Комплекс производства сжиженного природного газа (СПГ) с уменьшенным выбросом метана в атмосферу Земли В.А. Абрамова Российский патент 2019 года по МПК B63B35/44 F25J1/00 E21B43/01 B63B27/34 B63B25/16 

Изобретение может быть применено при добыче и сжижении природного газа при освоении Штокмановского газоконденсатного месторождения (ШГКМ) и будет полезно при проектировании метановозов и морских платформ добычи природного газа (ПГ).

Промышленная осуществимость изобретения может быть подтверждена мировыми рекордами по интенсивности эксплуатации трехсот метановозов в мире.

В России также проектируется метановоз «Маршал Василевский» вместимостью 160*10³ м³ СПГ. В России имеется задел по судотехнике, судотехнологии, криогенной технике, производству турбодетандеров с ДГА. Разработанная морская платформа добычи природного газа ЦКБМТ «Рубин» производительностью добычи природного газа ШГКМ 22 млрд м³/год осуществляет осушку, очистку природного газа вплоть до соответствия природного газа ГОСТ 5542 и поставки его по газопроводу 2 для охлаждения и сжижения природного газа на метановоз 3, выполненному из секций (см. фиг. 2) со сферическими шарнирами с уплотнением по сферическим поверхностям шарниров. В соответствии с письмом ООПУ/ГСП-653 от 10.11.2017 зам. Генерального директора по качеству ЦКБ МТ «Рубин» С.А. Соколова по вопросу о перспективах разработки проекта освоения Штокмановского месторождения авторов проекта Абрамова В.А. и Абрамовой М.В. АО ЦКБМТ «Рубин» примет решение об участии в конкурсной процедуре в случае объявления ПАО «Газпром» таковой по теме выполнения работ по разработке проекта освоения Штокмановского ГК месторождения после рассмотрения АО ЦКБМТ «Рубин» требований ПАО «Газпром». Известны также письма ДО7-1106 от 20.08.2010 Минэкономразвития РФ по проекту Абрамова «Освоение ГКМ «Штокмановское» посредством подводных плавучих заводов СПГ и метановозов» от 13 мая 2010 №190/133-183-115, который направлен на создание мощных 10 т спг/час криогенно-газовых машин Стерлинга для производства СПГ и систем предотвращения потерь СПГ и его выбросов в атмосферу, а также письмо Заявителя заявки, вх. №14215 от 09.08.2017 «О проекте Штокмановского месторождения», в котором руководство «Объединенной судостроительной корпорации» (АО «ОСК») ставится в известность о завершении этапа параметризации каскада установок производства СПГ и его переохлаждения и 100% изготовлением каскада установок Россией, а со стороны АО «ОСК» извещается в ответе Первым вице-президентом Л.В. Струговым 21-03-10680 от 28.08.2017, что инвестиционное решение о разработке Штокмановского ГКМ ПАО «Газпром» еще не принято. В данном предполагаемом изобретении решаются следующие задачи:

Задача 1 - исключение выброса метана в атмосферу Земли, сохранение экологии и экономии природного газа при освоении Штокмановского газоконденсатного месторождения (ШГКМ), существенная экономия ПГ при охлаждении, ожижении ПГ и переохлаждении сжиженного природного газа (СПГ) установками цехов завода и быстрый выход на рабочий режим химико-технологических агрегатов (ХТА) установок СПГ путем их захолаживания азотом.

Задача 2 - снижение рисков катастроф при длительной, трехсуточной транспортировке, на расстояние 650 км и сильном волнении моря, волны до до 27 м, транспортного подводного судна цеха в сборе с камерой, подвешенных на канатах, или рисков при транспортировке цеха в сборе с камерой самоходной баржи к свайной платформе в экстремальных условиях.

Задача 3 - разработка оптимального варианта подводного или надводного газопровода транспорта ПГ с морской платформы на метановоз с заглушенным концом отсечным клапаном с возможностью его перестановки с плавучего средства на борт метановоза и обратно после заполнения танков метановоза.

Задача 4 - технологическое обеспечение необходимого количества сортамента из титана.

Задача 5 - создание герметичного гибкого газопровода природного газа 34 давления 18…20 МПа из составных труб со сферическими шарнирами, уплотненными по сферическим поверхностям шарниров газопровода, покрытых твердосмазочным покрытием, например, дисульфидом молибдена для транспорта ПГ на метановоз с морской платформы TLP добычи ПГ.

