СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ СМЕСИ
METHOD FOR TRANSPORTATION OF METHANE-HYDROGEN MIXTURE

Настоящее изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано при транспортировке газообразных энергоносителей на дальние расстояния.
В последнее время водородные технологии активно осваиваются практически во всех передовых странах мира. Главной причиной указанных разработок является необходимость оперативного решения природоохранных задач глобального масштаба. Водородная энергетика является ключевым фактором глобальной энергетической трансформации, позволяющей снизить парниковые выбросы.
Широкомасштабное применение водорода требует решение проблем, связанных с его транспортировкой при высоком содержании водорода в метано-водородной смеси.
Водород можно транспортировать к месту его использования в газообразном или жидком состояниях, а также с помощью твердых или жидких носителей, которые содержат водород в связанном виде. Транспортировку газообразного водорода возможно осуществлять как по специальным водородным трубопроводам, так и по существующим трубопроводам природного газа.
Основная задача трубопроводного транспорта - обеспечение максимального переноса энергоносителя на расстояние с минимальными затратами энергии и капитальными вложениями.
Известен способ транспортирования метано-водородной смеси (МВС), включающий смешивание водорода, полученного электролизом воды, с природным газом с содержанием водорода в смеси в пределах 15 ~ 20%, сжатие смеси с последующим ее разделением, очисткой от серы и подачи водорода в резервуар для хранения (CN 208735278, 2019).
Недостатки известного решения заключаются в низком содержании водорода в транспортируемой смеси, что ограничивает производительность действующих газопроводов по водороду, повышенные гидравлические потери при транспортировке, а также наличие сернистых соединений в используемом газе.
Также известно применение метано-водородных смесей с высоким содержанием водорода (до 50%) в качестве топливного газа на газотурбинных установках, в том числе подлежащих реконструкции, позволяющее не только существенно улучшить эксплуатационные характеристики и снизить расход топливного таза, но и значительно снизить эмиссионные показатели (RU 2467187, 2012).
Обогащение природного газа водородом, согласно изобретению, производится путем каталитического процесса паровой конверсии метана, эндотермический характер которой требует подвода тепловой энергии.
Однако указанное изобретение относится к способу работы отдельной газотурбинной установки и не рассматривает проблемы транспортирования метано-водородной смеси на дальние расстояния с содержанием водорода не менее 75%.
В работах Andrzej Witkowski, Andrzej Rusi, Miroslaw Majkut, Katarzyna Stolecka «Analysis of compression and transport of the methane/hydrogen mixture in existing natural gas pipelines», International Journal of Pressure Vessels and Piping, Volume 166, September, 2018, pages 24-34, и Andrzej Witkowski, Andrzej Rusi, Miroslaw Majkut, Katarzyna Stolecka « Comprehensive analysis of hydrogen compression and pipeline transportation from thermodynamics and safety aspects», International Journal of Pressure Vessels and Piping», Energy, Volume 141, 15 December, 2017 (pages 2511-2518) представлены результаты комплексного анализа процессов сжатия и трубопроводного транспорта смеси природного газа и водорода с точки зрения термодинамики и вопросов безопасности и анализ проблем использования центробежных и поршневых компрессоров для перекачки водорода, обусловленных низкой плотностью водорода. Показано, что наиболее надежным, экономичным и энергоэффективным является центробежное сжатие.
Приведено также обоснование, что расстояние между компрессорными станциями вдоль трубопровода будет определяться эксплуатационными и экономическими факторами. Расстояние предположительно может быть равно или более 25-60 км, что характерно для транспортировки природного газа.
