КЛАСТЕР ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ГЕЛИЯ
CLUSTER FOR NATURAL GAS PROCESSING WITH HELIUM EXTRACTION

Кластер по переработке природного газа с извлечением гелия, обеспечивающий максимальную полноту извлечения гелия при переработке газа газодобывающего региона, который может быть использован в газовой промышленности в условиях ее интенсивного развития.
3
3
3
3
Производства по переработке природного газа относятся к крупнотоннажным промышленным производствам, перерабатывающим до нескольких миллиардов нм/год сырого газа (несколько миллионов т/год). Однако в условиях интенсивного развития газовой промышленности объемы добычи природного газа резко возрастают именно в тех регионах, где отсутствуют дополнительные технические и кадровые ресурсы. Так, например, в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке еще в 2010 году добывалось всего 33 млрд. нм/год природного газа, из которых только 65 % подвергалось переработке, а остальные 35 % закачивались обратно в пласт или сжигались на факелах, однако по перспективным планам развития этих регионов добыча в них природного газа к 2030 году должна быть доведена до 200 млрд. нм/год. При этом потребуется строительство десятков крупнотоннажных газоперерабатывающих заводов, что неизбежно должно привести к раздроблению экономического потенциала региона, удорожанию строительства газоперерабатывающих заводов и увеличению себестоимости переработки газа. С целью концентрации экономического потенциала при переработке 200 млрд. нм/год природного газа предполагается в этом регионе построить 3 крупнейших газоперерабатывающих завода и газохимического комбината с инвестициями до 2030 г. до 160 млрд. рублей (Коржубаев А.Г., Филимонова И.В. Перспективы комплексного развития нефтяной и газовой промышленности Восточной Сибири и Дальнего Востока // Газовая промышленность. 2011. № 6. С. 10-16).
3
3
3
Подобные газоперерабатывающие заводы мощностью до 70 млрд. нм/год по перерабатываемому газу смогут обслуживать одновременно несколько месторождений природного газа. Так, например, на одном мультитоннажном газоперерабатывающем заводе в Иркутской области предполагается перерабатывать природный газ сразу с нескольких месторождений: Ковыктинского (40 млрд. нм/год), Чиканского и Ангаро-Ленского (18 млрд. нм/год) (Коржубаев А.Г., Филимонова И.В. Перспективы комплексного развития нефтяной и газовой промышленности Восточной Сибири и Дальнего Востока // Газовая промышленность. 2011. № 6. С. 10-16).
При подобной высокой мощности газоперерабатывающего завода становится нецелесообразным обеспечивать на заводе только предварительную подготовку природного газа для последующей его транспортировки потребителям в качестве топлива.
Природный газ, состоящий, в основном, из метана содержит ряд примесей, в частности, воду, азот, сероводород, диоксид углерода, гелий, меркаптаны, легкие углеводороды (этан, пропан, бутан), которые, с одной стороны, являются вредными примесями, ухудшающими в той или иной мере качество товарного газа, а с другой стороны, - наоборот, ценными компонентами, являющимися сырьем газохимической промышленности (производство метанола, элементной серы, сульфидов, непредельных углеводородов и т.д.). При этом любые примеси к метану в природном газе снижают теплотворную способность природного газа как топлива.
3
3
www.geoinform.ru
Природный газ различных месторождений существенно отличается как по содержанию примесей, так и по их составу. Наибольший интерес из балластных примесей природного газа представляет гелий, несмотря на то, что его содержание в природных углеводородных газах невелико. Например, классификация природных газов по содержанию в них гелия включает природные газы, богатые (более 0,5 % гелия), рядовые (0,1-0,5 %) и бедные (менее 0,1 %). Например, в природном газе Ковыктинского месторождения содержится до 1 % об. азота и гелия, что делает целесообразным выделение гелия (Способ извлечения гелия из природного газа: пат. 2478569 Рос. Федерация. № 2011146306/05; заявл. 16.11.2011; опубл. 10.04.2013), запасы гелия в природных газах Сибири и Дальнего Востока составляют 85 % запасов страны, при этом при практически одинаковых природных запасах гелия в России и США в последних вырабатывается около 90 млн м/год гелия, а в нашей стране - около 4 млн м/год (А.Э. Канторович, А.Г. Коржубаев, Л.В. Эдер. Сырьевая база и перспективы развития гелиевой промышленности России и мира // Институт геологии нефти и газа СО РАН. ).
