Первые установки для сжижения природного газа в США

Строительству первых промышленных установок для сжижения природного газа предшествовали исследовательские работы. Изучались процессы сжижения, хранения и последующей регазификации сжиженного природного газа. В США эти работы проводились на небольшом резервуаре, заполненном сжиженным азотом и покрытом изоляционными пластинами толщиной 1 м. По количеству испаряемого газа и показаниям термопар, установленных в слое изоляции, судили о пригодности изолирующего материала. Одновременно изучалось поведение различных металлов в условиях низких температур.

По окончании этих работ в 1939 г. при Корнуэльской исследовательской станции Американской газовой ассоциации (штат Западная Виргиния) была сооружена опытная установка для сжижения, хранения и регазификации сжиженного природного газа. В задачи исследований, проводившихся на установке, входило определение скорости испарения сжиженного газа, изучение поведения легированных сталей различных марок при низких температурах, подбор изоляции для резервуаров и трубопроводов, а также анализ методов очистки сжижаемого газа от водяных паров и углекислоты.

Сжижение природного газа выполнялось по каскадной схеме с одновременным снижением давления газа и последовательным его охлаждением специальными хладоагентами. Каскадный цикл состоял из трех ступеней: на первой и второй применялся аммиак (температура кипения –31°C), на третьей — этилен (температура кипения –100°C).

Пропускная способность установки составляла 11,3 тыс. м³ газа в сутки. Для очистки сжижаемого природного газа от водяных паров и углекислоты газ пропускали через серию абсорберов, содержащих моноэтаноламин и диэтиленгликоль. Удаление остатков влаги осуществлялось в емкостях, заполненных гранулированной окисью алюминия.

Холодильная установка имела мощность 400 л. с. Хранение сжиженного газа осуществлялось в резервуаре диаметром 3 м и длиной 5,5 м, вмещавшем 54,88 тыс. л, что эквивалентно 28,3 тыс. м³ газа. Резервуар был изготовлен из листовой легированной стали с 2% никеля и покрыт снаружи пробковой изоляцией толщиной 75 см, пропитанной битуминозной смолой. Устанавливался резервуар горизонтально на деревянных козлах.

Анализ работы опытной установки позволил прийти к выводу, что необходимо тщательное удаление из газа водяных паров и углекислоты, а из системы — азота, кислорода и других несжижающихся при низкой температуре газов. Было выяснено, что при низких температурах стали становятся хрупкими, а поэтому аппаратура, арматура и трубопроводы в установках для сжижения природного газа должны изготовляться либо из чистой меди, легированной стали и бронзы, либо из листовой легированной стали с содержанием углерода не более 0,09% и никеля не выше 3,5%. Дальнейшие опыты показали, что содержание никеля следует увеличить до 9%.

Наилучшим изоляционным материалом оказалась пробка, причем было установлено, что предпочтительнее применять насыпной пробковый материал (крошку), чем прессованную пробку.

Полученные в Корнуэлле данные позволили спроектировать и построить в г. Кливленде (штат Огайо, США) в сентябре 1940 – январе 1941 гг. крупную промышленную установку для сжижения природного газа для покрытия пиковых нагрузок газопотребления.

Кливленд, Питсбург и другие крупные промышленные центры штатов Огайо и Западная Виргиния получали природный газ с месторождений Аппалачского района. Постепенное истощение этих месторождений вызывало опасения, особенно возросшие в период второй мировой войны в связи с резким увеличением потребления газа военными предприятиями. Это и диктовало необходимость сооружения установки сжижения природного газа в данном районе.

Пропускная способность установки в Кливленде составляла 114 тыс. м³природного газа в сутки и по регазификации газа до 2 млн. м³/сутки.

Газ, поступающий на установку под давлением 2 кГ/см², сжимается компрессором мощностью 440 кВт до 40 кГ/см². В масляном сепараторе, установленном после компрессора и заполненном активированной окисью алюминия, из газа удаляются капли масла. Затем газ поступает в скруббер, где под действием смеси моноэтаноламина и диэтиленгликоля из газа удаляются влага и углекислота. Окончательная очистка от влаги осуществляется активированной окисью алюминия.

