Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра

им. Н.Э. Баумана
МГТУ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

УДК 661.9 : 553.98
ББК 35.514
Б254

Рецензент ведущий специалист ФГУП «КБОМ им. В.П. Бармина»
И.И. Курицына

Бармин И.В., Кунис И.Д.
Б254
Сжиженный природный газ вчера, сегодня и завтра / Под
ред. А.М. Архарова. – М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана,
2009. – 256 с.: ил.

ISBN 9785703832417

Изложены основные результаты работ ФГУП «КБОМ
им. В.П. Бармина» по сжиженному природному газу (СПГ), в большинстве своем выполненных в 1991–2004 гг. в рамках конверсии
с участием смежных предприятий, материалы конференций, прошедших в 1991–2007 гг., и данные, содержащиеся в научной литературе.
Приведены технические характеристики этого альтернативного
вида топлива, области его целесообразного применения, современное
состояние и тенденции развития мировой и российской промышленности по производству и использованию СПГ.
Проанализированы компонентный состав СПГ, новые данные
по фазовым равновесиям смесей углеводородов и примесей, входящих
в состав природного газа, схемы установок для получения СПГ в зависимости от их производительности и назначения, очистки природного
газа от примесей и его осушки.
Впервые показана целесообразность использования СПГ повышенной плотности, способы получения охлажденного СПГ, а также
средства его хранения и транспортировки, способы заправки баков потребителя.
Должное внимание уделено оборудованию, изоляции и материалам, разработанным для других криогенных систем, но которые могут быть использованы при работах с СПГ, а также вопросам пожаровзрывобезопасности и экологическим аспектам этого продукта.
Для студентов и инженеров, специализирующихся в области
создания и эксплуатации криогенной техники и газовых систем.

УДК 661.9 : 553.98
ББК 35.514

© И.В. Бармин, И.Д. Кунис, 2008
© Оформление. Издательство МГТУ
ISBN 9785703832417
им. Н.Э. Баумана, 2008

Оглавление

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   5
Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   7
1. Физикохимические свойства СПГ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  15
2. Состояние и тенденции развития мировой
промышленности производства и использования СПГ  . . . . . . . . . . . . . . . .  21
2.1. Производство СПГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  21
2.2. Использование СПГ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  31
3. Перспективы производства СПГ в Российской Федерации  . . . . . . . . . . . .  40
4. Использование СПГ в различных отраслях хозяйства России  . . . . . . . .  47
4.1. Использование СПГ в ракетнокосмической технике . . . . . . . . . .  47
4.2. Использование СПГ в авиации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  54
4.3. Использование СПГ на железнодорожном транспорте  . . . . . . . . .  66
4.4. Использование СПГ в автомобильном транспорте  . . . . . . . . . . . .  72
4.5. Использование СПГ в водном транспорте  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  84
4.6. Использование СПГ для газификации удаленных
населенных пунктов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  91
4.7. Использование СПГ в сельскохозяйственном производстве  . . .  93
4.8. Использование СПГ для покрытия пиковых нагрузок
газопотребления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.9. Использование холода, получаемого при газификации СПГ  . . . . 109
5. Получение СПГ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1. Общие принципы расчета холодильных циклов  . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2. Технологические схемы установок (заводов) по сжижению
природного газа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3. Очистка и осушка природного газа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6. Получение и использование СПГ повышенной плотности  . . . . . . . . . . . . . 146
7. Фазовые равновесия «жидкость — твердое тело». Факторы,
влияющие на изменение кондиции СПГ в процессе эксплуатации
заправочных систем  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.1. Зависимость свойств СПГ от его компонентного состава  . . . . . . 153
7.2. Характеристики примесей в СПГ, представляющих
опасность при эксплуатации заправочных систем  . . . . . . . . . . . . . 154
7.3. Факторы, влияющие на изменение кондиции СПГ
в процессе эксплуатации заправочных систем  . . . . . . . . . . . . . . . . 163

