Соотношение сжиженного газа к природному: Сжиженный природный газ (СПГ), технологии сжижения

[изменить введение]

Содержание

• 1 Установки по сжижению для производства СПГ
• 2 История
• 3 Транспортировка СПГ
• 4 приемных терминала СПГ
  • 4.1 Резервуары для хранения СПГ
• 5 Аспекты безопасности СПГ
• 6 Единицы и модификации
• 7 СНГ, в чем-то похожее вещество
• 8 Каталожные номера

Сжиженный природный газ или СПГ – природный газ (состоящий в основном из метана, CH ₄ ), который был преобразован в жидкую форму для удобства транспортировки и хранения. Проще говоря, это жидкая форма природного газа, которую люди используют в своих домах для приготовления пищи и отопления.

Типичный сырой природный газ содержит только около 80% метана и ряд высококипящих углеводородов, а также ряд примесей. Перед сжижением его обычно очищают, чтобы удалить высококипящие углеводороды и примеси. Полученный сжиженный природный газ содержит около 95% или более метана, и это прозрачная, бесцветная и практически не имеющая запаха жидкость, не вызывающая коррозии и не токсичная. ^{[1] [2]}

СПГ занимает очень небольшую долю (1/600 часть) объема природного газа и поэтому более экономичен при транспортировке на большие расстояния. Он также может храниться в больших количествах, что было бы непрактично для хранения в виде газа. ^{[1] [2]}

Установки по сжижению газа для производства СПГ

(CC) Диаграмма: Милтон Бейчок
Рис. 1: Блок-схема процесса сжижения СПГ. Подробнее см. в разделе «Обработка природного газа».

Процесс сжижения включает отделение сырого природного газа от попутной воды и высококипящих жидких углеводородов (называемых конденсатом природного газа), которые могут быть связаны с сырым газом. Затем сырой газ дополнительно очищается на заводе по переработке природного газа для удаления примесей, таких как кислые газы, сероводород (H ₂ S) и двуокиси углерода (CO ₂ ), любой остаточной воды, жидкости или паров, ртути, азота и гелия, которые могут вызвать затруднения на выходе. (См. блок-схему процесса сжижения на рис.1)

Очищенный природный газ затем охлаждается и перегоняется в цепи ректификационных колонн, сначала в колонне деметанизатора для извлечения очищенного природного газа (преимущественно метана), а затем в деэтанизаторе, депропанизаторе и дебутанизаторе для разделения и извлечения этана (C ₂ H ​​ ₆ ), пропан (C ₃ H ​​ ₈ ), бутаны (C ₄ H ​​ ₁₀ ) и любые более высококипящие углеводороды, вместе именуемые сжиженным природным газом (ШФЛУ). Затем природный газ конденсируется в жидкость практически при атмосферном давлении с использованием дополнительного охлаждения для его охлаждения примерно до -162 ° C (-260 ° F).

Существует ряд холодильных систем для сжижения природного газа. Мировая индустрия СПГ приняла два основных процесса сжижения:

• Процесс многокомпонентного охлаждения с предварительным охлаждением пропаном (C3/MR), также известный как процесс APCI и используемый на большинстве (около 80%) заводов СПГ ^[3]
• Каскадный процесс с чистым хладагентом

Первые заводы СПГ в Алжире и на Аляске (см. раздел истории ниже) были основаны на каскадном процессе с использованием пропана, этилена и метана в качестве хладагентов. Однако с тех пор большинство крупных проектов СПГ были основаны на процессе C3/MR. Различные исследования показали, что эффективность двух основных процессов одинакова. ^{[3] [4] [5]}

Как упоминалось выше, уменьшение объема делает транспортировку СПГ на большие расстояния в условиях отсутствия трубопроводов более рентабельной. Там, где транспортировка природного газа по трубопроводам невозможна или экономически нецелесообразна, его можно транспортировать специально сконструированными криогенными морскими судами, называемыми газовозами, либо криогенными железнодорожными или автомобильными цистернами.

