Добытый природный газ нужно доставить потребителю, поэтому инвестиции в газовую отрасль промышленности не заканчиваются на этапе геологоразведки, бурении, обустройства газового промысла и добычи.
Это можно сделать с помощью магистральных газопроводов (МГП) или СПГ.
В случае с СПГ газ сначала нужно сжижить на СПГ-заводе, затем загрузить на танкер- газовоз, по прибытии в порт назначения разгрузить доставленный СПГ в регазификационный СПГ-терминал, откуда - доставить потребителю.
Рынок СПГ растет, хотя априори сжиженный газ дороже из-за необходимости сжижения и регазификации.
Растет и флот танкеров - газовозов, как для линейной доставки СПГ, так и для бункеровки.
Количество верфей, строящих суда для перевозки СПГ растет.
Крупнейшими производителями танкеров-газовозов - это японские и корейские верфи: Mitsui, Daewoo, Hyundai, Mitsubishi, Samsung, Kawasaki.
Современные танкеры типоразмеров Q-Flex и Q-Max имеют солидный нетто-тоннаж и спосбны перевозить до 210-266 тыс м3 СПГ.
Чартерный цикл перевозчика СПГ включает в себя:
- загрузка судна в экспортном порту СПГ, к примеру 160 000 м3 жидкого СПГ загружается 1 день;
- время рейса, за которое берется стоимость чартерного дня. Время рейса - это расстояние между портами через определенный маршрут доставки, предполагающий как обратный, так и обратный путь, в течение которого топливо будет потребляется для питания судовых двигателей.
Наиболее экономичная скорость танкера - 10 узлов.
Предполагается, что разгрузка судна в порту назначения занимает 1 день.
Обратный рейс считается непродуктивным, но на судне должно оставаться достаточное количество СПГ, чтобы сохранить структуры хранения при рабочей температуре и обеспечить топливо.
Использование Панамского или Суэцкого канала предполагает дополнительные расходы на транзит.
Есть портовые сборы в порты экспорта и импорта.
Стоимость аренды танкера - газовозы стандартного размера 40 - 200 тыс долл США/сутки в зависимости от времени года.
Энергетические компании стараются не застрять без танкеров на чартере на зиму, когда холодная погода обычно увеличивает объем торговли СПГ и, соответственно, транспортные расходы.
На начало 2020 г. в мире есть около 500 танкеров-газовозов, причем около 50 - построено в 2019 г.
Увеличение торговли, однако, привело к снижению маржи между различными регионами, что означает меньшую возможность получить прибыль за счет спредов между ценами на СПГ по всему миру.
Средняя премия азиатских цен по Европе снижается до около 1 долл США/ 1 млн БТЕ, в то время. как в 2020 г. премия составляла в среднем 7,3 долл США/ 1 млн БТЕ.
Технически морская транспортировка СПГ на большие расстояния стал возможна в 1950х гг.
Но еще в 1929-1931 гг Shell попробовала на танкере Megara перевезти СПГ.
Затем было построено судно Agnita дедвейтом 4,5 тыс т, способное кроме нефти одновременно перевозить СПГ и серную кислоту.
1м танкером для перевозки СПГ принято считать переоборудованный сухогруз Marlin Hitch, постройки 1945 г, в котором свободно стояли алюминиевые танки с внешней теплоизоляцией из бальсы.
Сухогруз был переименован в Methane Pioneer и с 1956 г сначала использовался предприимчивыми американцами для речной доставки дешевого природного газа с удаленных месторождений вдоль побережья Мексиканского залива до расположенных на побережье реке Миссисипи предприятий по замораживанию и консервированию мясных продуктов, где мог использоваться в качестве энергоносителя.
В 1959 г Метановый пионер совершил свой 1й морской рейс с грузом 5 тыс м3 СПГ из США в Великобританию.
Хотя это было не технологично, потому что вода, проникшая в трюм, мочила бальсу, сухогруз-газовоз работал довольно долго, а потом использовался как плавучее хранилище газа.
Этакий прообраз FSRU.
