Методика расчета технико-экономической эффективности подземных хранилищ СПГ

и и исследования

lijitii

Методика расчета технико-экономической эффективности подземных хранилищ СПГ

Н.Г. Кириллов,

профессор Военного инженерно-технического института (ВИТИ), д.т.н., А.Н. Лазарев,

доцент, начальник ВИТИ, к.т.н., А.В. Яковлев, соискатель ВИТИ, Ю.И. Грищенко,

соискатель ВИТИ

В статье рассмотрены вопросы экономической эффективности применения сжиженного природного газа в качестве топлива для котельных станций. Впервые в России проанализирована эффективность создания и использования в системах теплоснабжения подземных хранилищ СПГ. Отмечено, что подземные хранилища СПГ отличаются более высокой безопасностью при аварийных ситуациях, а также являются более дешевыми по сравнению с наземными хранилищами с экранно-вакуумной теплоизоляцией.

Ключевые слова: сжиженный природный газ, подземные криогенные хранилища, безопасность при аварийных ситуациях, технико-экономическая эффективность использования СПГ.

Design procedure of technical and economic efficiency of creation and operation of boiler installations on the basis of application of underground LNG storehouses

N.G. Kirillov, A.N. Lazarev, A.V. Yakovlev, Y.I. Grishchenko

Questions of economic efficiency of application of the liquefied natural gas as fuel for boiler stations are considered in the paper. Efficiency of creation and use of underground LNG storehouses in systems of a heat supply is analysed for the first time in Russia . It is marked, that underground LNG storehouses differ by a higher safety at emergencies, and also are cheaper in comparison with ground storehouses with a screen-vacuum heat isolation.

Keywords: liquefied natural gas (LNG), underground cryogenic storehouses, safety at emergencies, technical and economic efficiency of use of LNG.

Проблема производства и использования сжиженного природного газа (СПГ) как основного энергоносителя XXI в. с каждым годом становится все более актуальной для России. В ближайшем будущем СПГ предполагается использовать для коммунального газоснабжения населенных пунктов, в качестве котельного топлива на предприятиях топливно-энергетического комплекса (ТЭК), для создания систем резервирования газа и в качестве моторного топлива для различных видов транспорта [1, 2].

В целом, использование СПГ в качестве энергоносителя позволяет одновременно решать несколько задач:

• газифицировать объекты (населенные пункты, предприятия промышленности и транспорта), удаленные от распределительных или магистральных газопроводов или расположенные вне зоны действия газораспределительных станций (по оценкам отечественных специалистов, около 50 % населенных пунктов, нуждающихся в газификации, экономически целесообразно обеспечивать газовым топливом в виде СПГ);

• сокращать затраты на газификацию за счет отказа от проектирования, строительства и технического обслуживания части объектов газоснабжения (газопроводы-отводы, межпоселковые распределительные газопроводы). При расстоянии от магистрального газопровода до потребителя более 40 км приведенные затраты на газоснабжение таких объектов с помощью СПГ оказываются ниже, чем на снабжение сетевым газом. По расчетам ОАО «Корпорация «Компомаш» средние приведенные затраты,связанные с созданием инфраструктуры газоснабжения, на каждый 1 км составляют: для сетевого (трубопроводный вариант) -20 тыс. долл. США, а для технологий

Научные раз

Рис. 1. Схема расположения мини-заводов СПГ в Ленинградской обл.

СПГ - 1,85 тыс. долл. США. Причем преимущества СПГ нарастают с уменьшением мощности потребителя и увеличением удаленности от источника газа;

• сокращать убытки, связанные с выводом земли из хозяйственного оборота на период строительства газопровода;

• снижать уровни загрязнения окружающей среды при замене, например, мазута или угля природным газом;

• снижать затраты на энергоносители;

• обеспечить комплексное получение тепловой и электрической энергии.

В настоящее время в России создано и эксплуатируется уже достаточное число мини-заводов по производству СПГ на существующих АГНКС и ГРС. С учетом того, что их общее число в нашей стране превышает 3,5 тыс., можно с уверенностью говорить, что практически в каждом газифицированном регионе Российской Федерации существует

возможность организовать производство СПГ.

Так, на сегодняшний день на территории Ленинградской обл. практически сформировался единый региональный комплекс по производству, доставке и использованию СПГ на теплоэнергетических объектах [3]. На трех действующих мини-заводах ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» с момента пуска в эксплуатацию произведено и реализовано более 2,5 тыс. т СПГ, который используется для различных целей (рис. 1).

