СПОСОБ И СУДОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ СЖАТОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
METHOD AND SHIP SYSTEM FOR COMPRESSED NATURAL GAS TRANSPORTATION

Изобретение относится к области судостроения, к способам и системам транспортировки и хранения компримированных (сжатых) газов, в особенности к транспортировке судном по воде сжатого природного газа, добываемого в труднодоступных районах, от небольших месторождений на сравнительно короткие расстояния (до 1000 км).
Общеизвестно, что стоимость транспортировки природного газа, как правило, превосходит стоимость его добычи, является важнейшим звеном в индустрии газовой промышленности и в значительной степени определяет технико-экономические параметры освоения газовых месторождений. В настоящее время разведаны и осваиваются практически все крупные газовые месторождения и остаются неосвоенными множество мелких и средних месторождений, расположенные зачастую в суровых климатических условиях. На долю труднодоступных, сложных в освоении месторождений природного газа с малыми и средними запасами, в первую очередь - шельфовых месторождений, приходится до 50% разведанных мировых запасов. Поэтому задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание экономически выгодных способа и устройства транспортировки и хранения природных газов, добываемых на труднодоступных месторождениях с малыми запасами газа.
2
2
Способ транспортировки природного газа в сжатом состоянии на суднах является распространенным видом транспортировки, т.к. для его реализации подходит много технологий, разработанных для наземного и подводного трубопроводного транспортирования природного газа. В настоящее время существующие технологии транспортирования природного газа в сжатом состоянии на суднах разрабатываются в основном для крупных месторождений с использованием давлений свыше 100 кг/см (предпочтительно 200÷250 кг/см) и подготовкой газа из скважины. Такая технология требует определенных затрат на первоначальном этапе внедрения и малопривлекательна для мелких месторождений и небольших расстояний до потребителей.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является судовая система для транспортировки сжатого природного газа и способ транспортировки с помощью этой системы, известные из описания к патенту RU 2145689 (публик. 20.02.2000).
Согласно описанию к этому патенту, система для транспортировки сжатого газа по воде выполнена с возможностью использования берегового оборудования, имеющего стоимость более низкую по сравнению со стоимостью оборудования для сжижения природного газа.
2
2
2
2
Способ транспортировки сжатого природного газа с помощью судовой системы, включает загрузку с подводного добычного комплекса на борт судна в резервуары для хранения, расположенные в его отсеках, сжатого охлажденного природного газа, хранение загруженного газа и выгрузку его с судна на пункт доставки - береговой терминал. Оборудование берегового терминала и загрузочного пункта включает компрессорные станции. Перед заполнением судовых отсеков судна с резервуарами для хранения сжатого газа, газ из подающего трубопровода сжимают до высокого давления на компрессионном оборудовании пункта загрузки. Как только газ сжат, его подают через трубопроводную систему подводного добычного комплекса к главному судовому трубопроводу на судно, и таким образом в отсеках с резервуарами поднимают давление до величины, близкой к полному расчетному давлению, например до 189,8 кг/см. Осуществляют поочередное заполнение отсеков путем открытия и подключения одного за другим, при этом компрессор сжимает газ до его полного расчетного давления почти постоянно. Транспортировку сжатого природного газа осуществляют при температуре близкой к температуре окружающей среды в газовых резервуарах при давлении от 70,3 кг/см до 351,6 кг/см. Давление газа в наполненных резервуарах предпочтительно составляет величину в пределах от 140,6 кг/см. При доставке транспортируемого газа к береговому терминалу - пункту доставки осуществляют его выгрузку с судна. При этом газ под высоким давлением подают на декомпрессионное оборудование, где давление газа понижают до давления, необходимого для приемного трубопровода. Дополнительно возможно использование энергии декомпрессии газа высокого давления для приведения в действие криогенной установки для производства небольшого количества сжиженного газа под давлением и сжиженного природного газа, которые могут храниться и затем подвергаться регазификации при необходимости поддержания газоснабжения к месту сбыта. Если при выгрузке газа его давление и скорость выпуска будут недостаточными, то газ подают на компрессионное оборудование пункта доставки, где его дожимают до давления, необходимого для приемного трубопровода, при этом происходит «поочередное опорожнение» отсеков.
Судовая система для транспортировки сжатого природного газа включает судно, главный судовой газовый трубопровод со средствами подсоединения к трубопроводу берегового терминала или подводного добычного комплекса, судовые герметичные термоизолированные отсеки, в каждом из которых размещен резервуар для хранения сжатого газа, выполненный в виде пакета взаимосвязанных труб, присоединенных к общему перекрывающему клапану отсечным трубопроводом, а перекрывающие клапаны каждого отсека соединены промежуточными трубопроводами с главным судовым газовым трубопроводом. Каждый отсек содержит от 3 до 30 газовых резервуаров, предпочтительно выполненных из стальных труб длиной от 9,14 м до 30,5 м с куполообразными крышками на обоих концах, выполненными из прокованной стали, обычно присоединенными сваркой. Трубы могут быть обернуты стекло-, углеродным или каким-либо другим волокном, обладающим большой прочностью на растяжение. Предпочтительным является вертикальное расположение отсеков и труб в них, что облегчает размещение и, при необходимости, обслуживание этих отсеков. Промежуточный трубопровод проходит между каждым регулирующим клапаном и соединяет каждый отсек для хранения газа с главным трубопроводом высокого давления и с главным трубопроводом низкого давления. Оба главных трубопровода содержат средства подсоединения к береговым терминалам, а для регулирования потока газа через эти трубопроводы имеются клапаны. Отсеки соединены системой трубопроводов высокого давления для обеспечения их изначального наполнения инертной газовой средой и ее последующего сохранения.