3
3
3
3
3
Известно единственное в настоящее время производство по переработке природных углеводородных газов с получением гелия, реализованное на Оренбургском газоперерабатывающем и Гелиевом заводах, при этом сырьем Оренбургского газоперерабатывающего завода являются природные газы двух нефтегазоконденсатных месторождений (Оренбургского, обозначаемого далее ОНГКМ, и Карачаганакского, обозначаемого далее КНГКМ), существенно различающихся по своему составу. Производительность составляет по перерабатываемому сырью около 27 млрд. м/год, из них 18 млрд. м/год газа ОНГКМ и 9 млрд. м/год газа КНГКМ. Оба вида природного газа существенно различаются по содержанию примесей, в частности, гелия, сероводорода и диоксида углерода. Технологическая схема производства включает последовательно блоки аминовой очистки смеси газов ОНГКМ и КНГКМ от сероводорода и диоксида углерода, блоки получения элементной серы в процессе Клауса из извлеченного из газов сероводорода и получения из него элементарной серы, разделения глубокоочищенного газа от примесей на части, одна из которых после гликолевой осушки газа дополнительно осушается на блоках адсорбционной осушки газа и поступает на блоки криогенного разделения с получением в качестве конечных продуктов метана, этана, фракции углеводородов Си выше и гелия. Другая часть газа, частично очищенного от двуокиси углерода и глубокоочищенного от сероводорода, дополнительно перерабатывается на блоках низкотемпературной масляной абсорбции с получением осушенного топливного газа и очищенной от сероводорода и меркаптанов фракции С и выше. Одновременно с газом на производстве получают из нестабильного конденсата стабилизированный товарный конденсат, абсорбент для масляной абсорбции и природный одорант. (Иванов С.И. Разработка Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения (ОНГКМ) // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2006. № 7, С. 3-9). Одним из недостатков данного производства является низкий отбор гелия (80 % от потенциала) из-за вынужденного использования газа ОНГКМ, содержащего гелий, для разбавления газа КНГКМ, в котором гелий отсутствует и содержится много двуокиси углерода, чтобы обеспечить эффективную работу выработки серы, путем поддержания необходимого окисления серы в процессе Клауса за счет снижения доли двуокиси углерода в кислом газе, кроме того по мере снижения концентрации гелия в поступающем на переработку природном газе возрастает стоимость вырабатываемого гелия из-за возрастания энергозатрат на криогенное выделение гелия из полупродукта азотно-гелиевой смеси.
Практически же отбор гелия, формально составляющий 80 % от потенциала при переработке природного газа на Оренбургском газоперерабатывающем и Гелиевом заводах, существенно ниже и составляет менее 50 %, так как по ходу транспортировки сырьевого газа от газовых месторождений до газоперерабатывающих предприятий по магистральному газопроводу значительная часть этого сырьевого газа вместе с гелием  расходуется на работу дожимных компрессорных станций, перекачивающих транспортируемый газ и устанавливаемых через каждые 80-100 км магистрального газопровода, кроме того часть транспортируемого газа отводится в качестве топлива разнообразным потребителям промышленного и коммунального характера, расположенным по ходу магистрального трубопровода.
Кроме того, при проектировании новых мультитоннажных газоперерабатывающих заводов для переработки природного газа с получением товарного сжиженного гелия в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке необходимо учитывать, что концентрация гелия как наиболее летучего компонента в природных газах постепенно снижается по мере эксплуатации газового месторождения. При этом возникает дилемма проектирования: если учитывать при проектировании начальную высокую концентрацию гелия в природном газе, то по ходу эксплуатации придется отключить часть дорогостоящих технологических ниток для криогенного выделения гелия из балластного азота при снижении концентрации гелия, а если учитывать при проектировании низкую конечную концентрацию гелия в природном газе, то имеющееся оборудование по своей мощности не будет справляться с задачей извлечения гелия на начальной стадии эксплуатации и значительная часть гелия будет выбрасываться в атмосферу вместе с балластным азотом. Кроме того, ориентированное на жесткую производственную программу предприятие не может оперативно реагировать на колебания спроса на сжиженный гелий на внутреннем и мировом рынках.
Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в обеспечении оптимального максимально полного извлечения гелия из природного газа с одновременным обеспечением гибкости работы газоперерабатывающего предприятия и возможности его эффективного эксплуатирования в условиях постепенно уменьшающейся концентрации гелия в исходном углеводородном газе и наличии колебаний спроса на сжиженный гелий на внутреннем и мировом рынках, при этом под оптимальным максимально полным извлечением гелия из природного газа понимается ситуации, когда финансовые затраты на получение одной тонны сжиженного гелия, извлеченного из природного газа, компенсируются рыночными ценами на сжиженный гелий.
Поставленная задача решается тем, что месторождение природного газа, содержащего гелий, с продуктивными скважинами, газоперерабатывающий завод с извлечением гелия из природного газа и магистральный газопровод между месторождением и заводом с рядом дожимных компрессорных станций и отводящих трубопроводов для подачи природного газа от магистрального трубопровода к турбинам дожимных компрессорных станций и промышленным и коммунальным потребителям природного газа в качестве топлива рассматриваются как единый промышленный кластер по переработке природного газа с извлечением гелия, в котором газоперерабатывающий завод соединен с хранилищами гелиевого концентрата дополнительным трубопроводом для возврата в хранилища избыточного количества гелиевого концентрата.
Это позволяет проектировать (и затем строить) газоперерабатывающий завод кластера по технологическому оборудованию и энерговооруженности, ориентируясь на условия максимальной производительности по перерабатываемому газу, которое содержит среднее количество гелия, например, 0,15 %об. При этом предприятие вырабатывает сжиженный гелий за счет криогенной технологии на уровне 98 % от потенциально содержащегося гелия в исходном природном газе и вырабатывает в полном объеме номенклатуру конечной углеводородной продукции (топливный газ, этан, пропан, бутан, широкую фракцию легких углеводородов и др.). На начальной стадии  эксплуатации предприятия, когда поступающий природный газ содержит повышенную концентрацию гелия (например, 0,25 %), предприятие также вырабатывает в полном объеме ассортимент конечной углеводородной продукции, а высокоэнергозатратную криогенную стадию извлечения гелия из азота реализует в упрощенной модификации: вначале за счет низких энергозатрат получают гелиевый концентрат, представляющий собой промежуточный продукт извлечения гелия из газов, содержащий до 50 % и более гелия и до 50 % и менее азота в зависимости от эффективности систем концентрирования гелия, часть которого в соответствии с требованиями маркетинга перерабатывают на криогенной стадии извлечения гелия из азота, а оставшуюся часть гелиевого концентрата закачивают в дополнительный трубопровод для возврата на месторождение избыточного количества гелиевого концентрата. На заключительной стадии эксплуатации предприятия, когда поступающий природный газ содержит пониженную концентрацию гелия (например, 0,05 %), на газоперерабатывающем предприятии в исходный поступающий по магистральному трубопроводу природный газ добавляют гелиевый концентрат в количествах, соответствующих текущему требованию маркетинга на сжиженный гелий, что незначительно увеличивает объем перерабатываемого газа (на доли процента) и вырабатывает в полном объеме ассортимент конечной углеводородной продукции и сжиженного гелия.
Целесообразно, чтобы на отводящих трубопроводах для подачи природного газа от магистрального трубопровода к турбинам дожимных компрессорных станций и промышленным и коммунальным потребителям природного газа в качестве топлива были установлены блоки мембранного выделения гелиевого концентрата, который по вспомогательным трубопроводам направляется в дополнительный трубопровод или в близлежащее хранилище избыточного количества гелиевого концентрата.
