Сжиженный природный газ

Магистральный трубопровод — сооружение почти циклопическое. Он протягивается иа тысячи километров, ежесекундно расходует миллионы киловатт, обходится в миллиарды. Вспомним, что к концу пятилетки добыча природного газа достигнет небывалого для жономики одной страны уровня — триллиона кубометров, что превышает объем Ладожского озера! Чтобы довести газ до потребителя, потребуется дополнительно проложить 133 тысячи километров трубопроводов — 13 ниток от Бреста до Владивостока.

В отечественном бюджете энергетика давно прочно удерживает первое место по сумме инвестиций. А требуются еще более крупные. Нельзя ли хоть как-то снизить расходы! Оказывается, одной ниткой трубопровода можно заменить три, если только превратить газ в жидкость. Но для этого необходимо создать надежное оборудование и наладить его массовый выпуск.

«Энергетический джинн» и его характер

Природный газ прочно вошел в обиход человека. И неудивительно: это великолепное топливо и сырье, обладающее множеством достоинств. Правда, и одним существенным недостатком. Как положено всякому газу, он требует при хранении и транспортировке значительных емкостей.

Напрашивается естественное решение проблемы: охладить природный газ и превратить его в жидкость.

Объемная концентрация энергии возрастает при этой операции в 600 раз.

Сжиженный природный газ — своеобразный «энергетический джиин»; при его освобождении из заточения, скажем, из литровой бутылки, можно получить энергию, достаточную для приготовления пищи небольшой семье в течение месяца.

Основу природного газа составляет метан, содержание которого в зависимости от типа месторождения колеблется от 75 до 99% по объему. Поэтому сжиженный природный газ не совсем правильно называют жидким метаном или жидким газом. Сжиженный природный газ (СПГ) — жидкость, примерно в 2 раза более легкая, чем бензин, кипящая при атмосферном давлении в температурном интервале — 158 — 163° С, с калорийностью 10 000 Ккал/кг.

Жидкая «упаковка» делает природный газ доступным топливно-энергетическим ресурсом практически для любого района земного шара. СПГ может доставляться потребителям всеми видами транспорта, включая межконтинентальные перевозки в специальных танкерах. Не представляет технических проблем хранение больших объемов жидкого газа с целью снабжения промышленных районов, крупных городов и даже отдельных стран.

О сжижении природного газа стали серьезно думать после открытия в 20—30-х годах этого столетия в США крупных месторождений, расположенных вдали от крупных городов. Транспортировать газ по дальним магистральным трубопроводам тогда еще не умели. Вот потому-то и начались исследования по сжижению газа для его перевозки по железным дорогам и в наливных судах. Однако первая промышленная установка по производству жидкого метана была сооружена для других целей. В 1941 г. в Кливленде (США) построен завод сжижения для покрытия суточных «пиковых» нагрузок потребления газа в зимнее время.

Завод проработал немногим более трех лет, когда страшная катастрофа прекратила его существование.

Произошел разрыв резервуара, и 4000 кубометров сжиженного газа вытекло, испарилось и вспыхнуло.

При аварии погибло 128 человек, 400 было ранено. Четыре дня бушевал пожар.

Он причинил огромный материальный ущерб.

С полной достоверностью причина катастрофы не установлена, несмотря на работу нескольких групп экспертов Американского горного бюро. Предположили, что малоуглеродистая сталь с 3,5%-ным содержанием никеля, из которой был сделан резервуар, под влиянием низкой температуры стала хрупкой, и в результате сейсмических толчков корпус резервуара дал трещину. Тяжелая авария на единственной в мире установке задержала работы по производству жидкого метана.

СПГ на суше и на море

В Советском Союзе аналогичный процесс был освоен в 1954 г., когда на Московском заводе сжижения природного газа ввели в эксплуатацию установку, рассчитанную на производство 25 тыс. тонн СПГ в год. Тогда же был успешно проведен комплекс работ по применению жидкого газа в качестве топлива в автомобильных двигателях. Однако вскоре были открыты крупные месторождения нефти, и проблема использования сжиженного газа потеряла актуальность.

