Люгай Станислав Владимирович. Повышение эффективности сжижения природного газа на газораспределительных станциях магистральных газопроводов

Краткое описание

Люгай Станислав Владимирович. Повышение эффективности сжижения природного газа на газораспределительных станциях магистральных газопроводов : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.19, 05.02.13 / Люгай Станислав Владимирович; [Место защиты: Науч.-исслед. ин-т природ. газов и газовых технологий].- Москва, 2010.- 127 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/1931

Общество с ограниченной ответственностью «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ - ВНИИГАЗ»
(ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)
На правах рукописи

ЛЮГАЙ Станислав Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ
04201056682
04.06.2010
Специальности: 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ; 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы в нефтяной и газовой промышленности.
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научные руководители: д.т.н. Р.О.Самсонов, д.т.н. А.С.Казак
Москва - 2010 
Содержание работы
Введение 4
Глава 1. Современное состояние и перспективы развития техно¬логии малотоннажного производства СПГ 10
1.1 Структура и организация малотоннажного производства СПГ
на базе ГРС 10
1.2 Характеристика современного состояния технологий произ¬водства СПГ на ГРС 18
1.3 Особенности производства СПГ на ГРС 29
Глава 2.Исследование особенностей сжижения природного газа
на ГРС и совершенствование технологических схем 33
2.1 Особенности сжижения природного газа на ГРС при повы¬шенном содержании диоксида углерода в сетевом газе 34
2.2 Моделирование процессов сжижения природного газа на ГРС 34
2.3 Сжижение природного газа в двухпоточном цикле Клода 43
2.4 Сжижение природного газа в двухпоточном цикле Линде 55
2.5 Экономический эффект от использования упрощенной тех¬нологии очистки газа 64
2.6 Сжижение природного газа при переменном давлении сете¬вого газа 70

Глава 3. Исследование технологии стабилизации температуры га¬за при производстве СПГ с использованием различных технологи¬ческих циклов сжижения газа 37
3.1 Стабилизация температуры газа в цикле с дросселированием 88
3.2 Стабилизация температуры в цикле с детандерно-
компрессорным агрегатом 89
3.3 Стабилизация температуры в цикле с волновым детандером 90
3.4 Сопоставление эффективности способов стабилизации температуры при различных циклах сжижении
природного газа 92

Глава 4. Усовершенствованная технологическая схема сжижения природного газа на ГРС и оценка ее эффективности при производстве СПГ 94
4.1 Основные положения усовершенствованной
технологической схемы сжижения природного газа на ГРС 94
4.2 Оценка преимуществ современных технологических
схем сжижения природного газа на ГРС 97
Основные выводы 111
Список использованной литературы 113
Приложение. Расчет стоимости оборудования криогенных уста¬
новок 118
а) Расчет стоимости адсорбционной системы очистки газа от ди¬
оксида углерода 118
б) Расчет стоимости установок производства СПГ на ГРС 122