В этом случае резко снижаются потери гелия, сбрасываемого в атмосферу с продуктами сгорания природного газа в турбинах дожимных компрессорных станций в горелках печей и котельных промышленных потребителей, и хозяйственных газовых плит, и колонок коммунальных потребителей. Блоки мембранного выделения позволяют получать после мембран пермеат (гелиевый концентрат) с содержанием гелия 50 % и более (в зависимости от числа ступеней очистки) и за счет этого уменьшить потери гелия в атмосферу с продуктами сгорания топлива.
3
3
3
Целесообразно также, чтобы возвращаемые по дополнительному трубопроводу избыточные количества гелиевого концентрата на месторождении природного газа закачивались в подземные хранилища, что позволяет отказаться от строительства резервуаров (газгольдеров) для хранения значительных объемов гелиевого концентрата. Так, например, при возвращении по дополнительному трубопроводу с газоперерабатывающего завода на газовое месторождение 52,4 млн нм/год гелия в виде гелиевого концентрата с концентрацией гелия 75 % под давлением 10 МПа потребовало бы создать годовое газгольдерное хранилище из ряда резервуаров общим объемом 700000 м или 700 газгольдеров по 1000 м каждый, при этом ежегодно требовалось бы строить аналогичные хранилища. При этом подземные хранилища избыточного количества гелиевого концентрата выполняются в пористых породах, изолированных от газоносного слоя пород газового месторождения и могут располагаться в удобных геологических структурах на всем протяжении магистрального трубопровода. Число и емкость подземных хранилищ определяется геологией региона и минимизацией совокупных затрат на транспортировку газа и обустройство подземных хранилищ гелиевого концентрата. Гелиевый концентрат в подобных хранилищах не разбавляется иными газами и может сохраняться в течение длительного времени. Так, например, в США в хранилище Клиффсайд, представляющем собой природную пористую скалу, хранится около 1 млрд гелиевого концентрата с концентрацией гелия 70 %.
3
Целесообразно также дополнительный трубопровод для возврата на подземное хранилище излишков гелиевого концентрата использовать в качестве оперативного газгольдера при изменяющейся маркетинговой ситуации с резким увеличением потребности в сжиженном гелии. В этом случае гелиевый концентрат из дополнительного трубопровода возвращается в соответствующие позиции технологического процесса, обеспечивая рост производительности газоперерабатывающего завода по гелию без изменения выхода и ассортимента углеводородных продуктов, и дополнительный трубопровод превращается из транспортного устройства в оперативный газгольдер большого объема: например, при диаметре и длине дополнительного трубопровода, соответственно, 212 мм и 3000 км объем дополнительного трубопровода составляет около 94000 м и он вмещает около 1/7 годового потока, возвращаемого на хранение, гелиевого концентрата.
Целесообразно также, чтобы блоки мембранного выделения гелиевого концентрата были выполнены унифицированными, тогда на конкретные отводящие трубопроводы для подачи природного газа от магистрального трубопровода к турбинам дожимных компрессорных станций и промышленным и коммунальным потребителям природного газа в качестве топлива можно установить мембранные блоки одинаковой конструкции и производительности, количество которых на отводящем трубопроводе равно отношению расхода природного газа в данном отводящем трубопроводе к производительности блока.
На фигурах 1 и 2 приведены принципиальные схемы кластеров по переработке природного газа с извлечением гелия и подачей избыточного количества гелиевого концентрата в одно (фигура 1) или несколько (фигура 2) подземных хранилищ гелиевого концентрата, где:
1 - газовое месторождение;
2 - газоперерабатывающее предприятие;
3 - магистральный трубопровод, соединяющий газовое месторождение и газоперерабатывающее предприятие;
4 - дожимные компрессорные станции;
5 - отводящие трубопроводы для подачи природного газа от магистрального трубопровода к турбинам дожимных компрессорных станций в качестве топлива;
6 - отводящие трубопроводы для подачи природного газа от магистрального трубопровода к промышленным и коммунальным потребителям природного газа в качестве топлива;
7 - дополнительный трубопровод гелиевого концентрата;
8 - подземное хранилище гелиевого концентрата;
9 - мембранные блоки для извлечения гелиевого концентрата с подачей его в дополнительный трубопровод;
10 - вспомогательные трубопроводы для подачи гелиевого концентрата.
