CC BY
111
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
£
УДК 621.592, 66.048.3.069.833 https://doi.org/10.24412/2310-8266-2021-1-2-29-32
Анализ и пути модернизации производства сжиженного гелия на Оренбургском гелиевом заводе
И.А. Голубева, М.А. Лебедева
Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, 119991, Москва, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0730-685X, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5885-5736, E-mail: [email protected]
Резюме: Проведен анализ технологии установки сжижения гелия, формирующей единую технологически связанную структуру по производству и отгрузке жидкого гелия, с последующей его транспортировкой потребителям, с целью выявления технологических недостатков и дальнейшего усовершенствования. Предложены пути модернизации производства гелия: реконструкция ректификационной колонны с целью увеличения выхода этановой фракции и получение сжиженного природного газа. Проанализирован экономический и технологический эффект модернизации. Ключевые слова: гелий, Оренбургский гелиевый завод, установка, цикл, технология, расчет.
Для цитирования: Голубева И.А., Лебедева М.А. Анализ и пути модернизации производства сжиженного гелия на Оренбургском гелиевом заводе // НефтеГазоХимия. 2021. № 1-2. С. 29-32. D0I:10.24412/2310-8266-2021-1-2-29-32
ANALYSIS AND WAYS OF MODERNIZING THE PRODUCTION OF LIQUEFIED HELIUM AT THE ORENBURG HELIUM PLANT Irina A. Golubeva, Maria A. Lebedeva
Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University), 119991, Moscow, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0730-685X, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5885-5736, E-mail: [email protected]
Abstract: The technological analysis of the helium liquefaction plant was carried out, forming a single technologically connected structure for the production and shipment of liquid helium, with its subsequent transportation to consumers, in order to identify technological limitations and further improvement. The ways of modernization of helium production are proposed: reconstruction of a rectification column in order to increase the yield of ethane fraction and production of liquefied natural gas. The economic and technological effect of modernization is analyzed.
Keywords: Helium, Orenburg helium plant, installation, cycle, technology, calculation. For citation: Golubeva I.A., Lebedeva M.A. ANALYSIS AND WAYS OF MODERNIZING THE PRODUCTION OF LIQUEFIED HELIUM AT THE ORENBURG HELIUM PLANT. Oil & Gas Chemistry. 2021, no. 1-2, pp. 29-32. DOI:10.24412/2310-8266-2021-1-2-29-32
Гелий - это уникальный продукт, который широко применяется в различных отраслях мирового хозяйства. Благодаря своим уникальным свойствам это вещество широко используется в различных областях науки и техники [1].
Гелий относится к редким и практически невозобнов-ляемым природным ресурсам, он обладает уникальными свойствами: химически инертен даже при высоких температурах, нетоксичен, нерадиоактивен, обладает высокой по сравнению с другими инертными газами теплопроводностью и самой низкой температурой кипения. Жидкий
гелии - жидкость с крайне низкои критической температурой, высокой сверхтекучестью и теплопроводностью. Уникальные свойства гелия позволили получить сверхчистые среды, сверхпроводимые материалы, сверхмощные магнитные поля, сверхнизкие температуры. Гелий используется в таких областях, как металлургия, медицина, ракетостроение, ядерная энергетика, воздухоплавание, космическая программа, оптика и др.
Уровень индустриального, технологического и научного развития передовых стран пропорционален потреблению гелия научно-промышленным комплексом страны.
Россия, располагая примерно половиной, а возможно и большей долей высококачественных запасов гелия в мире, производит менее 3%, а потребляет еще меньше от общемирового производства, что является прямым свидетельством низкого уровня развития в стране инвестиционных технологий.
С 1978 года на территории Российской Федерации функционирует Оренбургский гелиевый завод (ОГЗ) ООО «Газпром переработка», который является единственным производителем товарного гелия и одним из элементов газохимического комплекса, который был создан на базе гелиеносного месторождения.
Оренбургский газоперерабатывающий завод (ОГПЗ) обеспечивает глубокую осушку и очистку газа от се- роводорода, COS, CS2, тяжелых углеводородов, CO2 и меркаптанов. Газ после предварительной его подготовки на ОГПЗ поступает на Оренбургский гелиевый завод для разделения на ценные компоненты с применением криогенной технологии.
Концентрация гелия в природном газе Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (Оренбургское НГКМ) составляет сегодня 0,04% об. Газ ОНГКМ относится к «бедным» гелиеносным газам. В мире нет других примеров промышленного производства гелия со столь малым его содержанием. Однако с учетом газового потенциала месторождения (120 трлн м3) представилась возможность
1-2 • 2021
НефтеГазоХимия 29
#- ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
извлекать из газа миллионы кубических метров гелия. На время открытия Оренбургского НГКМ в мировой практике опыт извлечения гелия из «бедных» гелиеносных газов отсутствовал.