Как и в свое время чайные клипперы, танкеры - газовозы - это привилегированный, быстроходный класс углеводородных танкеров.
В 1964 г, первый специальный танкер - газовоз, имянареченный Methane Princess, был построен в Великобритании для доставки СПГ из Алжира в Англию.
Танкер имел алюминиевые танки, паровую турбину, в котлах которой можно было утилизировать выкипевший метан.
Технические характеристики Methane Princess:
Построено на верфи Vickers Armstong Shipbuilders для компании-оператора Shell Tankers UK;
Длина - 189 м;
Ширина - 25 м;
Силовая установка - паровая турбина, мощностью 13750 лс;
Скорость - 17,5 узлов;
Грузовместимость - 34,5 тыс м3 метана;
Размеры танкеров - газовозов с тех пор изменились незначительно.
В первые 10 лет коммерческой деятельности, был рост объемов с 27,5 до 125 тыс м3 , затем до 145 тыс м3 и есть тенденция роста до 216 тыс м3 в наши дни.
Ранее, сжигаемый отпарной газ обходился судовладельцам бесплатно, так как из-за отсутствия установки сжижения отпарного газа (УПСГ) его не удавалось утилизировать и нужно было выбрасывать в атмосферу.
Современные контракты, включают стоимость сожженного газа, и это оплачивает покупатель.
Поэтому, использование отпарного газа, как топлива, или его сжижение стали двигателями прогресса в судостроении.
Сначала танкеры -газовозы имели грузовые танки типа Conch.
Всего было построено 6 судов с этой системой.
Она базировалась на призматических самоподдерживающих танках, сделанных из алюминия или 9% никелевой стали с изоляцией из комбинации полиуретановой пены, стекловолокна и бальсы. Вторичный барьер при этом размещают внутри слоя изоляции в виде стальной мембраны для предотвращения прямого контакта холодного груза с корпусом судна в результате протечки.
Рабочее давление в танках не превышает 0,25 бара.
Первые мембранные емкости (танки) были построены на 2х танкерах - газовозах в 1969 г по технологии Газ Транспорт (GT) и Техник Газ (TG).
GT танки были выполнена из инвар стали (FeNi36) толщиной 0,5 мм с изоляцией перлитом, ТП танки - из рифленой нержавейки 1,2 мм с изоляцией ПВХ блоками.
Наибольшее распространение получили танки типа MOSS. Компания «Kvaerner Masa-Yards» начала производство танкеров - газовозов типа Moss, заимствовала идею сферических емкостей у танкеров, перевозящих нефтяные газы (ПНГ).
Причины такой популярности - самоподдерживающаяся дешевая изоляция и постройка резервуаров отдельно от танкера -газовоза, что значительно улучшает экономические показатели и делает почти на 25 % экономичнее.
Недостаток сферического танка - необходимость охлаждать большую массу алюминия.
До конца 1990 г, конструкция MOSS доминировала, но в последние годы, в связи с изменением цен мембранные танки стали популярнее.
Мембранные танки строятся только после спуска танкера -газовоза на воду.
Это достаточно дорогая технология с длительным временем постройки до 1,5 лет.
Кроме резервуаров газа танкеры оборудованы холодильными установками для охлаждения СПГ.
Конструкция танков зависит от расчетного максимального давления и минимальной температуры.
Встроенные танки являются структурной частью корпуса судна и испытывают те же нагрузки, что и корпус танкера -газовоза.
Мембранные танки - не самоподдерживающие, состоят из тонкой мембраны (0,5-1,2 мм), которая поддерживается через изоляцию, приспособленной к внутреннему корпусу.
Термальные нагрузки компенсируются качеством металла мембраны (никель, сплавы алюминия).
Транспортировка сжиженного природного газа (СПГ)
Сжиженный природный газ (СПГ) - чистая без цвета и запаха жидкость, как правило, транспортируется и хранится при температуре близкой к точке его кипения около -160°С.
Основной компонент СПГ- метан.
Другие составляющие - этан, пропан, бутан, пентан и небольшой % азота.
