Комплекс переработки в газохимическую продукцию углеводородного сырья месторождений, расположенных в сложных климатических условиях
COMPLEX FOR PROCESSING INTO GAS CHEMICAL PRODUCTS OF HYDROCARBON RAW MATERIALS OF DEPOSITS LOCATED IN ADVERSE CLIMATIC CONDITIONS

Изобретение относится к разработке и проектированию объектов газовой промышленности в условиях ее интенсивного развития.
Самой большой проблемой нефтегазовой отрасли России является расположение основных ресурсов углеводородов в труднодоступных регионах Арктики, Сибири и Дальнего Востока. В частности, анализ добычи углеводородов во всех странах Арктики за последние полвека показал, что из арктических недр России, США, Канады и Норвегии к 2019 г. извлечены гигантские объемы углеводородов, достигшие 22 млрд т в нефтяном эквиваленте (н.э.), из которых около 86,9% добыто в арктической зоне РФ, а 12,5% - на Аляске. По общим объемам добычи в арктической зоне РФ в 2017 г. и 2018 г. последовательно были установлены рекорды 581,4 и 616,9 млн т н.э. (преимущественно за счет роста добычи и экспорта газа) (Богоявленский В.И., Богоявленский И.В. Основные результаты и перспективы освоения ресурсов нефти и газа Арктики// Труды ВЭО России. 2019. Т. 216. С. 54-82). Учитывая специфику расположения в труднодоступных регионах РФ основных стратегических запасов природного газа, важнейшим фактором их интенсивной разработки и добычи становится обеспечение сырьем быстро развивающейся газохимической промышленности с одновременным производством топлива, обеспечивающего потребности топливноэнергетического комплекса страны и экспорт. Оптимальное решение этой задачи возможно только при создании промышленных кластеров, связывающих в единый производственный цикл с помощью логистических связей предприятия добычи, газопереработки и газохимии с учетом особенностей региона их размещения и потребителей конечной продукции.
5
Известна установка для переработки углеводородных газов нефтяных и газоконденсатных месторождений, содержащая трубопровод подачи попутного нефтяного газа (ПНГ) или «сырого» газа и связанные с ним и между собой системой трубопроводов аппараты установки промысловой подготовки ПНГ и «сырого» газа компрессорную станцию, а именно установку низкотемпературной сепарации, блок адсорбционной очистки, выход которого соединен с трубопроводом отвода товарного осушенного газа, блок колонны стабилизации газового конденсата и установку очистки сжиженных углеводородных газов (СУГ), а также соединенный с выходом СУГ установки очистки реакторный блок платформинга и соединенный с его выходом блок разделения продуктов реакции, выход жидких продуктов которого соединен со входом блока колонны стабилизации, выход углеводородного газа которого соединен с трубопроводом подачи ПНГ или «сырого» газа, второй выход блока колонны стабилизации соединен с трубопроводом отвода смеси углеводородов С и выше и ароматических углеводородов в магистральный нефтепровод (патент на изобретение RU 2435827 С1, МПК C10G 5/00, C10L 3/10, С07С 9/00, заявлен 15.11.2010 г., опубликован 10.12.2011 г.). Основными недостатками изобретения являются:
5
• наличие блоков платформинга и разделения продуктов платформинга при условии, что получаемая смесь углеводородов С и выше затем закачивается в магистральный нефтепровод и смешивается с нефтью;
• единственный товарный продукт, представленный топливным газом.
