Повышение эффективности сжижения природного газа на газораспределительных станциях магистральных газопроводов

Люгай, Станислав Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Повышение эффективности сжижения природного газа на газораспределительных станциях магистральных газопроводов
ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности сжижения природного газа на газораспределительных станциях магистральных газопроводов"

На правах рукописи

Люгай Станислав Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ; 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы в нефтяной и газовой промышленности.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

004600208

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - ВНИИ-ГАЗ» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)

Научные руководители: д-р техн. наук Самсонов Роман Олегович,

д-р техн. наук Казак Александр Соломонович.

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, профессор

Одишария Гурами Эрастович,

канд. техн. наук Лаухин Юрий Александрович. Ведущая организация: ОАО «Газэнергосеть»

Защита состоится «28» апреля 2010 года в 15 — часов на заседании диссертационного совета Д 511.001.02 при ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, поселок Развилка.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

Автореферат разослан «25» марта 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

И.Н. Курганова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие процессов сжижения природного газа и его использования характеризуется двумя основными направлениями - крупнотоннажное и малотоннажное производство сжиженного природного газа (СПГ).

Крупнотоннажное производство СПГ осуществляется в районах добычи газа. Доставка СПГ осуществляется морским транспортом для последующей его реализации потребителям с целью обеспечения стратегических интересов экономики государства.

При малотоннажном производстве СПГ сжижение газа производится на локальных установках (производительность - не более 10 т/час), расположенных вблизи газопроводов (газораспределительные станции (ГРС), автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС), газокомпрессорные станции (ГКС)), с доставкой потребителям (в радиусе до 200 км) для использования в качестве газомоторного топлива для транспорта или замещения дизельного топлива, или топочного мазута на предприятиях с энергоемкой технологией. Основная проблема развития малотоннажного производства СПГ на локальных установках обусловлена необходимостью адаптации и совершенствования существующих технологий сжижения газа к особенностям эксплуатации газопроводов (регулярное изменение термобарических параметров, расхода и состава сетевого газа) и достижения конкурентоспособной стоимости производства товарного продукта с высокими потребительскими свойствами.

Организация малотоннажного производства СПГ на объектах ОАО «Газпром» возможна на ГРС, АГНКС и ГКС без ущерба их основной деятельности. Суммарный (в целом по Российской Федерации) потенциал малотоннажного производства СПГ на ГРС и АГНКС оценивается ОАО «Газпром» в объеме более 14 шн.т/год или 20 млрд.м3/год (в денежном эквиваленте - более 100 млрд. руб.). Наиболее перспективным направлением развития малотоннажного производства СПГ является технология сжижения газа на ГРС, базирующаяся на использовании перепада давлений между магистральным и распределительным газопроводом, что позволяет заметно снизить затраты энергии на сжижение газа (термодинамические циклы с внутренним охлаждением газа).

Поэтому исследование особенностей сжижения природного газа на ГРС, разработка и совершенствование технических и технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности эксплуатации установки сжижения газа, является актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение.

Цель работы: разработка и совершенствование технических и технологических решений для повышения эффективности сжижения природного газа на ГРС магистральных газопроводов.

, Г. )

Основные задачи исследований:

1. Исследование процесса сжижения природного газа в термодинамическом цикле с внутренним охлаждением для обоснования схемно-технологических решений и определения режимных параметров установки для сжижения природного газа на ГРС с высоким содержанием диоксида углерода (СО;).

2. Исследование режимов работы установки сжижения газа на ГРС для выбора способа стабилизации ее производительности при изменениях давления в магистральном газопроводе.

3. Исследование эффективности различных циклов сжижения для повышения температуры газа при редуцировании на ГРС.

Научная новизна.

На основе выполненных исследований предложена и обоснована усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС, отличающаяся разделением потока газа на технологический и продукционный потоки (двухпоточная схема), с минимизацией влияния на производительность установки сжижения газа неустойчивых условий эксплуатации газопроводов.

Для эффективной реализации усовершенствованной технологической схемы сжижения газа на ГРС разработаны:

- способы стабилизации производительности установки сжижения газа в условиях изменения давления в магистральном газопроводе (до 15 % от номинального значения) как за счет имеющегося запаса по теплообменной поверхности, так и за счет повышения давления продукционного потока (для циклов с детандером) или промежуточного внешнего охлаждения (для циклов с простыми расширительными устройствами);

- способ повышения температуры газа при редуцировании (совмещенный с процессом сжижения газа) за счет эффективного использования энергии расширения газа в волновом детандере для подогрева газа в газопроводе;

- методический подход к выбору режимных параметров циклов работы установки сжижения газа.

Установлено, что при высоких содержаниях диоксида углерода в сетевом газе можно исключить очистку технологического потока или за счет снижения производительности установки (сжижение в неоптимальных режимах) или путем повышения давления продукционного потока (цикл двух давлений).

Основные защищаемые положения.

1. Усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС с применением двухпоточной схемы, с разделением потока сетевого газа на входе в установку сжижения на два потока - продукционный и технологический, что позволяет сократить нагрузку на систему очистки от С02 и использовать в цикле Клода более простые расширительные машины и устройства (волновой детандер, вихре-

вую трубу и др.), а в цикле Линде - уменьшить общую теплообменную поверхность аппаратов;

2. Способы стабилизации производительности установки сжижения природного газа на ГРС при изменении давления в магистральном газопроводе:

• для циклов с детандером - применение цикла двух давлений или использование запаса по теплообменной поверхности и производительности расширительной машины;

• для циклов с простыми расширительными устройствами - применение промежуточного внешнего охлаждения.

3. Способ повышения температуры газа при редуцировании газа на ГРС за счет эффективного использования энергии расширения газа в волновом детандере для подогрева газа в газопроводе.

Практическая значимость работы

Усовершенствованная технологическая схема сжижения природного газа на ГРС с применением двухпоточной схемы позволяет сократить в5+6 раз потребное количество адсорбента в блоке очистки и использовать простые расширительные устройства. В результате, срок окупаемости инвестиций снижается на 2(Н50 % при содержании С02 в сетевом газе 0,05 0,5 %, соответственно. При этом цена газа у потребителя (с учетом доставки и рсгазификации) может быть снижена с

9-10 руб./м3 до 7 руб./м3.

Разработанные способы поддержания постоянной производительности ожи-жительной установки обеспечивают устойчивую работу оборудования у потребителя при колебаниях давления в магистральном газопроводе до 20 %.

Использование волнового детандера в установке сжижения газа производительностью 1000 кг/час в двухпоточной схеме сжижения природного газа на ГРС позволяет поднять температуру потока газа в газопроводе на 5 °С при расходе около 90 000 м3/час, что исключает необходимость подогрева этого газа в специальном огневом подогревателе.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены на заседаниях Научно-технического совета ОАО «Газпром», Ученого совета ООО «Газпром ВНИИ-ГАЗ», а также конференциях и семинарах:

• на заседании секции «Распределение и использование газа» Научно-технического совета ОАО «Газпром» «Научно-методические подходы и практическая реализация проектов альтернативного газоснабжения регионов РФ» (Екатеринбург,

10-11.12.2008);

• на Международной конференции «Криогенные технологии и оборудование для газификации объектов промышленности, ЖКХ и транспорта» (Москва, 13- 15.10.2009);

• на заседаниях Ученого совета ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и его секциях: «Газотранспортные системы, надежность и ресурс объектов ЕСГ», «Математическое моделирование и информатика», «Строительство скважин и промысловая подготовка газа», (пос. Развилка, 2008, 2009,2010 гг.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 работах (в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, -5). Общее количество публикаций автора - 10 работ.

