CC BY
222ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА АМУРСКОГО ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ЗАВОДА
УДК 661.9
М. Ланг, Linde Engineering (Пуллах, Германия), [email protected] Ф. Шмид, Linde Engineering Х. Бауэр, Linde Engineering
Амурский газоперерабатывающий завод и расположенные неподалеку газовый и нефтехимический комплексы выступают ключевыми элементами Восточной газовой программы ПАО «Газпром» и неотъемлемой частью магистрального газопровода «Сила Сибири», который соединяет месторождения природного газа в Восточной Сибири с северо-западными провинциями Китая, тем самым способствуя экономическому развитию Дальнего Востока России. В статье подробно рассматривается технология переработки природного газа, разработанная для проекта Амурского газоперерабатывающего завода. В частности, освещаются вопросы интегрированного производства жидкого гелия, жидкого азота, сжиженного природного газа, товарного газа, этана и фракции C3+. Определена эффективная концепция технологического процесса, при котором можно исключить компрессию основных потоков газа, кроме товарного газа. Отдельное внимание уделено главным особенностям проектировочного решения завода. Приводятся примеры реализации конкретного проекта с описанием сложностей, возникающих в процессе реализации, в контексте решения логистических задач.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ПЕРЕРАБОТКА ПРИРОДНОГО ГАЗА, СЖИЖЕННЫЙ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ, ШИРОКАЯ ФРАКЦИЯ ЛЕГКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ, СИСТЕМА КОМПРИМИРОВАНИЯ, ЛОГИСТИКА.
В 2015 г. ПАО «Газпром» и его Генеральный подрядчик НИПИГАЗ выбрали компанию Linde AG в качестве лицензиара технологии переработки природного газа для проекта Амурского газоперерабатывающего завода (ГПЗ) (рис. 1). Linde отвечает за проектирование и поставку установок извлечения этана и широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), удаления азота, а также извлечения и сжи -жения гелия. Строительство завода осуществляется в пять этапов в срок до 2024 г.
Первая фаза включает строительство двух установок по извле-чению этана и ШФЛУ и удалению азота, а также одной установки извлечения гелия. По завершении строительства Амурский ГПЗ будет обладать производительностью до 42 млрд ст. м3/год.
ПАО «Газпром» и компания Linde подписали соглашение о страте-
Рис. 1. BD-модель Амурского ГПЗ
Fig. 1. 3D-model of Amur Gas Processing plant
гическом сотрудничестве, регулирующее планирование,строительство и обслуживание заводов по переработке природного газа. Сотрудничество охватывает такие сферы, как проектирование технологии переработки и сжижения
природного газа, производство ключевого криогенного оборудования, такого как спиральновитые теплообменники (рис. 2), в России.
Сырьевой газ, поступающий на Амурский ГПЗ, расположенный рядом с российско-китайской
M. Lang, Linde Engineering (Pullach, Germany), [email protected] F. Schmid, Linde Engineering H. Bauer, Linde Engineering
Technical concept and practical implementation of the project of Amur Gas Processing Plant
The Amur Gas Processing Plant and the nearby gas petrochemical complex are key elements of the Eastern Gas development Program of Gazprom PJSC and an integral part of the Power of Siberia gas pipeline that connects natural gas fields in Eastern Siberia with China's northwestern provinces, thereby contributing to economic development of Far East of Russia. The article discusses in detail the technology of processing natural gas, developed for the project of the Amur Gas Processing Plant. In particular, the issues of integrated production of liquid helium, liquid nitrogen, liquefied natural gas, commercial gas, ethane and the C3+ fraction are covered. An effective concept of technological process has been defined, in which the compression of the main gas flows, except commercial gas, can be excluded. Special attention is paid to the main features of the design solution of the plant. Examples of the implementation of a specific project are presented with a description of the difficulties encountered in the implementation process, in the context of solving logistical problems.