Огромные запасы сырья месторождения - уникального по составу природного газа и конденсата - предопределили строительство газоперерабатывающего завода. В кратчайшие сроки (1971-1978) было построено и введено три очереди гиганта индустрии общей мощностью по переработке 45 млрд м3 природного газа, что составляло на то время более 20% общего баланса газоснабжения страны.
Первая очередь Оренбургского ГЗ в составе двух гелиевых блоков мощностью 3 млрд м3 перерабатываемого сырья каждый введена в эксплуатацию двумя пусковыми комплексами - в декабре 1977 и июне 1980 года соответственно. Вторая очередь (три гелиевых блока мощностью 3 млрд м3 перерабатываемого сырья каждый) введена в эксплуатацию тремя пусковыми комплексами в декабре 1983, сентябре 1984 и сентябре 1985 года. Третья очередь (один гелиевый блок мощностью 3 млрд м3 перерабатываемого сырья) введена в эксплуатацию в июне 1989 года.
Все оборудование отечественного производства. В декабре 1977 года принят газ на первую очередь. В феврале 1978 года получены первые м3 товарного гелия. В сентябре 1985 года получена широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ).
Производство товарной продукции (газообразный и жидкий гелий, этановая фракция, ШФЛУ, сжиженные углеводородные газы) ведется на пяти гелиевых блоках первой, второй и третьей очередей завода.
На Оренбургском гелиевом заводе в 2014 году с целью создания единой технологически связанной структуры по производству и отгрузке жидкого гелия с последующей его транспортировкой потребителям реализован проект установки сжижения гелия У-44 (ОГ-500 фирма Linde Kryotechnik AG (Швейцария)) производительностью 500 л/ч, что эквивалентно 4,25 млн л в год (510 т в год). Ранее данная станция по ожижению гелия базировалась на работе криогенных установок КГУ-500, входивших в состав установки У-42 (фирма «Криогенмаш») производительностью КГУ-500 - 500 л/ч жидкого гелия, основное технологическое и насосно-компрессорное оборудование которых было морально и физически изношено и не отвечало современным требованиям энергоэффективности.
Установка позволяет максимально очистить газ от различных примесей, в результате чего на выходе получается продукт высокого качества с содержанием гелия не менее 99,9999%. Конструкция системы обеспечивает сверхкороткое время охлаждения гелия, а также низкое энергопотребление и минимальный расход жидкого азота, что позволяет избежать потерь гелия при сжижении.
Ввод в эксплуатацию установки сжижения гелия ОГ-500 позволил осуществлять единый технологический цикл от извлечения гелия из природного газа до получения товарных продуктов (жидкого и газообразного сжатого гелия), отказаться от процессинговых услуг сторонних компаний, реализовать новый продукт - жидкий гелий, поставлять гелий в жидком виде в регионы наибольшего потребления (Москва и Санкт-Петербург) [2].
Для сжижения гелия применяется модифицированный термодинамический цикл Брайтона с двумя уровнями давлений, предварительной стадией охлаждения кипящим жидким азотом и двумя стадиями расширения в центробежных турбодетандерах [3].
В состав установки входят следующие системы и технологическое оборудование:
- узел подготовки и учета газообразного гелия (коммерческий узел измерения газообразного гелия), предназначенный для учета газообразного гелия, снижения и стабилизации давления входящего газообразного гелия до 1,7-2,0 МПа;
- узел учета вспомогательных ресурсов, предназначенный для учета жидкого азота, продувочного азота, воздуха КИП;
- газоанализаторный узел, предназначенный для осуществления контроля исходного сырья (газообразного гелия) в непрерывном режиме с помощью поточного хроматографа и товарного продукта (жидкого гелия) с помощью лабораторного хроматографа;
- система компримирования, которая состоит из трех установленных в параллель винтовых маслозаполненных компрессоров. Предназначена для компримирования ре-циклового потока гелия до давления 13 бар (1,3 МПа);
- система удаления масла, включающая в себя два коагулятора с датчиками уровня дренирования и угольный адсорбер тонкой очистки. Предназначена для удаления из потока сжатого гелия компрессорного масла;
- система осушки сырьевого гелия, состоящая из двух адсорберов (осушителей) и предназначенная для удаления влаги из сырьевого потока гелия;
- ожижитель гелия, состоящий из пластинчатого теплообменника с интегрированным испарителем жидкого азота, четырех пластинчатых теплообменников-рекуператоров, трех адсорберов на температурном уровне 80 К (-193 °С), двух адсорберов на температурном уровне 20 К (-253 °С), каскада из трех турбодетандеров. Предназначен для сжижения осушенного и сжатого газообразного гелия;
- емкость хранения жидкого гелия, представляющая собой горизонтальный криогенный резервуар объемом 121 м3 с вакуумной многослойной суперизоляцией и «азотной рубашкой». Предназначена для накопления и временного хранения жидкого гелия, с последующей выдачей его;
- буферная емкость газообразного гелия, предназначенная для запаса гелия на площадке и поддержания рабочего давления гелия в системе;
- система вакуумирования, предназначенная для создания и поддержания вакуума;
- системы регенерации адсорберов, предназначенные для регенерации адсорбентов на температурном уровне 20 К (-253 °С) и 80 К (-193 °С);
Проектное количество часов работы установки составляет 8500 ч в год. Срок службы установки 20 лет.