При этом все вышеуказанные положения рассматриваются для случаев транспортировки метано-водородной смеси с содержанием водорода до 50%.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ транспортирования метансодержащего газа по магистральному трубопроводу с установленными на трассе указанного газопровода через каждые 100 - 150 км компрессорными станциями (КС), в состав которых входят, в том числе, газоперекачивающие агрегаты (ГПА), в которых в качестве топлива используют перекачиваемый газ. При этом перекачиваемый газ на каждой КС подвергают предварительной очистке от механических примесей и капельной влаги в специальных пылеуловителях и фильтрах-сепараторах. (Методические рекомендации «Учебное пособие для дисциплины Оборудование магистральных газонефтепроводов для студентов направления подготовки 21.03.01 «Нефтегазовое дело», Ставрополь, 2017, с. 19-28, 106, (https://www.ncfu.ru/export/uploads/imported-from-dle/op/doclinks2017/Metod Disc OMGNP 21.03.01 2017.pdf).
2
Существенный недостаток известного решения заключается в выбросе в атмосферу большого количества парникового газа - СО.
Кроме того, известное техническое решение не адаптировано для транспортирования потока метано-водородной смеси с высоким содержанием водорода не менее 70%.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в обеспечении минимизации выбросов углекислого газа за счет использования в качестве топлива газотурбинных агрегатов (ГТА) водорода при транспортировании потока метано-водородной смеси с содержанием водорода не менее 70%.
Поставленная задача достигается описываемым способом транспортирования метано-водородной смеси с содержанием водорода не менее 70% по трубопроводу, от места ее производства до основного магистрального газопровода, заключающимся в отборе на каждой газоперекачивающей станции, текущее значение давления транспортируемой метано-водородной смеси на которой соответствует величине 38,0 - 42,0 атм, посредством полимерного мембранного модуля парциального потока водорода с чистотой не менее 98% об, который направляют на сжигание в газовую турбину газоперекачивающей станции, при этом метано-водородную смесь до отбора водорода подвергают компрессии до величины давления, необходимой и достаточной для соблюдения заданных условий транспортирования до следующего отбора водорода на следующей газоперекачивающей станции, а величину парциального отбора водорода на каждой газоперекачивающей станции выбирают, исходя из условия обеспечения в конце трубопровода после конечной газоперекачивающей станции содержания водорода в смеси не менее 70,0%, причем на конечной газоперекачивающей станции перед основным магистральным газопроводом компрессию метано-водородной смеси проводят в две ступени с добавлением перед второй ступенью к перекачиваемой метано-водородной смеси пентана, количество которого выбирают, исходя из условия достижения плотности полученной метано-водородной смеси величины, соответствующей величине плотности транспортируемой смеси газа без водорода при стандартных условиях, затем по окончании процесса компримирования пентан удаляют из метано-водородной смеси, которую направляют в основной магистральный трубопровод.
Достигаемый технический результат заключается в оптимизации количества отбираемого водорода на каждой газоперекачивающей станции и оптимизации расстояния между точками компрессии транспортируемой метано-водородной смеси, а также в обеспечении процесса двухступенчатой компрессии на последней газоперекачивающей станции до заданного значения давления перед основным магистральным газопроводом за счет введения в транспортируемый поток пентана.
Сущность способа заключается в следующем.
Транспортирование метано-водородной смеси с содержанием водорода не менее 70% по трубопроводу начинается у производства МВС из природного газа.
Производство МВС заключается в следующем.
При проведении процессов получения синтез - газа на основе трубчатой паровой конверсии из природного газа под давлением 18-30 атм., последующей компрессии синтез-газа до давления 90 - 110 атм. и синтеза метанола по циркуляционной схеме образуется продувочный газ под давлением 70 - 90 атм.
Образовавшийся продувочный газ содержит метан, водород, примеси -окислы углерода и другие. Указанный продувочный газ подвергают очистке, в том числе, от окислов углерода, с получением метано-водородной смеси.
Полученную метано-водородную смесь, содержащую водород в количестве не менее 70% транспортируют по трубопроводу до основного магистрального газопровода следующим образом.
На трассе указанного газопровода установлены газоперекачивающие станции. Текущее значение давления транспортируемой метано-водородной смеси на каждой станции соответствует величине 38,0 - 42,0 атм. На каждой станции метано-водородную смесь подвергают компрессии до величины давления, необходимой и достаточной для соблюдения заданных условий транспортирования до каждой следующей газоперекачивающей станции, в частности, до давления 67-70 атм.
