CC BY
198
УДК 542.78
Методические подходы к формированию программ малотоннажного производства и использования сжиженного природного газа
С.П. Горбачёв1*, Ю.В. Дроздов1, К.И. Кириенко1, О.Л. Кускова1, С.В. Люгай1, И.С. Медведков1
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1 * E-mail: S_Gorbachev@vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. Рынок малотоннажного производства СПГ в Российской Федерации находится на этапе начального формирования в условиях отсутствия как значимого предложения, так и заинтересованных, подготовленных потребителей. В статье указаны основные условия роста потенциального спроса, а также изложены подходы к определению его максимального уровня на базе прогнозных работ специалистов ООО «Газпром газомоторное топливо». Для обеспечения потенциального спроса предложены методы формирования рациональной производственной инфраструктуры на базе установок малотоннажного производства СПГ.
Методические подходы к оценке потенциального уровня спроса. Кластерные принципы
Малотоннажный рынок сжиженного природного газа (СПГ) в России сегодня находится на начальной стадии и сдерживается неразвитостью производственно-потребительской инфраструктуры. Используемые в большинстве стран методы прогнозирования спроса на основе сложившихся трендов (с корректировкой при помощи статистических функций эластичности объемов потребления энергоресурсов) неприменимы в данном случае из-за отсутствия представительных рядов отчетной информации. Поэтому методы прогнозирования спроса на малотоннажный СПГ в РФ носят стратегический характер и радикально отличаются от технологий проектирования, которые в свою очередь детально обосновывают конкретные решения.
При определении спроса возможные сценарии развития рынка малотоннажного СПГ должны учитывать стратегические целевые показатели, принятые группой ПАО «Газпром», государственными органами и потребителями СПГ (производителями техники на газе) как главными игроками формирующегося рынка.
Существующие методические средства и инструментарий пока не позволяют выработать и полноценно обосновать стратегию развития сектора использования малотоннажного СПГ в России. Но можно выделить три основные группы управляющих воздействий, с помощью которых главные участники рынка могут влиять на его развитие, а именно:
1) разработка производственных программ;
2) структурная организация (объединение различных видов рынков, каждый из которых имеет собственные сегменты);
3) управление финансовыми потоками.
Указанные факторы необходимо учитывать при формировании программы развития малотоннажного производства и использования СПГ (далее - Программы), реализация которой в первую очередь подразумевает формирование спроса на малотоннажное производство СПГ и эффективных объемов его производства, а также
Ключевые слова:
сжиженный природный газ, потенциал спроса, малотоннажное производство, производство СПГ на газораспределительных станциях, цикл частичного сжижения, энергосбережение.
стимулирование роста объектов потребления. Прогнозируя спрос на СПГ в рамках разработки Программы, следует принять следующие допущения:
1) в качестве спроса рассматривается один вариант прогноза - максимально возможный потенциал потребления СПГ при существующих тенденциях развития данного сектора рынка энергоресурсов;
2) потенциал и перспективы потребления СПГ в РФ оцениваются по двум основным направлениям: СПГ как моторное топливо (ГМТ) и СПГ в качестве топлива для автономной газификации;
3) применяется метод кластеризации спроса (см. далее) [1].
Потенциал и перспективы потребления СПГ должны оцениваться исходя из существующего положения дел на рынке СПГ в РФ, проводимых работ в области развития инфраструктуры использования СПГ на транспорте с учетом развития транспортного комплекса в целом и перспектив газификации на период до 2030 г.
Так, выделены основные категории потребителей, или целевые сегменты рынка, СПГ в качестве ГМТ (рис. 1): магистральный транспорт (грузовые автотранспортные средства), тяжелая карьерная техника, железнодорожный транспорт, сельскохозяйственная техника, водный транспорт [1, 2]. По каждому целевому сегменту проведены исследования, включая:
• анализ текущего состояния сегмента;
• анализ текущего состояния технологий использования СПГ техникой в сегменте;
• выделение локальных/линейных рынков по сегменту и определение «якорных» (основных) потребителей;
• определение позиции топлива СПГ с точки зрения межтопливной конкуренции, сравнение с товарами-заменителями;
• разработка направлений развития сегмента и формирование спроса на СПГ
водный транспорт - 27 % железнодорожный транспорт -10% карьерная техника - 22 % магистральный автотранспорт -33 % сельско-хозяйственная техника - 8 %
Рис. 1. Структура потенциального спроса на СПГ на транспорте по целевым сегментам рынка
в сегменте исходя из локализации рынков и анализа межтопливной конкуренции;
• определение допустимых ценовых границ, при которых обеспечивается наличие спроса на СПГ.
