8 Производство и транспорт сжиженного природного газа
Коротко о том, что же представляет собой сжиженный природный газ (СПГ) [30]. СПГ - это сжиженный при температуре ниже 1600 С природный газ, который после регазификации имеет те же свойства, что и обычный природный газ. Плотность сжиженного природного газа составляет 420 кг/м3 при нормальном давлении и температуре -1610С. При давлении 0,6 МПа, которое является рабочим при транспортировке и хранении СПГ, плотность составляет газа 385 кг/м3. Процесс сжижения природного газа был открыт британским ученым М. Фарадеем в начале 19 века и был впервые в промышленном масштабе применен в 1942 году в США, где был построен первый коммерческий завод по его сжижению.
Существующая в настоящее время технология газификации с использованием трубопроводного транспорта практически исключает из этого процесса целые районы с мелкими населенными пунктами, малыми деревнями и хуторами. Для этих категорий потребителей СПГ является практически единственным способом газификации.
I.1Кроме того, этот традиционный способ газификации становится в ряде случаев неприемлемым из-за высоких капитальных затрат, трудностей по отводу земель или вообще невозможностью прокладки газопровода из-за наличия естественных преград (горы, реки, озера, моря и т.д.).
I.2Проблема устойчивости обеспечения газом дополняется также проблемой его доставки. Специфика электроэнергетической системы России состоит в том, что энергетические источники территориально значительно удалены от потребителей энергии. Примером тому может служить Ямало-Ненецкий газоносный район, в котором сосредоточено 80% балансовых запасов газа России и более 90% добычи. В этой связи в структуре суммарных издержек на добычу и доставку ямальского газа от месторождения до границы с Германией на собственно добычу приходится лишь 22% затрат. Остальные расходы связаны с транспортировкой газа. Из них 19% составляет плата за транзит по территориям стран, где проходит газопровод, и 59% составляют расходы собственно по транспортировке.
В силу перечисленных обстоятельств производство СПГ в мире в последние десятилетия стало весьма быстро развивающейся отраслью в сфере НГК. По данным журнала OIL & GAS в настоящее время примерно четверть добываемого газа перевозится в сжиженном виде. Ожидается ежегодный рост такой транспортировки на 7 %, что вдвое больше ожидаемого темпа роста потребления магистрального газа и втрое – нефти. В настоящее время индустрия производства и использования сжиженного природного газа является одной из наиболее рентабельных и перспективных отраслей. Мировыми лидерами в этой области являются США и Канада. В США работают около 600, а в Канаде - около 700 газоперерабатывающих заводов.
Когда в 60-е и 70-е годы бизнес СПГ только зарождался, его развитие было обусловлено не экономической целесообразностью, а невозможностью получить топливо другим способом. Наглядный пример - Япония, которая потребляет сейчас более 48% всего СПГ в мире, а также Великобритания, Франция и Испания, где интерес к СПГ обусловлен либо истощением собственных ресурсов, либо желанием диверсифицировать источники импорта. В настоящее время, с учетом ограниченности запасов нефти, постоянного роста цен на нефтепродукты, а также экологических последствий их применения, СПГ постоянно рассматривается как альтернативное топливо для всех видов транспорта.
За последнее десятилетие себестоимость производства и транспортировки СПГ сократилась на 35-50%, и тенденция к снижению издержек продолжается. Если в 1965-1970 годах создание мощности по производству одной тонны СПГ требовало более $500, а в 80-е годы - $300-400, то сейчас этот показатель составляет всего $250 для нового завода и $175 для расширения мощностей на уже действующем предприятии. Сокращается также стоимость танкеров для перевозки сжиженного газа. Если в 1991 году их строительство обходилось в среднем по $250 млн, то в 2002 году аналогичные суда стоили уже $160-170 млн.
Изучение и анализ возможностей производства и применения альтернативных видов топлива показали, что именно сжиженный природный газ (СПГ), состоящий главным образом из метана, является одним из перспективных видов энергоносителей в виде так называемого криогенного топлива. Его основными особенностями являются меньшая по сравнению с керосином плотность и низкая температура кипения, но более высокая теплотворная способность, что обеспечивает более полное превращение тепловой энергии в механическую. Состояние природного газа в виде СПГ обеспечивает возможность его транспортировки, а также использования в качестве горючего с минимальным объемом (при сжижении, объем природного газа уменьшается в 600 раз). Физико-химические свойства СПГ определяются его компонентным составом. Поскольку в СПГ содержится до 98% метана (СН4), его термодинамические характеристики близки к показателям чистого метана.