История

История сжижения природного газа началась в 1820-х годах, когда британский физик Майкл Фарадей экспериментировал со сжижением различных типов газов. Немецкий инженер Карл фон Линде в 1870-х построил первую реальную систему охлаждения с компрессией пара.

Первый коммерческий завод по сжижению природного газа был построен в Кливленде, штат Огайо, в 1941 г. СПГ хранился в резервуарах при атмосферном давлении, что повысило вероятность его транспортировки морскими судами. В январе 1959 года первый в мире танкер СПГ, переоборудованный грузовой корабль под номером «Пионер метана» с пятью небольшими изолированными алюминиевыми цистернами, перевез 5000 м ³ (около 2250 метрических тонн ^[6] ) СПГ из Лейк-Чарльза. Луизианы в Соединенных Штатах до острова Канви на реке Темзе в Англии. Этот рейс продемонстрировал, что СПГ можно безопасно транспортировать через океаны. В течение следующих 14 месяцев то же грузовое судно доставило семь дополнительных грузов с небольшими проблемами. ^{[2] [7]}

Продемонстрированная возможность транспортировки СПГ на морских судах стимулировала строительство крупных заводов по сжижению природного газа на крупнейших месторождениях природного газа по всему миру. Первый крупный завод СПГ начал работать в 1964 году в Арзеве, Алжир, и первоначально производил около 2560 метрических тонн в день ( ^{т/день [6]} ) СПГ. В 1969 году рядом с Кенаем, Аляска, начал работать еще один завод СПГ, первоначально производивший СПГ мощностью около 3400 т/сутки. ^{[2] [8]}

К середине 2008 года в 15 странах мира работало 19 заводов по сжижению природного газа, три крупнейших из которых:

• Проект Bontang в Индонезии, производительность около 64 000 т/сутки
• Проект Ras Gas в Катаре, производительность около 59 000 т/сутки
• Проект Arzew в Алжире, производящий около 49 000 т/день

Также действовало 65 приемных терминалов СПГ (часто называемых регазификационными терминалами) в 19 странах мира. ^[8]

Транспортировка СПГ

(CC) Фото: Xoán Porto
Рис. 2: Газовоз с 5 сферическими резервуарами для СПГ. Общая длина составляет 285 метров (311 ярдов).

По состоянию на 2008 г. типичный морской танкер СПГ может перевозить около 150 000 м ³ (70 000 т) СПГ, что при регазификации на приемном терминале составит около 92 000 000 стандартных кубических метров ^[9] природного газа . Газовозы по размерам аналогичны авианосцам, их строительство и эксплуатация очень дороги. Поэтому они не могут позволить себе простоя. Они движутся быстро, со средней скоростью от 18 до 20 узлов по сравнению с 14 узлами для морского танкера для перевозки сырой нефти. Кроме того, загрузка на заводах по сжижению природного газа и выгрузка на приемных терминалах обычно занимает в среднем всего 15 часов.

Все газовозы имеют двойную конструкцию корпуса, специально разработанную для предотвращения утечки или разрыва в случае аварии. Груз (СПГ) хранится при атмосферном давлении и температуре -162 ºC в специально изолированных резервуарах (называемых «защитной конструкцией») внутри внутреннего корпуса. Конструкция удержания груза состоит из основного резервуара для жидкости, слоя изоляции, вторичного барьера для жидкости и вторичного слоя изоляции. В случае повреждения основного резервуара для жидкости целью вторичного барьера является предотвращение утечки. Все поверхности, контактирующие с СПГ, изготовлены из материалов, устойчивых к экстремально низким температурам. Поэтому материал обычно представляет собой нержавеющую сталь, алюминий или сплав никеля и железа, известный как «инвар».

