image

Территория Нефтегаз № 3 2016

Хранение и переработка нефти и газа

01.03.2016 10:00 Оптимизация технологий сжижения природного газа с целью повышения экономической эффективности процесса
Для поддержания экономического роста требуется непрерывное производство энергии. Падающие запасы нефти, рост экологических проблем и жесткая конкуренция на мировом рынке способствовали увеличению доли более чистых источников энергии, таких как природный газ. Большая часть запасов природного газа находится в отдаленных местах, и для доставки на мировой рынок требуется его сжижение. Установки сжижения природного газа (СПГ) получают сырье из разных источников, поэтому, чтобы оставаться экономически эффективными при колебаниях состава газа, необходима оперативная оптимизация процесса сжижения. В качестве основного критерия оптимизации в процессе получения СПГ обычно используется себестоимость сжижения по данному технологическому процессу. Однако множество допустимых вариантов и большое количество переменных, влияющих на себестоимость, приводят к тому, что оптимизация технологии СПГ является весьма трудоемкой и сложной задачей. В работе рассматривается применение в качестве метода оптимизации алгоритм покоординатного спуска для двух наиболее распространенных СПГ-технологий. Суть данного метода заключается в эквивалентной замене общей многопараметрической задачи поиска экстремума критерия последовательностью однопараметрических задач поиска частных экстремумов. Основной целью оптимизации при сжижении природного газа в большинстве случаев является минимизация энергии компримирования. Алгоритмом покоординатного спуска можно достичь до 15% экономии энергии по сравнению с вариантом реализации процессов, сбалансированных вручную. Данная методология хорошо работает с процессами заводов СПГ, но не ограничивается ими и может быть использована для любой модели другого технологического процесса.
Ключевые слова:

Сжиженный природный газ, энергоэффективность, оптимизация, себестоимость. 

Ссылка для цитирования:

Мещерин И.В. Оптимизация технологий сжижения природного газа с целью повышения экономической эффективности процесса // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 3. С. 146–152.

Открыть PDF


Энергия является главным фактором мировой экономики и формирует среду глобального обитания, где все потребности являются взаимозависимыми. Для поддержания экономического роста требуется непрерывное производство энергии. Падающие запасы нефти, рост экологических проблем и жесткая конкуренция на мировом рынке способствовали увеличению доли более чистых источников энергии, таких как природный газ.

По различным прогнозам, с 2015 по 2030 г. спрос на природный газ будет значительно увеличиваться, до 60%. Большая часть запасов природного газа находится в отдаленных местах, и для доставки на мировой рынок требуется его сжижение. Непосредственно процесс сжижения газа потребляет в зависимости от технологий и объемов 15–25% от общей энергии газа. Таким образом, даже небольшое увеличение эффективности сжижения природного газа улучшает конкурентоспособность и сокращает энергетические затраты.

28-1.jpgПомимо повышения эффективности сжижения усилия исследователей также направлены на использование энергии холода от СПГ, например для выработки электроэнергии по циклу Ренкина. Электрогенерация производится в термодинамическом цикле, в котором сжиженный природный газ является холодным источником, а морская вода – теплым. В качестве хладагента применяется фреон.

Для оптимизации криогенной эксергии используется многокомпонентный органический цикл Ренкина [1]. Эффективность цикла будет 

28-2.jpg

максимальной, если теплообмен между цикловым флюидом (хладагентом) и СПГ будет происходить при температуре сжиженного газа или если кривая конденсации хладагента максимально приближается к кривой испарения СПГ. Исходя из этого, фреон, конденсация которого происходит при постоянной температуре (–40 °С), может быть заменен смесью углеводородов, состав которой подбирается таким образом, чтобы получилось максимальное приближение кривых конденсации. 

Энергия холода при регазификации СПГ также используется для опреснения воды, получения сухого льда и т.д. [2].

В течение долгого времени под влиянием рыночного спроса развивались несколько технологий сжижения природного газа [3]. Среди наиболее часто коммерчески реализуемых технологий получения СПГ можно выделить SMR (один смешанный хладагент) и C3MR (смешанный хладагент с пропановым предварительным охлаждением) – процессы для средне- и крупнотоннажных установок соответственно.

28-3.jpgУстановки СПГ получают сырье из разных источников. Часто в процессе разработки месторождения компонентный состав газа может изменяться. Еще более динамичным может быть состав газа, поставляемого на сжижение по трубопроводу. Если для первого случая (в РФ это такие проекты, как Ямал СПГ и Штокман СПГ) данный фактор изменяется достаточно медленно, то для проектов заводов СПГ, увязанных с газопроводами (Балтийский СПГ, СПГ на КС «Портовая» 28-4.jpgи Владивосток СПГ), изменение состава газа может серьезно влиять на параметры технологии сжижения, поэтому, чтобы оставаться экономически эффективными, заводам необходима оперативная оптимизация процесса. Для решения этой проблемы применяются сложные подходы оптимизации [4]. С другой стороны, нередко практически применимые результаты могут быть получены и с использованием упрощенных моделей, при 28-5.jpgэтом для перестроения фактической работы завода требуется гораздо меньше средств и времени.

Оптимизация технологических процессов заводов СПГ была рассмотрена в нескольких исследованиях с использованием различных [5–7] подходов, и в большинстве случаев получены хорошие результаты [8].

