Способ хранения и отгрузки сжиженного природного газа
LIQUEFIED NATURAL GAS STORAGE AND SHIPMENT METHOD

Изобретение относится к области хранения и отгрузки сжиженного природного газа и может быть использовано для решения проблем транспортировки сжиженного природного газа (СПГ) морским транспортом, в частности, на экспорт.
В связи с разработкой шельфовых газовых месторождений наиболее экономичным способом транспорта добываемого природного газа является его сжижение с последующей доставкой потребителям с помощью танкеров-газовозов, что требует оформления универсально функционирующих систем хранения и отгрузки сжиженного природного газа.
Известен способ разработки углеводородных месторождений арктического шельфа и технические решения для реализации способа (морской технологический комплекс), обеспечивающий проведение буровых и эксплуатационных работ на шельфе открытого моря, и содержащий морскую платформу, подводные сателлиты и береговую технологическую базу, связанные между собой технологическими коммуникациями, при этом все технологические блоки морского технологического комплекса электрообеспечены от силового блока атомного реактора, причем объекты береговой технологической базы электрически связаны с силовым блоком атомного реактора по силовому кабелю, проложенному вдоль магистрального продуктопровода, магистральный трубопровод, по которому скважинный флюид перекачивается на береговую технологическую базу, снабжен узлом подготовки, состоящим из дожимной компрессорной станции, установкой нагрева флюида и камерой запуска в трубопровод очистного скребка или диагностического снаряда, при этом дожимная компрессорная станция, транспортирующая флюид по магистральному трубопроводу, выполнена в виде паровой турбины, а установка нагревания флюида, транспортируемого по магистральному продуктопроводу, связана трубопроводами с конденсатором перегретого пара системы охлаждения атомного реактора, при этом береговая технологическая база оснащена группой сообщающихся подземных емкостей, хранилища газа, нефти и пластовой жидкости, при этом опорожнение хранилища газа осуществляют путем перекачки в магистральные газопроводы либо путем компримирования и отгрузки в танкеры сжиженного газа, при этом опорожнение хранилища нефти осуществляют путем ее перекачки в магистральные нефтепроводы или в нефтеналивной танкерный флот (патент на изобретение RU 2529683 С1, МПК Е21В 43/01, В63В 35/44, заявлен 12.02.2013 г., опубликован 27.09.2014 г.). Основным недостатком данного изобретения является отсутствие детального описания технического решения и аппаратурного оформления процессов опорожнения хранилищ газа путем компримирования и отгрузки в танкеры сжиженного газа.
Известна система для перекачки текучего продукта, в частности сжиженного природного газа, содержащая транспортное судно большой длины для транспортировки этого продукта и установку для приема и выдачи этого продукта, включающую пункт швартовки судна, содержащий одну конструкцию типа оффшор, опирающуюся на дно моря, содержащую часть, выступающую из воды, и выполненную, в частности, в виде колонны, один гик, несущий трубопровод для перекачки продукта и деформируемое устройство для перекачки, которое подвешено одним концом к концу гика и соединено с трубопроводом, а другой его конец содержит средства для присоединения к устройству главного трубопровода судна, средства для швартовки судна к выступающей из воды части конструкции, при этом деформируемое устройство установлено с возможностью перемещения между положением, в котором оно находится при хранении, и положением, в котором оно присоединено к устройству главного трубопровода судна, и в котором оно развернуто, причем конец гика расположен рядом с главным трубопроводом в положении перекачки, при этом она содержит устройство для швартовки судна, которое может свободно вращаться вокруг оси этой конструкции таким образом, чтобы судно могло устанавливаться в положение в зависимости от ветра, течения и волн, и его конец удерживается рядом с пунктом швартовки для обеспечения возможности перекачки между судном с большой длиной, главный трубопровод которого расположен в центре судна, гик выполнен такой большой длины, чтобы его конец мог находиться на уровне главного трубопровода в положении, когда судно пришвартовано к выступающей из воды части конструкции, и тем, что перемещение деформируемого устройства для перекачки между положением при хранении и положением, в котором оно присоединено к главному трубопроводу судна, осуществляется за счет вращения вокруг вертикальной оси, предусмотренной на уровне его подвески к гику, и тем, что в положении перекачки гик может свободно вращаться вокруг упомянутой вертикальной оси (патент на изобретение RU 2299848 С2, МПК B67D 5/68, заявлен 13.05.2002 г., опубликован 27.05.2007 г.). Недостатками данного изобретения являются:
