CC BY
148
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2019, №4, Том 11 / 2019, No 4, Vol 11 https://esj.today/issue-4-2019.html URL статьи: https://esj.today/PDF/12SAVN419.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Балабуха А.В., Мещук А. А., Дербичев В.С., Роман К.С., Баженов П. А., Болдырев К.А. Оптимизация хранения и транспортировки сжиженного природного газа на транспортном судне // Вестник Евразийской науки, 2019 №4, https://esj.today/PDF/12SAVN419.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Balabukha A.V., Meshchuk A.A., Derbichev V.S., Roman K.S., Bazhenov P.A., Boldyrev K.A. (2019). Optimization of storage and transportation of liquefied natural gas on a transport vessel. The Eurasian Scientific Journal, [online] 4(11). Available at: https://esj.today/PDF/12SAVN419.pdf (in Russian)
Коллектив авторов благодарит своего научного руководителя - Звереву Валентину Александровну - к.т.н., доцент кафедры инженерных систем
УДК 72
Балабуха Алексей Владимирович
ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 1-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: [email protected]
Мещук Александр Андреевич
ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 1 -го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант
E-mail: [email protected]
Дербичев Вячеслав Сергеевич
ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 1 -го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: [email protected]
Роман Константин Сергеевич
ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 1 -го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант E-mail: [email protected]
Баженов Павел Александрович
ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 1 -го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант
E-mail: [email protected]
Болдырев Константин Алексеевич
ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 1 -го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»
Магистрант
E-mail: [email protected]
Оптимизация хранения и транспортировки сжиженного природного газа на транспортном судне
Аннотация. В представленной работе были рассмотрены вопросы, связанные с производством, транспортировкой и хранением сжиженного природного газа (СПГ). Актуальность проведенных исследований подтверждается статистикой использования природного газа в целом и СПГ в частности. В статье рассматривается комплексное влияние газовой индустрии на климат планеты. В работе сделан акцент на учете побочных факторов таких как утечки на всех стадиях производственной цепочки природного газа. По этой причине высказывается сомнение в том, что использование природного газа имеет положительное влияние на экологию. В статье кратно освещается процесс сжижения природного газа, а также его преимущества и недостатки в вопросах хранения и транспортировки. Перспективным направлением для применения в статье называется использование СПГ в качестве топлива для автомобилей и судов. Рассматривается опыт успешных проектов по производству СПГ различных масштабов за рубежом. Были рассмотрены как крупные проекты, ориентированные на экспорт, так и предприятия малого масштаба, направленные на сбыт СПГ на внутреннем рынке с целью газификации удаленных районов. Главным акцентов в работе является вопрос транспортировки СПГ морским путем на танкерах и, следовательно, использование СПГ в качестве топлива для морских судов. Были рассмотрены основные типы двигателей, работающих как исключительно на природном газе, так и те системы, которые предусматривают использование смеси природного газа с дизельным топливом или мазутом. Были обозначены основные преимущества и недостатки таких систем. Новизна представленной работы выражена в предложении по оптимизации процесса хранения СПГ на судне. Предлагается использовать испаряющийся в ходе транспортировки метан для собственных нужд судна или производить его повторное сжижение. Рассмотрены экономические аспекты такого метода решения существующей проблемы.
Вклад авторов.
Балабуха Алексей Владимирович - автор внес главный вклад в написание статьи. Ему принадлежит идея статьи. Производил моделирование в программе Ansys. Принимал участие в написании статьи. Производил координацию работы научного коллектива.
Дербичев Вячеслав Сергеевич - автор оказывал участие в написании статьи. Производил создание графического материала. Одобрил окончательную версию статьи перед её подачей для публикации.
Мещук Александр Андреевич - автор оказывал участие в поиске общей информации для написания статьи. Собрал, проанализировал и сгруппировал информацию для включения в текст статьи.
Роман Константин Сергеевич - автор производил построение моделей в программе SolidWorks для дальнейшего их переноса в программу Ansys.