Россия обладает мощной разветвленной сетью газопроводов, что позволяет отбирать газ для сжижения практически в любом промышленно развитом районе, в том числе вблизи крупных аэропортов и морских терминалов. Другим возможным способом обеспечения потребителей СПГ является его сжижение вблизи месторождений и транспортировка в жидком виде. Кроме того, во всем мире сформирована достаточная научная и техническая база, позволяющая применять СПГ в качестве топлива для практически видов транспорта. На рисунке 56 представлены возможные области применения СПГ в различных отраслях народного хозяйства и транспорта, свидетельствующие об исключительной важности и перспективности этих технологий не только для газовой отрасли, но и для всей экономики в целом [30].
Рисунок 56 – Перспективные области использования СПГ
Организация газового бизнеса на основе технологий СПГ позволяет связать воедино весь комплекс технологий и средств добычи, сжижения и перевозки газа в комплекс последовательно связанных технических средств, образующих единую технологическую цепочку. В эту комплексную технологическую цепь включаются газодобывающие скважины, газосборные сети и газовые промыслы, магистральные газопроводы, соединяющие месторождения газа с берегом морей, заводы по сжижению газа, расположенные на берегу моря, криогенные суда-метановозы для перевозки сжиженного газа и станции (терминалы) для его приема в странах-импортерах, а также заводы по регазификации сжиженного газа.
Наиболее сложным дорогостоящим звеном в этой цепочке является завод по сжижению газа. Построенные в разных странах, в разное время, они существенно отличаются друг от друга по типу технологического процесса, количеству технологических линий, размеру производственной мощности, емкости резервуарного парка и т.д. [32,33].
На газосжижающих заводах находят применения три различных поколения технологических процессов. Первое, получившее название «классический каскад», применяется на заводах в Алжире и Аляске. Здесь, каждая технологическая линия включает в себя три независимых цикла охлаждения газа, расположенных последовательно (каскадом). В качестве охлаждающего агента используются: в первом цикле – пропан, позволяющий достигнуть температуры -35оС, во втором – этилен, обеспечивающий охлаждение до -100оС, и в третьем – метан, что дает возможность снизить температуру газа до -160оС.
Второе поколение технологических процессов получивших название «совмещенный каскад», применяется на заводах в Ливии. Здесь используется один холодильный агент и один компрессорный агрегат.
Третье поколение процессов сжижения газов, получившее название «совмещенный каскад с предварительным охлаждением», отличается от предыдущего тем, что для повышения эффективности вначале добавляется цикл предварительного охлаждения (пропановый цикл).
Следует отметить, что совмещенный каскад имеет существенное преимущество перед классическим. Технологический процесс с единой охлаждающей жидкостью позволяет уменьшить количество теплообменников и холодильников, упростить линии трубопроводов и систему хранения охлаждающей жидкости, сократить территорию, занимаемую технологическими линиями, снизить капитальные затраты примерно на 20%.
Непосредственно перед сжижением, природный газ подвергается очистке от углекислоты и сернистых соединений и осушению. Необходимость этих операций обусловлена риском засорения и выводом из строя оборудования кристаллизованными при охлаждении диоксидами углерода, сероводорода и водой в твердом состоянии. Рассмотрим более подробно каждую из технологических ступеней сжижения природного газа.
В установках получения СПГ особую роль играют процессы охлаждения газа, т.к. именно они определяют энергетические затраты, которые приходится осуществлять на сжижение газа. Затраты энергии во многом зависят от термодинамического совершенства принятых холодильных циклов: чем эффективнее цикл, тем дешевле будет стоить единица топлива. Выбор холодильного цикла и технологической схемы установки зависит от назначения установки и ее производительности, от давления и состава сжижаемого газа, от требований предъявляемых к продукту (состав, давление и температура СПГ). Существенное влияние на выбор холодильного цикла сжижения оказывают наличие и возможности применения того или иного холодильного оборудования. Принятая технологическая схема во многом определяет экономические показатели процесса сжижения, так как непосредственно влияет на общие капитальные вложения в основное технологическое оборудование и на эксплуатационные расходы.
Наибольшее применение в мировой практике нашли следующие холодильные циклы: а) для крупных установок – классические каскадные циклы на однокомпонентных хладагентах и однопоточные каскадные циклы с холодильным агентом, являющимся многокомпонентной смесью и б) для установок небольшой производительности – простые дроссельные холодильные циклы и детандерные дроссельные холодильные циклы.
