Оборудование для сжиженного природного газа: типы и функции

Криогенные емкости для хранения сжиженного природного газа

Хранение сжиженного природного газа (СПГ) осуществляется при криогенной температуре около минус 162 °C. Для удержания жидкости в таком состоянии применяются специализированные резервуары, которые классифицируются по типу теплоизоляции и рабочему давлению. Как будет показано в разделе об оборудовании для регазификации, выбор типа емкости напрямую влияет на схему последующей перекачки и испарения продукта. Основные технические параметры — материал корпуса, толщина изоляции и расчетное давление — определяются условиями эксплуатации и климатической зоной размещения объекта. Более полная информация о применяемых решениях доступна на https://lng.shelf.group.

Различия между атмосферными и вакуумными резервуарами

Атмосферные резервуары (также называемые изотермическими) имеют внутреннее давление, близкое к атмосферному (обычно до 0,05–0,8 МПа). Их теплоизоляция выполняется из перлитового песка или минеральной ваты, уложенных в герметичный кожух. Вакуумно-порошковая изоляция, при которой пространство между стенками откачивается до остаточного давления 0,01–0,1 Па, позволяет снизить потери на испарение до 0,05–0,15 % от объема в сутки. Вакуумные резервуары выдерживают рабочее давление до 1,6–2,0 МПа за счет двухстенной конструкции с высоким вакуумом. Они компактнее, но дороже в изготовлении и обслуживании.

Атмосферные емкости применяются на крупных терминалах и заводах с большим объемом хранения (от 10 000 до 200 000 м³), где допустимы потери на естественное испарение. Вакуумные резервуары используются на газозаправочных станциях, в промышленных котельных и в транспорте, где требуются небольшие потери и высокая автономность. При выборе типа учитывают также климатические условия: в районах с резкими перепадами температур эффективность вакуумной изоляции менее подвержена деградации.

Конструктивные особенности и объем хранилищ

Корпус криогенной емкости изготавливается из низколегированной стали (например, 09Г2С или AISI 304L) с содержанием никеля до 9 %, что обеспечивает вязкость при низких температурах. Внутренняя стенка контактирует с СПГ, внешняя — с окружающей средой. Между ними располагается изоляционный слой. Для предотвращения аварийного сброса давления устанавливаются предохранительные клапаны и системы аварийного отключения. Объемы хранилищ варьируются от 50 литров (мобильные криогенные сосуды Дьюара) до 200 000 м³ (стационарные изотермические резервуары мембранного типа). Типовые размеры для промышленных объектов — 10 000, 20 000 и 50 000 м³. Расчетный срок службы крупного резервуара составляет 30–40 лет.

Для снижения теплопритоков применяются внутренние тепловые мосты (например, опоры из нержавеющей стали с низкой теплопроводностью) и многослойная экранно-вакуумная изоляция (МЭВИ) с коэффициентом теплопроводности не более 0,001 Вт/(м·К). Для персонала обязательна термоизоляция наружной поверхности и система сигнализации о повышении давления.

Оборудование для регазификации и перекачки СПГ

Регазификация — процесс перевода СПГ из жидкой фазы в газообразную с последующим нагревом до температуры, пригодной для подачи в газораспределительные сети или на объекты потребления. Комплекс оборудования включает испарители, криогенные насосы, регуляторы давления и измерительные узлы. Выбор компонентов определяется требуемой производительностью (от 50 до 5000 кг/ч) и рабочим давлением (до 2,5 МПа).

Испарители атмосферные и вакуумные: отличия и применение

Атмосферные испарители (воздушные) используют естественную конвекцию окружающего воздуха для нагрева СПГ. Теплообменник выполняется из алюминиевых или медных труб с оребрением, площадь поверхности рассчитывается исходя из необходимого расхода и температуры воздуха. Их производительность сильно зависит от климатических условий: при температуре ниже −20 °C может падать на 30–40 %, поэтому в холодных регионах устанавливают резервные электрические или газовые подогреватели. Вакуумные испарители (с промежуточным теплоносителем) используют замкнутый контур с антифризом или водно-гликолевой смесью, который нагревается в отдельном блоке (электрическом или газовом). Они обеспечивают стабильную производительность в любых климатических условиях, но требуют больше энергии.

Криогенные насосы: типы привода и материаловедение

Криогенные насосы предназначены для перекачивания СПГ при температурах до −196 °C. По типу привода различают центробежные (с погружным или внешним электродвигателем) и поршневые (прямого вытеснения). Центробежные насосы обеспечивают подачу до 500 м³/ч при напоре до 500 м, применяются на крупных терминалах. Поршневые насосы используются для высокого давления (до 100 МПа) в системах заправки автомобилей или криогенных топливных системах. Материал корпуса и рабочих колес — нержавеющая сталь (12Х18Н10Т, AISI 316L) или алюминиевые сплавы, уплотнения — из фторопласта или армированного графита. Электродвигатели герметизируются для защиты от конденсата и искрообразования. Для минимизации кавитации насосы устанавливают ниже уровня жидкости в емкости с запасом подпора не менее 0,3 МПа.