8. Средства хранения и транспортировки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.1. Резервуары для хранения СПГ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8.2. Средства перевозки СПГ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9. Заправка баков потребителя  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10. Комплектующее оборудование и материалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
10.1. Средства получения газообразного азота  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
10.2. Насосные агрегаты  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
10.3. Холодильногазовые машины  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.4. Криогенные трубопроводы и арматура  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
10.5. Газификационные установки высокого давления  . . . . . . . . . . . . . 213
10.6. Газификаторы низкого давления и теплообменные аппараты  . . 214
10.7. Тепловая изоляция  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
10.8. Приборное обеспечение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.9. Материалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
11. Вопросы пожаробезопасности и экологические аспекты
использования СПГ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
11.1. Пожаровзрывобезопасность  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
11.2. Противопожарная защита  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
11.3. Экологические аспекты  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Послесловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Список литературы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

Предисловие

В настоящей книге авторы попытались обобщить основные результаты работ по получению и использованию сжиженного природного газа (СПГ), выполненных в рамках конверсии ФГУП «Конструкторское бюро общего машиностроения им. В.П. Бармина»
(КБОМ) с участием смежных предприятий с 1992 г. по настоящее
время. Кроме того, при написании книги были использованы данные, полученные в ходе научных изысканий, материалы статей, докладов, сделанных на конференциях, посвященных рассматриваемым
в книге вопросам, а также литературные данные.
Имея большой опыт в области криогенных заправочных систем
для ракетнокосмической техники, КБОМ сочло полезным использовать его при создании средств получения и внедрении СПГ в различные отрасли промышленности, показав техническую и экономическую целесообразность применения этого энергоносителя
и одновременно выявив его достоинства и недостатки.
Неоценимую помощь при выполнении этих работ оказали сотрудники ОАО «Туполев», ООО «ВНИИгаз» (отдел проф. Г.Э. Одишария), ВВИА им. Н.Е. Жуковского, МЭИ (кафедра криогенной
техники), ЗАО «СигмаГаз» и др.
Поскольку КБОМ является комплексным предприятием, занимающимся созданием и эксплуатацией объектов наземной инфраструктуры для ракетнокосмической техники, работы по СПГ велись
в направлении создания наземной инфраструктуры, необходимой для
использования СПГ в ракетнокосмической технике, авиации, автомобильном, железнодорожном (тепловозы) и водном (морские и речные суда) транспорте, в различных отраслях сельского хозяйства
и сельскохозяйственного машиностроения и др.
Задача создания наземной инфраструктуры СПГ включает в себя
организацию его промышленного получения, доставку СПГ потребителям, а также хранение и заправку баков потребителя. Разработка наземной инфраструктуры должна вестись с учетом экономической и технической конкурентоспособности этого топлива, интересов

и специфики потребителей. Так, например, инфраструктура обеспечения СПГ сельского хозяйства должна учитывать сезонность работ
(осень — весна). В зимнее время СПГ может использоваться для
отопления помещений, котельных и т. п.
Целесообразность издания этой книги авторы видят в том, что,
по их убеждению, СПГ, особенно как топливо, уже в ближайшее
время будет востребован различными отраслями хозяйства России,
а изложенные в ней материалы окажут помощь при его внедрении.
Авторы выражают искреннюю благодарность И.И. Курицыной,
взявшей на себя труд по рецензированию рукописи и сделавшей ряд
ценных замечаний, а также Е.Ю. Гарбарчик и Н.М. Фроловой за
помощь в уточнении и оформлении материалов книги.

Введение

Бурное развитие промышленности и транспорта в последние
25–50 лет, связанное с научнотехническим прогрессом, вызвало
серьезный рост энергопотребления и, как следствие, рост потребления углеводородных топлив.
После распада СССР Россия лишилась значительной части источников дешевых энергоресурсов – богатых и, главное, легкодоступных месторождений, особенно нефти. Остались сибирские
и в основном северные месторождения. Значительно возрастающая
изза суровых климатических условий стоимость добычи, наряду
с необходимостью транспортировки продукта за тысячи километров
в центральные и южные районы России, где проживает 80 % населения, сделало нефть изначально дорогим продуктом. Кроме того,
имеются данные, что при современном уровне потребления разведанных запасов сырой нефти скоро будет не хватать.
В нашей стране нефтеперерабатывающая промышленность использует технологию, позволяющую получать около 40 % светлых
продуктов (бензин, керосин, дизельное топливо) от общего количества перерабатываемого сырья, причем топливо для реактивных двигателей составляет только 6 %. Это вызывает дефицит топлива для
транспорта, и особенно для авиации. Переход на технологию, аналогичную применяемой в США и Японии, с получением до 70 %
светлых продуктов и выходом топлива для реактивных двигателей
10...12 % возможен не менее чем через 10–15 лет при капитальных
затратах в миллиарды долларов.
В стране сложилась непростая экологическая обстановка. Только транспорт выбрасывает в атмосферу порядка 16,5 млн т загрязняющих веществ в год. По данным Международного симпозиума «Альтернативная энергетика для транспортных средств», проходившего
24 августа 1994 г., экологический ущерб от воздействия транспортных средств в России оценивался в 4,8 млрд долл. [1]. За прошедшие
15 лет положение не улучшилось.

