XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Ключевые слова: природный газ, сжиженный природный газ, системы хранения, вечная мерзлота.

Key words: natural gas, liquefied natural gas, storage systems, permafrost.

Природный газ - один из важнейших источников энергии, поскольку его запасы огромны, и он является экологически чистым топливом по сравнению с нефтепродуктами. Кроме того, его выбор в качестве топлива помогает решить две экологические проблемы: загрязнение воздуха и парниковый эффект. Также актуально сегодня использование сжиженных газов в качестве топлива для удаленных от магистральных трубопроводов уголков страны. Поскольку большинство крупнейших месторождений природного газа в России расположены в удаленных районах, неблагоприятных для строительства транспортных газопроводов, наиболее целесообразным здесь является транспортировка газа в жидком состоянии.

СПГ (сжиженный природный газ) — это прозрачная и нетоксичная жидкость без цвета, которая получается при охлаждении природного газа до температуры -162ºC (-260ºF) и может использоваться в качестве моторного топлива для морского и грузового автомобильного транспорта. Природный газ, максимально сгорающий углеводород, представляет важный источник энергии. Природный газ, охлаждаемый до жидкого состояния, уменьшается в объеме, что упрощает и делает более безопасными его хранение и транспортировку.

Первые попытки сжижать природный газ в промышленных целях относятся к началу XX века. В 1917 году в США был получен первый СПГ, но развитие трубопроводных систем доставки надолго отложило совершенствование этой технологии. В 1941 году была совершена следующая попытка произвести СПГ, но промышленных масштабов производство достигло только с середины 1960-х годов.

Обострение топливно-энергетического кризиса и разработка новых месторождений, расположенных на морских шельфах, привели к тому, что в России началась активно обсуждаться проблема промышленного производства СПГ. Это связано с техническими и экономическими преимуществами применения природного газа для коммунального газоснабжения населенных пунктов, отдаленных от газовых сетей, использования в качестве моторного топлива для различных видов транспорта, создания систем резервирования газа, а также с предполагаемой транспортировкой природного газа зарубежным потребителям морским транспортом. В России строительство первого завода СПГ началось в 2006 году в рамках проекта «Сахалин-2». Входя в этот проект, «Газпром» сделал еще один шаг для реализации своей стратегической цели — стать лидером среди глобальных энергетических компаний посредством освоения новых рынков, диверсификации видов деятельности, обеспечения надежности поставок. Строительство завода СПГ с этой точки зрения является особенно важным, так как позволит расширить географию деятельности «Газпрома» и выйти на мировой рынок СПГ. Торжественное открытие завода состоялось зимой 2009 года [2]. В 2014 году завод произвел 10,8 миллиона тонн (эквивалент 14,9 миллиарда кубических метров природного газа) СПГ, который затем транспортировался в Японию, Корею, Китай, Тайвань и Таиланд судами покупателей и танкерами-газовозами [3]. В последние десятилетия мировая индустрия СПГ претерпевает бурный расцвет. Крупнейшим потребителем является Япония, на долю которой пришлось 80,9 млрд куб. м. Крупнейший производитель — Индонезия (31,6 млрд. куб.м.) [4, с. 213]. Перспективы торговли СПГ представлены на рис. 1.

Рис. 1. Мировая торговля природным газом [5, с. 234]

Перспектива использования СПГ в качестве моторного топлива для транспортных средств стала очевидной для большинства стран мира. Это направление в автомобильной технологии особенно интенсивно развивается в США, где более 25% городского транспорта используют СПГ в качестве моторного топлива. Похожая ситуация и в Западной Европе. Так, во многих городах Германии планируется перевод городского транспорта на СПГ. Италия приняла экологическую программу использования СПГ в транспортных средствах. Расширяется использование СПГ и на водном транспорте. «Statoil» запускает серийное производство судов для СПГ в Норвегии [1, с. 794–795].