Недавний топливно-энергетический кризис заставил вспомнить о жидком метане.

В 1964 г. в г. Арзеве (Алжир) был пущен в эксплуатацию крупный завод сжижения природного газа, поставляемого в Англию и Францию. Газ с месторождений Сахары поступал по трубопроводу на завод, а далее уже в жидком виде транспортировался по морю на остров Канвей (в устье Темзы) и в Гавр.

Лиха беда начало. За последнее двадцатилетие построены и успешно эксплуатируются мощные заводы сжижения природного газа в Ливии, Индонезии, на Аляске...

Строятся новые с ежесуточной производительностью до 50 млн. куб. м. Они создаются там, где достаточно высокие сырьевые запасы природного газа и низкий уровень спроса на него. Для межконтинентального транспорта жидкого газа построен флот танкеров-метановозов с объемом резервуаров до 120 тыс. куб. м., что эквивалентно 72 млн. куб. м обычного газа.

Проектируются метановозы, которые могут перевозить в один рейс свыше 200 млн. куб. м. газа. Появились танкеры со встроенными в палубу шаровыми резервуарами; суда, в которых СПГ хранится непосредственно в теплоизолированных трюмах; специальные метановозы усиленного класса для плавания в арктических ледовых условиях. В качестве топлива судовых двигателей используется как солярка, так и испарившийся в процессе рейса СПГ.

В связи с тем, что в последние несколько лет вовлекаются в интенсивную разработку месторождения газа прибрежной зоны, появились разработки по созданию заводов сжижения большой производительности и хранилищ СПГ в «плавучем» исполнении: на заякоренных в море баржах-платформах размещается весь комплекс оборудования по сжижению, хранению и отгрузке СПГ. Плавучие заводы сооружаются в крупных портах и в готовом виде доставляются в районы морского и океанского шельфа, где имеются газовые или газоконденсатные месторождения.

Коктейль из углеводородов

В промышленных условиях СПГ получают способом охлаждения и конденсации природного газа; при этом давление его выбирают в пределах Р = 3,5 — 5,0 МПа (примерно 35 — 50 атмосфер).

Для охлаждения и конденсации предусматривается сжатие рабочего тела (криоагента) в компрессорах и затем резкое снижение давления в специальных устройствах, называемых дроссельными.

Иногда схему цикла дополняют расширительные машины — турбодетандеры, в которых газ охлаждается при его расширении на лопатках рабочего колеса. Энергия вращательного движения расходуется на сжатие газа в компрессорах или на выработку электроэнергии в генераторах.

Охлажденный криоагент пропускается в теплообменниках навстречу теплому потоку природного газа. Потоки разделены теплопередающими поверхностями.

Производство и изготовление теплообменников весьма сложный технологический процесс. В реальных условиях из-за ограниченности поверхностей теплообменников и конечных разностей температур часть подведенной энергии теряется безвозвратно. Преодолеть этот недостаток и улучшить компоновку цикла помогла плодотворная идея, высказанная профессором А. П. Клименко в 1959 г.

Он предложил схему, где в качестве рабочего тела вместо криоагентов использовалась сложная по составу углеводородная смесь — своего рода «углеводородный коктейль».

Наличие в смеси различных углеводородов (метан, этан, пропан, бутан и т. д.) позволило получить плавные очертания температурных кривых и довести разность температур «тепловых» и «холодных» потоков всего до нескольких градусов. В результате на 20—30% сократились энергетические затраты. Создание оптимального криоцикла сжижения природного газа на смеси — интересная проблема, решаемая в настоящее время с помощью ЭВМ.

Другая серьезная проблема — максимальное укрупнение технологического оборудования, как машинного (компрессоры и расширительные машины), так и теплообменного. В настоящее время на заводах сжижения устанавливается оборудование очень больших единичных параметров (компрессоры мощностью 80—100 тыс. кВт в одном корпусе и теплообменники весом 200 — 250 тонн).