Около 57% мирового флота танкеров СПГ используют резервуары, которые поддерживаются и соответствуют форме корпуса танкера, для хранения груза СПГ. Такие носители обычно называют сосудами «мембранного типа». Другой основной тип танкеров СПГ, составляющий около 41% мирового флота, использует самонесущие сферические резервуары для хранения СПГ, при этом верхняя половина сфер находится над палубой, как видно на рис. 2. Такие перевозчики обычно называют судами типа «Мосс» (по имени норвежской компании Moss Maritime).

Большинство судов, работающих на сжиженном природном газе, используют паровые турбины для обеспечения тяги, а эти суда используют газ, выкипающий из груза, в качестве топлива для производства пара. Поэтому газовозы не прибывают в порт назначения с тем же количеством СПГ, которое было загружено на заводе по сжижению газа. Принятый максимальный показатель выпаривания составляет около 0,15% от объема груза в сутки. Таким образом, за 20-дневный рейс груз СПГ уменьшится примерно на 3%. Последние достижения в области технологий позволяют устанавливать на борту судов установки, которые могут повторно сжижать испаряющиеся вещества, которые затем возвращаются в грузовые танки. Из-за этого строители и пользователи газовозов теперь могут рассмотреть возможность использования более эффективных дизельных двигателей, а не паровых турбин.

По состоянию на середину 2008 года в мировом флоте насчитывалось 247 газовозов, а общая вместимость флота составляла 30 800 000 кубометров СПГ. ^[8]

Приемные терминалы СПГ

(PD) Фото: Yo-sei Shosi
Рис. 3: Терминал СПГ в Иокогаме, Япония.

Приемные терминалы СПГ (часто называемые регазификационными терминалами) принимают танкеры СПГ, разгружают свои грузы СПГ и хранят СПГ в резервуарах. При необходимости СПГ забирается из резервуаров для хранения, преобразуется обратно в природный газ с помощью теплообменников для испарения СПГ, а затем направляется конечным потребителям по местной трубопроводной сети.

Основными компонентами приемного терминала являются причалы для разгрузки танкеров СПГ и портовые сооружения, резервуары для хранения СПГ, испарители для преобразования СПГ в его первоначальную газообразную форму и трубопровод, соединяющий местную сеть природного газа. Танкеры для СПГ также могут разгружаться в открытом море, вдали от перегруженных и мелководных портов. Это достигается с помощью плавучей системы швартовки и разгрузки танкеров по подводному изолированному трубопроводу СПГ на наземную установку регазификации. ^[4]

Основным компонентом приемного терминала является испарительное оборудование, которое нагревает СПГ от –161,5°C до более чем 5°C, чтобы преобразовать СПГ обратно в газообразную фазу. Концептуально испарители представляют собой относительно простые устройства, в которых СПГ обычно прокачивается через теплообменники, где он нагревается за счет теплообмена с более теплой жидкостью в теплообменнике. Более теплая жидкость может представлять собой морскую воду, теплую воду или другую теплую жидкость. Существует также ряд других методов испарения СПГ. ^[10]

В обычных приемных терминалах на суше или в море выгруженный СПГ хранится на берегу в больших резервуарах до тех пор, пока газ не потребуется конечным потребителям.

(PD) Фото: Билли Э. Бердуэлл, Инженерный корпус армии США
Рис. 4: Резервуары терминала СПГ недалеко от Саванны, штат Джорджия.

Резервуары для хранения СПГ

Большие резервуары для хранения СПГ имеют цилиндрическую форму и низкое соотношение сторон (т. е. отношение высоты к ширине). Обычно они состоят из внешней стены из бетона с пост-напряжением и внутренней стены из стали с высоким содержанием никеля с изоляцией между внутренней и внешней стенами. ^[11] Резервуары имеют куполообразную крышу из стали или бетона. Давление хранения в таких резервуарах довольно низкое, менее 10 кПа (0,10 атм). Иногда для хранения используют подземные или частично подземные резервуары.