KEYWORDS: PROCESSING OF NATURAL GAS, LIQUEFIED NATURAL GAS, WIDE LIGHT HYDROCARBON FRACTION, COMPRESSION SYSTEM, LOGISTICS.
a) a) б) b)
Рис. 2. Спиральновитой теплообменник: а) производство, тестирование и проверка спиральновитого теплообменника (предварительный нагреватель водородного реактора); б) установка спиральновитого теплообменника (предварительный нагреватель водородного реактора) на площадке
Fig. 2. Coil wound heat exchanger: a) fabrication, testing and inspection of coil wound heat exchanger (hydrogen reactor preheater); b) ste installation of coil wound heat exchanger (hydrogen reactor preheater)
границей, содержит относительно высокий уровень углекислого газа (CO2), а именно 0,3 %. Данный состав природного газа обычно требует применения комплексной аминовой очистки для предотвращения образования сухого льда и блокирования установки. Чтобы преодолеть подобное ограничение, компания Linde разработала технологическое решение, которое позволяет поддерживать постоянный уровень растворенного
С02 в пределах достаточно высокого температурного диапазона, тем самым препятствуя замерзанию. Данный интегрированный технологический процесс с разделением природного газа и удалением азота, характеризующийся высоким допустимым уровнем содержания С02, позволяет сократить объем капиталовложений для всего блока предварительной подготовки (установка аминовой промывки для удаления СО2).
ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ЗАВОДА
Комплекс Амурского ГПЗ (рис. 3) состоит из установок по извлечению этана и ШФЛУ, удаления азота, очистки, сжижения и хранения гелия. Каждая из шести установок извлечения ШФЛУ (удаления азота) спроектирована из расчета производительности 7 млрд ст. м3/год (~ 875 000 Нм3/ч) и состоит из четырех секций: установка извлечения ШФЛУ; установ-
УДАЛЕНО DELETED
ШФЛУ NGL
товарный газ commercial gas
сырьевой газ feed gas установка аминовой очистки / N amine treatment plant
вода water ✓ \ 4
установка осушки
dehydration plant
установка извлечения ШФЛУ NGL extraction unit
сжижение гелия helium liquefaction жидкий гелий liquid helium
t жидкий азот liquid nitrogen
очистка гелия helium purification
хвостовой газ tail gas
установка удаления азота
nitrogen removal unit
тепловой насос heat pump
СПГ LNG
Рис. 3. Блок-диаграмма интегрированного газоперерабатывающего завода (Амурского ГПЗ)
Fig. 3. Block Diagram of the integrated gas processing plant (Amur GPP)
ка удаления азота (гелия); установ -ка теплового насоса; деэтанизатор. Проект установки очистки и сжижения гелия выполнен из расчета годовой производительности по жидкому гелию 20 млн Нм3.
Наиболее существенные аспекты с точки зрения проектирования заключаются в технологическом решении, предполагающем высокое допустимое содержание СО2, а также интегрированное решение для извлечения ШФЛУ (удаления азота). Другими словами, содержание СО2 на уровне 0,5 % допустимо в потоке природного газа без риска образования вредных твердых отложений. Концепция, лежащая в основе данного решения, заключается в том, что темпе -ратура разбавленного С02 поддерживается в пределах достаточно теплого диапазона, позволяющего предотвратить замерзание газа. Он может впоследствии остаться в потоке природного газа, где его низкая концентрация не повлечет никаких последствий. Подготовленный газ экспортируется в Китай с содержанием азота менее 2 мол. %. Установка также произ -водит жидкий гелий с чистотой 99,9995 мол. %, этан и фракцию С3+.
Данное проектировочное решение позволяет перерабатывать
сырьевой газ с содержанием азота 8 мол. % и С02 0,5 мол. % и произ -водить товарный газ для экспорта в Китай с содержанием азота ме -нее 2 мол. %; этан и фракции С3+; жидкий гелий класса 5.5 с чистотой 99,9995 мол. % - и предпола -гает интегрированное решение по извлечению ШФЛУ (удалению азота), а также высокое допусти -мое содержание углекислого газа.
ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПО ТЕХНОЛОГИИ
Основная задача заключается в полной переработке и извлечении большого количества природного газа,который поступает на завод из магистрального трубопровода с контролируемой точкой росы. Основные продукты включают:
- ШФЛУ, разделенные на этан, пропан и дополнительные фракции С4+;
- товарный газ с контролируемым содержанием азота ниже 1 мол. %;
- жидкий гелий с чистотой 99,999 мол. %;
Другая продукция включает:
- жидкий азот в качестве вспо -могательной инженерной системы для ожижителя гелия;
- хвостовой газ, насыщенный азотом;
- сжиженный природный газ (СПГ) (по желанию Заказчика).
Концепция завода определяется как гибкая относительно состава сырьевого газа, не создающая сложностей при пуске и эксплуатации, а также энергетически и экономически эффективная.
ОБЩИЙ ПРОФИЛЬ ПО ДАВЛЕНИЮ -МИНИМИЗАЦИЯ УСИЛИЙ ПО КОМПРИМИРОВАНИЮ
Система компримирования считается затратной с точки зрения капиталовложений и эксплуатации. Исходя из этого, количество единиц вращающегося оборудования оптимизировано в рамках общей концепции. Определена эффективная концепция технологического процесса, при которой можно исключить компрессию основных потоков газа, не считая товарного газа, предполагающая следующее:
- извлечение ШФЛУ и очистка метана осуществляются на базе расширения сырьевого газа и компримирования товарного газа, которое служит единственным этапом компримирования основного потока;
- удаление азота производится при давлении немного ниже давления деметанизатора и поддерживается системой теплового насоса;
- извлечение азота (гелия) осуществляется при давлении немного ниже давления удаления азота и не требует дополнительного компримирования за исключением маленького компрессора газа рециркуляции;
- сжижение гелия проводится посредством гелиевого цикла открытого типа с детандерным процессом. Компрессор между входом сырьевого газа и получением жидкого гелия не требуется.
Концепция извлечения ШФЛУ (левая сторона рис. 4) и очистки метана основана на проверенной концепции GSP [1] с двумя боковыми ребойлерами (потоки а и Ь на рис. 4). Высокой степени извлечения этана можно добиться
при использовании части нижнего продукта от колонны удаления азота в качестве дополнительного орошения. Данное технологическое решение сравнимо с решением с RSV [2], но позволяет избежать дополнительной нагрузки на компрессор товарного газа. Рабочее давление деметаниза-тора должно поддерживаться на уровне 3 МПа или выше для создания правильных условий эксплуатации в следующей далее по потоку колонне удаления азота.
Как указано выше, решение с двумя колоннами нежелательно, поскольку азотно-гелиевая фракция потребует компримирования до подачи на очистку и сжижение гелия. Таким образом, выбор сделан в пользу проверенной и простой в эксплуатации концепции с одной колонной (правая сторона рис. 4). Взамен использования нижнего продукта колонны удаления азота как хладагента конденсатора верхнего продукта в качестве источника хладагента был выбран боковой поток за контуром разделения. Данная запатентованная концепция [3] минимизирует риск загрязнения хладагента С02 или компонентами
азот/гелий nitrogen/helium
I-&Н
-tft—»
В
«—
—1
Рис. 4. Секция извлечения ШФЛУ и удаления азота интегрированного газоперерабатывающего завода (Амурского ГПЗ)
Fig. 4. NGL section and nitrogen removal unit of the integrated gas processing plant (Amur GPP)
фракции С2+, которое может вызвать проблемы при эксплуатации в холодной секции установки. Если содержание С02 в сырьевом
газе ниже определенного порогового значения, систему аминовой промывки можно полностью исключить.