Оценка проводилась по всем регионам РФ на локальных и линейных рынках по целевым сегментам и видам ГМТ. Проанализированы существующие маршруты, объемы потребления моторного топлива, количество и перспективы модернизации магистрального грузового транспорта, карьерной техники, потенциальные потребности бункеровки СПГ-газовозов в портах РФ, перспективы развития СПГ как топлива на железнодорожном транспорте и в сельском хозяйстве. Установлено [1, 2]:
• в сегменте автотранспорта спрос на СПГ в первую очередь будет формироваться вдоль транспортных коридоров Европа - Азия за счет транзитных перевозок, поскольку уровень развития рынков ГМТ в Европе и в Азии опережает уровень развития рынка комприми-рованного природного газа и СПГ в России. Следующим шагом к развитию спроса в данном сегменте является создание инфраструктуры СПГ вдоль федеральных трасс, не вошедших в коридор Европа - Азия, но демонстрирующих высокую интенсивность движения;
• в сегменте железнодорожного транспорта спрос формируется исходя из стратегических приоритетов РЖД как единоличного собственника железнодорожной инфраструктуры. В силу исторических предпосылок полигоном для перехода на СПГ выбрана Свердловская железная дорога. Таким образом, спрос на СПГ в данном сегменте может быть сформирован при обеспечении инфраструктуры на Свердловской железной дороге и на железных дорогах, с которыми Свердловская дорога соединена сейчас или будет соединена в ближайшем будущем. С учетом «Северного широтного хода» таким коридором может стать объединение Свердловской, Северной и Октябрьской железных дорог;
• в сегменте водного транспорта ожидается значительный спрос на СПГ для бункеровки морского транспорта. С учетом ужесточившихся требований МЛЯРОЬ1 местом концентрации спроса являются порты
Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов (англ. International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, MARPOL).
Балтийского моря: Санкт-Петербург, Усть-Луга, Приморск, Высоцк, Выборг, Калининград. Кроме того, поскольку зона действия жестких нормативов по содержанию серы в судовом топливе после 2020 г. будет расширена на все моря Мирового океана, ожидается значительный спрос на СПГ и со стороны остальных российских портов морей Азовско-Черноморского и Дальневосточного бассейнов;
• сегмент карьерной техники не связан с транспортными потоками, спрос зависит от плотности карьерной техники, обусловленной непосредственно наличием мест добычи в том или ином регионе. Основное потребление топлива карьерной техникой сконцентрировано в шести регионах: Кемеровской области, районе Курской магнитной аномалии (Курская и Белгородская области), Северо-Западном регионе (Мурманская область и Карелия), Якутии, Красноярском крае и Амурской области;
• сегмент сельскохозяйственной техники отличается сильной фрагментированно-стью как географической, так и с точки зрения количества владельцев техники. Кроме того, владельцы сельскохозяйственной техники отличаются значительным консерватизмом. Принимая во внимание эти ограничения, спрос со стороны сельскохозяйственной техники следует учитывать только в качестве дополнительного фактора в местах концентрации спроса со стороны остальных сегментов;
• потенциальные объемы СПГ на нужды автономной газификации определяются при оценке реализации локальных инвестиционных проектов СПГ в рамках разработки генеральных схем газоснабжения и газификации регионов Российской Федерации.
Как отмечалось ранее, системный подход к формированию рынка СПГ обеспечивается кластеризацией спроса - выделением географических территорий (кластеров) с единой производственной и транспортной инфраструктурой, объединяющих точки наибольшего спроса в различных сегментах транспорта. В результате анализа потенциальных потребителей на территории РФ по категориям транспорта сформированы 13 кластеров, шесть из которых можно считать наиболее приоритетными для развития спроса СПГ (рис. 2). Ранжирование кластеров проведено по следующим критериям: объему кластера, привлекательности основных
сегментов кластера, наличию доступа к Единой системе газоснабжения [1].
Потенциал потребления малотоннажного СПГ на транспорте в РФ оценивается на уровне 5,2 млн т [2]. Перспективный спрос на СПГ в качестве средства автономной газификации спрогнозировать невозможно ввиду директивного характера решений о строительстве объектов производства СПГ на нужды автономной газификации. Одним из основных сдерживающих факторов развития данного направления рынка является регулируемая государством ценовая политика в отношении СПГ для автономной газификации, которая отрицательно сказывается на окупаемости и реализации проектов по автономной газификации СПГ. Поэтому при формировании производственной инфраструктуры предлагается принять допущение, что доля производства СПГ для нужд автономной газификации составит не более 15 % при наличии свободных производственных мощностей СПГ, так как цена реализации СПГ в качестве моторного топлива является премиальной по отношению к цене СПГ для нужд автономной газификации и при таком соотношении объемов реализации не оказывает негативного воздействия на экономические показатели проекта.
Методические подходы к размещению производственных объектов
Для покрытия потенциального спроса на СПГ в качестве ГМТ и топлива для автономной газификации необходимо определить эффективные средства его производства и рациональные места их расположения. Наиболее эффективный способ производства СПГ - на газораспределительных станциях (ГРС) по циклу среднего давления с использованием турбодетанде-ра (без энергетических затрат) (рис. 3) [3-6]. Именно эту технологию (далее - технология 1) целесообразно принять в качестве основной при разработке Программы.