Известен комплекс по переработке магистрального природного газа в товарную продукцию, состоящий из газоперерабатывающего блока А, вырабатывающего метановую, этановую, пропановую, бутановую и пентан-гексановую фракции; блока сжижения природного газа Б, подготовленного на газоперерабатывающем блоке А; газохимического блока В, вырабатывающего полимерную продукцию из этановой и/или пропановой фракции и/или прочего углеводородного сырья, выделенных на газоперерабатывающем блоке А; логистического блока Г, включающего резервуарный парк хранения товарной продукции вышеуказанных блоков; общезаводского хозяйства Д, обеспечивающего энергоресурсами и необходимыми реагентами все вышеуказанные блоки комплекса; а также энергетических и технологических взаимосвязей между звеньями общезаводского хозяйства Д и звеньями остальных блоков комплекса А, Б, В, Г, с возможностью как вариативного исполнения звеньев этих блоков, так и дополнения их новыми звеньями (патент на изобретение RU 2715838 С1, МПК B01D 53/00, заявлен 01.10.2019 г., опубликован 03.03.2020 г.). Недостатком изобретения является размещение всех блоков комплекса и составляющих их звеньев на одной производственной площадке, что нерационально для труднодоступных, в частности, арктических регионов, так как:
• для обслуживания такого комплекса необходимо несколько тысяч высококвалифицированных инженерно-технических работников, что трудно реализуемо в подобных регионах с неразвитой инфраструктурой и суровым климатом;
• большой ассортимент выпускаемой продукции газопереработки и газохимии усложняет логистику доставки ее потребителям и удорожает цену конечной продукции из-за транспорта на большие расстояния.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является газоперерабатывающий и газохимический комплекс, включающий газоперерабатывающий сектор, состоящий из звена подготовки сырья, звена низкотемпературного фракционирования сырья, звена получения элементарной серы, звена получения товарной метановой фракции (товарного газа), звена получения товарного гелия, звена получения суммы сжиженных углеводородных газов и пентан-гексановой фракции; сектор по сжижению природных газов, состоящий из звена сжижения товарной метановой фракции (товарного газа) и звена сжижения этановой фракции; газохимический сектор, состоящий из звена получения этилена, звена получения пропилена, звена получения синтез-газа, метанола и высших спиртов, аммиака, звена получения полимеров, сополимеров и звена получения этиленгликолей; сектор подготовки конденсата, состоящий из звена стабилизации конденсата и звена получения моторных топлив, при этом перемещение технологических потоков между смежными секторами обеспечивается дополнительными перекачивающими станциями (патент на изобретение RU 2570795 С1, МПК C10G 5/00, B01D 53/00, B01D 61/00, С07С 7/00, F25J 3/00, заявлен 15.07.2014 г., опубликован 10.12.2015 г.). Недостатком изобретения является размещение всех секторов комплекса и составляющих их звеньев на одной производственной площадке, что нерационально для труднодоступных, в частности, арктических регионов, так как:
• для обслуживания такого комплекса необходимо несколько тысяч высококвалифицированных инженерно-технических работников, что трудно реализуемо в подобных регионах с неразвитой инфраструктурой и суровым климатом;
• большой ассортимент выпускаемой продукции газопереработки и газохимии усложняет логистику доставки ее потребителям и удорожает цену конечной продукции из-за транспорта на большие расстояния.
При создании изобретения была поставлена задача разработать высокоэффективный комплекс переработки в газохимическую продукцию углеводородного сырья месторождений, расположенных в сложных климатических условиях, с высоким уровнем гибкости и вариативности производства, формируемый таким образом, чтобы обеспечить логистическую связь между элементами комплекса и потребителями товарной продукции, учитывая уровень развития региона расположения комплекса.
Поставленная задача решается за счет того, что комплекс для переработки в газохимическую продукцию углеводородного сырья месторождений, расположенных в сложных климатических условиях, включает завод по производству синтетического газа, систему трубопроводов и, как минимум, один завод по переработке синтетического газа, при этом на заводе по производству синтетического газа в качестве углеводородного сырья перерабатывают природный газ и/или газ стабилизации и/или стабильный конденсат с получением синтетического газа, который направляют на, как минимум, один завод по переработке синтетического газа для производства товарной газохимической продукции, причем завод по производству синтетического газа размещают вблизи месторождения или группы месторождений углеводородного сырья, расположенных в сложных климатических условиях, завод по переработке синтетического газа размещают вблизи потребителей товарной газохимической продукции, а синтетический газ транспортируют от одного завода до другого с помощью магистрального продуктопровода.