Небольшие цилиндрические резервуары для хранения СПГ, около 1 000 м ³ (264 000 галлонов) или менее, обычно имеют вакуумную рубашку, сосуды под давлением. Давление хранения в таких резервуарах может варьироваться от менее 50 кПа (0,50 атм) до более 1000 кПа (10 атм), и они могут быть как горизонтальными, так и вертикальными.

Аспекты безопасности СПГ

(CC) Диаграмма: Milton Beychok
Рис. 5: Схема диапазона воспламенения метана, который обычно составляет около 90% или более паров СПГ.

В жидком состоянии СПГ не является ни горючим, ни взрывоопасным. Чтобы СПГ загорелся, он должен сначала испариться, смешаться с воздухом в соответствующих пропорциях (диапазон воспламеняемости составляет от 5 до 15 объемных % ^[12] ), а затем воспламениться. ^{[1] [13] [14]}

При выбросе СПГ в атмосферу из-за утечки, разлива или по любой другой причине (на суше или в море) он немедленно начинает испаряться, поглощая тепла от земли или морской воды. При обычной температуре окружающего воздуха от 15 до 40 °C природный газ намного легче воздуха. Однако пар природного газа, образующийся при испарении СПГ, очень холодный (т. е. -160 ° C) и, следовательно, намного плотнее окружающего воздуха, а это означает, что первоначальный пар останется на уровне земли или моря. Пар начнет смешиваться с воздухом, и водяная влага в воздухе будет конденсироваться, образуя видимое облако пара. Поскольку облако изначально формируется, оно содержит слишком много природного газа, чтобы быть воспламеняемым. Он будет оставаться на уровне земли до тех пор, пока не будет поглощено дополнительное тепло, а природный газ поднимется и смешается с большим количеством воздуха. Когда это произойдет, концентрация природного газа в облаке начнет уменьшаться. В какой-то момент концентрация природного газа в облаке снизится до уровня воспламеняемости и станет воспламеняемой. Если в этой точке присутствует источник воспламенения, сгорит только та часть облака, которая находится в пределах воспламеняемого диапазона. Облако пара не взорвется, если оно не будет ограничено. Любая часть облака, которая входит в здание или попадает в зону скопления людей, становится взрывоопасной при столкновении с источником воспламенения. ^{[15] [16]}

Возможны другие опасности, связанные с СПГ, кроме пожара или взрыва: ^{[2] [15]}

• фазовый переход из жидкости в пар, произошедший в случае разлива СПГ в воду, вызвал физический взрыв. В результате RPT СПГ никто не пострадал, но оборудование было повреждено. Взрывоопасное избыточное давление, вызванное RPT, еще недостаточно хорошо измерено, но есть признаки того, что избыточное давление не было достаточно высоким, чтобы вызвать травмы персонала.
• Удушье : Чтобы смерть человека наступила от удушья, пары СПГ должны снизить нормальную концентрацию кислорода в воздухе (около 21 об. %) до уровня менее 6 об. %. Это может произойти, когда концентрация паров СПГ в воздухе составляет около 71% по объему. Дыхание нарушается при снижении уровня кислорода в воздухе менее 15 объемных %, а рвота возникает при уровне кислорода ниже 10 объемных %, что соответствует концентрации паров СПГ в воздухе около 28 и 52 объемных % соответственно. .
• Ожоги от замораживания : Один случай, когда человек получил ожог от замораживания в результате распыления утечки СПГ в 1977 году, когда клапан разорвался во время загрузки танкера СПГ.
• Опрокидывание в резервуарах для хранения : Из-за давления, создаваемого гидравлическим напором СПГ в резервуаре, нижний уровень СПГ в резервуаре имеет давление и равновесную температуру несколько выше, чем СПГ на верхнем уровне в баке и, следовательно, несколько менее плотный, чем СПГ на верхнем уровне. Таким образом, содержимое резервуара восприимчиво к тому, что нижний уровень внезапно поднимется до верхнего уровня из-за разницы в плотности. Это называется «перевернуться». Если бы это произошло, небольшая часть СПГ немедленно испарилась бы в газ, потому что она больше не подвергалась гидравлическому напору. Поскольку коэффициент расширения паров СПГ по отношению к жидкости составляет примерно 600:1, даже небольшое испарение может привести к образованию большого объема газа. Возникающее в результате внезапное повышение давления в резервуаре может превысить пропускную способность предохранительных клапанов и, возможно, привести к разрушению крыши или стенки резервуара. Первое такое опрокидывание произошло в 1971 и слегка повредил крышу резервуара СПГ. Эта проблема решается за счет контроля температуры резервуара на различных уровнях и использования насосных систем смешивания.