Сжиженный природный газ при атмосферном давлении имеет температуру от минус 173 ºС до минус 158 ºС [6, с. 216]. Процессу сжижения предшествует ступень охлаждения с целью выделения примесей, а также тяжелых углеводородов. Если газ содержит высокий процент двуокиси углерода, сероводород, азот, необходимы дополнительные инвестиции в его предварительную обработку для снижения риска разрушения оборудования в процессе сжижения. Для сжижения природного газа могут быть использованы принципы как внутреннего охлаждения, когда газ сам выступает в роли рабочего тела, так и внешнего охлаждения, когда для охлаждения и конденсации газа используются вспомогательные криогенные газы с более низкой температурой кипения (например, кислород, азот, гелий). В последнем случае теплообмен между природным газом и вспомогательным криогенным газом происходит через теплообменную поверхность [1, с. 796].

Основными преимуществами СПГ являются удобство хранения и транспортировки, а также возможность доставки в любую точку мира, если там есть регазификационный терминал. Принципиальным его недостатком являются возможность срывов поставок и большие затраты на строительство терминалов и газовозов. Впрочем, это достаточно спорный вопрос — сейчас нет возможности оценить, что дешевле: строить трубопроводы или СПГ-терминалы. В каждом конкретном случае инвесторы взвешивают все «за» и «против», после чего выбирают вариант поставок. [12]

При больших объемах сжиженного природного газа используется изотермический способ хранения – это хранение сжиженного газа в резервуарах при той температуре, которая обеспечивает избыточное давление насыщенных паров, близкое к атмосферному.

Система хранения сжиженного природного газа включает в себя следующие элементы:

Стационарные резервуары

Оборудование, предназначенное для заполнения резервуаров от технологических линий сжижения газа

Оборудования для отгрузки (стендеры)

Оборудование, обеспечивающее безопасность хранения СПГ

В общем случае отгрузочный терминал СПГ включает в себя следующие объекты: резервуарный парк хранения СПГ, систему трубопроводов и специализированные причалы с установленным оборудованием для отгрузки сжиженного природного газа.

Сжиженный природный газ хранится в переохлажденном виде под давлением, немного большим атмосферного (для резервуаров емкостью более 500 м3). Для меньших емкостей хранения предпочтение отдается резервуарам под давлением (51,0 МПа) сигарообразной или сферической формы, технология которых схожа с технологией сооружения резервуаров СНГ (сжиженного нефтяного газа, фракции С3 + С4). Форма резервуаров СПГ цилиндрическая со сферическими днищами[13].

Известно устройство подземного хранилища СПГ, состоящего из железобетонного резервуара, который по наружной боковой поверхности окружен податливой прослойкой и изнутри покрыт слоями теплоизоляции и гидроизоляции. Хранилище расположено ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли при самом длительном расчетном хранении газа [7].

Однако в арктической зоне, с учетом вечной мерзлоты, нет необходимости глубоко закладывать хранилище. Криогенное хранилище сжиженного природного газа выполнено в виде заглубленной конструкции и расположено в вечной мерзлоте ниже уровня земли. Подача сжиженного природного газа осуществляется погружным криогенным насосом, расположенным внутри подземного хранилища СПГ [8].

Около 5 млн. км² территории России — это районы с многолетней (вечной) мерзлотой (Рис. 2). Максимальной мощности вечная мерзлота достигает на севере Ямала, Гыдана, Таймыра. В некоторых районах Якутии ее величина превышает 1000–1500 м [9].

Рис. 2. Распространение многолетнемерзлых пород на территории России
Средняя температура вечной мерзлоты составляет –4…– 5 ºС. Вследствие этого достигается снижение теплопритоков к криогенному хранилищу и увеличение срока бездренажного хранения. Соответственно, сокращаются энергетические затраты на поддержание криогенных температур в хранилищах СПГ. Данный способ хранения сжиженного природного газа выгоден также ввиду создания резерва непосредственно у потребителя.