Недостатком ближайшего аналога является необходимость использования специальных дорогостоящих отсеков для хранения газа с высоким давлением, особенно на первоначальном этапе освоения скважины с максимальным давлением. По мере истощения месторождения давление газа падает, появляется необходимость установки на судне дополнительного компрессора и теплообменника с источником холода, как например, предлагается в патенте RU 2300480 (публик. 10.06.2007), что существенно усложняет и удорожает технологию транспортировки природного газа и малопригодна для мелких месторождений. Кроме того, не предусмотрено оборудование для сбора конденсата, образующегося в трубах при перевозке сжатого газа при изменении температуры окружающего эти резервуары воздуха.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является снижение стоимости транспортировки природного газа в течение всего периода эксплуатации скважины.
2
Указанный технический результата достигается за счет того, что в способе транспортировки сжатого природного газа с помощью судовой системы, включающем загрузку с подводного добычного комплекса на борт судна в резервуары для хранения, расположенные в его отсеках, сжатого охлажденного природного газа, хранение загруженного газа и выгрузку его с судна на пункт доставки, новым является то, что при загрузке сжатого газа с подводного добычного комплекса в резервуары судна газ расширяют путем дросселирования и подают самотеком одновременно во все резервуары под давлением 50-70 кг/см.
Накопленный конденсат, образующийся в резервуарах в процессе транспортировки сжатого газа, может быть собран и выгружен в пункте доставки.
Указанный технический результата достигается также за счет того, что в судовой системе для транспортировки сжатого природного газа, включающей судно, главный судовой газовый трубопровод со средствами подсоединения к трубопроводу берегового терминала пункта доставки и подводного добычного комплекса, судовые герметичные термоизолированные отсеки, в каждом из которых размещен резервуар для хранения сжатого газа, выполненный в виде пакета вертикально или под наклоном к горизонту установленных взаимосвязанных труб, присоединенных к общим отсечным клапанам отсечным трубопроводом, а отсечные клапаны каждого отсека соединены промежуточными трубопроводами с главным судовым газовым трубопроводом, новым является то, что на участке главного судового газового трубопровода, перед подсоединением к нему промежуточных трубопроводов отсеков, установлен дроссель.
В качестве труб могут быть использованы сварные стальные трубы диаметром 1020-1420 мм и толщиной не более 16 мм.
Трубы каждого отсека могут быть соединены общим коллектором для накопления конденсата, образующегося в них в процессе перевозки сжатого газа, снабженным средствами подсоединения к резервуарам берегового терминала и клапаном для его слива.
В качестве дросселя может быть использован турбодетандер со средствами подсоединения к электрогенератору для частичного покрытия потребности в электроэнергии судовых нужд.
Дросселирование сжатого охлажденного газа позволяет обеспечить на весь жизненный цикл скважины стабильное давление, понизить температуру газа и повысить наполняемость отсеков.
Использование для транспортировки сжатого природного газа дешевых труб, используемых в наземных трубопроводах, существенно снижает стоимость транспортировки газа.
пг
ст
Известно, что если для хранения и транспортировки сжатого газа используются цилиндрические трубы, то толщина и масса этих труб пропорциональна допустимому давлению газа в трубе. В то же время коэффициент μ - отношение массы сжатого природного газа в трубах G к массе цилиндрических труб G, практически не зависит от допустимого давления газа в трубах Р и от диаметра применяемых труб:
пг
ρ - плотность природного газа при атмосферном давлении;
ст
ρ - плотность материала (стали) трубы;
Р - допустимое давление газа в трубе;
D - наружный диаметр трубы;
t - требуемая толщина трубы.
y
u
Так как требуемая толщина трубы t в соответствии с СТО Газпром 2-2.1-249-2008 рассчитывается по пределу текучести материала трубы t или по пределу прочности (временному сопротивлению) материала трубы t как наибольшее значение из двух величин по формуле (2) и (3):
по формуле (1) с учетом того, что  где
y
u
u
u
K=min {2 F * σ, 2F * σ} приобретает вид:
В формуле (4) отношение
т.к. в тонкостенных трубах t«D.
Следовательно,
и практически не зависит от допустимого давления в трубах и диаметра труб.
2
Наличие зависимости (5) открывает широкую возможность использования для хранения и транспортировки сжатого природного газа на судах относительно дешевые трубы магистральных газопроводов, рассчитанные на умеренные давления газа (до 74 кг/см).