остаточный газ
Nj/He N2 / Не
water
каталитическое удаление Нг catalytic Н2 removal
осушка dehydration
компримирование
рецикла recycle compression
КЦА PSA
ожижитель гелия helium liquefier
жидкии азот liquid nitrogen
Г
воздух air
холодный блок coldbox
■ гелии helium
Рис. 5. Гелиевая секция интегрированного газоперерабатывающего завода (Амурского ГПЗ) Fig. 5. Helium section of the integrated gas processing plant (Amur GPP)
.ф. Магистральный трубопровод от Ковыктинского газоконденсатного месторождения до Чаяндинского нефтегазоконденсатного месторождения Trunk pipeline from the Kovyktinskoye gas condensate field to Chayandinskoye oil and gas condansate field
.ф. Магистральный трубопровод «Сила Сибири» Trunk pipeline «Power of Siberia»
Магистральный трубопровод «Сахалин - Хабаровск -Владивосток» Trunk pipeline Sakhalin -Khabarovsk - Vladivostok
Магистральный
газопровод
«Соболево -
Петропавловск-
Камчатский»
Trunk pipeline
Sobolevo - Petropavlovsk-
Kamchatsky
Иркутский центр газодобычи Irkutsk gas production center
Якутский центр газодобычи Yakutsk gas production center
Сахалинский центр газодобычи Sakhalin gas production center
Камчатский центр газодобычи Kamchatka gas production center
Г
(7) Магистральный у Magistralny
^__У Жигалово
^ Zhigalova щ Иркутск Irkutsk
Монголия Mongolia
Ковыктинское месторождение Kovyktinskoye field
Сковородино
Ох; Okha
Пильтун-Астохское Соболево месторождение Sobolevo Piltun-Astokhskoye field ,Лунское месторождение Lunskoye field
Южно-Киринское месторождение Yuzhno-Kirinskoye field Киринское месторождение Kirinskoye field
Кшукское месторождение Kshukskoye field Нижне-С
Квакчикское месторождение Nizhne-Kvakchikskoye eld
Петропавловск-Камчатский Petropavlovsk-Kamchatsky
Увеличение производственных мощностей СПГ-завода в рамках проекта «Сахалин-2» Expansion of LNG plant capacity within the framework of Sakhalin II project)
Рис. 6. Карта Восточной газовой программы ПАО «Газпром», включающая Амурский ГПЗ и гелиевый завод около г. Белогорск Fig. 6. Map of Gazprom's Eastern Gas Program including Amur GPP and helium plant close to Belogorsk
Подразумеваемый недостаток в отношении энергопотребления, характерный для решения с одной колонной по сравнению с концепцией с двумя колоннами, нивелируется за счет бокового конденсатора для колонны удаления азота, который в значительной степени разгружает компрессор рециркуляции. Разделение азота (метана) внутри колонны удаления азота осуществляется посредством системы теплового насоса (голубые линии на рис. 4), в которой рабочая среда высокого давления конденсируется в ребойлере колонны удаления азота и испаряется при двух разных уровнях давления в боковом конденсаторе и в конденсаторе верхнего продукта.
Верхний продукт колонны удаления азота находится под давле -нием, достаточным для очистки и окончательного сжижения гелия без необходимости сжатия ос-
новного потока (красные линии на рис. 5). Последовательность технологических операций в этом основном потоке представляет собой проверенное технологическое решение, предполагающее каталитическую конверсию Н2 и СН4, осушку, криогенный процесс и окончательную очистку гелия в установке короткоцикловой адсорбции (КЦА). Только хвостовой газ установки КЦА, а также неко -торые незначительные рециркуляционные потоки холодного блока подлежат повторному ком-примированию. Таким образом, эффективно применяется энергия давления, обеспечиваемая гелиевой фракцией.