При этом необходимо учитывать, что ГРС различаются по величине давления в магистральном и распределительном газопроводах, по расходам и давлениям газа в летние и зимние периоды, по составу газа в газопроводах. Поэтому первой задачей при подготовке Программы является разработка критериев для отбора ГРС. В процессе формирования перечня ГРС по технико-экономическим показателям
^НД
Рис. 3. Схема цикла производства СПГ на ГРС по циклу среднего давления:
1 - компрессор; 2 - блоки осушки; 2* - блок
очистки; 3 - продукционный поток; 4 - детандерный поток; 5 - предварительный теплообменник; 6 - детандер; 7 - концевой теплообменник; 8 - сборник-сепаратор; 9 - СПГ; 10 - обратный поток;
11 - промежуточный (детандерный) теплообменник; ВД - газопровод высокого давления; НД - газопровод низкого давления; РУ - редуцирующее устройство на ГРС
производительности установки на ГРС используется критерий:
I < 0,64К
макс > 1мин
1-к,
(1)
где Ьшс - искомая максимальная производительность установки сжижения среднего давления на ГРС, т/ч; V1шш[ - минимальный расход газа через ГРС (общее потребление газа из распределительных сетей, связанных с ГРС2) в летний период, тыс. норм. м3/ч; кь мин соответствует летнему периоду и вычисляется по минимальному перепаду давления на ГРС.
Кроме того, для ГРС должно выполняться
условие Ьм
V
12,5
где К
- максималь-
ный проектный расход газа через ГРС за вычетом фактического расхода через ГРС, млн норм. м3/год (12,5 - коэффициент перевода между размерностями ¿маж; и ^маж;). Приведем упрощенную методику приближенного расчета, которая позволит определить потенциал производства на любой ГРС с заданными параметрами. Для расчета необходимо задать ^^
V,,
Р1 - проектное давление газа на входе
в установку, а также давление в распределительной сети Р2, МПа (если ГРС распределяет газ между несколькими линиями низкого давления с разным давлением, то Р2 - это максимальное давление сетевого газа3).
Для установок среднего давления с турбо-детандерно-компрессорным агрегатом (ТДКА) с учетом сжатия прямого потока в компрессорной ступени давление Р[ определяется зависимостью
установок среднего давления были приняты следующие критерии отбора:
• минимальное (наблюдается, как правило, в летний период) давление природного газа на входе в установку (с учетом дожимного компрессора) Р1 - не менее 2,5 МПа;
• минимальный коэффициент ожижения установки к1мин - не менее 10 %;
• допустимая производительность установки сжижения - не менее 1 т/ч.
Поскольку на соответствие этим критериям необходимо обработать информацию о более чем 4000 ГРС, предложены аппрокси-мационные расчетные зависимости, позволяющие максимально формализовать процесс отбора ГРС. Так, для определения максимальной
Р = ехр{арцу^ + 227,1527 - Ь}Р1,
(2)
где N - удельная работа расширения газа в детандере (отнесенная к расходу газа через установку), кДж/кг; пу.э.р - КПД утилизации энергии расширения в компрессорной ступени
V1шlи может быть производительностью одной или нескольких линий распределительной сети. Точную величину можно определить только путем перебора вариантов в ходе решения задачи по максимизации производительности установки совместно с определением величины давления Р2. Р2 может быть также промежуточным давлением одной линии или максимальным давлением газа в нескольких наиболее производительных линиях распределительной сети. Определяется путем перебора вариантов в ходе решения задачи максимизации производительности установки.
4
5
[0,3.. .0,4]; а = 0,20674; Ь = 3,1159. Если на установке энергия расширения не утилизируется для сжатия газа, то N = 0, а Р'1 = Р1, и энергия расширения расходуется только на выработку электроэнергии. Определить удельную работу расширения можно по приближенному выражению
N = 46,95к, (Р22 - 3,86Р2 +18,81) --11( Р; - Р2) + 21,95.
(3)
Тогда коэффициент сжижения установок среднего давления с турбодетандером можно вычислить по аппроксимационной формуле
к,
(6< -55)-ехр14,0282 Р'-Р
10000
(Р')1,3906
(4)
Формула (4) получена для случая сжижения чистого метана при температуре окружающей среды 290 К, адиабатном КПД детандера 80 %, имеет погрешность не более 3 % в диапазоне значений Р' = [3.7,5] МПа, Р2 = [0,2.1,2] МПа.
Оценка около 4 тыс. ГРС Группы Газпром показывает, что имеющиеся характеристики станций позволяют разместить на них к 2030 г. установки суммарной производительностью не более 35 % необходимого спроса. По этой причине предложены дополнительные способы повышения производительности установок на ГРС путем применения циклов частичного сжижения с внешним охлаждением, например цикла высокого давления4 с предварительным охлаждением (далее - технология 2, рис. 4) [7]. Энергетические характеристики таких циклов приведены на рис. 5. Видно, что удельные энергозатраты составляют 0,3-0,5 кВт ч на килограмм СПГ, что соответствует наиболее эффективным циклам полного сжижения. При этом коэффициент сжижения составит от 35 до 50 %.
Также для размещения на ГРС могут использоваться любые другие внешние циклы охлаждения, эффективность которых будет увеличиваться по мере снижения коэффициента сжижения (рис. 6). Для реальных установок зависимости, показанные на рис. 6, будут лежать несколько выше, так же как и темп роста энергозатрат по мере увеличения коэффициента сжижения, но в целом тенденция сохранится. Конкретный вид кривых для
Дроссель
4 Подробнее о вариантах и модификациях цикла
высокого давления и об их характеристиках см. [8, 9].
