Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка отечественной технологии сжижения природного газа, основанной на применении смесевого холодильного цикла

Номер контракта: 14.580.21.0007

Руководитель: Жердев Анатолий Анатольевич

Должность: Руководитель НУК "Энергомашиностроение" МГТУ им. Н.Э. Баумана

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
сжиженный природный газ, спг, неизотермическое охлаждение, конденсация газа, смесь хладагентов, холодильная машина, энергосбережение, низкотемпературный холодильный цикл

Цель проекта:
Основными целями настоящих ПНИЭР, реализуемых в рамках комплексного проекта, являются: - разработка энергоэффективной отечественной технологии сжижения природного газа (состав которого соответствует газу горючему природному, поставляемому и транспортируемому по магистральным газопроводам согласно СТО Газпром 089-2010), основанной на применении смесевого холодильного цикла; - преодоление импортозависимости в области установок для сжижения природного газа, и постановка их на производство Индустриальным партнёром.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные результаты проекта:
1) Система автоматизации и программное обеспечение, позволяющие проектировать СПГ-установки со смесевой холодильной машиной и её компоненты.
2) Модернизированный, патентоспособный цикл холодильной машины, работающей на многокомпонентных смесях хладагентов, позволяющий обеспечить эффективность процесса ожижения не хуже, чем 0,35 кВт/кг СПГ в час.
3) Экспериментальная СПГ-установка, производительностью не менее 100 кг/час, позволяющая отрабатывать состав многокомпонентного хладагента, режимы работы и конструкцию проектируемых промышленных установок.
4) Кооперация с отечественными производителями компрессоров для смесевого хладагента и витых многопоточных теплообменных аппаратов, позволяющих создавать СПГ-установки производительностью не менее 10 тонн/час.
5) Технический проект СПГ-установки, производительностью 10 тонн/час и показателем удельных затрат энергии не выше ≈0,35 кВт*ч/кг.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Проведение ПНИЭР позволит создать первую отечественную патентоспособную технологию сжижения природного газа, основанную на применении смесевого холодильного цикла, обладающую энергетической эффективностью и технико-экономическими показателями, не уступающими лучшим мировым технологиям. На базе данной технологии начиная с 2018 года будет освоено строительство установок сжижения природного газа (далее – СПГ- установок) производительностью от 10 до 60 тонн/час. В дальнейшем предполагается строительство крупнотоннажных установок производительностью до 600 и более тонн/час.
В результате выполнения ПНИЭР:
Проведены литературный и патентный поиск существующих парокомпрессионных холодильных циклов на смесях хладагентов, использующихся для сжижения природного газа. В качестве результатов анализа и поиска систематизированы все существующие холодильные циклы, использующиеся для сжижения, проанализированы их преимущества и недостатки, определены наиболее перспективные направления совершенствования циклов на смесях.
По результатам анализа возможных областей использования СПГ-установок в России, возможностей российских предприятий по производству установок и технико-экономических требований к СПГ-установкам разработаны исходные данные для проектирования экспериментальной СПГ-установки и СПГ-установки производительностью 10 тонн/час.
Проанализированы существующие методики расчета и оптимизации холодильных циклов, использующихся для сжижения природного газа. Наиболее передовыми математическими методами, использующимися для оптимизации сложных систем по большому количеству переменных в настоящее время являются последовательное квадратичное программирование и стохастический анализ. Данные методы использовались при создании методик оптимизации холодильных циклов СПГ-установок.
Созданы математические модели циклов холодильных машин на смесях, методики расчёта и оптимизации холодильного цикла, методики подбора оптимального состава хладагента в зависимости от состава природного газа и методики подбора компрессорного и теплообменного оборудования, предназначенные для разработки программного обеспечения для проектирования СПГ-установок и её компонентов и использования его Индустриальным партнёром при расчёте, оптимизации и проектировании будущих СПГ-установок любой заданной производительности. Методики реализованы в MATLAB и ASPEN HYSYS.
В результате проведения численных исследований по сравнению энергетических и других характеристик различных вариантов смесевых холодильных циклов планируется внесение модификаций в циклы и, следовательно, создание условий для увеличения их энергоэффективности. Будет разработан модернизированный цикл холодильной машины СПГ-установки.
Для проверки и подтверждения результатов численных исследований, а также экспериментальной апробации разработанных методик, разработана и изготовлена лабораторная СПГ-установка, реализующая разработанный цикл.
На основе проведенных расчетов будут разработаны исходные данные для проектирования экспериментальной СПГ-установки и СПГ-установки производительностью 10 тонн/час.
Будут проведены патентные исследования по теме ПНИЭР в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. Целями исследования являются: сбор и анализ информации, определение технического уровня; определение тенденций развития объекта исследования; определение на основе технико-экономических показателей наиболее актуальных тенденций развития, исследование динамики патентования изобретений в рассматриваемой области; изучение географии патентования и распределения инновационных технических решений среди физических лиц, организаций и фирм-правообладателей, для последующего создания отечественной технологии сжижения природного газа, соответствующей мировому уровню и являющейся патентоспособной.