В качестве основного критерия оптимизации в процессе получения СПГ обычно используется себестоимость сжижения по данному технологическому процессу. Однако множество допустимых вариантов является очень большим, поэтому задача оптимизации технологии СПГ является весьма трудоемкой и сложной. Технолог физически не может спроектировать такое количество вариантов. Поэтому разработка технологических процессов сжижения носит субъективный характер, и качество спроектированных технологических процессов зависит от опыта и квалификации технолога, который их разработал. Поскольку от качества технологических процессов во многом зависит прибыль предприятия, задача разработки оптимальных технологий получения СПГ является весьма актуальной.

Для правильного выбора метода оптимизации необходимо знать свойства целевой функции и ее поведение в пространстве оптимизируемых переменных. Число переменных при оптимизации определяется числом регулируемых параметров в процессе сжижения и может достигать 15–20 и более. Для изучения свойств целевой функции широко используется метод покоординатного спуска.

28-6.jpgСуть данного метода заключается в эквивалентной замене общей многопараметрической задачи поиска экстремума критерия последовательностью однопараметрических задач поиска частных экстремумов.

К достоинствам метода покоординатного спуска следует отнести возможность использования простых алгоритмов одномерной оптимизации. Таким образом, метод покоординатного спуска, по существу, представляет собой последовательное чередование одномерных поисков вдоль всех координатных осей, но в итоге осуществляется многомерный поиск. В результате метод покоординатного спуска сводит задачу о нахождении наименьшего значения функции многих переменных к многократному решению одномерных задач оптимизации по каждому проектному параметру.

Оптимизация является одним из способов совершенствования эффективности в СПГ-технологии. Новизна подхода покоординатного спуска заключается в слиянии двух относительно простых методов оптимизации для решения сложной проблемы оптимизации технологий СПГ. Данная методология хорошо работает с процессами заводов СПГ, но не ограничивается ими и может быть использована для любой модели другого технологического процесса.

28-7.jpgМоделирование процесса завода СПГ возможно с использованием системы Aspen HYSYS. Термодинамические библиотеки и уравнения состояния, применяемые для расчетов в данном программном комплексе, подходят для реальных исследований технологических процессов. Рисунки 1 и 2 представляют упрощенную технологическую схему процесса SMR и C3MR соответственно.

SМR и C3MR – наиболее популярные технологии для моделирования ожижения природного газа. Рыночные условия привели к развитию ряда других модификаций этих базовых технологий, например, к использованию негорючего хладагента на основе N2 и CO2 [9], малых энергоэффективных циклов SMR [10] и т.д. Современная тенденция в промышленности СПГ включает в себя интеграцию процессов ожижения и технологий извлечения холода.

Исходные данные и допуски, используемые во время моделирования для обоих процессов, представлены в таблице 1.

Расчет производился на обедненный газ с содержанием метана 91%. Сырье подается с максимальной температурой 32 °С и давлением 5 МПа. В качестве охлаждения используется вода.

В таблицах 2 и 3 приведены цели оптимизации, границы переменных и ограничения при проектировании для SMR- и C3MR-процессов соответственно.

Некоторые ограничения при моделировании часто определяются физической природой процесса: например, мольная доля компонентов смешанного хлад-
агента может изменяться только между 0 и 1 (данный параметр не указан в таблицах 2 и 3, но учитывается в модели как критерий поиска).

Основной целью оптимизации при сжижении природного газа в большинстве случаев является минимизация энергии компримирования [3,4,11]. Этот параметр наиболее важен, так как основные эксплуатационные расходы завода по сжижению связаны с потерями при сжатии и охлаждении.

В таблицах 4 и 5 представлены результаты оптимизации SMR- и C3MR-процессов соответственно с использованием метода покоординатного спуска. Два базовых варианта и исследуемый метод оптимизации были рассмотрены для обоих процессов.

Вариант 1 задает избыточные значения переменных и, как видно из таблиц, не является оптимальным. Оптимизация переменных методом покоординатного спуска уменьшает удельную мощность сжатия примерно на 31% и 26% в процессах SMR и C3MR соответственно. Таким образом, показано, что процессы имеют большое окно допустимых решений и оптимизация переменных может дать большой экономический результат.

Вариант 2 задает процесс с параметрами, подобранными с помощью опыта проектных решений. Однако и этот вариант можно улучшить с помощью метода покоординатного спуска путем оптимизации энергии, затрачиваемой на компримирование. Алгоритмом можно достичь до 15% и 14% экономии энергии для SMR- и C3MR-процесса соответственно по сравнению со вторым вариантом реализации процессов. Высокая скорость потока хладагента с увеличенным содержанием высококипящего компонента (пропан) в SMR-процессе и увеличенная скорость обращения низкокипящих компонентов (азот) в процессе C3MR являются основными причинами избыточного потребления энергии, которых удалось избежать с помощью алгоритма оптимизации. Повышенное соотношение давления между всасывающей и напорной линиями в узле сжатия является второй основной причиной высокого энергетического потребления.

Таким образом, использование алгоритма покоординатного спуска опирается на очень простой метод последовательного поиска локальных решений, и скорость оптимизации ограничивается только используемой памятью компьютера.

При этом уникальные характеристики метода помогают преодолеть проблему бесконечного времени (случайный поиск) и позволяет добиться результата в оптимальные сроки.




← Назад к списку


im - научные статьи.