Аналогичные мини-заводы СПГ созданы в центральном регионе России (ООО «Самаратрансгаз») и на Урале (ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»). Ниже представлены данные о

мощности некоторых мини-заводов СПГ в России.

• Москва: АГНКС - 1 т/ч;

• Санкт-Петербург: АГНКС (г. Пет-родворец) - 1 т/ч; ГРС «Никольское» - 0,35 т/ч; ГРС «Выборг» - 0,6 т/ч;

• Екатеринбург: АГНКС - 0,5 т/ч; ГРС-4 - 3 т/ч.

Одним из перспективных направлений применения сжиженного природного газа является его использование в качестве энергетического топлива для систем теплоснабжения. Так, с АГНКС из г. Петродворца СПГ специальным автомобилем перевозят на котельную нефтебазы (80 км). Перевод этой котельной (тепловая мощность 14,7 ГДж/ч) с мазута на СПГ позволил более чем в три раза снизить себестоимость производства теплоты. Производственная площадь котельной сократилась вдвое, потребление электроэнергии - на треть, воды - на 20 %. Также в Лужс-ком р-не Ленинградской обл. на СПГ переведена котельная молочного завода (мощность 29,3 ГДж/ч). Заводская котельная ранее работала на мазуте. После перехода на сжиженный метан, получаемый на ГРС, затраты завода на топливо и расходы населения на отопление сократились более чем на 15 %.

В феврале 2012 г. в п. Староуткинск Свердловской обл. введена в эксплуатацию первая на Урале модульно-блочная котельная, работающая на СПГ и обеспечивающая теплом 17 многоквартирных домов, поселковую больницу, школу, детский сад, администрацию, досуговый центр. Общая стоимость проекта с учетом

Таблица 1

Топливо Низшая теплота сгорания, МДж/кг КПД котельных установок, % Приведенная стоимость производства энергии, %

СПГ 48,2 91...93 100

Уголь 17,6 65...70 127...174

Мазут 40,6 85...88 143...176

Дизельное 42,6 88...90 396...428

Рис. 2. Схема газоснабжения котельных станций сжиженным природным газом: 1 - газопровод; 2- установка сжижения природного газа; 3,5- хранилище СПГ; 4- транспортная цистерна; 6 - испаритель-подогреватель; 7 - газорегуляторный пункт; 8 - котельная станция

строительства котельных и реконструкции тепловых сетей составила около 300 млн руб.

Перспективность данного использования определяется как экономическими, так и экологическими факторами. В настоящее время выбросы, возникающие в результате производства тепловой энергии на основе угля и мазута, содержат большое количество загрязняющих веществ [4]. Перевод котельных установок на СПГ позволяет сократить массу вредных ежегодных выбросов в атмосферу почти в 5 раз. При

сжигании природного газа в продуктах сгорания снижается концентрация углеводородов в среднем в 2 раза, оксидов углерода - в 20 раз, азота - более чем в 15 раз.

Как показала практика, при применении СПГ значительно повышается эффективность котельных станций. Для доказательства этого сравним характеристики показателей низшей теплоты сгорания, значения КПД котельных установок и приведенной стоимости производства 1 ГДж энергии при использовании различных видов топлив (табл. 1).

Как видно из таблицы, СПГ обладает наивысшими теплотой сгорания и КПД котельных установок, а также наименьшей приведенной стоимостью производства 1 ГДж энергии.

Перспективность создания

подземных хранилищ СПГ

В настоящее время в России уже сформировалась и, в основном, технологически решена проблема малотоннажного производства СПГ и доставки его от мини-заводов к потребителям (рис. 2).

В отличие от крупнотоннажного производства СПГ, где применяются циклы внешнего охлаждения на смесях различных хладагентов, в малотоннажном производстве на основе существующих АГНКС и ГРС используются циклы внутреннего охлаждения, где в качестве холодильного агента используется сам сжижаемый природный газ. К таким циклам относятся циклы на основе дросселирования, применения детандеров и вихревых труб.

Транспортирование СПГ к потребителю осуществляется с использованием специальных автомобилей-метановозов. В России разработаны и серийно производятся несколько модификаций транспортных цистерн для СПГ, например, ЦТП-16/1.6 объемом 16 м3 (рис. 3а) и ЦТП-35/0.6 объемом 35 м3 (рис. 36). Емкости имеют высокоэффективную теплоизоляцию, обеспечивающую бездренажное хранение СПГ до 15 сут.

В настоящее время одной из главных проблем в технологической цепочке газоснабжения котельных станций сжиженным природным газом является создание эффективных стационарных хранилищ СПГ у потребителей. Следует отметить, что в России практически отсутствует опыт проектирования, строительства и эксплуатации стационарных хранилищ СПГ и имеется только

т

Научные раз

незначительный опыт хранения СПГ в специальных наземных резервуарах с экранно-вакуумной тепловой изоляцией, выполненных на основе транспортных криогенных емкостей.