Рис. 4. Общая технологическая схема высокого давления с холодильной машиной (открытый цикл): 1 - источник газа высокого
давления; 2 - блок комплексной очистки; 3 - концевой теплообменник; 4 - холодильная машина; 5 - промежуточный теплообменник;
6 - сборник-сепаратор; 7 - обратный поток;
8 - СПГ
реальных установок может быть уточнен по типу и характеристикам внешних циклов охлаждения. На рис. 7 представлен такой цикл частичного сжижения: газ из магистрального газопровода поступает в контур природного газа, последовательно охлаждается в теплообменниках и дросселируется в сборник-сепаратор. Пары СПГ из сборника-сепаратора возвращаются обратным потоком в распределительный газопровод. На выходе из установки между прямым и обратным потоками для регулирования коэффициента ожижения установлен циркуляционный компрессор, в котором можно дожимать несжиженную часть газа и возвращать ее на рециркуляцию, смешивая с поступающим потоком газа. Увеличение коэффициента сжижения позволяет сократить отбор газа из магистрального газопровода и компенсировать негативные эффекты, связанные с возможным снижением газопотребления
■ 0,7-0,8 □ 0,6-0,7 □ 0,5-0,6 □ 0,4-0,5 ■ 0,3-0,4 ■ 0,2-0,3
Рис. 5. Удельные энергозатраты для цикла высокого давления на ГРС, кВт-ч/кг СПГ:
давление СПГ - 0,6 МПа
Коэффициент ожижения, %
Рис. 6. Минимальная удельная работа сжижения при частичном сжижении метана на ГРС за счет внешнего охлаждения
Рис. 7. Цикл частичного ожижения на ГРС (детандерный с внешним азотным
и предварительным пропановым охлаждением). Контуры: I - природного газа; II - предварительного охлаждения; III - окончательного охлаждения
в сети низкого давления. В схеме (см. рис. 7) в качестве контура предварительного охлаждения используется пропановая холодильная машина. Контур окончательного охлаждения представляет собой азотный газовый цикл с детандером. При давлении газа в магистральном газопроводе 4,5-3,0 МПа эффективность цикла составляет 0,2-0,3 кВтч/кг при к1мия = 20-40 % и 0,45-0,5 кВт ч/кг при к1мин[ = 100 % (рис. 8).
Таким образом, цикл частичного сжижения природного газа на ГРС с внешним газовым азотным охлаждением более эффективен, чем многие циклы с внешним охлаждением 100%-ного ожижения на отводах магистральных газопроводов. Как и в случае с циклом высокого давления на ГРС, это объясняется двумя факторами:
1) на ГРС сжиженный природный газ производится при повышенном давлении (0,50,8 МПа);
2) при частичном сжижении расход газа через установку увеличен, и при расширении газа повышается суммарный дроссель-эффект,
Утилизация энергии расширения в азотном детандере: -О- 3,0 МПа 4,5 МПа Без утилизации энергии: -III- 3,0 МПа -Ь- 4,5 МПа
Рис. 8. Удельные энергозатраты при частичном сжижении метана на ГРС при использовании внешнего газового азотного цикла с предварительным пропановым охлаждением
а неожиженную часть можно не сжимать для рециркуляции в закрытом контуре.
Там, где ближайшая ГРС находится на значительном расстоянии от объекта потребления, что затрудняет логистику доставки СПГ, производство и доставка СПГ могут быть организованы на базе мало- и среднетоннаж-ных станций, размещенных на газопроводах-отводах. При выборе установок ожижения как на ГРС, так и на газопроводах в разрабатываемой Программе должны учитываться техническая возможность присоединения КСПГ, требования к размещению криогенного оборудования, радиусы возможного охвата потребителей.
В связи с изложенным общий перечень объектов, на базе которых необходимо организовать производство СПГ для покрытия потенциальной потребности в СПГ как моторном топливе и для автономной газификации, должен формироваться с учетом:
• фактических режимов работы (давление, расход и т.д.);
• технической возможности и места присоединения комплекса сжижения природного газа (КСПГ) на ГРС;
• нормативных требований к размещению криогенного технологического оборудования КСПГ в границах участка ГРС и/или на прилегающей территории (минимальные безопасные расстояния);
• наличия ресурсов природного газа в рассматриваемых кластерах.
Для формирования схемы размещения объектов производства СПГ с целью покрытия потенциальной потребности в СПГ на цели моторного топлива и автономной газификации сформирована следующая методика определения перечня, производительности малотоннажных установок и мест их размещения. На первом этапе устанавливаются локализация объектов-потребителей и их характеристики [1, 2]. Следующим шагом становится определение перечня ГРС, на которых может быть потенциально организован процесс сжижения природного газа:
• по технологии 1 (цикл Клода - Капицы, см. рис. 3). Аналог - ГРС-4 в Екатеринбурге;
• или технологии 2 (см. рис. 4). Аналоги -ГРС-1 в Калининграде, установка сжижения природного газа (УСПГ) в д. Канюсята Пермского края.
Производительность установок на ГРС задается5 в границах 1-10 т/ч. Выбор типа и производительности установок сжижения осуществляется по алгоритму, изложенному далее.
1. По минимальному летнему давлению определяется к1мин установки при реализации технологии 1 на ГРС (см. формулу (4)).