Введение
Актуальность проблемы. Современное развитие процессов сжижения природного газа и его использования характеризуется двумя основными на¬правлениями - крупнотоннажное и малотоннажное производство сжиженно¬го природного газа (СПГ).
Крупнотоннажное производство СПГ осуществляется в районе его до¬бычи, доставка СПГ осуществляется морским транспортом для последующей его реализации потребителям с целью обеспечения стратегических интересов экономики государства.
При малотоннажном производстве СПГ, сжижение газа производится на локальных установках (производительность — не более 10 т/час), распо¬ложенных вблизи газопроводов: газораспределительные станции (ГРС), ав¬томобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС), газо¬компрессорные станции (ГКС), - с доставкой потребителям (в радиусе до 200 км) для использования в качестве газомоторного топлива для транспорта или замещения дизельного топлива или топочного мазута на предприятиях с энергоемкой технологией. Основная проблема развития малотоннажного производства СПГ обусловлена необходимостью адаптации и совершенство¬вания существующих технологий сжижения газа к особенностям эксплуата¬ции локальных установок (регулярное изменение термобарических парамет-ров и состава сетевого газа) и достижения конкурентоспособной стоимости производства продукта с высокими потребительскими свойствами.
Организация малотоннажного производства СПГ на объектах ОАО «Газпром» возможна на ГРС, АГНКС и ГКС без ущерба их основной деятельности. Суммарный (в целом по Российской Федерации) потенциал малотоннажного производства СПГ на ГРС и АГНКС оценивается ОАО «Газпром» в объеме более 14 мпн.т в год или около 20 млрд. м /год (в денежном эквиваленте - более 100 млрд. руб.,/год). Наиболее перспективным направлением развития малотоннажного производства СПГ является техно¬логия сжижения газа на ГРС, базирующаяся на использовании перепада дав¬лений между магистральным и распределительным газопроводами, что по¬зволяет заметно снизить затраты энергии на сжижение газа (термодинамиче¬ские циклы с внутренним охлаждением газа).
Поэтому исследование комплекса вопросов повышения эффективности малотоннажного производства СПГ на ГРС является актуальной научной проблемой, имеющей важное практическое значение.
Цель работы — разработка и совершенствование технических и техно-логических решений для повышения эффективности сжижения природного газа на ГРС магистральных газопроводов.
Основные задачи исследований
1. Исследование процесса сжижения природного газа в термодинами-ческом цикле с внутренним охлаждением для обоснования схемно¬технологических решений и определения режимных параметров установки для сжижения природного газа на ГРС с высоким содержанием диоксида уг¬лерода (СО?).
2. Исследование режимов работы установки сжижения газа на ГРС для выбора способа стабилизации ее производительности при изменениях давления в магистральном газопроводе.
3. Исследование эффективности различных циклов сжижения для по-вышения температуры газа при редуцировании на ГРС.
Научная новизна
На основе выполненных исследований предложена и обоснована усо-вершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС, отличаю¬щаяся разделением потока газа на технологический и продукционный потоки (двухпоточная схема), с минимизацией влияния на производительность уста¬новки сжижения газа неустойчивых условий эксплуатации газопроводов.
Для эффективной реализации усовершенствованной технологической схемы сжижения газа на ГРС разработаны:
- способы стабилизации производительности установки сжижения газа в условиях изменения давления в магистральном газопроводе (до 15 % от номинального значения) как за счет имеющегося запаса по теплообменной поверхности, так и за счет повышения давления продукционного потока (для циклов с детандером) или промежуточного внешнего охлаждения (для цик¬лов с простыми расширительными устройствами);
- способ повышения температуры газа при редуцировании (совмещен¬ный с процессом сжижения газа) за счет эффективного использования энер¬гии расширения газа в волновом детандере для подогрева газа в газопроводе;
- методический подход к выбору режимных параметров циклов работы установки сжижения газа.
Установлено, что при высоких содержаниях диоксида углерода в сете¬вом газе можно исключить очистку технологического потока или за счет снижения производительности установки (сжижение в неоптимальных ре¬жимах) или путем повышения давления продукционного потока (цикл двух давлений).
