image
energas.ru

Газовая промышленность № 9 2017

Сжиженный природный газ

01.09.2017 11:00 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КРУПНОТОННАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
Изучение различных проектов по сжижению газа, находящихся как на стадии строительства, так и на стадии предложения, показывает, что в течение следующего десятилетия ожидается значительное увеличение производственных мощностей по сжижению природного газа во всем мире. В статье рассматриваются современные технологии крупнотоннажного производства сжиженного природного газа (СПГ). Для проведения сравнительного анализа были взяты технологии C3MR AP-X (AirProduct, США), являющаяся крупнотоннажной модификацией процесса C3MR, и DMR (Shell, Нидерланды). Рассматриваемые технологии имеют два контура охлаждения: предварительный и основной. Главное отличие заключается в выборе предварительного охлаждения, а также приводов для компрессорного оборудования. В статье представлены принципиальные технологические схемы установок сжижения, отражены результаты исследования влияния различных факторов, определяющих общую энергетику системы. Приведено описание основных термодинамических процессов, происходящих в криогенных теплообменных аппаратах, в целях оценки энергоэффективности рассматриваемых технологий. Кроме того, в статье рассмотрены перспективы развития российского рынка СПГ, имеющего существенный потенциал для роста в данном сегменте мирового энергетического рынка. Отдельное внимание уделено основным преимуществам СПГ как перспективного энергоносителя.
Ключевые слова: СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ (СПГ), ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, ТЕХНОЛОГИЯ C3MR AP-X, ТЕХНОЛОГИЯ DMR, СМЕШАННЫЙ ХЛАДАГЕНТ
Открыть PDF


Рынок СПГ становится все более перспективным направлением развития современной энергетики в области энергоресурсов, несмотря на сложившуюся сложную ситуацию в мировой экономике. Природный газ в жидком состоянии занимает примерно в 600 раз меньший объем, чем в газообразном состоянии, что определяет возможность доставки СПГ в любую точку мира и делает его более ликвидным товаром, чем газ, поставляемый потребителям по трубопроводным газотранспортным сетям.

Преимущество в логистике позволяет производителям СПГ осуществлять более эффективную маркетинговую стратегию, оперативно корректируя рынки сбыта в зависимости от колебаний спроса и предложения в том или ином регионе. Не менее важным преимуществом СПГ над другими энергоносителями (уголь, нефтепродукты и другие полезные ископаемые) является его экологичность. При качественной сепарации исходного сырья от тяжелых углеводородных фракций при сжигании СПГ в атмосферу выделяется минимальное количество загрязняющих веществ. Управляя содержанием широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), можно регулировать теплотворную способность продукции в зависимости от требований конкретного заказчика.

1.png

По мнению экспертов, в будущем на мировом рынке газа будет преобладать именно СПГ. За последние несколько лет доля России не превышает 5 % мирового производства [1]. Однако, согласно исследованиям аналитических компаний и прогнозу независимых экспертов, ожидаемый спрос на СПГ к 2035 г. будет расти, и Россия сможет завоевать уже до 12 % в этом сегменте рынка, а по некоторым оптимистическим прогнозам, к 2030 г. – до 20 % [2, 3].

Более 93 % СПГ производится на заводах, размещенных в тропическом, субтропическом и даже экваториальном климатических районах. Согласно [4, 5] в мире планируется строительство 10 заводов, в том числе 8 – в Российской Федерации, в холодном и арктическом климате, который характеризуется наличием многолетней мерзлоты, резких колебаний температур, сильных ветров и других экстремальных условий.

Абсолютное большинство заявленных к строительству заводов СПГ планируют использовать технологии Air Product (США), что приводит к ряду осложнений, связанных непосредственно с введением экономических санкций. Поэтому весьма актуален вопрос увеличения доли продукции отечественного производства вследствие снижения зависимости России от импортных технологий, что, безусловно, благоприятно скажется как на технологическом, так и на экономическом развитии страны.

В крупнотоннажных технологических процессах сжижение природного газа осуществляется двумя способами: каскадным (каскад «пропан – этилен – метан») или с внешним источником охлаждения в виде замкнутых холодильных циклов с использованием смешанных хладагентов.

1_1.png

Анализ информации по технологиям сжижения природного газа показал, что более 80 % действующих заводов по производству СПГ применяют смешанный хладагент с предварительным пропановым охлаждением (C3MR), четверть приходится на модификации данной технологии (AP-X и технологию Split MR).

Недавно разработанную технологию C3MR AP-X следует рассматривать как крупнотоннажную модификацию процесса C3MR, позволяющую строить технологические линии производительностью свыше 5 млн т/год за счет применения дополнительного азотного цикла для переохлаждения газа и более мощного привода. Еще одной технологией, нашедшей свое применение в средне- и крупнотоннажном производстве СПГ, является метод двухконтурного охлаждения смешанным хладагентом DMR [4]. Последние проекты по крупнотоннажному сжижению природного газа использовали технологии C3MR AP-X и DMR, поэтому в данной статье для сравнения были взяты именно эти две технологии.