Структура работы.

Диссертационная работа включает введение, четыре главы, основные выводы, список литературы. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 33 рисунков. Библиографический список включает 36 наименований.

Автор выражает искреннюю признательность д-ру техн. наук, профессору Горбачеву С.П. за обсуждение направлений исследований, ценные советы и замечания при выполнении диссертационной работы.

Автор благодарит сотрудников Центра использования газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», ООО «Газпром трансгаз Кубань», ООО «Газпром Промгаз», Управления по газификации и использованию газа Департамента по транспортировке, подземному хранению и использованию газа ОАО «Газпром», РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, Института проблем нефти и газа за оказанную помощь в проведении исследований и активное обсуждение результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность, цель и основные задачи исследований, раскрыты новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приведены результаты анализа современного состояния и перспектив развития технологий сжижения природного газа, показаны основные проблемы малотоннажного производства СПГ на локальных установках по сжижению газа, расположенных вблизи газопроводов.

Вопросы сжижения природного газа освещены в работах Б.В. Будзуляка , А.И. Белоус, Д.М. Боброва, С.П. Горбачева, Б.Д. Краковского, И.Ф. Кузьменко, Ю.А. Лаухина, М.А. Мошканцева, Г.Э. Одишария, С.Г. Сердюкова, E.H. Пронина, Н.В. Пошернева., Н.И. Россеева ,Р.О. Самсонова, A.M. Сиротина, В.Ю. Семенова, Б.Д. Скородумова, A.A. Седых, И.А. Саркисян, С.А.Фурсенко, Г.А. Фокина, И.Л. Ходаркова и др.

Из результатов анализа следует, что наиболее перспективной технологией малотоннажного производства СПГ представляется технология сжижения природно-

го газа на ГРС, основу которой составляет использование перепада давлений между магистральным и распределительным трубопроводом (термодинамические циклы с внутренним охлаждением газа). В этой технологии практически отсутствуют дополнительные затраты энергии на сжижение газа и себестоимость продукта определяется, в первую очередь, стоимостью технологического оборудования. Перепад давлений может эффективно использоваться как в турбодетандерах (технологии ОАО «Гелиймаш», ОАО «Криогенмаш»), так и более простых расширительных устройствах: вихревая труба, дроссель (технология ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург»).

Одной из проблем при малотоннажном производстве СПГ на ГРС является высокая стоимость очистки газа от высококипяших компонентов. Необходимость этой очистки обусловлена, с одной стороны, требованиями к составу сжиженного газа, как товарного продукта, а, с другой стороны, возможностью забивки технологического оборудования в процессе сжижения из-за кристаллизации С02, метанола и следов масла. Проблема усложняется тем, что содержание этих компонентов в сетевом газе может меняться в широком диапазоне. Поэтому в технологии ОАО «Гелиймаш» предусмотрена очистка от СО2 всего количества газа, поступающего в установку, что приводит к увеличению стоимости установки на 20 % при содержании СО2 в исходном газе на уровне 0,05 %. В технологиях ОАО «Криогенмаш» и ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» очистка газа от СО2 отсутствует, что позволяет снизить стоимость установок, но производится сжиженный газ низкого качества (высокое содержание С02 и других высококипяших примесей).

При сжижении природного газа на ГРС имеет место изменение давления газа на входе в установку - посезонно, помесячно, посуточно из-за колебаний давления в магистральном газопроводе. При этом, естественно, изменяется производительность установки и объемы поставок СПГ потребителю. Чтобы обеспечить постоянный расход при сезонном изменении давления, ОАО «Гелиймаш» предложена сезонная смена проточной части турбодетандера. Однако при этом не решается вопрос - как обеспечить постоянную производительность установки при относительно небольших колебаниях (10 15 %) давления газа в магистральном газопроводе, которые имеют место в течение суток, месяца, года. Проблема усугубляется, если в качестве расширяющего устройства используется вихревая труба или волновой детандер.

Как показано в работах ОАО «Газпром трансгаз Самара», в процессе сжижения природного газа на ГРС за счет отводимой энергии можно повысить температуру сетевого газа перед дросселированием, чтобы избежать образования гидратов при снижении температуры после дросселя. Рассматривается возможность использования цикла с дросселированием для повышения температуры сетевого газа, но

отсутствует оценка целесообразности этого процесса для других циклов производства СПГ на ГРС.

Во второй главе представлены результаты исследований, направленные на совершенствование технологической схемы сжижения газа на ГРС, обеспечивающей возможность производства СПГ высокого качества (с содержанием С02 до 0,01 %), а также особенности производства СПГ при изменении давления в магистральном газопроводе.

Предложена технологическая схема сжижения природного газа на ГРС, основанная на разделении потока газа, поступающего на установку, на две части (двух-поточная схема): на продукционный поток, который собственно сжижается, и на технологический поток, который предназначен для получения холода за счет расширения газа в детандере (рисунок 1). При этом от С02 очищается только продукционный поток, который составляет 10 15 % от общего расхода газ на установку.

Что касается технологического потока, то за счет выбора параметров цикла (давление и температура потока газа после выхода из детандера) можно исключить кристаллизацию СО2 из газа на выходе из детандера, а значит, и во всех точках потока.

Рисунок 1. Схемы производства СПГ на ГРС на базе детандерного цикла с разделением потоков и дожимающим компрессором (цикл двух давлений)

1 - магистральный газопровод; 2 - прямой (технологический) поток; 3 - блок осушки; 4 - блок очистки; 5 - предварительный теплообменник; 6 - детандер; 7 - детан-дерный теплообменник; 8 - дроссельный вентиль; 9 - сборник-сепаратор; 10 - слив СПГ; 11 - распределительный газопровод; 12 - блок осушки продукционного потока; 13 - дожимающий компрессор.

Как известно, для термодинамического цикла Клода (с расширением газа в детандере) имеется некоторое оптимальное значение газа перед детандером, при котором коэффициент сжижения и термодинамическая эффективность цикла имеют максимальное значение. При отклонениях от этого значения коэффициент сжижения уменьшается. Как правило, термодинамический расчет цикла заключается в определении этого оптимального значения. Поскольку для обеспечения высокой растворимости диоксида углерода в газе необходимо повышать температуру перед детандером выше оптимального значения, то необходимо провести термодинамический расчет цикла в неоптимальных режимах.