При этом при транспортировании метано-водородной смеси на каждой станции после указанной компрессии осуществляют отбор парциального потока водорода с чистотой не менее 98%. Указанный отбор проводят посредством использования полимерного мембранного модуля. Данный поток водорода используют в качестве топлива - направляют на сжигание в газовую турбину газоперекачивающей станции. Величину парциального отбора водорода на каждой газоперекачивающей станции выбирают, исходя из условия обеспечения в конце трубопровода перед основным магистральным трубопроводом содержания водорода в смеси не менее 70,0%.
На конечной газоперекачивающей станции перед основным магистральным газопроводом компрессию метано-водородной смеси проводят в две ступени. При этом перед второй ступенью к перекачиваемой метано-водородной смеси добавляют пентан.
Количество пентана выбирают, исходя из условия достижения плотности полученной метано-водородной смеси до величины, соответствующей величине плотности транспортируемой смеси газа без водорода при стандартных условиях.
Полученную смесь подвергают компрессии до величины, обеспечивающей заданную степень компрессии указанной смеси, в частности, до давления 130-220 атм.
По окончании процесса компримирования пентан удаляют из метано-водородной смеси. Удаление пентана из смеси осуществляют, например, путем ее охлаждения и конденсации пентана.
Данную смесь с содержанием водорода в смеси не менее 70% направляют в основной магистральный трубопровод.
Количество добавляемого пентана зависит от состава компримируемой метано-водородной смеси.
Для приведения значений плотности к значению, соответствующему стандартным условиям, а именно, величине 0,701 кг/м3, количество добавляемого газообразного пентана рассчитывают следующим образом.
Согласно правилу аддитивности плотность смеси рассчитывают по следующей формуле:
CH4
H2
C5
CH4
H2
3
3
3
где: А - содержание пентана, добавляемого к МВС; ρ - плотность метана, кг/м; ρ - плотность водорода, кг/м; ρ - плотность пентана, кг/м; ω - содержание метана в МВС; ω - содержание водорода в МВС.
3
Использование данной формулы позволяет определить, какое количество пентана необходимо ввести в МВС для получения смеси плотностью 0,701 кг/м.
При проведении описываемого способа, начиная от первой газоперекачивающей станции до каждой следующей, вследствие отбора водорода с помощью полимерного мембранного блока, происходит уменьшение объема перекачиваемой МВС и одновременно снижается концентрация и объем отбираемого водорода.
На последней компрессорной станции количество отбираемого водорода существенно возрастает вследствие расхода последнего на компрессию МВС с 40 до 70 атм, далее с 70 атм до 220 атм и дополнительно вводимого на второй ступени компрессии пентана.
Описываемый способ иллюстрируют примером, представленным ниже и не ограничивающим его применение.
Иллюстрация смоделирована на примере использования в качестве магистрального газопровода «Северный поток-2».
Трубопровод для транспортировки метано-водородной смеси до магистрального газопровода имеет (гипотетически) протяженность ~1000 километров. По трассе трубопровода расположены четыре газоперекачивающие станции, снабженные газотурбинными агрегатами (ГТА).
Транспортирование смеси по трубопроводу начинают от производства МВС из природного газа.
Давление МВС на выходе указанного производства составляет ~ 70 атм., а содержание водорода 76,3.
3
Первая газоперекачивающая станция расположена на расстоянии 215 км от производства МВС. К данной станции подходит газовый поток с содержанием водорода 76,3% в объеме 4148160 ст.м/час и давлением 40 атм.
Указанный поток сжимают в газовом компрессоре газотурбинного агрегата (ГТА) до давления 70 атм.
3
Сжатую МВС направляют в блок полимерных мембран, в котором из потока МВС выделяют водород чистотой 98% в количестве 177608 ст.м/час.
Выделенный водород используют в качестве топлива, направляя на сжигание в газовую турбину газоперекачивающей станции.
