Разработка и реализация масштабных проектов СПГ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 665.725::622.279

Разработка и реализация масштабных проектов СПГ

Д.В. Люгай1, Ю.Г. Мутовин1, Г.Э. Одишария1*

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: G_Odishariya@vniigaz.gazprom.ru

Тезисы. Постановка вопроса связана с исполнением поручения Правительства РФ профильным министерствам и ведомствам (АД-П9-2615 от 28 апреля 2016 г.) разработать отечественную технологию сжижения природного газа (СПГ) и создать на ее основе масштабные комплексы СПГ различного назначения с использованием отечественных материалов, технологического и компрессорного оборудования. В работе обосновывается решение поставленной задачи на основе собственной технологии сжижения природного газа (разработка ООО «Газпром ВНИИГАЗ», патент № 2538192 с приоритетом от 07.11.2013). Статья в основном посвящена опыту создания, научно-технического сопровождения и непосредственного участия в разработке проектной документации по установкам и комплексам СПГ ООО «Газпром ВНИИГАЗ». В частности, представлен перечень работ, выполненных 000 «Газпром ВНИИГАЗ» за предшествующий период. Приведен перечень разработанной нормативной документации, представлен опыт создания экспериментальной установки на опытном заводе ООО «Газпром ВНИИГАЗ» с перечислением выполненных на ней работ. Дана краткая характеристика установок, которые были спроектированы и в значительной мере построены по техническим решениям и при авторском надзоре ООО «Газпром ВНИИГА3»: установки производительностью 3 т СПГ в час на Московском газоперерабатывающем заводе и установки пикового газоснабжения производительностью 20 т СПГ в час в Армянской ССР (г. Абовян).

Ключевые слова:

сжиженный

природный газ,

технология

сжижения,

холодильный

компрессор,

газовая турбина.

Научно-исследовательские и проектные институты ПАО «Газпром» имеют большой опыт реализации сложных многопрофильных проектов, в том числе и в сфере глубокой переработки природного газа с использованием низкотемпературных и криогенных технологий (газоперерабатывающие заводы с извлечением гелиевого концентрата, установки получения гелия высокой чистоты и его ожижения). При этом приходилось выполнять весь комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и на их основе разрабатывать недостающую научно-методическую и нормативную документацию для обоснованного проектирования объектов производства и составления технических заданий на разработку нового оборудования.

Далее приведена информация о состоянии (уровне) отечественных разработок в части максимально возможного использования газотурбинного и компрессорного оборудования, выпускаемого в РФ для производства сжиженного природного газа (СПГ).

Научно-методическое обеспечение проектных работ

ООО «Газпром ВНИИГАЗ» как головной научный центр ПАО «Газпром», ответственный за научно-технологический уровень компании, обеспечивал систематическое выполнение целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований с разработкой соответствующих технологий и технических решений по всем направлениям производственной деятельности, включая сферу промысловой обработки и заводской переработки газа и жидких углеводородов с использованием низкотемпературных и криогенных процессов. Речь идет о технологиях:

• промысловой обработки газа с использованием умеренного и глубокого охлаждения для эффективного разделения газоконденсатной смеси и извлечения тяжелых углеводородов, а также охлаждения газа, подаваемого в северные магистральные газопроводы, до температуры от 0 до -2 °С;

• заводской обработки газа с использованием криогенных технологий для извлечения этана и гелиевого концентрата с последующим получением гелия высокой чистоты (газообразного и жидкого).

Деятельность ВНИИГАЗа в указанной сфере связана с разработкой технологий и методов расчета процесса и оборудования установок охлаждения больших объемов природного газа до температуры многолетних мерзлых пород (станции охлаждения газа) на северных магистральных газопроводах, гелиевых заводов и установок сжижения газа для покрытия пиковых нагрузок газопотребления и организации перевозок СПГ морским путем в танкерах большой грузоподъемности. Для решения поставленных задач потребовались разработка проектной документации, изготовление специальных видов оборудования с привлечением специализированных организаций, строительство экспериментальных установок (аналогов промышленных установок охлаждения и сжижения газа) и выполнение комплекса экспериментальных исследований.

