Использование сжиженного природного газа в качестве энергоносителя – задача государственной важности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

"Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ)

Факультет строительства и архитектуры

Кафедра теплогазоводоснабжения

Курс лекций

по дисциплине "Использование сжиженного природного газа в качестве резервного топлива"

Разработал:

доцент, к.т.н. В.А. Жмакин

Курск, 2014

1. Использование сжиженного природного газа в качестве энергоносителя - задача государственной важности

Разведанные ресурсы природного газа (ПГ) составляют свыше 11*109 т и более, что на два порядка превышает запасы нефти [6]. Благодаря более простой технологии добычи и переработки стоимость ПГ существенно ниже стоимости большинства традиционных топлив, в частности продуктов нефтепереработки. По мере вовлечения в разработку малодебитных нефтяных месторождений со сложными горно-геологическими условиями разность цен нарастает и, по некоторым оценкам, к 2010 г. цена нефтепродуктов может превысить цену ПГ в 2-3 раза. Поэтому ученые и энергетики всего мира считают XXI в. "эпохой метана". Уже сегодня в развитых государствах метан составляет значительную (в Финляндии, например, более 20%) часть топлива, используемого промышленностью. Многие государства мира, включая Россию, проводят целенаправленную политику по улучшению структуры топливно-энергетического баланса за счет снижения в нем доли нефти как топлива и замены ее газом. При этом размеры добычи нефти стабилизируются или сокращаются с целью продления возможности ее использования в качестве наиболее ценного природного химического сырья.

Транспортирование природного газа осуществляется, как правило, по магистральным газопроводам (МГ) под давлением 5,5-7 МПа с помощью компрессорных газоперекачивающих станций [2]. По газоотводам от МГ газ поступает на газораспределительные станции (ГРС), где его давление редуцируется до 0,3-1,2 МПа. Газ одорируется и по продукционным трубопроводам направляется на газораспределительные пункты (ГРП) компактно расположенных потребителей, удаленных от ГРС на расстояние до 40 км. Некоторая часть ПГ служит сырьем в химической промышленности, однако основная его доля сжигается в топках котельных, электростанций и в горелках бытовых газовых приборов.

Весьма незначительная часть ПГ используется в качестве эффективного моторного топлива газобаллонных автомобилей. Необходимый бортовой запас топлива создается закачиванием ПГ в баллоны на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) [6], которых в России насчитывается около 140. К сожалению, из - за ряда причин (рассредоточенность АГНКС по огромной территории, значительная их удаленность от гаражей, малый запас хода автомобилей при работе на компримированном газе и незначительный экономический стимул применения последнего взамен бензина или дизельного топлива) мощности АГНКС используются крайне неэффективно - не более чем на 13% [4], что соответствует ежедневной заправке всего лишь 5-6 тыс. автомобилей. В то же время за рубежом, особенно в Канаде, Италии, США, Новой Зеландии, газобаллонный транспорт эксплуатируется весьма успешно, а его постоянно расширяющийся парк насчитывает сотни тысяч единиц.

В последние годы активно обсуждается проблема производства сжиженного природного газа (СПГ) и его применения в целях коммунального газоснабжения населенных пунктов, в качестве котельного топлива на предприятиях топливно-энергетического комплекса (ТЭК), для создания систем резервирования газа, а также в качестве моторного топлива для автомобильного, железнодорожного, водного и воздушного транспорта.

Во всех перечисленных случаях ПГ используется (сжигается) в конечном итоге в газообразном агрегатном состоянии. Чем же обусловлена необходимость его сжижения?

В коммунальном хозяйстве и ТЭК сжижение ПГ обусловлено технико-экономическими преимуществами системы газоснабжения на его основе по сравнению с прокладкой газопроводов. В первую очередь это касается населенных пунктов и объектов ТЭК малой мощности, расположенных на значительных расстояниях от МГ или вне зоны действия ГРС. При расстоянии от МГ до потребителя более 40 км приведенные затраты на газоснабжение таких объектов с помощью СПГ оказываются ниже, чем для сетевого варианта [8]. Причем преимущества СПГ нарастают с уменьшением мощности потребителя и увеличением удаленности от источника газа. Отметим, что использование СПГ может рассматриваться и как временный способ газификации населенных пунктов, включенных в план трубопроводной газификации. После прокладки газопровода криогенное оборудование для СПГ может быть перемещено на новое место. Такая схема в течение многих лет успешно используется во Франции [8].

Системы резервирования газа с использованием СПГ характеризуются высокой компактностью, экономичностью и практически не имеют ограничений по выдаче газа, чем выгодно отличаются от подземных хранилищ газа (ПХГ), создание которых возможно далеко не везде из-за горно-геологических условий [2, 5, 8].

Несомненны преимущества СПГ и при использовании в качестве моторного топлива, что объясняется более высокой его плотностью по отношению к компримированному природному газу (КПГ).

По данным [3, 7], при хранении и транспортировке СПГ, несмотря на необходимость применения теплоизолированных криобаков, масса топлива в 1,5-3,5 раза выше, чем при использовании баллонов с давлением до 20 МПа.

Замена КПГ на СПГ позволяет существенно улучшить технические показатели транспортных средств: уменьшить габариты и массу системы хранения топлива, увеличить полезную грузоподъемность и запас хода от одной заправки, сократить за счет более редких заправок непроизводительные затраты, связанные с холостыми пробегами. Преимущества СПГ проявляются также при доставке газа на промежуточные пункты заправки. Относительная полезная масса топлива, доставляемого криогенными автозаправщиками, в 3-4 раза выше, чем при доставке заправщиками типа ПАГЗ на основе связки баллонов большого объема. Для таких же видов транспорта, как железнодорожный и водный, использование КПГ весьма проблематично. Что касается авиации, то перевод ее на газовое топливо возможен только на базе СПГ.