2. По технологии 2 к1 мин может регулироваться в широких пределах за счет применения различного технологического оборудования (дожимающих компрессоров, внешних холодильных циклов и пр.) и не является ограничивающим фактором.
3. Для технологий 1 и 2 также учитываются ограничения по максимальной пропускной способности газопровода-отвода, на котором расположена ГРС.
4. Если установленный потенциал соответствует ¿макс > 1 т/ч СПГ по одной из двух технологий, то ГРС рассматривается далее. В обратном случае ГРС из дальнейшего рассмотрения исключается.
5. Прошедшие отбор ГРС локализуются на карте. Выясняется наличие вблизи них земельных участков общего пользования. Также определяются расстояния от ГРС до жилых зданий, дорог общего пользования, складских помещений6. Если ГРС отвечает требованиям пожарной безопасности и расположена рядом со свободным земельным участком, она заносится в результирующий перечень.
6. Задаются минимальное плечо и максимальное плечо (расстояния) доставки: минимальное плечо принимается равным 250 км, максимальное - 400 км.
7. В радиусе минимального плеча доставки для каждого объекта-потребителя определяется перечень ГРС. Если в радиусе минимального плеча доставки ГРС не обнаружены, плечо увеличивается до максимального, и перечень ГРС определяется повторно.
8. Объекты потребления сортируются по уровню потребления: от минимального до максимального. Это делается для того, чтобы малые потребители были обеспечены СПГ в первую очередь. Таким образом будет снижен риск обеспечения продуктом малых потребителей от большого количества ГРС
по остаточному принципу, что осложнит логистику. После такой сортировки малые потребители с большой вероятностью будут обеспечиваться СПГ от одного объекта производства.
9. Далее для каждого объекта-потребителя из списка выполняется субалгоритм из пяти последовательных процедур:
1) для каждой ГРС из составленного перечня (см. шаг 7) назначается рейтинговый балл Я:
Я = Я_ЬК_Ь + Я_М_сошК_М_сош + + Я_Ргоа-К_ргоа, (5)
где Я_Ь - рейтинг расстояния до объекта (чем ближе ГРС к потребителю, тем рейтинг выше, т.е. предпочтение отдается ГРС, расположенным в непосредственной близости от объекта потребления); Я_М_сош - рейтинг загружен-ности7 ГРС (чем больше потребителей у ГРС, тем выше данный рейтинг, т.е. предпочтительны ГРС с большим количеством потребителей, что позволит снизить риск недогруженности ГРС); R_Prod - рейтинг потенциала8 технологии 1 (чем выше потенциал производства ГРС по технологии 1, тем выше рейтинг. Это позволит загружать в первую очередь высокопроизводительные установки на ГРС по высокоэффективным циклам). Я_Ь, Я_М_сош, R_Prod лежат в диапазоне от 0 до 1. Коэффициенты К_М_сош < К_Ь < K_prod лежат в диапазоне от 0 до 1 и определяются экспертным путем;
2) ГРС, имеющие потенциал производства по технологии 1, сортируются по мере убывания Я;
3) по каждой ГРС от начала списка объекту-потребителю передается производимый объем СПГ до тех пор, пока не будет достигнут необходимый объем потребления либо потенциал производства по технологии 1 на ГРС в радиусе плеча доставки не будет полностью исчерпан;
4) если потенциал производства по технологии 1 исчерпан полностью, но необходим дополнительный объем СПГ, то далее рассматриваются ГРС с потенциалом производства по технологии 2. Для этого каждой ГРС
См. ГОСТ Р 55892-2013. Объекты малотоннажного
производства и потребления сжиженного природного
газа. Общие технические требования.
См. СП 240.1311500.2015. Хранилища сжиженного природного газа. Требования пожарной безопасности.
Рейтинг загруженности не является определяющим и имеет наиболее низкий вес в выражении (5), поскольку далее в расчете осуществляется перераспределение производства от низкопроизводительных установок (см. шаг 10). См. шаги 1, 4, 5.
из перечня (см. шаг 7) присваивается новое значение рейтинга:
Я = Я_Ь-К_Ь + Я_Ргоа-К_рго4
(6)
где Я_Ь, лежат в диапазоне от 0 до 1;
- рейтинг ГРС по потенциалу технологии9 2 (чем выше потенциал производства ГРС по технологии 2, тем выше рейтинг. Это позволит загружать в первую очередь высокопроизводительные установки на ГРС);
5) по каждой ГРС от начала списка объекту-потребителю передается производимый объем СПГ до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое значение объема потребления или потенциал производства по технологии 2 на ГРС в радиусе плеча доставки не будет полностью исчерпан.