Такие резервы можно создать в арктических портах России для обеспечения СПГ прилегающих районов. Доставка СПГ из Сахалина и Ямала возможна морским путем специальными танкерами, что экономически выгодно по сравнению с сухопутной транспортировкой или строительством сети трубопроводов СПГ. В качестве альтернативы транспортировке СПГ морским путем можно рассматривать создание системы газификации промышленных и социальных объектов сжиженным природным газом, произведенным на установках малой производительности. Арктическая зона России в целом представляет собой колоссальный сырьевой резерв страны и относится к числу немногих регионов мира, где имеются практически нетронутые запасы углеводородного и минерального сырья. Около 90 % всей площади шельфа России, составляющего 5,2–6,2 млн. км², приходится на перспективные нефтегазоносные области, в том числе 1 млн. км² на шельфе моря Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей [10].

Малотоннажные установки производства СПГ позволят на локальном социальном и промышленном уровне обеспечивать энергоресурсами удаленные малые города и поселки путем преобразования энергии СПГ в электрическую с помощью дизель-генераторов или малых ТЭЦ. По исследованиям Института систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН, при реализации проекта производства СПГ на месторождении природного газа стоимость СПГ составит 26x32 тыс. руб. за тонну. При замещении привозного дизельного топлива на тяжелом автотранспорте сжиженным природным газом экономия затрат на топливо составит 31x38%, так как цена дизельного топлива достигает 4041 тыс. руб. за тонну (без НДС) [11].

С учетом истощения запасов нефти, повышения экологических требований, газификация автомобильного транспорта, особенно тяжелых грузовиков и автобусов будет возрастать. Но широкому коммерческому использованию СПГ препятствует высокая стоимость производства и необходимость хранения в дорогостоящих криогенных резервуарах. Создание хранилищ, расположенных в вечномерзлом грунте, позволит уменьшить теплопритоки к резервуару, а также устранит проблемы поставки сжиженного природного газа в труднодоступные северные районы страны.

В целом внедрение СПГ на транспорте позволит России участвовать в формировании мирового рынка новых экологически чистых энергоносителей и технологий XXI в. и поможет в решении все более обостряющихся экологических проблем крупных городов страны.

Список литературы:

Пирогов С. Ю., Акулов Л. А., Ведерников М. В. и др. Природный газ. Метан: Справ. — СПб.: НПО «Профессионал», 2008. — 848 с.

Что такое сжиженный природный газ [Электронный ресурс] // Информаторий «Газпром»: [сайт]. [2003]. URL: http://www.gazprominfo.ru/articles/liquid-gas/.

Информация о компании. Общие сведения. [Электронный ресурс] // Сахалин Энерджи: [сайт]. [2014]. URL: http://www.sakhalinenergy.ru/ru/company/overview.wbp

Бушуева В. В., Телегина Е. А., Шафраник Ю. К. Мировой нефтегазовый рынок: инновационные тенденции. — М.: ИД «Энергия», 2008. — 358 с.

Брагинский О. Б. Нефтегазовый комплекс мира. — М.: Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2006. — 640 с.

ГОСТ Р 56021–2014. Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок. Технические требования. — Введ. 2016–01–01. — М.: Стандартинформ, 2014. — 14 с.

Пат. 2510360 С2 (РФ).

Пат. 2570952 С1 (РФ).

Ледники и снежники России. [Электронный ресурс] // Федеральный портал Protown.ru. [сайт]. [2008]. URL: http://protown.ru/information/hide/2834.html.

Месторождения. [Электронный ресурс] // Информационное агентство «Арктика-Инфо» [сайт]. [2011]. URL: http://www.arctic-info.ru/encyclopedia/fields/.

Мельников, В.Б., Федорова, Е. Б. Основные проблемы малотоннажного производства и потребления сжиженного природного газа // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И. М. Губкина. — 2014. — № 4 (277). — C. 112–123.

Козловский С. Секретный Проект «Газпрома».Что такое СПГ и зачем он российским газовикам. [Электронный ресурс] https://lenta.ru/articles/2013/05/24/lng/

Технология хранения СПГ. [Электронный ресурс]

https://lngas.ru/lng-storage/texnologiya-xraneniya-spg.html

 

Код для цитирования: Скопировать