Недостатками выбранного в качестве прототипа патента РФ №2180305 «Комплекс Абрамова для промысловой разработки месторождений природного газа», авторы Абрамов В.А., Абрамова М.В., являются значительное расстояние между объектами в комплексе, которое преодолевают транспортируемый в танки метановоза СПГ, криогенный газопровод, и газопровод, транспортирующий охлажденный природный газ (ПГ) морской водой, с морской плавучей платформы, проходящие через толщу морской воды между КГМ Стирлинга получения СПГ и теплообменником, размещенные на подледноподводном заводе.

Длина вышеприведенных газопроводов составляет 300…400 метров на глубину при температуре морской воды минус 1,8°С, т.е. по вертикали, и от 50 до 100 метров по горизонтали, гарантирующие безопасность от столкновения завода получения СПГ и метановоза, а глубина определяет функциональность. Сущность недостатков прототипа является:

а) необходимость обеспечения высокого давления заправки СПГ в танк метановоза до 25 атмосфер и переохлаждения СПГ до минус 170°С, которые определяются функциональностью.

б) повышение температуры, транспортируемого СПГ от минус 170°С до минус 162°С, при его транспортировке по криогенному трубопроводу из-за значительного теплопритока к нему со стороны морской воды и значительного отстояния завода от метановоза.

в) результирующим следствием значительного отстояния является актуальность создания коффердамов на морской платформе и метановозе.

Недостатком прототипа также является отсутствие решения по предотвращению выброса метана в атмосферу Земли, являющимся парниковым газом, разогревающим Арктику, и ответственным за увеличение скорости деградации подводной мерзлоты, и является в предполагаемом изобретении экологическим и техническим эффектами.

Три главные задачи и задачи с 1 по 7 могут быть успешно решены отечественной промышленностью, т.к. имеется задел в судотехнике, судотехнологии, криогенной технике, в производстве титанового проката (лист Пт-3ВТУ1-5-357 1600×1600×25 ООО «ТД Корпорация ВСМПО - АВИСМА»), письмом № ТД-М/2434 от 28.11.17, td-info@vsmpo-avisma.ru.

Задача 6 - электрообеспечение электроприводов криогенно-газовых машин (КГМ) Стирлинга сжижения ПГ, переохлаждения СПГ, сжижения азота КГМ Стирлинга для захолаживания КГМ Стирлинга ПГ посредством детандер-генераторных агрегатов (ДГА) турбодетандеров.

Задача 7 - создание заводов сжижения природного газа без накопительных криогенных резервуаров СПГ путем одновременного запуска всех ХТА производства СПГ для заполнения танков метановоза, заложить сформированные идеи - задачи 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 при создании в России перспективных проектов метановозов и морских платформ TLP.

Главной задачей предполагаемого изобретения - это добиться отсутствия в составе комплекса: эстакады свай с платформой, размещенного на платформе завода получения СПГ, его переохлаждения, необходимости в доставке завода с камерой на платформу и его транспортировки плавучим морским средством, упрощения конструкции, снижение объема затрат и подводных работ на глубине, повышение технологичности и снижение сроков изготовления комплекса, снижение расхода дефицитного титана.

Техническое решение в предполагаемом изобретении в связи с применением коффердамов на мембранных метановозах и морской платформы TLP и размещением установок охлаждения ПГ, его сжижения и переохлаждения СПГ на фундаментах коффердама позволяет избежать создание технологий покрытий, наносимых на фрикционные пары материалов площадью 280*50 м² или необходимого количества пятен контакта в сложных условиях эксплуатации камеры со свайной платформой: морская вода, минус 1,8°С, глубина моря 340 м. Не исключена необходимость разработки альтернативных решений отрыва адгезионных пар материалов механическим образом.

Применение мембранных грузовых танков на мембранных метановозах в два ряда, как вариант конструктивного решения узкого отсека на судне и морской платформе TLP, - коффердамов с фундаментами для монтажа установок ХТА охлаждения ПГ и получения СПГ, его переохлаждения.

Коффердам - см. Толково-энциклопедический словарь (ТЭС), С-Петербург, ЗАО «Норинт», 2006, - 2144 с.

