CC BY
107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голохваст К.С., Христофорова Н.К., Кику П.Ф., Гульков А.Н. Гранулометрический и минералогический анализ взвешенных в атмосферном воздухе частиц // Бюллетень физиологии и патологии дыхания,
2011. № 2 (40). С. 94-100.
2. Голохваст К.С., Алейникова Е.А., Никифоров П.А., Гульков А.Н., Христофорова Н.К. Гранулометрический анализ взвешенных микрочастиц в атмосферных осадках г. Хабаровска // Вода: химия и экология,
2012. № 6. С. 117-122.
3. Лисицын А.П. Процессы океанской седиментации. Изд-во «Наука», Москва, 1978. 392 с.
УДК 553.982 © В. Д. Лапшин, А.Н. Гульков,
С.Г. Гулькова, Н.А. Майсс, 2013
МОРСКАЯ ТРАНСПОРТИРОВКА ПРИРОДНОГО ГАЗА В ГАЗОГИДРАТНОЙ ФОРМЕ
Рассмотрена транспортировка природного газа в газгидратной форме, произведена оценка энергоэффективности предложенного способа. Ключевые слова: природный газ, газовый гидрат, морская транспортировка.
В настоящее время известны три способа хранения и транспортировки природного газа — в сжиженном состоянии, ком-примированном и газогидратном. Наиболее эффективное использование объёма береговых газохранилищ и грузовых помещений морских танкеров — «метановозов» достигается за счёт перевода природного газа в сжиженное состояние, т.к. плотность жидкого метана выше газообразного при нормальных условиях в 600 раз [1], в то время как при компримировании газообразного природного газа до давления 200 бар и при переходе в газогидратное состояние удаётся повысить его плотность лишь в 180 раз [1, 2]. Однако, необходимо учесть, что при атмосферном давлении жид-
27
кий природный газ имеет температуру минус 162 оС и ниже, что требует при его перевозке и хранении применения дорогостоящих конструкционных материалов и сложных технических устройств. При этом, сравнительный экономический анализ, выполненный сотрудниками университета NUST и инженерного центра AKER ещё в 1996 году, показал, что капитальные затраты на инфраструктуру перевозок природного газа в сжиженном и газо-гидратном состоянии в объёме до 4-х миллионов стандартных куб. метров природного газа в год на расстояние менее 5500 км сопоставимы [3]. По мере технического совершенствования газо-гидратного способа хранения и транспортировки природного газа его коммерческая эффективность повышается. В марте 2011 года на конференции «Look to the Future» в г. Амстердам японская компания Mitsui Engineering & Shipbuilding (MES) представила новую технологию хранения и транспортировки метана. Данная технология, в основе которой лежит эффект самоконсервации гидрата метана при атмосферном давлении [4], позволяет хранить и транспортировать природный газ не только более безопасно, но и при определённых условиях значительно дешевле по сравнению с традиционными способами (рис. 1) [5].
Рис. 1. Сравнительная экономическая эффективность 3-х способов транспортировки природного газа — трубопроводного, в сжиженном и газогид-ратном состоянии [5]
, : -abt.il ,000km
atot. -6.000 km
О < * +
PL CNG
> <
NGH
Transportation Distance
LNG
Согласно предложенной технологии природный газ после превращения в газогидратном реакторе в газогидратную пудру спрессовывается в капсулы (пеллеты) диаметром около 20 мм, что позволяет хранить его при атмосферном давлении. В марте 2011 года MES полностью разработала соответствующие стандарты качества и безопасности и внедрила технологию хранения и транспортировки природного газа в газогидратной форме в районе г. Тибо и г. Хиросима. Один из регионов Японии газифицирован за счёт газогидратной технологии MES [5].
В газогидратном проекте NUST и AKER разработчики остановили свой выбор на перевозке газового гидрата при атмосферном давлении, что позволило применить предельно простое и соответственно дешёвое судно — балкер [3]. Однако исследования, проведённые на кафедре нефтегазового дела и нефтехимии ДВФУ показывают, что морская перевозка природного газа под давлением в герметичных резервуарах из полимерных материалов в форме газогидратной пульпы более предпочтительна по ряду показателей [6]. Предложенный способ предполагает повышение давления в резервуаре всего до 10 бар, что не может в значительной степени повысить затраты, учитывая достижения компании «Trans Canada CNG Technology Ltd» [7, 8], которая предлагает конкурентоспособную технологию транспортировки компримированного природного газа в полимерных контейнерах под давлением 300 бар (Gas Transport Modules — GTM) из композитного полимерного материала FRP (Fiberglass Reinforced Polymer) [9]. Применение контейнеров из материала FRP для морской перевозки природного газа под давлением получило одобрение классификационных обществ «American Bureau of Shipping» в 2001 году и «Lloyd's Register» в 2003 году [10] и может в ближайшее время быть практически реализовано при перевозках природного газа из газовых месторождений небольшой продуктивности на расстояние до 2000 морских миль [11].
Газогидратный способ перевозки природного газа при температуре +2...+3 оС и давлении 10 кг/см2 в виде пульпы «чистая вода — частицы гидрата природного газа» (рис. 2), запатентованный нами, обладает более высокими экономическими показателями по сравнению с перевозками природного газа в жидком
Рис. 2. Диаграмма состояния газового гидрата природного газа в координатах Р-Т
состоянии при условии его перевозок в количестве до 5 млрд нм3 в год на расстояние до 2000 морских миль [3, 7, 8], а при определённых условиях и по сравнению с трубопроводным транспортом [11].