Термодинамический расчет цикла основан на уравнениях теплового и материального баланса для сечений 1,2,3, которые имеют вид:

{кт , - Ит 2 ) = (1 - х)*(1т { - кп 2 ) (1)

(1 - М)*{Ит2 - Аш3)= (1 -х)*(Ли, - /г«3) (2)

Ьпъ-Ьтг-т}Ь.Ьг_ъ (3)

_ (Ип, - кт ,)*(\ - М) Ьп3 - 1тг

где

т, п - и индексы прямого и обратного потока, соответственно; 1,2,3 - индексы сечений (рисунок 2.1) /ш, - энтальпия насыщенной жидкости;

Ак2.з - изоэнтропный перепад энтальпий в детандере, определяется из предварительного расчета;

М - доля детандерного потока от полного расхода газа на установку; х - коэффициент сжижения (доля сжиженного газа от полного расхода газа установку).

Целью расчета является определение значений, Лш^, А«/, Ъпг, 1т з, М, х, т.е. имеем 7 неизвестных при 4 уравнениях, поэтому, как правило, значениями Тфд, {Ит; - 1тз) - задаются. Затем подбирают значение температуры (энтальпии) газа перед детандером Тт^ чтобы разность температур в детандерном теплообменнике имела минимальное значение. При выполнении этого условия коэффициент сжижения X принимает максимальное значение, а доля детандерного потока является оптимальной

При расчете неоптимальных режимов необходимо задаваться температурой газа перед детандером и минимальной разностью температур в детандерном теплообменнике, а результатом расчетов является коэффициент сжижения, доля детан-

дерного потока и разность температур между прямым и обратным потоком на входе в установку.

На рисунке 2 представлены значения коэффициента сжижения при различных температурах газа перед детандером (давление прямого потока 3,5 МПа, давление обратного потока 0,6 МПа). Видно, что если при оптимальной температуре 225 К коэффициент сжижения равен 0,14, то при повышении температуры до 235 К коэффициент сжижения уменьшается до 0,105, т.е. на 2 5 %.

0,160 | 0,140

I 0,120 | 0,100 Ё 0,080 | 0,060 0,040

о" 0,020 * 0,000

6000

5000 I а

3000 § s

2000 о а

1000 л

225,00 230,00 235,00

Температура перед детандером, К

-Коэффициент сжижения — Растворимость, ррт

Рисунок 2. Коэффициент сжижения и растворимость диоксида углерода в газе при различных температурах газа перед детандером

Давление прямого потока 3,5 МПа. Давление обратного потока 0,6 МПа

Значения растворимости СО2 в газе после детандера можно определить из условия:

С„, = F

со 2

(5)

где

Ссо2 - растворимость диоксида углерода в газообразном метане, моль/моль; Рсо2 - упругость паров диоксида углерода над кристаллом; Р - давление газа;

Р > 1 - поправочный коэффициент для действительного значения растворимости.

Упругость паров диоксида углерода над кристаллом определяется по зависимости

1275,6

-+0,00683-74 8,307 (90-140 К).

(6)

Также на рисунке 2 представлены значения растворимости С02 в газе за детандером при различном значении температуры. Видно, что при оптимальном значении температуры 225 К значение растворимости составляет около 2000 ррт, т.е. при содержании С02 в исходном газе до 0,2 % нет необходимости в очистке технологического потока газа от диоксида углерода. Такое большое значение растворимости объясняется высоким давлением обратного потока (0,6 МПа), которое равно давлению в распределительном газопроводе. Если повышать температуру газа перед детандером до 235 К, то растворимость увеличится до 5000 ррт (0,5 %), но как указывалось выше, коэффициент сжижения уменьшится на 25 %. Таким образом, применение двухпоточной схемы при производстве СПГ по циклу Клода позволяет отказаться от очистки продукционного потока при содержании С02 в сетевом газе ниже 0,2 %, при этом значение коэффициента сжижения останется максимальным. При содержании диоксида углерода в сетевом газе свыше 0,2 % необходимо повышать температуру газа перед детандером и переходить в неоптимальные режимы работы установки. При этом наряду с повышением растворимости (до 0,5 %) происходит снижение производительности (до 25 %).

При дальнейшем повышении содержания С02 в сетевом газе коэффициент сжижения резко снижается из-за большой недорекуперации на входе в установку. Однако, если повысить давление продукционного потока до сверхкритического давления, то изменяется характер теплообмена в детандерном теплообменнике (рисунок 3) и растворимость С02 в газе может быть увеличена до 2,5 % при давлении прямого потока 3,5 МПа, давлении продукционного потока 6 МПа, давлении в распределительном газопроводе 0,6 МПа. Даже при снижении давления за детандером до 0,2 МПа растворимость С02 в газе остается достаточно высокой (0,2 %).

Давление продукционного потока повышается с помощью дожимающего компрессора (рисунок 1), мощность которого для данного примера составляет около 40 кВт.

Таким образом, применение двухпоточной схемы в циклах с детандером позволяет повысить эффективность (снизить себестоимость СПГ) сжижения природного газа на ГРС.

В диссертационной работе также рассмотрена целесообразность использования двухпоточной схемы в циклах с применением расширительных устройств, в частности, в цикле с дросселированием (цикл Линде). Применение дроссельных схем сжижения природного газа сдерживается тем, что из-за низкого значения ко-

эффициента сжижения (0,03 - 0,04) расход газа в прямом потоке в 3 - 4 раза превышает расход в цикле с детандером. Кроме того, поскольку высококипящие компоненты остаются в жидкости, их концентрация при таком низком значении коэффициента сжижения возрастает в 20 - 30 раз, т.е. при концентрации С02 в исходном газе 0,05 % концентрация диоксида углерода в жидкости возрастет до 1 % (10000 ррт) и начинается его кристаллизация. Очистка всего потока от СО2 адсорбционным методом приводит к увеличению стоимости установки.

ЁГ

130 1« 130 1« 170 180

Температура, К

продукционный поток обратный поток

190 200 210 220

140 152 1М 176 18 200 212 224 236 28 260 Температура, К

продукционный лоток обратный поток

Рисунок 3.0 - Т диаграмма детандерного теплообменника для докрити-ческого и сверхкритического давления прямого потока

Переход к двухпоточной схеме предполагает, что прямой поток разделяется на технологический и продукционный потоки (рисунок 4), причем очистке от С02 подвергается только продукционный поток, который затем последовательно проходит через теплообменники 2 и 3, а технологический поток охлаждается только в предварительном теплообменнике 1, а затем дросселируется на первом дросселе с понижением температуры и обратным потоком возвращается в распределительный трубопровод, охлаждая прямой поток.

Рисунок 4. Расчетные схемы цикла Линде. А - однопоточная схема; Б - двухпоточная схема

В таблицах 1 и 2 приведены результаты расчета для однопоточной и двухпо-точной схемы при давлении газа в магистральном газопроводе 4,5 МПа, а в распределительном газопроводе - 0,6 МПа.