Для успешного решения главной задачи ИЗ необходимо выполнить с фундаментом, аналогичный по конструкции коффердаму 11 на метановозе, коффердам 12 на морской платформе TLP для размещения установок охлаждения ПГ с температурой ~40…60°С морской водой температуры минус 1,8°С в теплообменнике 13.

В соответствии с фактическим материалом, представленным в «Мировое судостроение: современное состояние и перспективы развития»., СПб, Мор. Вест, 2009 - 544 с. в таблице 10.2.2.2: «Вместимость W и вес порожнем D некоторых газовозов», стр. 199, для газовозов с мембранными танками, вместимостью 140210 м³, соответствующей вместимости метановоза «Маршал Василевский», порожний вес D метановоза соответствует 29500 тоннам.

Весовые характеристики установок ТВТ, составляют 10 тонн, турбодетандера с ДГА - 10 тонн, весовые характеристики КГМ Стирлинга природного газа производительностью 10 тонн СПГ/час с турбодетандером с ДГА и ТВТ - 220 тонн. Суммарная «220 тонн» нагрузка, размещенная на фундаментах коффердама метановоза составляет 0,75%*D и при изготовлении нагрузки из титана 0,4%*D.

Второй главной задачей в изобретении является снижение выброса метана в атмосферу Земли. Третьей главной задачей в ИЗ является осуществление транспорта ПГ с морской платформы TLP на мембранный метановоз «Маршал Василевский», осуществление транспорта ПГ низких и криогенных (ниже 120К) температур между ТВТ, турбодетандером и транспортом СПГ от КГМ Стирлинга в танки 14 метановоза и сопряжено с проектированием и изготовлением внутрицеховых герметичных соединений этих ХТА с трубами с вакуумной изоляцией, их конструктивным исполнением. Наиболее рациональным решением таких сопряжений является расположение патрубков стыкуемых ХТА с трубой, когда патрубки с фланцами расположены вертикально, фланцы патрубков стыкуемых ХТА и трубы' обращены в одну сторону, а оси их расположены параллельно.

Заявитель представляет в заявке состав в установке ХТА (химико-технологических агрегатов) охлаждения природного газа, сжижения ПГ как предел наибольшей возможной производительности 10 ТСПГ/час КГМ Стирлинга, предполагаемой к изготовлению ОАО «Арсенал», Санкт-Петербург, определяющей единичные производительности аппаратов, входящих в состав других ХТА (химико-технологических агрегатов) охлаждения природного газа, письмо ген. Директора ОАО «Арсенал», С-Петербург, С.Ю.Шарагина Первому зам. н-ка Департамента по добыче газа, газового конденсата и нефти Н.И. Кабанову, исх. №003-001 от 21.01.11 ПАО «Газпром», письмо Главного инженера ОАО «МЗ «Арсенал» С.А. Куракина, №183/282-102 от 22.03.13, соединенных последовательно:

а) Теплообменников, разработчик ЗАО «ИЦ Технохим», начальник Проектного отдела И.А. Арсеньев, к.т.н, +7(812)612-1161 (доб. 214).

б) Трехпоточных вихревых труб (ТВТ), разработчик НТЦ «Вихревые технологии», директор НТЦ М.А. Жидков; ЗАО НПП «Импульс», №13/015 от 13.02.2013, grena_der@mail.ru: (495)5417414

в) Криогенный турбодетандер, разработчик Калужский турбинный завод, Главный технолог Костюков И.С.; Сербии И.С., техн. директор, факс (4842)562290 Л.А. Мамонов, генеральный директор.

При этом достигается снижение температуры природного газа от +60°С на выходе из скважины до -165°С СПГ на выходе из КГМ Стирлинга, охлажденной жидким азотом и давления от 200атм до 1,5…2 атм на входе в КГМ Стирлинга СПГ. Принимая во внимание грузовместимость современных метановозов 200 тыс. м³ СПГ и время загрузки продолжительностью 20…24 часа, можно определить необходимое количество установок ХТА завода в коффердаме метановоза, а также электроприводов КГМ Стирлинга СПГ и детандер-генераторных агрегатов (ДГА) турбодетандеров.