После очистки газ охлаждается до температуры –88°C в теплообменнике с кипящим сжиженным этиленом. Частично сжиженный газ поступает в горизонтальную емкость, уровень жидкости в которой поддерживается примерно на половине высоты аппарата, одновременно здесь же удаляются несконденсировавшиеся газы — кислород, азот и др.

Дальнейшее охлаждение конденсата холодными парами метана, образовавшимися при дросселировании жидкости, происходит в двух теплообменниках, после чего он поступает и вертикальную емкость — первичную емкость сжиженного газа. При помощи дроссельного вентиля давление жидкости снижается с 40 до 3,7 кГ/см².

Отделившийся в этой емкости газ возвращается для компрессии, охлаждая на своем пути сжиженный газ и используемые в системе хладоагенты. Повторное сжатие газа до 40 кГ/см² осуществляется в компрессоре мощностью 590 кВт. Этот газ снова возвращается в цикл.

Сжиженный газ из первичной емкости поступает на второй дроссельный клапан, при помощи которого давление снижается с 3,7 до 0,33 кГ/см² и в результате температура жидкости падает до –156°C. Этот сжиженный природный газ поступает в сферические резервуары для хранения.

Как отмечалось выше, часть сжиженного газа при хранении испаряется. Этот газ, пройдя через теплообменники, поступает на сжатие в компрессоры мощностью 110 и 590 кВт и затем возвращается в цикл, минуя стадию очистки газа.

Этилен при температуре –1,1°C и давлении 0,2 кГ/см² после конденсатора природного газа и теплообменников поступает в компрессор мощностью 880 кВт, где он сжимается до 22,5 кГ/см². Затем газообразный этилен подается в конденсатор, охлаждаемый аммиаком, а после этого сжиженный этилен при температуре –22,2°C поступает в сборник. Далее сжиженный этилен проходит через два теплообменника, в которых он переохлаждается до –44,4°C, дросселируется до давления 0,33 кГ/см² и поступает в теплообменник, где подвергается кипению при температуре –98,3°C.

Газообразный аммиак при давлении 0,23 кГ/см² поступает в компрессор мощностью 370 кВт, где он сжимается до давления 7,6 кГ/см², затем он подается в орошаемый водой конденсатор и при температуре 20°C сжижается и поступает в сборник. Далее сжиженный аммиак проходит через два теплообменника, где он охлаждается газовым потоком после этиленового цикла до температуры –7,2°C. Затем аммиак испаряется в этиленовом конденсаторе при давлении 0,27 кГ/см² и температуре –29°C, после чего газообразный аммиак возвращается в цикл.

Вода, применяемая для промежуточных холодильников и сепараторов, охлаждается в специальной градирне. Общая мощность компрессоров установки 2500 кВт.

Хранение сжиженного природного газа осуществляется в трех сферических резервуарах (внутренний диаметр 17,3 м, наружный 19,2 м), представляющих собой двухстенные емкости с зазором между стенками 900 мм, заполненным изоляционным слоем пробки. Нижняя половина изоляции состоит из девяти слоев формованной пробки толщиной по 100 мм, верхнюю часть изоляции составляет гранулированная пробка.

Объем внутреннего резервуара примерно 2400 м³, что эквивалентно 1430 тыс. м³ газа. Внутренний цельносварной резервуар, изготовленный из специальной стали, содержащей 0,096% углерода и 3,51% никеля, обварен снаружи прутьями из нержавеющей стали, содержащей 25% хрома и 20% никеля. Для сварки были применены специальные электроды с высоким содержанием хрома и никеля. Наружный резервуар изготовлен из обычной углеродистой стали. Достоинство сферических резервуаров заключается в том, что они занимают сравнительно мало места, что важно для городских условий.

В начале 1944 г. для удовлетворения возросших потребностей в газе на установке был построен четвертый резервуар, изготовленный из того же металла, что и три предыдущих. Резервуар цилиндрической формы был выполнен двухстенным, с таким же зазором между стенками, как и в сферических резервуарах.