Подобная компоновка комплекса позволяет решить несколько экономически важных задач. Во-первых, ввиду необходимости предварительной подготовки добываемого углеводородного сырья на месторождении размещение на этой же площадке завода по производству синтетического газа требует в несколько раз меньше технологических установок и ресурсов обслуживающего персонала по сравнению с удаленным от месторождений размещением завода по производству синтетического газа вместе с заводом по переработке синтетического газа или, наоборот, с размещением завода по производству синтетического газа вместе с заводом по переработке синтетического газа непосредственно на месторождении. Во-вторых, наличие на месторождении углеводородного сырья дешевого топливного газа для установок завода по производству синтетического газа позволяет вырабатывать более дешевый синтетический газ. В-третьих, транспорт синтетического газа по магистральному продуктопроводу от месторождения до удаленного завода по переработке синтетического газа намного дешевле, чем транспорт большего количества сырого природного газа, содержащего существенное количество балластных компонентов (диоксид углерода, сероводород и др.). В-четвертых, размещение заводов по переработке синтетического газа в более комфортной зоне региона с развитой инфраструктурой упрощает логистику доставки потребителям товарной газохимической продукции. В-пятых, размещение заводов по переработке синтетического газа рядом с крупными потребителями позволяет сократить транспортные расходы на доставку товарной газохимической продукции.
Получаемый на заводе по производству синтетического газа синтетический газ включает в себя, как минимум, один из индивидуальных олефиновых мономеров (например, этилен или пропилен), который может как быть единственным компонентом, так и присутствовать в смеси, например, с водородом, монооксидом углерода, метаном и другими компонентами природного газа.
Рекомендуется на заводе по производству синтетического газа для получения содержащего олефиновые мономеры синтетического газа использовать:
- при переработке природного газа - окислительную димеризацию метана с получением олефиновых мономеров и/или паровую и/или кислородную конверсию метана с получением синтез-газа, из которого затем производят метанол для последующего превращения в олефиновые мономеры с помощью технологии метанол в олефины;
2
- при переработке выделенных из природного газа и/или газа стабилизации углеводородов С и выше в виде смеси и/или отдельных фракций и/или стабильного конденсата - пиролиз;
3
4
- при переработке выделенных из природного газа и/или газа стабилизации углеводородов С и/или С - дегидрирование.
Выбор одного из трех выше рассмотренных методов получения синтетического газа определяется видом и составом добываемого на месторождении углеводородного сырья (природный газ и/или газ стабилизации и/или стабильный конденсат), технической эффективностью метода и его экономической целесообразностью.
В тех случаях, когда добыча природного газа на месторождении углеводородного сырья превышает потребность в сырье завода по производству синтетического газа, поступающий с месторождений на завод по производству синтетического газа избыток природного газа используют для получения сжиженного природного газа (далее СПГ) на оборудовании месторождения с дальнейшей транспортом, например, танкерами-газовозами.
5
Целесообразно на заводе по производству синтетического газа синтетический газ подвергать подготовке к разделению путем очистки от кислых компонентов, осушки, удаления углеводородов С и выше без разделения. Это позволяет удешевить транспорт синтетического газа на удаленные заводы по переработке синтетического газа по сравнению с индивидуальным транспортом каждого из продуктов разделения синтетического газа и упростить конфигурацию завода по производству синтетического газа, расположенного в сложных климатических условиях.
Имеется возможность в зависимости от потребности региона размещения завода по переработке синтетического газа в природном газе перед транспортом к синтетическому газу добавлять соответствующее количество природного газа, в дальнейшем выделяемое на заводе по переработке синтетического газа, что позволяет снизить затраты на транспорт топливного газа по отдельному трубопроводу в регион размещения завода по переработке синтетического газа.
Наиболее экономично с позиций капиталовложений для транспорта синтетического газа от завода по производству синтетического газа до завода по переработке синтетического газа в качестве магистрального продуктопровода использовать, как минимум, одну существующую трубу газотранспортной сети (далее ГТС).
Полезно в качестве топливного газа на магистральных компрессорных станциях для транспорта синтетического газа использовать природный газ, транспортируемый по магистральному газопроводу, проходящему рядом с магистральным продуктопроводом, причем прокладка магистрального газопровода совместно с магистральным продуктопроводом снизит стоимость топливного газа и обеспечит как магистральные компрессорные станции, так и промышленные объекты и коммунальное хозяйство близлежащих населенных пунктов.