1_1_2.png

Для проведения сравнительного анализа технологий производства СПГ C3MR AP-X и DMR целесообразно привести условия сжижения природного газа к идентичным параметрам.
К таким условиям относятся: состав сжижаемой газовой смеси, термобарические условия сжижения, КПД компрессорных механизмов. В табл. 1 приведены температура, давление и фазовое состояние сырьевого газа, используемого для анализа производства СПГ, а также конечного продукта всех вышеуказанных технологий – СПГ. В табл. 2 представлен компонентный состав сырьевого газа.

Для оценки влияния начальных, промежуточных и конечных термобарических условий природного газа, количества охлаждающих контуров, состава смешанного хладагента и исследования термодинамических процессов, происходящих в криогенных теплообменных аппаратах, необходимо провести комплексный анализ влияния всех факторов, определяющих общую энергетику системы.

В целях описания основных термодинамических процессов был проведен анализ работ систем C3MR AP-X (рис. 1) и DMR (рис. 2).

1_1_3.png

Для анализа процессов, происходящих в системе при фазовых переходах, использовалось уравнение состояния Пенга – Робинсона. Расчеты с применением данного уравнения позволяют определить параметры фазового перехода углеводородных систем, а также компонентный состав получающихся фаз:

1_1_1.png

где р – давление газа; R – универсальная газовая постоянная; V – молярный объем; T – температура; a, b – коэффициенты.

По результатам расчетов термодинамических параметров сырьевого газа (табл. 1, 2) построена диаграмма распределения PT-условий в зависимости от приращения теплового потока в диапазоне 0,1–6,0 МПа (рис. 3). Каждой линии на диаграмме соответствует давление от 100 (нижняя линия) до 6000 (верхняя линия) кПа.

1_1_4.png

За 100 % принимается количество теплоты, которое необходимо отвести от природного газа при 0,1 МПа и температуре 20 ºС для получения СПГ при давлении 0,1 МПа и температуре 165,5 ºС. На технологической схеме C3MR AP-X (рис. 1) QPR обозначает пропановый контур, охлаждающий природный газ, QMR является также пропановым контуром, но охлаждающим смешанный хладагент MR.

Технология C3MR AP-X включает два контура охлаждения (рис. 4):

  • пропановый контур QPR позволяет снизить температуру ПГ до TPR = –34 ºС;

  • контур смешанного хладагента QMR снижает температуру ПГ до TMR = –156 ºC.

На технологической схеме DMR (рис. 2) QWMR обозначает контур теплого смешанного хладагента, охлаждающий природный газ и смешанный хладагент CMR. Технология DMR также включает два контура охлаждения (рис. 5):

  • контур теплого смешанного хладагента QWMR снижает температуру ПГ до TWMR = –34 ºС;

  • контур холодного смешанного хладагента QCMR снижает температуру ПГ до TCMR = –156 ºC.

Как видно из T–Q-диаграмм состояния технологий C3MR AP-X и DMR, процессы, проходящие в многопоточном криогенном теплообменном аппарате градиентного испарения, обеспечивающем сжижение ПГ, являются идентичными. Они обеспечивают оптимальную разность температур между охлаждаемым потоком ПГ и смешанным хладагентом. Диапазон рабочих давлений криогенного теплообменника определяет нагрузку систем компримирования. В связи с этим для сравнения энергоэффективности процессов сжижения технологий C3MR AP-X и DMR необходимо оценить нагрузку на системы компримирования предохлаждающих контуров (для C3MR AP-X – контур PR, для DMR – контур WMR).

Сводные энергетические затраты для получения 1 кг СПГ по технологии C3MR AP-X и технологии DMR представлены в табл. 3. Технология C3MR AP-X выгоднее технологии DMR по энергетическим затратам на 1,6 %. Такая энергоэффективность достигнута за счет трех ступеней сброса давления в противовес одной ступени по технологии DMR.

В статье произведен сравнительный анализ энергетических затрат технологии C3MR AP-X и DMR при приведении основных технологических режимов к идентичным. Основываясь на полученных результатах, можно предположить, что энергетическая нагрузка зависит только от контура предварительного охлаждения, а разница ±2 % может быть достигнута оптимизацией составов хладагентов и изменением режимов компримирования. Существенное различие технологий заключается в упрощении контура предварительного охлаждения по технологии DMR, его высокой гибкости к изменению условий окружающей среды. 

Таблица 1. Термодинамические параметры сырьевого газа и СПГ

Температура, °С

Давление, кПа

Фазовое состояние

Сырьевой газ

20

6000

Газ

СПГ

–165,5

101,3

Жидкость

 

Таблица 2. Компонентный состав сырьевого газа

Компонентный состав газовой смеси

Содержание компонентов в газовой смеси, %

Метан

94,455

Этан

3,055

Пропан

0,481

и-Бутан

0,121

н-Бутан

0,144

и-Пентан

0,047

н-Пентан

0,044

C6+

0,207

Азот

1,441

Диоксид углерода

0,005

Итого:

100

 

Таблица 3. Энергетические затраты получения 1 кг СПГ по технологиям C3MR AP-X и DMR

Компримирование хладагентов

Нагрузка, кВт/кг

C3MR AP-X

Нагрузка MR

0,1999

Нагрузка PR1

0,0219

Нагрузка PR2

0,0197

Нагрузка PR3

0,0159

Общая энергоэффективность

0,2574

DMR

Нагрузка СMR

0,1999

Нагрузка WMR

0,0617

Общая энергоэффективность

0,2616



← Назад к списку