Баженов Павел Александрович - автор оказывал координацию членов коллектива по поиску информации. Производил поиск информации по вопросу, поднятому в статье, в зарубежных источниках.
Болдырев Константин Алексеевич - автор оказывал участие в поиске общей информации для написания статьи. Собрал, проанализировал и сгруппировал информацию для включения в текст статьи.
Ключевые слова: транспорт СПГ; производство СПГ; микрозаводы СПГ; хранение; регазификация; повторное сжижение; топливо для судов; двутопливные двигатели; переоборудование систем судна
Введение
Доля потребления природного газа в мировой экономике растет с каждым годом. Кроме того, рынок природного газа постепенно совершает переход от долгосрочных контрактов к контракту, чье действие ограничивается отдельной партией, то есть объемом. Такие контракты называют точечными. По этим причинам за последние несколько лет резко увеличилась доля сжиженного природного газа (СПГ) в общем объеме потребления природного газа. Вызвано это в первую очередь тем, что природный газ занимает объем в десятки раз превышающий объем жидкого топлива (нефти и нефтепродуктов) при той же энергетической ценности. Следовательно, транспортировка природного газа предусматривает его сжатие (компримирование) для транспортировки по газопроводам или сжижение. В форме СПГ газ можно транспортировать с помощью специализированных танкеров. Трубопроводный транспорт газа предусматривает большой объем капитальных вложений в строительство трубопроводных систем и как следствие является намного менее гибким в вопросах изменения объемов поставок чем транспорт СПГ танкерами. Кроме того, по данным различных исследований транспортировка газа по трубопроводам является наиболее выгодной среди прочих альтернатив в случаях, когда расстояние транспортировки составляет менее 3000 км. В техпроектах, где расстояние превышает это значение альтернативой уже выступает транспортировка СПГ с помощью танкеров. На сегодняшний день стоимость СПГ в среднем превышает стоимость трубопроводного природного газа. По этой причине основными рынками его сбыта являются те регионы, где поддерживаются достаточно высокие цены на газ. На этих рынках СПГ может составить конкуренцию природному газу, транспортируемому по трубопроводам. Также перспективными для СПГ являются также те рынки, где существуют правила и законы о диверсификации поставок, такие, как например рынок Европейского союза [1].
Влияние на климат
Транспортные средства и суда, работающие на природном газе, обладают рабочими характеристиками, сопоставимыми с судами и автомобилями, работающими на продуктах нефтепереработки. В данной работе было рассмотрено влияние применения природного газа в форме СПГ или компримированного природного газа в качестве моторного топлива для автомобилей и судов на экологическую ситуацию на нашей планете в вопросе выбросов природных газов. Здесь важно отметить, что вопросы энергетического комплекса отдельного региона, страны и всего мира нельзя рассматривать изолированно от всей производственной цепочки. Например, в вопросе применения природного газа в качестве альтернативы к продуктам переработки нефти важно учесть множество различных факторов. В работах, посвященных вопросу перевода автомобилей на природный газ, часто преувеличивается положительное влияние такого перехода на экологическую ситуацию. Связано это с тем, что многие исследователи рассматривают процесс эксплуатации автомобилей изолированно от всей цепочки производства природного газа. Важным фактором, снижающим прогнозируемый
положительный эффект, является то, что в процессе производства, переработки и использования доля естественных утечек метана в окружающую среду выше, чем доля потерь нефти и нефтепродуктов на испарение. Кроме того, метан сам по себе является сильным парниковым газов, ущерб от которого во много раз превышает ущерб, вызываем углекислым газом.
В представленном исследовании была проанализирована вся производственная цепочка для природного газа, начиная от разработки месторождения и заканчивая продуктами сгорания в двигателе автомобиля. Эффективность снижение объема вредных выбросов по сравнению с продуктами нефтепереработки варьируется от -5 % до +13 % процентов. Таким образом по различным данным объем естественных утечек метана превышает объем снижения вредных выбросов от использования природного газа. Этот факт важно учитывать и работать над мерами по снижению утечек метана [2].