При незначительном повышении стоимости и сложности применяемых технических устройств данный способ хранения и транспортировки природного газа позволяет в значительной степени снизить затраты энергии. Предлагается после выгрузки пульпы «вода-гидрат» из танкера или доставки по трубопроводу на регазификационный завод в резервуары хранения под давлением 10 кг/см2 обеспечить адиабатный способ диссоциации (за счёт тепловой энергии, находящейся в самой пульпе). Частицы гидрата при хранении находятся на линии равновесия вода-гидрат (точка 1, рис. 2). На регазификационном заводе для диссоциации гидрата на природный газ и воду давление пульпы снижается до атмосферного (процесс 1—2), в результате чего частицы гидрата попадают в ту область диаграммы, где гидрат не может существовать. Для того, чтобы запустить механизм диссоциации необходимо от какого либо источника подвести тепловую энергию к частицам гидрата, при этом в самой пульпе имеется источник тепловой энергии в виде жидкой фазы пульпы при условии её перевода в твёрдое состояние.
При снижении давления газогидратной пульпы до атмосферного (рис. 2) газовый гидрат начнёт диссоциировать до тех пор, пока не продиссоциирует полностью. При отсутствии внешнего источника тепловой энергии гидрат может использовать тепловую энергию, заключённую в нём самом в виде внутренней энергии, мерой которой является собственная температура самого гидрата. Температура гидрата после снижения давления до атмосферного имеет превышение над равновесной на 73 оС (Рис. 2). Именно за счёт этой энергии газовый гидрат может адиабатно диссоциировать с понижением свой температуры вплоть до -70 оС. Однако, в данном случае частицы гидрата окружены жидкой водой, которая не позволит снижаться температуре гидрата до столь низкой величины. При снижении температуры гидрата ниже температуры кристаллизации жидкой фазы пульпы (жидкой воды), начнётся теплообмен, в результате которого возникнет тепловой поток от жидкой воды к частичкам гидрата. После достижения гидратом температуры -0,2 оС (точка 3, рис. 2) [12], начнётся отвердевание жидкой фазы пульпы, т.е. воды, с выделением тепловой энергии в количестве 335 кДж/кг. При этом, невозможно точно определить какая именно вода будет отвердевать: та, которая изначально представляла собой жидкую фазу пульпы, или та, которая образовывалась в результате диссоциации частиц гидрата на газ и воду. На самом деле эта деталь совершенно не имеет значения, т.к. и та и другая жидкая вода при отвердевании выделит 335 кДж/кг тепловой энергии, которая будет использована частицами гидрата для своей диссоциации. В результате после диссоциации 30 %-й газогидратной пульпы образуется льдо-содержащая пульпа, при этом количество частиц водного льда в льдосодержащей пульпе будет больше, чем частиц гидрата в га-зогидратной пульпе на 18 % (410-335/410=0,18), т.е. 50 %, т.к. частицы гидрата потребляют больше тепловой энергии при диссоциации (410 кДж/кг), чем жидкая вода выделяет при отвердевании (335 кДж/кг).
Из вышеизложенного следует, что диссоциация гидрата природного газа на регазификационном заводе возможна без подвода тепловой энергии к газогидратной пульпе извне. Более того, полученная льдосодержащая пульпа может быть возвращена на газо-гидратный завод, где частицы водного льда при плавлении отведут
Природный газ из магистрального газопровода
потребителю
Рис. 3. Транспортно-технологическая схема движения газогидратной пульпы и воды как транспортной жидкости и хладоносителя
теплоту гидратообразования от вновь получаемой газогидратной пульпы в количестве 168 кДж/кг (0,5*335кДж/кг), что равно 40 % от количества теплоты, которое необходимо отвести при образовании гидрата (168/410 = 0,41). Транспортно-технологическая схема движения газогидратной пульпы и воды, как транспортной жидкости и хладоносителя, в её различных агрегатных состояниях приведена на рис. 3.
Учитывая, что 31 января 2013 года Правительство Японии объявило о начале опытной добычи газовых гидратов на своём континентальном шельфе, возможно сделать достаточно вероятный прогноз, что исследования в области газогид-ратной транспортировки и хранения природного газа будут продолжены.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сычёв В.В., Вассерман А.А. и др. ТД свойства метана. Справочник. М. 1979.
2. Gudmundsson, J.S., Nydal, O.J, R0nnevig, J., Eggen, E. Cooling system for cold flow in deepwater production, NTNU, Trondheim. 2002.
3. Gudmundsson J.S. Natural Gas Hydrate an Alternative to Liquified Natural Gas. Trondheim. 1996.
4. Истомин В. А., Якушев В. С., Махонина Н. А., Квон В. Г., Чуви-лин Е. М. Эффект самоконсервации газовых гидратов — Газовая промышленность, спецвыпуск «Газовые гидраты», 2006. — с. 36-46.
5. Mitsui Engineering & Shipbuilding. Conference «Look to the Future». Amsterdam. 2011.
6. Патент РФ на полезную модель «МКИ С 07 С 5/12». Комплекс для доставки природного газа потребителю. Авторы — Гульков А.Н., Лапшин В. Д.
7. Nussmeier А., Kainer А. Marine CNG Poised for Commercialization as Numerous Projects Reach Funding Stage. Conference to Examine Ramification. 2007.
8. Stephen G., Gano G. CNG Marine transport — Demonstration Project Development. 2006.
9. FRP Material Selection Guide. An Engineer's Guide to FRP Technology. Reichhold, Inc. 2009.
10. Trans Canada CNG Technology. CNG Transportation Pakistan's Natural Gas Solution. Pakistan Energy Conference. 2011.
11. Oyewo О. Economic viability of compressed natural (CNG), as a gas transportation alternative to pipeline transportation. A thesisS degree of master of scince. USA. 2009.
12. Desalination and Water Purification Research and Development. Program Final Report No. 78. University of Nevada. 2003.