Известно, что автомобильный транспорт потребляет более 70% моторных топлив и является основным источником загрязнения воздушных бассейнов промышленных центров. В Москве, например, годовые выбросы вредных веществ автомобилями достигают 586000 т, что соответствует 85% промышленного загрязнения атмосферы. Поэтому использование СПГ на автотранспорте оправдано не только с технико-экономической, но и с экологической точки зрения (за рубежом, например в США и Германии, последний фактор является решающим при газификации автотранспорта).

Впервые применять СПГ начали в 50-х годах, когда в России были разработаны автомобили - рефрижераторы, в которых СПГ перед подачей в двигатель обеспечивал термостатирование изотермического кузова. В это же время в Москве было построено хранилище СПГ. успешно используемое для демпфирования неравномерностей потребления газа из городской коммунальной сети. В связи с созданием мощной сырьевой базы для производства дешевых бензинов на основе легкодоступных нефтяных залежей севера Западной Сибири интерес к СПГ угас и возродился вновь лишь в 80-х годах, когда по мере истощения месторождений объемы добычи нефти стали существенно падать. В это время были разработаны, изготовлены и испытаны на СПГ опытные партии автомобилей ЗИЛ-Э138П и ГА353-17, опытные образцы автобуса ЛАЗ-699Р, трактора МТЗ-80, самолета ТУ-155, маневрового тепловоза ТЭМ-2, магистральных газотепловозов 2ТЭ10Г, 2ТЭ116Г.

На рубеже 80-90-х годов в связи с ухудшением экономической ситуации работы по СПГ были заморожены, а достигнутые результаты не получили практического внедрения как по причине незавершенности работ, так и из-за отсутствия инфраструктуры по производству СПГ. В настоящее время, несмотря на финансово-экономические трудности и отсутствие целевого финансирования, интерес к проблеме СПГ вновь возрастает, что объясняется обостряющимся топливно-энергетическим кризисом, с одной стороны, и стремлением промышленных предприятий (в особенности конверсионных) к поиску эффективных сфер приложения своих производственных возможностей - с другой.

В 70-90-х годах интенсивные работы по производству и использованию СПГ проводились и за рубежом. В значительной степени они были стимулированы экспортом огромного количества сжиженного газа из таких газодобывающих стран, как Алжир, Ливия, Индонезия и др. Передовые промышленные государства имеют к настоящему времени действующие ожижители, опытные партии работающих на СПГ транспортных средств (грузовые и легковые автомобили, автобусы, тепловозы, суда), отдельные виды транспорта на СПГ выпускаются серийно или опытными партиями и находятся в эксплуатации. По материалам международного семинара "Сжиженный природный газ - моторное топливо. Состояние, перспективы, задачи", проведенного 2-3 июля 1998 г. в рамках 7-го заседания Комиссии при Правительстве РФ по использованию природного и сжиженного нефтяного газа в качестве моторного топлива наиболее впечатляющих успехов добились США. Великобритания особое внимание уделяет созданию пик-шевингрвьустановок, предназначенных для покрытия пиковых потребностей в газе. Необходимые запасы СПГ обеспечиваются работой 5 ожижителей. Активно начинают внедрять СПГ Германия, Финляндия, Норвегия. Успехи России на этом фоне выглядят достаточно скромными. В промышленных целях действует всего один ожижитель производительностью 400 кг/ч, созданный ЗАО "Сигма-Газ" в кооперации с другими предприятиями. Он обеспечивает работу котельной на 4 Гкал/ч, эксплуатацию автомобиля КамАЗ, часть СПГ экспортируется в Финляндию.

Широкомасштабное внедрение СПГ в народное хозяйство требует огромных инвестиций на разработку развитой инфраструктуры производства, хранения, распределения СПГ, а также на разработку или доводку технических устройств, использующих СПГ в качестве энергоносителя. Решение этой задачи возможно лишь в рамках взаимосвязанных долгосрочных государственной, отраслевых и региональных программ, но в ближайшем будущем довольно проблематично в силу тяжелого состояния экономики России. В то же время анализ показывает, что уже сегодня в регионах с высоким уровнем трубопроводной газификации возможно производство и применение СПГ в коммунальном хозяйстве, ТЭК и на автомобильном транспорте, хотя бы в рамках локальных проектов.

Наличие газопроводной сети позволяет организовать производство СПГ с помощью ожижителей, реализующих свободный перепад давлений действующих ГРС. Такие ожижители, работающие по дроссельному или детандерному циклам, характеризуются отсутствие сложного машинного оборудования, просты конструктивно и в эксплуатации, практически не потребляют электроэнергии. Они действуют по принципу частичного ожижения, подключаются параллельно редуцирующим устройствам ГРС таким образом, что несжиженная часть перерабатываемого ими ПГ сбрасывается в продукционный газопровод ГРС, как показано на схеме (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема совмещения ожижителя с ГРС

Коэффициент ожижения составляет около 2,5% в дроссельном и не менее 10% в детандерном цикле, что на ГРС производительностью 100 тыс. м³/ч обеспечивает получение 1,5-6,5 т/ч СПГ. При этом удельные энергозатраты не превышают 0,05 кВт*ч на 1 кг СПГ, т.е. на порядок ниже, чем для ожижителей, реализующих схему 100%-ного ожижения и работающих по таким широко применяемым циклам, как каскадный или однопоточный со смешанным хладагентом [1, 3]. Предварительная проработка показывает, что при производительности до 1000 кг/ч ожижители могут быть изготовлены в моноблочном или блочно-модульном исполнении в полной заводской готовности.