Будет разработана система контроля и управления экспериментальной СПГ-установки. Система контроля и управления экспериментальной СПГ-установки должна обеспечивать как пусковые режимы работы установки, так и стабильную работу в установившемся режиме и при возможных перепадах входных параметров.
Будет разработана изготовлена и испытана экспериментальная СПГ-установка. Экспериментальная СПГ-установка предназначена для отработки на ней технологии создания промышленных установок заданной производительности и оценки Индустриальным партнером технологический готовности предприятия к выпуску продукции.
Экспериментальная СПГ-установка будет иметь следующие характеристики:
- производительность СПГ – не менее100 кг/ч;
- энергопотребление блока сжижения – не более 40 кВт;
- давление газа на входе в установку – не более 5 Мпа;
- давление СПГ в блоке хранения – атмосферное;
- время непрерывной работы – не менее 100 часов.
Экспериментальная СПГ-установка будет выполнена в контейнерном исполнении. В качестве компонентов смесевого хладагента холодильной машины будут использоваться углеводороды, азот и другие компоненты, содержащиеся в природном газе. Экспериментальная СПГ-установка позволит проводить ожижение природного газа различного состава с содержанием метана 80% и выше.
Будет разработан технический проект СПГ-установки производительностью не менее 10 т/ч, который предназначен для разработки Индустриальным партнёром рабочей конструкторской документации промышленной установки и последующего её изготовления за пределами данной ПНИЭР. В техническом проекте будут учтены следующие требования:
- удельные затраты энергии на производство СПГ должны составлять не более 0,35 кВт×ч/кг (в пересчете на ожижение чистого метана при давлении 50 бар с выдачей СПГ при 1 бар);
- технические требования к СПГ-установке производительностью не менее 10 т/ч должны соответствовать ГОСТ Р 55892-2013;
- СПГ-установка производительностью 10 т/ч должна быть предназначена для производства СПГ марки Б или марки В по ГОСТ Р 56021-2014. Марка производимого установкой СПГ должна определяться составом подаваемого на сжижение природного газа, который должен соответствовать СТО Газпром 089-2010.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
На базе технологии, разработанной при проведении ПНИЭР, начиная с 2018 года, начнётся освоение серийного производства СПГ-установок производительностью от 5 до 60 тонн/час.
Современной тенденцией является применение блочно-модульного принципа построения СПГ-установок. В рамках ПНИЭР, соответственно, планируется создание технологии сжижения, которая позволит разбивать установки на блоки и модули. Учитывая, что СПГ-установки производительностью более 5 тонн/час представляют из себя стационарные объекты и строятся из заранее изготовленных модулей непосредственно на местах, где они в дальнейшем будут эксплуатироваться, необходимо будет освоить производство отдельных модулей будущих установок и технологию их монтажа и пуско-наладки.
Конкретный состав и конструкция модулей, из которых будут состоять СПГ-установки будет определён в ходе выполнения работ, а именно при разработке технического проекта на СПГ-установку производительностью 10 тонн/час.
Отдельные модули, изготавливаемые на производстве, организованном индустриальным партнёром, могут объединять в себе, например, холодильную машину целиком или холодильную машину без основного криогенного теплообменника; блоки предподготовки, осушки и очистки.
Организация производства крупных комплектующих не потребуется. При этом в рамах проекта будет проработана кооперация с поставщиками основных комплектующих изделий для будущих СПГ-установок. В первую очередь, будут определены возможные поставщики компрессорного и теплообменного оборудования.
В РФ уже сейчас существует несколько организаций способных выпускать основные криогенные теплообменники для СПГ-установок производительностью не менее 10 тонн/час. Также существует несколько организаций, которые под заказ смогут изготовить компрессор для смесевого хладагента требующейся производительности. Таким образом, в случае отработки технологии на экспериментальной установке производительностью 100 кг/час есть все предпосылки для её масштабирования и создания промышленных установок.
Серийное производство будет организовано на производственных мощностях Индустриального партнёра проекта либо, может быть организовано по лицензии Индустриального партнёра на производственных мощностях сторонней компании (по принципу аутсорсинга). Генподрядчиком строительства всего объекта с СПГ-установкой, включая подвод всех коммуникаций может также выступать как Индустриальный партнёр, так и сторонняя организация.
Таким образом, после завершения ПНИЭР потребуются вложения в технологическую подготовку и организацию производственной площадки для сборки основных составляющих модулей будущих СПГ-установок. В случае организации данного производства на территории Индустриального партнёра, на существующем специализированном производстве объём данных вложений составит около 300 млн. руб.
Начиная с 2018 года объём вложений в производство СПГ-установок, в которых применяется технология сжижения, разработанная в рамках ПНИЭР ориентировочно будет составлять не менее 100 млн. руб. в год. То есть объём в денежном выражении разработанных, закупленных и произведенных составных частей СПГ-установок и СПГ-установок в целом составит не менее 100 млн. руб. в год. Источником данных средств будут заказчики СПГ-установок.
Производительность существующих в России СПГ-установок недостаточна для удовлетворения реального спроса на сжиженный природный газ. Рост потребления СПГ в России обусловлен стремлением потребителей диверсифицировать энергобаланс потребления различных энергоносителей и ужесточением экологического законодательства. Однако в настоящее время освоено производство только совсем небольших СПГ-установок (производительностью до 5 тонн/час), к тому же обладающих значительно более худшей (в 1,5 – 2 раза хуже) эффективностью по сравнению с поставляемыми из-за рубежа. В области средне и крупнотоннажных установок (производительностью от 10 до 600 тонн/час) наблюдается близкая к 100% импортозависимость. Единственный действующий завод крупнотоннажного СПГ (9,6 млн тонн/год – это только 4% мирового объёма рынка) Сахалин-2 полностью построен на импортных технологиях.
До 2022 года в России планируется расширить круг потребителей СПГ путем строительства ряда СПГ-установок для нужд флота (замена дизельного топлива), крупных горнообогатительных комбинатов, РЖД (газотурбовозов), автомобильного транспорта на СПГ и др.
Реализация проекта позволит произвести около 10 СПГ-установок и начать строительство еще около 10 в период 2018 – 2022 гг. общей стоимостью около 30 млрд. руб. (в ценах 2015г.) – см. таблицу 2. В дальнейшем предполагается строительство крупнотоннажных установок производительностью до 600 и более тонн/час.