Движущая сила, появляющаяся за счет давления сырьевой азотной фракции, используется следующим образом: после конденсации основного объема азотной фракции жидкость с высоким
содержанием азота отпаривается под давлением для извлечения растворенного в нем гелия. Полученная в результате чистая фракция азота (голубые линии на рис. 5) частично испаряется при повышенном давлении, и таким образом ее энергия может быть использована при помощи расширения (детандерного процесса). Общий баланс энтальпий позволяет извлечь жидкий азот в холодном блоке в достаточных количествах, чтобы обеспечить работу ожижителя гелия и экранов для защиты от излучения ре -зервуара хранения.
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА И СЛОЖНЫЕ ЛОГИСТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ
Магистральный трубопровод «Сила Сибири» соединяет богатую газом Восточную Сибирь и многонаселенный Китай. Он тянется
Рис. 7. Транспортировка на речной барже и разгрузка колонн на причале, г. Свободный, июль 2018 г. Fig. 7. River barge transport and unloading of columns to Svobodny Jetty in July 2018
от Чаяндинского месторождения в Якутии до пересечения границы рядом с г. Благовещенск (1-й участок) и одновременно присоединяет скважины Ковык-тинского месторождения в Иркутской обл. (2-й участок). Амурский ГПЗ занимает центральное место в Восточной газовой программе ПАО «Газпром» (см. рис. 6), соединяя эти огромные запасы природного газа в районе о. Байкал и покупателей в Китае, Владивостоке и в будущем на Сахалине.
Строительство Амурского ГПЗ началось в октябре 2015 г. Поэтапные пуск и наладка очередей завода синхронизируются с расширением производственных возможностей ПАО «Газпром» в Якутии и Иркутской обл.
Помимо строительства технологического оборудования (технологических установок, вспомогательных инженерных систем и объектов общезаводского хозяйства), данный проект потребует строительства подъездных дорог, обустройства железных дорог, причала на р. Зее (рис. 7) и населенного пункта в районе г. Свободный для будущих сотрудников.
Конечным заказчиком реализации проекта выступает ООО «Газпром переработка Благовещенск» (входит в Группу «Газпром»). За организацию строительных работ отвечает генеральный подрядчик «НИПИ-газпереработка» (входит в Группу «СИБУР»). Разработкой и постав-
кой ключевого технологического оборудования для криогенного разделения природного газа, извлечения гелия и других компонентов для газохимической отрасли (этана и др.) занимается компания Linde Engineering.
Поэтапное строительство.
Во время первой фазы осуществляется строительство двух линий по переработке газа (извлечение ШФЛУ, этана и удаление азота), а также одной линии извлечения гелия. Со второй по пятую фазу будут построены дополнительные четыре линии по переработке природного газа и две линии извлечения гелия.
Логистика на площадке и маршруты транспортировки.
Площадка расположена в отдаленном, не развитом с промышленной точки зрения районе, в связи с чем потребовалось строительство причала, дорог, складских помещений и подъездных железных дорог для транспорти-
ровки сверхгабаритных крупнотоннажных грузов на площадку по р. Амур и Зея в пределах огра -ниченного окна навигации. Для прохода по реке с уровнем воды приблизительно 110 см требуются специально спроектированные баржи, буксиры и системы сплава.
Первая часть маршрута транспортировки проходит в основном от портов Европы (Бремен, Антверпен, Авилес) до Де-Кастри на Дальнем Востоке (рис. 8) и за -нимает 42-45 дней, а также из Ко -реи до Де-Кастри (4 дня).
Вторая часть составляет 237 км по Татарскому проливу и 1923 км по р. Амур и Зея на специально построенных речных баржах (всего 20 дней). Только два полных рейса баржи возможны за сезон из-за погодных ограничений.
Основные вызовы и сложности связаны с: подготовкой транспортных документов на оборудование и материалы; ответами на технические запросы таможенного брокера; обеспечением наличия рабочей силы для стро-
а) a) б) b)
Рис. 8. Перегрузка колонн с морского судна на речные баржи: а) в Де-Кастри; б) на Дальнем Востоке, июль 2018 г. Fig. 8. Transshipment of columns from sea vessel to river barges: a) at De Kastri; b) Russian Far East, July 2018
ительства(металлоконструкций и трубопроводной обвязки), технических паспортов и документов по качеству в надлежащие сроки; соблюдением сроков доставки и ограниченным периодом отгрузки.
