Регазификация сжиженного природного газа технология

ООО «НПО Мониторинг»

Станция регазификации сжиженного природного газа в блочно-модульном исполнениии

Н.В. Павлов, канд. техн. наук, К.А. Иванов, ООО «НПО Мониторинг»; О.Я. Черемных, канд. техн. наук АО «Уралкриомаш»

В последние годы в России активно ведутся работы по применению сжиженного природного газа (CПГ) в качестве топлива как в промышленности и коммунальном хозяйстве, так и транспортной отрасли. В создаваемых с этой целью комплексах основным компонентом является крупнотоннажная станция ожижения природного газа, размещаемая вблизи магистрального газопровода. СПГ с этой станции доставляется на станции его регазификации. Рассмотрены основные составляющие проекта станции регазификации природного газа, в которой применяется максимально агрегатированное в блоки и модули оборудование.

В проекте предусмотрено использование таких ключевых элементов собственного изготовления, как эффективные атмосферные газификаторы СПГ («НПО Мониторинг») и криогенные контейнеры-цистерны для транспортировки СПГ (АО «Уралкриомаш»).

1. ВВЕДЕНИЕ

Объём мирового товарного производства сжиженного природного газа (СПГ) в 2014 г. году возрос до 10,7 млн. т. К 2040 г. в структуре международной торговли природным газом доля СПГ достигнет 48 % [1, 2].

Доля России на мировом рынке СПГ на сегодняшний день составляет менее 5 %, в то время как по добыче природного газа Россия является мировым лидером. Так, в 2014 г. в стране его было добыто 639 млрд. м 3 .

В последнее десятилетие в стране активно разворачиваются работы по применению СПГ в качестве топлива как в промышленности и коммунальном хозяйстве, так и транспортной отрасли.

Автономная газификация населенных пунктов и промышленных предприятий, удаленных от существующей трубопроводной газотранспортной системы, — наиболее перспективное применение СПГ внутри страны.

В структуре Газпрома это направление развивает компания «Газпром Газэнергосеть». Первый её пилотный проект — реализация автономной газификации трёх посёлков в Пермском крае: Ильинский, Нерва и Северный Коммунар [3]. Также ведутся переговоры по автономной газификации с использованием СПГ в Томской, Вологодской, Кировской, Новосибирской и др. областях.

Рис. 1. Общий вид станции регазификации СПГ

Основной концепцией пилотного проекта является создание комплекса, включающего станцию ожижения природного газа в точке доступа к магистральному газу, а также сеть станций регазификации внаселенных пунктах и на промышленных объектах, имеющих транспортную доступность к указанной станции ожижения. Обычно удаленность таких объектов не превышает 400 км.

2. СТАНЦИЯ РЕГАЗИФИКАЦИИ СПГ

Используемая компанией «Газпром Газэнергосеть» схема станции регазификации включает в себя несколько стационарных криогенных ёмкостей-хранилищ СПГ, узел заправки, систему атмосферных испарителей и электрический подогреватель, соединенные между собой трубопроводами и арматурой (рис. 1).

Станция на своей территории имеет систему молниезащиты и пожаротушения. Заправка стационарных ёмкостей сжиженным природным газом производится периодически (по мере его расходования) от транспортной криогенной цистерны, доставляющей СПГ со станции ожижения. Такая схема является стандартной при использовании в качестве хранилища СПГ стационарных ёмкостей.

В то же время использование такой схемы станции регазификации приводит как к усложнению объекта, так и к весьма значительному увеличению капитальных затрат на её создание. Это связано с несколькими причинами:

• большим количеством требующихся криогенных ёмкостей для создания сети, включающей станцию ожижения и станции регазификации СПГ, так как кроме стационарных ёмкостей необходимо иметь ещё для доставки СПГ цистерны-полуприцепы;
• существенными затратами на строительные работы по созданию станций регазификации, обусловленные необходимостью больших площадок для размещения станции, сооружением объёмных фундаментов для стационарных ёмкостей;
• значительными сбросами природного газа в атмосферу в процессе заправки стационарных ёмкостей от передвижного заправщика, что сказывается на безопасности объекта.

«НПО Мониторинг» разработан проект станции регазификации природного газа с использованием оборудования максимально агрегатированного в блоки и модули. Станция регазификации включает в себя:

1. Две контейнер-цистерны типа КЦМ 40/09 производства АО «Уралкриомаш» (рис. 2). Каждая цистерна с объёмом 40м3 предназначена для перевозки и выдачи потребителю сжиженного природного газа. Контейнер-цистерна имеет сертификат морского регистра.

Рис. 2. Контейнер-цистерна типа КЦМ 40/09

Конструктивно выполнена в габаритах 40-футового контейнера. Основные её характеристики указаны в таблице. В цистерне применены материалы, которые подходят, во-первых, для изготовления транспортируемых и существенно нагруженных конструкций, во-вторых, для работы в условиях криогенных температур и превышающих атмосферное рабо-чих давлений CПГ. Так, для сосуда выбрана корозионностойкая сталь 08Х18Н10Т (ГОСТ 5632); для оболочки — низколегированная сталь 09Г2С-14 (ГОСТ 19281); для трубопроводов и арматуры — коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т. Цистерна транспортируется полуприцепом – контейнеровозом. На площадке контейнер-цистерна может оставаться на полуприцепе или сниматься с прицепа специальными гидравлическими подъемниками. В рабочем режиме сжиженный природный газ выдаётся из одной контейнер-цистерны, в то время, как вторая находится на заправке на станции ожижения или в режиме ожидания.