Расчет двухпоточной схемы проводился при различных значениях температуры газа перед первым дросселем (Гт/п?) . Из результатов расчета видно, что коэффициент сжижения, как и следовало ожидать, не зависит от температуры перед дросселем технологического потока и остается равным значению этого коэффициента для однопоточной схемы. При температуре Шт2 свыше 220 К эффективность двухпоточной схемы снижается из-за «засечки» в теплообменнике 2. Это означает, что разность температур между прямым и обратным потоками на выходе из установки увеличивается, и потери от недорекуперации возрастают. При значении 1тт? менее 220 К с увеличением температуры газа перед дросселем технологического потока увеличивается растворимость диоксида углерода в газе после дросселя. Так, в предельном случае (Ттт2=220 К) величина растворимости достигает 63000 ррт. Это означает, что можно отказаться от очистки технологического потока газа от диоксида углерода при содержании его в исходном газе до 6 %. При этом доля СС>2 в продукционном потоке также существенно снижается из-за уменьшения паросодержания в продукционном потоке после дросселирования. В нашем случае эта величина составит 0,15 % против 1,3 % для однопоточной схемы при содержании СО? в исходном газе - 0,05 %.

Таблица 1. Результаты расчетов однопоточного цикла Линде

Рт давление продукционного потока, МПа 4,5

Рп давление обратного потока, МПа 0,6

1т1 температура прямого потока на входе в установку, К 290

1т2 температура прямого потока перед дросселем, К 194

ШЗ температура прямого потока после дросселя, К 138

1п2 температура обратного потока на выходе из сборника, К 138

Ш1 температура обратного потока на выходе из установки, К 285

X коэффициент сжижения, кг/кг 0,04

N6 производительность установки кг/час 1000

Ут расход газа через установку, кг/час 36827

01 тепловая нагрузка на теплообменник, кВт 2228

Таким образом, применение двухпоточной схемы для реализации цикла Линде позволяет отказаться от очистки газа технологического потока при объемной доле диоксида углерода в исходном газе до 6 % и снижает содержание С02 в жидкости примерно на порядок по сравнению с однопоточной схемой. Как видно из таблицы 2, в двухпоточной схеме на теплообменники приходится меньшая суммарная тепловая нагрузка, т.е. уменьшается поверхность (и стоимость) теплообменников. Для нашего случая, уменьшение теплообменной поверхности составит свыше 30 %.

Таблица 2. Результаты расчета двухпоточного цикла Линде

Рт давление продукционного потока, МПа 4,50 4,50 4,50

Ртт давление технологического потока, МПа 4,50 4,50 4,50

Рп давление обратного потока, МПа 0,60 0,60 0,60

1тт1 температура технологического потока на входе в установку, К 290,00 290,00 290,00

(тш2 температура технологического потока на перед дросселем 1, К 200,00 210,00 220,00

1тЗ температура продукционного потока перед теплообменником 3, К 153,63 172,48 188,23

Ьп4 температура продукционного потока перед дросселем 2, К 143,47 143,47 143,47

М температура обратного потока на выходе из установки, К 285,00 285,00 285,00

1п2 температура обратного потока перед теплообменником 1, К 156,85 176,91 193,48

1пЗ температура потока после дросселя, К 148,63 167,48 183,23

1п4 температура обратного потока на входе в теплообменник 3,К 138,47 138,47 138,47

СЗ растворимость С02 в газе после дросселя 1 1161,70 12591,59 63296,45

X коэффициент сжижения 0,0382 0,0382 0,0382

У5 пароосдержание в сборнике 0,163 0,299 0,479

М1 доля технологического потока 0,954 0,945 0,927

Ут расход газа через установку, м3/час 37390 37361 37348

N0 производительность установки, кг/час 1000 1000 1000

01 нагрузка на теплообменник 1, кВт 1986 1662 1404

02 нагрузка на теплообменник 2, кВт 137 149 159

03 нагрузка на теплообменник 3, кВт 13 47 124

БиМ 0 суммарная нагрузка на теплообменники, КВт 2135 1859 1687

Проведенная оценка эффективности применения двухпоточной схемы в цикле Линде может быть распространена и на другие циклы с применением различных расширительных устройств.

В главе 2 также проведена экономическая оценка эффективности от применения двухпоточных схем, в частности, определено снижение стоимости адсорбционной системы очистки в цикле Клода и цикле Линде (рисунки 5 и 6). Видно, что при повышении содержания диоксида углерода в исходном газе до 5000 ррт (0,5 %) экономический эффект может достигать до 0,7 - 2,0 млн. долл. на одну установку.

Рисунок 5. Стоимость системы очистки исходного газа от СО2 при производстве СПГ по циклу Клода по однопоточнон ндвухпоточной схеме. Производительность установки 1000 кг/час

Рисунок б. Стоимость системы очистки исходного газа от С02 при производстве СПГ по циклу Линде по однопоточной и двухпоточной схеме. Производительность установки 1000 кг/час

Содержание С02 в исходном газе, ррт

—однопогачная схема—двухпоточная схема

В главе 2 рассмотрены также вопросы поддержания постоянной производительности установки для сжижения газа на ГРС при изменениях давления в магистральном газопроводе. Проведено численное моделирование процессов производства сжиженного природного газа на ГРС по различным термодинамическим циклам с внутренним охлаждением при относительно небольших колебаниях (10 - 15 %) давления в магистральном газопроводе. По сути, моделирование представляло собой поверочные расчеты режимов работы установки при следующих условиях: объемный расход газа через установку остается постоянным при измене-

оиииии

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Содержание С02 в исходном газе, ррт

—однопоточная схема —двухпоточная схема

нии давления прямого потока, термодинамический к.п.д расширительных устройств постоянны, за счет регулирования поддерживается оптимальное для данного давления значение температуры газа перед детандером. На рисунке 7 представлены результаты моделирования на примере установки (цикл Клода) производительностью 1000 кг/час при номинальных значениях давления в магистральном и распределительном трубопроводах 3,5 МПа и 0,6 МПа, соответственно.

Уменьшение производительности установки при снижении давления на входе обусловлено как уменьшением перепада давлений на детандере, так и уменьшением массового расхода через детандер. Поэтому снижение давления газа на входе в установку на 10 - 20 % приводит к уменьшению производительности установки на 15-30 %, что отрицательно сказывается на эксплуатационных параметрах установки сжижения газа.

0,250 —

I 0,200 —

§ 0,150-

I 0.100 —

I 0,050 —

* о.ооо -— 2,00

Рисунок 7. Производительность установки при отклонении давления на входе в установку от номинального значения

Поддерживать постоянную производительность установки при снижении давления на входе можно двумя способами: увеличением расхода газа через установку и введением внешнего охлаждения с дополнительной затратой энергии.

Результаты моделирования показали, что в установках сжижения природного газа на базе цикла Клода для регулирования производительности целесообразно при проектировании несколько завышать теплообменную поверхность и производительность детандера. Для снижения производительности установки наиболее эффективным является снижение давления на входе в установку путем дросселирования. При этом, снижается тепловая нагрузка теплообменных аппаратов, а за счет регулирования доли расхода газа на детандер обеспечивается достаточно высокая температура газа на выходе из установки. Что касается установок с использованием расширительных устройств, то для регулирования производительности необходимо вводить промежуточное внешнее охлаждение прямого потока.

Как видно из таблицы 3, применение промежуточного охлаждения прямого потока до 270 К и 260 А" позволяет увеличить коэффициент сжижения на 30 и 50 %, соответственно. Это обеспечивает поддержание постоянной производительности при снижении давления прямого потока до 20 %.

