Зріджування природного газу
Зріджений природний газ (СПГ) можна транспортувати в морських танкерах -метановозах (газовозах) на будь-які відстані (наприклад, відстань від основних виробників СПГ Тринідаду і Тобаго, Алжиру, Норвегії, Нігерії, Оману, Катару до ринку США складає від 3700 до 14 800 км ) при неможливості з'єднати виробника природного газу та його споживача газопроводом наземним або по дну моря. Для зрідження природного газу в даний час застосовуються різні цикли глибокого охолодження і зрідження, які зазнавали постійні удосконалення:
- класичний каскадний цикл на трьох чистих холодоагентах - пропані, етилену і метані (Pure Refrigerant Cascade Technology), фірма «Teal», 1964 р.р. Арзев (Алжир);
- цикл на одному змішаному хладоагента - суміші вуглеводнів і азоту (Single Stage Single Mixted Refrigerant Technology - «PRICO» або Multi Stage Single Mixed Refrigerant Technology - «АРС1»), фірма «Teal», 1971 р.р. Скикда (Алжир);
-інші ліцензійні технології СПГ провідних світових компаній «Shell», «Statoil», «ConocoPhillips», «Linde», «Air Products», «Technip», «Teal» і ін.
Вибір того чи іншого циклу залежить від комплексу техніко-економічних чинників: продуктивності заводу; технічних можливостей машинобудування по виготовленню потужних відцентрових компресорів і приводів для них, а також високоефективних великогабаритних теплообмінних апаратів; співвідношення цін природного газу та СПГ; вартості компресорного та теплообмінного обладнання; кон'юнктури світового ринку природного газу. Наприклад, в середині 70-х років XX ст. планувалося побудувати в 1980 р Харцизьку гігантський завод продуктивністю до 20 млрд м3 газу / рік для поставок СПГ в США, але потім від цього проекту відмовилися, віддавши перевагу розвитку будівництва магістральних газопроводів в Західну Європу. Тепер же в рамках реалізації першої фази мегапроекту - освоєння Штокманівського газоконденсатного родовища в Баренцевому мореУкаіни знову планується будівництво заводу скраплення природного газу продуктивністю 7,5 млн т ЗПГ на рік близько р Харцизька (це буде другий завод СПГ вУкаіни) з відвантаженням СПГ в метановозами на зовнішній ринок.
Далі наводиться короткий опис деяких заводів СПГ, на яких були реалізовані нові технології зрідження великих кількостей природного газу. Цей досвід був унікальною особливістю промислового скраплення газів, незважаючи на те що скраплення практично всіх газів (повітря, азоту, кисню, рідкісних газів, гелію і водню) було відомо мало не з 20-30 років XX ст. (Перші досліди скраплення газів почалися в США в 1917 р).
Класичний каскадний цикл. Перший досвід будівництва і пуску великого заводу скраплення природного газу належить французькій фірмі "ТеаЬ" в 1964 р в м Арзев (Алжир). На цьому заводі на березі Середземного моря реалізований класичний каскад з трьох компресорних холодильних циклів - пропанового, етилену і метанового (рис. 2.8). При нормальному тиску маємо такі мінусові температури кипіння: пропану 42 ° С, етилену 104 і метану 161 ° С. Кожен цикл має свій відцентровий компресор з надлишковим тиском нагнітання близько 1,2 МПа для пропану, 2 МПа для етилену і 3,2 МПа для метану. При цих тисках холодоагенти сжижаются у відповідних холодильниках -конденсаторах морською водою. Рідкий пропан дросселируется до тиску 0,04 МПа і при температурі мінус 35 ° С сам частково випаровуючись, доохлаждается рідкий етилен і потім рідкий метан. Рідкий етилен, доохолодженні пропаном, також дросселируется до тиску 0,04 МПа і доохлаждается в результаті цього до температури мінус 100 ° С. Рідкий метан, доохолодженні випаровуються пропаном і етиленом, дросселируется до тиску 0,04 МПа і доохлаждается в результаті цього до температури мінус 155 ° С.
Природний газ тиском 3,8 МПа, ретельно очищений від діоксиду вуглецю та інших домішок, а також глибоко осушене від вологи, проходить послідовно холодильники-випарники, в яких випаровуються всі холодоагенти, охолоджується до температур мінус 35 ° С пропаном, потім до мінус 96 ° З етиленом і до мінус 151 ° С метаном. Далі природний газ дросселируется до тиску 0,01 МПа, охолоджуючись при цьому до температури мінус 162 ° С, конденсується і надходить в сепаратор, з низу якого відбирається СПГ, а з верху - газ на паливо. Щільність ЗПГ зазвичай 0,4-0,5 т / м3 в залежності від температури, тиску і складу; він містить метану не менше 86 об. % (ТУ 05-03-03-85); при регазифікації 1 м3 СПГ отримують близько 600 м3 природного газу при нормальних умовах (температурі 0 ° С і тиску 0,1 МПа).