Статус реализации проекта по состоянию на конец 2018 г.
Стадии «Проектирование и поставка» и «Логистика»:
- фаза 1 - 92,5 %;
- фаза 2 - 56,6 %;
- фаза 3 - 33,7 %.
Задействованные трудовые ресурсы:
- 471 чел. задействован в проекте;
- 77 чел. отработали на площадке 115 000 чел.-ч без происшествий.
Ход строительства:
- работы по забивке свай и фундаментные работы для фаз 1
и 2 продолжаются и начаты для фазы 3;
- работы с крупногабаритными грузами (колоннами) и резервуаром для фазы 1 завершены и продолжаются в части холодных блоков;
- установка металлоконструкций и трубопроводных эстакад для фазы 1 продолжается;
- заводская сборка трубопроводной обвязки для фазы 1 завер -шена на 65 % и начался монтаж на строительной площадке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработка газовой залежи с высоким содержанием азота и экспорт на рынок природного газа с использованием инфраструктуры, рассчитанной на низкие уров -ни содержания инертных газов, представляют собой сложную задачу.
Концепция криогенного крупнотоннажного удаления азота требует конденсации метана (внутренний завод СПГ) и подразумевает значительные капиталовложения. Сопутствующее производство этана, ШФЛУ и гелия позволяет получить синергетичес-кий эффект для создания выгодной производственно-сбытовой цепочки для местной экономики, такой как производство продуктов газохимии и гелия в мировом масштабе.
Первый опыт экспорта природного газа из России в Китай, позволяющий соединить богатую природными ресурсами Восточную Сибирь и многонаселенный Китай, обозначает историческую веху в создании инфраструктуры природного газа и будет иметь долгосрочный экономический и экологический эффект. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент № US4157904A. Технология переохлаждения газа / Р. Кэмпбелл, Дж. Уилкинсон. Заявл. 18.10.1977, опубл. 12.07.1979. Патентообладатель: ELCOR Corporation [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://patents.google.com/patent/US4157904A/en (дата обращения: 28.02.2019).
2. Патент № US5568737A. Технология рецикла разделенных паров / Р. Кэмпбелл, Дж. Уилкинсон, Х. Хадсон. Заявл. 10.11.1994, опубл. 29.10.1996. Патентообладатель: Ortloff Engineers Ltd. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://patents.google.com/patent/US5568737A/en (дата обращения: 28.02.2019).
3. Патент № US9003829B2. Удаление азота из природного газа / Х. Бауэр, М. Гвинер, Д. Гарт. Заявл. 11.05.2011, опубл. 14.04.2015. Патентообладатель: Linde AG [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://patents.google.com/patent/US9003829B2/en (дата обращения: 28.02.2019).
REFERENCES
1. Patent number US4157904A. Gas Subcooled Process / R.E. Campbell, J.D. Wilkinson. Claims October 18, 1977, publ. July 12, 1979. Patentee: ELCOR Corporation [Electronic source]. Access mode: https://patents.google.com/patent/US4157904A/en (access date: February 28, 2019).
2. Patent number US5568737A. Recycled Vapor Recycling Technology / R.E. Campbell, J.D. Wilkinson, H.M. Hudson. Claims November 10, 1994, publ. October 29, 1996. Patentee: Ortloff Engineers Ltd. [Electronic source]. Access mode: https://patents.google.com/patent/US5568737A/en (access date: February 28, 2019).
3. Patent number US9003829B2. Nitrogen removal from natural gas / H. Bauer, M. Gwinner, D. Garthe. Claims May 11, 2011, publ. April 14, 2015. Patentee: Linde AG [Electronic source]. Access mode: https://patents.google.com/patent/US9003829B2/en (access date: February 28, 2019).