В связи с этим перед Россией встали две глобальные проблемы:
поиск возможностей и путей перехода на новые альтернативные
виды топлива и разработка и принятие мер по улучшению экологической обстановки.
Изучение и анализ возможностей производства и применения альтернативных видов топлива показали, что наиболее перспективным
является криогенное топливо — СПГ, состоящий главным образом из
метана, и жидкий водород. Его основными особенностями являются
меньшая по сравнению с керосином плотность и низкая температура
кипения, но более высокая теплотворная способность, что обеспечивает более полное превращение тепловой энергии в механическую.
Природный газ как энергоноситель в 3–5 раз дешевле топлива,
полученного из нефти, что делает его весьма конкурентоспособным.
Однако криотопливо имеет следующие недостатки: малую плотность, крайне низкие температуры существования и хранения, летучесть, а при неумелом обращении — взрывоопасность, что изначально вызывает определенную настороженность при постановке вопроса
об их использовании и сомнение в целесообразности широкого
внедрения такого вида энергоносителей, даже несмотря на энергетические, экономические и экологические преимущества. Этим
в значительной мере можно объяснить многолетнее торможение инвестирования и низкие темпы работ по практическому решению
задач и внедрению СПГ в промышленность и сельское хозяйство.
Жидкий водород, имеющий при атмосферном давлении температуру –254 °С, является уникальным энергоносителем с неограниченной сырьевой природной базой. Однако ввиду того, что водород
в природе находится в химически связанном состоянии, для промышленного использования его необходимо получать на специализированных заводах путем гидролиза воды или конверсией природного газа и далее сжижать.
В России в связи с развитием ракетнокосмической техники
и ядерной физики были успешно решены сложнейшие технические
вопросы по созданию крупных систем заправки ракет и космических
аппаратов кипящим и охлажденным (впервые в мире) жидким водородом, вопросы техники безопасности и пожаровзрывопредупреждения при его использовании в промышленном масштабе, разработана
энергосберегающая технология получения газообразного водорода
из жидкого, создано необходимое оборудование для эксплуатации
жидкостных водородных систем и средства их перевозки. Однако
внедрение жидкого водорода сдерживается отсутствием его товарного производства (мощность единственного заводаожижителя в Российской Федерации составляет всего 800 т/г.) и высокой стоимостью

