Оптимизационные технико-экономические исследования энерготехнологических установок производства СПГ и электроэнергии с извлечением гелия Степанов Виталий Викторович

Содержание к диссертации

Введение

1. Современное состояние технологий производства спг и гелия, перспективы развития, области применения, мировой рынок спг и гелия 18

1.1. Современное состояние технологий получения СПГ, области использования СПГ 18

1.2. Состояние И Перспектива Развития Мирового Рынка СПГ 31

1.3. Состояние гелиевой промышленности и перспективы ее развития 39

1.3.1. Установки извлечения гелия 54

1.4. Альтернативные методы извлечения гелия из природного газа 60

2. Постановка задачи оптимизационных технико-экономических исследований эту получения спг и производства электроэнергии с извлечением гелия 66

2.1. Методический подход к решению задачи оптимизационных технико-экономических исследований эту получения спг и производства электроэнергии с извлечением гелия 66

2.2. Проблемы создания эффективной математической модели эту получения СПГ 74

2.3 Методика расчета показателей инвестиционного проekta эту получения СПГ, гелия и электроэнергии 77

3. Математическое моделирование процессов, элементов эту производства СПГ, электро энергии с извлечением гелия 66

3.1 Математическое моделирование свойств многоком-понентных газовых смесей 84

3.2. Методика определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей . 89

3.3. Математическое моделирование основных элементов на основе свойств многокомпонентных парожидкостных смесей и процессов, протекающих в эту 95

4. Оптимизационные технико-экономические исследования эту получения СПГ и электро энергии 108

4.1. Математическое моделирование энерготехнологических установок получения СПГ и электроэнергии 108

4.2 Технико-экономическая оптимизация эту произволства СПГ и электроэнергии 111

5. Оптимизационные технико-экономические исследования эту комбинированного получения спг и электроэнергии с извлечением гелия 122

5.1. Математическое моделирование энерготехнологических установок получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия 122

5.2. Технико-экономическая оптимизация эту получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия 127

6. Сравнительная экономическая эффективность морского транспорта СПГ и СЖТ 141

Заключение 148

Литература 150

• Состояние гелиевой промышленности и перспективы ее развития
• Проблемы создания эффективной математической модели эту получения СПГ
• Методика определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей
• Технико-экономическая оптимизация эту произволства СПГ и электроэнергии

Введение к работе

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗ- 18

ВОДСТВА СПГ И ГЕЛИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, МИРОВОЙ РЫНОК СПГ И ГЕЛИЯ , 1.1. Современное состояние технологий получения СПГ, 18

ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПГ
1.2. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ МИРОВОГО РЫНКА 31

1.3. Состояние гелиевой промышленности и перспективы 39

ЕЕ РАЗВИТИЯ

1.3.1. Установки извлечения гелия 54

1.4. Альтернативные методы извлечения гелия из природ- 60

ного газа

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ТЕХ- 66

НИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭТУ ПОЛУЧЕНИЯ СПГ И ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ГЕЛИЯ

2.1. Методический подход к решению задачи оптимизаци- 66

онных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии с извлечением гелия

2.2. Проблемы создания эффективной математической 74
модели ЭТУ получения СПГ

2.3 Методика расчета показателей инвестиционного про- 77 EKTA ЭТУ получения СПГ, гелия и электроэнергии

Иркутск-2009

Hurrim і men м эш и п цілі им. Л л. Мг.пш і ши с О РАН

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, 66
ЭЛЕМЕНТОВ ЭТУ ПРОИЗВОДСТВА СПГ, ЭЛЕКТРО
ЭНЕРГИИ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ГЕЛИЯ

3.1 Математическое моделирование свойств многоком- 84

понентных газовых смесей

1. Методика определения термодинамически равновес- 89 ного состава многокомпонентных парожидкостных смесей.

2. Математическое моделирование основных элементов 95 НА основе свойств многокомпонентных парожидкостных смесей и процессов, протекающих в ЭТУ

4. ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ 108
ИССЛЕДОВАНИЯ ЭТУ ПОЛУЧЕНИЯ СПГ И ЭЛЕКТРО
ЭНЕРГИИ

4.1. Математическое моделирование энерготехнологиче- 108

ских установок получения СПГ и электроэнергии

4.2 Технико-экономическая оптимизация ЭТУ произвол- . 111
ства СПГ и электроэнергии

5. ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ 122
ИССЛЕДОВАНИЯ ЭТУ КОМБИНИРОВАННОГО ПОЛУ
ЧЕНИЯ СПГ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ
ГЕЛИЯ

5.1. Математическое моделирование энерготехнологиче- 122

ских установок получения СПГ и электроэнергии с извлечением гелия

5.2. Технико-экономическая оптимизация ЭТУ получения 127
СПГ и электроэнергии с извлечением гелия

6. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВ- 141
НОСТЬ МОРСКОГО ТРАНСПОРТА СПГ И СЖТ

148 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

150 ЛИТЕРАТУРА

Иркутск-2009

Ннстигуі (ііспм-.яп и гішаї им Л.Л Мої нш ваСОРЛН

ВВЕДЕНИЕ

Гелий — ценный компонент природного газа. Природный газ богатых гелием месторождений, в первую очередь месторождений Восточной Сибири и Якутии, стратегически необоснованно поставлять на внутренний рынок и на экспорт до извлечения гелия.

Хотя в настоящее время более 95% мирового потребления гелия обеспечивают США, однако за пределами 2010-2015 гг. экспортные возможности США значительно сократятся, а потребление гелия существенно увеличится. Поэтому при правильном государственном подходе Россия на базе месторождений Восточной Сибири и Дальнего Востока в первой четверти XXI века вполне может стать крупнейшим производителем и экспортером гелия. Так как рынок гелия в настоящее время насыщен, до появления спроса на этот ценный компонент природного газа его возможно выделять и накапливать в специальных хранилищах (подземных пластах, в том числе солевых выработках, которых много в Приангарье).

Следует отметить, что основным способом извлечения гелия из природного газа, получившим промышленное применение в мире, является способ глубокого охлаждения, так как на сегодняшний день он является единственно надежным и проверенным методом извлечения гелия, что особенно актуально для установок большой мощности (перерабатываю-щих 2-2,5 млрд. м и более природного газа в год). Здесь возможны два варианта: получение сжиженного природного газа (СПГ) и отвод гелиевого концентрата; регенерация холода с последних ступеней охлаждения природного газа и отвод гелиевого концентрата.

Таким образом, извлечение гелия из природного газа — одна из важнейших национальных задач России в наступившем столетии. Эта задача тесно связана с другой задачей — производством сжиженного природного газа, поскольку производство СПГ и гелия технически хорошо сочетаются. Причем эффективность комбинированного производства сущест-

Иркутск-2009 4

_______________^__ ИНСГНтН ІІП1М )111 Hi ГНИИНМ П \ MlHHIHIUCOPAH

венно выше эффективности раздельных производств. Важно отметить, что квалификация и производственные возможности таких российских предприятий, как ОАО "Криогенмаш" , ОАО "Сибкриотехника", ООО НТК "Криогенная техника", "Уралкриотехника", ПО "Гелиймаш" и других предприятий позволяют на основании имеющихся заделов решить любую из конкретных задач в области ожижения природного газа, включая, как выпуск ожижительных установок различной мощности, так и оборудования для транспорта, хранения и газификации СПГ и гелия.

Процессы получения СПГ и выделения гелия криогенным способом характеризуются значительным потреблением электроэнергии на собственные нужды, а также большими капитальными затратами в криогенное оборудование. В этих условиях одной из основных задач при исследовании технологий извлечения гелия из природного газа является разработка энергетически и экономически эффективных технологических схем, где цена производимого СПГ и затраты на получение гелиевого концентрата будут минимальными.

Так как установки получения сжиженного природного газа потребляют достаточно большие количества механической и электрической энергии, то представляется эффективным комбинирование в одной энерготехнологической установке (ЭТУ) процессов получения СПГ и электроэнергии. Такое комбинирование дает возможность покрытия собственных нужд, при необходимости - производства дополнительной электроэнергии, а также утилизации для производства электроэнергии несконденсировав-шихся газов с последней ступени сепарации (продувки), которая необходима для удаления из холодильного цикла балластных газов: азота и гелия. Это повышает перспективы эффективного извлечения из газов продувки гелия, поскольку ее объем незначителен и может в пределе сводится к объему, необходимому для производства электроэнергии для удовлетворения собственных нужд.

Иркутск -2009 5

__₌₌_^ HllCririri CIICTLM .)111 PI ПИК1ІПМ. Л А. МП.ЧІНІП іПС'ОІ'ЛИ

Энерготехнологические установки получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия из природного газа характеризуются сложностью описания процессов, протекающих в многокомпонентных двухфазных смесях, а также практическим отсутствием значительного опыта их проектирования. Поэтому основным путём их исследования является математическое моделирование и проведение оптимизационных технико-экономических расчетов на разработанных моделях с целью получения оптимальных схем и параметров ЭТУ.

Вопросы математического моделирования и исследования энергетических и технологических установок освещены во многих работах: Институтом проблем машиностроения АН Украины [76-78, 113] проведён большой комплекс исследований конструкций турбомашин и автоматизации их проектирования; значительный опыт математического моделирования и оптимизации процессов и схем теплоэнергетических установок накоплен в Институте систем энергетики имени Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН, большие достижения в области методов математического моделирования и оптимизации энергетического оборудования и энергетических производств отражены в работах [2, 40-42, 49, 76-79, 113]. Наиболее значимыми в направлении исследований сложных ТЭУ и ЭТУ являются разработки таких ученых как А.И. Андрющенко, Н.П. Деканова, A.M. Клер, А.А. Палагин, Л.С. Попырин, С.К. Скрипкин, Л.А. Шубенко-Шубин, М.А. El-Masri, V. Grovic и др.

Оригинальные наработки в области моделирования различных типов термодинамических систем, в том числе многофазных систем реальных газов изложены в работах А.Н. Горбаня, Б.М. Кагановича, СП. Филиппова.

Вопросам исследования криогенных процессов и установок, в том числе установок получения СПГ и извлечения гелия, посвящено значительное количество научных работ. Во ВНИИГАЗе ведутся работы по созданию методов расчёта термодинамических и теплофизнческих свойств

Иркуіск-2009 6

_^ Пік гигеппггілпшпmintнч Ч ^ Мі-ііншіпШРЧН

газовых смесей, по разработке методов расчёта холодильных циклов и основного оборудования установок получения СПГ, по анализу и выбору типов холодильных циклов сжижения газа, разработке основных технических решений по установкам сжижения [18, 39].

