Что такое СПГ
Сжиженный природный газ (СПГ) — природный газ, преимущественно метан, переведенный в жидкое состояние путем конденсации при криогенных температурах. При атмосферном давлении температура конденсации природного газа составляет порядка −161,5 °С. В процессе сжижения природного газа происходит уменьшение его объема ориентировочно в 600 раз. СПГ представляет собой нетоксичную жидкость с относительно высокой массовой теплотой сгорания.
Производство СПГ
Малотоннажное производство СПГ осуществляется на комплексах по сжижению природного газа (КСПГ), предназначенных для приёма из газотранспортной системы, коммерческого учёта, предварительной подготовки и осушки природного газа, сжижения природного газа и дальнейшего отпуска СПГ потребителю. Типовая производительность малотоннажных КСПГ в среднем составляет менее 10 т/ч СПГ.
Существуют различные технологии производства СПГ, на территории РФ функционируют КСПГ, работающие по циклам высокого давления с применением компрессора и холодильной машины; среднего давления с применением турбодетандерных агрегатов; полного сжижения с внешним закрытым азотным циклом.
С учетом особенностей газотранспортной системы России, в частности наличием газораспределительных станций с большим перепадом входного и выходного давлений, перспективным является устройство КСПГ на ГРС по циклу среднего давления с применением турбодетандерных агрегатов.
Природный газ поступает на КСПГ по отводу от газопровода высокого давления, расположенному до объекта редуцирования газа. Производится коммерческий учет расхода газа через КСПГ, его фильтрация от механических примесей и отделение капельной жидкости. Далее газ поступает в блок комплексной очистки, где происходит удаление воды, диоксида углерода и других примесей перед подачей газа в технологическое оборудование.
Очищенный газ последовательно охлаждается в теплообменных аппаратах криогенного блока, дросселируется и направляется в сепаратор, где происходит разделение полученной парожидкостной смеси. Часть природного газа пропускается через детандерные агрегаты, где газ совершает работу на лопатках турбины, которая может быть использована для генерации электроэнергии на собственные нужды; при расширении газ охлаждается, и его холод рекуперируется в блоке сжижения. Произведенный СПГ отводится на хранение либо отгрузку потребителю, а неожиженная часть потока газа возвращается в газопровод низкого давления.
Принципиальная блок-схема работы КСПГ по циклу с применением турбодетандеров
Особенностью выбранной технологии является необходимость наличия потребителя газа низкого давления для осуществления сброса неожиженной в технологическом процессе части газа. К преимуществам данной технологии относятся низкие эксплуатационные расходы КСПГ, минимальное энергопотребление основного технологического блока и энергетическая автономность за счет генерации энергии на собственные нужды.
Сферы применения СПГ
Существуют различные направления использования СПГ:
В качестве газомоторного топлива на крио-АЗС и экипировочных пунктах. КПГ, получаемый путем регазификации СПГ, является наиболее востребованным ресурсом для легкового автотранспорта и с/х техники, а СПГ – для пассажирского и грузового авто-, ж/д- и водного транспорта.
В качестве топлива энергоустановок предприятий и отдельных объектов энергетики, топлива хозяйственно-бытовых нужд населения. Для автономной газификации потребителей СПГ доставляется до СПХР (систем приема, хранения и регазификации), где проходит через процесс регазификации перед дальнейшей подачей по трубопроводам.
Отдельно необходимо отметить потенциал СПГ в качестве источника:
Тепловой энергии при сжигании топлива;
Холода, который может быть рекуперирован для хозяйственных нужд;
Электрической энергии, которая может быть получена при производстве СПГ на перепаде давления газа и при его регазификации.
Преимущества СПГ перед традиционными видами топлива
СПГ имеет ряд коммерческих, экологических и энергетических преимуществ перед традиционными видами топлива при применении как в качестве моторного топлива, так и топлива энергоустановок.