Указанные сферы использования малых количеств СПГ не требуют сколь-нибудь серьезной разработки газоиспользующего оборудования. Для коммунального газообеспечения населенных пунктов и снабжения топливом предприятий ТЭК применяют стандартные ГРП, на вход которых газ подается от холодных газификаторов СПГ снабженных регулятором давления.

Несколько сложнее обстоит дело с автотранспортом. Здесь необходима конвертация двигателей путем дополнительной установки газотопливной аппаратуры, включающей испаритель СПГ, газовый редуктор и смеситель для приготовления горючей смеси. Кроме того, на борту автомобиля должен быть установлен криобак с запасом СПГ, а также обеспечена возможность заправки автомобилей от заправочных колонок. Впрочем, к настоящему времени все элементы бортового хранения и использования СПГ в достаточной степени отработаны [3, 7], и перевод автомобилей на СПГ не должен вызывать серьезных затруднений.

Номенклатура криогенного оборудования для хранения, транспортирования и регазификации СПГ хорошо освоена (табл.1) и вполне достаточна для реализации рассматриваемых задач.

Таблица 1

Омская область характеризуется весьма благоприятными условиями для производства СПГ, так как по ее территории проходит МГ Сургут - Омск - Новосибирск. Из 16 ГРС пять наиболее крупных находятся в черте областного центра. Поступающий на них газ имеет рабочее давление, как правило, выше 5 МПа и характеризуется высоким качеством: содержание метана около 97%, негорючих примесей - не более 1%. Как видно из табл.2, при оснащении ГРС ожижителями на них можно получать, как минимум, 2,2 т/ч СПГ при построении ожижителя по дроссельному циклу и до 8,5 т/ч СПГ - по более предпочтительному детандерному. При максимальной производительности ГРС, характерной для зимнего периода, суммарный выход СПГ может достигать почти 40 т/ч. При оценке выхода СПГ принято: температура окружающей среды и ПГ _на входе ГРС 20°С; давления на входе и выходе 5 и 0,6 МПа; коэффициент сжижения 2,5 и 10% соответственно для дроссельного детандерного циклов. При расчете принимали производительность ГРС с коэффициентом ожижения 0,75, исключающим колебания давления на выходе ГРС и возможность превышения потока несжиженной части газа после ожижителя над реальным отбором ПГ из продукционного газопровода.

Таблица 2

С целью экономической и экологической оценки целесообразности производства СПГ был выполнен технико-экономический расчет (ТЭР) перевода автобусного пассажирского транспорта Омска с жидких нефтяных топлив на СПГ при следующих исходных данных, предоставленных департаментом транспорта:

· общий состав автобусного парка 800 единиц, в том числе 320 дизельных (100 типа "Мерседес" и 220 типа "Икарус-280") и 480 карбюраторных типа ЛиАЗ-677;

· среднее потребление топлива на 100 км пробега 57,43 и 54 л соответственно для автобусов "Мерседес", "Икарус-280" и ЛиАЗ-677;

· коэффициент повышения - расхода топлива с учетом городского цикла движения 1,15-1,25;

· среднесуточный пробег автобусов 200 км при средней продолжительности эксплуатации 14 ч;

· стоимость топлив: бензина (Б) - 2,16, дизельного топлива (ДТ) - 2,057 руб./кг.

В карбюраторных автобусах предусмотрена полная замена топлива на СПГ, в дизельных - частичная (с сохранением 20% расхода дизельного топлива в качестве запальной дозы). Если принять, что 1 л бензина эквивалентен 1,07 м³ ПГ; стоимость газа (по данным линейно-производственного управления МГ) составляет 0,3522 руб./м³, то после перевода автомобильного транспорта на СПГ экономия составит более 3,5 млн. руб. в год. При этом принят следующий состав криогенного комплекса: ожижитель производительностью 3600 кг/ч (с запасом 20%); два стационарных хранилища при ожижителе вместимостью по 100 м³, обеспечивающие суточный запас СПГ; 5 автозаправщиков (из расчета по 3 рейса в сутки); 8 заправочных станций, укомплектованных емкостями СПГ объемом 8 или 16 м³.

При выполнении ТЭР, целью которого являлось определение срока окупаемости проекта, учитывали:

· капитальные затраты на приобретение оборудования, выполнение строительно-монтажных работ (СМР), проектов СМР и разработку или доводку отдельных видов оборудования, в частности заправочных станций и системы топливоподачи;

· эксплуатационные затраты на обучение и заработную плату обслуживающего персонала криогенного комплекса (руководитель, 9 операторов, 2 слесаря КИПиА, ремонтная бригада из 4 человек, 10 шоферов автозаправщиков);

· экономию денежных средств от замещения топлива.

Результаты ТЭР показывают, что срок окупаемости проекта составляет 1,78 года; высвобождение дефицитных нефтепродуктов составляет -8000 т дизельного топлива и -15000 т бензина в год. Это убедительно свидетельствует о целесообразности перевода пассажирского автобусного парка с жидких нефтяных топлив на СПГ.

Замена моторных топлив весьма актуальна и с экологической точки зрения, так как Омск характеризуется чрезвычайно сложной экологической ситуацией: по данным журнала "Омский научный вестник" №2, загрязненность воздушного бассейна центральной части города оксидом углерода к 2000 г. будет соответствовать статусу экологического бедствия. Замещение нефтяных моторных топлив на СПГ позволит снизить валовые выбросы загрязняющих веществ на 17048 т/год, или на 82,6%, что составляет около 11,4% суммарных выбросов всего автотранспорта Омска.