Кроме того, работы по изучению установок получения СПГ ведутся КБ Общего Машиностроения (специализируется на создании комплексов для получения, хранения и выдачи потребителю жидкого водорода или сжиженного природного газа) [115], НПО Криогенмаш [116], ВНИ-ПИТрансгазом (занимается проектированием установок сжижения и разделения газов, обустройства подземных хранилищ газа) [117], ЛенНИИ-химмашем [118], АНТК им. А.Н. Туполева [119]. ВНИИГАЗом совместно с ЛенморНИИпроектом, ЦНИИ Морского Флота, РКК "Энергия" и норвежской компанией "Квернер Мосс Технолоджи" разработано технико-экономическое обоснование целесообразности освоения Харасавэйского ГКМ путём строительства завода сжижения и вывоза сжиженного газа танкерами.

Среди прочих следует выделить ЛенНИИхиммаш, который занимается разработкой аппаратуры для низкотемпературного газоразделения и очистки газовых смесей, крупных поршневых компрессоров и установок. Одним из важных направлений деятельности ЛенНИИхиммаша в 70-х годах была разработка проекта крупнотоннажной установки переработки бедного по содержанию гелия (всего 0,055%) природного газа производительностью 1,5 млн. м³ с выделением из него гелиевого концентрата, этана и широкой фракции легких углеводородов для Оренбургского гелиевого завода.

В настоящее время институт преобразован в многопрофильное инжиниринговое предприятие, осуществляющее исследование, проектирование как отдельных видов оборудования, комплектных технологических линий, так и целых заводов. К примеру, завершен рабочий проект реконст-

Иркутск-2009 ⁷

₌₌__₌_______________ НПСПГТУI fill ТІ M3III И І'ГИПІ им. Л.Л. Mini ИНГИ СО РАН

рукции гелиевого блока №1 первой очереди Оренбургского гелиевого завода. На стадии согласования находятся проекты по второй и третьей очереди.

ЛенНИИхиммашем выполнен технический проект Саянского гелиевого завода по выделению гелия из природного газа Ковыктинского месторождения в Восточной Сибири, то есть возобновлена традиционная тематика института- извлечение гелия из природного газа

Предприятие ОАО «НПО Гелиймаш» проводит модернизацию ранее выпущенных установок, с заменой теплообменного, машинного оборудования и системы контроля и управления. Отличительной чертой криогенных гелиевых установок (КГУ) производства ОАО «НПО Гелиймаш» является схема по использованию предварительного азотного охлаждения и высокоэффективных турбодетандеров (расширительных машин), в том числе, на газовых опорах собственной разработки. В крупных ожижителях гелия применены одноступенчатые жидкостно-паровые турбодетандеры вместо дроссельных вентилей, что позволило значительно увеличить производительность установок. Аналогичными турбодетандерами оснащены три ожижителя гелия, которые более шести лет успешно работают в г. Оренбурге, а также крупный ожижитель гелия в Российском научном центре «Курчатовский институт».

ОАО «НПО Гелиймаш» осуществляет значительный объем научных и производственных работ в области развития гелиевого оборудования. Специалисты ОАО «НПО Гелиймаш» разработали математические модели криогенных гелиевых установок, обеспечивающие их оптимальные параметры. На базе новых турбодетандеров с использованием результатов экспериментальных и теоретических работ был создан ряд криогенных гелиевых установок различной производительности, как для получения холода на температурном уровне от 4,5 К до 20 К, так и для получения жидкого гелия до 700 л/час. Созданные криогенные гелиевые установки использу-

ИРКУТСК-2009 8

^ HHCTim І (ЛІСП \!')l!l ГПТІКНИМ Ч \ Nil-'И Н1ШІЛ СО РАН

ются в различных областях науки и промышленности - академических научных институтах для исследования элементарных частиц и для получения мощных электромагнитных полей с помощью сверхпроводящих обмоток, предприятиях по выделению гелия из природного газа, ожижения гелия.

Также следует отметить, что сотрудники Института теоретической и прикладной механики СО РАН работают над идеей выделения гелия без глубокого охлаждения природного газа с использованием цеолитов, тем более, что эти алюмсиликаты применяются в качестве осушителей природного газа при его подготовке к транспорту. Однако, при детальном исследовании выяснилось, что цеолиты поглощают гелий только тогда, когда он охлажден до криогенных температур.

Заслуживают внимания работы Фастовского В.Г. [109, 110], посвященные фундаментальным вопросам криогенной техники: к примеру- холодильным газовым циклам установок с детандерами, термодинамическому анализу низкотемпературных процессов, методам расчета многоступенчатых циклов криогенных установок.

В работах Бродянского В.М. и Семенова А.М [12] изложены основные принципиальные положения применительно к задачам криогеники, более детально рассмотрены вопросы термодинамического анализа криогенных систем и их элементов, особое внимание уделено трактовке понятия КПД и определению его значений для различных процессов и систем (в частности, разомкнутых), а также анализу процессов дросселирования, разделения смесей, теплообмена и смешения.

В работе М.П. Малкова [90] представлена наиболее распространенная и обобщенная схема технологической установки выделения гелия из природного газа, даны некоторые экспериментальные данные по фазовому равновесию бинарных и тройных смесей, приведены физические свойства веществ при низких температурах, кратко приведены основные холодиль-

Иркутск-2009

^^ ИііГМТУІ (ІІІ-ПМ'ИІІПГОІЯІПМ Ч Л МьлшшіиСОІ'ЛН

ные циклы, механические свойства металлов и сплавов при низких температурах, основные уравнения гидравлики и теплопередачи.

В работах сотрудников Московского энергетического института Григорьева В.А., Крохина Ю.И., Аметистова Е.В. [19, 20] даны критические параметры, параметры насыщения и параметры тройной точки для некоторых газов (азот, водород, гелий и др.), даны рекомендации для расчета свойств различных ожиженных газов, также в работе произведена классификация различных теплообменников, применяемых в криогенной технике, изложена методика расчета теплообменных аппаратов и примеры расчета. Как правило, при расчете процессов теплообмена теплофизиче-ские свойства теплоносителей определяются при средней температуре потоков и давлении на входе. В данной работе свойства теплоносителей определяются при разбивке площади теплообмена на значительное число участков (15 и более) с целью увеличения точности расчетов по среднему давлению и средней температуре на исследуемом участке.

Следует отметить, что большая часть исследований по технологиям сжижения природного газа и извлечения гелия в мире и России посвящена изучению отдельных процессов и аппаратов (Dutch Shell, испано-аргентинская Repsoil, японская Chyoda Corp., норвежская государственная компания Statoil ASA, американская Air Products & Chemicals, Криоген-маш, Гелиймаш, ВНИИГАЗ, НИПИГАЗ (ОАО "Нипигазпереработка") и др.), а также различным экспериментальным исследованиям. Кроме того, часть исследований посвящена изучению установок небольшой производительности. Оптимизационных исследований таких сложных комбинированных систем, какими являются ЭТУ, основанных на подробных моделях энергетических и криогенных элементов с учетом нелинейности происходящих в них процессов, а также фазового состояния многокомпонентных парожидкостных смесей, не проводилось. В то же время без таких исследований невозможно получение оптимальных технических решений и дос-

Иркутск-2009 1

Институт иісамлін гптиігшім І.л. Мгл напвлСОРЛН

таточно объективных экономических показателей, позволяющих определить условия конкурентноспособности изучаемых технологий.

Из анализа имеющихся работ можно сделать вывод о недостаточном опыте моделирования и проектирования установок глубокого охлаждения природного газа и, следовательно, об актуальности задачи исследования установок получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия при помощи методов математического моделирования и оптимизации. Это даёт возможность оценить технико-экономическую эффективность установок с различными вариантами технологических схем и принять оптимальные схемно-параметрические решения по ЭТУ.

Следует отметить, что в ИСЭМ СО РАН накоплен значительный опыт математического моделирования и оптимизационных исследований ЭТУ производства синтетических жидких топлив (СЖТ) и производства электроэнергии из разных видов органического топлива [27, 41, 44-48, 50], на котором базируется моделирование установок получения СПГ, производства электроэнергии с извлечением гелия. Наличие выполненных с использованием согласованных математических моделей и исходной информации исследований установок производства СПГ и СЖТ позволяет решить проблему оценки областей конкурентноспособности способов дальней транспортировки энергии природного газа: в виде СЖТ или СПГ.

Диссертационная работа посвящена решению важной задачи создания эффективных в вычислительном плане математических моделей установок получения СПГ, производства электроэнергии, извлечения гелия и проведения комплексных технико-экономических исследований таких установок и включает следующие основные цели-этапы:

*1* разработка методического подхода к решению задачи комплексных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия, основанного на исполь-

Иркутск-2009

ІІНСПГП І СІІСП M ЭП1 PI І ГИПІІІЧ Ч.Л. Mr.lLIIIlDi* CO РЛІІ

зовании достаточно подробных математических моделей, нелинейной оптимизации и учете неопределенности исходной информации;

разработка эффективного (быстродействующего, устойчиво работающего и удовлетворяющего требуемой точности вычислений) метода определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей;

> создание согласованной системы математических моделей элементов технологических схем ЭТУ, моделирование процессов тепломассообмена, термодинамических и теплофизических свойств всех составляющих многокомпонентных парожидкостных газовых смесей с учётом быстродействия и требуемой точности вычислений;

> создание математических моделей ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии и ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии с выделением гелия в целом;

проведение комплексных технико-экономических исследований установок получения СПГ, производства электроэнергии без извлечения гелия на основе разработанных моделей с целью обоснования основных схемных и параметрических решений по ЭТУ и определения стоимости производства СПГ;

оптимизационные исследования ЭТУ производства СПГ и электроэнергии с извлечением гелия с целью получения оптимальных схем и параметров, оценки затрат на извлечение гелия;

> разработка математических моделей систем морского транспорта СПГ, сопоставление эффективности транспорта СПГ и синтетических жидких топлив (метанола, диметилового эфира- ДМЭ) на различные расстояния с учетом затрат в звенья рассматриваемых систем транспорта.

Иркутск-2009 12

___₌_ Ніш urn і uicu m дні n ілнкіщм Ч.А. Mi-i¹ нішілСОРЛН

Работа опирается на современные методы математического моделирования, нелинейной оптимизации и основные достижения теории и методов технико-экономических расчётов в энергетике.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты.

1. Методический подход к задаче комплексных технико-
экономических исследований ЭТУ получения СПГ, производства электро
энергии и извлечения гелия из ПГ, основанный на использовании доста
точно подробных математических моделей ЭТУ, нелинейной оптимизации
их параметров, учете неопределенности исходной информации и сопостав
лении технико-экономических показателей ЭТУ с извлечением и без из
влечения гелия.

2. Математические модели криогенных элементов технологических схем ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии и извлечения гелия, которые основаны на разработанном быстродействующем и устойчиво работающем методе определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных газовых смесей.