Перед транспортировкой и сжижением природный газ необходимо очистить. Нежелательные компоненты должны быть удалены, а более тяжелые компоненты отделены от метана. Этапы очистки предусматривают комбинацию адсорбционных, абсорбционных и криогенных процессов.
В зависимости от состава получаемого газа необходимо разработать индивидуальное решение для производства СПГ. Также важнейшим фактором является мощность проектируемого завода (микромасштабные заводы для газоснабжения удаленных регионов или локальных нужд, или крупные заводы, рассчитанные на экспорт). К малым и средним относятся заводы с производственными мощностями в пределах от 5 до 500 тыс. тонн СПГ в год. Крупные заводы могут иметь мощность до нескольких миллионов тонн СПГ в год [3].
Из-за очень низких температур СПГ должен храниться в специальном криогенном резервуаре. Резервуары различают по объему хранимого СПГ. Для примирения СПГ в качестве топлива необходимо предусмотреть испаритель, то есть устройство для регазификации СПГ. Благодаря таким техническим решениям, СПГ может храниться по всей цепочке производства и распределения: в автоцистернах, на судах, на производственной площадке, в пункте использования, а также в небольших терминалах для промежуточного хранения [4].
СПГ может применяться различными способами. Новым растущим рынком для использования СПГ является его применение в качестве топлива для грузовых автомобилей, судов и даже локомотивов. Для заправки сегодня разрабатываются комплексные заправочные станции и бортовые решения для хранения и использования на судах. Важным неотъемлемым направлением использования СПГ, конечно, остается генерация электроэнергии. Сегодня многие компании стараются обеспечить полный цикл услуг в процессе использования СПГ по так называемому принципу «от скважины до колеса» для того, чтобы позволить конечному потребителю перейти на применение СПГ как альтернативу более дорогим и менее экологичным видам топлива. На рисунке 2 показаны возможности для транспортировки СПГ и КПГ, технические решения для их применения, а также возможные отрасли их применения.
Сжижение
Хранение и распределение
Предлагаемая область применения
Рисунок 1. Применение СПГ и КПГ (составлено авторами)
СПГ может применяться различными способами. Новым растущим рынком для использования СПГ является его применение в качестве топлива для грузовых автомобилей, судов и даже локомотивов. Для заправки сегодня разрабатываются комплексные заправочные станции и бортовые решения для хранения и использования на судах. Важным неотъемлемым направлением использования СПГ, конечно, остается генерация электроэнергии. Сегодня многие компании стараются обеспечить полный цикл услуг в процессе использования СПГ по так называемому принципу «от скважины до колеса» для того, чтобы позволить конечному потребителю перейти на применение СПГ как альтернативу более дорогим и менее экологичным видам топлива. На рисунке 2 показаны возможности для транспортировки СПГ и КПГ, технические решения для их применения, а также возможные отрасли их применения.
Примеры успешных иностранных СПГ проектов различного масштаба
Микро-заводы в Австралии
Большие запасы природного газа в Австралии делают СПГ жизнеспособной альтернативой дизельному топливу для грузовых автомобилей. Для того, чтобы создать широкую инфраструктуру заправок СПГ, международная компания Linde разработала и построила специальные микро-заводы по производству СПГ с суточной производительностью 50 тонн СПГ (что соответствует примерно 70 тыс. литров дизельного топлива). Из-за огромных расстояний Австралии, несколько мелких заводов СПГ, расположенных в непосредственной близости с потребителями, имеют большую экономическую эффективность чем заводы большей производительности. Компания BOC в настоящее время ведет строительство так называемого «СПГ шоссе» между Викторией и Квинслендом, то есть размещение автозаправочных станций на основе СПГ, куда СПГ будет поставляться двумя заводами [5].