г) Трубы с вакуумной изоляцией, разработчик «Аккорд» - завод по производству металлорукавов, С-Петербург, Докторевич Андрей Александрович, (812)2090650, доб. 201.

На фиг. 2 изображена трубная секция гибкого газопровода, поз. 2 на фиг. 1 давления 200-160 атм и температуры 60…0°С герметичного с уплотнением по сферическим поверхностям шарниров, покрытых твердосмазочным покрытием, например, дисульфидом молибдена, посредством резино-фторопластовых колец в виде сборных деталей ТУ2513-013-34724672-2010, установленных в канавках 15.

Давление в газопроводе 2 на этапе его монтажа предусматривается пульсирующим для обеспечения его гибкости. Графически фиг. 2 выполнена из трех частей, части - левая, правая и средняя.

В трубной секции газопровода предусмотрены вспомогательные детали поз. 16, 17, 18, поворот шарнирных соединений находится в пределах ~15°±5°.

Схема на фиг. 1 включает морскую платформу 1 добычи природного газа, которая подсоединяется к устьям 4 скважин посредством райзеров (гибких газопроводов) 5. В случае опасности столкновения с айсбергом 6 или необходимостью передислокации платформы, верхняя плавучая часть 7 платформы отсоединяется от нижней части 8 и отводится на безопасное расстояние буксиром 9. Химико-технологическая система (ХТС) агрегатов подготовки (промысловой переработки) ПГ 10 состоит из множества функционально-структурных единиц и предназначена для реализации отношении между входными и выходными потоками.

Сущностью изобретения является использование в полной мере потенциала в комплексе морской плавучей платформы TLP и метановоза мембранного типа, например, «Маршал Василевский» и организации на них коффердамов с фундаментами и размещением на них соответственно, на морской платформе. На морской платформе TLP теплообменников охлаждения природного газа (ПГ) морской водой с температурой минус 1,8°С и охлаждения ПГ в установках ХТА, размещенных на фундаментах коффердама мембранного метановоза «Маршал Василевский» последовательно, до низких, криогенных температур, получения СПГ и его переохлаждения до минус 170°С, а также повторного сжижения ПГ, испарившегося в танках метановоза.

Электрообеспечение электропривода КГМ Стирлинга сжижения ПГ осуществляется детандер-генераторными агрегатами (ДГА) турбодетандеров, установленных на фундаментах коффердама метановоза и транспорт, вырабатываемой электроэнергии ДГА по кабелям на метановозе, что вместе является второй сущностью.

Сокращение выброса метана в атмосферу Земли, экономия СПГ при разработке ШГКМ путем предварительной замены криоагента в КГМ

Стирлинга ПГ на азот для захолаживания ее конструкции до минус 170°С, установленных на коффердаме метановоза, сокращение времени выхода КГМ Стирлинга ПГ на рабочий режим на один час и выброс на 10 тонн метана в атмосферу Земли меньше, является третьей сущностью.

Уровень техники

1. Грамберг И.С., Суприненко О.И., Таныгин И.А. и др. Штокмановское уникальное газоконденсатное месторождение (Баренцево море), 663, РАН Океанология, Министерство природных ресурсов. «Российская Арктика» СПб, 2002 г.

2. Абрамов В.А., Андреев И.Л., Толчинский А.Р. АО «ЛенНИИХиммаш» (Россия). Проблемы создания и использования плавучих заводов сжижения природного газа (ПЗ ОПГ) при освоении шельфа арктических морей. Вторая международная конференция «Освоение шельфа арктических морей России». Тезисы докладов. Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1995 г.

3. Штокмановское месторождение. Энергетический проект мирового значения Газпром. Total. Сентябрь, 2007. См. 3/1; 3/2; 3/3; 3/4