Защищаемые положения
1. Усовершенствованная технологическая схема сжижения газа на ГРС с применением двухпоточной схемы, с разделением потока сетевого газа на входе в установку сжижения на два потока - продукционный и технологи¬ческий, что позволяет сократить нагрузку на систему очистки от СО2 и ис¬пользовать в цикле Клода более простые расширительные машины и устрой¬ства (волновой детандер, вихревую трубу и др.), а в цикле Линде - умень¬шить общую теплообменную поверхность аппаратов;
2. Способы стабилизации производительности установки сжижения природного газа на ГРС при изменении давления в магистральном газопро¬воде:
•для циклов с детандером - применение цикла двух давлений или ис¬пользование запаса по теплообменной поверхности и производительности расширительной машины;
•для циклов с простыми расширительными устройствами - применение промежуточного внешнего охлаждения.
3. Способ повышения температуры газа при редуцировании газа на ГРС за счет эффективного использования энергии расширения газа в волно¬вом детандере для подогрева газа в газопроводе.
Практическая значимость и реализация работы
Усовершенствованная технологическая схема сжижения природного газа на ГРС с применением двухпоточной схемы позволяет сократить в 5-5-6 раз потребное количество адсорбента в блоке очистки и использовать простые расширительные устройства. В результате, срок окупаемости инве¬стиций снижается на 20-50 % при содержании С02 в сетевом газе 0,05 -5- 0,5 %, соответственно. При этом цена газа у потребителя (с учетом доставки и регазификации) может быть снижена с 9 - 10 руб./м3 до 7 руб./м3.
Разработанные способы поддержания постоянной производительности ожижительной установки обеспечивают устойчивую работу оборудования у потребителя при колебаниях давления в магистральном газопроводе до 20 %.
Использование волнового детандера в установке сжижения газа произ-водительностью 1000 кг/час в двухпоточной схеме сжижения природного га¬за на ГРС позволяет поднять температуру потока газа в газопроводе на 5 °С при расходе около 90 000 м3/час, что исключает необходимость подогрева этого газа в специальном огневом подогревателе.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены на заседани¬ях Научно-технического совета ОАО «Газпром», Ученого совета ООО «Газ¬пром ВНИИГАЗ», а также конференциях и семинарах:
• на заседании секции «Распределение и использование газа» На¬учно-технического совета ОАО «Газпром» «Научно-методические подходы и практическая реализация проектов альтернативного газоснабжения регионов РФ» (Екатеринбург, 10-11.12.2008);
• на Международной конференции «Криогенные технологии и оборудование для газификации объектов промышленности, ЖКХ и транс¬порта» (Москва, 13- 15.10.2009);
• на заседаниях Ученого совета ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и его секциях: «Газотранспортные системы, надежность и ресурс объектов ЕСГ», «Математическое моделирование и информатика». «Строительство скважин и промысловая подготовка газа», (пос. Развилка, 2008, 2009, 2010 гг.).
Публикации
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 рабо¬тах (в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образова¬ния и науки РФ, - 5). Общее количество публикаций автора - 10 работ.
Структура работы
Диссертационная работа включает введение, четыре главы, основные выводы, список литературы. Работа изложена на 123 страницах машинопис¬ного текста, содержит 18 таблиц и 33 рисунка. Библиографический список включает 36 наименований.
Автор выражает искреннюю признательность д-ру техн. наук, профес¬сору Горбачеву С.П. за обсуждение направлений исследований, ценные сове¬ты и замечания при выполнении диссертационной работы.
Автор благодарит сотрудников Центра использования газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ», ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», ООО «Газпром трансгаз Ку¬бань», ООО «Газпром Промгаз», Управления по газификации и использова¬нию газа Департамента по транспортировке, подземному хранению и исполь¬зованию газа ОАО «Газпром», РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, Института проблем нефти и газа за оказанную помощь в проведении исследований и активное обсуждение результатов.