Маркетинговый анализ показал, что основными направлениями использования сжиженного природного газа до 2022 года в РФ будут следующие:
- газоснабжение отдаленных от газопроводов населенных пунктов с возможностью автономной генерации электро и тепловой энергии, а также применение СПГ в качестве резервного топлива котельных. Актуальность определяется тем, что в настоящее время около 20 млн. жителей страны не имеют доступа к магистральному газопроводу.
- использование природного газа в качестве альтернативного топлива транспортных средств (газомоторное топливо). Расширение использования газа в качестве моторного топлива входит в перечень поручений Президента РФ Правительству РФ от 14.05.2013. Существующая программа реализации этих поручений предполагает создание суммарных мощностей по СПГ до 600 – 700 тонн/час.
- обеспечение экспортных поставок. Экспорт газа по трубопроводам в Европу снижается с каждым годом. Производство СПГ является способом диверсификации рынка и расширения возможностей экспорта российского газа, что является одним из основных источников валютных поступлений в страну и, соответственно, является критически важным. Стоимость СПГ, производимого одним таким заводом, как на о. Сахалин за год составляет около 5 млрд. долларов

Текущие результаты проекта:
1. Проведён аналитический обзор современной научно-технической информации о существующих парокомпрессионных холодильных циклах на смесях хладагентов, использующихся для сжижения природного газа. Выбраны наиболее эффективные (с точки зрения энергетики и величины капитальных затрат) циклы для сравнения и дальнейшей проработки.
2. Разработана методика расчёта и оптимизации холодильного цикла, методика подбора оптимального состава хладагента в зависимости от состава природного газа и методика подбора компрессорного и теплообменного оборудования.
3. Разработаны исходные данные для проектирования экспериментальной СПГ-установки и СПГ-установки производительностью 10 тонн/час.
4. Проведены численные исследования по сравнению энергетических и других характеристик различных вариантов смесевых холодильных циклов, разработан модернизированного цикл холодильной машины СПГ-установки.
5. Разработана лабораторная СПГ-установка.
6. Проведены патентные исследования по теме разработки. Выявлены тенденции патентования, проведена оценка патентоспособности предлагаемого холодильного цикла.