Если будет принято решение о эксплуатации завода с учетом изменяющихся объемов, которые зависят от температуры окружающей среды, то необходимо будет адаптировать характеристики сырого газа и транспортную логистику сжиженного природного газа (СПГ) к таким variациям.
Развитие технологий производства сжиженного природного газа
Автор: О.В. Крюков (ОАО Гипрогазцентр).
Опубликовано в журнале «Химическая техника» №1/2015.
На современном этапе, включая среднесрочную перспективу, природный газ представляет собой критически важный компонент для удовлетворения глобальных энергетических потребностей, поскольку он имеет множество преимуществ перед другими видами ископаемого топлива. Это обстоятельство обуславливается также неуклонно растущим спросом на данный ресурс.
На сегодняшний момент подавляющее большинство газа доходит до потребителей по магистральным трубопроводам в газообразном состоянии. Однако в определенных случаях, особенно на труднодоступных и удаленных месторождениях, транспортировка сжиженного природного газа (СПГ) оказывается более приемлемым вариантом по сравнению с традиционными трубопроводами. Экономические расчеты показывают, что перевозка СПГ танкерами становится финансово целесообразной, если расстояние составляет более 2500 км, хотя ситуация с Сахалинским заводом СПГ иллюстрирует, что существуют и исключения из этого правила.
Кроме того, индустрия СПГ сегодня является ведущей силой в глобализации газовой отрасли и значительно расширила свои границы, в отличие от ситуации в начале 1990-х годов, когда она была сосредоточена в основном в отдельных регионах.
Пока спрос на СПГ продолжает расти, обеспечение техническими средствами для выполнения конкурентоспособных проектов СПГ в нынешней экономической среде представляет собой сложную задачу. Одной из ключевых характеристик заводов СПГ является то, что значительная часть затрат определяется специфическими параметрами, такими как качество добываемого сырого газа, природные и климатические условия, топография местности, объемы морских работ, уровень доступности инфраструктуры, а также экономические и политические факторы.
Технологии подготовки газа и его сжижения вызывают особый интерес, так как они уже используются на современных заводах СПГ и могут быть классифицированы по различным критериям. Более того, эти технологии могут быть реализованы в различных климатических условиях: как в теплых южных широтах, так и в более суровых северных широтах.
В соответствии с вышесказанным, возможно тщательно проанализировать отличия между этими двумя группами технологий, учитывать особенности и недостатки каждой из них, и применять полученные знания для строительства и эксплуатации новых проектов СПГ в России, особенно в арктических условиях. Несмотря на наличие накопленного опыта, перспективное развитие арктических территорий, где сосредоточено до 25% неразведанных запасов углеводородов, может в будущем обеспечиваться в значительной степени благодаря инновациям, способным повысить эффективность и конкурентоспособность.
История производства СПГ
Эксперименты по сжижению природного газа начали проводиться еще в конце 19-го века, однако только в 1941 году был сдан в эксплуатацию первый коммерческий завод СПГ в Кливленде, штат Огайо, США. Значительное достижение, подтверждающее возможность транспортировки СПГ на большие расстояния, произошло в 1959 году, когда СПГ был перевезен танкером Methane Pioneer.
Первым экспортным установлением с базисной нагрузкой стал проект Camel, реализованный в Арзеве, Алжир, и запущенный в 1964 году. В свою очередь, первый завод, который начал производство СПГ в условиях северного климата, заработал в 1969 году в США на Аляске. Большая часть работ по разработке технологий подготовки газа и его сжижения была и остается в ведении научных групп, занимающихся исследованиями и разработками в рамках коммерческих предприятий. Данные о ключевых участниках международного бизнеса по производству СПГ и дате открытия их заводов представлены в таблице 1.
На начало 2014 года в мире действовало 32 завода по производству СПГ, расположенных в 19 странах, в то время как 11 производств в пяти странах находились на стадии строительства, а в восьми странах проектировалось создание еще 16 заводов. В России, помимо завода СПГ на острове Сахалин, был инициирован проект строительства Балтийского СПГ в Ленинградской области, также планируется завод СПГ на Ямале с привлечением иностранных партнеров. Существуют предложения по созданию мощностей СПГ для разработки Штокмановского и Южно-Тамбейского месторождений, а также для реализации проектов Сахалин-1 и Сахалин-3.