3. Результаты оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ, производства электроэнергии с извлечением гелия, обосновывающие основные схемно-параметрические решения по ЭТУ в условиях неопределённости экономической информации и показывающие уровень затрат в производство гелиевого концентрата на основе сравнения технико-экономических показателей ЭТУ получения СПГ и электроэнергии с извлечением и без извлечения гелия.

4. Результаты сопоставления экономической эффективности технологий морского транспорта энергии природного газа в виде СПГ и синтетически жидких топлив (СЖТ), полученные при различных сочетаниях исходной экономической информации.

Иркутск-2009

₌₌₌_₌^ Пнстигу г сіістіліЬш п іти¹ и им. ті -\ Мілі ніьеваСОРЛИ

Практическая ценность работы заключается в возможности оценки с помощью разработанных математических моделей ЭТУ производства СПГ, электроэнергии и извлечения гелия технической и экономической эффективности производства гелиевого концентрата, электроэнергии и СПГ, принятия оптимальных схемно-параметрических решений по установке и выработке рекомендаций для проектирования таких ЭТУ.

Методические разработки диссертации могут быть рекомендованы при выборе того или иного варианта извлечения гелия из природного газа разрабатываемого Ковыктинского газо-конденсатного месторождения и других месторождений Восточной Сибири и Якутии.

Апробация работы. Результаты исследований опубликованы более чем в 20 печатных работах и обсуждались на: конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН (2001-2008 гг.); IV Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири», (Красноярск, 2005); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», (Иркутск, 2005); пятой Международной конференции Asian Energy Cooperation: Mechanisms, Risks, Barriers (Якутск, 2006); шестой Международной конференции Asian Energy Cooperation: Forecasts and Realities (Иркутск, 2008); XXI Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21» (Саратов, 2008); в 2006-2008 гг. проводились работы по теме диссертации по гранту РФФИ 06-08-964-а.

Личный вклад автора. Автором совместно с научным руководителем разработаны: методический подход к комплексным технико-экономическим исследованиям технологий извлечения гелия и обсуждены результаты. Самостоятельно разработаны математические модели всех элементов технологических схем ЭТУ и установок в целом, проведены оп-

Иркутск'-2009

«IK ГИТУ І МІСТІМ ИІІРШИПІІІЧ И Л МьлішшнСОРЛП

тимизационные исследования ЭТУ, проанализированы результаты, сделаны выводы и др.

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (123 наименования). Общий объем диссертационной работы 164 стр., в том числе список литературы - 13 страниц, 21 Рис. и 11 таблиц.

Во введении кратко обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследования, отмечены элементы новизны полученных результатов и перечислены положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена обзору современного состояния технологий получения СПГ, областям его использования, состоянию рынка СПГ и перспективам его развития. Кроме того, рассмотрены современные технологии производства гелия, области его применения, состояние и перспективы развития мирового рынка, обоснована актуальность извлечения гелия из природного газа. На основе анализа перспективных технологий производства СПГ и извлечения гелия и основных технологических решений по установкам приведены требования, которые были приняты во внимание при разработке рациональных схем производства СПГ и извлечения гелия.

Во второй главе подробно описан предлагаемый в диссертации методический подход к решению задачи оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии с извлечением гелия. Описаны основные задачи комплексных технико-экономических исследований установок извлечения гелия и получения СПГ. Представлена эффективная методика определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей, сводящаяся к двухэтапному итерационному процессу расчета равновесного состава смеси одномерной минимизацией функции Гиббса.

Иркутск-2009 ¹⁵

Ипсгт-н<ііепм-)шпі пігиич Ил МишиппСОРЛН

Описаны основные экономические критерии при исследовании ЭТУ ожижения природного газа с извлечением гелия, изложена схема решения задачи комплексных технико-экономических исследований установок ожижения природного газа с выделением гелия. Освещены проблемы создания эффективных математических моделей исследуемых ЭТУ: описаны стадии разработки эффективной математической модели ЭТУ, требования к разрабатываемым математическим моделям элементов ЭТУ, а также - задачи, решаемые при разработке модели установки в целом. Приведена методика расчета основных показателей инвестиционного проекта ЭТУ.

Третья глава посвящена математическому моделированию процессов и элементов расчетных схем ЭТУ ожижения ПГ и систем извлечения гелия. Рассмотрено математическое моделирование свойств многокомпонентных газовых смесей: изобарной теплоемкости и энтальпии, теплоёмкости реальных и идеальных газов, теплоемкости жидкости, давления насыщения, динамической вязкости, теплопроводности, плотности газов и жидкостей и др. Также в третьей главе предложен оригинальный подход к моделированию свойств многокомпонентных парожидкостных смесей, подробно описана универсальная математическая модель теплообменника-охладителя (конденсатора-испарителя), а также другие математические модели криогенных элементов расчетных схем ЭТУ ожижения природного газа как с извлечением, так и без извлечения гелия.

Четвертая глава посвящена математическому моделированию и оптимизационным исследованиям установок комбинированного получения СПГ и производства электроэнергии без систем выделения гелия. Представлена технологическая схема установки комбинированного производства СПГ и электроэнергии с подробным описанием. Дана постановка задачи и представлены результаты оптимизационных технико-экономических исследований ЭТУ производства СПГ и электроэнергии без систем извлечения гелия. Определены базовые цены на СПГ, которые принимаются в

Иркутск-2009 ¹⁶

ИНСЇІіТУІ СІІСТІЛІ JIILPI ГГИІДИ1М. Л .Л. ММШШ'ііаСОРАН

качестве исходных данных при исследовании установок с извлечением гелия.

Пятая глава посвящена математическому моделированию и оптимизационным технико-экономическим исследованиям ЭТУ комбинированного производства СПГ и электроэнергии с системами извлечения гелия. Описаны критерии, по которым велась оптимизация, система ограничений, оптимизируемые параметры. Приведены полученные в результате оптимизации основные показатели оптимальных вариантов ЭТУ получения СПГ и выработки электроэнергии с учетом затрат в системы выделения гелиевого концентрата. Представлена в формализованном виде постановка задачи оптимизации ЭТУ получения СПГ и выработки электроэнергии с извлечением гелия. Приведены оптимальные значения оптимизируемых параметров и технико-экономические показатели исследуемых ЭТУ, полученных в результате нелинейной оптимизации ее параметров.

Шестая глава посвящена оценке сравнительной эффективности морского транспорта СПГ и СЖТ: обоснована актуальность морского транспорта СЖТ и СПГ перед транспортировкой природного газа в газообразном состоянии, рассмотрены преимущества СПГ и СЖТ, приведены основные исходные данные по затратам в отдельные звенья рассматриваемых цепочек получения и транспорта СПГ и СЖТ.

В заключении приведены основные выводы, сделанные на основании проведённых исследований.

Иркутск-2009

ItllCTHTV I CIICCI МЭШРП-ГИ1Л1ИМ.Л.Л. МглшішмСОРЛН

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА СПГ И ГЕЛИЯ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, МИРОВОЙ РЫНОК СПГ И ГЕЛИЯ

1.1. Современное состояние технологий получения СПГ, области

использования СПГ

Природный газ является перспективным энергоносителем, имеющим существенные преимущества как перед твердым, так и перед жидким топливом. Это связано с его экологической чистотой, дешевизной (по сравнению с нефтепродуктами) и высокой энергетической эффективностью энергоустановок, использующих природный газ. Этим объясняется интерес многих развитых стран к расширению доли природного газа (ПГ) в топливном балансе государства.

Транспортировка большей части природного газа осуществляется по магистральным газопроводам при давлении 4-7 МПа при помощи компрессорных газоперекачивающих станций, затем газ поступает на газораспределительные станции (ГРС), где понижается давление до 0,3-1,2 МПа, где газ одорируется и направляется на газораспределительные пункты потребителей, удаленных от ГРС на расстояние до 40 км.

В настоящее время примерно четверть импортируемого газа в мире перевозится в сжиженном виде, в основном водным транспортом. Ожидается ежегодный рост такой транспортировки на 7%, что вдвое больше ожидаемого темпа роста потребления магистрального газа и втрое - нефти. СПГ используется для тех же целей, что и магистральный природный газ, а именно:

1. получение электрической и тепловой энергии;

2. применение в качестве моторного топлива;

3. газификация населённых пунктов и промышленных объектов;

Иркутск-2009 18

_______ ИНСТИТУТ СИСПМЭМ.МЧ-ГИКННМ 'і Л. М-ІПІІШМСОРЛН

4) использование как сырье для химической промышленности. Сжиженный природный газ - это уникальный по своим энергетическим и экологическим свойствам продукт, который может стать основой гибкой системы доставки природного газа на любые объекты его использования, расположенные на значительном расстоянии от мест добычи, куда невозможно или экономически невыгодно прокладывать газопровод.

Холодильный цикл и технологическая схема установки сжижения выбираются в зависимости от назначения установки и её производительности, состава сжижаемого ПГ и его давления, требований, предъявляемых к продукции. На выбор технологической схемы влияет также возможность применения того или иного типа оборудования.

Важнейшим показателем термодинамического совершенства цикла является величина удельного энергопотребления. От нее напрямую зависят расходуемая и установленная мощность компрессорного оборудования, масса и габариты теплообменных аппаратов, а, следовательно, капиталовложения и эксплуатационные затраты в эти установки.

В современных установках сжижения природного газа применяются технологические схемы, основанные на следующих основных циклах:

холодильные циклы различных модификаций с дросселированием;

детандерные холодильные циклы;

каскадные холодильные циклы с чистыми хладагентами (классические каскадные циклы);

однопоточные каскадные циклы с хладагентом, представляющим собой многокомпонентную смесь углеводородов и азота.

Часто в схемах сжижения используются различные комбинации, включающие элементы перечисленных выше циклов. Особое внимание, при выборе вариантов, уделяется, как правило, дроссельным циклам, учитывая их простоту и надежность.

Иркутск-2009

_^ ИНПИТУПЛІСТІМ )Н1ГП ГИП1ИЧ П \ Ml-IIHIUIUCOPAH

Следует отметить, что в настоящее время в различных странах развиваются как крупномасштабные, так и мелкомасштабные производства СПГ. Первые являются элементами инфраструктуры, ориентированной на дальний морской транспорт сжиженного газа, а вторые (питаемые от распределительной газопроводной сети) предназначены для снабжения конечных потребителей: автомобильного транспорта, мелких котельных, отдельно стоящих домов и др.

В настоящей работе рассматриваются вопросы крупномасштабного производства СПГ, поскольку именно в этом случае его целесообразно комбинировать с выделением гелия и производством электроэнергии.