Список литературы

Основные выводы
1. На основе анализа современного состояния развития процессов сжижения природного газа и его использования показано, что наиболее пер-спективным направлением развития малотоннажного производства СПГ яв¬ляется технология сжижения газа на ГРС, базирующаяся на использовании перепада давлений между магистральным и распределительным газопрово¬дами. При этом основная проблема широкого внедрения технологии связана с необходимостью ее адаптации к особенностям эксплуатации газопроводов (регулярное изменение термобарических параметров, расхода и состава сете¬вого газа) и достижения конкурентоспособной стоимости СПГ.
2. Разработана усовершенствованная технологическая схема сжи¬жения газа на ГРС с разделением потока сетевого газа на входе в установку сжижения на два потока - продукционный и технологический. Это позволяет сократить нагрузку на систему очистки от СО2 и использовать в цикле Клода более простые расширительные машины и устройства (волновой детандер, вихревую трубу и др.), а в цикле Линде - уменьшить общую теплообменную поверхность аппаратов. Использование двухпоточной схемы позволяет про¬водить очистку от СО2 только продукционного потока (при содержании С02 в сетевом газе до 5 %), в результате масса адсорбента и стоимость системы очистки уменьшаются в 5 6 раз.
3. Для усовершенствованной технологической схемы сжижения га¬за на ГРС разработаны:
- способы стабилизации производительности установки сжижения газа в условиях изменения давления в магистральном газопроводе (до 15 % от номинального значения) как за счет имеющегося запаса по теплообменной поверхности, так и за счет повышения давления продукционного потока (для циклов с детандером) или промежуточного внешнего охлаждения (для цик¬лов с простыми расширительными устройствами);
- способ повышения температуры газа при редуцировании (совмещен¬ный с процессом сжижения газа) за счет эффективного использования энер¬гии расширения газа в волновом детандере для подогрева газа в газопроводе;
- методический подход к выбору режимных параметров циклов работы установки сжижения газа.
4. При производстве СПГ на ГРС, с использованием усовершенст-вованной технологической схемы сжижения газа, становится экономически оправданным использование более простых расширительных устройств (вихревые трубы, дроссельные вентили и волновые детандеры), что приво¬дит к заметному снижению стоимости установки и повышает надежность ее работы.
5. Реализация усовершенствованной технологической схемы сжи¬жения газа, с использованием волнового детандера в качестве расширитель¬ного устройства, позволит снизить стоимость установки сжижения газа (про¬изводительность 1 ООО кг/час) с 19 до 9,5 млн. руб. и сократить срок окупае¬мости инвестиций на 20 % и на 50 % при содержании СО2 в исходном газе 0,05 % и 0,5 %, соответственно.
Список использованной литературы
1. Кузьменко И.Ф. Тенденции развития установок сжиженного при¬родного газа средней производительности для распределительного газоснаб¬жения //Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо — 2008. № 4 (40). - С. 49-55.
2. Краковский Б.Д. и др. Современные технологии сжижения при¬родного газа в установках малой и средней производительности //Использование сжиженного природного газа на железнодорожном транс¬порте. Материалы заседания секции Научно-технического совета ОАО «Газ¬пром». - М: ООО ИРЦ Газпром. - 2007. - С.70 - 79.
3. Мошканцев М.А. Детандерно-компрессорные схемы производст¬ва сжиженного природного газа на газораспределительных станциях с низ¬ким давлением входящего газа // Материалы научно-технического совета ОАО «Газпром» по теме: «Перспективы и опыт применения сжиженного природного газа на объектах ОАО «Газпром». - М: ООО «ИРЦ Газпром» - 2002.
4. Krakovskiy B.D. at all «Natural gas liquefier», The Eighth Cryogenics 2004 IIR International Conference, Praha Czech Republic, 2004, P. 203 - 209.
5. Скородумов Б. И. и др. Решение проблем энергоснабжения про¬мышленных, социальных объектов и населенных пунктов с использованием СПГ //Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. - 2002. - №6.-С. 42-47.
6. Сердюков С.Г., Ходарков М.Л. Сжиженный природный газ в Санкт-Петербурге и России // «Автогазозаправочный комплекс + альтерна¬тивное топливо». -2003. - № 2. - С. 59-63.
7. Сердюков С.Г., Ходарков И.Л., Типовой мини-завод по произ¬водству сжиженного природного газа на газоредуцирующих станциях (ГРС) магистральных трубопроводов // Перспективы и опыт применения сжижен- ного природного газа на объектах ОАО «Газпром». Материалы Научно- технического совета ОАО «Газпром». - М: ИРЦ Газпром. - 2002. -С. 28-33.
8. Горбачев С.П., Копосов А.И. Оценка эффективности малотон¬нажного производства СПГ на газораспределительных станциях. Материалы конференции в рамках выставки «Газовая промышленность России. Акту¬альные аспекты 2007» GasSUF - 2007(Москва 25 - 27 сентября 2007 г.). - М.: ООО ИРЦ Газпром. - 2008. - С. 160.
9. Бобров Д.М., Лаухин Ю.А., Сиротин А.М. Расширительная холо¬дильная техника для газовой и нефтяной промышленности — современное со¬стояние, тенденции развития, опыт эксплуатации. - М.: ИРЦ Газпром. - 2007.
10. Семенов В.Ю. и др. Результаты экспериментальных исследова¬ний криогенного волнового детандер-компрессора //Химическое и нефтега¬зовое машиностроение. - 2009. - № 4. - С. 23-25.