СПГ терминал среднего масштаба Стокгольм, Швеция
В Швеции недавно было закончено строительство терминала СПГ среднего уровня, с которого производится отгрузка СПГ для различных покупателей в восточной части Швеции, где нет сетей природного газа. В дополнение к этим поставкам, городская сеть Стокгольма и некоторые промышленные объекты также снабжаются с этого предприятия. Также в регионе стремительно расчет количество автомобилей на природном газе. В настоящее время терминал может вместить до 20 000 м3 СПГ, большая часть которого получается от завода по сжижению, расположенного в Ставангере, Швеция и отправляется в Швецию специально оборудованными танкерами.
Завод мирового масштаба: Хаммерфест, Норвегия
Завод СПГ на острове Мелкойя, недалеко от Хаммерфеста расположен в 600 километрах к северу от полярного круга. На острове 6 месяцев в году лежит снег и 6 месяцев в акватории стоит лед толщиной в несколько метров. Завод мирового масштаба открыт норвежской компанией Statoil. Компания производит более 4 миллионов тонн СПГ в год, что делает это завод крупнейшим в Европе.
Технологические аспекты применения СПГ в качестве топлива для морского транспорта
В морском транспорте в настоящее время применяются два различных типа двигателей с применением СПГ в качестве топлива:
1. Монотопливные двигатели, работающие исключительно на СПГ.
2. Двутопливные системы, которые либо работают на смеси дизельного топлива и природного газа, либо переключаются между работой на дизеле и газе. В свою очередь двигатели, работающие на двух видах топлива, подразделяются на двигатели низкого и высокого давления.
Модели высокого давления основаны на принципах дизельного цикла. Такие двигатели предусматривают сжатие топливовоздушной смеси до давления от 300 до 350 бар для воспламенения смеси. По этой причине возникает потребность в повышении доли природного газа в смеси с повышением температуры двигателя во время работы. Максимальная доля газа в смеси может быть увеличена до 80 % по объему. Двутопливные двигатели низкого давления используют цикл Отто с долей газа, доходящей до 99 %. В таких системах требуется добавление небольшого количества мазута для воспламенения топливной смеси при сжатии. В однотопливных судовых двигателях, работающих исключительно на природном газе, в цикле Отто используется свеча зажигания. Важным достоинством двутопливной системы является то, что существующие двигатели могут быть модернизированы для использования природного газа в комбинации дизельным топливом или мазутом. Тем не менее по данным промышленной эксплуатации однотопливные двигатели показывают более высокую эффективность [6].
Хранение СПГ на судне
Важной на сегодняшний день задачей является оптимизация и снижение энергопотребления на судах. Основным нововведением в этой области является рекуперация испаряющегося газа в процессе его хранения и транспортировки. Доля испарившегося газа зависит от объема резервуара и соотношения между объемом и площадью поверхности
резервуара. На сегодняшний день среднее значение этого параметра составляет приблизительно 0,15 % в день для экспортных танкеров.
Для хранения СПГ необходим криогенный резервуар. Эти емкости могут быть встроены в корпус судна или установлены снаружи. На сегодняшний день отсутствует стандартное решение вопроса рекуперации испарившегося метана. Сопутствующей опасностью в использовании СПГ является наличие неограниченного объема испарившегося метана и формирование с воздухом взрывоопасной смеси в случае утечки [7].
Проблема образования испарившегося газа в ходе хранения СПГ приводит к созданию давления, которое часто может превышать максимально допустимое давление в резервуаре. Образование этого испарившегося газа из СПГ происходит на всех стадиях его хранения и реализации. Главными из которых являются хранение в стационарном режиме, отгрузка и заполнение резервуара, а также его хранение и использование на судне в ходе его движения. В данной работе акцент сделан на процессе его хранения и использования на судне. Так как на этой стадии происходит наиболее интенсивное образование испарившегося природного газа. Причинами этого процесса являются: попадание тепла в грузовые отсеки за счет несовершенности системы тепловой изоляции, непреднамеренное разбрызгивание СПГ в верхней части резервуара во время балластных рейсов судна, воздействие волн, вызывающих трение на стенке резервуара, которое создает дополнительный тепловой эффект. Таким образом, количество испаряющегося газа во время рейса судна меняется в зависимости от изменения температуры окружающей среды, моря, наличия и интенсивности волновой нагрузки и заполненности резервуаров СПГ [8].