Результатом многолетних целенаправленных исследований (теоретических и экспериментальных) явились научно обоснованные методы расчета технологических процессов и оборудования для установок промысловой обработки газа, холодильных установок различного назначения, включая сжижение газа и извлечение ценных компонентов в процессе обработки газа. К таковым относятся:

1) математические модели и комплект программных средств для расчета инновационных технологий и оборудования, предлагаемых при разработке проектов:

• опытно-промышленного комплекса в составе установки СПГ производительностью 20 т/ч, трех изотермических резервуаров геометрическим объемом по 60 тыс. м3 и установки регазификации производительностью до 10 млн м3/сут;

• опытно-промышленной установки сжижения газа на Московском газоперерабатывающем заводе (МГПЗ, пос. Развилка Московской обл.);

• завода сжижения газа (технико-экономический анализ) на п-ове Ямал с привязкой к Харасавэйскому газоконденсатному месторождению.

Специально под перечисленные холодильные и криогенные установки впервые в отечественной практике были разработаны:

• ВНТП 51-1-88 «Ведомственные нормы на проектирование установок по производству и хранению СПГ, изотермических хранилищ и газозаправочных станций (временные)»

(утверждены Министерством газовой промышленности 13.09.1987);

• Временные правила перевозки СПГ автомобильным транспортом (утверждены Министерством газовой промышленности в декабре 1987 г.);

• ТУ 51-03-03-85 «Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания» (утверждены Министерством газовой промышленности 10.07.1985);

• Отраслевое руководство по анализу и управлению риском, связанным с техногенным воздействием на человека и окружающую среду при сооружении и эксплуатации объектов добычи, транспорта, хранения и переработки углеводородного сырья с целью повышения их надежности и безопасности1 (утверждено 19.03.1996 заместителем председателя Правления ОАО «Газпром» В.В. Ремизовым);

2) технология промысловой обработки газа на основе процесса низкотемпературной сепарации с использованием рекуперативных теплообменников и турбодетандерных агрегатов;

3) инновационный холодильный цикл на пропан-бутановой смеси и экспериментальная установка по охлаждению газа на компрессорных станциях северных газопроводов;

4) модифицированный холодильный цикл на смешанном (многокомпонентном) холодильном агенте и экспериментальная установка ВНИИГАЗа по сжижению природного газа;

5) промышленная установка сжижения природного газа производительностью 20 т/ч в составе опытно-промышленного комплекса по производству, хранению и регазификации СПГ в Армении (г. Абовян);

6) промышленная установка сжижения природного газа производительностью 3 т/ч на МГПЗ;

7) схема оптимизации процесса производства СПГ на экспериментальной установке ВНИИГАЗа в объемах, необходимых для испытаний:

• опытной партии автомобилей ГАЗ и ЗИЛ, оснащенных криогенными топливными баками;

• опытных тепловозов, переведенных на компримированный и сжиженный природный газ;

В соответствии с этим документом осуществлена разработка деклараций промышленной безопасности объектов ОАО «Газпром» (ныне - ПАО «Газпром»).

• летающей лаборатории (самолета Ту-155), использующей СПГ в качестве топлива для газотурбинных установок2.

Опыт научно-технического сопровождения и непосредственного участия в разработке проектной документации по комплексам СПГ

Первая в Европе установка сжижения природного газа была построена и введена в эксплуатацию в 1956 г. на МГПЗ. Установка предназначалась для резервирования газоснабжения Москвы, которое осуществлялось в те годы от единственного газопровода Саратов -Москва. Установка проработала по назначению два сезона, а потом в связи с вводом в эксплуатацию новых более мощных газопроводов была по предложению ВНИИГАЗа перепроектирована на производство крайне нужного оборонной промышленности страны продукта - гелия, содержащегося в газе Саратовского месторождения. Работы по организации производства гелиевого концентрата и гелия повышенной чистоты осуществлялись при непосредственном участии специалистов ВНИИГАЗа.