2
Транспортировка газа при давлении 50-70 кг/см позволяет использовать недорогие серийно производимые трубы, при этом на подводном добычном комплексе и на судне не требуется применять компрессионное оборудование для загрузки газа в отсеки судна. По предварительной оценки указанный диапазон давлений позволяет обеспечить компромисс между стоимостью судовой системы и количеством перевозимого газа.
Использование в качестве дросселя турбодетандера позволяет использовать высвобождающуюся в процессе расширения газа полезную энергию с заданным перепадом давления и температуры, а соединение его с электрогенератором позволяет частично покрыть потребности в электроэнергии собственных нужд.
Соединение труб каждого отсека общим коллектором для накопления конденсата, образующегося в них в процессе перевозки сжатого газа, снабженным средствами подсоединения к резервуарам берегового терминала и клапаном для его слива позволяет освободить от него полости газовых труб для полного использования их объема при очередной загрузке сжатым газом.
На фиг. 1 и 2 схематично представлена судовая система для транспортировки сжатого газа, где: 1 - отсеки для хранения природного газа; 2 - судно для транспортировки природного газа в сжатом состоянии; 3 - резервуары (газовые трубы) для транспортировки сжатого природного газа; 4 - сливные клапаны; 6 - турбодетандер; 7 - отсечные клапаны.
2
Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения может быть судовая транспортная система для перевозки сжатого природного газа, содержащего 95% метана, от подземного добычного комплекса к береговому терминалу. Судовая система для транспортировки сжатого природного газа включает судно, имеющее главный судовой газовый трубопровод со средствами подсоединения к трубопроводу берегового терминала и подводного добычного комплекса. В трюме судна имеется четыре герметичных термоизолированных отсека, в каждом из которых размещен резервуар для хранения сжатого газа, выполненный в виде пакета труб, рассчитанных на давление газа до 70 кг/см, количество которых определяется в зависимости от грузоподъемности судна. Например, пакет труб выполнен из 12-ти вертикально установленных взаимосвязанных труб. В каждом отсеке трубы установлены в ряды по четыре трубы. Каждый ряд труб присоединен к общему отсечному клапану отсечным трубопроводом. Отсечные клапаны каждого отсека соединены промежуточными трубопроводами с главным судовым газовым трубопроводом.
В качестве труб используют тонкостенные цилиндрические стальные трубы диаметром 1420 мм толщиной 15 мм. Предпочтительная длина труб составляет 12 м. Трубы с обоих концов закрыты крышками (торцевыми куполами) из стали, закрепленными сваркой. Для слива конденсата каждая труба снабжена сливным клапаном.
На участке главного судового газового трубопровода, перед подсоединением к нему промежуточных трубопроводов отсеков, установлен дроссель, в качестве которого используют турбодетандер, выполненный по принципу, использующему высвобождающуюся в процессе расширения газа полезную энергию, и соединенный через полумуфту с синхронным электрогенератором. Для сохранения необходимой температуры при транспортировке природного газа отсеки теплоизолированы пенополиуретаном.
2
2
Способ транспортировки сжатого природного газа с помощью судовой системы включает следующие операции. Осуществляют загрузку сжатого охлажденного природного газа с подводного добычного комплекса на борт судна 2 путем подачи по главному судовому трубопроводу в резервуары для хранения 3, расположенные в отсеках 1 судна 2. Все устройства по добыче и подготовке охлажденного сжатого газа для загрузки на судно 2 расположены вне судна - на подводном добычном комплексе, при этом давление на скважине составляет 150 кг/см. При загрузке сжатого газа с подводного добычного комплекса в резервуары 3 судна 2 газ расширяют путем дросселирования и подают самотеком одновременно во все резервуары 3 под давлением 70 кг/см. Дросселирование газа осуществляют путем его пропускания через турбодетандер 6, который установлен перед соединением главного судового трубопровода с промежуточными трубопроводами отсеков. При прохождении через турбодетандер 6 газ расширяется, и давление его падает до указанного выше. Одновременность заполнения резервуаров осуществляют путем открытия всех отсечных клапанов 7. При этом электрогенератор, вал которого соединен с валом турбодетандера упругой муфтой, вырабатывает переменный ток с промышленной частотой 50 Гц, напряжением 220-380В и мощностью, обусловленной расчетными параметрами турбодетандера, что частично покрывает судовые потребности электроэнергии. Пройдя через турбодетандер 6, газ поступает одновременно во все резервуары 3.
Судно 2, в трюмах которого храниться сжатый газ в процессе транспортировки, доставляет сжатый газ на разгрузочный береговой терминал пункта доставки. Все устройства по подготовке к выгрузке газа расположены на береговом терминале.
2
В процессе эксплуатации скважины с течением времени давление газа падает, и когда приблизиться к 70 кг/см применяют другие технологии для его загрузки.
Как следует из изобретения, все устройства по добыче и подготовке, а также его выгрузки расположены вне судна ÷ на подводном добычном комплексе (морском терминале) и на береговом терминале, что обеспечивает повышенную надежность транспортировки природного газа и низкую стоимость транспортировки природного газа от места добычи газа до берегового терминала.