10. После перераспределения СПГ между потребителями и производителями с целью ликвидации малопроизводительных (¿макс < 1 т/ч) УСПГ предусматривается оптимизация в три шага:
1) производится попытка укрупнить УСПГ, предполагающие использование энергоэффективной технологии 1. Для этого определяется перечень ГРС, имеющих общие объекты потребления с рассматриваемой установкой, и осуществляется полное или частичное отсоединение потребителей от крупных ГРС (£макс > 1 т/ч) и присоединение их к ГРС с малой производительностью;
2) если на шаге 10.1 за счет укрупнения не были ликвидированы УСПГ малой производительности, осуществляется попытка ликвидации этих установок за счет передачи их объемов производства другим УСПГ. На этой итерации производится передача объемов СПГ установкам, имеющим общие объекты потребления с рассматриваемыми малопроизводительными ГРС. При этом запрещается миграция УСПГ за пределы потенциалов текущих технологий ожижения на ГРС;
3) если на шаге 10.2 не были ликвидированы УСПГ малой производительности, осуществляется попытка передать объекты-потребители соседним установкам, расположенным на расстоянии максимального плеча доставки от объекта потребления. При этом запрещается миграция УСПГ за пределы потенциалов текущих технологий ожижения на ГРС.
11. Если в результате расчета появились объекты, не охваченные сетью ГРС и не обеспеченные СПГ, полученным по технологиям 1 и 2, их обозначают как объекты, обеспечиваемые автономными комплексами сжижения (далее - технология 3).
12. Расчеты по шагам 7-11 производятся для различных этапов реализации Программы по мере роста спроса. Перед каждой новой итерацией цикла значение потребления у объектов-потребителей задается как разница между текущим и предыдущим расчетным периодом, а каждой установке на ГРС присваивается производительность, полученная на предыдущей итерации.
13. Для ГРС, где размещены УСПГ, работающие по технологии 2, по формуле (4) определяется к1мин. Это позволит наиболее оптимальным образом подойти к выбору технологии ожижения на конкретной ГРС в рамках предпроектных исследований (технико-экономических анализа и обоснования). Применение установок частичного ожижения (кхмлн < 1) позволит несколько снизить удельные энергозатраты, используя даже низкоэффективные циклы внешнего охлаждения, освоенные отечественными предприятиями криогенного и холодильного машиностроения. Набор технологического оборудования и энергозатраты на конкретной ГРС должны точно определяться по результатам технико-экономического анализа на этапе предынвестиционных исследований. Для установок на ГРС, работающих по технологии 2, при ¿маКс < 3 т/ч и к1шш < 0,4 рекомендуется применять цикл частичного ожижения высокого давления с предварительным охлаждением (см. рис. 4). При увеличении необходимых значений ¿макс или к1мн выбор технологической схемы должен осуществляться инвестором на базе технико-коммерческих предложений, демонстрирующих наилучшие энергетические и экономические показатели.
14. Для объектов, которые обеспечиваются автономными установками (см. шаг 11), определяются производительность и приблизительное местоположение комплексов производства. Координаты х и у автономного комплекса рассчитываются по формулам:
^ хоб, А>е, ^ у об, А>е,
X = -
-; у = -
9 См. шаги 2, 4, 5.
сумм сумм
где Ьсумм - суммарная производительность автономного комплекса; Ьоб - производительность
в расчете на /-го объекта-потребителя, обеспечиваемого автономным комплексом; хо6 , уо6 -координаты /-го объекта-потребителя. Определенные таким образом координаты далее уточняются с целью привязки автономных объектов производства к газотранспортной системе.
В соответствии с ранее определенным спросом выявлены объекты производства СПГ с необходимыми производитель-ностями. Границы кластеров объединенного спроса (см. Кластерные принципы и рис. 2) были расширены с целью включения в состав производственно-сбытовых кластеров регионов РФ, имеющих на своей территории производственные объекты, обеспечивающие спрос
в выбранном кластере. На рис. 9 показаны приоритетные кластеры спроса с долями производства в них по различным технологиям, полученными по изложенной методике.
В Программе должно быть предусмотрено применение мобильных комплексов, работающих по циклам высокого давления и заменяющих низкопроизводительные УСПГ (^макс < 1 т/ч), расположенные на ГРС или газопроводах-отводах, которые не были отсеяны на предыдущих этапах расчета благодаря укрупнению или распределению производства. Размещать низкопроизводительные УСПГ на ГРС и газопроводах-отводах нецелесообразно и технически нереализуемо в связи с малыми
Северо-Запад
87
Центральный
.173
40
^173
82
Тюменский
28 ^^ 22 50
Приволжский
Доля обеспечения спроса в кластере для технологий производства, %:
28 1 технология 1
технология 2
технология 3
© ©
86
46
Кузнецкий
82 спрос на СПГ в кластере, т/ч
Южный
Рис. 9. Структура малотоннажного производства СПГ по типам технологии на 2030 г.
расходами газа через блок ожижения. Наличие таких объектов говорит о том, что в данной зоне потребления начальный уровень спроса не требует крупных комплексов производства СПГ и функции производства могут принять на себя мобильные комплексы СПГ. Со временем, по мере роста потребления, в такой зоне может появиться крупный комплекс производства СПГ, работающий по энергоэффективным циклам, а мобильные комплексы могут быть перемещены в другую зону потребления.
Мобильные комплексы должны быть спроектированы на базе дешевых комплексов частичного ожижения со стандартным компрессорным и холодильным оборудованием. В условиях низкого спроса важным фактором является способность быстрого пуска и остановки оборудования комплекса сжижения в зависимости от изменения потребления в районе распределения продукции. Другим важным фактором при выборе технологии и оборудования мобильного комплекса является возможность его компактного блочного изготовления. Всем перечисленным факторам в полной мере удовлетворяют установки высокого давления различных модификаций (см. рис. 4) [7].