В середине 1970-х гг. в рамках выполнения программы важнейших научно-исследовательских работ [1, 2] Государственного комитета по науке и технике СССР было принято решение о создании на опытном заводе ВНИИГАЗа экспериментальной установки сжижения газа для решения широкого круга технологических задач, связанных:

• с оптимизацией состава смешанного холодильного агента;

• исследованиями переходных процессов в режимах захолаживания установки и вывода ее на расчетный режим;

• управлением процессом работы установки с позиций минимизации энергозатрат на производство СПГ.

Реализация этого проекта потребовала выполнения всего цикла работ по научно-техническому сопровождению полномасштабного инвестиционного проекта, а именно:

• опережающих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (обоснование

2 КБ им. Туполева представило Ту-155

на международной конференции по СПГ в Ницце (Франция) в 1989 г. Самолет ежедневно осуществлял демонстрационные полеты с пассажирами на борту. Заправка самолета СПГ осуществлялась организаторами конференции. Демонстрационные полеты Ту-155 произвели ошеломляющее впечатление на мировую общественность.

выбора технологического процесса сжижения газа, мощности установки, основного теплооб-менного и компрессорного оборудования);

• разработки основных технико-технологических решений по отдельным узлам и установке сжижения в целом;

• разработки проектной и рабочей документации;

• комплектации установки требуемыми материалами и оборудованием;

• проектирования и изготовления многопоточных теплообменных аппаратов;

• строительства установки;

• выполнения пуско-наладочных работ;

• выполнения комплекса экспериментальных исследований, включая обработку, обобщение и систематизацию результатов измерений на установке;

• разработки научно-методических основ проектирования установок сжижения газа;

• производства товарной продукции (СПГ) для обеспечения опытных образцов машин и аппаратов (автомобилей, тепловозов, авиационных двигателей и т.д.).

Накопленный опыт разработки и реализации проекта опытной установки сжижения газа, а также результаты экспериментальных исследований были весьма эффективно использованы при проектировании и строительстве указанных ранее опытно-промышленного комплекса по производству, хранению и рега-зификации СПГ в Армянской ССР и установки по производству СПГ на МГПЗ.

Строительство всех звеньев опытно-промышленного комплекса было рассчитано на использование материалов и оборудования отечественного производства. Для создания условий использования отечественного оборудования (агрегата турбокомпрессорного, про-панового АТКП-335-2000 мощностью 2 МВт производства Казанского машиностроительного завода и многоступенчатого компрессора К-890 для сжатия попутного газа производства Невского машиностроительного завода) были скорректированы режимные параметры процесса сжижения природного газа. Теплообменное оборудование, включая аппараты воздушного охлаждения, также было подобрано из числа серийно производимых или специально разработанных устройств (например, витых теплообменников).

Хладостойкая сталь и сварочные материалы для изотермических хранилищ СПГ

были специально разработаны и произведены на Орско-Халиловском металлургическом комбинате (ныне - ОАО «Уральская сталь»). В настоящее время материалы (листовой прокат) для изотермических хранилищ СПГ могут быть поставлены, например, Волгоградским металлургическим заводом «Красный октябрь», Челябинским металлургическим комбинатом, ОАО «Уральская сталь», ПАО «Северсталь».

Особый интерес представляют исследования и предпроектные проработки на уровне технико-экономического обоснования, выполненные ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по Хара-савэйскому проекту сжижения газа в 19931995 гг. В рамках исследовательской программы «Газпрома» по освоению месторождений п-ова Ямал, ответственным исполнителем которой был ВНИИГАЗ, осуществлена разработка неординарного проекта освоения Харасавэйского месторождения путем сжижения газа. Проект разработан ООО «Газпром ВНИИГАЗ» с участием российских и зарубежных проектных и научно-исследовательских организаций: ЛенморНИИпроекта, ЦНИИМФ, РКК «Энергия» и норвежской компании «Квер-нер Мосс Технолоджи». Идеология проекта и основные технические решения представлены в многотомном отчете ООО «Газпром ВНИИГАЗ» [3]. В данном проекте впервые в отечественной и зарубежной практике была сформулирована и проработана на проектном уровне идея размещения на плавающей платформе (барже) целой технологической линии сжижения природного газа производительностью до 3 млн т СПГ в год. Для конкретных условий размещения завода сжижения газа (северо-западное побережье п-ова Ямал), характеризующихся полным отсутствием местной рабочей силы и развитой инфраструктуры, предложенная концепция имела огромные преимущества перед традиционной схемой организации работ и принципами строительства заводов СПГ, а именно:

