Актуальность проблемы. Современное развитие процессов сжижения природного газа и его использования характеризуется двумя основными направлениями — крупнотоннажное и малотоннажное производство сжиженного природного газа (СПГ).
Крупнотоннажное производство СПГ осуществляется в районе его добычи, доставка СПГ осуществляется морским транспортом для последующей его реализации потребителям с целью обеспечения стратегических интересов экономики государства.
При малотоннажном производстве СПГ, сжижение газа производится на локальных установках (производительность — не более 10 т/час), расположенных вблизи газопроводов: газораспределительные станции (ГРС), автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС), газокомпрессорные станции (ГКС), — с доставкой потребителям (в радиусе до 200 км) для использования в качестве газомоторного топлива для транспорта или замещения дизельного топлива или топочного мазута на предприятиях с энергоемкой технологией. Основная проблема развития малотоннажного производства СПГ обусловлена необходимостью адаптации и совершенствования существующих технологий сжижения газа к особенностям эксплуатации локальных установок (регулярное изменение термобарических параметров и состава сетевого газа) и достижения конкурентоспособной стоимости производства продукта с высокими потребительскими свойствами.
Организация малотоннажного производства СПГ на объектах ОАО «Газпром» возможна на ГРС, АГНКС и ГКС без ущерба их основной деятельности. Суммарный (в целом по Российской Федерации) потенциал малотоннажного производства СПГ на ГРС и АГНКС оценивается ОАО «Газпром» в объеме более 14 млн. т в год или около 20 млрд. м 2/год (в денежном эквиваленте — более 100 млрд руб./год). Наиболее перспективным направлением развития малотоннажного производства СПГ является технология сжижения газа на ГРС, базирующаяся на использовании перепада давлений между магистральным и распределительным газопроводами, что позволяет заметно снизить затраты энергии на сжижение газа (термодинамические циклы с внутренним охлаждением газа).
Поэтому исследование комплекса вопросов повышения эффективности малотоннажного производства СПГ на ГРС является актуальной научной проблемой, имеющей важное практическое значение.
Цель работы — разработка и совершенствование технических и технологических решений для повышения эффективности сжижения природного газа на ГРС магистральных газопроводов.
Основные задачи исследований.
1. Исследование процесса сжижения природного газа в термодинамическом цикле с внутренним охлаждением для обоснования схемно-технологических решений и определения режимных параметров установки для сжижения природного газа на ГРС с высоким содержанием диоксида углерода (СО?).
2. Исследование режимов работы установки сжижения газа на ГРС для выбора способа стабилизации ее производительности при изменениях давления в магистральном газопроводе.
3. Исследование эффективности различных циклов сжижения для повышения температуры газа при редуцировании на ГРС.
Научная новизна.
На основе выполненных исследований предложена и обоснована усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС, отличающаяся разделением потока газа на технологический и продукционный потоки двухпоточная схема), с минимизацией влияния на производительность установки сжижения газа неустойчивых условий эксплуатации газопроводов.
Для эффективной реализации усовершенствованной технологической схемы сжижения газа на ГРС разработаны:
— способы стабилизации производительности установки сжижения газа в условиях изменения давления в магистральном газопроводе (до 15% от номинального значения) как за счет имеющегося запаса по теплообменной поверхности, так и за счет повышения давления продукционного потока (для циклов с детандером) или промежуточного внешнего охлаждения (для циклов с простыми расширительными устройствами);
— способ повышения температуры газа при редуцировании (совмещенный с процессом сжижения газа) за счет эффективного использования энергии расширения газа в волновом детандере для подогрева газа в газопроводе;
— методический подход к выбору режимных параметров циклов работы установки сжижения газа.
Установлено, что при высоких содержаниях диоксида углерода в сетевом газе можно исключить очистку технологического потока или за счет снижения производительности установки (сжижение в неоптимальных режимах) или путем повышения давления продукционного потока (цикл двух давлений).
Защищаемые положения.
1. Усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС с применением двухпоточной схемы, с разделением потока сетевого газа на входе в установку сжижения на два потока — продукционный и технологический, что позволяет сократить нагрузку на систему очистки от СО2 и использовать в цикле Клода более простые расширительные машины и устройства (волновой детандер, вихревую трубу и др.), а в цикле Линде — уменьшить общую теплообменную поверхность аппаратов;
2. Способы стабилизации производительности установки сжижения природного газа на ГРС при изменении давления в магистральном газопроводе:
•для циклов с детандером — применение цикла двух давлений или использование запаса по теплообменной поверхности и производительности расширительной машины;
•для циклов с простыми расширительными устройствами — применение промежуточного внешнего охлаждения.