2. Перспективы производства сжиженного природного газа (СПГ) как основы для развития инфраструктуры по обеспечению автотранспорта и населения Московской области моторным и бытовым топливом

Россия имеет большие запасы газа и нефти, из которых производится углеводородное топливо (бензин, пропан-бутановые смеси и пр). По обоснованным прогнозам в ближайшее десятилетие уровень добычи нефти не увеличится. К тому же запасы нефти невосполнимы и ими надо пользоваться бережно: нефть - это смазочные масла, синтетические материалы, лекарства, ароматические соединения и др. Большим бичом при использовании моторного топлива являются выбросы в атмосферу. В России автомобильным транспортом ежегодно выбрасывается более 17 млн. тонн загрязняющих веществ или 40% всех вредных примесей. До 30% заболеваний горожан связано с загрязнением воздуха. Много токсичных веществ образуется и при работе котельных на жидком топливе. К тому же цены на нефтепродукты в России резко возросли.

Россия имеет огромный потенциал запасов природного газа, состоящего в основном из метана (до 98%). По прогнозам уровень добычи газа в 2010 году увеличится в 1,5 раза.

Огромным преимуществом природного газа по сравнению с нефтепродуктами является его более низкая стоимость и экологическая безопасность продуктов сгорания. В качестве топлива, а также при хранении и транспортировке он может применяться как в жидком, так и в газообразном состоянии.

Отсюда вывод: необходима повсеместная замена бензина как автомобильного топлива на природный газ.

2.1 Перспективы использования природного газа в качестве моторного топлива

Компримированный (сжатый) природный газ.

Разведанные запасы природного газа (ПГ) в настоящее время составляют свыше 11*10^9 тонн, что на два порядка превышает запасы нефти. Транспортирование природного газа от места добычи потребителю осуществляется по магистральным газопроводам под давлением 4-6 МПа с помощью газоперекачивающих компрессорных станций. Затем газ поступает на газораспределительные станции (ГРС), где его давление понижается до 1.2-0,3 МПа. Газ одорируется и по трубопроводам направляется на газораспределительные пункты (ГРП), а затем к потребителям. Основная масса газа сжигается в топках котельных, электростанций и в горелках бытовых газовых приборов. Некоторая часть природного газа служит сырьем в химической промышленности и незначительная используется в качестве моторного топлива газобаллонных автомобилей. Благодаря более простой технологии добычи, транспортировки и переработки стоимость ПГ существенно ниже стоимости большинства традиционных топлив. По оценке к 2010 году цена нефтепродуктов может превысить стоимость ПГ в 2-3 раза. Если учесть еще и существенные экологические преимущества ПГ, связанные с уменьшением почти в два раза (по сравнению с продуктами нефтепереработки) выбросов вредных веществ в атмосферу при его сжигании, то становится понятным интерес многих развитых стран к расширению доли ПГ в топливном балансе государства.

В последнее время проявляется большой интерес к использованию ПГ в качестве моторного топлива газобаллонных автомобилей. Необходимый бортовой запас топлива создается закачиванием ПГ в баллоны под давлением до 20 МПа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС). Особенно широкое распространение этот способ использования ПГ нашел в Канаде, Италии, США и Новой Зеландии, в которых парк газобаллонного транспорта постоянно расширяется и насчитывает в настоящее время сотни тысяч единиц. В 1994-1996 гг. Правительством г. Москвы и РАО "Газпром" было принято ряд постановлений по мероприятиям, способствующим снижению вредного влияния транспорта на экологическую обстановку в г. Москве. Основным направлением этих мероприятий является перевод городского автотранспорта на сжатый (компримированный) природный газ (КПГ). Однако целый ряд объективных недостатков, присущих использованию компримированного ПГ (малый запас хода автомобилей из-за меньшей (в 3-4 раза) плотности сжатого ПГ, по сравнению с бензином, большой долей массы газового баллона по сравнению с массой, содержащегося в нём газа, понижение температуры ПГ при дросселировании перед впрыском его в цилиндры двигателя внутреннего сгорания и др.) сдерживают распространение газобаллонных автомобилей. Немаловажную роль в этом играют затраты на сжатие газа.

Наши расчеты показывают, что удельные затраты энергии на сжатие 1 кг ПГ в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением при КПД=0,75 от различных уровней начального давления: 0,11 МПа -газ бытового потребления, (0,3-0,6) МПа - газ в продукционных внутригородских газопроводах, 1,2 МПа - газ в газопроводах промышленных предприятий, 3,5-7,0 МПа - газ в магистральных трубопроводах до давления 30,0 МПа в стационарных резервуарах АГНКС, составляют (рис. 2) от 300 кДж/кг до 1250 кДж/кг.

При современном уровне цен на электроэнергию себестоимость сжатого ПГ при любом расположении АГНКС оказывается (рис.2) более чем в десять раз ниже рыночной стоимости бензина, что говорит о несомненной прибыльности такой технологии использования ПГ.

Если разделить себестоимость сжатия газа и его покупки, то окажется, что основную долю себестоимости компримированного газа составляет его покупка. Предположим, что 1000 нм³ природного газа газозаправка покупает (март 2001 года) по 500 руб. (с НДС). При плотности газа в нормальных условиях около 700 кг/м³ масса газа, содержащегося в 1000 нм³ составит 700 кг. Тогда 1кг газа стоит 0.714 руб. Если сравнить свойства сравниваемых топлив по теплотворной способности (бензин - Qрн=43800 кДж/кг; метан - Qрн=48600 кДж.кг), окажется, что метан на 11% эффективнее бензина. Это обстоятельство учтено в себестоимости 1 кг метана.

Рис. 2. Зависимость удельной работы сжатия ПГ от начального давления (конечное давление - 20, Мпа; КПД компрессора с промежуточным охлаждением - 0,75)

Тогда себестоимость только процесса сжатия (без эксплуатационных затрат) в зависимости от начального давления газа составит достаточно малую долю его полной себестоимости (рис. 3). Полные затраты на производство сжатого газа на АГНКС по почти вдвое превышают себестоимость его сжатия. Даже при этом расчеты показывают, что при любых параметрах газа на входе (pn1=0.1 МПа), полученный компримированный газ более чем в 10 раз дешевле, чем бензин.