• минимизация численности строителей на Ямале;

• выполнение сложных и ответственных работ по сборке и монтажу оборудования линии сжижения газа в заводских условиях (на судоверфи) квалифицированными специалистами и связанное с этим высокое качество выполнения монтажных работ;

• компактное расположение оборудования на барже;

• возможность поставки в район строительства комплектных технологических линий с соответствующими средствами контроля и управления, прошедшими заводские испытания;

• снижение затрат и времени строительства технологических линий и завода в целом.

В этой концепции плавающая платформа (баржа) обеспечивает выполнение следующих функций:

• площадки для размещения готовой к эксплуатации технологической линии сжижения газа;

• транспортного средства для перемещения по воде технологической линии с судоверфи до места установки на Ямале;

• основания (фундамента) технологической линии (обеспечивается изготовлением корпуса баржи из железобетона);

• морской транспортировки баржи (габариты 141^42x7 м) на место установки судами-буксирами по традиционной схеме.

Установку баржи на опоры предполагалось осуществить с использованием схемы шлюзования, позволяющей поднять уровень воды на высоту, обеспечивающую свободную проводку баржи на заданную точку. После откачки воды из шлюзовой камеры баржа опускается на подготовленные опоры и обсыпается ранее выбранным грунтом. Таким образом баржа становится частью сухопутного завода сжижения газа.

В последние годы (2012-2014 гг.) Центром переработки газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ» разработана высокоэффективная отечественная технология (ОМЯ) сжижения природного газа, на которую получен международный патент3 с приоритетом от 07.11.2013 [4]. Технология позволяет учитывать специфику климатических условий России (изменение температуры окружающей среды в годовом разрезе на 80 °С и более), обеспечивает рост объема производства СПГ и снижение удельного расхода энергии в зимний период.

ООО «Газпром ВНИИГАЗ» принимало непосредственное участие в обосновании инвестиций в проект строительства завода СПГ в районе Владивостока путем подготовки

Более подробно о технологии ОМЯ см. в статье Проблемные вопросы разработки и реализации проектов СПГ / Д. В. Люгай, А.З. Шайхутдинов, Ю.Г. Мутовин, Г.Э. Одишария // Вести газовой науки: Повышение надежности и безопасности объектов газовой промышленности. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2017. - № 1. - С. 219-228.

следующих разделов соответствующего документа:

• «Сырьевая база проекта»;

• «Основные технологические решения по подготовке и сжижению природного газа»;

• «Экспертиза материалов Рге-FEED (предпроектное предложение) компании Japan far East Gaz Co., LTD по сжижению природного газа в районе г. Владивосток».

Опыт разработки и реализации отечественных проектов с использованием холодильных и криогенных технологий

По состоянию на сегодняшний день в Российской Федерации нет функционирующей установки (завода) сжижения природного газа промышленного масштаба4, спроектированной и построенной с использованием материалов и оборудования отечественного производства. Однако это не означает, что российские предприятия не располагают возможностью организации производства и поставок требуемых видов оборудования для комплексов СПГ.

В соответствии со спросом внутреннего рынка в России производятся и успешно эксплуатируются сложное по конструкции компрессорное, теплообменное и емкостное оборудование, а также средства контроля и управления холодильными и криогенными установками различного назначения. В частности, в конце 1990-х гг. в РФ успешно решена задача разработки собственной технологии охлаждения газа на северных газопроводах и производства требуемых видов оборудования:

• компрессоров холодильного цикла с приводом от газотурбинной установки НК-12Ст мощностью 8 МВт разработки АО «ВНИИХОЛОДМАШ» и Казанского компрессорного завода;

• витых теплообменных аппаратов (испарителей) диаметром 2 м и высотой 14 м разработки ОАО «ЛенНИИХиммаш»;

• аппаратов воздушного охлаждения холодильного агента (конденсаторов) разработки ВНИИНЕФТЕМАШ;

• сепараторов и емкостного оборудования (ресиверов, хранилищ холодильного агента и др.);

• системы контроля и управления станцией охлаждения газа (СОГ) и других вспомогательных систем.