Таблица 3. Параметры дроссельного цикла с промежуточным охлаждением

Рт Давление продукционного потока, МПа 3,50 3,50 3,50 3,50

Ртт Давление технологического потока, МП а 3,50 3,50 3,50 3,50

Рп Давление обратного потока, МПа 0,60 0,60 0,60 0,60

|П)0 Температура в магистральном газопроводе, К 290,00 290,00 290,00 290,00

tm1 Температура продукционного потока на входе в установку, К 290,00 270,00 270,00 260,00

Imml Температура технологического потока на входе в установку, К 290,00 270,00 270,00 260,00

tm2 Температура технологического потока перед дросселем, К 200,00 200,00 205,00 205,00

tn3 Температура технологического потока после дросселя, К 166,13 166,13 173,60 173,60

сз Растворимость С02 в газе после дросселя 1, ррт 10811,50 10811,50 24422,90 24422,90

X Коэффициент сжижения, кг/кг 0,0245 0,0327 0,0327 0,0377

М1 Доля детандерного потока, кг/кг 0,965 0,954 0,949 0,941

Vm Расход газа через установку, м /час 58193 43671 43663 37915

Q1 Тепловая нагрузка теплообменника 1, кВт 2747 1642 1498 1117

Q2 Тепловая нагрузка теплообменника 2, кВт 148 148 153 153

Q3 Тепловая нафузка теплообменника 3, кВт 45 45 68 68

SUM Q Суммарная нагрузка на теплообменники, кВт 2941 1836 1718 1338

Ncol Мощность компрессора холодильной установки, кВт 123 160

В третьей главе приведены результаты проведенных исследований вопросов стабилизации температуры в процессе сжижения природного газа.

В работе предложено использовать часть отведенной энергии от газа, при производстве СПГ на ГРС, для подогрева газа в магистральном газопроводе и стабилизации температуры газа поле редуцирования. Что позволяет заметно ограничить (или совсем исключить) подогрев газа в специальных теплообменниках за счет огневого подогрева.

Стабилизацию температуры предложено осуществлять двумя способами: - обратный поток газа низкого давления возвращается из установки в распределительный трубопровод при температуре на 5 ^ 10 К ниже, чем температура газа

в магистральном газопроводе (при этом уменьшается количество газа, которое необходимо подогревать перед редуцирование);

- часть теплого газа высокого давления возвращается из установки в магистральный газопровод и подогревает газ в газопроводе, частично или полностью заменяя огневой подогрев газа перед редуцированием.

В работе исследованы варианты стабилизации температуры для трех циклов сжижения газа: для дроссельного цикла (или другого безмашинноого цикла, например, цикла с эжектором); для цикла сжижения газа с использованием детандер-но - компрессорного агрегата; для цикла с волновым детандером. При этом основной целью исследований вариантов стабилизации температуры для трех циклов сжижения газа являлось определение и сопоставление (таблица 4) соответствующих величин коэффициента сжижения, тепловой нагрузки на теплообменные аппараты и количества газа, нагретого на величину ЛТ >5 К. Величины вышеперечисленных параметров определены по следующим соотношениям:

где

X - коэффициент сжижения;

Ьп/ - удельная энтальпия газа прямого потока на входе в установку, кДж/кг\ 1тI - удельная энтальпия газа обратного потока на выходе из установки, кДж/кг;

- удельная энтальпия жидкости на пограничной кривой при давлении обратного потока, кДж/кг.

где

<25ит - величина нагрузки на теплообмен ныв аппараты; С - производительность установки, кг/час;

¡ту - удельная энтальпия пара на линии насыщения при давлении обратного потока, кДж/кг.

X = (Ит/- Ип [)/(Иу1 ! - Ьп^

(7)

= !ту)/Х

(8)

V, = С/Х/р

где

V, — количество нагретого газа, прошедшего через установку, м3/ч\ р - плотность газа при нормальных условиях, кг/м3.

Сопоставление результатов расчетов представлены в таблице 4.

Таблица 4. Основные параметры установок для стабилизации температуры

газа

Параметры Ед. изм. Дроссел. установка* Установка сТДК Установка с ВД

Давление газа в магистральном газопроводе МПа 4,5 4,5 4,5

Давление газа в распределительном газопроводе МПа 0,6 0,6 0,6

Температура газа в магистральном трубопроводе К 283 283 283

Производительность установки по СПГ кГ/час 1 ООО 1 000 1 000

Температура газа перед детандером К 240 228

Доля детандерного газа кг/кг 0 0,73 0,86

Изоэнтропический к.п.д. детандера 0 0,80 0,40

Коэффициент сжижения кг/кг 0,035 0,152 0,096

Объемный расход газа через детандер м3/ч 0 6 864 12 800

Объемный расход газа через установку м3/ч 37000 9425 14808

Тепловая нагрузка на теплообменник 1 кВт 209,93 431,74

Тепловая нагрузка на теплообменник 2 кВт 222,33 169,69

Тепловая нагрузка на теплообменник 3 кВт 6,95 8,06

Суммарная тепловая нагрузка на теплообменники кВт 2300 439 609

Количество нагретого газа (Р = 0,6МПа, Т = 278 К) м3/ч 75 000 15 000 36 000

Стоимость установки S тыс. 660 650 300

* - двухпоточная установка

Анализ полученных результатов показал, что даже при относительно большом перепаде давлений, коэффициент сжижения в дроссельной установке составляет только около 3 %. Из-за низкой термодинамической эффективности цикла существенно увеличивается расход газа через установку и возрастает размер теплообмен-ной поверхности, а это, в свою очередь, приводит к увеличению стоимости установки, которая близка к стоимости установки с турбодетандером (коэффициент сжижения 15,2 %). Однако дроссельная установка обеспечивает нагрев 50 тыс. м3/час против 19 тыс. м3/час в установке с турбодетандером.

В установке с волновым детандером вся работа расширения переходит в тепло, Количество компримированного газа относительно невелико, но за счет высо-

кой температуры комлримированного газа при его смешении с газом в магистральном трубопроводе общее количество теплого газа составляет 90 ООО м3/час с учетом газа низкого давления, поступающего из установки непосредственно в распределительный газопровод. При этом стоимость установки с волновым детандером наименьшая по сравнению с другими вариантами. Преимуществом установки с волновым детандером по сравнению с дроссельной установкой является то, что через установку пропускается только часть от расхода газа на ГРС и при этом можно обеспечить стабилизацию температуры всего расхода.

Таким образом, для стабилизации температуры газа после его редуцирования на ГРС наиболее эффективным представляется использование установок сжижения природного газа на базе волновых детандеров.

В четвертой главе приведены результаты сопоставления эффективности применения современных технологических схем сжижения природного газа на ГРС, включая двухпоточную схему, с целью оценки их влияния на общую эффективность производства и применения малотоннажного СПГ в качестве альтернативного топлива.

В отличие от предыдущих работ, в качестве исходных данных при проведении технико-экономических расчетов использованы требования современной нормативной документации как для малотоннажного производства СПГ, так и для проектирования объектов газовой промышленности. В качестве критерия эффективности выбран дисконтированный срок окупаемости инвестиций (определяется ценой реализации СПГ у потребителя).