Попадание тепла к резервуарам СПГ является основной причиной формирования испаряющегося природного газа внутри резервуара на кораблях. В морских перевозках СПГ количество испаренного груза обычно выражается в виде доли от общего объема наливных грузов (в том числе СПГ) за один день. Этот параметр называют коэффициентом выкипания -К Этот параметр может быть рассчитан по следующей зависимости
где Я - коэффициент выкипания, Уисп - объем выкипающего в день природного газа, Успг - объем СПГ в резервуарах, р - плотность СПГ, Q - тепло обмен окружающей среды с резервуаром СПГ, АН - скрытая теплота испарения.
В среднем этот параметр, варьируется от 0,1 до 0,15 % по объему для загруженного рейса и от 0,06 до 0,1 % для балластного рейса. В представленной работе предлагается использование этого образующегося газообразного топлива для обеспечения работы систем кондиционирования, получения тепла и приготовления пищи на корабле. На сегодняшний день чаще всего отдельные системы генерации электроэнергии, работающие на дизельном топливе, применяются для этих целей. Применение регазифицированного природного газа может позволить не только избавиться от излишков накопившегося в резервуарах газа, но и снизить общее потребление дизельного топлива. Регазифицированный метан легче воздуха, что делает процесс его отведения из резервуара достаточно простым с технологической точки зрения, так как он скапливается в верхней части резервуара. На тех судах, где потребность в этом источнике энергии будет ниже уровня его образования, предлагается использование установок повторного сжижения испарившегося газа, топливом для которой может служить сам регазифицированный природный газ [9].
По данным проведенных исследований применения регазифицированного метана для работы систем кондиционирования воздуха, обогрева помещений и приготовления пищи может снизить расход дизельного топлива на 5 %. Однако, этот путь предусматривает
R
^исп/24 _ Q 3600 24 ^спгр ДН-УспгР
100%,
(1)
переоборудование существующих систем под работу на природном газе, что очевидно, несет в себе потребность в дополнительных капитальных вложениях. В среднем срок окупаемости таких вложений по данным расчетов составил 5-8 лет. Такой срок окупаемости считается достаточно привлекательным значением для инвестирования в этой области, так как средний срок эксплуатации составляет 20 лет для системы обогрева и 15 лет для системы кондиционирования и приготовления пищи.
По данным расчетов не на всех судах экономически привлекательным является применение регазифицированного метана для собственных нужд. В первую очередь это обосновано соотношением образующегося регазифицированного метана к общему уровню потребления энергии на судне. Все проведенные расчеты показали, что переоборудование одной или двух из вышеперечисленных систем не принесет существенной экономической выгоды. По этой причине в случае, если применение природного газа для собственных нужд судна нецелесообразно, предлагается применение установки повторного сжижения метана. В состав этой установки предлагается включить компрессор, работающий на природном газе, а также криогенный теплообменник. За счет применения компрессора и повышения давления в криогенном теплообменнике возможно получение СПГ при более высокой температуре чем на заводах по производству СПГ. Это позволит снизить тепловую нагрузку на теплообменник, а также позволит устанавливать теплообменник меньшего объема, что очень важно для условий судна в силу ограниченности пространства [10].
Результаты исследований показали, что использование природного газа в качестве альтернативы продуктам нефтепереработки в современной экономике требует тщательного контроля выбросов метана на всех этапах производственной цепочки для достижения улучшения экологической ситуации. Важным направлением в вопросе перехода экономики различных регионов на природный газ является развитие отрасли производства сжиженного природного газа. Это направление предусматривает подбор оптимальных производственных мощностей для целей региона. Рассмотренное в работе предложение по оптимизации транспорта и хранения СПГ с использование испарившегося газа для внутренних нужд судна или повторного сжижения может позволить снизит долю потерь метана в ходе его транспортировке на танкере. Главным в этом вопросе является то, что предложенное решение является в перспективе экономически привлекательным, так как несмотря на необходимость дополнительных затрат приведет к существенной экономии сырья и улучшению экологической стороны этого направления отрасли.