4 За исключением нескольких мелких установок

преимущественно экспериментального назначения.

Проект СОГ для головных сооружений системы магистральных газопроводов от Ямбургского газоконденсатного месторождения разработан ЮжНИИгипрогазом при научно-техническом сопровождении ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Первая станция охлаждения газа суммарной мощностью компрессоров холодильного цикла (3+1) *8 = 32 МВт введена в эксплуатацию в 1998 г. Опыт первых лет успешной эксплуатации СОГ подтвердил высокую энергоэффективность разработанного ООО «Газпром ВНИИГАЗ» нового цикла на смешанном холодильном агенте (пропан-бутановой смеси). Первоначально станция была рассчитана на обработку 30 млрд м3/год газа, однако испытания в летний период при максимальных температурах воздуха (28-30 °С) подтвердили возможность повышения ее загрузки до 45 млрд м3 газа в год. Поэтому ввод в эксплуатацию второй СОГ (СОГ-3) по схеме (3+1)*8 = 32 МВт позволил решать задачу охлаждения газа в объеме 90 млрд м3/год, что соответствовало проектной загрузке 3-ни-точной системы газопроводов диаметром 1420 мм на рабочее давление 7,4 МПа. В последующие годы в этом районе построена еще одна СОГ (СОГ-4) по схеме (4+2)х8 = 48 МВт. Таким образом, суммарная мощность всех трех СОГ достигла 112 МВт. Здесь уместно отметить, что указанные СОГ отечественной разработки превосходят по основным технико-экономическим показателям и прежде всего по энергоэффективности аналогичные станции импортной поставки (компания «Софрегаз», Франция) на Уренгойском газо-конденсатном месторождении.

Отечественная промышленность имеет также положительный опыт разработки и реализации масштабных проектов с использованием криогенных технологий. Речь идет о гелиевых заводах, основу которых составляют процессы сжижения и низкотемпературного разделения гелийсодержащего природного газа. Крупный по современным меркам Оренбургский гелиевый завод осуществляет выполнение всего комплекса технологических операций, используемых на заводах сжижения газа, а именно: очистку, глубо -кую осушку, охлаждение природного газа с переводом его в жидкое состояние (СПГ) с целью извлечения гелия. На гелиевых заводах производимый СПГ не является товарной

продукцией, а используется для охлаждения входящего потока сырьевого газа в системе рекуперативных теплообменных аппаратов. Проектирование Оренбургского гелиевого завода осуществлялось ПАО «ЮжНИИгипрогаз» во взаимодействии с ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и ОАО «ЛенНИИХиммаш». Строительство завода выполнено российскими подрядными организациями с использованием материалов и оборудования отечественного производства.

Кроме этого, наши проектные институты АО «Гипроспецгаз» и ПАО «ВНИПИ-газдобыча» имеют определенный опыт разработки проектной документации уровня FEED по заводам СПГ для таких масштабных проектов, как 1-я фаза освоения Штокмановского

месторождения (завод сжижения газа производительностью до 20 млн т СПГ в год) и комплекс СПГ в районе Владивостока (завод СПГ

производительностью до 15 млн т СПГ в год).

***

В заключение следует отметить, что исследовательские и проектные организации Российской Федерации могут обеспечить разработку и реализацию проектов СПГ различной производительности и назначения на основе использования отечественных технологий, материалов и оборудования. Научно-методическое сопровождение указанных проектов может быть осуществлено головным научным центром ПАО «Газпром» -ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

Список литературы

1. Разработать технологические схемы

с оптимальными параметрами процесса и оборудования для установок сжижения и охлаждения газа: отчет по теме 0.04.176, этапы а-1, а-4, в, г-2. - М.: ВНИИГАЗ, 1973. -102 с.