Классические каскадные установки, наиболее оптимальные с точки зрения затрат энергии, объединяют в единую систему отдельные циркуляционные контуры, в которых вырабатывается холод на ступенчато понижающихся температурных уровнях. В каждом контуре используется чистый однокомпонентный холодильный агент с хорошо известными термодинамическими свойствами, что облегчает выполнение технологических расчетов оборудования контура. Принципиальная схема установки с классическим каскадным циклом представлена на рисунке 57 [30].
Рисунок 57 - Принципиальная схема установки сжижения природного газа с классическим каскадным циклом: К-1…К-4 – контуры каскада
Из рисунка видно, что в верхнем пропановом каскаде имеются три ступени дросселирования хладагента, обеспечивающие выработку холода на трех уровнях в интервале +(10...15)...-37 оС. Холод пропанового контура используется для охлаждения природного газа и конденсации содержащихся в нем тяжелых углеводородов, охлаждения и конденсации холодильных агентов контуров К-1 и К-2. Во втором контуре обычно используется этилен, обеспечивающий возможность выработки холода в температурном интервале -(35...100) оС. Кипение холодильного агента в контуре К-2 реализуется на трех-четырех температурных уровнях. Холод этиленового контура используется для охлаждения холодильного агента и контура К-3
В контуре К-3, как правило, используется как хладагент природный газ после отделения тяжелых углеродов в газофракционирующем блоке установки сжижения. Этот газ состоит в основном из метана с небольшой примесью этана и азота. Холодильный агент контура К-3 обеспечивает выработку холода на трех температурных уровнях -(100…160) оС и используется для полного сжижения и охлаждения СПГ высокого давления до температуры –(150…160) оС. СПГ с указанной температурой и давлением около 5 МПа выводится из последнего теплообменника и дросселируется до давления, близкого к атмосферному, и направляется в хранилище.
Анализ технологических схем каскадных установок сжижения природного газа показывает, что снижение энергетических затрат такого цикла достигается увеличением числа каскадов и ступеней сжатия, а также дросселированием хладагентов в каждом каскаде. Это, в свою очередь, приводит к усложнению установки, увеличению числа компрессоров и теплообменников. Наличие множества теплообменного оборудования и трех типов компрессоров приводит к существенному росту трубопроводных коммуникаций, что, в свою очередь, увеличивает стоимость завода.
Дальнейшие усилия исследователей и проектантов заводов по производству СПГ были направлены на разработку технологий, позволяющих уменьшить типаж компрессорного оборудования, а также протяженность и металлоемкость технологических трубопроводов. Выполнение указанных требований было сопряжено с заменой трех типов холодильных агентов на один, состоящий из соответствующей смеси газов и способный обеспечить выработку холода в широком диапазоне температур от +(20...30) оС до –(160..170) оС. В этом случае представилось возможным заменить три типа компрессоров на один при соответствующем уменьшении числа теплообменных аппаратов, что облегчило их выбор, обслуживание, ремонт и протяженность межцеховых коммуникаций. Принципиальная схема однопоточного цикла на смешанном холодильном агенте представлена на рисунке 58. Она предполагает циркуляцию многокомпонентного холодильного агента, состоящего из бутанов, пропана, этана и азота, в замкнутом контуре с помощью одного компрессора. Холодильный агент, после сжатия в компрессоре охлаждается и частично конденсируется в водяных холодильниках. Образовавшаяся газожидкостная смесь подается в сепаратор из которого жидкая фаза направляется для выработки холода, обеспечивающего охлаждение и частичную конденсацию паровой части хладагента (из сепаратора ступени I) и природного газа.
Рисунок 58- Принципиальная схема однопоточного цикла сжижения на смешанном холодильном агенте
КНД – ступень компрессора низкого давления; КВД – ступень компрессора высокого давления; 1 – дроссель; 2, 3, 4 – теплообменники; 5, 6, 8, 10 – сепараторы; 7, 9 – теплообменники водяные
Образовавшаяся в трубках теплообменника двухфазная смесь хладагента направляется в сепаратор ступени II для последующего разделения на паровую и жидкую фазы. Жидкость из сепаратора второй ступени используется для выработки холода на более низком холодильном уровне с целью конденсации паровой части холодильного агента (из сепаратора ступени II) и сжижения природного газа. Паровая фаза холодильного агента из ступени II представляет собой азотометановую смесь, которая после конденсации и охлаждения используется для выработки холода на температурном уровне -(120...130)…-170 оС (ступень III). Преимущества технологии, основанной на использовании однопоточных холодильных циклов, оказались столь значительными, что все последующие заводы сжижения природного газа были реализованы на различных модификациях этого цикла.