В реализации проектов, связанных со сжиженным газом, участвует множество российских организаций, таких как ООО Газпром ВНИИГАЗ, Московский газоперерабатывающий завод, Сосногорский и Оренбургский газоперерабатывающие заводы, ОАО Машиностроительный завод «Арсенал», ОАО НПО «Гелиймаш», ОАО «Криогенмаш», ОАО «Уралкриомаш», ОАО «Гипрогазцентр» и другие.
Вся система СПГ включает в себя элементы добычи, первичной обработки, перекачивания, сжижения, хранения, погрузки, транспортировки, разгрузки и регазификации. Проекты СПГ требуют значительных временных, финансовых и трудовых затрат на стадии проектирования, экономической оценки, строительства и коммерческой реализации. Обычно процессы от стадии проектирования до практической реализации занимают более 10 лет, поэтому заключение долгосрочных контрактов на 20 лет стало обычной практикой. Запасов газа на месторождении должно быть достаточно для эксплуатации в течение 20–25 лет, чтобы его можно было рассматривать в качестве надежного источника легких углеводородов для СПГ. Ключевыми условиями для этого являются природа газа, доступное давление в пласте, взаимодействие как свободного, так и растворенного газа с нефтью, а также транспортные факторы, включая расстояние до ближайшего морского порта.
За последние годы индустрия СПГ сделала значительный шаг вперед. Если рассматривать все инновации этого периода как 100%, то 15% составляют улучшения процессов, 15% — модернизация оборудования, а 70% приходятся на теплоэнергетическую интеграцию. В то же время капитальные затраты уменьшились на 30%, в то время как расходы на транспортировку газа по трубопроводам также снизились. Налицо тенденция к увеличению мощностей технологических линий. С 1964 года мощность отдельной технологической линии возросла в 20 раз. При этом в условиях современного рынка газа, включая трудно доступные ресурсы, которые оцениваются в 127,5 трлн. м³, актуальной остается проблема длительной транспортировки сжиженного газа на большие расстояния через океаны и значительные водные пространства.
Введение в эксплуатацию заводов СПГ в мире
Компания Japan, JX Nippon Oil и другие отмечают, что из-за неравномерного распределения природного газа ресурсами в мире, реализация данных ресурсов по трубопроводам может оказаться как невыполнимой, так и экономически нецелесообразной. Для удаленных рынков, находящихся более чем в 2500 км, выбор сжиженного природного газа стал достаточно экономичным. Это обстоятельство привело к тому, что с 2005 по 2018 год объем глобальных поставок СПГ должен был удвоиться.
Сжижение природного газа: что это такое и для чего применяется
В данной части статьи вы сможете ознакомиться с основными аспектами использования сжиженного природного газа (СПГ), его преимуществами, а также узнать об основополагающем принципе его применения.
140050, Россия, Московская область, Люберецкий район, поселок Красково, улица Карла Маркса, дом 117, строение 16 (территория ВНИИСТРОМ, в 12 км от МКАД)
Недавно стало известно о запуске нового комплекса по сжижению природного газа (СПГ) компанией Газпром. Этот объект, расположенный в Амурской области, призван занять одно из ведущих мест в регионе и укрепить позиции России на мировом рынке СПГ.
Совершенный с учетом передовых технологий и строгих экологических стандартов, данный комплекс будет производить сотни тысяч тонн сжиженного газа ежегодно. Этот объем не только отвечает внутренним потребностям страны, но и способствует увеличению экспорта СПГ, особенно в страны Азиатско-Тихоокеанского региона.
С точки зрения экологии проект также продемонстрировал свою ответственность: в него внедрены современные системы очистки и мониторинга, которые призваны минимизировать влияние на окружающую среду.
Но что же такое сжижение природного газа и для чего его используют?
Природный газ является одним из ключевых энергетических ресурсов в мире. Тем не менее, его транспортировка в газообразном состоянии требует значительных затрат и сложной инфраструктуры. Чтобы сделать процесс транспортировки более экономически целесообразным и безопасным, природный газ преобразуется в сжиженный природный газ (СПГ).