- отсутствие возможности самостоятельного функционирования рассмотренной системы, т.к. не раскрыты сущность установки приема и выдачи транспортируемого продукта и возможность использования данной системы для приема и выдачи сжиженного природного газа;
- отсутствие у рассмотренной системы гарантий поддержания необходимого диапазона параметров технологического режима, обеспечивающих сжиженное состояние природного газа;
- ограничение по перекачке текучего продукта для судов с большим водоизмещением из-за прочностных свойств гика: современные судна имеют длину около 350 м, что требует гик длиной около 200 м, чрезмерно увеличивая материалоемкость всего сооружения;
- нерентабельная перекачка газосистемой уже сжиженного природного газа, транспортируемого на значительные расстояния от завода, перерабатывающего природный газ и обеспечивающего сжижение, так как при этом необходима дорогостоящая изоляция транспортного трубопровода во избежание подогрева сжиженного газа окружающей средой, сопровождающегося испарением и последующей потерей части сжиженного газа.
Также известен морской терминал для выгрузки жидкости или вязких продуктов и подводная труба для их выгрузки, включающий заполненный жидкостью или вязкими нефтепродуктами разгружаемый резервуар и принимающую наполнительную емкость, соединенные передаточным трубопроводом, который подключен к перекачивающему насосу и снабжен нагревателем перекачиваемых жидких продуктов, при этом передаточный трубопровод выполнен в виде подводной, в том числе размещенной на дне акватории, трубы для транспортировки жидкости или вязких продуктов, причем элементы нагревателя перекачиваемой текучей среды размещены по всей длине передаточного трубопровода и подключены к устройству управления и контроля, смонтированного на входе в принимающую емкость и снабженного датчиками температуры и давления перекачиваемых жидкостей, а также управляющим вентилем (патент на полезную модель RU 78181 U1, МПК B67D 5/68, В63В 27/25, B65G 69/20, F17D 1/18, заявлен 07.07.2008 г., опубликован 20.11.2008 г.). Недостатком данной полезной модели является невозможность использования предложенного технического решения для транспортировки сжиженного природного газа, поскольку использование нагревателя для снижения вязкости перекачиваемой жидкости в трубопроводе приведет к частичному испарению сжиженного газа, поступающего в принимающую емкость, например, в танк танкера-газовоза, и, следовательно, к уменьшению его рабочего объема по жидкой фазе, а также к снижению грузоподъемности танкера-газовоза.
Известна система добычи, хранения и выгрузки природного газа, включающая добывающее судно, на котором происходит добыча природного газа, хранилище сжиженного природного газа (СПГ), связанное с первым судном посредством трубопровода для обеспечения безопасности, процесс сжижения природного газа происходит на добывающем судне, а хранение и отгрузка СПГ осуществляется на судне-хранилище, которое удалено от первого судна на взрывобезопасное расстояние, при этом передача СПГ от первого судна ко второму осуществляется по плавучему теплоизолированному трубопроводу, имеющему необходимую плавучесть и жесткость и связанного с судами посредством шарнирного соединения, что обеспечивает безопасность судов во время их эксплуатации (патент на изобретение RU 2502628 С1, МПК В63В 27/25, В63В 27/34, В63В 35/44, В63В 25/12, F17D 1/18, B67D 9/02, заявлен 30.05.2012 г., опубликован 27.12.2013 г. ). Недостатками данного изобретения являются:
- необходимость удаления судна-хранилища от первого судна на расстояние до 500 м для обеспечения пожарной безопасности (В.П. Молчанов, А.Н. Гилетич, Ю.Н. Шебеко и др. / Обеспечение пожарной безопасности объектов хранения и переработки СУГ [http://www.sferaksb.ru/recom/recom2.html]), что провоцирует дополнительные затраты по перекачке СПГ на значительное расстояние;
- возникновение из-за волнений акватории переменных по величине механических напряжений изгиба в материале трубы по всей длине трубопровода при большой протяженности плавучего жесткого трубопровода между двумя судами, приводящих к ее излому с последующим разливом СПГ: даже при умеренном волнении (4 балла по шкале Бофорта) и скорости ветра всего 5-8 м/с высота волн достигает 1,5 м, при шторме же (9 баллов) и скорости ветра 20-24 м/с высота волн достигает 10 м;
- ограничение работы шарнирного соединения трубопроводов между собой только стационарными условиями эксплуатации трубопроводов: шарнирное соединение плавучего жесткого трубопровода с двумя судами на концах при условии постоянного волнения различной интенсивности приведет к разгерметизации конструкции шарнира и потерям СПГ.
