| Параметр | СУГ (пропан-бутан) | СПГ (метан) |
|---|---|---|
| Основной стандарт | ГОСТ 20448-2018 | ГОСТ Р 57431-2017 |
| Основной компонент | C3H8 (пропан), C4H10 (бутан) | CH4 (метан 85-95%) |
| Температура хранения | От -20°C до +45°C | -161,5°C |
| Давление хранения | 1,6 МПа (при 45°C) | Близко к атмосферному |
| Плотность жидкой фазы | 510-580 кг/м³ | 430-520 кг/м³ |
| Уменьшение объема | В 300 раз | В 600 раз |
| Тип резервуаров | Газгольдеры под давлением | Криогенные резервуары |
| Температура самовоспламенения | 372-470°C | ~540°C |
| Марка | Массовая доля пропана + пропилена, % | Давление паров при 45°C, МПа | Применение |
|---|---|---|---|
| ПТ (пропан технический) | Не менее 75 | Не более 1,6 | Зимний период |
| БТ (бутан технический) | Не более 60 | Не более 0,5 | Летний период |
| СПБТ (смесь) | 50 ± 10 | Не более 1,6 | Круглогодично |
| Технология | Разработчик | Доля рынка | Особенности |
|---|---|---|---|
| AP-C3MR | Air Products | Высокая | Предварительное охлаждение пропаном |
| AP-SMR | Air Products | Высокая | Смешанный хладагент |
| AP-X | Air Products | Средняя | Азотный цикл переохлаждения |
| Optimized Cascade | ConocoPhillips | Средняя | Каскадное охлаждение |
| Турбодетандерный цикл | Различные | Малотоннажные установки | Использование энергии расширения газа |
Сжиженные углеводородные газы (СУГ)
Сжиженные углеводородные газы представляют собой смесь пропана, пропилена, бутанов, бутиленов и бутадиенов с возможным присутствием метана, этана, этилена и пентанов, переведенную в жидкое состояние. Процесс сжижения достигается путем повышения давления и охлаждения газовой смеси при температурах, близких к температуре окружающей среды. Основными компонентами являются пропан (C3H8) и нормальный бутан (C4H10), определяющие физико-химические характеристики продукта.
Производство СУГ осуществляется на газоперерабатывающих заводах путем разделения попутного нефтяного газа и газового конденсата на абсорбционно-газофракционирующих установках. Технологический процесс включает первичную сепарацию для отделения легких фракций, абсорбцию целевых компонентов, десорбцию насыщенного абсорбента и ректификационное разделение на товарные фракции. На нефтеперерабатывающих предприятиях СУГ выделяется как побочный продукт при переработке нефти на установках каталитического крекинга и риформинга.
Физико-химические свойства СУГ
Пропан при нормальных условиях переходит в жидкое состояние при температуре минус 42,06 градуса Цельсия, нормальный бутан — при минус 0,5 градуса. При повышенном давлении сжижение происходит при положительных температурах, что позволяет хранить газ в жидкой фазе без глубокого охлаждения. Плотность жидкой фазы пропана составляет приблизительно 510 килограммов на кубический метр при температуре 15 градусов, бутана — около 580 килограммов на кубический метр. При переходе в газообразное состояние объем СУГ увеличивается приблизительно в 300 раз.
Сжиженные газы образуют с воздухом взрывоопасные смеси. Концентрационные пределы распространения пламени в воздухе для пропана составляют от 1,7 до 10,9 процентов по объему, для нормального бутана — от 1,4 до 9,3 процентов, для изобутана — от 1,3 до 9,8 процентов. Температура самовоспламенения в воздухе при давлении 0,1 мегапаскаля: пропан — 470 градусов Цельсия, нормальный бутан — 372 градуса, изобутан — 460 градусов. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны предельных углеводородов составляет 300 миллиграммов на кубический метр, непредельных углеводородов — 100 миллиграммов на кубический метр.