***
1. В ходе реализации Программы мало-и среднетоннажное производство СПГ целесообразно организовывать на объектах газотранспортной системы (газораспределительные станции, площадки автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, магистральные газопроводы, сети низкого давления) [2].
2. Потребление может быть обеспечено производством СПГ на ГРС по детандерной технологии (35 % от общего объема спроса), когда энергозатраты на сжижение отсутствуют, и по технологии частичного сжижения на ГРС с дополнительными энергозатратами (36 % от общего объема спроса), а также по технологии полного сжижения на магистральных газопроводах с повышенными дополнительными энергозатратами (29 % от общего объема спроса). Окончательное решение о возможности / целесообразности применения той или иной технологии в рамках Программы должно приниматься по итогам рассмотрения технико-экономического обоснования по каждому объекту или по отдельному кластеру в установленном порядке.
3. Для обеспечения эффективного использования СПГ в качестве газомоторного топлива необходимо максимально согласовывать производство СПГ и его потребление, предусматривая, в частности, поэтапное развитие инфраструктуры производства СПГ на базе установок малой производительности.
4. На первоначальном этапе реализации Программы в условиях низкого уровня спроса целесообразно осуществлять производство на сетях низкого давления с использованием мобильных и дешевых комплексов частичного ожижения со стандартным компрессорным и холодильным оборудованием.
5. По мере увеличения спроса необходимо переходить от малотоннажного производства СПГ к средне- и крупнотоннажному производству за счет создания крупных комплексов ожижения на газопроводах-отводах производительностью более 10 т/ч на базе энергоэффективных отечественных технологий.
6. Современные технологии мало- и сред-нетоннажного производства СПГ, освоенные отечественными предприятиями, позволяют получать СПГ удовлетворительного качества с приемлемой себестоимостью на станции сжижения.
7. Необходимо провести ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на совершенствование технологий малотоннажного производства СПГ, а именно: на увеличение надежности работы установок при изменении характеристик сырьевого газа; снижение капитальных и эксплуатационных затрат; обеспечение необходимого качества СПГ на объектах производства, в частности, путем применения расширительных аппаратов нового типа, эффективных технологий осушки и очистки газа, новых технологических схемных решений.
8. Следует снижать суммарную долю проектных, строительно-монтажных и пуско-наладочных работ в общих начальных капитальных затратах. Это можно осуществить за счет разработки типовых установок сжижения на базе ограниченного набора существующих технологий. Типовые проекты позволят разработать стандартный набор запасных частей, инструментов и принадлежностей, что сократит затраты на ремонт и периодическое обслуживание станций, а также продолжительность этих операций.
Целесообразность применения некоторых приведенных рекомендаций в условиях конкуренции и распределения подрядов в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации можно поставить под вопрос. Однако если развитие производственно-заправочной инфраструктуры будет происходить усилиями единого оператора или группы компаний, обязательным
условием вхождения на рынок оборудования и проектных решений для малотоннажного СПГ должно стать безусловное выполнение технического задания и требований внутренней нормативно-технической документации, разработанных в соответствии с целостной и последовательной технической политикой заказчика.
Список литературы
1. Сурнов А.В. Стратегия развития рынка газомоторного топлива Российской Федерации / А.В. Сурнов // Газовая промышленность. -2015. - № 728: спецвыпуск. - С. 10-15.
2. Журавский М.А. Текущее состояние
и перспективы использования СПГ в качестве моторного топлива / М.А. Журавский, А. Л. Трибун // Газовая промышленность. -2015. - № 728: спецвыпуск. - С. 39-44.
3. Удут В .Н. Криогенная техника и технологии для малотоннажного производства
и использования СПГ на транспорте и автономной газификации / В.Н. Удут // Газовая промышленность. - 2011. -№ 668: спецвыпуск. - С. 16-19.
4. Гайдт Д. Д. Малотоннажное производство СПГ и область его применения: опыт ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» / Д. Д. Гайдт // Газовая промышленность. - 2015. -
№ 728: спецвыпуск. - С. 52-57.
5. Патент РФ № 2438081. Способ частичного сжижения природного газа (варианты)
и установка для его реализации (варианты) / С.П. Горбачёв; ООО «Газпром ВНИИГАЗ» // Бюл. № 36. - 27.12.2011.
6. Горбачёв С.П. Проблемы и перспективы производства СПГ на газораспределительных станциях / С.П. Горбачёв, С.В. Люгай,
И.С. Медведков // Газовая промышленность. -2015. - № 728: спецвыпуск. - С. 45-49.
7. Сердюков С.Г. Повышение экономической эффективности эксплуатации АГНКС при дооборудовании их системами получения
и реализации сжиженного природного газа / С.Г. Сердюков, И. Л. Ходорков, Д.Н. Логинов и др. // Сжиженный природный газ в России: сб. статей и докладов. - СПб.: Химиздат, 2004. - С. 27-30.
8. Довбиш А. Л. Опыт создания блоков сжижения природного газа малой производительности / А. Л. Довбиш,
B.А. Передельский, К.В. Безруков и др. // Газовая промышленность. - 2011. -
№ 668: спецвыпуск. - С. 21-24.