2. Два узла подключения контейнер-цистерн, включающих в себя необходимую предохранительную и запорную арматуру, в том числе и автоматическую (рис. 3). Каждый узел выполняет функцию соединения контейнера-цистерны с последующим блоком испарителей, автоматического переключения контейнера-цистерны, а также функцию продувки и дегазации соединительного трубопровода.

Рис. 3. Узел подключения контейнера-цистерны

Характеристики контейнера-цистерны КЦМ 40/09 для сжиженного природного газа (СПГ):

Источник

Регазификация: принцип и технологический расчет

Регазификация СПГ обычно производится в теплообменниках, где СПГ подогревается горячим теплоносителем и которые рассчитываются исходя из расхода СПГ, который необходимо регазифицировать, и температуры и давления, требуемых в газораспределительной системе.

В метановом терминале наиболее часто в качестве теплоносителя используется морская вода, а теплообменники типа «регазификатор с орошением» (морская вода стекает вдоль вертикальных трубок, в которых СПГ циркулирует под давлением и постепенно испаряется снизу вверх в этих трубках).

Необходимость корректировки параметров природного регазифицированного газа в соответствии с условиями распределительной сети, в которую он поступает, и возможность рекуперации холода СПГ являются двумя критериями, которые благодаря их комбинации позволяют сооружать различные установки регазификации как с точки зрения способа регазификации, так и с точки зрения используемых теплообменников.

Корректировка параметров распределяемого газа

Независимо от необходимости согласования давления и температуры на выходе из регазификаторов с давлением и температурой в газораспределительной сети, качество газа также должно быть соответствующим образом отрегулировано.

Для этого могут быть использованы различные способы как до, так и после регазификации:

• обеднение закачкой жидкого азота в СПГ, закачкой воздуха или извлечением тяжелых углеводородов после регазификации;
• обогащение закачкой пропан-бутановой фракции после регазификации.

Рекуперация холода из СПГ

По соображениям рационализации производства и экономии энергии в процессе регазификации можно рассмотреть различные способы утилизации холода СПГ в потребляющих холод отраслях промышленности вместо того, чтобы просто выпускать его в окружающую среду.

Анализ энтальпийной диаграммы одного из СПГ при данном давлении позволяет оценить количество тепла, необходимого для его разогрева, или наоборот, количество холода, которое он может отдать.

Характеристики различных СПГ
CH4	СПГ1	СПГ2	СПГ3
Состав, ммоль %	Азот	N2	0,00	0,20	0,30	1,40
	Метан	C1	100	96,60	91,125	36,40
	Этан	C2	0,00	3,20	5,35	8,50
	Пропан	C3	0,00	0,00	1,50	2,30
	Изобутан	IC4	0,00	0,00	0,26	0,33
	n-бутан	nC4	0,00	0,00	0,35	0,52
	Пентан	C5+	0,00	0,00	0,115	0,00
Объемная масса, кг · м -3			430,5	454,3	473,2

Количество холода зависит от состава СПГ, его давления и температуры, при которых снимается холод. Это количество: больше при низком, чем при высоком давлении; при данном давлении зависит от уровня температуры; изменение энтальпии СПГ в зависимости от температуры нелинейно.

Холод, заключенный в СПГ, может быть использован для охлаждения другого тела непосредственно теплопередачей. Эта отдача тепла может быть напрямую оценена по изменению энтальпии СПГ. Доля холода от заключенного в СПГ общего его количества, которая может быть рекуперирована на трех температурных уровнях, показана в нижеследующей таблице:

Пределы изменения температуры СПГ, °С	Доля холода, которая может быть рекуперирована теплопередачей при давлении 9,0 МПа, %
–150 … –100	24
–100 … –50	34-42
–50 … 0	33-42

С другой стороны, холод, заключенный в СПГ, может быть превращен в работу в термодинамическом цикле с двумя изотермами между температурой холодного источника, которым является СПГ, и температурой горячего источника. Максимальное значение рекуперируемой работы может быть рассчитано, принимая в качестве горячего источника окружающую среду с температурой 25°С, что идеально подходит для температуры СПГ, исходя из второго начала термодинамики:

dW = dQ (1 – T₀/T), где

T – температура СПГ (T < T₀);

dQ – теплота, переданная в цикле;

R = dW/dQ = T₀/T – 1

Эффективность R превращения холода СПГ в работу уменьшается с увеличением температуры СПГ и, следовательно, это превращение более рентабельно для СПГ на самом низком температурном уровне.

Пределы изменения температуры СПГ, °С	Доля от общего количества холода СПГ, рекуперируемая превращением холода в работу при давлении 9,0 МПа, %
–150 … –100	48
–100 … –50	33-38
–50 … 0	14-18

В заключение отметим, что при очень низких температурах количество располагаемого холода не очень значительно (1/4 располагаемого количества между –150°С и –100°С), но позволяет получить большую часть полной работы, которая может быть рекуперирована (1/2) (Р = 9,0 МПа).

Имеются способы утилизации холода СПГ по каждому из таких двух путей – теплопередачей или преобразованием в работу, которые являются внутренними или внешними по отношению к собственно регазификации СПГ.

Работа, эквивалентная одной фригории (единицы холода),
в зависимости от температуры.

Источник: «Энциклопедия газовой промышленности» (1994)

Источник