Нормативная база для СУГ
Основным нормативным документом, регламентирующим требования к сжиженным углеводородным газам топливного назначения, является ГОСТ 20448-2018, введенный взамен ГОСТ 20448-90. Стандарт устанавливает технические условия для газов, предназначенных для коммунально-бытового потребления и промышленных целей. Документ определяет три основные марки продукта, различающиеся компонентным составом и областью применения в зависимости от климатических условий эксплуатации.
Марка ПТ (пропан технический) характеризуется массовой долей пропана и пропилена не менее 75 процентов и применяется преимущественно в зимний период для обеспечения стабильного испарения при отрицательных температурах. Марка БТ (бутан технический) с содержанием пропана не более 60 процентов предназначена для летнего использования при положительных температурах окружающей среды. Марка СПБТ (смесь пропан-бутан технический) с содержанием пропана 50 плюс-минус 10 процентов обеспечивает круглогодичное применение в умеренных климатических зонах.
Требования к качеству по ГОСТ 20448-2018
Стандарт устанавливает нормы на массовую долю сероводорода и меркаптановой серы, содержание свободной воды и щелочи. Давление насыщенных паров при температуре 45 градусов Цельсия для марки ПТ не должно превышать 1,6 мегапаскаля, что обеспечивает безопасность эксплуатации резервуарного оборудования. Интенсивность запаха газа регламентируется для своевременного обнаружения утечек — при концентрации в воздухе 0,5 процента запах должен ощущаться отчетливо. При недостаточной естественной одоризации газ подвергается принудительному одорированию этантиолом или смесью природных меркаптанов.
Методики испытаний установлены стандартами ГОСТ 33012-2014 для определения углеводородного состава методом газовой хроматографии и ГОСТ ISO 4256-2013 для измерения манометрического давления паров. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны предельных углеводородов составляет 300 миллиграммов на кубический метр, непредельных углеводородов — 100 миллиграммов на кубический метр.
Хранение и транспортировка СУГ
Хранение сжиженных углеводородных газов осуществляется в специализированных резервуарах — газгольдерах, представляющих собой стальные сосуды, работающие под давлением. СУГ является нестабильной двухфазной системой жидкость-пар, требующей поддержания определенных условий для сохранения равновесного состояния. Внутренний объем резервуара заполняется жидкой фазой на 85 процентов, оставшиеся 15 процентов объема занимает паровая подушка, создающая необходимую упругость насыщенных паров.
Конструктивные типы резервуаров
Горизонтальные резервуары объемом до 200 кубических метров изготавливаются в одностенном и двустенном исполнении. Двустенная конструкция включает внешний защитный корпус, предотвращающий попадание газа в окружающую среду при разгерметизации внутренней емкости. Межстенное пространство заполняется инертным газом или незамерзающими жидкостями для контроля целостности системы. Вертикальные резервуары производятся объемом до 20 кубических метров и характеризуются меньшей площадью зеркала испарения, что может потребовать применения испарительных установок при интенсивном отборе газа.
Подземные резервуары защищаются от коррозионного воздействия почвы полимерно-битумными мастиками или пенополиуретановым покрытием. Наземное размещение упрощает монтажные работы и техническое обслуживание, обеспечивает доступность для визуального осмотра. Наполнение и забор сжиженного газа выполняется насосами или компрессорами через технологические линии наполнения. Резервуары комплектуются запорной арматурой, предохранительными клапанами, уровнемерами и манометрами согласно требованиям промышленной безопасности.
Транспортные операции
Транспортировка СУГ осуществляется железнодорожными и автомобильными цистернами, а также морскими и речными судами для перевозки больших объемов. Железнодорожные цистерны изготавливаются согласно требованиям безопасности для транспортирования опасных грузов класса 2.1 по классификации ООН. Автомобильные газовозы оснащаются насосными установками для слива-налива продукта на газонаполнительных станциях и автомобильных газозаправочных станциях. Контейнерная перевозка обеспечивает мультимодальную логистику с возможностью использования различных видов транспорта.