Для сжижения природного газа могут быть использованы как прин
ципы внутреннего охлаждения, когда природный газ сам выступает в роли
рабочего тела, так и принципы внешнего охлаждения, когда для охлажде
ния и конденсации природного газа используются вспомогательные крио
генные газы с более низкой температурой кипения (например, кислород,
азот, гелий). В последнем случае теплообмен между природным газом и
вспомогательным криогенным газом происходит через теплообменную по
верхность. <

Сжижение природного газа на основе внутреннего охлаждения (то есть без применения дополнительного холода внешнего холодильного цикла) может достигаться следующими способами:

изоэнтальпийным расширением сжатого газа, т.е. дросселированием (использование эффекта Джоуля-Томсона); при дросселировании поток газа не производит какой-либо работы;

изоэнтропийным расширением сжатого газа с отдачей внешней работы; при этом получают дополнительное количество холода, помимо обусловленного эффектом Джоуля-Томсона, так как работа расширения газа совершается за счет его внутренней энергии.

Иркутск-2009

_₌^ ИНСГНТУ I niCTLM Э1Ч П ПИКИ ИМ Л Л Мі.ІІ НІІІШ СО Р \и

Как правило, изоэнтальпийное расширение сжатого газа используется только в аппаратах сжижения малой и средней производительности, в которых можно пренебречь некоторым перерасходом энергии ради простоты конструкции. Изоэнтропийное расширение сжатого газа используется в аппаратах большой производительности, то есть может применяться при крупнотоннажном производстве СПГ.

Сжижение природного газа на основе внешнего охлаждения (то есть с применением холода внешнего холодильного цикла) может достигаться следующими способами:

использованием криогенных жидкостей с температурой кипения ниже, чем у природного газа, например, жидкого азота, кислорода и т.д.;

использованием каскадного цикла с помощью различных холодильных агентов (пропана, аммиака, метана и т.д.); при каскадном цикле газ, легко поддающийся сжижению путем сжатия, при испарении выделяет холод (так называемый скрытый), необходимый для понижения температуры другого, трудносжижаемого газа;

- использованием криогенераторов Стирлинга, Вюлемье-Такониса и
т.д. (рабочими телами данных криогенераторов являются, как правило, ге
лий и водород, что позволяет при совершении замкнутого термодинамиче
ского цикла достигать температуры на стенке теплообменника ниже тем
пературы кипения природного газа).

В настоящее время в России и в мире разработано достаточно много технологий, основанных на процессах внутреннего охлаждения природного газа. К числу таких технологий относятся системы сжижения с применением следующих холодильных циклов: дроссельно-вихревой с предох-лаждением; турбодетандерный; каскадный со смешанным хладагентом; пульсационно-регенеративный; компрессорно-детандерный и др. Эти циклы и их комбинирование могут применяться при крупнотоннажном производстве СПГ.

Иркутск-2009 21

_| ИНСПГГУГ СІІСТІЛШІІ М ІТИД1І1М. Л.Л. Мглі ПІП в \ СО РАИ

Однако опыт практической реализации технологий сжижения природного газа на основе внутреннего охлаждения показал, что они имеют ряд недостатков, среди которых:

наличие несжиженной части природного газа. Так, в случае применения цикла с вихревой трубой или дроссельного цикла, несжижен-ная часть может составлять 98% и более от общего объема проходящего газа, однако для цикла только с турбодетандерами (также без применения холода внешнего холодильного цикла) несжиженная часть может составлять менее 84-86 % (при входных давлениях в систему охлаждения более 6,0 МПа), поэтому цикл с турбодетандерами вполне можно рекомендовать при крупнотоннажном производстве СПГ; t* для создания высокоэффективных заводов с использованием только внутреннего охлаждения газа необходимое входное давление должно составлять не менее 6,0-6,5 МПа.

В настоящее время в России ведутся работы по созданию установок следующих типов для получения СПГ:

4. с использованием дроссельно-вихревого эффекта, работающих на перепадах давления магистральных газопроводов и сети потребления газа (ЗАО "Сигма-газ" г. Санкт-Петербург, ООО "Самаратрансгаз" г. Самара, ЗАО "Криогенгаз" г. Екатеринбург);

5. детандерного типа (ОАО "Криогенмаш" г. Москва);

6. с внешним контуром охлаждения, где в качестве хладагента используется жидкий азот (НИИ машиностроения, г. Нижняя Салда).

Хотя наиболее простой является установка с дросселированием газа, но она имеет наиболее низкий коэффициент сжижения (доля получаемого СПГ от количества газа поступающего в установку сжижения всего 4-5%), установка с вихревой трубой также имеет низкий коэффициент сжижения - 8-9 %, поэтому будет энергетически более выгодным применение уста-

Иркутск-2009 22

^ ИНСІИГП ГПСІІ МЭ1И ГІІЛЯІЛПІМ. Л.А. Nii-H ІІІЬШЛСОРАН

новки с турбодетандерами, так как коэффициент сжижения у нее доходит до 14%.

Кроме того, первые две установки эффективно работают лишь при высокой степени редуцирования давления природного газа (более 5). Такие установки, как правило, характеризуются относительно малым расходом газа, поэтому для получения значительных количеств СПГ (крупнотоннажное производство) предлагается использовать установки с турбодетандерами, способными вырабатывать, кроме того, механическую или электрическую энергию.

Глубокое исследование, проведённое специалистами ВНИИГАЗа и сравнение хорошо известных (классических) и новых технологических процессов получения СПГ, с соответствующими решениями по выбору компрессоров, теплообменников и составов охлаждающих смесей, позволили определить их преимущества и недостатки [25].

Условно технологии ожижения природного газа можно разделить на три основных типа.

Классические каскадные процессы на чистых холодильных агентах (пропан-этилен-метан и аммиак-этан-метан).

Классический холодильный цикл представляет собой три циркуляционных контура, которые вырабатывают холод на различных температурных уровнях. В каждом контуре используется однокомпонентный холодильный агент, который имеет три или четыре ступени дросселирования.

Специалистами ВНИИГАЗ при разработке в 2005 году ТЭО строительства завода по производству СПГ на п-ове Ямал был исследован каскад пропан-этилен-метан.

Процессы с применением смешанных холодильных агентов (СХЛ).

Технология Liquefin (цикл на двух смешанных холодильных агентах). Предварительное охлаждение ПГ и второго хладагента достигается за счет испаряющегося при трех разных давлениях и разных температурных уров-

Иркутск-2009 23

_ы=_₌₌^ ИИСТИГУI СИСП.МЭП1 Г1ТГИКИ ИМ. Л-Л. МКЛІ HILKBA СО РЛН

нях первого холодильного агента. Дальнейшее сжижение и переохлаждение ПГ происходит в цикле с использованием второго хладагента, расширяющегося до определенного уровня давления.

Технология C3/MR (цикл на смешанном хладагенте с предварительным пропановим охлаждением). Охлаждение ПГ и частичная конденсация смешанного хладагента осуществляются с помощью пропанового цикла, в котором имеются четыре ступени дросселирования. В цикле на смешанном хладагенте, который служит для сжижения и переохлаждения ПГ, происходит разделение в сепараторе смешанного хладагента на два потока и их дальнейшее дросселирование до одного и того же давления, но на разных температурных уровнях.

Каскад на трех сметанных хладагентах. Для получения СПГ в каскаде применяется три разных смешанных хладагента, которые дросселируются до разных давлений и на разных температурных уровнях. Технология Dual MR (цикл на двух смешанных хладагентах). Предварительное охлаждение ПГ и частичная конденсация второго смешанного хладагента осуществляется так же, как и в технологии Lique-fin. Разделение в сепараторе второго хладагента на два потока и их дальнейшее дросселирование осуществляется так же, как и в технологии C3/MR.

Технология SHELL-Сахалин (цикл на двух смешанных хладагентах). Предварительное охлаждение ПГ и частичная конденсация второго хладагента достигаются с помощью цикла, в котором два потока, получившиеся при разделении первого хладагента после компрессора, расширяются до разных давлений и на разных температурных уровнях. Разделение в сепараторе второго хладагента на два потока и их дальнейшее дросселирование осуществляются примерно также, как и в технологии C3/MR. .

Технология SMR-SP (одинарный смешанный хладагент испаряется на одном уровне давления). Агент частично конденсируется и разделяется

Иркутск-2009 24

_____^___________ ПНСТИГІ, І СІП ГІМДИИШІИІІІМЛ A. МРІЩШІаСОРЛН

на пар и жидкость. Пар используется для создания хладагента для ожижения газа, в то время как жидкая фаза является агентом предварительного охлаждения.

Технология Рггсо. Одинарный смешанный хладагент испаряется на одном уровне давления.

Процессы с применением двух детандеров.

Технология с двумя детандерами на природном газе и азоте. Предварительное охлаждение ПГ и азота происходит с помощью цикла, где природный газ расширяется в детандере до одного уровня давления. Дальнейшее сжижение и переохлаждение ПГ происходит в цикле с использованием азота, который тоже расширяется в детандере до определенного уровня давлений, но на другом температурном уровне.

Для исследования специалистами ВНИИГАЗа за основу был взят природный газ Харасавэйского месторождения п-ова Ямал при температуре 30С, давлении 5 МПа и расходе 40 Ммоль/ч, предварительно очищенный от С0₂. Для расчетов специалистами ВНИИГАЗа [25] были приняты следующие условия:

ПГ переохлаждался до температуры минус 160-162 С для того, чтобы при расширении в детандере или дросселе получить 100% СПГ;

средняя логарифмическая разница между холодными и теплыми средами в теплообменниках составляла не менее 3 С;

КПД компрессоров и детандеров был принят 80%;

температура после концевых холодильников компрессоров принята 30 С;

потери давления (МПа):

в концевых холодильниках -0,03;

в теплообменниках по потоку природного газа — 0,05;

в теплообменниках по прямому потоку холодильных агентов - 0,03;

в теплообменниках по обратному потоку хладагентов - 0,01.

Иркутск-2009 25

„₌_₌₌__₌_____₌ ЦИСТИТИ ПИТЧМЭШ Pi 1ГИКИНМ ii A Ml llHlbIli\CUlHH

В расчетах при выборе технологий сжижения ПГ специалистами ВНИИГАЗ была проведена важнейшая работа по оптимизации состава смешанных хладагентов, что позволяет минимизировать потери от необратимости процессов теплообмена, с учетом ограничений на площадь теплообмена. Кроме того, для получения наилучших показателей была проведена оптимизация циклов при различных давлениях и температурах агентов (таблица 1.1.1.).

Таблица 1.1.1. Удельные показатели при различных технологиях сжижения при-

родного газа

Анализ показал, что определяющим критерием при выборе технологии является энергоемкость, так как основные капитальные вложения приходятся на компрессорные агрегаты. Известно, что наименьшие энергозатраты на сжижение достигаются, когда теплообмен хладагента с сырьевым газом и весь процесс охлаждения последнего происходит при скользящих температурах испарения агентов при малых перепадах температуры между ними. Однако это требует большого числа криогенных теплообменников и потоков хладагентов. Энергетические затраты максимальны в процессах, где охлаждение исходного сырьевого газа происходит хладагентом, уже

Иркутск-2009 26

_₌_₌₌_^ Ингпггисіи іімзінрітіїсичм Л.л Мг-чініьевлСОРл»

охлажденным до температур сжижения сырьевого газа при соответствующих давлениях, то есть при очень больших перепадах температур, например, при охлаждении с помощью чистых азотных циклов.