Более высокие показатели массовой низшей теплоты сгорания топлива и коэффициент полезного действия энергетического оборудования
Сжиженный природный газ (СПГ)
Хранение сжиженного природного газа происходит в специализированных изотермических криоцистернах — устройства, спроектированные по принципу сосудов Дьюара. Хранение происходит при температуре кипения, поддерживаемой испарением самого же СПГ, что связано с наличием в составе метана, критическая температура которого равна -83°С, что является намного ниже температуры внешней среды. К тому же, нет возможности хранить СПГ в резервуарах при высоком давлении, так как кроме 95 % метана, в состав СПГ входит этан и пропан, критическая температура которых равна +32°С и +97°С соответственно.
При использовании сжиженный природный газ подвергают процессу испарения (при обязательном отсутствии воздуха), который приводит СПГ в исходное парообразное состояние. Таким образом, один кубометр сжиженного природного газа дает около 600 кубов обычного природного.
Пониженная температура СПГ придает ему характер криогенной жидкости. Очень часто материалы и вещества с температурой -100°С (-48°F) и менее, являются криогенными, и следовательно, для них необходимы особые технологии обработки. К примеру, всем известно, что полюсом холода на Земле является п. Оймякон в Якутии с –77,8°С, а самая низкая температура в истории наблюдений была зарегистрирована в Антарктиде и составила –89,2°С. Экстремально низкая криогенная температура СПГ означает, что любой контакт с таким веществом пагубно повлияет на контактирующую материю, а именно, на ломкость, прочность и функциональность. Из чего можно сделать вывод, что в отраслях, связанных с СПГ необходимо использовать особые материалы и технологии.
Химический состав СПГ
Общеизвестно: сырая нефть и природный газ – это ископаемые виды топлива («углеводороды»). На хим. состав ПГ косвенно влияет место добычи и его обработка. СПГ – это смесь метана, этана, пропана и бутана с незначительным количеством более тяжелых углеводородов и примесей, например, азотных и комплексных соединений серы, воды, углекислого газа и сероводорода, которые, в свою очередь, могут существовать в исходном газе, но их необходимо удалить перед сжижением. Метан, по сути, является главным и самым значительным компонентом, обычно, хотя и не всегда, более чем на 85% по объему.
Плотность сжиженного газа
Мы уже знаем, что СПГ – это смесь, а значит, плотность сжиженного ПГ кардинально не меняется с ее фактическим составом. Ориентировочно, плотность СПГ находится в спектре 430–470 кг на куб. метр, объем примерно 1/600 объема при атм. условиях (что позволяет быть примерно на 1/3 легче, чем воздух). Немаловажно, что СПГ по плотности меньше, чем вода, и в случае разлива будет находиться на поверхности; к парообразной фазе возвращается также сравнительно быстро.
Другие свойства и преимущества СПГ
СПГ не имеет ни запаха ни цвета, не может привести к коррозии, не горюч, а также не токсичен. Сжиженный ПГ хранится и транспортируется при очень низких t при атмосферном давлении (отсутствие высоких давлений). При контакте (взаимодействии) с окр. средой быстро испаряется, не оставляя следов ни в почве, ни в воде.
Жидкая форма СПГ позволяет ему взрываться и воспламеняться. В случае испарения и контакта с источником горения, концентрация СПГ будет в пределах 5-15%. При
Основные преимущества СПГ:
- Процесс сжижения ведет к увеличению плотности в сотни раз, что позволяет наиболее эффективно потреблять СПГ, хранить, транспортировать.
- Криогенная жидкость (t хранения -162°С). Большие объемы газа хранятся в спец.наземных цистернах (при атм.давлении).
- Танкеры-газовозы позволяют совершать межконтинентальные транспортировки. Также использование автомобильного и ж/д транспорта.