3
р
3
3
3
H
Для определения удельного расхода водорода в качестве топлива условно рассматривают ГТА мощностью 16000 кВт. При этом часовой расход природного газа равен 6200 ст.м, Q=7741 ккал/ст.м, удельный расход природного газа равен 0,3875 ст.м на 1 кВт-час или 3000 ккал /кВт-час, что в пересчете на водород (в качестве топлива) составляет 1,2 нмводорода на 1 кВт-час.
3
Поток МВС после выделения водорода и сжатия до 70 атм. подвергают дальнейшему транспортированию до второй промежуточной газоперекачивающей станции, расположенной на расстоянии 225 км. от первой. К данной станции подходит газовый поток с содержанием водорода 75,1% в объеме 3978544 ст.м/час, под давлением 40 атм. Данный поток сжимают в газовом компрессоре газотурбинного агрегата ГТА до давления 70 атм.
3
Сжатую МВС направляют в блок полимерных мембран, в котором из потока МВС выделяют водород чистотой 98% в количестве 163304 ст.м/час.
Выделенный водород используют в качестве топлива для ГТА.
Поток МВС после выделения водорода и сжатия до 70 атм. подвергают дальнейшему транспортированию до третьей промежуточной газоперекачивающей станции.
3
Третья газоперекачивающая станция расположена на расстоянии 237 км. от второй. К данной станции подходит газовый поток с содержанием водорода 74,0% в объеме 3815234 ст.м/час, под давлением 40 атм.
Данный поток сжимают в газовом компрессоре газотурбинного агрегата до давления 70 атм.
3
Сжатую МВС направляют в блок полимерных мембран, в котором из потока МВС выделяют водород с чистотой 98% в количестве 155712 ст.м/час.
Выделенный водород используют в качестве топлива для ГТА.
Поток МВС после выделения водорода и сжатия до 70 атм. подвергают дальнейшему транспортированию до четвертой промежуточной газоперекачивающей станции.
Четвертая перекачивающая станция расположена на расстоянии 252 км. от третьей станции и является конечной газоперекачивающей станцией перед основным магистральным газопроводом. К ней подходит газовый поток (метано-водородная смесь) с содержанием водорода 73,0% в объеме 3656349 ст.м3/час, под давлением 40 атм.
Компрессию метано-водородной смеси на данной станции проводят в две ступени.
На первой ступени газовый поток сжимают в газовом компрессоре газотурбинного агрегата до давления 70 атм.
Сжатую МВС направляют в блок полимерных мембран, в котором из потока МВС выделяют водород чистотой 98% в количестве 387400 ст.м3/час. Выделенный водород используют в качестве топлива для ГТА.
Затем к МВС после первой ступени компрессии (содержание метана 30%, содержание водорода 70%.) добавляют пентан в расчетном количестве и направляют на вторую ступень компрессии с 70 атм. до 220 атм.
3
3
3
Объем транспортируемого газа на входе в трубопровод 46,95 млрд. ст.м./год или 5,4848 млн. ст.м/час. Плотность смеси МВС с добавкой пентана должна составлять 0.701 кг/ст.м. Используя вышеописанную формулу, находят значение А.
А=0,1444 или 14,44%, тогда содержание МВС в смеси с пентаном составляет 0.8556 или 85,56%.
5
12
Соотношение МВС : CH=1:0,169
3
3
Объем компримируемого газа с добавкой пентана 54.8738 млрд ст.м/год или 6.41 млн ст.м/час при 8560 рабочих часов в год.
Коэффициент КПД сжатия 0.7.
3
Потребляемая мощность компрессора составляет - 513469,1 кВт/час или 93,62 кВт/1000 ст.м МВС.
3
3
В пересчете на водород чистотой 98% при степени выделения 95% из 1000 нм МВС получается 678.6 ст.м.
3
Удельный расход электроэнергии составляет 137,96 кВт на 1000 ст. м98% водорода.
По окончании процесса компримирования пентан отделяют от метано-водородной смеси за счет охлаждения и конденсации.
Предлагаемое изобретение обеспечивает транспортировку МВС при обеспечении снижения выбросов углекислого газа на 90-98% об. по сравнению с известными техническими решениями, в которых содержание углекислого газа составляет 5-8%.