Минимальные энергозатраты достигаются в классических каскадных циклах и циклах со смешанными хладагентами. Классические каскадные процессы обеспечивают наибольшее число температурных уровней охлаждения сырьевого газа, поскольку позволяют использовать как хладагенты, кипящие при различных температурах, так и различные уровни давлений циркуляции этих агентов. В циклах со смешанными хладагентами, которые фактически тоже являются каскадными, дробление общего процесса охлаждения на несколько температурных уровней обеспечивается путем многоступенчатого охлаждения смешанным хладагентом, частичной его конденсации и выделения из первоначального состава более тяжелых сжиженных фракций с использованием оставшихся более легких паровых фракций на следующих, более низких температурных уровнях охлаждения сырьевого газа.

Для выбора той или иной технологии в конкретных случаях необходимо использовать дополнительные критерии, такие как возможность получения из обрабатываемого газа компонентов холодильного агента или доставки их с других предприятий, возможность комплектации компрессорными агрегатами и теплообменниками для требуемой производительности, простота эксплуатации и др.

В результате проведенных во ВНИИГАЗе исследований были сделаны следующие выводы:

практически все технологии (за исключением детандерных и Prico) характеризуются примерно одинаковым энергопотреблением;

для холодного климата наибольший эффект достигается в технологиях на смешанном холодильном агенте с предварительным пропа-

ИРКУТСК-2009

ИНСТИТУТ СИПЛ МЭ111 РГГШПШМ.Л.Л. МГЛПШПІАСОРЛН

новым охлаждением, Liquefin и двумя смешанными холодильными агентами;

указанные циклы наименее чувствительны к изменению составов смешанных хладагентов;

минимальными капитальными вложениями характеризуются процессы Liquefin и на смешанном холодильном агенте с предварительным пропановым охлаждением.

С учетом результатов сопоставления для проекта завода на п-ове Ямал рекомендуется процесс на смешанном холодильном агенте с предварительным пропановым охлаждением, как наиболее широко применяемый на крупных заводах по производству СПГ, или же Liquefm.

Поэтому, хотя несколько худшими показателями из представленных технологий, характеризуются детандерные процессы и простейшие процессы на смешанных хладагентах, однако они отличаются простотой, компактностью и малым количеством оборудования, что немаловажно при крупнотоннажном производстве СПГ. Исходя из вышесказанного, циклы с применением детандеров были выбраны автором в качестве расчетных.

Области использования СПГ.

Сжиженный природный газ используется для газификации населенных пунктов и применяется в качестве моторного топлива для транспортных средств. Так, заправка СПГ автотранспорта в США осуществляется на многочисленных стационарных автозаправочных станциях, куда сжиженный природный газ доставляется в специальных криогенных метановозах от мини-заводов по производству СПГ. Особенно широкая сеть таких автозаправочных станций создана на юго-западе США в штатах Калифорния, Аризона, Колорадо, Техас, Пенсильвания и т.д. Крупнейшая в мире заправочная станция СПГ расположена в Калифорнии. При объеме газа в 60000

Иркутск-2009

Инснїтуі cucnvMiim-ni ним. Л л Мишіыгн СО РАН

л она снабжена 6 СПГ-колонками, что позволяет заправлять в короткие сроки до 200 крупных мусоровозов.

Вообще, в настоящее время в США на СПГ переведено до 25% муниципального автотранспорта, работают автобусы, грузопогрузчики, корабли, тепловозы. Предполагается использовать СПГ в качестве топлива для котельных, для создания гиперзвуковых самолетов, морских судов, вертолетов. В Западной Европе целый ряд фирм активно занимается внедрением СПГ в автотранспорт. Вообще за рубежом в течение последних трех десятилетий производство и потребление СПГ стремительно росло и к настоящему времени его доля в общем газопотреблении Японии составляет 85%, США-около 25%. В Канаде, Италии, США и Новой Зеландии парк газобаллонного транспорта постоянно расширяется и насчитывает в настоящее время сотни тысяч единиц. В США работают около 600, а в Канаде- около 700 газоперерабатывающих заводов. В России в 60-70 годы были испытаны автомобили ( ЗИЛ 3-138П, ГАЗ-53-17, ЛАЗ-099Р), опытные тепловозы, самолет ТУ-155, созданы авто и железнодорожные цистерны для хранения и перевозки СПГ. В 2004 г создан автомобиль на СПГ-Камаз (Лентрансгаз), имеющий следующие характеристики: вместимость криогенного бака — 297 литров, рабочее давление до 1,6 МПа, время бездренажного хранения до 5 суток, масса бака, заправленного СПГ — 320 кг, а пробег без дозаправки - 300 км. Целесообразно применять СПГ в рефрижераторах, где используется не только энергия сжигания СПГ, но и холод для поддержания в изотермическом кузове низкой температуры. Перспективно применение СПГ на железнодорожном транспорте, можно применять СПГ и в сельском хозяйстве как топливо для комбайнов, тракторов, а также в котельных, кроме того для снабжения населенных пунктов, фермерских хозяйств, коттеджей путём доставки бытового газа в сжиженном виде с последующей газификацией в пункте использования.

Пік іиїУіпіснм'Жіпгтпиїм ПЛ МышштсОРЛН

Относительно новой высокоэффективной технологией сжижения на основе внешнего охлаждения являются технологии с применением криогенных машин (КГМ) Стирлинга. Так, криогенная машина Стирлинга «PPG-2500» при давлении поступающего природного газа менее 2 МПа способна обеспечить производство 5-6 т СПГ в сутки. При монтаже этой КГМ к ней требуется подвести только электроэнергию, охлаждающую воду и природный газ. Пусковой период длится 15 минут и осуществляется автоматически. Фирма-производитель гарантирует наработку на отказ в течение 8000 ч и моторесурс до ремонта не менее 20 тыс. часов. Перспективность применения технологий с криогенными машинами Стирлинга для создания заправочных станций по производству СПГ оценена и за рубежом. Так, известнейшая в мире компания, занимающаяся разработкой криогенных технологий, немецкая фирма Linde AG разработала ожижи-тельную установку с КГМ Стирлинга, привод которой осуществляется от газового двигателя. В качестве топлива для газового двигателя используется магистральный природный газ.

Помимо описываемых в работе установок для крупнотоннажного производства СПГ, основанных на применении турбодетандеров и холода внешнего холодильного цикла, также представляется перспективным создание крупных установок по производству СПГ типа «Стирлинг— Стирлинг». В этих установках предполагается использовать для привода криогенных машин Стирлинга двигатели Стирлинга.

Двигатели Стирлинга относятся к классу двигателей с внешним подводом теплоты, что обусловливает принципиальную особенность их работы по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Данное обстоятельство позволяет использовать различные источники теплоты (и прежде всего, природный газ), добиваться более низкой токсичности при работе на органическом топливе, снижения уровня шумов и вибраций, экономить до

Иркутск-2009

₌_₌_₌_₌₌__: Ипстиги П1ст>мэш гпляї-гипм Л А. МклпиычисОРАН

20% топлива по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания.

В рамках Федеральной целевой программы "Развитие криогенной аэрокосмической и другой транспортной техники" ГНП РКЦ "ЦСКБ-Прогресс" (Государственный научно-производственный ракетно-космический Центр - "Центральное Специализированное Конструкторское Бюро и Самарский завод "Прогресс") ведет работы по созданию передвижного криогенного заправщика с использованием емкостей хранения из алюминиевых сплавов. Криогенный авиационный заправщик может являться прототипом криогенного автомобильного заправочного комплекса, тем более, что ЗАО "Криогенгаз" (г. Екатеринбург) разработан заправочный модуль АОК-27 для заправки газобаллоного автотранспорта компри-мированным природным газом при хранении газа в сжиженном состоянии.

Представляет интерес применение СПГ в качестве топлива для котельных. В соответствии с Федеральной целевой программой "Социально-экологическая реабилитация территории Самарской области и охрана здоровья ее населения" на газовое топливо необходимо перевести около 50 котельных. Однако стоит отметить, что газификация некоторых из них традиционным способом с помощью газопроводов является проблематичной из-за особенностей расположения этих объектов, затрудняющих прокладку газопроводов или отдаленности объекта газификации от действующих газовых сетей. Эту проблему можно решить с помощью применения технологий СПГ. Применение технологий СПГ для газификации населенных пунктов и отдельных производств является экономически целесообразным при удаленности объекта газификации более 30 км от действующих газовых сетей и в зависимости от сложности рельефа.

Иркутск-2009

Ннгікгуі СИСТЕМ ЭНЕМ і ГИКИ ММ. Л.Л МГЛМПЬЕВА СО РАН

1.2. Состояние и перспективы развития мирового рынка СПГ Начавшееся с 60-х годов активное строительство заводов по производству СПГ дало мощный толчок развитию мирового рынка СПГ. За это время в 100 раз вырос оборот между производителями и потребителями СПГ. Доля этого продукта в международной торговле газом сегодня не менее 24%, ежегодный же прирост объемов производства прогнозируется на уровне не менее 7%. Эффективность применяемого оборудования возросла в 7 раз. На сегодня 12 стран экспортируют и примерно же столько импортируют этот вид топлива. На рис. 1.2.1., 1.2.2. приведена динамика поставок СПГ в различные страны в период 2005-2007 г.[122].

О -Р-гс^-"'- - -« ' — 1 — — —' _-!—!

фсвОб мар 06 май 06 иіол 06 авг 06 окт.06 ноя.06 янв 07 мар.07

Рис. 1.2.1. Поставки СПГ в страны-импортеры в период 2005-2007 гг.

Одних наливных терминалов СПГ в мире эксплуатируется более 40, из них 23 - только в Японии. Большая доля рынка этого продукта находится в Азии. За прошедшие годы именно в Азию (Япония, Южная Корея и Тайвань) шел основной поток производимого в мире. Вместе с тем, Южная Азия (Индонезия, Малайзия, Бруней) производит более 46% от мирового экспорта СПГ. Общая емкость рынка СПГ в мире в 2007 году составляла

Иркутск - 2009 32

Ній ГИТУІ питі чзш-рп'гишнм. Л.А МелєнТЬЕВАСОРАН

более 150 млн.т, лидеры по производству - Индонезия (более 26 % рынка) и Алжир (около 20%). В общем производстве Африка занимает второе место (25%) в мире, после Азии (44%) по производству СПГ, далее Средний восток (21%), Австралия (6%) и Америка (4%) [60]. Таков географический рынок производства СПГ. Если ожидаемый годовой объем газопотребления в предстоящие 20 лет вырастет в 1,8 раза, то рост объемов потребления сжиженного газа будет идти опережающими темпами и, по прогнозам специалистов, уже в ближайшие 7-8 лет его доля составит не менее 30% от всей международной торговли газом. Сегодня на возможностях СПГ держится значительная доля энергоснабжения многих развитых стран. Например, в Великобритании транспортируется СПГ со скважин Северного моря. Этот газ регазифицируется на крупных производствах в северной части острова и поступает в газовую сеть страны для реализации потребителям. Франция долгое время была импортером № 1 Алжирского СПГ, покупая до 40% экспорта газа этой страны. Вероятно поэтому Франция газифицирована почти на 90%).