- Транспортировка на большие расстояния: Основным преимуществом СПГ является его возможность транспортировки на танкерах, что позволяет доставлять газ в регионы, куда сложно или нецелесообразно прокладывать газопроводы.
- Хранение: Сжиженный природный газ позволяет сохранять большие объемы газа на относительно компактной площади, что особенно актуально в условиях ограниченного пространства или необходимости создания стратегических запасов.
- Гибкость поставок: Танкеры, перевозящие СПГ, могут быстро изменить направления доставки в зависимости от изменений рыночной ситуации, что обеспечивает большую гибкость в торговле газом.
- Снижение зависимости от газопроводов: Для стран, которые не хотят зависеть от поставок газа через определенные газопроводы или от определенных поставщиков, импорт СПГ может служить надежной альтернативой.
- Повышение энергетической безопасности: Наличие терминалов для приема СПГ позволяет странам расширять источники поставок газа, тем самым делает их менее уязвимыми к перебоям в поставках или политическим рискам.
- Применение в автомобильном транспорте: В ряде стран СПГ используется в качестве экологически чистого топлива для автомобилей, автобусов и даже некоторых типов судов, что делает его более чистым вариантом по сравнению с другими видами топлива.
- Поставки в удаленные регионы: В отдаленных регионах, где отсутствует доступ к газопроводной сети, СПГ может служить основным источником энергии для производства электричества или отопления.
Технологии получения сжиженных углеводородов и СПГ
Для преобразования метана из газового состояния в жидкое его необходимо охладить до -163 °C. Тем не менее, сжижение пропан-бутана осуществляется уже при температуре -40 °C. Это подразумевает значительные различия между технологиями и затратами, связанными с каждым из процессов.
Важно отметить, что один литр СПГ равен приблизительно 1,38 кубометрам натурального газа (данное значение варьируется в зависимости от температуры и давления), в результате чего происходит уменьшение объема примерно в 620 раз.
Для сжижения природного газа применяются различные технологии, разработанные различными компаниями, в том числе:
- AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
- Optimized Cascade;
- DMR;
- PRICO;
- MFC;
- GTL и другие.
Все указанные технологии основываются на процессах компримирования и/или теплового обмена. Операция сжижения осуществляется на заводе в несколько этапов, в ходе которых газ постепенно сжимается и охлаждается до температуры, при которой происходит переход в жидкую фазу.
Подготовка газовой смеси
Перед началом процесса сжижения сырого природного газа необходимо удалить воду, гелий, водород, азот, серные соединения и другие примеси. Для этого обычно используется адсорбционная технология глубокой очистки, при которой газовая смесь пропускается через молекулярные сита.
На втором этапе подготовки сырья происходят этапы, направленные на удаление тяжелых углеводородов. В результате в газе остаются лишь этан и метан (или пропан и бутан) с содержанием примесей менее 5%, что позволяет начинать процесс охлаждения и сжижения.
Первоначальная подготовка газа, включая удаление всего лишнего, осуществляется с целью защиты холодильного оборудования от повреждений, которые могут быть вызваны воздействием воды, углекислого газа, серных соединений и других агрессивных компонентов.
Фракционирование, что очень важно, помогает избавиться от вредных примесей и выделить только чистый газ для последующего сжижения. При атмосферном давлении температура, при которой метан переходит в жидкое состояние, составляет -163 °C; у этана — -88 °C, у пропана — -42 °C, а у бутана — -0,5 °C.
Разница в температурах по сути и объясняет, почему газ сначала разделяют на фракции, а лишь затем сжижают. Не существует единого подхода к сжижению для всех типов газообразных углеводородных соединений: для каждого типа приходится разрабатывать и внедрять свои технологические линии.
Основной процесс сжижения
Основой для перевода газа в жидкое состояние служит холодильный цикл, который использует различные хладагенты для переноса тепла от среды с низкой температурой к более теплой. Этот процесс многоступенчатый и требует наличия мощных компрессоров, которые обеспечивают расширение и сжатие теплоносителя, а также теплообменников.
Технологии компримирования являются высокоэффективными, энергоемкими и, как правило, затратными, но уже в одном цикле они позволяют уменьшить объем газа в 5–12 раз.