Однако потребительские свойства автомобиля, использующего компримированный природный газ (КПГ) оказываются значительно хуже, чем для бензинового варианта. Так запас хода легкового автомобиля среднего класса при скорости 90 км/час на бензине составляет 500 км, а на КПГ - всего 180 км. Почти вдвое больше длится и заправка автомобиля, использующего КПГ. Существенным недостатком автомобиля на КПГ является и большая масса и габариты баллонов высокого давления. Расчеты показывают, что применение новых материалов (композитов) дает возможность поднять давление в баллоне до 30-40 Мпа, при незначительном увеличении веса (на 27%) и почти в два раза уменьшенных габаритах.

При этом наши расчеты показывают, что затраты на сжатие газа изменятся незначительно. Однако при этом значительно возрастает стоимость таких баллонов.

Рис. 3. Зависимость себестоимости покупки и сжатия 1 кг ПГ от начального давления (конечное давление - 20 Мпа; КПД компрессора с промежуточным охлаждением - 0,75)

Широкое распространение газобаллонные автомобили получили в начале 80-х годов прошлого века. На природный газ в то время было переведено более 120 тыс. тяжелых грузовых автомобилей, для этого построено 350 АГНКС в 242 городах бывшего СССР. В 1990 году в мире на КПГ работало более 1,5 млн. автомобилей различного типа. При этом по зарубежным оценкам стоимость энергии на идентичный пробег была ниже, чем при работе на бензине и дизельном топливе соответственно на 59% и 43%. (рис. 4)

Альтернативой КПГ может служить сжиженный природный газ (СПГ).

Рис. 4. Зависимость себестоимости сжатия 1 кг ПГ от начального давления (конечное давление - 20 Мпа; КПД компрессора с промежуточным охлаждением - 0,75)

2.2 Перспективы использования сжиженного природного газа для автомобильного транспорта

Свойства сжиженного природного газ (СПГ).

СПГ является криогенной жидкостью. При атмосферном давлении температура кипения СПГ около 160⁰С (111.7 К). При ожижении объем природного газа уменьшается более чем в 600 раз, что эквивалентно сжатию газа до давления 60 МПа.

Характерные параметры метана представлены в таблице 2.1.

Сжиженный природный газ (СПГ) почти в 2 раза легче бензина, не токсичен, химически не активен; удельная теплота сгорания (12000 ккал/кг или 48500 кДж/кг) на 12%, а октановое число (105-107 единиц) на 13-15% выше, чем у бензина. В продуктах его сгорания содержится меньше окиси углерода и окислов азота, чем у сжатого природного газа из-за лучшей очистки при его сжижении.

Таблица 2.1 - Справочные данные по метану.

Некоторые сведения по использованию СПГ за рубежом и в России.

В настоящее время в США на СПГ переведено до 25% муниципального автотранспорта, работают более 600 карьерных самосвалов, автобусы, грузопогрузчики, корабли, тепловозы. В США предполагают использовать СПГ для создания гиперзвукового самолета. В Западной Европе целый ряд фирм активно занимаются внедрением СПГ в автотранспорт, а в Голландии широко используются СПГ для огневой обработки почвы.

В России в 60 - 70 годы на СПГ были испытаны: автомобили (ЗИЛ-3-138П, ГАЗ-53-17 и ЛАЗ-099Р), опытные тепловозы, самолет ТУ-155, созданы авто и железнодорожные цистерны для хранения и перевозки СПГ.

В настоящее время создан автомобиль на СПГ - Камаз (Лентрансгаз), имеющий следующую характеристику: вместимость криогенного бака - 297 л, рабочее давление до 1,6 МПа, время бездренажного хранения до 5 суток, масса бака, заправленного СПГ, 320 кг и пробег без дозаправки 300 км. Целесообразно применять СПГ в рефрижераторах, где используется не только энергия сжигания СПГ, но и холод для поддержания низкой температуры в изотермической камере. В 1988-1989 гг. были испытаны два тепловоза ТЭ10Г и один 2Т116Г на СПГ с положительными результатами. Имеется перспектива применения СПГ на железнодорожном транспорте на неэлектрофицированных дорогах.

Разработана безопасная технология обращения с СПГ при сжижении, хранении и заправке потребителей. На сегодня в России имеется надежная база и технические предпосылки для широкого использования СПГ в хозяйстве страны.

Мировой рынок производства и потребления СПГ развивается с целью доставки природного газа как энергоносителя из стран с избыточными ресурсами в страны, испытывающие недостаток в этом виде топлива, в условиях, когда строительство газопроводов оказывалось проблематичным или невозможным, а также для создания пиковых хранилищ. Мировой рынок СПГ уже сложился. Значительное количество сжиженного метана транспортируется морем. Мировой флот насчитывает 89 метановозов. Начиная с 70-х годов, мировой рынок сжиженного природного газа является, пожалуй, одним из наиболее динамично развивающихся рынков углеводородов.

Крупнейшими производителями и экспортерами СПГ являются Алжир, Ливия, Бруней, Абу-Даби, Индонезия, Малайзия, Австралия, Катар и США.

Крупнейшим импортером СПГ является Япония, на долю которой приходится около 60% мирового потребления СПГ (более 70 млрд.м³ природного газа). Другими крупными импортерами являются Южная Корея, Франция, Испания. В США и странах Западной Еврапы доля СПГ в общем газопотреблении составляет до 20%. Уже в 1998 году в США действовали почти 300 объектов по производству и хранению СПГ, включая 59 пикшейвинговых предприятий; более 20 объектов по производству и хранению СПГ обеспечивали заправку природным газом магистральных тягачей и автобусов. Ежедневный расход СПГ газобаллонными автомобилями США оценивается примерно в 80 тонн, что достаточно для обеспечения 200-250 автомобилей с криогенной системой хранения топлива на борту.