При создании заявляемого изобретения была поставлена техническая задача создания способа хранения и отгрузки сжиженного природного газа, который обеспечит формирование полного безопасного технологического цикла перемещения сжиженного природного газа от установки сжижения природного газа до танкера-газовоза при условии вариативности его реализации в конкретных производственных ситуациях.
Решение указанной технической задачи достигается за счет того, что разработанный способ хранения и отгрузки сжиженного природного газа (СПГ) включает закачивание полученного любым из известных способов СПГ после установки сжижения природного газа по криогенному трубопроводу сначала в наземный криогенный резервуар, а затем в танкер-газовоз, при этом из наземного криогенного резервуара СПГ закачивают насосом по криогенному трубопроводу через устройства налива СПГ в плавучее хранилище, после накопления таким образом достаточного количества СПГ в наземном криогенном резервуаре и в плавучем хранилище к борту плавучего хранилища пришвартовывают танкер-газовоз, который наполняют посредством грузовых насосов плавучего хранилища через устройства налива СПГ, причем во время перегрузки СПГ из плавучего хранилища в танкер-газовоз закачку СПГ из наземного криогенного резервуара в плавучее хранилище не прекращают, а отпарной газ, образующийся во время наполнения плавучего хранилища и перегрузки СПГ в танкер-газовоз, возвращают с помощью устройств приема отпарного газа по криогенному трубопроводу в компрессорную отпарного газа и далее в процесс сжижения природного газа.
Перегрузка СПГ из плавучего хранилища в танкер-газовоз предусмотрена для широкой линейки судов разной вместимости, что обеспечивает эксплуатацию танкеров-газовозов различной конструкции. В частности, наполняемый СПГ танкер-газовоз может быть большей вместимости, чем плавучее хранилище, на величину полезного объема наземного криогенного резервуара, что позволяет перевозить СПГ крупными партиями, снижая тем самым стоимость транспортировки СПГ.
Целесообразно для всепогодной круглогодичной эксплуатации плавучего хранилища предусмотреть защитное гидротехническое сооружение, например, оградительный мол, что позволит разместить плавучее хранилище и танкеры-газовозы в искусственной бухте и снизить динамическую нагрузку на швартовые системы берег-судно и судно-судно благодаря уменьшению балльности волн в акватории бухты и, соответственно, амплитуды перемещения плавучего хранилища и танкера-газовоза на волнах.
Целесообразно обеспечить плавучее хранилище автономной установкой сжижения отпарного газа, тогда в случае отвода плавучего хранилища в акваторию бухты или за ее пределы при возможности возникновения аварийной ситуации испаряющийся из танков хранилища сжиженный природный газ будет не теряться в атмосферу, а возвращаться в танки плавучего хранилища.
Целесообразно функционирование плавучего хранилища обеспечить независимо от береговых систем снабжения электроэнергией, топливом, водой, предусмотрев подачу электроэнергии с берега, что позволит иметь на плавучем хранилище два источника электроэнергии, снижая при этом риск аварийности. При этом бункеровку плавучего хранилища топливом, водой, вспомогательными материалами, в т.ч. запчастями, маслами и другими материалами, а также вывоз отходов осуществляют с берега или моря.
