Сжиженный природный газ (СПГ) является ключевым решением для международной торговли газом, позволяя преодолевать огромные расстояния там, где строительство газопроводов экономически или технически нецелесообразно. Например, для доставки газа из таких регионов, как Тринидад и Тобаго, Алжир или Катар, на рынок США, судам-метановозам приходится преодолевать от 3700 до 14800 километров. Технологии сжижения газа прошли долгий путь развития, и сегодня применяются различные циклы глубокого охлаждения, каждый из которых имеет свои особенности и области применения.
Эволюция технологий сжижения
История промышленного сжижения природного газа отмечена постоянным совершенствованием технологических процессов:
- Классический каскадный цикл (Pure Refrigerant Cascade Technology). Впервые был реализован французской фирмой «Teal» в 1964 году в Алжире (г. Арзев). В этой системе используется три отдельных хладагента — пропан, этилен и метан, каждый из которых работает в своем независимом холодильном контуре, последовательно понижая температуру природного газа.
- Цикл на одном смешанном хладагенте (Single Mixed Refrigerant Technology). Эта технология следующего поколения, также разработанная компанией «Teal» и внедренная в 1971 году в Скикде (Алжир), использует одну смесь углеводородов и азота. Она позволила значительно упростить схему и увеличить единичную мощность линии сжижения.
- Каскадный цикл на двойном смешанном хладагенте (Dual Cycle Mixed Refrigerant Technology - «DMR»). Более современная разработка, например, от компании «Shell», впервые примененная в 2009 году на Сахалине в России. Она сочетает эффективность и гибкость.
- Помимо этого, существуют и другие лицензионные технологии от мировых лидеров, таких как «Linde», «Air Products», «ConocoPhillips» и «Technip».
Выбор конкретной технологии зависит от множества факторов: планируемой производительности завода, доступности мощного компрессорного и теплообменного оборудования, экономической конъюнктуры и стоимости ресурсов. Интересно, что в 1970-х годах в СССР рассматривался проект гигантского завода СПГ в Мурманске для поставок в США, но ему предпочли развитие газопроводной сети в Европу. Сегодня, в рамках освоения Штокмановского месторождения, Россия вновь возвращается к идее строительства завода СПГ в этом регионе.
Классический каскадный цикл: первый промышленный опыт
Пионером в строительстве крупных заводов СПГ стала французская фирма «Teal». На ее заводе в Арзеве был реализован принцип каскадного охлаждения. В трех независимых контурах циркулировали пропан, этилен и метан. Каждый хладагент, сжижаясь под давлением в конденсаторах, охлаждаемых морской водой, затем дросселировался (резко снижал давление), испарялся и отбирал тепло у природного газа, последовательно понижая его температуру. Очищенный и осушенный газ, проходя через испарители, охлаждался до -151°C этиленом и метаном, а после дросселирования до атмосферного давления конденсировался в СПГ с температурой около -162°C.
Завод состоял из трех параллельных линий общей производительностью 1.5 млрд кубометров газа в год. Для его работы требовались мощные компрессоры (суммарно около 80 МВт), обширная теплообменная поверхность (около 100 000 м²) и большое количество морской воды для охлаждения. Значительную часть стоимости всего проекта составляло строительство криогенных резервуаров для хранения СПГ. Экономика первого проекта поставок СПГ из Алжира во Францию наглядно показывает структуру затрат: почти 40% капиталовложений ушло на сам завод сжижения, около 18% — на флот метановозов, а остальное — на газопроводы и портовую инфраструктуру.
Цикл на смешанном хладагенте: шаг к упрощению и мощности
Внедрение технологии со смешанным хладагентом стало революционным шагом. Впервые она была применена в 1971 году в Скикде (Алжир). Вместо трех независимых контуров здесь используется одна многокомпонентная смесь (метан, этан, пропан, бутаны, пентаны и азот), подобранная так, чтобы кривая ее испарения максимально соответствовала кривой конденсации охлаждаемого природного газа.
Это позволило существенно упростить технологическую схему: вместо нескольких компрессоров используется один, но очень мощный (до 80-100 МВт), а процесс сжижения газа происходит в одну ступень в крупных витых теплообменных аппаратах. Однако для реализации этой технологии потребовалось создание уникального оборудования: сверхмощных центробежных компрессоров и гигантских теплообменников с поверхностью до 20 000 м².
Инфраструктура хранения и транспортировки СПГ
Технология СПГ не ограничивается только процессом сжижения. Не менее сложными являются задачи хранения и транспортировки продукта при температуре -163°C. Криогенные трубопроводы, соединяющие завод с хранилищами и причалами, представляют собой сложные коаксиальные конструкции с вакуумной изоляцией для минимизации теплопритоков.
Резервуары для хранения СПГ — это инженерные сооружения высочайшей сложности. Наземные хранилища выполняются из специальных сталей (например, с содержанием никеля 9%) и имеют многослойную изоляцию толщиной до полутора метров. Несмотря на это, происходит естественное испарение небольшой части СПГ (около 0.08% в сутки). Современные тенденции тяготеют к строительству подземных резервуаров большей емкости (до 200 000 м³), которые считаются более безопасными, хотя и более дорогими.
Современное состояние и перспективы
На сегодняшний день в мире действуют сотни технологических линий (трейнов) по производству СПГ. Мощность отдельных линий постоянно растет благодаря совершенствованию технологий и оборудования. Если в 1960-х годах единичная мощность линии составляла 0.5 млрд м³/год, то современные проекты ведущих компаний («Shell», «Linde», «Statoil») предусматривают создание линий мощностью 8-12 млн тонн СПГ в год. Общая мировая мощность заводов СПГ приближается к 300 млн тонн в год.
Стоимость строительства таких комплексов крайне высока и может достигать 1.5 миллиарда долларов США за каждый миллион тонн годовой производительности. В эту сумму не входят затраты на инфраструктуру: магистральные газопроводы для подачи сырья, флот метановозов, портовые терминалы и мероприятия по охране окружающей среды. Таким образом, создание завода СПГ — это всегда масштабный и капиталоемкий мегапроект, определяемый долгосрочными экономическими и геополитическими интересами.