Сжиженный природный газ (СПГ)
Сжиженный природный газ представляет природный газ, переведенный в жидкое состояние путем охлаждения до криогенных температур порядка минус 161,5 градуса Цельсия при атмосферном давлении. Основным компонентом является метан с содержанием от 85 до 95 процентов, остальную часть составляют этан, пропан, бутан и азот. Процесс сжижения приводит к уменьшению объема газа приблизительно в 600 раз, что обеспечивает экономическую эффективность транспортировки на большие расстояния морскими танкерами-метановозами.
СПГ представляет собой бесцветную нетоксичную жидкость без запаха при условии использования неодорированного исходного сырья. Плотность находится в диапазоне от 430 до 520 килограммов на кубический метр в зависимости от компонентного состава и температуры. Температурный градиент плотности составляет приблизительно 1,4 килограмма на кубический метр на градус Кельвина. В жидком состоянии продукт не горюч и не агрессивен к конструкционным материалам при соблюдении требований к их криостойкости.
Нормативная документация
Общие характеристики сжиженного природного газа регламентированы ГОСТ Р 57431-2017, являющимся модификацией международного стандарта ISO 16903:2015. Документ устанавливает требования к проектированию оборудования и выбору материалов для производства, хранения и транспортировки СПГ. Стандарт содержит рекомендации по обеспечению промышленной безопасности и охраны труда при эксплуатации установок сжижения и регазификационных терминалов. Качество природного газа, используемого в качестве сырья для производства СПГ, определяется требованиями ГОСТ 5542-2022.
Нижняя граница массовой теплоты сгорания составляет приблизительно 50 мегаджоулей на килограмм или 20 мегаджоулей на литр. При полном сгорании паров образуются диоксид углерода и водяной пар без выделения токсичных продуктов, что определяет экологические преимущества использования СПГ как моторного топлива.
Технологии сжижения природного газа
Промышленное сжижение природного газа осуществляется многоступенчатым охлаждением с использованием различных технологических схем. Процесс начинается с предварительной подготовки сырьевого газа, включающей осушку для удаления влаги, очистку от кислых компонентов (диоксида углерода и сероводорода) и тяжелых углеводородов. Технология подготовки определяется составом исходного газа и требованиями к товарному продукту. Удаление воды необходимо для предотвращения образования гидратов и ледяных пробок в криогенном оборудовании.
Крупнотоннажные технологии
Технологии компании Air Products доминируют на рынке крупнотоннажного производства СПГ с совокупной долей более 82 процентов. Процесс AP-C3MR использует каскадное охлаждение с предварительным охлаждением пропаном и последующим сжижением на смешанном хладагенте. Технология обеспечивает высокую энергоэффективность для установок производительностью более 5 миллионов тонн в год. Процесс AP-SMR базируется на однопоточном холодильном цикле со смешанным хладагентом, состоящим из метана, этана, пропана и азота, что позволяет оптимизировать характер выработки холода.
Процесс AP-X представляет комбинацию пропанового холодильного цикла для предварительного охлаждения и внешнего азотного холодильного цикла для переохлаждения СПГ. Технология Optimized Cascade компании ConocoPhillips реализует последовательное охлаждение чистыми хладагентами — метаном, этаном и пропаном. Каскадная схема обеспечивает высокий термодинамический КПД при производительности установок от 1 до 8 миллионов тонн в год на технологическую линию.
Малотоннажное производство
Малотоннажные комплексы по сжижению природного газа с производительностью менее 10 тонн в час основываются на турбодетандерных циклах или азотных холодильных установках. Турбодетандерная технология использует энергию расширения газа при снижении давления от уровня магистрального газопровода до давления потребителя. Газ совершает работу на лопатках турбины детандера, при этом охлаждается за счет адиабатического расширения. Холод рекуперируется в теплообменниках блока сжижения для охлаждения входящего потока газа.
Азотный холодильный цикл применяется в установках полного сжижения с производительностью от 0,4 до 10 тонн СПГ в час. Холод вырабатывается в компрессорно-детандерном цикле с азотом в качестве рабочего тела. Технология характеризуется высокой надежностью благодаря использованию одного хладагента и отсутствию необходимости регулирования состава смеси. Энергозатраты составляют от 0,8 до 1,2 киловатт-час на килограмм произведенного СПГ в зависимости от схемы и масштаба установки.