В целом отрасль СПГ имеет отличные показатели безопасности по сравнению с другими заводами по переработке углеводородов. По состоянию на конец 2003 г. во всем мире насчитывалось 23 завода по сжижению природного газа, 58 приемных (регазификационных) терминалов и 224 морских танкера для перевозки СПГ, которые в общей сложности переваливали около 168 миллионов метрических тонн СПГ ежегодно. СПГ безопасно доставлялся через океаны более 40 лет. За это время было совершено более 45 000 рейсов газовозов протяженностью более 100 000 0000 миль (160,900 000 км) без крупных аварий или проблем с безопасностью ни в порту, ни в открытом море. Индустрия СПГ должна соответствовать строгим стандартам, установленным такими странами, как США, Япония, Австралия и европейские страны. ^{[2] [14] [17]}

По данным Министерства энергетики США, за время существования отрасли восемь морских происшествий по всему миру привели к утечке СПГ, при этом некоторые корпуса были повреждены из-за холода разрушения, но возгорания груза не произошло. Было зарегистрировано семь инцидентов, не связанных с разливом, два из-за посадки авианосца на мель, но без значительной потери груза; то есть ремонт был произведен быстро и утечек удалось избежать. Погибших на борту судов СПГ не было. ^[14]

Отдельные аварии со смертельным исходом произошли на нескольких береговых объектах в первые годы существования отрасли. С тех пор были введены более строгие правила эксплуатации и техники безопасности. ^[14] Довольно полный перечень и обсуждение инцидентов, произошедших с морскими перевозчиками, наземными объектами (заводы по сжижению и приемные терминалы) и с танкерами СПГ на дорогах, доступен в Интернете. ^[17]

Единицы измерения и преобразования

В большей части доступной технической литературы по СПГ используются определенные единицы измерения и преобразования, которые варьируются от одного литературного источника к другому. Ключевые единицы и преобразования изложены ниже, чтобы сделать доступным единый набор непротиворечивых данных:

Основные блоки:

• 1 кубический метр (м ³ ) = 35,315 кубических футов (фут ³ )
• 1 метрическая тонна (т) = 1 тонна = 1000 кг = 2204,6 фунта = 1,1023 короткая тонна (тонна) ^(а)
• 1 короткая тонна (тонна) = 2000 фунтов = 0,9072 метрических тонны (т) = 0,9072 тонны = 907,2 кг

Определения:

• Плотность СПГ = 450 кг/м ³ = 0,45 т/м ^{3 (b)}
• 1 метрическая тонна СПГ = 2,222 м ³ СПГ = 1 360 м ³ природного газа (при предполагаемом давлении 1 атм и температуре 0 °C) ^{(b) (c)}
• 1 короткая тонна СПГ = 71,18 фута ³ СПГ = 46 053 фута ³ природного газа (при предполагаемом давлении 1 атм и температуре 60 °F) ^{(b) (c)}

Примечания:
(a) Стандарт США единицы включают как короткую тонну (2000 фунтов), так и длинную тонну (2240 ​​фунтов).
(b) Плотность СПГ варьируется от одного литературного источника к другому. Объемы природного газа на метрическую тонну СПГ и на короткую тонну СПГ также варьируются от одного источника к другому, поскольку каждый источник предположительно использует разные эталонные условия температуры и давления газа.
(c) Техническая литература по СПГ, по большей части, явно не определяет исходные условия температуры и давления газа при указании объемов природного газа в либо кубические метры, либо кубические футы.