дек 05 мар 06

янв.07 апр07

— Малайзия і — Индонезия

Рис. 1.2.2. Импортные поставки СПГ в Японию основными странами-экспортерами в период 2005-2007 гг.

Иркутск-2009 33

₌₌_^ ^ Ннетіт [ СІІГП МЭИ! И 1 ГИК11 ИМ. Л.-У Ml"ll ни год СО РАН

В мае 2007 года Иран и Индия подписали договор об условиях поставок иранского СПГ. Стоимость договора составляет $22 млрд., а срок действия — 25 лет. Договор предусматривает, что, начиная с 2009 г. Иран будет ежегодно поставлять в Индию около 5 млн. т СПГ. Кроме Ирана, на сегодня в мире в стадии строительства находится 17 проектов СПГ (25 линий общей производственной мощностью 160 млрд. м³). К 2025-2030 гг. мировой объем производства СПГ составит примерно 600-640 млрд. м , то есть 35-37% от всего объема торговли газом. Сейчас он составляет — 27%, а в 1970 г. было всего 6,6% [62].

Ожидаемый рост потребления природного газа также оказывает стимулирующее воздействие на рынок СПГ. Если развитые страны увеличивают долю природного газа в энергобалансе по причинам экологической безопасности и диверсификации поставок, то страны на стадии индустриального развития будут наращивать потребление газа вследствие роста потребности растущих экономик. К регионам с наибольшим прогнозным ростом спроса на СПГ относятся США и страны Юго-Восточной Азии, в первую очередь Китай, Индия и Южная Корея.

США, являясь крупнейшим импортером природного газа (более 15% в мировой торговле в 2005 г.), в перспективе до 2020 г.( по прогнозам специалистов) существенно увеличат импорт СПГ [122].

Уже к 2010 г. прогнозируемый импорт в США может составить не менее 47 млн. тонн (64,8 млрд. м³). Сегодня четыре терминала в США способны принимать до 26,1 млн. тонн (36 млрд. м³), однако в связи с прогнозируемым увеличением потребления СПГ известно 44 проекта строительства терминалов, в том числе оффшорных.

Иркутск-2009

Институт систем эньи етики им. Л Л Мел нтьеваСОРАН

сен 05

дек.05

мар.06

октОб

янв.07

апр07

май 05

- из Тринидада -весь поток СПГ

Рис. 1.2.3. Импортные поставки СПГ в США в период 2005-2007 гг.

Крупнейшим импортером СПГ является Азиатский регион (около 67% в мировой торговле) во главе с Японией (47,8%).Цены импортированного газа в период с 2005 по 2007 г. приведены на рис. 1.2.4. На рис. 1.3.5. приведены поставки СПГ в Японию странами-экспортерами. Вследствие географического расположения Япония вынуждена развивать инфраструктуру СПГ. В Японии действуют 23 терминала приема СПГ общей мощностью 188,3 млн. тонн (260 млрд. м³), в Южной Корее - 3 терминала СПГ мощностью 40,7 млн. тонн (56,1 млрд. м ), на Тайване - 1 терминал, способный принимать до 7,5 млн. тонн (10,3 млрд. м³). Страны региона за последние 10 лет также увеличили объемы импорта СПГ, но если Тайвань несущественно, то Япония в 2005 г. импортировала более чем на 38% больше, чем в 1995 г.

Скорее всего, Япония останется лидером вплоть до 2020 г., после чего по потреблению на первое место выйдут США и, возможно, Китай, который уже к 2020 г. может превзойти Японию. Южная Корея и Тайвань также будут наращивать объемы импорта СПГ.

Иркутск-2009 35

№КТН1УТСИСГЕМ ЭНЕРГЕТИКИ НМ ^:! А МЕЛВДП.Б8А СО РАН

-Япония

- Тайвань
Бельгия

Франция

- Испания
-США

февОб мар 06 май 06 июл 06 авг.06 окт 06 ноя.06 янв.07 мар 07 апр 07

Рис. 1.2.4. Импортные цены поставляемого в различные страны СПГ [122].

За прошедшие 10 лет объем мировой торговли вырос вдвое, причем число экспортеров увеличилось на четыре поставщика. В настоящее время СПГ экспортируют 12 стран. Географическое расположение экспортеров позволяет избежать чрезмерно больших расстояний транспортировки.

Малайзия Индонезия Австралия Катар Бруней Абу-Даби Оман Египет США Весь поток

Рис. 1.2.5. Потоки СПГ в Японию (млн.т) из основных стран-экспортеров по состоянию

на февраль 2007 г.

" 36

Иркутск-2009

________ ИНГПГГИ ПИТІ МЛН ГИГИ HUM ') \ М_ИИ1ЫЦ\СОР\Н

Очевидно, что потребности стран АТР удовлетворяют экспортеры из Малайзии и Индонезии. Основной поставщик СПГ в Европу - Алжир, в США - островное государство Тринидад и Тобаго. Фактор расположения поставщиков и экспортеров обусловил структуру флота газовозов, в котором доминируют танкеры дедвейтом до 140 тыс. м³, рентабельные на расстояниях до 5500 тыс. км.

Европейские страны располагают пока лишь девятью терминалами по приему СПГ с совокупной мощностью 40,2 млн. тонн в год (54,6 млрд. м ), в частности, в Бельгии, Италии, Греции и Турции - по 1, во Франции -2, в Испании — 3. Рост энергопотребления Европы будет увеличиваться, за счет, в первую очередь, импорта больших объемов традиционного газа.

Вне зависимости от темпов роста мирового рынка СПГ "Газпрому" необходимо создание собственной инфраструктуры производства, приема и транспортировки СПГ в силу тенденций снижения стоимости его производства, строительства терминалов по приему СПГ как в Европе, так и в США, а также намерений монополии присутствовать на рынках США и стран АТР. Географическое положение этих стран с растущими рынками сбыта энергоносителей подталкивает к развитию технологий сжижения в России. Важным фактором энергобезопасности является то, что направления транспорта СПГ можно легко изменить в отличии от направлений транспорта трубопроводного газа.

Строительством крупнейшего в мире завода СПГ в рамках проекта "Сахалин-2" занимался консорциум Сахалин Энержи во главе с Шелл. Завод, ориентированный на поставки 9,6 млн. тонн СПГ (сейчас это около 8% от общемирового потребления) в год в Японию, Южную Корею, на Тайвань и на тихоокеанское побережье США, начал работу в 2009 году. У Сахалинского проекта есть значительное преимущество, состоящее в близости к основным рынкам сбыта, что уменьшает издержки на транспортировку. Это преимущество до некоторой степени теряется из-за сложных

Иркутск-2009 ³⁷

₌₌_₌₌₌₌₌_₌₌₌₌_₌_ ИНСТІГП І (ЛІСТІЛІ ЗІII П І ПІП! им. Л.л. Mini ПІП г»л СО РАН

условий эксплуатации и повышенных по сравнению с некоторыми другими проектами затрат на разработку. Однако, в общем и целом, благодаря удачному расположению Сахалин вполне может воспользоваться растущей потребностью в СПГ.

Фирмы "Шелл" и "Марафон" (участницы консорциума ММММШ по реализации многомиллиардного проекта освоения Пильтун-Астохского нефтяного и Лунского газового месторождений, запасы которых составляют 150 млн. т нефти и 500 млрд. кубометров газа) имеют богатый опыт эксплуатации морских сооружений добычи нефти и газа во всем мире. Кроме них в консорциум входят фирмы "Мицубиси", "Мицуи", и "Мак-дермотт".

Фирма "Макдермотт" - признанный в мире лидер в области проектирования и строительства морских нефтегазодобывающих сооружений. "Марафон"- также является одной из крупнейших фирм в этой области с годовым объемом продукции порядка 10 млрд. куб. м, причем разведочные работы ведутся ею в 14 странах. Как "Марафон", так и "Шелл" имеют значительный опыт работы в тяжелых условиях Северного моря.

"Газпром" рассматривает вопрос об участии в проекте строительства терминала по приему сжиженного газа Rabaska в Канаде. Глава канадской компании отметил, что участие "Газпрома" в проекте позволит российской компании использовать терминал при транспортировке газа из России в Канаду. Строительство терминала Rabaska в канадской провинции Квебек ведется канадскими компаниями Gaz Metro, Enbridge и французской компанией Gaz de France. Мощность терминала составляет около 5 млрд. куб. м газа в год [120].

Норвежский завод по производству сжиженного природного газа Snohvit LNG совершил отгрузку первой партии газа в 2007 году. 20 октября 2007 года газовоз "Arctic Princess" был загружен 145 тыс. куб. м. сжиженного газа для его транспортировки в испанский порт Бильбао [120].

Иркутск-2009 ³⁸

Теперь планируется, что Snohvit увеличит объемы производства СПГ для обеспечения своих долгосрочных контрактов. Snohvit является первым заводом по производству сжиженного природного газа в Европе.

Свойства СПГ.

Так что же такое СПГ? Это сжиженный до температуры ниже 113 К природный газ, который после регазификации имеет те же свойства, что и обычный природный газ. Плотность сжиженного природного газа составляет 385 кг/м³ при нормальном давлении и температуре 112 К. При давлении 0,6 МПа, которое является рабочим для цикла транспорта и хранения СПГ плотность составляет 420 кг/м³. Из-за низких температур он хранится и перевозится в криогенных емкостях. Такие емкости устанавливаются как у производителей для сбора и хранения, так и у потребителей сжиженного метана для разнообразного использования, а он в мире применяется достаточно широко.

Сжиженный природный газ не токсичен, химически не активен; удельная теплота сгорания (50,24 тыс. кДж/кг) на 12%, а октановое число на (105-107 единиц) на 13-15% выше, чем у бензина, хотя он почти в 2 раза легче бензина. В продуктах его сгорания содержится в 10 раз меньше окиси углерода и в 2 раза окислов азота, чем у бензина.