Такие «гигантские» масштабы отнюдь не являются предельными; специалисты, однако ж, работают над созданием эффективных и компактных теплообменников. Главные требования, которые предъявляются к ним, — максимальная поверхность теплопередачи в единице объема и надежность при низких температурах. Этим требованиям хорошо удовлетворяют витые конструкции из алюминиевых сплавов или хладостойких сталей.

Другая интересная схема — пластинчато-ребристые теплообменники из алюминиево-бронзовых сплавов. Они собираются в виде пакета пластин и ребер, заключенных в корпус; пакет спаивается в печах, под флюсом. Значительное преимущество таких конструкций — компактность и простота обслуживания. Однако стоимость пластинчаторебристых теплообменников из-за сложности их изготовления еще достаточно высока. На заводах сжижения установлены самые мощные в мире турбокомпрессоры. Как снабжать их энергией?

Расчеты показывают, что оптимальным является применение на заводе паровых турбин, топливом для которых служит сам сжижаемый природный газ. При этом компрессорные ступени устанавливаются прямо на вал паровой турбины.

Таким образом, достаточно довести природный газ до заводской площадки; основные энергетические нужды он берет на себя. На собственные нужды расходуется обычно до 15% подаваемого газа.

Если положение «пиковое»

В Советском Союзе для бесперебойного снабжения потребителей создана Единая газоснабжающая система. Основное ее преимущество в том, что она позволяет передавать при необходимости нужное количество газа из одной системы магистралей в другую в зависимости от колебаний спроса.

Особенно большие «пиковые» нагрузки возникают при резком похолодании в осенне-зимний период нли при авариях на газопроводах. Хотя такие «пики» по сравнению с сезонной неравномерностью потребления могут быть краткосрочными A0—12 дней для районов с умеренными климатическими условиями), они тем не менее требуют значительных объемов газа для их «сглаживания». Для хранения газа в обычном состоянии используются подземные хранилища в геологических структурах с водоносными пористыми пластами или в выработанных пластах нефтяных и газовых месторождений. Однако необходимые условия не всегда встречаются вблизи крупных потребителей; поэтому удлиняются трубопроводы, растут затраты на транспорт и хранение газа.

Хранилища СПГ могут быть созданы практически в любых районах, а включение в действие насосов и установок регазификации происходит в считанные минуты. Именно поэтому для регулирования «пиковых» нагрузок используются установки сжижения природного газа с низкотемпературными хранилищами. В период между 1970 — 1980 гг. только в США и Канаде создано более 200 таких установок.

В нашей стране, несмотря на широкое разнообразие природно-климатических условий, установки для регулирования «пиковых» нагрузок построены по модульному принципу и имеют типовую структуру, т. е. могут широко «тиражироваться». Единичный модуль отечественной установки производит 10 или 20 тонн СПГ/час и комплектуется двумя-тремя хранилищами общей емкостью 120 — 180 тыс.. куб. м. Именно такой комплекс по сжижению, хранению и ре газификации природного газа, способный в течение 10 суток выдавать в сеть свыше 100 млн. куб. м газа, создается в районе г. Еревана.

Использование СПГ в качестве резервного топлива требует сохранения его до наступления «пиковых» условий.

Технически это несложно. Уже накоплен большой опыт хранения криогенных жидкостей, например, жидкого кислорода. Специфика вопроса — в огромных объемах СПГ и соответственно в экономических показателях хранилищ.

Изотермические хранилища сооружаются в виде надземных металлических резервуаров либо надземных и заглубленных в грунт емкостей из железобетона. Резервуары имеют диаметр до 60—70 м и высоту 20—30 м. Их емкость достигает 100 тыс. куб. м, что эквивалентно хранению 60 млн. куб. м. обычного газа.