Информационный поиск по вопросу современного состояния и тенденций развития мировой промышленности производства и использования СПГ показал высокое значение СПГ в мировой экономике. СПГ обладает лучшими энергетическими свойствами, чем нефтяные топлива, при использовании оказывает меньшее загрязняющее воздействие на окружающую среду, имеет огромную сырьевую базу. Однако криотопливо (каковым, по сути, и является СПГ) имеет и свои недостатки: малую плотность, крайне низкие температуры существования и хранения, летучесть, а при халатном отношении – взрывоопасность, что изначально вызывает (пока, во всяком случае) определенную настороженность при постановке вопроса об их использовании и сомнения в целесообразности широкого внедрения такого вида энергоносителей, даже, несмотря на экономические, энергетические и экологические его преимущества.
Первая в мире газосжижающая станция (терминал) была построена еще в 1917 г. В Западной Вирджинии, США. Однако в силу сложности технологического процесса начало эры коммерческого использования сжиженного природного газа относится к значительно более позднему сроку – к концу 50-ых годов. В середине 50-ых годов были разработаны различные проекты танкеров и рефрижераторных барж для перевозки жидких углеводородов и проведены необходимые тесты. В 1959 г. состоялась первая танкерная перевозка сжиженного газа из США в Великобританию. Тогда же предполагалось начать и коммерческий проект поставок СПГ из Венесуэлы в Великобританию, однако в 1960 г. были открыты гигантские газовые месторождения в Ливии и Алжире, которые расположены в два раза ближе. Поэтому первым коммерческим проектом стали поставки СПГ из Алжира в Великобританию в 1964 г. В 1969 г. начались первые поставки СПГ из Аляски в Японию.
Ускоренный рост спроса на сжиженный газ в дальнейшем был обусловлен как общим развитием промышленности, так и с резким увеличением доли газа в мировой энергетике. Кроме того, более высокая удельная теплотворная способность и чистота СПГ по сравнению с обычным газом делала его использование привлекательным особенно в развитых странах. Рост потребления СПГ сдерживался только относительно высокой стоимостью его производства, хотя удельные затраты на сжижение, транспортировку и регазификацию непрерывно снижались. К 1970 г. в перевозках сжиженного газа в мире участвовало уже 11 судов-газовозов (рисунок 59).
Рисунок 59 - Современный танкер-метановоз
Первым азиатским производителем СПГ был Бруней, который вышел на мировой рынок в 1972 г. и в настоящее время экспортирует около 7 млн. т. в год, находясь по этому показателю в середине стран – экспортеров сжиженного газа. В 70-90-х годах прошлого века начинаются интенсивные работы по созданию более эффективных технологий для производства и использования СПГ. В значительной степени они были стимулированы экспортом огромного количества сжиженного газа из таких газодобывающих стран, как Алжир, Ливия, Индонезия. Продолжающееся лидерство этих стран в области экспорта СПГ объясняется отсутствием адекватного спроса на газ в близлежащих регионах, невозможностью использовать трубопроводы для дальних морских транспортировок и относительной близостью их географического положения к странам – потребителям газа.
Развитые промышленные государства, являясь основными потребителями всех видов энергоресурсов, имеют к настоящему времени действующие ожижители и работающие на СПГ и СУГ транспортные средства (грузовые и легковые автомобили, автобусы, тепловозы, суда). Мировыми лидерами в этой области являются США и Канада. В США работают около 600, а в Канаде – около 700 газоперерабатывающих заводов. СУГ занимают значительное место в балансе потребления энергоресурсов этих стран. В настоящее время в США и Канаде потребление газа в виде СУГ составляет соответственно 17 и 25% от всего объема потребляемого газа, в основном, за счет собственной добычи. Этот газ используется главным образом для выработки электроэнергии и на транспорте.
Строительство заводов по производству СПГ сейчас продолжается во всем мире, расширяются производства в Австралии, Алжире, Малайзии. Разработка прогрессивной технологии получения сжиженного газа стала важным фактором расширения географии торговли газом. Поэтому производство СПГ – весьма быстро развивающаяся отрасль энергетической системы мира. Расширяется география не только производителей СПГ, но и его импортеров, как в Атлантическом бассейне так и в странах АТР.
В настоящее время в мире сформировалось три крупных региональных центра потребления СПГ – рынок стран Юго-Восточной Азии и Индии, рынок стран Западной Европы и Великобритании, и рынок Северной Америки – США и Канады.
В России первый завод по производству СПГ в рамках проекта Сахалин-2 (см. рисунки 60 и 61) был введен в эксплуатацию в 2009 году. Производственная мощность комплекса СПГ – 9,6 млн. т в год.
Рисунок 60 - Нефтегазовый проект Сахалин-2
Рисунок 61 - Завод по производству СПГ нефтегазового