1.3. Состояние гелиевой промышленности и перспективы ее развития

В настоящее время единственным промышленным источником получения гелия являются природные газы, однако, как правило, они транспортируются и сжигаются без извлечения этого ценного нетоксичного компонента, используемого и как идеально безопасный теплоноситель высокотемпературных ядерных энергоблоков [123], и как хладагент в криогенной технике, для создания дыхательных смесей в водолазной технике и

Иркутск-2009 ³⁹

^ Инггигл < неп м )1П їм і гиги им Л Л Мі її нп.п:\ СО РАН

космонавтике, для сварки и резки металлов в машиностроении, а также в дирижаблестроении и многих областях науки и техники. Во многих технологических процессах, чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества с газами воздуха, нет более подходящей защитной среды, чем гелиевая.

Области использования гелия на 2008 год (рис. 1.4.1.), %: сверхпроводимость - 29, воздухоплавание - 16, сварка и резка металлов - 12, опти-ко-волокно - 7, атомная энергетика - 6, аналитические цели - 6, детектирование микротечей - 6, полупроводники - 5, ракетная техника - 4, выплавка металлов - 3, дыхательные смеси - 2, прочее — 4. Рост потребления гелия в год составляет примерно 5 % [106].

Рост л отреблени я гелия - Ь% в год

Атомная энергетика Щ Детектирование

Сверхпроводимость, минротечей
включая MPT О Полупроводники

9 Воздухоплавание Ракетная техника
В Сварка и реш выплавка металлов
металлов Дыхательные скесн

D 0етняо*ояоіоде П Другий Ш Аналитические цели

Рис. 1.3.1. Области использования гелия

Применительно к бридерам (реакторам на быстрых нейтронах) гелиевое охлаждение вызывает повышенный интерес и с самого начала рассматривалось как техническая альтернатива охлаждению расплавленным

Иркутск-2009

ИіКГППЛ Г СПСТЛ1 ЗІ II МСТИШ ИМ. Л.Л. МІГШИ LEBA CO PAH

натрием, поскольку гелий практически не замедляет нейтроны. Использование гелия в качестве теплоносителя увеличило бы коэффициент воспроизводства (эффективность процесса переработки ²³⁸U в ²³⁹Ри) примерно на 0,1, что, конечно, весьма существенно и позволяет увеличить выработку нового плутония примерно на 20% по сравнению с натриевым бридером [1]. Что касается реакторов на тепловых нейтронах, гелиевое охлаждение представляется в целом перспективным благодаря тому, что температура газа на выходе из такого реактора может достигать 750-850С или даже более высоких значений. Таким образом, имеется теоретическая возможность генерации пара высоких параметров с обеспечением к.п.д. энергетического блока на уровне 41-42 % вместо к.п.д. 30-34 %, свойственного циклам с насыщенным паром, который получают в установках с водоох-лаждаемыми реакторами [1].'

В усовершенствованном Лос-Аламосской национальной лабораторией имени Э.Ферми (штат Нью-Мексико) двигателе внешнего сгорания, предложенном ещё священником Р. Стирлингом в 1816 г., в термоакустическом преобразователе энергии, разработанном американскими учеными, рабочим телом служит сжатый гелий, поэтому двигатель выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера, так как при сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30 -40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива. Масштабы его применения пока даже трудно представить.

Иркутск-2009

ИНЛИП НЇІСЇІМ'ЛІІПІ ГИИІІІЧ П Л Мі-ІІІІШВ\СОР\Н

При сжигании природного газа, гелий (легкий и инертный) после выброса из дымовых труб в составе высокотемпературного облака дымовых газов поднимается на значительную высоту и достигает зоны размещения озонового слоя атмосферы, способствуя его разрушению. "Озоновые дыры" пропускают жесткие ультрафиолетовые лучи, которые вредно воздействуют на здоровье человека, подрывая иммунитет и снижая среднюю продолжительность жизни. Причем с продуктами сгорания природного газа уходят в атмосферу через аппараты химического синтеза, топки и печи намного большие количества гелия, чем те, что добываются из гелио-носных источников.

Из вышесказанного следует, что извлечение гелия является как важной технологической, так и важной экологической задачей.

Состояние гелиевой промышленности и перспективы ее развития

В настоящее время единственным промышленным источником получения гелия являются природные газы, однако, как правило, они транспортируются и сжигаются без извлечения этого ценного нетоксичного компонента, используемого и как идеально безопасный теплоноситель высокотемпературных ядерных энергоблоков [123], и как хладагент в криогенной технике, для создания дыхательных смесей в водолазной технике и космонавтике, для сварки и резки металлов в машиностроении, а также в дирижаблестроении и многих областях науки и техники. Во многих технологических процессах, чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества с газами воздуха, нет более подходящей защитной среды, чем гелиевая.

Области использования гелия на 2008 год (рис. 1.4.1.), %: сверхпроводимость - 29, воздухоплавание - 16, сварка и резка металлов - 12, опти-ко-волокно - 7, атомная энергетика - 6, аналитические цели - 6, детектирование микротечей - 6, полупроводники - 5, ракетная техника - 4, выплавка металлов - 3, дыхательные смеси - 2, прочее — 4. Рост потребления гелия в год составляет примерно 5 % [106].

Применительно к бридерам (реакторам на быстрых нейтронах) гелиевое охлаждение вызывает повышенный интерес и с самого начала рассматривалось как техническая альтернатива охлаждению расплавленным натрием, поскольку гелий практически не замедляет нейтроны. Использование гелия в качестве теплоносителя увеличило бы коэффициент воспроизводства (эффективность процесса переработки 238U в 239Ри) примерно на 0,1, что, конечно, весьма существенно и позволяет увеличить выработку нового плутония примерно на 20% по сравнению с натриевым бридером [1]. Что касается реакторов на тепловых нейтронах, гелиевое охлаждение представляется в целом перспективным благодаря тому, что температура газа на выходе из такого реактора может достигать 750-850С или даже более высоких значений. Таким образом, имеется теоретическая возможность генерации пара высоких параметров с обеспечением к.п.д. энергетического блока на уровне 41-42 % вместо к.п.д. 30-34 %, свойственного циклам с насыщенным паром, который получают в установках с водоох-лаждаемыми реакторами [1]. В усовершенствованном Лос-Аламосской национальной лабораторией имени Э.Ферми (штат Нью-Мексико) двигателе внешнего сгорания, предложенном ещё священником Р. Стирлингом в 1816 г., в термоакустическом преобразователе энергии, разработанном американскими учеными, рабочим телом служит сжатый гелий, поэтому двигатель выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера, так как при сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30 -40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива. Масштабы его применения пока даже трудно представить.

При сжигании природного газа, гелий (легкий и инертный) после выброса из дымовых труб в составе высокотемпературного облака дымовых газов поднимается на значительную высоту и достигает зоны размещения озонового слоя атмосферы, способствуя его разрушению. "Озоновые дыры" пропускают жесткие ультрафиолетовые лучи, которые вредно воздействуют на здоровье человека, подрывая иммунитет и снижая среднюю продолжительность жизни. Причем с продуктами сгорания природного газа уходят в атмосферу через аппараты химического синтеза, топки и печи намного большие количества гелия, чем те, что добываются из гелио-носных источников.

Из вышесказанного следует, что извлечение гелия является как важной технологической, так и важной экологической задачей. Разделение природного газа на фракции происходит при очень низких температурах, при этом сжижаются его огромные объёмы, что обусловливает большие энергетические и капитальные затраты. Поэтому необходимо найти такой путь извлечения, при котором себестоимость производства гелия будет минимальной.

Промышленные содержания гелия в месторождениях природного газа имеются в США, Канаде, Алжире и России. В США гелий извлекается из газов с содержанием 0,2-1,0 %, в Алжире - 0,17-0,19 %. Выделять гелий считается экономически целесообразным только в тех случаях, когда его содержание в природном газе не меньше 0,1%.

В России до 70-х годов не было выявлено богатых гелием газовых месторождений, что вынудило наладить извлечение гелия из низкогелио-носных газов Оренбургского месторождения. Оренбургский гелиевый за-вод-это малорентабельное производство с низким качеством сырья и истощающейся сырьевой базой. Себестоимость такого извлечения на порядок выше цены на гелий на мировом рынке.

Проблемы создания эффективной математической модели эту получения СПГ

Установка ожижения природного газа представляет собой комбинированную техническую систему, включающую как технологические, так и энергетические элементы оборудования со сложной схемой разнородных технологических связей. В такой системе одновременно осуществляются взаимосвязанные процессы изменения параметров состояния и расходов рабочих тел и теплоносителей. Всякое изменение любого параметра или характеристики элемента оборудования в той или иной степени влияет на параметры, характеристики и показатели всей установки. Для наиболее полного учета всех этих влияний необходимо создание наиболее полной и эффективной математической модели ЭТУ. Все проблемы создания такой модели можно условно разделить на две части: проблемы создания согласованной системы детальных математических моделей отдельных элементов оборудования технологической и энергетической частей установки и проблемы создания эффективной модели установки в целом.

Стадии разработки эффективной математической модели установки ожижения природного газа, на которых принимаются основные схемно-параметрические решения, включают предпроектные стадии и стадии эскизного проектирования. Именно здесь установка рассматривается как единая сложная техническая система. На этих стадиях формируется технологическая схема установки, определяются её параметры. Здесь требуется использовать достаточно подробные модели установки получения СПГ, наиболее полно отражающие протекающие в них процессы.

К разрабатываемым математическим моделям элементов установки ожижения природного газа предъявлялись следующие требования:

Математические модели должны обеспечивать достаточно точные описания реальных процессов, протекающих в элементах установки, соответственно поставленным целям и задачам исследования. 2. Модели должны включать в себя зависимости между входными и выходными параметрами элементов (энтальпиями, расходами, температурами, давлениями, концентрациями многокомпонентных двухфазных смесей и т.п.), а также зависимости между этими переменными и конструктивными характеристиками элементов. Это обеспечивает проведение теплового, гидравлического, аэродинамического и конструктивно-компоновочного расчётов установки. 3. В модели основных элементов должны быть включены зависимости, обеспечивающие проверку допустимости принятых решений - расчет действующих напряжения в трубах теплообменников, проверка на неотрицательность температурных напоров, расходов, перепадов давлений и т.д. 4. Математические модели элементов должны отвечать требованиям быстродействия и требуемой точности при использовании их в оптимизационных расчетах. 5. Математические модели энергетических и технологических элементов должны быть согласованы между собой как по детализации протекающих в них процессов, так и по входным и выходным параметрам. Исходя из этих предпосылок и строились математические модели отдельных элементов установок ожижения природного газа. Следующим этапом после построения математических моделей энергетических и технологических элементов является создание математической модели установки в целом. При построении эффективной математической модели установки получения СПГ требуется решить следующие задачи. 1. Необходимо разработать расчётную схему установки получения СПГ, отличие которой от технологической состоит в том, что каждый её элемент должен иметь математическую модель, а каждой технологической связи между элементами схемы должна соответствовать информационная связь между моделями. Здесь необходимо отметить, что технологические схемы установок ожижения природного газа, рассматриваемые в работе, разрабатывались исходя из предпосылки выбора наиболее перспективных и отработанных схем. С другой стороны, разработанная система математических моделей энергетических и технологических элементов позволяет на её основе рассматривать широкий класс таких установок. 2. При построении расчётной схемы установки ожижения природного газа необходимо произвести её агрегирование, заключающееся в том, что для уменьшения числа элементов и связей, т.е. для уменьшения раз мерности схемы, целесообразно заменить группы одинаковых параллельно работающих и равномерно загруженных элементов технологической схемы на один элемент расчётной схемы. Например, параллельно работающие регенеративные теплообменники-охладители заменяются в расчётной схеме одним элементом. В некоторых случаях целесообразно заменить од ним элементом расчётной схемы встречающуюся несколько раз в технологической схеме комбинацию разнотипных элементов.