У кожному холодильному циклі можливо не одне дросельне охолодження холодоагенту (як описано вище), а два-три дросельних зниження тиску і два-три потоку газоподібного холодоагенту після відповідного сепаратора з різними тисками на вхід кожного з пропанового, етилену і метанового компресорів. Таким чином, в цій схемі є чотири незалежних потоки зі своїм компресором, своєю системою холодильників, конденсаторів. випарників і сепараторів. Завод складається з трьох ліній продуктивністю по 0,5 млрд м3 природного газу / рік, т. Е. Завод може сжижать 1,5 мрлд м3 газу / рік. Споживана потужність компресорів для трьох хладоагентов становить 80 МВт. Теплообменная поверхню холодильників, конденсаторів і випарників становить 100 тис. М2. Витрата морської води для холодильників-конденсаторів - близько 35 ТОВ м3 / год. Ємність кріогенних резервуарів-сховищ СПГ - 71 тис. М3, вартість таких резервуарів - до 50-70% від вартості заводу.
Наприклад, програма скраплення природного газу в м Арзев і поставки СПГ до Франції мала наступні відносні економічні показники,% від загальних капіталовкладень по всій програмі:
Газопровід від родовища «Хассі - Рмель» до заводу в м Арзев. 31,1
Завод скраплення природного газу. 37,5
Термінал в порту м Арзев для наливу СПГ в метановози. 4,5
Три метановозами ємністю по 27 ТОВ м3 СПГ. 17,9
Два терміналу прийому СПГ з метановози у Франції. 9,0
З 1969 р експлуатується також завод СПГ з каскадним циклом на трьох холодоагентах продуктивністю 1,5 мрлд м3 газу / рік на Алясці в США.
Цикл на одному змішаному хладагенте. Цей цикл другого покоління становить значну еволюцію процесів глибокого охолодження, саме він дозволив збільшити продуктивність однієї технологічної лінії (модуля) скраплення природного газу до 1,5 мрлд м3 газу / рік. Вперше він був реалізований французькою фірмою «Теа1» в 1971 р в м Скикда (Алжир) на трьох модулях загальною продуктивністю 4,5 мрлд м3 газу / рік. У 1972 р почали працювати такі ж заводи в Лівії (один змішаний холодоагент) і Брунеї (цикл на змішаному хладагенте з попередніми пропанових циклом).
Змішаний холодоагент (рис. 2.9) повинен мати молекулярну масу близько 30, він представлений сумішшю метану - 35,6 мовляв. %, Азоту -10,6, етану - 28,2 мовляв. %, А також пропану, бутанов і пентанов.
Випаровування рідкого холодоагенту відбувається в межтрубіом просторі випарника-конденсатора, а в трубному просторі цього апарату охолоджується і конденсується (зріджується) природний газ, т. Е. СПГ утворюється в один щабель безперервно по довжині теплообмінних труб. Тому склад холодоагенту повинен бути таким, щоб крива випаровування рідкого холодоагенту якомога більше збігалася з кривою конденсації природного газу. Природний газ молекулярної масою 17,2, тиском 3,7 МПа і температурою 35 ° С надходить у випарник -конденсатор і виходить з нього в рідкому стані температурою мінус 155 ° С.
Далі СПГ дросселируется до практично атмосферного тиску і при температурі мінус 163 ° С направляється по криогенному трубопроводу на зберігання. Газоподібний змішаний холодоагент стискується в одному компресорі з двома ступенями тиску до 3,6 МПа, конденсується в конденсаторах морською водою і використовується двома потоками для часткової конденсації природного газу і часткової конденсації змішаного хладагента. У випарнику-конденсаторі природний газ має одну зону конденсації, а холодоагент - чотири зони випаровування. В іншому випарнику-конденсаторі є три зони випаровування рідкого холодоагенту (в міжтрубномупросторі) для конденсації газоподібного холодоагенту (в трубному просторі). Одна лінія скраплення продуктивністю 1,5 мрлд м3 газу / рік має вісім кручених теплообмінних апаратів, поверхня теплообміну одного апарата до 12 500 м2, довжина труб в восьми апаратах близько 2800 км, маса апаратів більше 1000 т.
Відцентровий осьової компресор з приводом від парової турбіни для змішаного хладоагента має потужність 80 МВт, його довжина 21 м і маса 200 т. Цикл на змішаному хладагенте дозволив істотно зменшити кількість обладнання (компресори, теплообмінні апарати, криогенні кабіни), спростити технологічну схему і регулювання процесом і ін. Але для реалізації цього циклу треба було створення унікальних відцентрових компресорів, одинична потужність яких може доходити до 100 МВт (в порівнянні з потужністю одного компресора для нафто газопереробної та нафтохімічної промисловості до 20 МВт), високоефективних кручених теплообмінних апаратів поверхнею до 18-20 тис. м2 (в порівнянні з теплообмінної поверхнею одного стандартного теплообмінного апарату для НПЗ до 2 тис. м2), кріогенних сховищ СПГ ємністю до 100 тис. м3 і іншого технологічного обладнання. СПГ по криогенному трубопроводу надходить в резервуари-сховища СПГ.