Например, в системах приема, хранения и регазификации СПГ применяются емкости-хранилища с объемом хранения 3, 8, 16 м3 разработки ОАО «Сибкриотехника», 25, 50, 63 м3 - ОАО «Криогенмаш», 120 м3 - ЗАО «Уралкриомаш», а также оборудование фирм CHART-FEROX (Чехия) и INDOX-ROS ROCA (Испания) (рис. 4, 5).

Однако многолетний мировой опыт и проведенные авторами патентные исследования показали, что применение экранно-вакуумной теплоизоляции для стационарных хранилищ СПГ экономически нецелесообразно. Так, при проведении патентных исследований выявлено, что из 620 заявок на изобретения по теме «стационарные хранилища

СПГ» экранно-вакуумная теплоизоляция применялась лишь в 19 изобретениях, в остальных - теплоизоляция без применения вакуума. Это составляет только 3 % от общего числа поданныхзаявок на предполагаемые изобретения за более чем 40 лет изобретательской деятельности во всем мире по данной теме. В связи с этим можно смело утверждать, что мировой опыт проектирования и создания стационарных хранилищ СПГ показывает неэффективность применения экранно-вакуумной теплоизоляции при строительстве хранилищ СПГ [5].

Много вопросов вызывает также и наземное расположение резервуаров для хранения СПГ, в которых большая концентрация СПГ, являющегося веществом с повышенной пожаровзрывоопаснос-тью, на относительно небольших площадях хранилищ обусловливает серьезную проблему обеспечения пожарной безопасности такого рода объектов.

Так, еще в 1988 г. были введены в действие ведомственные нормы технологического проектирования установок по производству и хранению сжиженного природного газа, изотермических хранилищ и газозаправочных станций (ВНТП 51-1-88). Согласно данным нормам при строительстве изотермических хранилищ при общем объеме хранения СПГ до 6 тыс. м3 могут быть использованы только подземные резервуары. При объеме хранения СПГ менее 1 тыс. м3 использование подземных резервуаров позволяет сократить расстояния от комплексов СПГ до других промышленных объектов, жилых и общественных зданий в 1,5...2 раза, что имеет существенное значение при создании инфраструктуры хранения СПГ в городах и населенных пунктах Российской Федерации.

Немаловажным аспектом, обосновывающим перспективность создания подземных хранилищ СПГ, является экономическая компонента. Так, исследования, проведенные скандинавскими учеными, доказали, что подземные хранилища углеводородов экономически более выгодны, а также более безопасны по сравнению с наземными. Технико-экономические расчеты показывают, что при сооружении подземных хранилищ расход листовой стали по сравнению с наземными сокращается до 20.25 кг на 1 т хранимого продукта, стоимость строительства снижается в 1,5. 3,5 раза, эксплуатационные расходы - в 2.5 раз.

В связи с этим строительство подземных изотермических хранилищ, в первую очередь, ввиду более высоких характеристик экономичности, пожаро- и взрывобезопасности является наиболее перспективным направлением создания современных хранилищ СПГ [6].

Рис. 6. Блок-схема методики

Методика расчета технико-экономической эффективности создания и эксплуатации котельных установок с подземными хранилищами СПГ Технико-экономические показатели и экономическую эффективность применения сжиженного природного газа для систем теплоснабжения на основе создания и эксплуатации подземных хранилищ СПГ следует рассчитывать с учетом полных затрат (капитальные, эксплуатационные и т.д.). К ним относятся стоимость СПГ, его транспортировки, строительства подземного хранилища, производства котельного оборудования с учетом специфики применения СПГ, эксплуатации котельного

оборудования с учетом изменения технико-эксплуатационных показателей, связанных с качеством и особенностями применения СПГ, и т.д.

Авторами разработана методика расчета технико-экономической эффективности применения СПГ для систем теплоснабжения на основе создания и эксплуатации подземных хранилищ СПГ (рис. 6). С учетом того, что опыт строительства подземных хранилищ СПГ в России отсутствует, авторами также разработаны методологические основы расчета сметной стоимости строительства подземных хранилищ СПГ.

Разработанная методика была применена при расчете технико-экономической эффективности применения

СПГ и сравнении двух вариантов строительства новых котельных станций с различными источниками теплоты: на мазуте и сжиженном природном газе. Капитальные затраты по данным вариантам складываются из капитальных затрат на строительство котельной и топливохранилища.