- Газификации объектов, расположенных вдали от трубопроводов (создании запасов газа непосредственно на площадке)
- Возможность выделить из СПГ широкую фракцию легких углеводородов (этан, пропан, бутан, пентан и т.п.)
СПГ является экологически чистым и безопасным видом топлива и, безусловно, обладает значительными энерго характеристиками и октановым числом. Что касается цен, то СПГ гораздо дешевле сжиженного нефтяного газа, диз.топлива и мазута.
Применение и получение сжиженного природного газа (СПГ) как перспективного топлива
В настоящее время в связи с удорожанием традиционных видов топлива, ужесточением экологических требований по выбросам загрязняющих веществ отработавшими газами автомобилей и целым рядом других факторов остро встал вопрос о применении альтернативных видов топлив, более дешёвых и образующих меньше загрязняющих веществ в процессе сгорания. Одним из наиболее перспективных видов альтернативного топлива является природный газ. Рядом статей и научных работ подтверждается экономическая целесообразность его использования. В недавнем прошлом был предан значительный импульс разработкам в области получения, хранения и использования СПГ транспортными средствами, по причине ряда преимуществ СПГ над компримированным природным газом (КПГ). К числу таких преимуществ можно отнести то, что СПГ в баке транспортного средства находится при атмосферном давлении, в отличие от КПГ, требующего высокопрочные баллоны, являющиеся потенциально опасными объектами; СПГ обеспечивает более высокую взрыво- и пожаробезопасность, плотность СПГ, по сравнению с КПГ, выше, что влечёт за собой увеличение удельной массы перевозимого топлива, а значит и дальности хода транспортного средства. Исходя из вышеперечисленных преимуществ ОАО «Уральский компрессорный завод», а так же целый ряд иностранных и российских компаний, развивает деятельность в области создания оборудования для получения, хранения и транспортировки СПГ, в том числе применительно к автомобилям и всей транспортной отрасли в целом.
Как известно природный газ более чем на 90% от единицы объёма состоит из метана, критическая температура которого порядка -83°С, из этого следует, что получение природного газа в жидком состоянии возможно только ниже указанной температуры. Для достижения максимальной плотности хранимого СПГ, при давлении близком к атмосферному, необходимо охлаждение природного газа до температуры -162°С. Достижение столь низких температур возможно только с использованием криогенного технологий и оборудования.
На данный момент, наиболее распространёнными и доступными способами получения СПГ являются:
- Процесс сжижения за счёт холода, производимого газовой криогенной машиной Стирлинга;
- Процесс, основанный на эффекте Джоуля-Томпсона реализуемый в дроссельном цикле;
- Процесс, основанный на цикле высокого давления с применением детандера;
- Процесс, основанный на цикле низкого давления с применением одного или более турбодетандеров.
Уральским компрессорным заводом ведётся ряд разработок по созданию станций сжижения природного газа, основанных на работе машины Стирлинга и цикле высокого давления с детандером, а так же разработка системы питания двигателя автомобиля КАМАЗ криогенным топливом.
При создании системы питания двигателя СПГ, одной из основных задач является выбор типа теплоизоляции топливного бака. На данный момент наиболее применяемыми видами теплоизоляции сосудов, содержащих низкотемпературные вещества, являются:
- вакуумно-порошковая;
- пенополиуретановая;
- базальто-волоконная;
- вакуумно-экранная.
Завод является одним из немногих предприятий России, обладающих наиболее эффективной технологией изготовления криогенных сосудов, к которым относится и топливный бак транспортного средства для СПГ. Бак, изготовленный, с применением вакуумно-экранной теплоизоляции обладает рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с баками, использующих другие типы теплоизоляции. К таким преимуществам стоит отнести: длительный срок бездренажного хранения сжиженного газа, обеспечение максимально возможной пажаро- и взрывобезопасности и минимальные массо-габариные характеристики.
В настоящее время разрабатывается система газификации СПГ и дальнейшей подачи газа в двигатель транспортного средства. В ходе проводимой работы была определена принципиальная схема системы питания двигателя СПГ, представленная на Рисунке 1.