Методика определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей

Описание процессов, происходящих в их элементах, характеризуется высокой сложностью, что обусловлено, в первую очередь, необходимостью расчёта свойств ПГ с учётом фазового состояния входящих в него компонентов. При расчётах элементов технологических схем ЭТУ сжижения ПГ возникает необходимость в определении термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей. Точность и скорость нахождения такого состава в значительной мере определяет точность и скорость расчётов указанных систем в целом. Как показал опыт исследований, определение равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей является достаточно сложной задачей и требует специального подхода к ее решению. Поэтому возникла необходимость разработки эффективного (быстродействующего и устойчиво работающего) метода определения термодинамически равновесного состава многокомпонентных парожидкостных смесей. Этот метод был разработан диссертантом совместно с A.M. Клером и Э.А. Тюриной в ИСЭМ СО РАН и изложен в [52, 53].

Нахождение равновесного состава многокомпонентных парожидкостных систем осложняется тем, что отдельные вещества, входящие в эти системы, могут находиться в существенно различающихся состояниях: близком к состоянию идеального газа; близком к критическому состоянию; в закритическом состоянии; с совместным существованием как паровой, так и жидкой фазы; с существованием только паровой фазы.

С математической точки зрения расчёт равновесного фазового состояния многокомпонентных парожидкостных систем сводится к минимизации функции Гиббса с учётом ограничений-равенств по материальному, энергетическому балансам, ограничений-неравенств, требующих неотрицательности масс отдельных фаз, логических условий, определяющих область, в которой ищется решение (докритическая, закритическая, с возможностью совместного существования жидкой и паровой фаз, только паровой фазы). Метод основан на двухэтапном итерационном процессе расчета равновесного состава смеси, на каждом этапе решаются задачи одномерной минимизации функции Гиббса. Предлагаемый метод является базовым при моделировании большинства элементов ЭТУ. вектор расходов компонентов смеси в газовой фазе, xf — суммарный расход /-го компонента смеси, xf — расход / -го компонента в газовой фазе, xfc - расход /-го компонента в жидкой фазе, Т, Р — температура и давление парожидкостной смеси, N — число компонентов парожидкостной смеси. Множества Хкр и Хнас отвечают условиям: а) хг є Хкр, если для всех /, для которых выполняется условие Т - Т р, имеет место равенство xf = xf, х = О; б) х?єХиас, если для всех /, для которых выполняется условие ТуТ"ас, имеет место равенство xf = xf, х = 0. Здесь Т"ас -температура насыщения /-го компонента при заданном давлении смеси, Т р — критическая температура /-го компонента. Функция Гиббса системы может быть представлена в виде суммы функций Гиббса для отдельных компонентов смеси где Pt - парциальное давление /-ого компонента, Hf, Hf - энтальпии /-ого компонента смеси в газовой и жидкой фазах, sf f0 - энтропии /-ого компонента смеси в газовой и жидкой фазах.

Парциальное давление газа определяется выражением где jgy- суммарное количество молей в системе, находящихся в газовой фазе. Если бы Qi, в точке решения задачи (1-6) было заранее известно, то решение этой экстремальной JV-мерной задачи распадалось бы на решение N независимых одномерных экстремальных задач вида где xj — решениеу-ой задачи (3.2.8)-( 3.2.10). Очевидно, что Щ является решением исходной задачи (3.2.1)-(3.2.6). Указанные особенности позволяют организовать двухуровневый (двухэтапный) алгоритм решения задачи(3.2.1)-(3.2.6). На верхнем уровне ищется Оу, отвечающее условию (3.2.7), а на нижнем уровне решаются задачи (3.2.8)-(3.2.10). При этом они решаются для каждого рассматриваемого значения Qy. Обозначим xj, являющееся результатом решения у -ой одномерной задачи (3.2.8)-(3.2.10) при заданном Оу, через Xj(Qy). На каждом шаге верхнего уровня решения задачи (3.2.1)-(3.2.6) определяется невязка Анализ знака 8 позволяет с учётом вида зависимости (3.2.12) определить больше или меньше заданное значение , чем искомое решение Q . Если 8 - 0, ToQz Q ,a если 8 0, то -Ц. Учет указанных условий позволяет на верхнем уровне (для поиска точки, в которой 8 = 0) использовать сочетание метода половинного деления и метода хорд, что обеспечивает как устойчивость процесса поиска Q%, так и его хорошую сходимость. На нижнем уровне для поиска решения задачи (3.2.8)-(3.2.10) используется производная функции G{ по xf Частные производные ——, —- определяются конечно-разностным дР-способом, а частная производная —- на основе уравнения (3.2.9). dxf Для поиска минимума функции Гиббса Gi используется сочетание методов половинного деления и хорд, также как и на верхнем уровне. При этом учитывается, что в силу выпуклости функций Gt{xf), если Помимо задачи поиска равновесия при Т и Р в практических расчётах часто возникают задачи поиска равновесия при заданных давлении и суммарных энтальпии или энтропии. Этот поиск осуществляется с использованием (в итерационном процессе) алгоритма расчёта равновесия при заданных Г и Р. Обозначим через Ттек — текущее (на очередной итерации поиска) значение температуры газовой смеси, через Нтек и SmeK текущие значения энтальпии и энтропии. Через Н и S обозначим заданные значения энтальпии и энтропии, а через Т - искомую температуру, при которой достигаются эти значения.

Технико-экономическая оптимизация эту произволства СПГ и электроэнергии

Как уже отмечалось, одной из альтернатив капиталоемкому трубопроводному транспорту природного газа может служить получение сжиженного природного газа в ЭТУ и его последующий морской транспорт. Установки получения сжиженного природного газа характеризуются значительным потреблением механической и электрической энергии на собственные нужды. Поэтому представляется эффективным комбинирование в одной энерготехнологической установке процессов получения СПГ и электроэнергии. Такое комбинирование дает возможность покрытия собственных нужд в механической и электрической энергии, при необходимости - производства дополнительной электроэнергии, а также утилизации для производства электроэнергии несконденсировавшихся газов с последней ступени сепарации, так называемой продувки, которая необходима для удаления из холодильного цикла балластных газов (азота, гелия). Последнее обстоятельство повышает перспективы эффективного извлечения из газов продувки гелия, поскольку ее объем незначителен, а концентрация гелия достаточно высока, и может в пределе сводится к объему, необходимому для производства электроэнергии для удовлетворения собственных нужд.

С учетом указанных обстоятельств математическое моделирование и технико-экономические исследования ЭТУ сжижения природного газа являются актуальной задачей. Технологическая схема ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии представлена на рис.4.1.1.

В схеме применяется цикл с комбинированным хладагентом и двумя ступенями сепарации (С1 и С2). На первой ступени сепарации (сепаратор С1) из установки отбираются легкоожижаемые компоненты (пропан, бутан), которые могут использоваться как целевые компоненты или для выработки механической (электрической) энергии. В данной схеме продукты первой ступени сепарации используются как целевые. Со второй ступени сепарации (сепаратор С2) отбирается сжиженный метан (с примесью не-сконденсировавшегося на предыдущих ступенях этана). Для избежания накопления в регенеративном цикле балластных компонентов в схеме пре дусмотрена продувка природного газа. Часть несконденсировавшегося природного газа со второй ступени сепарации возвращается в цикл на первую ступень охлаждения природного газа, а затем поступает в камеру сгорания (КС) газовой турбины (ТГ) на выработку электроэнергии. В схеме применяется замкнутый цикл химводочистки. Для сжижения ПГ используется азотный холодильный цикл с детандерами (ДЗ).

Целью расчёта технологических схем ЭТУ сжижения ПГ и производства электроэнергии является определение термодинамических параметров и расходов рабочих тел и теплоносителей в различных элементах (аппаратах) схемы, состава всех компонентов рабочих тел и теплоносителей в жидкости и паре, мощностей детандеров (Д1 и ДЗ), компрессоров (К1, KB), площадей теплообменников (Т1-ТЗ, ГВТ1, ГВТ2), других конструктивных характеристик элементов и их стоимостей, энергозатрат, суммарных капиталовложений и критериев экономической эффективности такого производства. Проведение указанных расчётов в объёме, необходимом для принятия рациональных предпроектных решений по параметрам и структуре схем, становится возможным с использованием их подробных математических моделей. Построение математических моделей отдельных элементов ЭТУ получения СПГ и производства электроэнергии и установки в целом, проведение оптимизационных технико-экономических исследований на математических моделях ЭТУ являются одними из основных задач работы.

На базе математических моделей отдельных элементов ЭТУ комбинированной выработки СПГ и электроэнергии разработана математическая модель установки в целом, ориентированная на конструкторский расчёт элементов (включает 370 входных, 403 выходных и 6 итерационно-уточняемых параметров).

Похожие диссертации на Оптимизационные технико-экономические исследования энерготехнологических установок производства СПГ и электроэнергии с извлечением гелия

Оптимизационные исследования энерготехнологических установок производства водорода и электроэнергии с удалением CO2Медников Александр Станиславович

Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола на угле и природном газеТюрина, Элина Александровна

Исследование эффективности и оптимизация технико-экономических показателей ветроэнергетических установок в системах энергоснабженияСоломин, Сергей Владимирович

Разработка и исследование схем тригенерационных установок на базе детандер-генераторного агрегата и тепловых насосовРогова Анна Андреевна

Оптимизационные исследования комбинированных теплопроизводящих установок с тепловыми насосами Маринченко Андрей Юрьевич

Методы комплексного исследования динамики энергетических установок и их элементовТаиров, Эмир Асгадович

Разработка и исследование тепловых схем парогазовых установок с использованием теплоты от мусоросжигательных заводовШтык Оксана Александровна

Исследование эффективности схем бестопливных установок генерации электроэнергии на основе детандер-генераторных агрегатов и тепловых насосовБайдакова, Юлия Олеговна

Исследование и оптимизация многоступенчатых испарительных установок с учетом коррозии поверхностей нагрева Лунин Кирилл Александрович

Исследование способов совершенствования энергетических газотурбинных установок и их тепловых схемПустовалов, Павел Александрович