Выводы
ЛИТЕРАТУРА
1. Armelle Lecarpentier, World LNG market: current developments and pro-spects, Cedigaz, presentation 24 June 2011.
2. Panteia: CONTRIBUTION TO IMPACT ASSESSMENT of measures for reducing emissions of inland navigation; financed by the European Commission; Zoetermeer, 10 June 2013.
3. Fernández I.A., Gómez M.R., Gómez J.R., et al. Review of propulsion systems on LNG carriers. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017; 67: 1395-1411.
4. Хасанов И.И., Шаммазов А.М., Терегулов Р.К. Развитие морского транспорта сжиженных газов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2014. № 3. С. 13-19.
5. M. Seitz; Masterplan for LNG as fuel and cargo on the Danube; ProDanube International; General Secretary CCNR Workshop Strass-bourg, 13 November 2012.
6. Glomski P. and Michalski R., (2011), Problems with Determination of Evaporation Rate and Properties of Boil-off Gas on Board LNG Carriers, Journal of Polish CIMAC, 6(1), pp. 133-140.
7. Attah EE, Bucknall R. An analysis of the energy efficiency of LNG ships powering options using the EEDI. Ocean Engineering. 2015; 110: 62-74.
8. Бахтизин Р.Н., Дорожкин В.Ю., Терегулов Р.К., Мастобаев Б.Н. Сжиженный природный газ на суше и в море. Производство, хранение, транспорт, регазификация. СПб.: Недра, 2016. 427 с.
9. Sinha R.P., Nik WMNW. Investigation of propulsion system for large LNG ships. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2012; 36(1): 012004.
10. Nylund I., Alder R. The 2-stroke low-pressure dual-fuel technology: From concept to reality. In: CIMAC PAPER No. 233; CIMAC Congress; Helsinki. 2016.
Balabukha Alexey Vladimirovich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]
Meshchuk Alexander Andreevich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: Meshchuk. [email protected]. ru
Derbichev Vyacheslav Sergeevich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]
Roman Konstantin Sergeevich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]
Bazhenov Pavel Aleksandrovich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]. ru
Boldyrev Konstantin Alekseevich
Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]. ru
Optimization of storage and transportation of liquefied natural gas on a transport vessel
Abstract. In the present work, issues related to the production, transportation and storage of liquefied natural gas (LNG) were considered. The relevance of the research is confirmed by statistics on the use of natural gas in general and LNG in particular. The article discusses the complex influence of the gas industry on the planet's climate. This paper focuses on taking into account adve rse factors such as leaks at all stages of the natural gas production chain. For this reason, it is doubted that the use of natural gas has a positive effect on the environment. The article briefly highlights the process of liquefying natural gas, as well as its advantages and disadvantages in storage and transportation. A promising direction for use in the article is the use of LNG as fuel for cars and ships. The experience of successful projects for the production of LNG of various sizes abroad is considered. Both large export-oriented projects and small-scale enterprises aimed at selling LNG on the domestic market with the aim of gasifying remote areas were considered. The main focus of the work is the issue of LNG transportation by sea on tankers and, consequently, the use of LNG as fuel for marine vessels. The main types of engines operating both exclusively on natural gas and those systems that use a mixture of natural gas with diesel or fuel oil were considered. The main advantages and disadvantages of such systems were identified. The novelty of the presented work is expressed in the proposal to optimize the process of storing LNG on a ship. It is proposed to use methane evaporating during transportation for the ship's own needs or to re-liquefy it. The economic aspects of such a method for solving an existing problem are considered.
Keywords: LNG transport; LNG production; micro LNG plants; storage; regasification; re-liquefaction; fuel for ships; dual-fuel engines; re-equipment of ship's systems