Сжиженный нефтяной газ, несколько похожее вещество

Сжиженный нефтяной газ или сжиженный нефтяной газ представляет собой несколько похожее вещество, состоящее либо из пропана, либо из бутана, либо из смеси пропана и бутана с возможными следами пропилена и бутиленов. Эти соединения являются побочными газами, выделяемыми на нефтеперерабатывающих заводах и заводах по переработке природного газа. Они имеют гораздо более высокую температуру кипения, чем СПГ, и легко сжижаются при температуре около 20 °C и давлении от 2 атмосфер (для чистого бутана) до 8 атмосфер (для чистого пропана).

Сжиженный нефтяной газ также упоминается как LP газ или, в некоторых странах, как автогаз . Он широко продается в стальных баллонах под давлением, как показано на рис. 2, а также в гораздо меньших баллонах. LPG имеет множество применений, в том числе:

• топливо для отопления жилых помещений и приготовления пищи в сельской местности, где нет природного газа
Топливо
• для грилей-барбекю, отопления и приготовления пищи в автодомах и кемпинговых плитах.
• хладагент для небольших кондиционеров
• Топливо для малых паяльных и сварочных горелок
• топливо для автомобилей, предназначенных для работы на сжиженном газе (см. рис. 7)

Ссылки

1. ↑ ^{1.0 1.1 1.2} Часто задаваемые вопросы о сжиженном природном газе ref> тег; имя “CalifEnergyCommission” определено несколько раз с разным содержанием
2. ↑ ^{2,0 2,1 2,2 2.3 2.4 2.5} Введение в СПГ Мишель Мишо Фосс (обновлено в январе 2007 г.), Центр экономики энергетики (CEE), Бюро экономической геологии, Школа геонаук Джексона, Техасский университет Ошибка цитирования: неверный тег ; имя “CEE” определено несколько раз с разным содержанием
3. ↑ ^{3.0 3.1} Мир энергетики : технология СПГ – процессы, основы процессов сжижения
4. ↑ ^{4.0 4.1} Сеть сжиженного природного газа
5. ↑ LNG Technology С. Мадхаван (август 2010 г.), Kellogg Brown & Root, Inc., Хьюстон, Техас
6. ↑ ^{6,0 6,1} Примечание: 1 метрическая тонна = 1 т = 1 тонна = 1000 кг = 2204,6 фунта = 1,1023 коротких тонны
7. ↑ Майкл Р. Тузиани и Гордон Ширер (2007). СПГ: нетехнический справочник . Pennwell Corp., стр. 138. ISBN 0-87814-885-X.
8. ↑ ^{8,0 8.1 8.2} Содействие торговле СПГ: Роль Энергетической Хартии 2008 г., Приложения A, C и E, с веб-сайта Секретариата Энергетической Хартии.
9. ↑ Примечание: Предположительно, стандартный кубический метр газа определяется как газ при нормальных условиях давления в 1 атмосферу и температуре 0 °C. Однако в большей части технической литературы по СПГ эталонные условия явно не определяются.
10. ↑ Исследование сосредоточено на шести системах регазификации СПГ Брайан Эйзентраут, Стив Винтеркорн и Барбара Вебер, LNG Journal , июль/август 2006 г., стр. 21.
11. ↑ Emaco Group: Практические примеры
12. ↑ Примечание: Если в воздухе содержится менее 5 объемных % или более 15 объемных % паров природного газа, газ не будет гореть.
13. ↑ Часто задаваемые вопросы: СПГ] С сайта Федеральной комиссии по регулированию в энергетике
14. ↑ ^{14,0 14,1 14,2 14,3} Безопасность и защита СПГ Мишель Мишо Фосс (октябрь 2003 г.