Технико-экономические расчеты проведены на примере комплекса производства СПГ на ГРС производительностью 1 т СПГ в час с концентрацией С02 в жидкости не более 0,01 % (100 ррт) (рисунок 8, таблица 5).

В состав комплекса входят: станция производства СПГ, транспортные средства для доставки СПГ потребителям, 7 станций регазификации СПГ у потребителя производительностью 200 м3/час (140 кг/час) каждая. Расстояние от станции производства СПГ до потребителя составляет 100 км. Каждая станция регазификации производительностью 200 м3/час может обеспечить заправку газомоторным топливом 70 100 автомобилей в сутки или производство электроэнергии мощностью 500 - 700 кВт.

Станция регазификации СПГ для предприятия 140 кг/час. Р =1,6 МПа

Станция регазификации СПГ для жилого сектора 140 кг/Час, Р = 0.15МПа

Станция регазификации СПГ для энергетической установки 140 кг/час, Р= 0,15 МПа

Станция заправки транспорта СПГ, 140 кг/час, Р-0,6 МПа

Станция заправки транспорта КПГ 140 кг/час, Р=20 МПа

Станция заправки тракторов СПГ 140 кг/час. Р= 0,6 МПа

Станция регазификации СПГ для коммунального сектора 140кг/час, Р = 0,15 МПа

Рисунок 8. Схема комплекса производства и использования СПГ

Таблица 5. Себестоимость производства и использования СПГ по различным

технологиям

^ « о в х ев А О 5 §■ 1 С 1 Капитальные затраты, тыс. руб. Удельные приведенные затраты. руб/кг 1

Технология малотоннажного производства СПГ на »в магистр ьном трубо МПа £ £ а о X § я СО Ь и Ч О ев и с о « X " л г X я ев . X >Х 11 Стои.чость сырьевого газа, руб/кг (руб/куб.м) X и X X ев се о (5 5 Я « Я я -3 &

ГРС 3 2 « £ * 1 8 £ 5 - а. л 1 о а е о Станция прои СПГ § а а. г и & с 1 а о. ь £ & = и I5 н и Всего 1 X к и X н а е с X е« а Н X # X £ Я 5 О § •8 о

Цикл с внутренним 1,7 0,19)

1 охлаждением с детандером 3,5 / 0.6 19 00« 36 800 7 900 55 270 99 910 1,4 0,38 1,05 4,52

Цикл с дросселированием или 7/0.6 26 400 46 600 7 900 55 270 109 770 1,7 (1.19) 1,9 0,38 1,05 5,03

2 вихревой трубой

Цикл с волновым 1,7 (М9)

3 детандером и новой 3,5 / 0,6 9 400 24 340 7 900 55 270 87 510 1,2 0,38 1,05 4,36

системой очистки

Расчеты технико-экономической эффективности проведены применительно к следующим технологическим схемам сжижения газа на ГРС.

1. Технологическая схема на базе цикла с расширением газа в вихревой трубе с переключающимися теплообменниками. Очистка сжиженного газа от С02 не предусмотрена, так как в схему установки дополнительно введена адсорбционная очи-

стка всего потока сетевого газа, что обеспечивает концентрацию СО2 в сжиженном газе 0,01 % (100 ррт). Коэффициент сжижения равен 0,045 при давлении прямого потока 6 МПа или 0,03 при давлении 3 МПа.

2. Технологическая схема на базе цикла с турбодетандером и комплексным блоком осушки и очистки всего потока газа, поступающего в установку, разработана ОАО «Гелиймаш». При производстве СПГ по этой технологической схеме практически исключена забивка теплообменных аппаратов и коммуникаций твердой фазой различных компонентов. Концентрация С02 в сжиженном газе не превышает 100 ррт.

3. Усовершенствованная технологическая схема сжижения природного газа на ГРС с разделением сетевого газа на два потока (двухпоточная схема, с разделением на технологический и продукционный потоки), с повышенным давлением продукционного потока (цикл двух давлений). Осушке подвергаются оба потока, а очистке от С02 только продукционный поток. В качестве расширительного устройства используется двухступенчатый криогенный волновой детандер, работающий в режиме разделителя потока. Давление продукционного потока поддерживается на уровне 6 МПа с помощью дожимающего компрессора. Коэффициент сжижения установки с волновым детандером при давлении 3,5 МПа равен 0,088, концентрация СО2 в сжиженном газе около 100 ррт.

Основные результаты технико-экономической оценки вышеуказанных технологий малотоннажного производства СПГ на ГРС представлены в таблице 5.

На основе анализа и обобщения результатов проведенной оценки преимуществ современных технологических схем сжижения природного газа на ГРС, автором сделаны следующие основные выводы.

• Современные технологические схемы сжижения природного газа на ГРС обеспечивают окупаемость инвестиций менее чем за 6 лет при реализации газа у потребителя при цене 8-9 руб./м3 (на уровне 50 % от стоимости дизельного топлива). При этих ценах возможно использование газа в качестве газомоторного топлива и энергоносителя для промышленных предприятий в качестве альтернативы дизельному топливу. Применение новых технологий позволит снизить цену реализации газа у потребителя до 7 руб./м3.

• Создание системы альтернативной газификации жилищного и коммунального хозяйства на базе СПГ возможно в том случае, если капитальные затраты на производство, транспортирование и регазификацию СПГ будут компенсированы из программы на газификацию региона. Цена реализации газа населению в этом случае составит 2,3 - 3,2 руб./м3.

• Для дальнейшего снижения себестоимости СПГ необходимо, в первую очередь, снижать капитальные затраты на станциях регазификации СПГ.

В завершении диссертационной работы приведены основные выводы.

Основные выводы диссертационной работы

1. На основе анализа современного состояния развития процессов сжижения природного газа и его использования показано, что наиболее перспективным направлением развития малотоннажного производства СПГ является технология сжижения газа на ГРС, базирующаяся на использовании перепада давлений между магистральным и распределительным газопроводами. При этом основная проблема широкого внедрения технологии связана с необходимостью ее адаптации к особенностям эксплуатации газопроводов (регулярное изменение термобарических параметров, расхода и состава сетевого газа) и достижения конкурентоспособной стоимости СПГ.

2. Разработана усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС с разделением потока сетевого газа на входе в установку сжижения на два потока - продукционный и технологический. Это позволяет сократить нагрузку на систему очистки от СО2 и использовать в цикле Клода более простые расширительные машины и устройства (волновой детандер, вихревую трубу и др.), а в цикле Линде - уменьшить общую теплообменную поверхность аппаратов. Использование двухпоточной схемы позволяет проводить очистку от СО2 только продукционного потока (при содержании С02 в сетевом газе до 5 %), в результате масса адсорбента и стоимость системы очистки уменьшаются в 5 6 раз.

3. Для усовершенствованной технологической схемы сжижения газа на ГРС разработаны:

- методический подход к выбору режимных параметров циклов работы установки сжижения газа.

4. При производстве СПГ на ГРС, с использованием усовершенствованной технологической схемы сжижения газа, становится экономически оправданным использование более простых расширительных устройств (вихревые трубы, дроссельные вентили и волновые детандеры), что приводит к заметному снижению стоимости установки и повышает надежность ее работы.