Применяемый процесс работы технологического оборудования установки сжижения является автоматизированным [4].
Примененная в производстве технология включает следующие типы процессов:
- компримирование гелия в компрессорных агрегатах;
- сепарация паров масла из газообразного гелия;
- адсорбция и десорбция на разных температурных уровнях;
- нагрев и охлаждение в теплообменниках;
- низкотемпературная конденсация газообразного гелия - получения жидкого гелия;
- накопление жидкого гелия в криогенной емкости;
- накопление газообразного гелия;
- накопление жидкого азота в криогенной емкости;
- адиабатическое расширение в турбодетандерах.
Блок-схема установки сжижения гелия 0Г-500 представлена на рис. 1.
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
(ИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
£ ■о-
Блок-схема установки сжижения гелия
Система комприми -рования
Газообразный гелий
Жидкий азот _
Узел учета жидкого азота
Система удаления масла
—5"
Охлаждающая вода -
Узел
подготовки f
и учета 1
сырьевого
гелия
Буферная емкость газообразного гелия
Система Ожижитель Система
Заправочная
осушки хранения
сырьевого гелия (Cold box) жидкого станция
гелия гелия
Гелий н.д. ^
Жидкий
гелий -►
Таблица 2
Технологические показатели
Принципиально установка состоит из следующих блоков:
- узел подготовки и учета газообразного гелия (коммерческий узел измерения газообразного гелия);
- узел учета вспомогательных ресурсов;
- газоанализаторный узел;
- установка сжижения гелия;
- узел заправки сосудов Дьюара;
- узел заправки транспортных контейнеров (заправочная станция);
- система вакуумирования.
Сырьевой поток сжатого газообразного гелия поступает в узел подготовки и учета газообразного гелия. В данном узле проводится учет газообразного гелия, где он дросселируется с давления 3,5 МПа до 1,7-2,0 МПа. Далее поток гелия подается в систему осушки, а затем на сжижение.
Непосредственное сжижение гелия происходит в ожижителе (Cold Box). Ожижитель работает по модифицированному циклу Брайтона с двухступенчатым расширением гелия в турбодетандерах и предварительным охлаждением жидким азотом.
Газообразный гелий охлаждается в пластинчатом теплообменнике (хладагент - жидкий азот подается из емкости хранения), последовательно очищается в адсорберах от примесей кислорода и азота, а также водорода и неона (адсорберы работают попеременно, один находится на регенерации) и проходит через каскад турбодетандеров, охлаждаемых оборотной водой, поступающей из чиллера (аппарат для охлаждения жидкости, использующий паро-компрессионный или абсорбционный холодильный цикл). Жидкий гелий поступает в емкость хранения с азотной экранно-вакуумной изоляцией. Пары гелия из емкости, транспортной цистерны, а также часть неожиженного гелия проходят через каскад рекуперационных теплообменников, поступают на вход рециркуляционных компрессо-
Таблица 1
Сводные данные основных материальных потоков гелиевого ожижителя
Поток кг/ч
Количество гелия, сжимаемого компрессором 708,8
Количество гелия, направляемого на расширение в первый детандер 325,0
Количество гелия, направляемого на расширение на второй детандер 134,4
Количество гелия, циркулирующего в концевой детандерной ступени 186,9
Количество ожижаемого гелия 62,5
Количество жидкого азота 650,0
Технологический показатель До реконструкции После реконструкции
Выход этановой фракции, т/год 96 000 214600
Диаметр колонны в нижней части, мм 2000 1600
Диаметр колонны в верхней части, мм 2800 1100
ров и после очистки от масла в коагуляторах и адсорбере возвращаются на ожижение [5].