9. Горбачёв С.П. Особенности малотоннажного производства СПГ на газопроводах на основе дроссельных циклов высокого давления /
C.П. Горбачёв, И.С. Медведков // Технические газы. - 2016. - Т. 16. - № 1. - С. 29-36.
Technical approaches to forming programs of low-tonnage production and application of liquefied natural gas
S.P. Gorbachev1*, Yu.V. Drozdov1, K.I Kiriyenko1, O.L. Kuskova1, S.V. Lugay1, I.S. Medvedkov1
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Est. 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: S_Gorbachev@vniigaz.gazprom.ru
Abstract. Market of low-tonnage LNG production in Russia is at initial stage of building in conditions of neither any serious offer, nor any interested and ready consumers. The article names the main provisions for increase of potential demand, and presents approaches to estimation of its maximal level using the prognostic studies of Gazprom Gazomotornoye toplivo LLC specialists. To provide potential demand, some methods for creation of rational infrastructure on the basis of low-tonnage LNG plants are suggested.
Keywords: liquefied natural gas (LNG), demand potential, small-scale production, LNG production at gas-distributing stations, cycle of partial liquefaction, energy saving.
References
1. SURNOV, A.V. Strategy for development of gaseous fuel market in Russian federation [Strategiya razvitiya rynka gazomotornogo topliva Rossiyskoy Federatsii]. Gazovaya promyshlennost'. 2015, no. 728: spec. iss., pp. 10-15. ISSN 0016-5581. (Russ.).
2. ZHURAVSKIY, M.A. and A.L. TRIBUN. State of art and prospects for application of liquefied natural gas as motor fuel [Tekushcheye sostoyaniye i perspektivy ispolzovaniya SPG v kachestve motornogo topliva]. Gazovaya promyshlennost'. 2015, no. 728: spec. iss., pp. 39-44. ISSN 0016-5581. (Russ.).
3. UDUT, V.N. Cryogenic machinery and techniques for low-tonnage production of liquefied natural gas and its application in transport service industry and for independent gasification [Kriogennaya tekhnika i tekhnologii dlya malotonnazhnogo proizvodstva i ispolzovaniya SPG na transporte i avtonomnoy gazifikatsii]. Gazovaya promyshlennost'. 2011, no. 668: spec. iss., pp. 16-19. ISSN 0016-5581. (Russ.).
4. GAYDT, D.D. Low-tonnage production of liquefied natural gas and sphere of its application: practical experience of Gazprom transgaz Yekaterinburg LLC [Malotonnazhnoye proizvodstvo SPG i oblast yego primeneniya: opyt OOO "Gazprom transgaz Yekaterinburg"]. Gazovaya promyshlennost'. 2015, no. 728: spec. iss., pp. 52-57. ISSN 0016-5581. (Russ.).
5. Gazprom VNIIGAZ LLC. Procedure for liquefaction of natural gas (versions) and installation for its implementation (versions) [Sposob chastichnogo szhizheniya prirodnogo gaza (variant) i ustanovka dlya yego realizatsii (varianty)]. Inventor: S.P. GORBACHEV. Appl. July 4, 2007 no. 2007125077/06, publ. December 27, 2011, Bull. 36. RU 2438081.
6. GORBACHEV, S.P., S.V. LYUGAY, I.S. MEDVEDKOV. Issues and outlooks for liquefied natural gas production at gas-distributing stations [Problemy i perspektivy proizvodstva SPG na gazoraspredelitelnykh stantsiyakh]. Gazovaya promyshlennost'. 2015, no. 728: spec. iss., pp. 45-49. ISSN 0016-5581. (Russ.).
7. SERDYUKOV, S.G., I.L. KHODORKOV, D.N. LOGINOV et al. Improvement of cost-efficiency of motor gas-filling compressor stations' operation at their backfit with systems for loading and off-loading of liquefied natural gas [Povysheniye ekonomicheskoy effektivnosti ekspluatatsii AGNKS pri dooborudovanii ikh sistemami polucheniya i realizatsii szhizhennogo prirodnogo gaza]. In: Liquefied natural gas in Russia: [Szhizhennyy prirodnyy gaz v Rossii]: collected papers. St. Petersburg: Khimizdat, 2004, pp. 27-30. (Russ.).
8. DOVBISH, A.L., V.A. PEREDELSKIY, K.V. BEZRUKOV et al. Practice in creation of low-output blocks for natural gas liquefaction [Opyt sozdaniya blokov szhizheniya prirodnogo gaza maloy proizvoditelnosti]. Gazovaya promyshlennost'. 2011, no. 668: spec. iss., pp. 21-24. ISSN 0016-5581. (Russ.).
9. GORBACHEV, S.P. and I.S. MEDVEDKOV. Features of low-tonnage liquefied natural gas production at gas pipelines using high-pressure throttle cycles [Osobennosti malotonnazhnogo proizvodstva SPG na osnove drosselnykh tsyklov vysokogo davleniya]. Tekhnicheskiye gazy. 2016, vol. 16, no. 1, pp. 29-36. ISSN 1682-0355. (Russ.).