В зависимости от различных стадий сжижения применяются такие хладагентами, как:
- пропан;
- метан;
- этан;
- азот;
- вода (как морская, так и очищенная);
- воздух.
Например, для первичного охлаждения природного газа на заводе Ямал-СПГ, принадлежащем Новатэку, используется прохладный арктический воздух, что позволяет снизить температуру исходного материала с минимальными затратами сразу до +10 °C. В то время как в жаркий летний период применяется морская вода из Северного Ледовитого океана, температура которой на глубине стабильна и составляет 3-4 °C вне зависимости от времени года.
Перспективы сжиженного водорода
Помимо непосредственного сжижающего процесса, из природного газа можно получить еще один энергоноситель — водород. Химические формулы метана — СН4, пропана — С3Н8, бутана — С4Н10. Водородная составляющая присутствует во всех этих углеводородных соединениях, и задача состоит лишь в том, чтобы выделить его.
Ключевыми преимуществами водорода являются его экологичность и широкая доступность в природе, однако высокая стоимость его сжижения и потери из-за постоянного испарения сводят на нет большинство этих плюсов.
Чтобы перевести водород из газообразного состояния в жидкое, его необходимо охладить до температурного показателя -253 °C. Этот процесс требует наличие высокотехнологичных многоступенчатых систем охлаждения и установок сжатия/расширения. Пока подобные технологии остаются дорогими, однако ведутся активные работы по их удешевлению.
Рекомендуем также ознакомиться с нашей статьей, где мы подробно описана, как можно самостоятельно создать водородный генератор для использования в домашних условиях. Подробности можно узнать, перейдя по указанной ссылке.
В отличие от сжиженных углеводородов (LPG) и сжиженного природного газа (LNG), сжиженный водород обладает большей взрывоопасностью. При минимальной утечке в атмосфере, он при взаимодействии с кислородом образует газовоздушную смесь, способную воспламеняться при наличии минимального источника искры. Хранение жидкого водорода возможно лишь в специальных криогенных контейнерах. По этой причине сжиженный водород на данный момент имеет множество недостатков.
Сжиженные углеводородные газы (СУГ)
СУГ представляют собой углеводородные смеси на основе бутана и пропана, находящиеся в газообразном состоянии при нормальном атмосферном давлении и температуре. При небольшом понижении температуры или повышении давления они способны переходить в жидкое состояние.
Особенности производства СУГ
Сжиженные углеводородные газы получают как сопутствующее вещество во время добычи нефти, а также в процессе переработки на нефтеперерабатывающих предприятиях. Хотя современные технологии позволяют довольно эффективно отделять летучие фракции, на практике это обычно не делается.
Достоинства и недостатки
Продукты, состоящие из пропана, бутана и изобутана, используются в качестве сжиженного топлива. По отдельности эти газы не могут служить горючими: пропан становится взрывоопасным при температуре выше 0 °C, тогда как бутан и изобутан сжиживаются даже при незначительном охлаждении.
Смесь СУГ решает данные проблемы благодаря своим плюсам:
- Возможность хранения в жидкой форме при давлении не более 1,6 МПа и температурном диапазоне от -40 до +45 °C;
- Удобство хранения и транспортировки;
- Стабильность свойств — в отличие от бензина и дизельного топлива, характеристики СУГ менее подвержены изменениям;
- Высокое октановое число (90-110), которое зависит от процентного соотношения компонентов смеси;
- Экономичность — при сопоставимом расходе цена СУГ примерно в два раза ниже, чем у бензина и дизельного топлива;
- Экологическая чистота — СУГ сгорает намного эффективнее, выделяя при этом меньшие объемы вредных веществ.
Однако у СУГ есть и недостатки, среди которых:
- Переменность состава. Соотношение компонентов газовой смеси зависит от места производства нефти и особенностей технологии, из-за чего изменяются её химические и физические характеристики, что необходимо учитывать при эксплуатации;
- Плотность. Она почти в два раза выше, чем у воздуха, поэтому при утечке СУГ может накапливаться в нижних частях помещений — на первых этажах и в подвалах. Это создает потенциально взрывоопасную ситуацию, а также возможность отравления людей и животных;
- Прямая зависимость давления в контейнерах для хранения и транспортировки газов от температуры окружающей среды. Под воздействием солнечных лучей или в жарком климате вероятность взрыва значительно возрастает.