Для инженерных расчетов используются физические свойства метана, в других случаях, когда требуется точный подсчет тепловой ценности и плотности, - учитывается реальный композитный состав СПГ.
Испарение компонентов СПГ - это 1 из проблем, с которой сталкиваются участники рынка СПГ.
Во время морского перехода, при испарении компонентов газа, состав СПГ не только меняется и не всегда соответствует заявленному, уменьшаются и объемы газа в танкере - газовозе.
Разница между температурой окружающей среды и СПГ приводит к постоянному процессу регазификации (выкипанию, испарению) метана до газообразного агрегатного состояния.
На Западе такой газ получил название Boil-off gas - BOG, в РФ - это отпарной газ.
Сначала выкипают более легкие компоненты, имеющие низкую температуру кипения.
Доставленный СПГ при регазификации имеет большую плотность, чем при загрузке в танкер-газовоз, ниже % содержания метана и азота, но выше % содержания этана, пропана, бутана и пентана.
Проблема решается с помощью установки повторного сжижения отпарного газа (УПСГ), представляющей собой отдельные линии с BOG компрессорами, в которой повторное сжижение метана автоматизированно идет за счет отвода теплопритоков в окружающую среду.
Заполнение грузовых танков природным газом
Перед погрузкой, производится замена инертного газа на метан, так как при охлаждении, углекислый газ (CO2), входящий в состав инертного газа замерзает при температуре -60 С° и образует белый порошок, который забивает форсунки, клапана и фильтры.
Во время продувки инертный газ замещается теплым газообразным метаном.
Это делается для того, чтобы удалить все замерзающие газы и закончить процесс осушки танков.
Подача СПГ на танкер-газовоз:
- подается с берега через жидкостной манифольд, где он поступает в зачистную линию;
- затем подается на испаритель СПГ и газообразный метан при температуре +20 С° поступает по паровой линии наверх грузовых танков;
- когда 5 % метана определится на входе в мачту, выходящий газ направляется через компрессоры на берег или на котлы через линию сжигания газа;
- операция завершена, когда содержание метана, замеренное наверху грузовой линии, превысит 80 % от объема;
- грузовые танки охлаждаются после операции заполнения метаном. Для этого используют СПГ, подаваемый с берега.
Жидкость поступает через грузовой манифольд на линию распыла, и затем в грузовые танки.
Как только охлаждение танков закончено, жидкость переключается на грузовую линию для ее охлаждения.
Охлаждение танков считается законченным, когда средняя температура, за исключением 2х верхних датчиков, каждого танка достигает - 130С° или ниже.
При достижении этой температуры и наличии уровня жидкости в танке, начинается погрузка.
Пар, образующийся во время охлаждения возвращается на берег при помощи компрессоров или самотеком через паровой манифольд.
Выгрузка СПГ из танкеров-газовозов
Перед началом работы грузового насоса, СПГ заполняются все выгрузные колонны. Это достигается при помощи насоса зачистки.
Цель этого заполнения - избежание гидравлического удара.
Затем согласно руководства по грузовым операциям производится последовательность запуска насосов и очередность выгрузки танков.
При выгрузке поддерживается достаточное давление в танках, чтобы избежать кавитации и иметь хорошее всасывание на грузовых насосах.
Это достигается подачей пара с берега. При невозможности с берега подавать пар на судно, необходимо запустить судовой испаритель СПГ.
Остановка выгрузки производится на заранее рассчитанных уровнях с учетом остатка, необходимого для охлаждения танков до прихода в порт погрузки.
После остановки грузовых насосов осушается линия выгрузки, и прекращается подача пара с берега. Продувка берегового стендера осуществляется при помощи азота.
Перед отходом продувается паровая линия азотом до содержания метана на уровне не более 1 % от объема.
СПГ не горит, сам по себе не воспламеняется и не взрывается. На открытом пространстве при нормальной температуре СПГ возвращается в газообразное состояние и быстро смешивается с воздухом. При испарении природный газ может воспламениться, если произойдет контакт с источником пламени.
Для воспламенения необходимо иметь концентрацию газа в воздухе от 5 % до 15 % (объемных).