Металлические резервуары имеют двойные стенки. Внутренняя оболочка выполняется из хладостойкой никелевой стали, наружная — из обычной углеродистой. Пространство между ними заполнено эффективной тепловой изоляцией, в качестве которой обычно используют недорогие порошкообразные материалы.

Для хранилищ еще большего объема экономически выгоднее конструкции из предварительно напряженного железобетона с внутренней тонкой металлической «рубашкой». Обычно такие резервуары для безопасности заглубляют в грунт. В настоящее время разрабатываются железобетонные гиганты емкостью до 500 тыс. куб. м (эквивалент — 300 млн. куб. м газа). Здесь проявляется известная закономерность: укрупнение объема хранилищ до определенного предела приводит к улучшению технико-экономических показателей.

Несмотря на тепловую изоляцию, некоторая часть СПГ все же испаряется. Обычно нормальным считается ежесуточное испарение продукта до 0,1 % от объема. В хранилищах приемных терминалов применяется реконденсация испарившегося газа либо его сжигание в подогревателях воды. С помощью горячей воды в теплообменниках установок регазификации происходит обратное превращение СПГ в газообразное состояние.

Два СПГ — пара

Сжиженный природный газ можно перекачивать по трубопроводам на дальние расстояния.

Естественно, процесс осуществляется при низких температурах (примерно—120е С); следовательно, сталь для труб выбирается для этих условий, а сама труба во избежание интенсивных потерь «холода» должна иметь эффективную тепловую изоляцию.

Неизбежный теплоприток и нагрев жидкости компенсируются промежуточными станциями охлаждения.

Расчеты показывают, что в этом случае по трубопроводу можно передать в 3 раза больший поток топлива, чем при транспортировке метана в газообразном состоянии.

Это означает, что вместо трех параллельных магистралей нужна одна, причем уменьшаются трудовые затраты, сохраняются лесные массивы, резко сокращается обслуживающий персонал.

Однако не всегда трубопроводный транспорт СПГ экономичен. Ведь необходимо соорудить достаточно дорогой и энергоемкий головной завод сжижения. Компенсируются эти затраты сокращением издержек на транспорт. Чем длиннее трасса, тем на большие расстояния «раскладываются» затраты на заводы сжижения. Расчеты показывают, что магистральный трубопроводный транспорт СПГ становится более экономичным по сравнению с традиционными при расстояниях газопередачи свыше 2200 — 2500 км.

Производительность трубопровода увеличивается пропорционально диаметру в степени 2,5, а его поверхность — пропорционально диаметру в первой степени. Следовательно, с ростом диаметра снижается относительный теплоприток к трубе и уменьшаются необходимые мощности промежуточного охлаждения. Поэтому увеличение диаметра трубопровода — фактор положительный: его оптимальные значения составляют от 1020 до 1420 мм.

Проблема магистрального транспорта СПГ была поставлена советскими учеными еще в 70-х годах. Тогда же выдвинуто оригинальное предложение о транспорте газа, охлажденного до температуры — 70° С: в этом случае при давлении 10 МПа A00 атмосфер) производительность низкотемпературного газопровода за счет сжимаемости газа удваивается.

Были разработаны новые марки хладостойких сталей и изготовлены из них опытные партии труб диаметром 1020 мм. Стоимость их возросла всего лишь на 40—50%, а производительность трубопровода благодаря низким температурам увеличилась втрое.

Одна из сложных проблем трубопроводного транспорта СПГ — тепловое и механическое взаимодействие низкотемпературных трубопроводов с окружающим грунтом.

Объемная тепловая изоляция (например, пенополиуретан) в состоянии лишь частично защитить почву от промерзания. В то же время процесс промерзания грунта, особенно водонасыщенного, может вызывать образование громадной ледяной «плотины», препятствующей естественному водостоку на окружающей территории, что грозит неконтролируемыми перемещениями трубопровода и даже его разрушением. Надземная прокладка полностью исключает эту опасность, хотя такой способ дороже подземного.