Реализация усовершенствованной технологической схемы сжижения газа, с использованием волнового детандера в качестве расширительного устройства, по-

зволит снизить стоимость установки сжижения газа (производительность 1 ООО кг/час) с 19 до 9,5 мпн. руб. и сократить срок окупаемости инвестиций на 20 % и на 50 % при содержании С02 в исходном газе 0,05 % и 0,5 %, соответственно.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Горбачев С.П., Попов В.П., Люгай C.B. Основные технические требования к криогенным бортовым топливным системам для автотранспортных средств // Газовая промышленность, 2008, № 11/626, 2008, С. 15-17.

2. Горбачев С.П., Колосов А.И., Люгай С.В.Оценка эффективности малото-нажного производства СПГ на газораспределительных станциях // Газовая промышленность, 2008, № 11/626, С. 21-25.

3. Горбачев С.П., Попов В.П., Шапкайц А.Д., Люгай C.B., Поденок С.Е. Результаты испытаний опытных образцов криогенных бортовых топливных систем для транспортных средств //Газовая промышленность, 2008, № 11/626, С.17-20.

4. Горбачев С.П., Люгай C.B. Совершенствование технологии производства СПГ на газораспределительных станциях при повышенном содержании диоксида углерода в сетевом газе // Нефтегазхиммаш, 2009, № 12, С. 17-20.

5. Люгай C.B., Попов В.П., Подосинников В.В., Федотов И.В., Дьяченко И.Л., Демидов В.А Сравнение экономической эффективности газификации удаленных потребителей газа при снабжении их компримированным природным газом (КПГ) и сжиженным природным газом (СПГ) // Газовая промышленность, 2009, № 640, С. 34-37.

6. Люгай C.B., Горбачев С.П. Снижение стоимости очистки при производстве СПГ на ГРС // Транспорт на альтернативном топливе.- 2010 - № 2 (14 2010 г.).-С.70-73.

Подписано к печати «23» марта 2010 г. Заказ № 6839 Тираж 150 экз. 1 уч. - изд-л, ф-т 60x84/16

Отпечатано в ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 142717, Московская область, Ленинский р-н, п. Развилка, ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Люгай, Станислав Владимирович

Введение

Глава 1. Современное состояние и перспективы развития технологии малотоннажного производства СПГ

1.1 Структура и организация малотоннажного производства СПГ на базе ГРС

1.2 Характеристика современного состояния технологий производства СПГ на ГРС

1.3 Особенности производства СПГ на ГРС

Глава 2.Исследование особенностей сжижения природного газа на ГРС и совершенствование технологических схем

2.1 Особенности сжижения природного газа на ГРС при повышенном содержании диоксида углерода в сетевом газе

2.2 Моделирование процессов сжижения природного газа на

2.3 Сжижение природного газа в двухпоточном цикле Клода

2.4 Сжижение природного газа в двухпоточном цикле Линде

2.5 Экономический эффект от использования упрощенной технологии очистки газа

2.6 Сжижение природного газа при переменном давлении сетевого газа

Глава 3. Исследование технологии стабилизации температуры газа при производстве СПГ с использованием различных технологических циклов сжижения газа

3.1 Стабилизация температуры газа в цикле с дросселированием

3.2 Стабилизация температуры в цикле с детандерно-компрессорным агрегатом

3.3 Стабилизация температуры в цикле с волновым детандером

3.4 Сопоставление эффективности способов стабилизации температуры при различных циклах сжижении природного газа

Глава 4. Усовершенствованная технологическая схема сжижения природного газа на ГРС и оценка ее эффективности при производстве СПГ

4.1 Основные положения усовершенствованной технологической схемы сжижения природного газа на ГРС

4.2 Оценка преимуществ современных технологических схем сжижения природного газа на ГРС

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Повышение эффективности сжижения природного газа на газораспределительных станциях магистральных газопроводов"

Актуальность проблемы. Современное развитие процессов сжижения природного газа и его использования характеризуется двумя основными направлениями - крупнотоннажное и малотоннажное производство сжиженного природного газа (СПГ).

Крупнотоннажное производство СПГ осуществляется в районе его добычи, доставка СПГ осуществляется морским транспортом для последующей его реализации потребителям с целью обеспечения стратегических интересов экономики государства.

При малотоннажном производстве СПГ, сжижение газа производится на локальных установках (производительность - не более 10 т/час), расположенных вблизи газопроводов: газораспределительные станции (ГРС), автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС), газокомпрессорные станции (ГКС), - с доставкой потребителям (в радиусе до 200 км) для использования в качестве газомоторного топлива для транспорта или замещения дизельного топлива или топочного мазута на предприятиях с энергоемкой технологией. Основная проблема развития малотоннажного производства СПГ обусловлена необходимостью адаптации и совершенствования существующих технологий сжижения газа к особенностям эксплуатации локальных установок (регулярное изменение термобарических параметров и состава сетевого газа) и достижения конкурентоспособной стоимости производства продукта с высокими потребительскими свойствами.

Организация малотоннажного производства СПГ на объектах ОАО «Газпром» возможна на ГРС, АГНКС и ГКС без ущерба их основной деятельности. Суммарный (в целом по Российской Федерации) потенциал малотоннажного производства СПГ на ГРС и АГНКС оценивается ОАО «Газпром» в объеме более 14 млн.т в год или около 20 млрд. м 2/год (в денежном эквиваленте - более 100 млрд. руб./год). Наиболее перспективным направлением развития малотоннажного производства СПГ является технология сжижения газа на ГРС, базирующаяся на использовании перепада давлений между магистральным и распределительным газопроводами, что позволяет заметно снизить затраты энергии на сжижение газа (термодинамические циклы с внутренним охлаждением газа).

Поэтому исследование комплекса вопросов повышения эффективности малотоннажного производства СПГ на ГРС является актуальной научной проблемой, имеющей важное практическое значение.

Цель работы - разработка и совершенствование технических и технологических решений для повышения эффективности сжижения природного газа на ГРС магистральных газопроводов.

Основные задачи исследований

Научная новизна

На основе выполненных исследований предложена и обоснована усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС, отличающаяся разделением потока газа на технологический и продукционный потоки двухпоточная схема), с минимизацией влияния на производительность установки сжижения газа неустойчивых условий эксплуатации газопроводов.

Для эффективной реализации усовершенствованной технологической схемы сжижения газа на ГРС разработаны:

- методический подход к выбору режимных параметров циклов работы установки сжижения газа.

Защищаемые положения

1. Усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС с применением двухпоточной схемы, с разделением потока сетевого газа на входе в установку сжижения на два потока - продукционный и технологический, что позволяет сократить нагрузку на систему очистки от СО2 и использовать в цикле Клода более простые расширительные машины и устройства (волновой детандер, вихревую трубу и др.), а в цикле Линде - уменьшить общую теплообменную поверхность аппаратов;

•для циклов с детандером - применение цикла двух давлений или использование запаса по теплообменной поверхности и производительности расширительной машины;

•для циклов с простыми расширительными устройствами - применение промежуточного внешнего охлаждения.