Хранение и транспортировка СПГ
Хранение сжиженного природного газа осуществляется в специализированных криогенных резервуарах, изготовленных по принципу сосуда Дьюара с многослойной теплоизоляцией. Резервуары наземного исполнения имеют цилиндрическую или шаровую форму, подземные и обвалованные емкости выполняются цилиндрическими. Внутренний сосуд изготавливается из материалов, устойчивых к криогенным температурам — никелевых сталей 9-процентного состава или алюминиевых сплавов. Внешний кожух из углеродистой стали обеспечивает механическую прочность конструкции.
Системы теплоизоляции
Межстенное пространство двустенных резервуаров заполняется изоляционными материалами — перлитом, вспененным полиуретаном или устраивается экранно-вакуумная суперизоляция. Вакуумная изоляция обеспечивает минимальные теплопритоки — от 0,5 до 1 ватта на квадратный метр поверхности. Естественное испарение газа (boil-off gas) составляет от 0,03 до 0,15 процентов от объема хранимого СПГ в сутки для резервуаров большой емкости. Испарившийся газ возвращается в технологический процесс, используется как топливо для собственных нужд или компримируется обратно в жидкую фазу.
Морская транспортировка
Транспортировка СПГ морским путем выполняется специализированными танкерами-метановозами грузоподъемностью от 70 до 266 тысяч кубических метров. Грузовые танки выполняются мембранного типа или в виде самонесущих призматических или сферических емкостей. Мембранная система включает тонкий металлический лист из инвара или нержавеющей стали, опирающийся на изоляцию из фанерных коробов, заполненных перлитом. Самонесущие танки из алюминия или 9-процентной никелевой стали воспринимают нагрузки от жидкого груза без передачи их на корпус судна.
Наземная транспортировка осуществляется автомобильными криоцистернами объемом от 8 до 50 кубических метров с вакуумной изоляцией. Железнодорожные цистерны-танки производятся емкостью до 80 кубических метров для перевозки СПГ на средние расстояния. Период бездренажного хранения в транспортных сосудах составляет от 7 до 10 суток, что обеспечивает доставку продукта без потерь на испарение.
Требования безопасности
Эксплуатация объектов хранения и использования сжиженных газов регламентируется Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности. ФНП 534 устанавливает правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности, ФНП 529 — требования к складам нефти и нефтепродуктов, включая объекты хранения СУГ. Правила определяют порядок идентификации опасных производственных объектов, требования к проектированию, строительству и эксплуатации технологических систем.
Территории вокруг резервуаров и технологического оборудования классифицируются по взрывоопасности согласно IEC 60079-10-1. Зона класса 0 охватывает внутренние объемы резервуаров и газопроводов жидкой фазы, где взрывоопасная смесь присутствует постоянно. Зона класса 1 включает участки вероятного образования взрывоопасных концентраций при нормальной эксплуатации — области вокруг предохранительных клапанов, фланцевых соединений, дыхательной арматуры. Зона класса 2 определяется возможностью образования опасных концентраций только в аварийных ситуациях.
Системы обнаружения и предупреждения
Объекты хранения оборудуются стационарными газоанализаторами для непрерывного контроля концентрации газа в воздухе рабочей зоны и в помещениях. Система автоматического пожаротушения проектируется согласно требованиям СП 155.13130.2014 с изменениями. Для СУГ применяются пенные, порошковые или водяные системы пожаротушения, для СПГ — системы пенного тушения специального назначения. Молниезащита резервуаров выполняется по категории первого класса защиты. Территория объектов оснащается системой аварийного освещения и звуковой сигнализации.
Требования к персоналу
Работники, допускаемые к эксплуатации объектов сжиженных газов, проходят специальное обучение и аттестацию в области промышленной безопасности. Программа подготовки включает изучение технологических процессов, устройства оборудования, правил безопасной эксплуатации, действий в аварийных ситуациях. Периодичность проверки знаний для рабочих составляет один год, для руководителей и специалистов — три года. На объектах разрабатываются планы локализации и ликвидации аварийных ситуаций, проводятся регулярные тренировки персонала.
