В работе рассмотрена возможность создания цикла сжижения природного газа на смешанном хладагенте, в состав которого будет входить гелий. Было изучено влияние содержания гелия на удельные энергетические затраты установки сжижения при изменяющихся внешних параметрах. Цикл моделируется с использованием программного пакета Aspen Hysys.
Индустрия СПГ сегодня
В 2008 году совет директоров ОАО «Газпром» утвердил Стратегию развития сегмента СПГ, где предусматривалось через 15 лет обеспечить ежегодное производство до 90 млн тонн сжиженного газа на собственной сырьевой базе. Решению предшествовала жесткая дискуссия о рыночных рисках амбициозного плана. На тот момент в России завершалось строительство завода на Сахалине, а в США и Австралии не планировали собственных СПГ-производств. Сегодня Россия силами НОВАТЭКа и Газпрома производит всего лишь около 30 млн тонн СПГ. США заявили о мощностях в 95 млн тонн в год, а Австралия о 85 млн тонн в год. В отличие от ситуации начала 2000-х, одним из серьезных препятствий развитию сегмента СПГ в России сегодня стали технологические санкции. Поиск отечественных технологий и оборудования по-прежнему является актуальной научно-технической задачей.
Основные тенденции развития технологий сжижения
Существует два пути развития производства СПГ – экстенсивный и интенсивный. Вариант экстенсивного развития связан с увеличением производительности технологической линии. Здесь ключевую роль играют следующие параметры:
1) число холодильных циклов;
2) производительность компрессоров;
3) мощность приводов компрессоров;
4) размеры и конструкции теплообменников.
Вариант интенсивного развития связан с совершенствованием самой технологии сжижения. Например, замена клапанов Джоуля-Томсона на жидкостные или двухфазные детандеры.
Перспективный путь интенсивного развития технологий сжижения природного газа – это оптимизация состава смешанного хладагента. При подборе состава хладагента необходимо учитывать множество факторов – состав сырьевого газа, климатические условия, в которых осуществляется технологический процесс, производительность технологической линии и др. В связи с этим состав хладагента необходимо подбирать для каждой технологической линии индивидуально [1].
Технологический процесс C3MR (APCI) (С3 – пропан, MR – multicomponent refrigerant – многокомпонентный хладагент) – самая распространенная технология сжижения в мире. Процесс получил такое широкое распространение благодаря сочетанию преимуществ каскадного процесса на чистых хладагентах с технологией на смешанном хладагенте, из-за чего энергозатраты минимизируются, вывод установки на режим облегчается, а за счет применения в предохлаждении однокомпонентного хладагента – пропана – расчет цикла упрощается. Однако существуют недостатки при размещении завода, работающего по данной технологии на Севере. Такой процесс в холодном, тем более в арктическом климате будет менее эффективным, чем в теплой климатической зоне, поскольку пропановое предохлаждение позволяет охлаждать природный газ лишь до −35 °С, а в арктическом климате температура окружающего воздуха может опускаться и ниже указанной температуры. Для того, чтобы обеспечить работу пропанового цикла зимой, завод на Ямале получает сырьевой газ месторождения с температурой, близкой к пластовой, поэтому не использует в полной мере преимущества. Авторы считают, что для холодного климата можно подобрать более подходящие технологии [2].
В целях изучения дальнейших перспектив технологий сжижения было рассмотрено расширение состава смешанного хладагента путем добавления в него гелия, который обладает уникальными физическими свойствами и является достаточно распространенной средой в криогенных системах. Производство гелия растет как в мире, так и в России. Благодаря вводу в эксплуатацию Амурского завода, максимальная проектная мощность которого составляет 60 млн м3 в год, Россия может стать лидером мирового рынка гелия. Таким образом, предлагаемый способ может стать дополнительной областью реализации производимого в стране гелия, а с учетом ввода Амурского завода данный вопрос является достаточно актуальным.
Моделирование цикла сжижения
Для исследования влияния содержания гелия на параметры процесса сжижения был выбран один из самых распространенных в мире процессов – холодильный цикл на смешанном хладагенте с пропановым предварительным охлаждением, схема которого представлена на рисунке 1, где смешанный хладагент, состоящий из гелия, азота и углеводородов от метана до изопентана, циркулирует по замкнутому контору при помощи компрессора.
Модель технологии выполнена при помощи программного пакета Aspen Hysys V10. Смоделированный цикл представлен на рисунке 2.
Для исследования влияния содержания гелия в составе хладагента на параметры процесса была использована функция оптимизатора, где массовый расход гелия постепенно увеличивался таким образом, чтобы его доля в общем потоке хладагента постепенно изменялась от 0 до 10 %. Для этого также была задана минимальная недорекуперация в теплообменниках: в LNG-100 5 К, в LNG-101 3 К. При помощи оптимизатора для каждого содержания гелия было подобрано такое соотношение остальных компонентов, чтобы величина минимальной недорекуперации для каждого из теплообменников максимально приближалась к заданной, а на Q-T диаграммах теплообменников отсутствовали температурные засечки. При этом были выбраны такие точки, у которых примерно одинаковый массовый расход итогового смешанного хладагента, чтобы исключить влияние этого фактора на итоговое изменение энергозатрат.