За рубежом в течение последних трех десятилетий производство и потребление СПГ стремительно росло и к настоящему времени его доля в общем газопотреблении Японии составляет 85%, США - около 25%. Наличие СПГ стимулировало за рубежом работы по использованию СПГ в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания автомобилей, морских судов и вертолетов. Наибольший опыт имеют США, где на СПГ прошли испытания около 600 автомобилей, в том числе значительное число карьерных самосвалов.

В Японии, США, Германии, Франции, Бельгии, Нидерландах давно создана разветвленная инфраструктура приема, хранения и распределения СПГ, прежде всего, для газификации жилых и промышленных объектов.

Основное использование СПГ в мировой практике - это топливо для крупных электростанций. Представляет интерес анализ соотношения капитальных вложений в цепочке "производство - использование СПГ". По данным соотношение капитальных вложений в основные звенья цепочки на примере создания крупной электростанции составляет (в миллионах долларов США): обустройство месторождения - несколько сотен, технологическая линия производства СПГ - 1000, танкеры (метановозы) - 250, принимающий терминал - 500, электростанция - 1000.

Таким образом, примерно треть требуемых инвестиций приходится на долю технологического комплекса получения СПГ. Понятно поэтому стремление производителей к оптимизации проектов установок производства СПГ.

Анализ существующих технологий производства СПГ.

На пионерском СПГ-заводе в Арзеве (Алжир) применены многокомпонентный хладоагент (МХА) и простейший однопоточный (без промежуточных сепараторов) холодильный цикл, получивший наименование Прико ( хотя впервые он был предложен и исследован А.П. Клименко). Цикл Прико существенно уступает по таким показателям как энергопотребление и капитальные вложения позднейшим модификациям циклов с МХА. В большинстве действующих СПГ-заводов используется предложенный фирмой "Эр. Продактс" МХЛ-цикл с промежуточной сепарацией тяжелых компонентов. Другим средством снижения себестоимости СПГ является увеличение производительности технологических линий. Однако даже на больших по производительности установках получение сжиженного природного газа из природного газа по широко известной технологии с использованием многоступенчатых холодильных машин приводит к затратам энергии, величина которой доходит до 25% энергии сгорания полученного сжиженного газа.

В настоящее время в мире действует 75 СПГ-установок, в том числе относительно небольших по производительности для пиковых хранилищ. Известно о СПГ-установках в составе газораспределительных станций (ГРС) с использованием турбодетандеров.

Сравнение различных способов получения СПГ показывает, что наиболее рационально и эффективно организовать производство СПГ на ГРС газопроводов. При этом бесполезно теряемую на ГРС и ГРП потенциальную энергию давления сжатого природного газа можно использовать для выработки механической (или электрической энергии) и холода для получения сжиженного природного газа (СПГ).

Технологические схемы таких установок весьма разнообразны. При больших перепадах редуцируемого давления (>5) и при малом расходе природного газа через ГРС проще использовать безмашинную технологию с использованием вихревой трубы. Для ГРС с небольшим перепадом давления (<5) и большим расходом газа целесообразно применять более сложную схему с турбодетандерными агрегатами, позволяющими получать и электроэнергию и СПГ.

Во ВНИИГазе под руководством профессора Г.Э. Одишария проведен комплекс НИИОКР по созданию технологий производства СПГ на основе процесса с применением МХА и хранения СПГ в стационарных резервуарах (пиковых хранилищах). Созданы математические модели, изготовлена и эксплуатировалась пилотная установка на 150 кг/час СПГ, разработаны проект и оборудование для СПГ-установки на МГПЗ производительностью 3 т/час. По ряду причин, прежде всего финансово-экономических, эти разработки не реализованы.

ЗАО "Сигма-газ" принадлежит инициатива создания специализированных для условий ГРС и АГНКС СПГ-установок на основе цикла с дросселированием. В связи с необходимостью больших затрат на установку осушки, от нее отказались, применив две параллельные переключающиеся линии и вихревую трубу как генератор тепла для оттаивания оборудования. Достоинства процесса состоят в его простоте, относительно низких капитальных вложениях, а недостатки - низкий коэффициент ожижения (2-4%), низкая концентрация целевого компонента метана, не отвечающая требованиям стандарта, и трудоемкость обслуживания, связанная с необходимость переключения теплообменников-рекуператоров.

Для установок второй группы целесообразно использовать энергию перепада давления ПГ на ГРС и иметь за счет этого сведенные к минимуму энергозатраты и наименьшую себестоимость СПГ.

Это связано с существенным повышением коэффициента ожижения, достигаемым на основе использования турбодетандеров (ТД) в условиях ГРС. При этом процесс менее чувствителен к уровню давления в магистральном газопроводе. Согласно мировой практике на установках переработки природного газа с ТД необходима адсорбционная осушка газа. В противном случае изготовитель ТД не гарантирует его надежности. Вопрос о необходимости очистки газа от диоксида углерода решается индивидуально в зависимости от его содержания в сырье.

Выполненные расчеты и анализ эффективности различных термодинамических циклов ожижения показали, что для рассматриваемой группы ожижителей (производительность до 5 т/час) наиболее эффективной и реальной является схема ожижения с детандерным циклом среднего давления.

Применение в схеме турбодетандера с компрессорной тормозной ступенью имеет очевидное преимущество, т.к. позволяет поднять давление прямого потока и увеличить холодопроизводительность установки. Следует также отметить один принципиальный в целом недостаток детандерной схемы. Это вынужденная необходимость глубокой осушки и очистки от СО2 всего потока газа, направляемого в установку, но это совпадает с требованием к качеству СПГ как к топливу.