Данные технологического расчета установки, представленные показателями основных материальных потоков, приведены в табл.1.
После проведенного анализа установки сжижения гелия и Оренбургского гелиевого завода в целом можно выделить следующие технологические аспекты:
- после введения установки сжижения гелия в рамках реконструкции 2014 года остались нерешенными ключевые задачи: повышение коэффициента извлечения этана и ШФЛУ из природного газа;
- отсутствие мембранного блока при выделении гелиевого концентрата приводит к значительным эксплуатационным расходам и увеличению себестоимости товарного гелия;
Рис. 1
1-2 • 2021
НефтеГазоХимия 31
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
- процесс сжижения гелия всецело основан на зарубежных технологиях, что ставит производство в зависимость от иностранных партнеров.
Реконструкция этановой колонны, заключающаяся в замене тарельчатых контактных устройств насадочными, позволит решить задачу увеличения выхода этановой фракции и ШФЛУ. Модернизация колонны не потребует больших экономических затрат ввиду того, что на Оренбургском гелиевом заводе выводится из работы одна из колонн, при этом ее контактные устройства, насадки Палля, могут быть использованы для увеличения коэффициента извлечения этана из природного газа.
В табл. 2 приведен результат технологического расчета замены тарелок на насадки для этановой колонны.
Из приведенных данных видно, что замена тарельчатых контактных устройств на насадочные позволит увеличить выход этановой фракции на 55%, уменьшить диаметр верхней части колонны на 400 мм, а нижней части колонны - на 700 мм.
Исходя из экономического расчета получено, что срок окупаемости проекта по реконструкции этановой колонны составит два года.
Таким образом, можно сделать вывод, что реконструкция этановой колонны действительно сможет решить задачу увеличения коэффициента извлечения этановой фракции из природного газа на Оренбургском гелиевом заводе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лапидус А.Л., Голубева И.А., Жагфаров Ф.Г. Газохимия: учеб. пособие М.: Изд. центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2013. 402 с.
2. Геско Н.Н. Реализация проекта создания установки сжижения гелия на Оренбургском гелиевом заводе // Перспективные направления развития газохимии: Тр. Московского семинара по газохимии 2014-2015 гг. Вып. 8. М.: РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, 2016. С. 162-173.
3. Молчанов С.А. Особенности выделения гелия из природного газа. М.: Недра, 2011. 285 с.
4. Микулин Е.И. Криогенная техника. М.: Машиностроение, 1969. 137 с.
5. Кондратенко А.Д., Карпов А.Б., Мещерин И.В. Расчет установки сжижения гелия: метод. указания. М.: Изд. центр РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, 2017. 23 с.
REFERENCES
1. Lapidus A.L., Golubeva I.A., Zhagfarov F.G. Gazokhimiya [Gas chemistry]. Moscow, Izd. tsentr RGU nefti i gaza im. I.M. Gubkina Publ., 2013. 402 p.
2. Gesko N.N. Realizatsiya proyekta sozdaniya ustanovki szhizheniya geliya na Orenburgskom geliyevom zavode [Implementation of the project for the creation of a helium liquefaction unit at the Orenburg helium plant]. Trudy Moskovskogo seminara po gazokhimii 2014-2015 gg. [Proc. of Moscow Seminar on Gas Chemistry 2014-2015]. Moscow, 2016, pp. 162-173.
3. Molchanov S.A. Osobennosti vydeleniya geliya iz prirodnogo gaza [Peculiarities
of helium extraction from natural gas]. Moscow, Nedra Publ., 2011. 285 p.
4. Mikulin YE.I. Kriogennaya tekhnika [Cryogenic technology]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1969. 137 p.
5. Kondratenko A.D., Karpov A.B., Meshcherin I.V. Raschet ustanovki szhizheniya geliya: metod. ukazaniya [Calculation of a helium liquefaction plant: methodological guidelines]. Moscow, Izd. tsentr RGU nefti i gaza (NIU) im. I.M. Gubkina Publ., 2017. 23 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ / INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Голубева Ирина Александровна, д.х.н., проф. кафедры газохимии, РГУ нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина. Лебедева Мария Александровна, магистрант кафедры газохимии, РГУ нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина.
Irina A. Golubeva, Dr. Sci. (Chem.), Prof. of the Department of Gaschemistry, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University). Maria A. Lebedeva, Undergraduate of the Department of Gaschemistry, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University).