Трубопроводный транспорт СПГ — комплексная проблема, сопряженная со многими отраслями народного хозяйства. В частности, появляется возможность эффективно использовать «холод» СПГ для понижения температуры «сброса тепла» в паросиловых энергетических циклах и выработать дополнительное количество электроэнергии на ТЭЦ. В результате будет возвращена часть энергии, затраченной на сжижение природного газа.

Особенно заманчиво направление, связанное с использованием «холода» для передачи больших потоков электроэнергии с помощью явлений сверхпроводимости.

До последнего времени эти явления связывали с температурами жидкого гелия.

Поэтому реализация идеи создания криогенных ЛЭП представлялась весьма проблематичной. Очень дефицитен и дорог для данных условий сверхпроводящий кабель из ниобиевых сплавов. Ошеломляющие открытия последних лет, создание дешевых и эффективных металлооксидных керамических материалов, обеспечивающих сверхпроводимость даже при относительно высоких температурах, в частности при температурах жидкого азота, позволяют иначе взглянуть на проблему криоэнергетики. У физиков нет сомнений, что достигнутый температурный уровень не предел. СПГ также криогенная жидкость, поэтому появляется возможность создать высокоэффективную систему магистрального транспорта СПГ совместно с передачей по сверхпроводящему кабелю, располагаемому в сжиженном метане, больших электрических мощностей.

Таким образом, у СПГ может быть два лика: непосредственного носителя энергии и носителя «холода», позволяющего по-новому решать старые энергетические проблемы. Единство этих ликов сулит широкие возможности народному хозяйству.

Метан или бензин

Сжиженный природный газ является качественным моторным топливом, обладающим высокой теплотворной способностью и хорошими антидетонационными свойствами. Октановое число у природного газа примерно на 15% выше, чем у лучших нефтяных автобензинов. Для бензиновых двигателей СПГ не создает дополнительных проблем, но он может быть применен и в дизелях. В этом случае возможны два варианта: во-первых, установка дополнительного блока искрового зажигания и, во-вторых, вспрыск в цилиндры до 15% запального дизтоплива.

При работе по первому варианту обеспечиваются номинальные мощности с незначительным снижением кпд. По второму — снижения кпд не происходит, а сам двигатель приобретает универсальность — может работать как на природном газе, так и на дизельном топливе.

СПГ не токсичен, не загрязняет топливной системы, не вызывает коррозии. При его применении увеличивается срок службы оборудования; в 2 раза снижается расход масла и увеличивается межремонтный ресурс. Не менее важен и экологический аспект. СПГ в автомобильных моторах сгорает практически полностью; по сравнению с бензиновым выхлопом содержание угле- водородов в воздухе сокращается в 2—3 раза, окиси азота — в 2 раза, окиси углерода — в 10 раз.

В Москве и некоторых других городах часть автомобильного парка уже переведена на сжиженный пропан. Однако пропан дефицитен и менее эффективен в качестве моторного топлива, чем природный газ. Со временем на жидкий метан будут также переведены железнодорожные локомотивы, морские и речные суда. Заметим, что СПГ целесообразно использовать и в авиационных двигателях; при этом за счет «холодного топлива» можно охлаждать лопатки турбин и воздух, поступающий в двигатель.

Реализация всех этих идей — дело достаточно сложное, требующее создания меж- отраслевой специализированной материальной базы, необходимой техники, оборудования, арматуры, автоматических управляющих систем и пр. В настоящее время такие работы ведутся. Разработана рассчитанная на период до 2000 года комплексная целевая программа по производству, транспорту и хранению СПГ, продолжаются экспериментальные исследования и разработки. Использование сжиженного природного газа, как показывают расчеты, уже в 1990 г. позволит экономить 18—20%) моторных топлив и даст большой технико-экономический эффект.

Доктор технических наук, лауреат Ленинской и Государственной премий О. Иванцов, кандидат технических наук А. Двойрис.

По материалам журнала «Наука и жизнь» № 7 1988 г.