Один из проектов СПГ-установки на ГРС с ТД разработан на предприятии оборонного комплекса. Параметры проекта: производительность по сырью - 10 тыс.м³/час, производительность по СПГ - 600 кг/час, расчетный перепад давления - 36/9 бар. В состав установки включен адсорбционный блок осушки газа.

Достоинством ТД-технологии является высокий коэффициент ожижения (до 10%), недостатки - большие капитальные вложения и повышенные эксплуатационные затраты. (Таблица 2.2), (Таблица 2.3).

Таблица 2.2

Области предпочтительного применения тепловых холодильных циклов.

Таблица 2.3

Сравнительные технические и стоимостные характеристики установок получения СПГ на ГРС, отнесенные к единым исходным данным (перепаду давлений 36/13 бар, производительности по сырью 10 тыс.м³/час).

Установки ожижения должны быть оснащены системой глубокой осушки и очистки газа, дожимающим компрессором, обеспечивающим сжатие газа обратного потока и подачу его в магистраль низкого давления ГРС, при необходимости системой отбора и вывода из установки тяжелых и высококипящих углеводородов и системой, обеспечивающей получение на выходе из установки СПГ с температурой, равновесной с давлением, характерным для потребителя.

В России уже имеется опыт разработки промышленных крупнотоннажных установок сжижения ПГ, использующих энергию перепада давления ГРС. Первая установка производительностью до 3 т/час создавалась для ГП "Оренбурггазпрома" и предназначалась для опытнопромышленной эксплуатации комплекса СПГ, обеспечивающего бытовым газом сельские населенные пункты Оренбургской области и замену моторных нефтяных топлив на газ. Принципиальная схема и элементная база установки представлены на рис. 5. Установка включает в себя турбодетандер-компрессорный агрегат (ТДКА), теплообменные аппараты, блок осушки и очистки газа, сепаратор, переохладитель жидкости, приемный резервуар СПГ, дожимающий компрессор, систему контроля и управления.

Конструкция ТДКА и его типовые решения отработаны в течение длительного времени в составе воздухоразделительных установок. Суммарная масса ТДКА составляет 5000 кг, холодопроизводительность 640 кВт на температурном уровне 157,7 К, частота вращения ТД - 22500 об/мин, мощность компрессора 576 кВт.

Для осушки до точки росы (t = -900 С) и очистки ПГ от диоксида углерода до 50 ppm, требуется 40000 кг адсорбента, на регенерацию которого расходуется более 5000 нм^3 теплого сухого и очищенного газа, возвращаемого в поток низкого давления после ГРС.

Теплообменные аппараты составляют около 70% общей массы установки. Теплообменники выполняются витыми из нержавеющей стали (трубка 12х1, сталь 12Х18Н10Т), имеют поверхность теплообмена более 1100 м² и обеспечивают недорекуперацию на теплом конце t = 50⁰С. Расчетный анализ показывает, что при заданных параметрах газа на входе в установку (Pвх = 2,0 МПа), выбранном термодинамическом цикле, технологической схеме и характеристиках элементной базы коэффициент охлаждения составляет более 10% при температуре жидкости, равновесной давлению 0,11 МПа.

В ряде организаций (МГУИЭ, НПКФ "ЭКИП", ВНИИХОЛОДМАШ, ОАО "Сибкриогентехника" и т.д.) разработаны установки сжижения природного газа на базе энергосберегающей технологии с привязкой их к газораспределительным станциям (ГРС). В частности, на ГРС г. Нарофоминска НПКФ "ЭКИП" в 2001 году устанавливает опытную установку УСПГ-0.4, производительностью сжиженного газа 0.4 тонны/час, что обеспечит заправку более 600 автомобилей типа "Газель" в сутки.

Вопрос выбора типа установки в конечном счёте должен решаться в зависимости от конкретных условий с учетом множества факторов.

Особенностью разработанных установок является возможность производства на них компримированного природного газа до давления 40 МПа. С установки можно получать одновременно СПГ и КПГ, или только СПГ или КПГ. Для получения КПГ в схему установки включается насос для перекачки сжиженного газа и организуется регенеративный теплообмен обратного потока газа поступающего в баллоны, с прямым потоком. Этот способ получения КПГ является самым дешевым с точки зрения капитальных и эксплуатационных затрат. В этом случае не надо строить и эксплуатировать громоздкие АГНКС с компрессорным оборудованием. Данное оригинальное решение позволит обеспечить сжатым газом газобаллонные автомобили.

Кроме того следует отметить, что КПГ, получаемый газификацией из СПГ является более очищенным от различных примесей и нет возможности фальсифицировать его свойства, в отличие от бензина, покупаемого на АЗС.

Системы хранения и транспортировки СПГ.

Основными элементами инфраструктуры обеспечения потребителей сжиженным природным газом являются установки ожижения, системы хранения (базовые, региональные, у потребителя), заправщики автомобильные или железнодорожные.

