Повышение эффективности сжижения природного газа на газораспределительных станциях магистральных газопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Люгай, Станислав Владимирович

• Люгай, Станислав Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Люгай, Станислав Владимирович

Введение

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

1.1 Структура и организация малотоннажного производства СПГ на базе ГРС

1.2 Характеристика современного состояния технологий производства СПГ на ГРС

1.3 Особенности производства СПГ на ГРС

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

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

2.2 Моделирование процессов сжижения природного газа на

2.3 Сжижение природного газа в двухпоточном цикле Клода

2.4 Сжижение природного газа в двухпоточном цикле Линде

2.5 Экономический эффект от использования упрощенной технологии очистки газа

2.6 Сжижение природного газа при переменном давлении сетевого газа

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

3.1 Стабилизация температуры газа в цикле с дросселированием

3.2 Стабилизация температуры в цикле с детандерно-компрессорным агрегатом

3.3 Стабилизация температуры в цикле с волновым детандером

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

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

4.1 Основные положения усовершенствованной технологической схемы сжижения природного газа на ГРС

4.2 Оценка преимуществ современных технологических схем сжижения природного газа на ГРС

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности сжижения природного газа на газораспределительных станциях магистральных газопроводов»

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

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

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

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

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

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

Основные задачи исследований

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

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

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

Научная новизна

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

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

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

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

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

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

Защищаемые положения

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

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

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

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

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

Практическая значимость и реализация работы

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

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

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

Апробация работы

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

• на заседании секции «Распределение и использование газа» Научно-технического совета ОАО «Газпром» «Научно-методические подходы и практическая реализация проектов альтернативного газоснабжения регионов РФ» (Екатеринбург, 10-11.12.2008);

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

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

Публикации

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

Структура работы

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

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Люгай, Станислав Владимирович

Основные выводы

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Люгай, Станислав Владимирович, 2010 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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