Состав хладагентов подобран с учетом исходных данных, указанных в таблице 1.
В результате изменения содержания гелия от 0 до 10 % были получены следующие данные, представленные в таблице 2 и на рисунке 3.
По графику на рисунке 3 видно, что при увеличении содержания Не до 3 % величина удельных энергозатрат снижается.
Анализ изменения удельных энергозатрат
Для изучения влияния содержания гелия в смешанном хладагенте на удельные энергетические затраты завода по сжижению было необходимо оценить изменение состава хладагента при изменении различных параметров – температуры окружающей среды, давления газа на входе в установку и увеличении производительности установки.
Производительность установки
Были проанализированы модели как крупнотоннажных, так и малотоннажных установок. Результаты сведены в таблицы 3 и 4. При увеличении содержании гелия до 3 мольн. % величина удельных энергозатрат достигает минимума для каждой из рассмотренных производительностей (рисунок 4).
В рамках модели проанализировано несколько вариантов изменения температуры природного газа на входе в установку: 40, 20 и 0 °С. Результаты отражены на рисунке 5. При снижении температуры окружающей среды удельные энергозатраты уменьшаются на всем интервале измерений. Аналогичные результаты получены для всех рассмотренных ранее производительностях установки.
Давление природного газа на входе в установку
Рассмотрено три варианта давления на входе в установку: 36, 45 и 55 бар. Результаты отражены на рисунке 6. Как видно из полученной зависимости, с увеличением давления природного газа на входе величина удельных энергозатрат колеблется в пределах одного значения, однако общий характер кривой сохраняется. Минимум энергозатрат достигается при содержании гелия от 1 до 3 %.
Исходя из теоретических основ процесса, увеличение давления влияет на конечную температуру потока природного газа за счет увеличения дроссель-эффекта, благодаря чему можно сократить количество хладагента и соответственно снизить энергозатраты на его циркуляцию. В рамках данной модели такой зависимости выявить не удалось. Такой неоднозначный результат можно объяснить подбором состава хладагента в каждой точке и невозможностью фиксирования состава всех компонентов, помимо гелия, в условиях моделирования.
Выводы
В рассмотренной модели цикла сжижения газа на смешанном хладагенте при изменении содержания гелия в составе хладагента от 0 до 10 % были выявлены следующие закономерности:
· Ведение гелия в небольших количествах в состав смешанного хладагента позволяет снизить энергетические затраты цикла сжижения.
· При снижении температуры окружающей среды величина удельных энергетических затрат снижается, при этом характер графика не изменяется и проходит через минимум.
· При увеличении производительности установки величина удельных энергетических затрат колеблется в пределах одного значения для каждого участка кривой, характер графика сохраняется и проходит через минимум.
Такой характер кривой можно объяснить тем, что при увеличении содержания гелия общий состав смесевого хладагента облегчается, благодаря чему достигается снижение энергозатрат. Также их снижению может способствовать низкая критическая температура гелия и его близость к идеальным газам. Суммарная затрата работы компрессора снижается при равном отношении давлений между ступенями [3], и для реального газа добиться такого распределения гораздо сложнее, чем для идеального. Дальнейшее увеличение энергозатрат можно объяснить возрастающими потерями гелия, который обладает высокой проницаемостью [4].
Таким образом, можно говорить о целесообразности использования гелия в качестве компонента смешанного хладагента. Результаты работы возможно интерпретировать относительно технологий, в которых присутствует контур, работающий на смешанном хладагенте. Снижение энергетических затрат установки позволит снизить общие эксплуатационные затраты завода по сжижению при незначительном увеличении капитальных затрат [5].
Литература
1. Федорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа: технологии и оборудование. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011 г. – 159 с.
2. Мещерин И.В., Настин А.С. Анализ технологий получения сжиженного природного газа в условиях арктического климата // Труды РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина. 2016 г. № 3 (284). – С. 144–157.
3. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. – М.: Машиностроение, 1969 г. – 744 с.
4. N.S. Walimbe, K.G. Narayankhedkar, M.D. Atrey Experimental investigation on mixed refrigerant Joule–Thomson cryocooler with flammable and non-flammable refrigerant mixtures // Cryogenics № 50, 2010 г. – С. 653–659.
5. Мещерин И.В., Разорёнова Е.П. Технология сжижения газа с использованием в качестве хладагента гелийсодержащих смесей // Газовая промышленность № 5 (816), 2021 г. – С. 92–99.