Целесообразно также оснастить плавучее хранилище специальной вентиляционной мачтой или факелом для проведения процедур подготовки танкера-газовоза к перегрузке СПГ, включая вентиляцию инертным газом и вытеснение инертного газа природным газом с последующей утилизацией инертного газа и его смеси с природным газом на факеле или блоке сжигания газа или посредством сброса этой смеси в атмосферу на высоту безопасного рассеивания.
Целесообразно для закачивания СПГ из наземного криогенного резервуара в плавучее хранилище использовать один или несколько криогенных трубопроводов.
Вариативность способа хранения и отгрузки сжиженного природного газа обеспечивается закачиванием СПГ в плавучее хранилище напрямую после установки сжижения природного газа, минуя наземный криогенный резервуар.
Целесообразно для наполнения плавучего хранилища и танкера-газовоза использовать одно или несколько устройств налива СПГ, каждое из которых оснащено системой аварийного разъединения со стороны берега и/или танкера-газовоза для снижения рисков аварийных ситуаций.
Для обеспечения постоянного наполнения плавучего хранилища устройства налива СПГ необходимо периодически переключать на режим оттаивания образовавшегося льда, образующегося за счет конденсации из воздуха водяного пара.
В качестве устройств налива СПГ для плавучего хранилища и танкера-газовоза обычно используют стендеры и/или шланги, причем для постоянного наполнения плавучего хранилища стендеры налива СПГ обеспечивают изоляцией, что препятствует испарению наливаемого СПГ и образованию льда на изолированных участках.
Возможен также вариант способа хранения и отгрузки сжиженного природного газа, когда в случае необходимости наполнение плавучего хранилища СПГ может быть остановлено, при этом плавучее хранилище функционирует автономно, а СПГ после установки сжижения поступает только в наземный криогенный резервуар. Плавучее хранилище также может быть отключено от береговых коммуникаций частично или полностью, например, при отшвартовке плавучего хранилища и отведении от причала случае инцидентов, аварий, угрозе аварии, необходимости проведения ремонтных работ или освидетельствования. В этом случае целесообразно для облегчения процесса отшвартовки и отвода от причала путем перемещения по типу туерного судна устанавливать на плавучем хранилище цепные лебедки.
Необходимо при останове наполнения плавучего хранилища и отключении устройств налива СПГ остаток СПГ в отсеченных участках криогенного трубопровода и устройствах налива СПГ сливать в дренажную емкость с последующим выдавливанием СПГ из дренажной емкости в криогенный трубопровод азотом или природным газом, что предотвращает испарение СПГ и выброс природного газа в атмосферу.
Целесообразно при останове наполнения плавучего хранилища СПГ циркулировать СПГ по кольцевой схеме при наличии не менее двух криогенных трубопроводов от наземного криогенного резервуара до плавучего хранилища или линии поддержания холода, что позволит поддерживать в криогенных трубопроводах необходимый технологический режим, а трубопровод отпарного газа при этом поддерживают в холодном состоянии путем дозированного впрыска СПГ в точку наиболее близкую к наливным устройствам налива СПГ.
Целесообразно для снижения потерь природного газа в атмосферу при возврате отпарного газа из плавучего хранилища в компрессорную отпарного газа использовать компрессоры отпарного газа плавучего хранилища и/или танкера-газовоза, при этом отпарной газ из танкера-газовоза с помощью устройств приема отпарного газа сначала возвращают в плавучее хранилище.
Целесообразно в качестве устройств приема отпарного газа для плавучего хранилища и танкера-газовоза использовать стендеры и/или шланги, причем для постоянного наполнения плавучего хранилища стендеры приема отпарного газа обеспечивают изоляцией, сохраняя низкую температуру отпарного газа.