Рисунок 1 Система питания двигателя криогенным топливом
Работа системы, представленной на Рисунке 1, основана на принципе сообщающихся сосудов. При первоначальном пуске, СПГ за счёт давления столба жидкости из бака 1 поступает в газификатор 2, где газ переходит из жидкой фазы в газообразную. При этом давление газа возрастает до 3…3,5 атм. и препятствует дальнейшему поступлению сжиженного газа в газификатор 2. Далее газ через дроссель 3 воздействует на столб жидкости, находящейся в баке 1 и уравнивает давления над столбом жидкости и перед газификатором 2. При превышении давления газа над силой упругости пружины обратного клапана 4 газ поступает в теплообменник 5, где нагревается до температуры, необходимой для сгорания в двигателе. При превышении расчётного давления в баке, составляющего 4 атм. срабатывает автоматический клапан продувки 6 и происходит сброс избыточного давления через дренажное устройство (свечу) в атмосферу.
При практической реализации данной схемы предстоит решить несколько конструкторских задач, требующих повышенного внимания:
- Обеспечение максимальной производительности газификатора;
- Обеспечение подогрева газа до температуры необходимой для воспламенения;
- Создания механизма управления подачей топлива.
На данный момент основными проблемами для дальнейшей практической реализации данной системы является отсутствие нормативно-технической документации, регламентирующей состав, работу, порядок технического обслуживания и ремонта систем питания двигателя СПГ, а так же качество сжиженного газа.
Сжиженный природный газ (СПГ)
Природный газ, охлажденный до температуры конденсации превращается в жидкость, называемую сжиженным природным газом (СПГ). Температура конденсации газа зависит от давления, под которым находится СПГ и в эксплуатационном диапазоне избыточного давления хранения и использования (от 0,4 до 0 МПа) составляет минус 135 ÷ минус 161 гр. С. Учитывая очень низкий уровень газификации России, СПГ технология является ключевой в формировании комфортной среды проживания для бесперспективных с точки зрения Газпрома отдаленных районов, мелких городов и поселков, где тоже проживают Россияне и которые в настоящий момент лишены доступа к «народному достоянию». Для организации газоснабжения этих территорий нет необходимости строить грандиозные заводы, достаточно на магистральных газопроводах и газопроводах отводах располагать мини-заводы по производству СПГ, от которых, в пределах транспортной доступности (до 1000км.), можно развозить СПГ по объектам газопотребления. Объем газа при сжижении уменьшается в 600 раз, что позволяет перевозить его, используя специальные криогенные контейнер-цистерны или полуприцепы цистерны автомобильным или железнодорожным транспортом.
В точке потребления СПГ регазифицируется, т.е. превращается из жидкости обратно в газ и подается в газовые котельные небольших населенных пунктов, локальные газовые сети и другие инфраструктурные объекты. Еще одним значимым направлением использования СПГ является применение его на транспорте. С помощью СПГ технологии можно перевести на газ транспорт, где технология КПГ (компримированный природный газ) неприменима. Это карьерный и магистральный автотранспорт, железнодорожный транспорт, сельскохозяйственная техника, речные суда и портовые буксиры.
Преимущества использования СПГ:
СПГ — один из наиболее экологичных видов топлива.
Переход на СПГ ведёт к экономии:
СПГ является надёжным и доступным топливом:
Применение СПГ обеспечивает гибкость в энергоснабжении:
- Не требуется согласования и прокладка газопровода;
- Увеличение объемов потребления не требует больших затрат;
- Объекты потребления не привязаны к трубе;
- Позволяет переносить оборудование производства СПГ при увеличении логистического плеча.
Направления использования СПГ/КПГ
1. Замена топлива на СПГ/КПГ:
Логистические, транспортные, горнорудные и сельскохозяйственные компании.