Если концентрация менее 5 %, то газа будет недостаточно для начала возгорания, а если более 15 %, то в смеси будет слишком мало кислорода.
Поэтому регазификация после выгрузки происходит без присутствия воздуха.
Система защиты танкеров -газовозов
Перед вводом в эксплуатацию танкера-газовоза, после докования или длительной стоянки, грузовые танки осушают.
Это делается для того, чтобы избежать формирования льда при охлаждении, а также избежать образования агрессивных веществ, в случае если влага соединится с некоторыми компонентами инертного газа, такими как окислы серы и азота.
Осушка танков производится сухим воздухом, который производит установка инертного газа без процесса сжигания топлива.
Эта операция занимает около 24 часов для уменьшения точки росы до - 20 С°.
Эта температура поможет избежать формирования агрессивных агентов.
Преимущества современных танков танкеров-газовозов:
- сконструированы с минимальным риском плескания груза;
- конструкция ограничвает силу удара жидкости.
- обладают значительным запасом прочности.
Для избежания плескания груза:
- поддерживается нижний уровень жидкости не более 10 % от длины танка, а верхний уровень - не менее 70 % от высоты танка.
- ограничивается движение при качке и других вызывающих плескание условиях.
Амплитуда плескания зависит от состояния моря, крена и скорости судна.
Этапы производства СПГ
- 1й - добыча, подготовка и транспортировка природного газа по газопроводу к заводу по его сжижению (СПГ-заводу);
- 2й - обработка, сжижение природного газа по технологиям на СПГ-заводе, хранение продукции в СПГ - терминале;
- 3й - загрузка СПГ в танкеры-газовозы и морской переход до потребителей;
- 4й - разгрузка СПГ на приемном терминале, хранение, регазификация и поставка конечным потребителям.
Технологии сжижения газа
СПГ получают путем сжатия и охлаждения природного газа.
При этом газ уменьшается в объеме почти в 600 раз.
Расходы на сжижение могут составлять около 25% энергии, содержащейся в конечном продукте.
Иными словами, нужно сжечь 1 тонну СПГ, чтобы получить еще 3 тонны.
Известно 7 различных технологий сжижения природного газа.
- для производства больших объемов СПГ лидируют техпроцессы AP-SMR™, AP-C3MR™ и AP-X™ с долей рынка 82% компании Air Products.
- технология Optimized Cascade, разработанная компанией ConocoPhillips.
- потенциалом развития обладают малогабаритные установки сжижения, предназначенные для внутреннего использования на промышленных предприятиях.
Установки подобного типа можно уже встретить в Норвегии, Финляндии и России.
- локальные установки производства СПГ могут найти широкое применение в Китае, где сегодня активно развивается выпуск автомобилей, работающих на СПГ.
Внедрение малогабаритных установок может позволить Китаю масштабировать уже существующую транспортную сеть СПГ-автомобилей.
- активно развиваются плавающие установки сжижения природного газа. Плавающие заводы открывают доступ к газовым месторождениям, которые недоступны для объектов инфраструктуры (трубопроводов, морских терминалов и т.п.).
- амбициозным проектом в данной области является плавающая платформа СПГ, которая строится компанией Shell в 25 км от западного берега Австралии.
СПГ-завод. Устройство завода по производству СПГ
Как правило, завод по сжижению природного газа состоит из:
- установки предварительной очистки и сжижения газа;
- технологических линий производства СПГ;
- резервуаров для хранения;
- оборудования для загрузки на танкеры;
- дополнительных служб для обеспечения завода электроэнергией и водой для охлаждения.
Первые ГПЗ в России созданы в 1920х гг, в США - в Кливленде - в 1941 г.
Рынок морских перевозок сжиженного газа
Многие страны, в тч Франция, Бельгия, Испания, Южная Корея, Польша, Литва рассматривают СПГ, как важнейшую технологию импорта природного газа.
Самым крупным потребителем СПГ остается Япония, где практически 100 % потребностей газа покрывается импортом СПГ.