Способ хранения и отгрузки сжиженного природного газа может быть реализован в виде системы, принципиальная схема которой представлена на фигуре 1 с использованием следующих обозначений:
1 - береговая полоса;
2 - причал;
3 - наземный криогенный резервуар;
4 - плавучее хранилище;
5 - танкер-газовоз;
6 - компрессорная отпарного газа;
7 - устройство налива СПГ;
8 - оградительный мол;
9 - устройство приема отпарного газа;
10 - швартовая система берег-судно;
11 - швартовая система судно-судно;
12-16 - криогенный трубопровод.
Система для реализации способа хранения и отгрузки сжиженного природного газа располагается на удобном с точки зрения судоходства участке береговой полосы 1, где обустраивается причал 2 с размещением основного оборудования, трубопроводных коммуникаций, коммуникаций связи, систем водо- и электроснабжения, канализации и очистных сооружений. Основным оборудованием является: наземный резервуар СПГ 3, плавучее хранилище 4, устройства налива СПГ 7, устройства приема отпарного газа 9, дренажные емкости (на фигуре 1 не показаны), компрессорная отпарного газа 6, система снабжения азотом (на фигуре 1 не показана), швартовые системы берег-судно 10 и судно-судно 11.
Полученный любым из известных способов СПГ после установки сжижения природного газа (на фигуре 1 не показана) по криогенному трубопроводу 12 закачивают сначала в наземный криогенный резервуар 3, а затем насосом по криогенному трубопроводу 13 через устройство налива СПГ 7 - в плавучее хранилище 4, установленное на причале 2 посредством швартовой системы берег-судно 10. В одном из вариантов реализации заявляемого изобретения предусмотрено закачивание СПГ в плавучее хранилище 4 напрямую после установки сжижения природного газа, минуя наземный криогенный резервуар 3 по байпасному криогенному трубопроводу 16.
После накопления достаточного количества СПГ в наземном криогенном резервуаре 3 и в плавучем хранилище 4 к борту плавучего хранилища 4 пристает посредством швартовой системы судно-судно 11 танкер-газовоз 5, который наполняют с помощью грузовых насосов плавучего хранилища 4 через устройства налива СПГ 7. Во время перегрузки СПГ из плавучего хранилища 4 на танкер-газовоз 5 подача СПГ из криогенного резервуара 3 в плавучее хранилище 4 не прекращается, и отпарной газ, образующийся при наполнении плавучего хранилища 4 и при перегрузке СПГ на танкер-газовоз 5, через устройство приема отпарного газа 9 возвращается по криогенному трубопроводу 14 сначала в компрессорную отпарного газа 6 и далее по криогенному трубопроводу 15 в процесс сжижения природного газа.
Для обеспечения работы наливных устройств 7 предусматривают систему снабжения азота, реализуемую в виде трубопровода от предприятия и ресивера на причале или в виде емкости жидкого азота с испарителем и подогревателем на причале.
При останове наполнения плавучего хранилища и отключении устройств налива СПГ остаток СПГ в отсеченных участках криогенного трубопровода и устройствах налива СПГ сливают в дренажную емкость с последующим выдавливанием СПГ из дренажной емкости в криогенный трубопровод 13 азотом или природным газом.
Все основное и вспомогательное оборудование контролируется датчиками, подключенными к системе связи, передающей информацию в локальную контроллерную, в которой расположены контроллеры локальной системы противоаварийной защиты и др.
Для стабилизации работы устройств подачи СПГ 7 в плавучее хранилище 4 и танкеры-газовозы 5, а также швартовых систем берег-судно 10 и судно-судно 11 предусмотрен оградительный мол 18, уменьшающий амплитуду волн в акватории.
В таблице 1 представлены возможные варианты реализации способа хранения и отгрузки сжиженного природного газа для различной вместимости наземного криогенного резервуара и плавучего хранилища с указанием диапазона загружаемых судов для каждого варианта.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает формирование полного безопасного технологического цикла перемещения сжиженного природного газа от установки сжижения природного газа до танкера-газовоза при условии вариативности его реализации в конкретных производственных ситуациях.