Также важно отметить, что сжиженные углеводородные газы по своей природе не имеют запаха, что создает определенные трудности при обнаружении утечек. Чтобы решить эту проблему, в состав добавляется этилмеркаптан (или этантиол), который обладает резким запахом сероводорода, что позволяет значительно быстрее обнаружить разгерметизацию системы.
Транспортировка СУГ
С нефтеперерабатывающих предприятий СУГ закачивается в железнодорожные цистерны, откуда отправляется на газонаполнительные станции. Там углеводородная смесь заполняет специальные баллоны, в которых она хранится и доставляется потребителям.
Внутри цистерн (баллонов, резервуаров) СУГ находится в двух агрегатных состояниях: в жидком и парообразном. Данные пары газа, скапливающиеся в верхней части емкости, поддерживают необходимое для сохранения основной массы углеводородов в жидком состоянии давление.
Это позволяет обеспечивать коммунальные предприятия, промышленные организации и отдельных потребителей необходимыми объемами топлива. Далее следует отметить, что сжиженные углеводороды занимают значительно меньший объем, что облегчает их хранение и транспортировку. Кроме того, в процессе распределения по трубопроводам и использования (сжигания) смесь переходит в газообразное состояние.
Сжиженный природный газ (СПГ)
Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой смесь природных газов, основным компонентом которой является метан (содержание составляет 75-99%). Процесс превращения газа в жидкость осуществляется посредством конденсации под воздействием криогенной температуры.
Основные характеристики СПГ
При атмосферном давлении конденсация природного газа происходит при температуре -161,5 °C. В процессе сжижения, объем СПГ уменьшается примерно в 600 раз. В этом агрегатном состоянии природный газ не имеет цвета и запаха, а его плотность в два раза меньше, чем плотность воды. Это вещество не воспламеняется, не обладает химической агрессивностью и токсичностью. Температура кипения жидкого природного газа составляет около -158…-163 °C.
Технология производства
Процесс преобразования газа в жидкость проходит через несколько этапов. На каждой стадии выполняется сжатие газа, что приводит к многократному уменьшению объемных показателей (от 5 до 12 раз), охлаждению и переходу к следующему этапу. Окончательное сжижение осуществляется на последнем этапе понижением температуры, что требует значительных затрат энергии — до 25% от общего количества энергии, содержащейся в веществе.
Современные промышленные предприятия используют следующие технологии для производства СПГ:
- компримирование — конденсация под постоянным давлением;
- рефрижераторный процесс в сочетании с дросселированием, что обеспечивает охлаждение с резким расширением вещества.
Критически важными для успешного сжижения газа являются качество теплоизоляционных материалов и эффективность работы теплообменного оборудования.
Порядок транспортировки
Транспортировка СПГ включает в себя следующие этапы:
- морской переход танкера, перевозящего сжиженный газ;
- автодоставка с использованием специального транспорта;
- доставка к месту назначения с помощью железнодорожных цистерн;
- регазификация до газообразного состояния.
После регазификации транспортируется к конечным потребителям по газопроводной сети.
Сферы применения
Сжиженный природный газ используется в качестве топлива в следующих областях:
- легковыми, грузовыми и пассажирскими автомобилями;
- железнодорожным и водным транспортом;
- энергетическими установками на промышленных предприятиях и в отдельных населенных пунктах;
- населением для бытовых и хозяйственных нужд.
В зависимости от поставленных задач сжиженный природный газ может быть использован как источник электрической или тепловой энергии, а также холодоснабжения для производственных процессов или бытовых нужд.
Достоинства СПГ
Сравнительно с традиционными видами топлива, СПГ обладает несколькими преимуществами, относящимися как к энергетическому, так и к экологическому и коммерческому аспектам. Эти преимущества становятся особенно яркими при использовании СПГ в качестве топлива как для газовых моторов, так и для энергоустановок.
- Повышенные показатели минимальной теплотворной способности и коэффициента полезного действия оборудования;
- Относительно низкая стоимость, что позволяет значительно сократить расходы на топливо;
- Высокая чистота, способствующая увеличению эксплуатационного ресурса оборудования.