Крупнейшими потребителями СПГ являются Япония - 32% мирового спроса, Китай и Южная Корея - по 14%.
По состоянию на ноябрь 2007 г в мире насчитывалось 247 танкеров- газовозов грузовместимостью свыше 30,8 млн м3.
Бум торговли СПГ обеспечил полную занятость всех судов на данном этапе по сравнению с серединой 1980х гг, когда простаивало 22 судна.
К концу 2010 г введены в эксплуатацию порядка 100 судов.
Средний возраст мирового флота для перевозки СПГ составляет около 9 лет.
Возраст 200 танкеров-газовозов ⩽14 лет, а 35 судов - 15-19 лет, 72 судов- ⩾30 лет.
Срок эксплуатации танкеров - газовозов составляет около 40 лет, благодаря хорошим анти коррозионным характеристикам.
В январе-феврале 2018 г были введены в эксплуатацию еще 13 танкеров- газовозов, заказаны - 10.
Британская ICE Marine Design разрабатывает проект Milk Run: танкера- газовоза грузовместимостью до 20 тыс м3 СПГ, мелкосидящего и с высокой маневренностью.
Предполагается транспортировка газа в 2х полуавтономных частично недогруженных охлаждаемых емкостях, в каждой из которых расположен 2-лопастный винт, перемешивающий СПГ.
Это позволит использовать для работы движительной установки отходящие из емкостей газы и контролировать выброс серы в атмосферу в соответствии с экологическими нормами, принятыми в конкретном порту.
То есть в открытом море используется судовое топливо (мазут или дизтопливо), а в портах и прибережных водах двигатели работают на гарантированном отпарном газе в необходимом количестве.
А мелкая осадка позволяет танкеру-газовозу подойти к ранее недоступным, расположенных у мелководья СПГ-терминалам, поэтому необходимость в перевалке груза с океанских на каботажные танкеры отпадет.
Это снизит логистические затраты и риск возникновения нештатных ситуаций.
В 2017 г Lloyd’s Register одобрил проект GTT и Dalian Shipbuilding Industry: B-FREE - безбалластного концептуального судна емкостью 30 тыс м3 с лучшими характеристиками по расходу топлива и потерям СПГ при транспортировке.
В 2017 г Daewoo Shipbuilding and Marine Engineering (DSME) и DNV GL представили конструкцию танкера post-Panamax с более высокой грузовместимостью в сочетании с формой корпуса и двигательной системой, ориентированной на более низкие и более энергоэффективные скорости транспортировки принятых для судов на стандартном транстихоокеанском маршруте: 19,5, 16 и 12 узлов.
Регазификация сжиженного природного газа на СПГ-терминале
Регазификация - это преобразование из жидкого состояния вновь в газообразное без присутствия воздуха.
Танкер доставляет СПГ на специальные регазификационные СПГ-терминалы, которые состоят из причала, сливной эстакады, резервуаров для хранения, испарительной системы, установок обработки газов испарения из резервуаров и узла учета.
СПГ перекачивается из танкеров в резервуары в сжиженном виде, затем по мере необходимости СПГ регазифицируют в системе испарения с помощью нагрева.
В Японии в 2010 г совокупная мощность СПГ - терминалов составляла - 246 млрд м3/год.
При расстоянии более чем в 2500 км, СПГ может конкурировать по цене с сетевым (трубопроводным) газом.
Преимуществом СПГ можно считать торговлю на споте и отсутствие проблем с необходимостью транзита , как в случае с сетевыми поставками по долгосрочным контрактам.
Как и ожидалось, развитие сланцевой революции в США обострило противостояние российского сетевого газа и американского СПГ.
Американские сланцевики - большие молодцы, показывая чудеса внедрения новых технологий и роста производительности труда.
Но пока сетевой газ из РФ однозначно выгоднее экономически для Европы.
Был момент, когда пошатнулась (или США пошатнули) система долгосрочных контрактов до 25 лет, которая предполагает четкую координацию участников рынка на всех этапах: добычи, экспорта-импорта, доставки. Но, цены на споте повысились, и долгосрочные контракты устояли, но интрига осталась.