4
Целесообразно на заводе по переработке синтетического газа из синтетического газа полностью выделять один или несколько компонентов, в частности: метановую фракцию для использования в качестве топливного газа на собственные нужды и на нужды региона размещения завода; реализуемый потребителям водород; этан, пропан и углеводороды С и выше в виде отдельных фракций и/или смеси для получения товарной газохимической продукции и/или реализации потребителям и/или использования в качестве топливного газа на нужды завода; этилен, пропилен и прочие олефиновые мономеры для получения товарной газохимической продукции, например, полимеров, а остальные компоненты закачивать обратно в магистральный продуктопровод для их переработки на других заводах, подключенных к магистральному продуктопроводу. Это позволит рационально использовать поступающее по магистральному продуктопроводу сырье, а также сократить потери в окружающую среду и, соответственно, экологический ущерб.
Выделяемую на заводе по переработке синтетического газа метановую фракцию можно использовать для получения СПГ и/или в качестве источника сырья для дополнительного производства синтетического газа.
Для снабжения экологичным видом топлива регионов, в которых отсутствует существенное потребление газохимической продукции, в частном случае на заводе по переработке синтетического газа могут выделять из синтетического газа преимущественно водород с закачкой остальных компонентов обратно в магистральный продуктопровод. При этом водород можно выделять с помощью селективных к водороду мембран с последующей его доочисткой от примесей и использовать его для производства сжиженного водорода, реализуемого потребителям, что расширит ассортимент вырабатываемой товарной продукции, или направлять в ГТС для снижения углеродного следа транспортируемого природного газа за счет уменьшения концентрации оксидов углерода, образующихся при сжигании топлива.
Целесообразно также завод по переработке синтетического газа разделять на группу параллельно или последовательно связанных самостоятельных предприятий со специфическими технологиями и уровнями передела исходных мономеров, например следующим образом:
• этилен → полиэтилен → товарная продукция из различных марок полиэтилена;
• этилен → стирол → гликоли, целозольвы, полиуретаны, полистиролы → товарная продукция из различных марок полистирола;
• этилен → винилхлорид → поливинилхлорид → товарная продукция из различных марок поливинилхлорида;
• этилен → винилацетат, уксусная кислота, этанол, окись этилена и др.;
• пропилен → полипропилен → товарная продукция из различных марок полипропилена;
• пропилен → глицерин, аллиловый спирт, изопропанол и др.;
• пропилен → изопрен → изопреновый каучук → товарная продукция из различных марок каучука;
с учетом потребностей региона размещения завода по переработке синтетического газа и логистических связей по видам продукции по стране в целом.
Целесообразно в период вывода на ремонт технологических установок на одном заводе по переработке синтетического газа сырье данных установок направлять в магистральный продуктопровод для его переработки на других заводах по переработке синтетического газа, подключенных к магистральному продуктопроводу.
Целесообразно к магистральному газопроводу подключить действующие заводы для подачи избытков производимых полупродуктов, в частности, этилена, пирогаза, водорода, в магистральный продуктопровод.
Целесообразно к магистральному продуктопроводу подключить завод по производству водорода, от которого в магистральный газопровод направляют водород для последующего выделения на заводах по переработке синтетического газа.
На фигуре приведена принципиальная схема одного из вариантов реализации заявляемого комплекса переработки в газохимическую продукцию углеводородного сырья месторождений, расположенных в сложных климатических условиях, с использованием следующих обозначений:
1-13 - трубопровод;
100 - газоконденсатное месторождение;
200 - завод по производству синтетического газа;
201 - узел первичной подготовки;
2
202 - узел очистки и выделения из природного газа фракции С и выше;
203 - узел пиролиза;
204 - узел промывки, компримирования, очистки и осушки;
300 - магистральный газопровод;
400 - магистральный продуктопровод;
500 - магистральная компрессорная станция;
600 - завод по переработке синтетического газа;
601 - узел разделения синтетического газа;
602 - узел сжижения и отгрузки водорода;
603, 604 - узел производства полимеров.
По приведенной на фигуре схеме заявляемый комплекс функционирует следующим образом.