Учитывая огромный опыт, накопленный советским криогенным машиностроением по созданию систем накопления, хранения и выдачи потребителям криогенных продуктов, а также автомобильных и железнодорожных транспортных резервуаров, можно не сомневаться и в том, что проблем в создании подобных систем в инфраструктуре СПГ не будет. В России в оборонной и космической отрасли имеется большой опыт создания крупных криогенных систем хранения продуктов. Были созданы и внедрены в ракетно-космическую отрасль и народное хозяйство, криогенные резервуары объемом от 5 до1400 м³, имеющие эффективную экранно-вакуумную изоляцию и обеспечивающие длительное хранение криогенных продуктов. Одновременно были разработаны и внедрены на предприятиях черной металлургии криогенные хранилища с насыпной порошковой изоляцией. Хранилища представляют собой вертикально или горизонтально установленные сосуды в едином кожухе, засыпанном перлитом. Эти хранилища, несмотря на более низкие тепловые характеристики, могут найти широкое применение в инфраструктуре СПГ, поскольку они значительно дешевле, проще в изготовлении, обладают меньшей металлоемкостью. За последние годы разработаны для СПГ специальные блочные системы хранения (БСХП) объемом от 5 до 100 м³, включающие криогенные резервуары с экранно-вакуумной теплоизоляцией, с приваренным к кожуху резервуара арматурным шкафом и испарителем подъема давления, то есть поставляемые в полной заводской готовности к эксплуатации. Такие системы не требуют дополнительных монтажных работ, кроме установки их на фундамент. В настоящее время разработаны, изготовлены и поставлены заказчикам системы хранения СХП-1000/0,6 (объемом 1000 м³, давлением 0,6 МПа), СХП-400/0,6, СХП-50/0,6, СХП-25/0,6.

При использовании резервуаров монтажного изготовления единичного объема до 1400 м³ могут быть созданы хранилища на десятки тысяч кубических метров. Также очевидно, учитывая экономические показатели, что крупные хранилища должны строиться на основе изотермических резервуаров, имеющих порошковую или пенополиуретановую изоляцию.

Проблемы транспортирования СПГ решаются практически всеми видами транспорта (автомобильным, железнодорожным, речным или морским). Для труднодоступных районов возможна доставка СПГ в специальных резервуарах на самолетах.

В России разработаны автомобильные транспортные цистерны для перевозки СПГ ЦТП-810,25, ЦТП-1810,8 и ЦТП-2510,6 с экранно-вакуумной изоляцией, обеспечивающей бездренажное хранение СПГ в течение 7 - 15 суток. Эти цистерны транспортируются либо с помощью стандартного тягача, либо устанавливаются в кузове грузовика.

Экологические аспекты производства, хранения и использования СПГ.

В настоящее время особенно остро стоит вопрос по улучшению экологической обстановки в России. Переводятся на работу на газе ТЭЦ и транспорт - в основном автомобильный. Исследования, проведенные на двигателях внутреннего сгорания, показали, что при сжигании природного газа в среднем в два раза снижается в продуктах сгорания концентрация углеводородов СН, оксида углерода в 20 раз, оксида азота более чем в 15 раз.

Природный газ имеет: - самый низкий "индекс глобального потепления" (Global Warming Index) - GWI: бензин - 212 г/км; дизельное топливо - 192 г/км; природный газ - 164 г/км; - самые низкие выбросы СО2 АИ 95 - 100%; АИ 76, дизельное топливо - 88%; природный газ - 72%; - самое слабое влияние на разрушение озонового слоя: бензин - 950 мг озона/км; природный газ - 30 мг озона/км: - отсутствие токсичных и канцерогенных компонентов (по сравнению с бензином): альдегиды и формальдегиды - 42%; ароматические и бутадиены - около 1%; - самую низкую эмиссию окиси углерода (СО): дизель - 7 г/км: природный газ - 4,5 г/км; - самую низкую эмиссию оксидов азота ( NOx): дизель - 22 г/км; природный газ - 4,0 г/км; - уменьшение выброса твердых частиц и копоти - в 2 раза по сравнению с дизельным топливом; - уменьшение шума при работе двигателя с 87, дб до 82 дб: - отсутствие в выхлопе серы.

При переходе автозаправочных станций с нефтяных на криогенные топлива экологическая обстановка существенно изменится к лучшему. Известно, что зоны территорий вблизи нефте(бензино)хранилищ, как правило, с течением времени превращаются в экологически неблагоприятные территории в связи с попаданием нефтепродуктов в почву. В результате эти нефтепродукты попадают в водоносные горизонты. Распространяясь на большие расстояния, попадая в колодцы, поверхностные водотоки, озера и реки, они наносят огромный экологический и экономический ущерб.

Ничего подобного при использовании криогенных топлив быть не может. Кроме того, криогенные хранилища целесообразно создавать в заглубленном исполнении, имея в виду, что при возможных их аварийных разрушениях испаряющееся горючее как бы оказывается в естественной обваловке. В этом случае площадь поверхности его испарения не будет увеличиваться. Любое воспламенение испаряющегося криогенного топлива приведет лишь к дефлаграционному сгоранию, а в качестве защиты можно применить лишь орошение окружающих объектов, локализуя зону горения, так как по данным ВНИИПО и ИХФ РАН возникновение детонации образующейся горючей газовой смеси в свободном неограниченном объеме практически исключено. Немаловажным фактором является и то обстоятельство, что при проливе криогенного топлива на землю аварийная ситуация в этой зоне будет существовать значительно меньше времени, чем при проливе нефтяных топлив.

С экологической стороны представляет интерес программа по применению СПГ в качестве энергоносителя, разработанная в Самарской области. В соответствии с Федеральной целевой программой "Социально-экологическая реабилитация территории Самарской области и охрана здоровья ее населения" на газовое топливо необходимо перевести около 50 котельных. Однако стоит отметить, что газификация некоторых из них традиционным способом с помощью газопроводов является проблематичной из-за особенностей расположения этих объектов, затрудняющих прокладку газопроводов (например, котельная железнодорожной станции Кинель), или отдаленности объекта газификации от действующих газовых сетей. Эту проблему можно решить с помощью применения технологий СПГ. Применение технологий СПГ для газификации населенных пунктов и отдельных производств является экономически целесообразным при удаленности объекта газификации более 30 км от действующих газовых сетей и в зависимости от сложности рельефа местности.