3. Способ повышения температуры газа при редуцировании газа на ГРС за счет эффективного использования энергии расширения газа в волновом детандере для подогрева газа в газопроводе.
Практическая значимость и реализация работы.
Усовершенствованная технологическая схема сжижения природного газа на ГРС с применением двухпоточной схемы позволяет сократить в 5-^6 раз потребное количество адсорбента в блоке очистки и использовать простые расширительные устройства. В результате, срок окупаемости инвестиций снижается на 2050 % при содержании С02 в сетевом газе 0,05 0,5%, соответственно. При этом цена газа у потребителя (с учетом доставки и регазификации) может быть снижена с 9 — 10 руб./м3 до 7 руб./м3.
Разработанные способы поддержания постоянной производительности ожижительной установки обеспечивают устойчивую работу оборудования у потребителя при колебаниях давления в магистральном газопроводе до 20%.
Использование волнового детандера в установке сжижения газа производительностью 1000 кг/час в двухпоточной схеме сжижения природного газа на ГРС позволяет поднять температуру потока газа в газопроводе на 5 °C при расходе около 90 000 м3/час, что исключает необходимость подогрева этого газа в специальном огневом подогревателе.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены на заседаниях Научно-технического совета ОАО «Газпром», Ученого совета ООО «Газпром ВНИИГАЗ», а также конференциях и семинарах:
• на заседании секции «Распределение и использование газа» Научно-технического совета ОАО «Газпром» «Научно-методические подходы и практическая реализация проектов альтернативного газоснабжения регионов РФ» (Екатеринбург, 10−11.12.2008);
• на Международной конференции «Криогенные технологии и оборудование для газификации объектов промышленности, ЖКХ и транспорта» (Москва, 13- 15.10.2009);
• на заседаниях Ученого совета ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и его секциях: «Газотранспортные системы, надежность и ресурс объектов ЕСГ», «Математическое моделирование и информатика», «Строительство скважин и промысловая подготовка газа», (пос. Развилка, 2008, 2009, 2010 гг.).
Публикации.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 работах (в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, — 5). Общее количество публикаций автора — 10 работ.
Структура работы.
Диссертационная работа включает введение, четыре главы, основные выводы, список литературы. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 33 рисунка. Библиографический список включает 36 наименований.
Основные выводы.
1. На основе анализа современного состояния развития процессов сжижения природного газа и его использования показано, что наиболее перспективным направлением развития малотоннажного производства СПГ является технология сжижения газа на ГРС, базирующаяся на использовании перепада давлений между магистральным и распределительным газопроводами. При этом основная проблема широкого внедрения технологии связана с необходимостью ее адаптации к особенностям эксплуатации газопроводов (регулярное изменение термобарических параметров, расхода и состава сетевого газа) и достижения конкурентоспособной стоимости СПГ.
2. Разработана усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС с разделением потока сетевого газа на входе в установку сжижения на два потока — продукционный и технологический. Это позволяет сократить нагрузку на систему очистки от С02 и использовать в цикле Клода более простые расширительные машины и устройства (волновой детандер, вихревую трубу и др.), а в цикле Линде — уменьшить общую теплообменную поверхность аппаратов. Использование двухпоточной схемы позволяет проводить очистку от С02 только продукционного потока (при содержании С02 в сетевом газе до 5%), в результате масса адсорбента и стоимость системы очистки уменьшаются в 5 6 раз.
3. Для усовершенствованной технологической схемы сжижения газа на ГРС разработаны:
— способы стабилизации производительности установки сжижения газа в условиях изменения давления в магистральном газопроводе (до 15% от номинального значения) как за счет имеющегося запаса по теплообменной поверхности, так и за счет повышения давления продукционного потока (для циклов с детандером) или промежуточного внешнего охлаждения (для цикt лов с простыми расширительными устройствами);
— способ повышения температуры газа при редуцировании (совмещенный с процессом сжижения газа) за счет эффективного использования энергии расширения газа в волновом детандере для подогрева газа в газопроводе;
— методический подход к выбору режимных параметров циклов работы установки сжижения газа.
4. При производстве СПГ на ГРС, с использованием усовершенствованной технологической схемы сжижения газа, становится экономически оправданным использование более простых расширительных устройств (вихревые трубы, дроссельные вентили и волновые детандеры), что приводит к заметному снижению стоимости установки и повышает надежность ее работы.
5. Реализация усовершенствованной технологической схемы сжижения газа, с использованием волнового детандера в качестве расширительного устройства, позволит снизить стоимость установки сжижения газа (производительность 1 ООО кг/час) с 19 до 9,5 млн руб. и сократить срок окупаемости инвестиций на 20% и на 50% при содержании СО2 в исходном газе 0,05% и 0,5%, соответственно.
