изCH

из
4

4

4
кДж

кг сж CH
=
=
=
η

530 28

0 6
883 8
,
,
,
.Минимальную удельную работу lmin ожиж CH4, необходимую для 

ожижения 1 кг СН4, определяем при давлении на входе в установку 
и давлении получаемого жидкого метана:

l
T
s
s
i
i
min ожиж CH
о.с
4 =
−
(
)−
−
(
) =
−
(
)−
10
6
10
6
300 6 41 1 43
,
,

−
−
(
) =
=
⋅
1068 46
257 68
683 22
0 19
,
,
,
,
кДж

кг жидк CH

кВт ч

кг жидк C
4
H4

.

Исходные данные для определения характеристик  
фреонового цикла при предварительном охлаждении

Т2
280
=
 К  — начальная температура метана на входе в испаритель 

холодильной машины (ХМ) (см. табл. 1);

Т3
238
=
 К  — конечная температура метана на выходе из испа-

рителя ХМ (см. табл. 1);

То.с = 300 К — средняя температура окружающей среды.

Примем для расчета следующие значения величин:

T
T
′
′
=
=
3
1
233 К  — средняя температура рабочего тела (R22) в испа-

рителе (т. е. теплообменнике нагрузки) при 
давлении около 0,104 МПа;

T
T
′
′
=
=
5
1
313 К  — средняя температура конденсации R22 при дав-

лении сжатия около 1,528 МПа;