Котельная станция предназначена для теплоснабжения систем отопления и горячего водоснабжения (хозяйственные нужды) зданий и сооружений крупного населенного пункта. Категория потребителей по надежности теплоснабжения и отпуску теплоты - вторая. Установленная тепловая мощность - 70 МВт. Теплоноситель для системы отопления и вентиляции - сетевая вода греющего контура с расчетными температурами по отопительному графику 95...70 °С. Система теплоснабжения - открытая.

Для выполнения поставленной цели - удовлетворить потребности в энергии крупного населенного пункта на два дня и при этом сохранить трехдневный резерв - необходимо иметь хранилище объемом 1200 м3. Согласно выполненным расчетам сметная стоимость подземного хранилища составляет 28 994 тыс. руб.

Основные показатели технико-экономического расчета строительства и эксплуатации котельных на мазуте и сжиженном природном газе представлены в табл. 2 и на рис. 7.

Результаты расчетов показывают, что несмотря на более высокую стоимость строительства котельной станции на СПГ по сравнению с котельной станцией на традиционном энергоносителе (мазут) срок окупаемости первого варианта составляет 2,27 года, а котельной станции на мазуте - свыше 8 лет. Более высокий экономический эффект при использовании СПГ в качестве энергоносителя для систем теплоснабжения достигается за счет низких эксплуатационных затрат.

Таблица 3

Показатель СПГ Мазут

Общая сметная стоимость строительства котельной (с НДС), тыс. руб. 300000 275000

Сметная стоимость строительства здания и котельного оборудования (с НДС), тыс. руб. 271006 255000

Сметная стоимость хранилища топлива, тыс. руб. 28994 20000

Выработка тепловой энергии, ГДж/год 769426 769426

Расход топлива, тыс. м3/год 25504,7 23422,7

Стоимость топлива (с НДС и доставкой до хранилища котельной), тыс. руб./тыс. м3 (т) 9 14

Расход средств на топливо, тыс. руб./год 229542,3 327917,8

Расход средств на электроэнергию, тыс. руб./год 1405 1545,5

Расход средств на заработную плату, тыс. руб./год 3600 5100

Амортизационные расходы, тыс. руб./год 9600 8800

Расходы на текущий ремонт, тыс. руб./год 960,000 1320,000

Социальное страхование, тыс. руб./год 943,200 1336,200

Общекотельные расходы, тыс. руб./год 2265,480 2980,116

Годовые эксплуатационные затраты, тыс. руб./год 253789,85 354473,49

Себестоимость тепловой энергии, тыс. руб./ГДж 1,460 2,039

Годовое поступление, тыс. руб. 486820,6 486820,6

Чистый доход, тыс. руб. 233030,74 132347,10

Литература

1. Кириллов Н., Лазарев А. Анализ мирового рынка СПГ и перспективы его производства на Востоке России // Газовая промышленность. - 2011. - № 3. - С. 60-64.

2. Кириллов Н., Лазарев А. Мировой опыт производства и использования сжиженного природного газа как универсального энергоносителя и моторного топлива // Охрана окружающей среды. Атмосфера.

- 2011. - № 1. - С. 26-30.

3. Макеев В. и др. Эффективность газификации Талдомского района Московской области с использованием сжиженного природного газа // АГЗК+АТ. - 2004. - № 1. -С. 68-70.

4. Сердюков С., Ходорков И. Перспективы создания демонстрационной зоны технологии и бизнеса СПГ в России. Санкт-Петербург и Ленинградская область // АГЗК+АТ.

- 2003. - № 1. - С. 56-59.

5. Кириллов Н., Лазарев А. Патентные исследования в области создания стационарных хранилищ СПГ для транспортных средств России // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4 (22). - С. 74-79.

6. Кириллов Н., Лазарев А. Технико-экономические исследования в области создания современных подземных хранилищ СПГ: тр. МНК «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - М.: МГСУ, 2011. - С. 242-246.

Научные разра

Полученные результаты наглядно демонстрируют перспективность и экономическую эффективность применения сжиженного природного газа для систем теплоснабжения на основе создания и эксплуатации подземных хранилищ СПГ.

Автономное энергоснабжение небольших промышленных и соци-

альных предприятий, а также населенных пунктов с помощью СПГ - привлекательная сфера для инвестиций со сравнительно коротким сроком окупаемости капитальных вложений. Автономные объекты малой энергетики помогут ликвидировать проблему энергообеспечения отдаленных регионов.

Рис. 7. Чистая прибыль (П) эксплуатации котельных станций на мазуте и СПГ: 1 - СПГ; 2 - мазут