(10...12 долл./кг). Для создания рентабельного производства жидкого водорода в России требуются значительные капиталовложения,
и в первую очередь в фундаментальные исследования новых методов и процессов его производства и потребления.
Перспективным альтернативным топливом представляется сжиженный природный газ. Россия располагает мощной разветвленной
сетью газопроводов, что позволяет отбирать газ для сжижения практически в любом промышленно развитом районе, в том числе вблизи крупных аэропортов. Другим возможным способом обеспечения
потребителей СПГ является его сжижение вблизи месторождений
и транспортирование в жидком виде.
Успешное развитие газовой отрасли основывается на прочной
сырьевой базе — Россия обладает более 34 % всех мировых разведанных запасов природного газа. Добыча газа в России в основном
осуществляется организациями ОАО «Газпром». В 2003 г. было получено 540 млрд м3 газа, а к 2020 г. планируется довести добычу до
580...590 млрд м3.
Главная ресурсная база этой отрасли — Западная Сибирь. В настоящее время крупнейшие месторождения этого региона перешли
в заключительную стадию эксплуатации – добыча газа здесь снижается на 20...25 млрд м3/г. Компенсацию потерь предстоит осуществить за счет разработки новых месторождений, в первую очередь
на полуострове Ямал.
Еще один из перспективных районов газодобычи в России –
арктический шельф, где первоочередным объектом является Штокмановское месторождение с крупнейшими запасами газа. В последнее время для его освоения привлечены фирмы из Норвегии и Германии.
На востоке России сосредоточено более 25 % всех суммарных
ресурсов природного газа страны. В настоящее время ОАО «Газпром» совместно с Минтопэнерго России проводит доработку программы создания в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке единой
системы добычи, транспортировки газа и газоснабжения с учетом
его возможного экспорта на рынки стран АзиатскоТихоокеанского
региона. Основой для перспективы системы газоснабжения востока
России проектом планируется создание Центральной газопроводной магистрали.
В России обеспечение промышленности, транспорта, сельскохозяйственного производства и населения природным газом осуществляется через систему магистральных газопроводов. По трубопроводам природный газ транспортируется и на экспорт. Протяженность
распределительных трубопроводов в России достигла 565 тыс. км,

мощность компрессорных станций 42 млн кВт при давлении транспортируемого газа до 7,4 МПа, газ обрабатывается на 380 газонаполнительных станциях. Газификация промышленных, коммунальнобытовых и сельскохозяйственных объектов в России за счет
трубопроводного транспортирования газа достигла почти 192 тыс. ед.
в городах и более 72 тыс. ед. в сельской местности, при этом ежегодно на селе вводится в действие 10...12 тыс. км газовых трубопроводных сетей [1].
Как автомобили, так и сельхозтехника постепенно переводятся на
работу на компримированном (сжатом) газе (КПГ), что позволяет
сельхозпредприятиям на 50...70 % уменьшить затраты на светлые
нефтепродукты, повысить надежность топливообеспечения техники
в 2 раза и сократить выбросы в окружающую среду в 4–5 раз [1]. Для
заправки автомобилей в различных регионах страны действуют автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС).
Несмотря на освоение крупнейших газовых месторождений
и экспорт громадных объемов газа, Россия остается относительно
слабо газифицированной страной: большое число городских и сельских населенных пунктов не газифицировано, газ не используется
там, где это очевидно выгодно.
Освоение новых газовых месторождений Восточной Сибири
и Дальнего Востока с использованием технологии транспортировки
газа потребителям по трубопроводам приведет к уничтожению многих гектаров лесов, земляных угодий, нарушению экосистемы тайги,
прокладке сотен километров труб в условиях горного рельефа, строительству десятков газоперекачивающих станций и их эксплуатации
в сложных климатических условиях и т.д. Поэтому так актуальна
проблема сжижения природного газа и его дальнейшей доставки с помощью всех видов транспортных средств, включая авиацию.
Мировая газовая промышленность широко применяет технику
низких температур, которая позволяет получать СПГ в больших
количествах (при сжижении его объем уменьшается в 600 раз)
и транспортировать его на большие расстояния в первую очередь
морским флотом.
СПГ используется за рубежом как горючее в различных транспортных средствах (автомобили, тепловозы, морские суда, сельскохозяйственные машины). Находясь в емкостях в сжиженном состоянии, СПГ позволяет регулировать газопотребление (пиковые
нагрузки) за счет газификации* сжиженного газа. В мировой энер*  Некоторые авторы получение газообразного продукта из жидкого природного газа называют регазификацией.

гетике доля сжиженного природного газа постоянно растет (до 7 %
в год), а объем производства достигает 120 млрд м3/г.
Объемы производства СПГ в России незначительны, производительность небольших заводов составляет от нескольких сотен
килограммов до тонны в час. Некоторый опыт имеется в эксплуатации автомобилей и тепловозов на СПГ, впервые в мире осуществлены полеты авиации на этом топливе. Но сегодня Россия не располагает промышленными мощностями для производства СПГ и на
мировом рынке СПГ не представлена. Вместе с тем Россия, как
никакая другая страна, имеет развитую сеть действующих магистральных газопроводов и у нее имеется уникальная возможность
решить задачу освоения СПГ как альтернативного топлива для
многих отраслей промышленности.
В середине 1950х гг. в Советском Союзе были развернуты работы по внедрению криогенных компонентов топлива в ракетнокосмическую технику, в результате были созданы современные заправочные криогенные системы и их комплектующие, позволившие
успешно создавать и эксплуатировать ракетнокосмические комплексы страны. Особых успехов криогенная техника добилась при
создании ракетнокосмического комплекса «Энергия — Буран» [2].
Было освоено производство широкого ассортимента сосудов и резервуаров для жидких кислорода, азота, водорода с экранновакуумной и порошкововакуумной изоляцией объемом 0,3...250 м3 в передвижном и стационарном (для крупных резервуаров) исполнении.
В 1980х гг. были спроектированы и построены сферические резервуары объемом 1440 м3, наружным диаметром 18 м с малыми потерями продукта на испарение (0,1...0,3 % в сутки), в том числе для
жидкого водорода. Созданы крупные изотермические резервуары с невакуумной перлитной изоляцией объемом до 5000 м3 и более.
В Российской Федерации решены вопросы транспортировки
криогенных продуктов практически на любое расстояние железнодорожным и автомобильным транспортом, а также по трубопроводам (до 1 км). Разработаны трубопроводы для криогенных продуктов разных типоразмеров с внутренними диаметрами до 400 мм,
криогенная дистанционно управляемая арматура различных диаметров, газовые редукторы и пневмощиты с дистанционно управляемой арматурой, созданы высокоэффективные теплообменные аппараты, машинное оборудование (центробежные насосы, вакуумные
насосы, эжекторные установки и др.), приборы, необходимые для
обеспечения безопасности работ с криогенными продуктами, с дистанционной передачей показаний на пульт управления. Разработана оригинальная технология безопасной подготовки оборудования

систем и баков потребителей для работ со взрывои пожароопасными горючими материалами, в том числе с жидким водородом. Для
контроля качества подготовки оборудования к заполнению были
сконструированы автоматические однофункциональные аналоговые,
в том числе хроматографические, приборы с выдачей сигнала на дистанционные пульты управления. Отечественные криогенные резервуары, трубопроводы, арматура, приборное обеспечение по своим тепловым, массогабаритным и точностным характеристикам не уступают
зарубежным, а по некоторым параметрам превосходят их. Разработанное оборудование и опыт эксплуатации образцов криогенной
техники позволяют широко использовать их при создании эффективных установок получения СПГ и средств его эксплуатации.
В настоящее время для решения задачи получения, хранения
и обеспечения заправки СПГ в России имеется достаточная научнопроизводственная и техническая база. Во многих случаях СПГ можно получать вблизи от потребителей, что исключает необходимость
его перевозки. На рис. B1 представлены возможные области применения СПГ в хозяйстве страны.
Однако в Российской Федерации отсутствует промышленная
инфраструктура получения и использования СПГ, что не в последнюю очередь зависит от позиции ОАО «Газпром», создавшего разветвленную сеть снабжения газом потребителей исключительно за
счет магистральных трубопроводов и продолжающего развивать
отрасль в этом направлении. Многие работы по СПГ, в том числе
выполненные по заказу ОАО «Газпром» и давшие положительные
результаты, до сих пор не внедряются и не входят в долгосрочные
планы по газификации различных отраслей хозяйства страны.
В последнее время в России несколько западных фирм заканчивают строительство крупнейшего в мире завода по производству
СПГ «СахалинII» на базе разведанных там огромных запасов природного газа в основном для его экспорта. Газ для сжижения будет
доставляться на завод как с материковых скважин, так и со стационарных морских платформ по трубопроводам.
Разработка опытных образцов отдельных видов техники, использующих СПГ, научные исследования по этой проблеме тормозятся в связи с отсутствием финансирования и относительно длительным периодом окупаемости вложенных средств (5–10 лет), хотя
для нового вида топлива и вновь создаваемой передовой и эффективной техники это не такой долгий срок.
Мировая практика показывает, что опытные образцы новой техники, как правило, создаются при поддержке правительства и финансировании из федерального бюджета.