Добытая на газоконденсатном месторождении 100 газоконденсатная смесь по трубопроводу 1 поступает на завод по производству синтетического газа 200, где последовательно проходит следующие узлы:
• узел первичной подготовки 201, где газоконденсатная смесь разделяется на природный газ и стабильный конденсат;
2
2
• узел очистки и выделения из природного газа фракции С и выше 202, где поступающий с узла 201 по трубопроводу 2 природный газ очищается и разделяется на метановую фракцию и фракцию С и выше;
2
• узел пиролиза 203, где поступающая с узла 202 по трубопроводу 4 фракция С и выше и поступающий по трубопроводу 3 с узла 201 стабильный конденсат подвергаются пиролизу;
• узел промывки, компримирования, очистки и осушки 204, где поступающий по трубопроводу 5 с узла 204 пирогаз, содержащий олефиновые мономеры, проходит подготовку к дальнейшей транспортировке в виде синтетического газа по магистральному продуктопроводу 400.
Подготовленный к транспортировке синтетический газ направляется по магистральному продуктопроводу 400 на завод по переработке синтетического газа 600 с промежуточным компримированием на магистральных компрессорных станциях 500.
2
Оставшаяся после отделения от природного газа фракции С и выше метановая фракция направляется по магистральному газопроводу 300, находящемуся в одном коридоре с магистральным продуктопроводом 400, потребителям с промежуточным компримированием на магистральных компрессорных станциях 500.
В качестве топливного газа магистральных компрессорных станций 500 используется метановая фракция, подаваемая по трубопроводу 6 из магистрального газопровода 300.
Завод по переработке синтетического газа 600 включает следующие технологические узлы:
4
• узел разделения синтетического газа 601, где поступающий по магистральному продуктопроводу 400 синтетический газ разделяется на водород, метановую фракцию, индивидуальные мономеры, этан, пропан и углеводороды С и выше в виде СУГ. Полученную метановую фракцию используют в качестве топливного газа на собственные нужды или реализуют потребителям по трубопроводу 7. СУГ реализуют потребителям (на схеме не указано);
• узел сжижения и отгрузки водорода 602, где поступающий по трубопроводу 8 из узла 601 водород сжижается и отгружается потребителям по трубопроводу 13;
• узлы производства полимеров 603 и 604, где индивидуальные мономеры, поступающие по трубопроводам 10 и 9 из узла 602, перерабатываются в соответствующие полимеры, которые по трубопроводам 11 и 12, соответственно, направляются для отгрузки потребителям.
Пример 1. Для предлагаемого комплекса была оценена величина капитальных затрат и затрат на доставку товарной продукции в сравнении с прототипом - газоперерабатывающим и газохимическим комплексом по патенту RU 2570795, расположенным:
а) непосредственно на месторождении углеводородного сырья,
б) вблизи потребителя.
3
Рассмотрено месторождение в Арктическом регионе, например, на Ямале, с годовым объемом добычи по газу на уровне 60 млрд м/год (потенциал этана - 3,0 млн т, пропана - 1,7 млн т, бутана - 1,0 млн т) и конденсата на уровне 3 млн т/год. В таблице 1 представлена оценка затрат на переработку указанных объемов сырья по разным вариантам в млрд $.
Как видно из таблицы 1, по заявляемому изобретению достигается экономия затрат на переработку исходного углеводородного сырья 1,19 млрд долл. США, снижаясь на 2,5%. Кроме того, строительство комплекса вблизи потребителя с развитой инфраструктурой потребует намного меньших затрат по сравнению с его строительством в Арктическом регионе.
3
Пример 2. Оценка энергоэффективности транспортировки синтетического газа по заявляемому изобретению проведена на примере сравнения с транспортом природного газа в объеме 10 млрд м/год (потенциал по ценным компонентам: этан - 500 тыс.т/год, СУГ - 450 тыс.т/год) транспорта синтетического газа при условии полной переработки указанного объема природного газа в мономеры (этан и СУГ на установке пиролиза, оставшийся объем природного газа (метановая фракция) - превращается в олефины через метанол). Расстояние транспортировки - 2000 км.
Расчеты, результаты которых представлены в таблице 2, показали, что затраты на транспорт синтетического газа уменьшаются в 10 раз по сравнению с транспортом природного газа, из которого синтетический газ был получен.
Таким образом, заявляемое изобретение решает поставленную задачу разработать высокоэффективный комплекс переработки в газохимическую продукцию углеводородного сырья месторождений, расположенных в сложных климатических условиях, с высоким уровнем гибкости и вариативности производства, обеспечивающий логистическую связь между элементами комплекса и потребителями товарной продукции с учетом уровня развития региона расположения комплекса.