Требования безопасности при эксплуатации оборудования СПГ

Метан (основной компонент СПГ) в смеси с воздухом взрывоопасен в диапазоне концентраций 4,4–17,0 % по объему. Поэтому проектирование, изготовление и эксплуатация оборудования регламентируются рядом нормативных документов, направленных на предупреждение утечек, аварий и возгораний. Системы безопасности включают газоанализаторы, блокировки, аварийную вентиляцию и двойные стенки на трубопроводах.

Нормативная документация и стандарты проектирования

Основные стандарты, применяемые в России при проектировании объектов СПГ:

• ГОСТ Р 56023-2014 «Системы газораспределительные. Требования безопасности к эксплуатации объектов сжиженного природного газа».
• ПБ 03-576-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».
• СП 155.13130.2019 «Склады сжиженного природного газа. Требования пожарной безопасности».

Для международных проектов применяются стандарты NFPA 59A (США) и EN 1473 (Евросоюз). В них установлены расстояния до соседних объектов, категории взрывоопасных зон и требования к размещению оборудования. Сертификация оборудования включает испытания при криогенных температурах и давлении.

Техническое обслуживание и контроль трубопроводов

Трубопроводы для СПГ изготавливаются из нержавеющей стали с вакуумной или перлитовой изоляцией. Контроль целостности включает: визуальный осмотр, ультразвуковую толщинометрию (не реже одного раза в год), проверку герметичности сварных швов (пневматические испытания при давлении 1,5 от рабочего). Арматура (шаровые краны, клапаны) должна быть рассчитана на температуры до −196 °C и иметь удлиненные штоки для предотвращения обмерзания. Оборудование для зачистки и осушки трубопроводов перед пуском обязательно, так как влага при замерзании может разрушить изоляцию и вызвать гидроудары. График технического обслуживания — не реже одного раза в 6 месяцев, при интенсивной эксплуатации (более 3000 часов в год) — ежеквартально.

«Система управления безопасностью на объектах СПГ должна включать анализ рисков (HAZOP), план локализации аварий и постоянный мониторинг газовой среды, температуры и давления в автоматическом режиме с дублированием сигнала на пульт оператора». — из практики проектирования криогенных хранилищ.

Терминалы СПГ: инфраструктура приема, хранения и отгрузки

Терминал СПГ представляет собой совокупность технологических объектов, обеспечивающих прием морских или железнодорожных партий сжиженного газа, его хранение, регазификацию и выдачу в газотранспортную систему или в автоцистерны. Пропускная способность терминалов варьирует от 1 до 30 миллионов тонн СПГ в год. Ключевые элементы: причальные сооружения, криогенные резервуары, насосно-испарительные установки, узлы учета и автоматическая система управления.

Схема работы регазификационной установки

1. Прием СПГ: с танкера газ перекачивается в резервуары с помощью криогенных насосов производительностью до 1000 м³/ч.
2. Хранение: жидкость находится при температуре −162 °C с постоянным отводом паров (BOG — boil-off gas), которые сжимаются и направляются в газопровод или на повторное сжижение.
3. Регазификация: СПГ из резервуаров подается в испарители (обычно типа «вода-газ» с использованием морской воды или газовые нагреватели). Производительность одной нитки испарителя может достигать 3000 кг/ч при давлении до 8 МПа.
4. Одоризация и учет: газ проходит через станцию одоризации (добавление меркаптана) и узел коммерческого учета (турбинные или ультразвуковые расходомеры).
5. Выдача: готовый газ подается в магистральный газопровод при давлении 0,6–7,5 МПа.

Системы автоматизации и безопасности терминалов

Современные терминалы оснащены распределенными системами управления (DCS) и программируемыми логическими контроллерами. Функции: контроль давления, температуры и уровня в резервуарах, управление задвижками, автоматическое включение аварийной вентиляции и системы пожаротушения. Для обнаружения утечек метана используются каталитические датчики (порог срабатывания 1 % от нижнего предела взрываемости). Обязательна установка систем автономного электроснабжения (дизель-генераторы) на случай отключения центральной сети. Периодичность проверки автоматики — не реже одного раза в месяц. Все данные архивируются на сервере с глубиной хранения не менее 3 лет.

Меры безопасности включают ограждение периметра, контроль доступа, систему видеонаблюдения и пожарную сигнализацию. В зоне хранения запрещены источники открытого огня, курение и использование неискробезопасного инструмента. Для каждого терминала разрабатывается план ликвидации аварий, предусматривающий эвакуацию персонала и отключение подачи газа в течение 30 секунд после сигнала об утечке.

Видео