Практическая значимость и реализация работы

Усовершенствованная технологическая схема сжижения природного газа на ГРС с применением двухпоточной схемы позволяет сократить в 5-^6 раз потребное количество адсорбента в блоке очистки и использовать простые расширительные устройства. В результате, срок окупаемости инвестиций снижается на 20^50 % при содержании С02 в сетевом газе 0,05 0,5 %, соответственно. При этом цена газа у потребителя (с учетом доставки и регазификации) может быть снижена с 9 - 10 руб./м3 до 7 руб./м3.

Разработанные способы поддержания постоянной производительности ожижительной установки обеспечивают устойчивую работу оборудования у потребителя при колебаниях давления в магистральном газопроводе до 20 %.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены на заседаниях Научно-технического совета ОАО «Газпром», Ученого совета ООО «Газпром ВНИИГАЗ», а также конференциях и семинарах:

Публикации

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 работах (в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, - 5). Общее количество публикаций автора - 10 работ.

Структура работы

Диссертационная работа включает введение, четыре главы, основные выводы, список литературы. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 33 рисунка. Библиографический список включает 36 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ", Люгай, Станислав Владимирович

Основные выводы

2. Разработана усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС с разделением потока сетевого газа на входе в установку сжижения на два потока - продукционный и технологический. Это позволяет сократить нагрузку на систему очистки от С02 и использовать в цикле Клода более простые расширительные машины и устройства (волновой детандер, вихревую трубу и др.), а в цикле Линде - уменьшить общую теплообменную поверхность аппаратов. Использование двухпоточной схемы позволяет проводить очистку от С02 только продукционного потока (при содержании С02 в сетевом газе до 5 %), в результате масса адсорбента и стоимость системы очистки уменьшаются в 5 6 раз.

3. Для усовершенствованной технологической схемы сжижения газа на ГРС разработаны:

- способы стабилизации производительности установки сжижения газа в условиях изменения давления в магистральном газопроводе (до 15 % от номинального значения) как за счет имеющегося запаса по теплообменной поверхности, так и за счет повышения давления продукционного потока (для циклов с детандером) или промежуточного внешнего охлаждения (для цикt лов с простыми расширительными устройствами);

- методический подход к выбору режимных параметров циклов работы установки сжижения газа.

5. Реализация усовершенствованной технологической схемы сжижения газа, с использованием волнового детандера в качестве расширительного устройства, позволит снизить стоимость установки сжижения газа (производительность 1 ООО кг/час) с 19 до 9,5 млн. руб. и сократить срок окупаемости инвестиций на 20 % и на 50 % при содержании СО2 в исходном газе 0,05 % и 0,5 %, соответственно.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Люгай, Станислав Владимирович, Москва

1. Кузьменко И.Ф. Тенденции развития установок сжиженного природного газа средней производительности для распределительного газоснабжения //Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо — 2008. № 4 (40). С. 49-55.

2. Krakovskiy B.D. at all «Natural gas liquefier», The Eighth Cryogenics 2004 IIR International Conference, Praha Czech Republic, 2004, P. 203 209.

3. Скородумов Б. И. и др. Решение проблем энергоснабжения промышленных, социальных объектов и населенных пунктов с использованием СПГ //Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. — 2002. -№6. -С. 42-47.

4. Сердюков С.Г., Ходарков M.JI. Сжиженный природный газ в Санкт-Петербурге и России // «Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо». -2003. № 2. — С. 59-63.

5. Бобров Д.М., Лаухин Ю.А., Сиротин A.M. Расширительная холодильная техника для газовой и нефтяной промышленности — современное состояние, тенденции развития, опыт эксплуатации. М.: ИРЦ Газпром. - 2007.

6. Семенов В.Ю. и др. Результаты экспериментальных исследований криогенного волнового детандер-компрессора //Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. - № 4. - С. 23-25.

7. Справочник по физико-техническим основам криогеники под редакцией М.П. Малкова //Изд. 2-е переработанное и доп. М: «Энергия». -1973.-С. 110.

8. Способ сжижения природного газа и установка для его реализации. Заявка на изобретение ООО «ВНИИГАЗ» № 2007. 125.077.106 от 04.07.2007.

9. Ожижительная установка по производству СПГ на ГРС производительностью 1000 кг/час с детандером // Технический проект. ОАО «Авто-газ», ОАО «НПП «Гелиймаш». 2002.

10. Бобров Д.М., Лаухин Ю.А., Сиротин A.M., Эрсмамбетов В.Ш. Вклад ВНИИГАЗ в создание и совершенствование расширительных холодильных машин с волновым рабочим процессом //Этапы развития газоперерабатывающей подотрасли. М.: ВНИИГАЗ. -1998. - С. 183 - 198.

11. Горбачев С.П. Установка для сжижения природного газа и его регазификации // Патент РФ на изобретение № 2212600 от 20.09.2003.

12. Краковский Б. Д., Попов О.М., Удут В.Н. Выбор схемы ожижителя природного газа // Холодильная техника. -1999. № 9. - С. 26-27.

13. Комплекс технологического оборудования для реализации крио-генно-компрессорной технологии для перевода автотракторной техники на газомоторное топливо применительно к Тамбовскому региону //Технический проект. ОАО «Автогаз», ЗАО «НПП «Криосервис». 2002.

14. Горбачев С.П. Способ частичного сжижения природного газа и установка для его реализации // Патент РФ на изобретение № 221598 от 20.09.2003 г.

15. Будзуляк Б.В., Сердюков С.Г., Пронин Е.Н. Малотоннажное производство сжиженного природного газа самостоятельный вид деятельности // Информационный бюллетень НГА. - 2005. - № 3 (20).

16. Сердюков С.Г., Ходарков М.Л. Сжиженный природный газ в Санкт-Петербурге и России // «Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо». 2003. № 2. - С. 59-63.

17. Горбачев С.П. Оценка эффективности производства СПГ на газораспределительных станциях //Технические газы. 2005. - №5. - С. 35 — 40.

18. Горбачев С.П., Попов В.П., Люгай С.В. Основные технические требования к криогенным бортовым топливным системам для автотранспортных средств // Газовая промышленность. 2008. - № 11/626. - С. 15-17.

19. Горбачев С.П., Колосов А.И., Люгай С.В. Оценка эффективности малотоннажного производства СПГ на газораспределительных станциях // Газовая промышленность. 2008. - № 11/626. - С. 21-25.

20. Горбачев С.П., Попов В.П., Шапкайц А.Д., Люгай С.В., Поденок С.Е. Результаты испытаний опытных образцов криогенных бортовых топливных систем для транспортных средств //Газовая промышленность. 2008. -№ 11/626.-С. 17-20.

21. Горбачев С.П., Люгай С.В. Совершенствование технологии производства СПГ на газораспределительных станциях при повышенном содержании диоксида углерода в сетевом газе // Нефтегазхиммаш. 2009. - № 12. -С. 17-20.

22. Люгай С.В., Горбачев С.П. Снижение стоимости очистки при производстве СПГ на ГРС // Транспорт на альтернативном топливе. 2010 -№ 2 (14 2010 г.). - С.70-73.

Информация о работе

Люгай, Станислав Владимирович
кандидата технических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.19

Диссертация

Повышение эффективности сжижения природного газа на газораспределительных станциях магистральных газопроводов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы