Использование сжиженного природного газа (СПГ) в качестве топлива удаленных от магистральных трубопроводов уголков России сейчас наиболее актуально.
Из всего добываемого в мире природного газа более 26 % сжижается и транспортируется в жидком виде в специальных танкерах из стран добычи в страны потребителей газа.
По мнению отечественных специалистов, развитие малой энергетики в ближайшие годы будет связано с более широким использованием сжиженного природного газа.
В настоящее время мировой рынок торговли СПГ стал наиболее динамично развивающимся рынком углеводородов. В среднем его прирост составляет около 7% в год.
Ведущими странами мира он признан как один из самых перспективных видов энергоносителей на обозримое будущее.
По прогнозам, объем мировой торговли сжиженным природным газом может возрасти к 2010 году до 150 млрд. м3 и более.
Уже сейчас в США и странах Западной Европы доля СПГ в общем газопотреблении составляет более 20%. Япония импортирует до 85% (45 млрд. м3) природного газа в сжиженном состоянии.
На этом фоне достижения России в области использования СПГ выглядят очень скромно, хотя запасы природного газа в России составляют около 40% от мировых (доказанные запасы составляют, по разным оценкам, от 48 до 64 трлн. м3, при этом известны 20 крупных месторождений с запасами более 500 млрд. м3). Себестоимость газа существенно ниже нефтепродуктов, а его цена на российском рынке почти в три раза ниже, чем на западноевропейском.
Первые шаги по использованию сжиженного природного газа для энергосбережения в промышленности и коммунальном хозяйстве были осуществлены в Санкт-Петербурге и Ленинградской области.
Здесь были введены в действие две опытно-промышленные установки по производству СПГ, кроме того, несколько удаленных котельных в области работают на привозном сжиженном природном газе.
При этом были использованы все преимущества СПГ как топлива. Что это за преимущества?
Преимущества СПГ как вида топлива
Во первых, сжижение природного газа увеличивает его плотность в 600 раз, что повышает эффективность и удобство хранения, а также транспортировки и потребления энергоносителя (в том числе и как моторного топлива для транспортных средств).
Во вторых, СПГ - криогенная жидкость, которая хранится под небольшим избыточным давлением при температуре около 112 К (-161 °C) в емкости с теплоизоляцией, и нетоксична.
В третьих, СПГ дает возможность газификации объектов, удаленных от магистральных трубопроводов на значительные расстояния, что, помимо всего прочего, например, позволяет также вовлекать в сельскохозяйственный оборот глубинные (удаленные) территории.
В ОАО "Газпром" разработана программа работ по решению актуальных задач газификации населенных пунктов, отдаленных от газопроводов. По оценкам специалистов ВНИИпромгаза, около 50% населенных пунктов, нуждающихся в газификации, экономически целесообразно обеспечивать газовым топливом в виде привозного СПГ.
Другой причиной необходимости ускорения работ по использованию СПГ является то, что все крупнейшие месторождения природного газа в России находятся в удаленных районах, неблагоприятных для строительства транспортных газопроводов, и наиболее целесообразным здесь представляется транспортировка газа в жидком состоянии.
Основные российские газовые месторождения будут располагаться именно в таких районах (Баренцево море, шельф Карского моря, остров Сахалин и т. д.). Это обуславливает необходимость строительства крупных заводов по производству СПГ в местах перспективных месторождений.
Рассмотрим преимущества использования СПГ на конкретном примере.
Для отопления одного из коттеджных поселков Московской области предполагается установить котельную установку мощностью 2 МВт, обеспечивающую теплом жилую площадь 20 тыс. м3. Отопительный сезон составляет 5 760 ч.
Имеется два варианта решения проблемы по обеспечению котельной топливом: проложить газопровод протяженностью 8 км и диаметром 160 200 мм или обеспечить котельную установку привозным топливом. В качестве привозного котельного топлива при этом целесообразно рассматривать: СПГ, сжиженный углеводородный газ (пропан-бутан), дизельное топливо.
Ориентировочный расчет капитальных вложений, эксплуатационных расходов и себестоимости 1 Гкал тепла, полученного при использовании трубопроводного природного газа и привозных энергоносителей, показывает, что наибольшие капиталовложения для организации автономного теплоснабжения приходятся на природный газ и связаны с необходимостью прокладки газопровода (длиной 8 км).
Несмотря на то, что объем капитальных вложений при организации работы котельной на дизельном топливе на порядок меньше, себестоимость 1 Гкал выработанной тепловой энергии на 65% больше отпускной цены.
При использовании в качестве котельного топлива сжиженного углеводородного газа (пропан-бутана) себестоимость 1 Гкал также больше отпускной цены на 44%, поэтому применение дизельного топлива и сжиженного углеводородного газа в качестве котельного топлива для потребителя будет не выгодно.
Себестоимость 1 Гкал при использовании сжиженного природного газа на 80% больше, чем с использованием трубопроводного природного газа, но и капитальные вложения для обеспечения работы котельной на природном газе по проложенному газопроводу на 424% больше, чем это необходимо для перевода котельной на СПГ.
Таким образом, расчетный срок окупаемости капитальных вложений при работе котельной на СПГ в 1,5 раза меньше, чем на природном газе, что и может оказаться определяющим фактором при выборе энергоносителя.
Как снизить стоимость СПГ
В настоящее время Московским газоперерабатывающим заводом смонтирована установка для сжижения природного газа производительностью 24 тонны СПГ в сутки.
Установка базируется на автомобильной газозаправочной компрессорной станции (АГНКС-500), мощности которой по своему функциональному назначению практически используются только на 10-15%.
Такое решение имеет ряд преимуществ в части снижения капитальных вложений на оборудование, т.к. на АГНКС создана необходимая инженерная инфраструктура, включающая компрессорные установки, блок осушки сжатого газа, необходимое электросиловое и вспомогательное, а также обеспечивающее противопожарную безопасность оборудование и т. п.
Удельные затраты на производство 1 тонны СПГ на АГНКС распределяются следующим образом:
амортизация - 23%;
электроэнергия - 19%;
зарплата работников АГНКС - 12%;
сырье (природный газ и вспомогательные материалы) - 17%;
зарплата работников по обслуживанию и управлению установкой по получению СПГ - 18%;
единый социальный налог - 11%.
Из приведенных данных видно, что 54% от затрат на производство СПГ приходится на амортизацию, электроэнергию и зарплату работников АГНКС, обслуживающих компрессорное и электросиловое оборудование.
Очевидно, что себестоимость СПГ главным образом зависит от принятой технологии комплексной очистки природного газа и его сжижения.
Сжижение природного газа производится на уровне температур -140... -160 °C, и поэтому для оптимизации процесса имеются проверенные аналоги в области сжижения газов, его хранения, транспортирования и регазификации.
Известно, что при использовании перепада давления на городских или заводских газораспределительных станциях (ГРС) или газоредуцирующих пунктах (ГРП) можно значительно снизить себестоимость производимого сжиженного природного газа за счет уменьшения затрат на электроэнергию, на обслуживание компрессоров и электросилового оборудования, а также амортизационных отчислений.
Установка сжижения природного газа
По заказу ООО "Лентрансгаз" в ОАО "Криогенмаш" на базе накопленного опыта по внедрению детандер-компрессорных агрегатов была разработана технология сжижения природного газа с использованием энергии перепада давления газа на ГРС.
На рис. 1 приведена принципиальная схема установки сжижения ПГ, разработанной применительно к ГРС "Никольская" (Ленинградская область) с расходом природного газа 8000 нм3/ч, с расчетным давлением на входе в ГРС, равным 3,3 МПа, и на выходе - 0,28-0,6 МПа. Расчетная производительность установки по СПГ равна 24 тоннам в сутки.
.jpg)
Установка сжижения природного газа состоит из блока теплообменников вымораживателей, системы охлаждения компримированного газа, блока сжижения, двухступенчатого турбодетандер-компрессорного агрегата, автоматизированной системы контроля и управления работой установки (АСКУ), арматуры, в том числе управляемой, и КИП.
Как правило, в последнее время для комплексной очистки газа от влаги, углекислого газа и тяжелых углеводородов используют адсорбционный способ глубокой очистки газа на молекулярных ситах.
Для регенерации используется очищенный нагретый газ, что связано с дополнительными затратами энергии и часто - отвлечением части очищенного газа на нагрев и охлаждение адсорбента.
При этом производительность блока адсорбционной очистки снижается из-за количества газа, направляемого на регенерацию. Это количество иногда может составлять более 20% от расхода газа, подаваемого на блок очистки.
Стоимость блока комплексной очистки природного газа в зависимости от состава газа и от количества очищаемых компонентов может составлять до 30-40% от стоимости установки.
В разработанной ОАО "Криогенмаш" установке по сжижению природного газа в связи с достаточно высокой чистотой природного газа (содержание СО2 не более 400 ррm) предусматривается только осушка газа, которую с целью снижения стоимости оборудования предусмотрено проводить способом вымораживания влаги.
Принцип работы установки
Принцип работы установки заключается в следующем.
Природный газ с расходом 8000 нм3/ч и давлением 3,3 МПа поступает на турбокомпрессоры К1 и К2, работающие на одном валу с турбодетандерами Д1 и Д2.
В 2-х ступенчатом турбокомпрессоре давление газа повышается до 4,5 МПа, затем сжатый газ последовательно охлаждается в теплообменниках Т3-2 и Т3-1 и поступает в вымораживатель, состоящий из 3-х теплообменников Т11-1, Т11-2 и Т11-3 (или Т12-1, Т12-2 и Т12-3), где за счет использования холода обратного потока газа из теплообменника Т2-1 происходит вымораживание влаги. Очищенный газ после фильтра Ф1-2 разбивается на два потока.
Один поток (большую часть) направляют в вымораживатель для рекуперации холода, а на выходе из вымораживателя через фильтр подают последовательно на турбодетандеры Д1 и Д2, а после них направляют в обратный поток на выходе из сепаратора С2-1.
Второй поток направляют в теплообменник Т2-1, где после охлаждения дросселируют через дроссель ДР в сепаратор С2-1, в котором производят отделение жидкой фазы от его паров. Жидкую фазу (сжиженный природный газ) направляют в накопитель и потребителю, а паровую фазу подают последовательно в теплообменник Т2-1, вымораживатель Т11 или Т12 и теплообменник Т3-2, а после него в магистраль низкого давления, расположенную после газораспределительной станции.
Через определенное время работающий вымораживатель Т11 переводят на отогрев и продувку газом низкого давления из магистрали, а на рабочий режим переводят вымораживатель Т12.
Окупаемость - за три года
Себестоимость сжиженного природного газа, полученного по разработанной технологии, на 30-40% ниже себестоимости СПГ, полученного на АГНКС.
Соответственно, себестоимость 1 Гкал тепла, для рассмотренного выше случая с использованием сжиженного природного газа, полученного на ГРС по предлагаемой технологии, будет на 45-50% ниже, и будет отличаться от себестоимости 1 Гкал, полученной на трубопроводном природном газе после его прокладки, всего на 20 25%, но в этом случае срок окупаемости капитальных вложений с использованием СПГ составит около 3 лет, против ранее полученных 6 лет.
Для сравнения: при трубопроводном природном газе эта окупаемость составляет около девяти лет.
В стране имеется значительное количество ГРС, где редуцируемый газ бесполезно теряет свое давление, а в отдельных случаях в зимний период приходится подводить еще энергию для подогрева газа перед его дросселированием.
В то же время, используя практически бесплатную энергию перепада давления газа, можно получить общественно полезный, удобный и экологически безопасный энергоноситель - сжиженный природный газ, с помощью которого можно газифицировать промышленные, социальные объекты и населенные пункты, не имеющие трубопроводного газоснабжения.
На ГРС, с учетом фактического расхода газа и его давления на входе и на выходе из ГРС, можно создать мини-заводы производительностью от 12 до 120 тонн сжиженного природного газа в сутки. Полученный СПГ может храниться в системах хранения на базе криогенных резервуаров типа БСХП.
Транспортирование сжиженного природного газа осуществляется с помощью автомобильного транспорта.
Особый интерес представляют цистерны-контейнеры, которые позволяют транспортировать СПГ авто-, железнодорожным и речным транспортом.
СПГ также может быть использован в качестве моторного топлива, например в дизель-генераторах. На дизель-генераторах может быть получена электрическая энергия значительно ниже по стоимости, чем централизованно получаемая от крупных ТЭЦ и ГРЭС.
При этом в результате утилизации тепла выхлопных газов можно одновременно получить высокопотенциальное тепло для отопления и горячего водоснабжения.
Например, при установке дизель-генератора, работающего на газе, мощностью 1 500 кВт можно ежегодно получать более 13 000 МВт·ч электроэнергии и около 10 000 Гкал тепловой энергии для отопления и горячего водоснабжения. Срок окупаемости капитальных вложений на приобретение дизель-генератора составляет 3-3,5 года.
Из вышеизложенного следует: автономное энергоснабжение небольших промышленных, социальных предприятий и населенных пунктов на базе мини-энергетики с использованием СПГ является привлекательной сферой для инвестиций объектов энергетики со сравнительно коротким сроком окупаемости капитальных вложений.
Автономные объекты мини-энергетики с применением сжиженного природного газа не только помогут ликвидировать проблему энергообеспечения отдаленных регионов, но и являются альтернативой для прекращения зависимости потребителей от крупных поставщиков электрической и тепловой энергии.
Автор: А.П. Иньков, Б.А. Скородумов и др.