Кластер по переработке природного газа с извлечением гелия функционирует следующим образом.
Природный газ, содержащий, в частности, гелий, от газового месторождения 1 транспортируется на газоперерабатывающее предприятие 2, на котором вырабатывают стандартный топливный газ и при этом из природного газа извлекают ценные углеводородные компоненты (этан, пропан, бутан, широкую фракцию легких углеводородов) и гелий, по магистральному трубопроводу 3, соединяющий газовое месторождение и газоперерабатывающее предприятие. При этом на магистральном трубопроводе 3 через определенные промежутки трассы трубопровода устанавливают дожимные компрессорные станции 4 для компенсации потерь напора при транспортировке природного газа. Компрессоры дожимных компрессорных станций приводятся в действие турбинами, для работы которых от магистрального трубопровода проложены отводящие трубопроводы для подачи природного газа от магистрального трубопровода к турбинам дожимных компрессорных станций 5 в качестве топлива, продукты сгорания топлива после турбин сбрасываются в атмосферу. Кроме того, на магистральном трубопроводе 3 имеются отводящие трубопроводы для подачи природного газа от магистрального трубопровода к промышленным и коммунальным потребителям природного газа в качестве топлива 6.
При переработке природного газа с повышенной концентрацией гелия на газоперерабатывающем предприятии 2 формируется избыточное количество гелиевого концентрата, которое по дополнительному трубопроводу гелиевого концентрата 7 транспортируется в подземное хранилище гелиевого концентрата 8. При переработке природного газа с пониженной концентрацией гелия по мере истощения газового месторождения по гелию на газоперерабатывающее предприятие 2 подается дополнительное количество гелиевого концентрата, которое по дополнительному трубопроводу гелиевого концентрата 7 транспортируется из подземного хранилища гелиевого концентрата 8. При колебании выработки сжиженного гелия, определяемого потребностями внутреннего и внешнего рынка гелия и необходимостью производства дополнительного количества гелия, на газоперерабатывающее предприятие 2 может подаваться необходимое количество гелиевого концентрата из дополнительного трубопровода гелиевого концентрата 7, который в данном случае играет роль оперативного газгольдера.
Для снижения потерь гелия в атмосферу при использовании части природного газа в качестве топлива для работы дожимных компрессорных станций и промышленных и коммунальных потребителей природного газа на отводящих трубопроводах для подачи природного газа от магистрального трубопровода к турбинам дожимных компрессорных станций в качестве топлива 5 и отводящих трубопроводах для подачи природного газа от магистрального трубопровода к промышленным и коммунальным потребителям  природного газа в качестве топлива 6 установлены  мембранные блоки для извлечения гелиевого концентрата 9, который по вспомогательным трубопроводам для подачи гелиевого концентрата 10 подается в дополнительный трубопровод гелиевого концентрата 7 или в близлежащее хранилище гелиевого концентрата 8.
Таким образом, в заявляемом изобретении в полном объеме решена задача обеспечения оптимального максимально полного извлечения гелия из природного газа с одновременным обеспечением гибкости работы газоперерабатывающего предприятия и возможности его эффективного эксплуатирования в условиях постепенно уменьшающейся концентрации гелия в исходном углеводородном газе и наличия колебаний спроса на сжиженный гелий на внутреннем и мировом рынках за счет введения в кластер по переработке природного газа с извлечением гелия дополнительного трубопровода гелиевого концентрата, связывающего газоперерабатывающее предприятие с подземным хранилищем гелиевого концентрата, и с извлечением гелиевого концентрата при помощи унифицированных мембранных блоков из природного газа, частично используемого в качестве топлива для работы дожимных компрессорных станций, а также промышленных и коммунальных потребителей. Необходимо также отметить, что заявляемое изобретение решает задачу добычи, транспорта и переработки газа в условиях «добыча гелия без потерь», что принципиально важно для будущего мирового развития гелиевого рынка в связи с небольшим наличием гелия на нашей планете.