Сжиженный природный газ используется в качестве топлива для котельных в замене традиционного мазута. Применение СПГ позволяет значительно снизить энергетические затраты, так как не требует разогрева и рециркуляции. К тому же, газовое топливо, в отличие от углеводородного, минимально изнашивает оборудование, так как не вызывает коррозии. Кроме того, использование СПГ упрощает обслуживание систем, так как не требуется проводить частую очистку камер сгорания, дымовых труб и горелок.
Процесс сжижения газа
- установка предварительной очистки и сжижения газа;
- технологические линии по производству СПГ;
- резервуары для хранения, в том числе специальные криоцистерны, работающие по принципу сосуда Дюара;
- газовозы для транспортировки на танкеры;
- системы для обеспечения завода электрической энергией и водой для охлаждения.
Существует технология, позволяющая сэкономить на сжижении до 50 % энергии за счет использования энергии, теряемой на газораспределительных станциях (ГРС) при снижении давления природного газа с магистрального трубопровода (4-6 МПа) до давления потребителя (0,3-1,2 МPa):
- используется как потенциальная энергия сжатого газа, так и естественное охлаждение газа при снижении давления.
- дополнительно экономится энергия, необходимая для подогрева газа перед подачей к потребителю.
Чистый СПГ не горит, сам по себе не воспламеняем и не подвержен взрывам.
На открытом воздухе и при нормальной температуре, СПГ возвращается в газообразное состояние и быстро смешивается с атмосферным воздухом.
При испарении природный газ может воспламениться, если взаимодействует с источником пламени.
Для воспламенения необходима концентрация испарений в атмосфере от 5 % до 15 %. При концентрации ниже 5 % происходит недостаток испарений для инициирования возгорания, а при превышении 15 % недостаточно кислорода в окружающей среде.
Для использования СПГ следует проводить регазификацию — испарение без присутствия воздуха.
СПГ является важным источником энергоресурсов для множества стран, включая Японию, Францию, Бельгию, Испанию и Южную Корею.
Транспортировка СПГ — это процесс, состоящий из нескольких этапов:
- морской переход танкера — газовоза;
- доставка автотранспортом с использованием специального транспорта;
- ж/д доставка с помощью вагонов-цистерн;
- регазификация СПГ до газообразного состояния.
Регазифицированный СПГ затем транспортируется конечным потребителям по газопроводам.
Основные производители СПГ по данным 2009 года:
Катар — 49,4 млрд м³, Малайзия — 29,5 млрд м³; Индонезия — 26,0 млрд м³; Австралия — 24,2 млрд м³; Алжир — 20,9 млрд м³; Тринидад и Тобаго — 19,7 млрд м³.
Основные импортеры СПГ в 2009 году: Япония — 85,9 млрд м³; Республика Корея — 34,3 млрд м³; Испания — 27,0 млрд м³; Франция — 13,1 млрд м³; США — 12,8 млрд м³; Индия — 12,6 млрд м³.
На 2021 год в Российской Федерации действовало 4 завода по производству СПГ.
Завод проекта Сахалин-2, запущенный в 2009 году, контролируется Газпромом. Доля участия компании Shell составляет 27,5%, а японских Mitsui и Mitsubishi — 12,5% и 10% соответственно.
По итогам 2015 года производство составило 10,8 млн тонн в год, что на 1,2 млн тонн превышает проектную мощность.
Тем не менее, из-за падения цен на мировом рынке доходы от экспорта СПГ в долларовом эквиваленте сократились по сравнению с 2014 годом на 13,3% и составили 4,5 млрд долларов США в год.
Крупным игроком на рынке российского СПГ стала компания НОВАТЭК, которая в январе 2018 года ввела в эксплуатацию СПГ-завод по проекту Ямал-СПГ.
Новатэк-Юрхаровнефтегаз (дочернее предприятие Новатэка) выиграла аукцион на право пользования Няхартинским участком недр в Ямало-Ненецком автономном округе.
Няхартинский участок нужен для реализации проекта Арктик СПГ — второго проекта Новатэка, ориентированного на экспорт СПГ.
В США было введено в эксплуатацию 5 терминалов для экспорта СПГ с общей мощностью 57,8 млн т/год.
На европейском газовом рынке началось активное противостояние между американским СПГ и российским трубопроводным газом.