Изобретение относится к разработкам глубоководных морских месторождений природного газа (ПГ), в частности, при освоении арктического Штокмановского газоконденсатного месторождения (ШГКМ) посредством морской добывающей платформы природного газа, осуществляющей осушку, очистку ПГ вплоть до соответствия ПГ ГОСТ 5542 и ГОСТ 27577. Вывоз СПГ со ШГКМ осуществляется метановозами. Поставка охлажденного ПГ в теплообменнике, размещенном на фундаменте коффердама морской платформы, на установки ХТА охлаждения ПГ до низких, криогенных температур, получения и переохлаждения СПГ, размещенные на фундаментах коффердама метановоза, осуществляется гибким газопроводом, проходящим в толще морской воды, выполненным из секций, сопряженных фланцевыми герметичными соединениями с кольцами в канавках и сферическими шарнирами, сопряженные поверхности которых покрыты твердосмазочными материалами, например дисульфидом молибдена, и уплотняются по сферическим поверхностям шарниров. Электрообеспечение криогенно-газовых машин (КГМ) Стирлинга осуществляется детандер-генераторными агрегатами (ДГА) турбодетандеров посредством электрических кабелей метановоза. Снижение выброса метана в атмосферу Земли осуществляется сокращением времени выхода на рабочий режим КГМ Стирлинга сжижения ПГ на один час или 10 тонн СПГ/час путем переключения КГМ Стирлинга сжижения ПГ на ее предварительное захолаживание азотом до температуры сжижения ПГ минус (162°С…165°С). Сокращение выброса метана в атмосферу Земли и экономия СПГ при разработке ШГКМ составляют в изобретении экологический и технико-экономический эффекты. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Комплекс производства сжиженного природного газа (СПГ) с уменьшенным выбросом метана в атмосферу Земли и повторного сжижения испарившегося в рейсе в мембранных танках метановоза природного газа (ПГ), включающий плавучую морскую платформу TLP добычи, осушки, очистки ПГ вплоть до требований ГОСТ 5542 и концентрации влаги до требований ГОСТ 27577, метановоз транспорта СПГ, преимущественно мембранный, систему транспорта ПГ газопроводом на завод производства СПГ с морской плавучей платформы TLP, отличающийся тем, что плавучая морская платформа TLP и метановоз транспорта СПГ оснащены коффердамами и смонтированными на фундаментах коффердама метановоза установками производства СПГ и установкой производства сжиженного азота на мембранном метановозе с предварительным захолаживанием установки сжижения природного газа до температуры сжижения природного газа минус 162°С жидким технологическим азотом, причем патрубки входа и выхода ПГ смонтированных установок на фундаментах коффердама метановоза СПГ выполнены соосно расположенными или оси патрубков расположены вертикально, а фланцы патрубков химико-технологических агрегатов (ХТА) охлаждения природного газа до низких и криогенных температур обращены в одну сторону, на фундаменте коффердама морской плавучей платформы TLP размещены теплообменники охлаждения природного газа морской водой и охлажденным газообразным технологическим азотом, при этом установки охлаждения ПГ, размещенные на фундаментах коффердама морской плавучей платформы TLP, и размещенные в коффердаме метановоза установки охлаждения ПГ до криогенных температур и сжижения ПГ сопряжены U-образной конфигурации сборным, осушенным, герметичным, проходящим в толще морской воды, предназначенным для транспорта ПГ в интервале температур от 0 до 50°С и давления от 160 до 200 атм, длиной до 150 метров, гибким газопроводом, один конец газопровода сопряжен герметично с теплообменником, расположенным на фундаменте морской платформы TLP посредством фланцевого герметичного соединения, а другой конец газопровода заглушен отсечным клапаном с возможностью его доставки для переустановки на борту метановоза конца газопровода с отсечным клапаном и герметичного сопряжения с установкой ХТА охлаждения ПГ до низких и криогенных температур и сжижения ПГ, размещенной на фундаменте коффердама метановоза, с возможностью возвратной переустановки конца газопровода с отсечным клапаном на борту плавучего транспортного средства после заправки танков метановоза.

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что гибкий газопровод, пропускной способностью 10 тонн СПГ/час, выполнен длиной от 50 до 100 метров, для давления ПГ до 200 атм, температуры от 0 до 50°С, из трубных секций, сопряженных фланцевыми герметичными соединениями с кольцами в канавках и сферическими шарнирами, сопрягаемые поверхности шарниров покрыты твердосмазочными материалами, например дисульфидом молибдена, и уплотняются резиновыми кольцами в оболочке из фторопласта в виде сборных деталей ТУ 2513-013-34724672-2010, торцевые уплотнения фланцев секций труб осуществляют посредством колец, установленных в канавках, резиновых, в оболочке из фторопласта в виде сборных деталей ТУ 2513-013-34724672-2010.