2. Разработать технологические схемы

с оптимальными параметрами процесса и оборудования для установок сжижения и охлаждения газа: заключит. отчет по теме 0.04.176. - М.: ВНИИГАЗ, 1975. - 139 с.

3. Технико-экономическое обоснование целесообразности освоения Харасавэйского газоконденсатного месторождения путем строительства завода сжижения и вывоза сжиженного газа танкерами: отчет. -

М.: Газпром ВНИИГАЗ, 1995.

4. Патент РФ № 2538192. Способ сжижения природного газа и установка для его осуществления / А.В. Мамаев, С.А. Сиротин, Д.П. Копша и др.; ПАО «Газпром»; заявка 2013149401/06 от 07.11.2013 // Бюл. № 1. -10.01.2015.

Development and implementation of large-scaled LNG projects

D.V. Lugay1, Yu.G. Mutovin1, G.E. Odishariya1*

1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Est. 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation * E-mail: G_Odishariya@vniigaz.gazprom.ru

Abstract. An issue concerns with the execution of an Order of the Government of Russia (AD-P9-2615 dated 28 April, 2016) to relevant ministries and departments on development of domestic technique for liquefaction of natural gas and creation on these grounds of scaled LNG complexes for different purposes using domestic materials, equipment and instruments. The article substantiates solving of this task by means of own natural gas liquefaction technology (patent of Gazprom VNIIGAZ LLC with priority of November 11, 2013). The article mainly describes practice of creation, scientific provision and direct participation of Gazprom VNIIGAZ LLC in development of design documentation related to LNG installations and complexes. In particular, the works carried out by Gazprom VNIIGAZ LLC in previous years are listed. Also, there is a list of prepared technical standards. The experience of test facility creation and installation at the pilot plant is presented with enumeration of works carried out using this test facility. A brief description of installations, which were designed and partially constructed according to engineering solutions and field supervision of Gazprom VNIIGAZ LLC is given. These are an LNG plant of 3 t/h performance at Moscow gas-processing plant and a peak-gas-supply facility with performance of 20 t of LNG per hour in Armenia (Abovyan town).

Keywords: liquefied natural gas, technology of liquefaction, refrigerant compressor, gas turbine.

References

1. VNIIGAZ. To develop a flowsheet with optimal process and equipment parameters for gas liquefying and refrigerating plants: report on sci. theme no. 0.04.176, stages a-1, a-4, c, d-2 [Razrabotat tekhnologicheskiye skhemy s optimalnymi parametrami processa i oborudovaniya dlya ustanovok szhizheniya i okhlazhdeniya gaza: otchet po teme 0.04.176, etapy a-1, a-4, v, g-2]. Moscow: VNIIGAZ, 1973. (Russ.).

2. VNIIGAZ. To develop a flowsheet with optimal process and equipment parameters for gas liquefying and refrigerating plants: final report on sci. theme no. 0.04.176 [Razrabotat tekhnologicheskiye skhemy s optimalnymi parametrami processa i oborudovaniya dlya ustanovok szhizheniya i okhlazhdeniya gaza: zakluchitelnyy otchet po teme 0.04.176]. Moscow: VNIIGAZ, 1975. (Russ.).

3. GAZPROM VNIIGAZ LLC. Feasibility study on expediency of the Kharasaveyskoye gas-condensate field development by erection of a plant for liquefaction of gas and removal of liquefied gas using bulk carriers: report [Tekhniko-ekonomicheskoye obosnovaniye tselesoobraznosti osvoyeniya Kharasaveyskogo gazokondensatnogo mestorozhdeniya putem stroitelstva zavoda szhizheniya i vyvoza szhizhennogo gaza tankerami: otchet]. Moscow: Gazprom VNIIGAZ LLC, 1995. (Russ.).

4. GAZPROM PJSC. Method of natural gas liquefaction and device for its implementation [Sposob szhizheniya prirodnogo gaza i ustanovka dlya ego osushchestvleniya]. Inventors: A.V. MAMAYEV, S.A. SIROTIN, D.P. KOPSHA et al. Application no. 2013149401/06 dated November 7, 2013. Bull. no. 1. January 10, 2015. RU 2538192.