Диаметр внутреннего резервуара 21,3 м³, что эквивалентно 2570 тыс. м³ газа. На резервуаре были сделаны специальные днища и крышки, позволяющие воспринимать растягивающие и сжимающие усилия. Пространство между внутренним и внешним резервуарами заполнялось слоем изоляции из горного льна, так как запасы пробки в то время значительно сократились.

Регазификация сжиженного газа осуществляется с помощью водяного пара па специальной установке. При этом получают газ под давлением, необходимым для распределения газа по городским сетям.

Оборудование установки регазификации состоит из насосов для подачи сжиженного метана и специальных подогревателей для его испарения при температуре 10°C. Производительность котельной установки, служащей для подачи пара в подогреватели, 28 т пара в час; котлы приспособлены для работы как на газообразном, так и на жидком топливе.

Кливлендская установка эксплуатировалась более трех лет. На ней сжижался сухой очищенный природный газ (метан — 85, этан — 8,5, пропан — 3,6, бутан — 1,4, высшие углеводороды — 1,5%). Через полгода после пуска четвертого резервуара на нем неожиданно произошла авария, и 4 тыс. м³ сжиженного газа вытекло на площадку. Испарившийся метан воспламенился, при этом пожар распространился на соседний сферический резервуар. Размеры катастрофы усугублялись положением резервуара в центре городской зоны и отсутствием элементарных мер техники безопасности. В результате аварии 128 человек было убито и около 400 ранено. Пожар причинил материальный ущерб в 7 млн. долларов. Авария, происшедшая на единственной в мире промышленной установке, где хранился большой объем сжиженного метана при низкой температуре, задержала дальнейшие работы в этой области.

Несмотря на работу нескольких групп экспертов, действительную причину аварии так и не удалось установить. Предполагалось, что в результате сейсмических толчков корпус резервуара дал трещину, так как малоуглеродистая сталь с 3,5%-ным содержанием никеля под влиянием низкой температуры сделалась хрупкой.

Следует отметить, что два сферических резервуара не только не подверглись аварии, но и сохранили метан в жидком состоянии после четырехдневной борьбы с пожаром.

Американское горное бюро, расследовавшее причины аварии, выработало следующие рекомендации по сооружению установок для сжижения природного газа:

1. Резервуары для хранения сжиженного метана необходимо окружать земляными рвами;
2. Низкоуглеродистую сталь с 3,5%-ным содержанием никеля можно применять лишь после испытаний, доказавших ее пригодность для данного проекта;
3. Следует обращать внимание на появление инея на наружной поверхности корпуса резервуаров со сжиженным метаном;
4. Установки для сжижения и хранения метана должны быть удалены от ближайшего населенного пункта на расстояние не менее 1 км.

Другая запроектированная в США установка для сжижения, хранения и последующего превращения сжиженного метана в газ не была построена. Проектом предусматривалось два варианта хранения сжиженного метана. По одному из них внутри медного резервуара, изолируемого пеностеклом, устанавливалось несколько цилиндрических корпусов из сплава олова, никеля и меди. Пространство между цилиндрами предполагалось заполнить изолирующим порошком из пористого кремнезема.

По другому варианту хранилище проектировалось в виде резервуара с двойными стенками. Внутренний медный резервуар на заклепках должен был иметь ребристые стенки и поддерживаться деревянными перекладинами и специальными брусчатыми изоляторами, находящимися внутри второго свинцового резервуара, снаружи которого также предусматривался слой изоляции.

Бетонные наружные стены резервуара и его основание предполагалось защищать от замерзания с помощью циркуляции воздуха через вытяжные трубы, вмонтированные в стены. Основания резервуаров предусматривалось установить выше уровня грунтовых вод, при этом резервуары должны были находиться в углублениях или окружаться высокими земляными валами.

Выбор для сооружения резервуаров таких материалов, как сплавы меди и никеля, медь, серебро и свинец, объяснялся стремлением обеспечить безопасность эксплуатации, хотя это и привело к повышению намечавшихся затрат на 16,8 млн. долларов.

Однако строительство установки не было начато, что объяснялось финансовыми затруднениями, связанными со сбытом газа.

Для выяснения технической и экономической целесообразности морского транспорта больших количеств сжиженного природного газа в США был разработан проект перевозки сжиженного газа с помощью экспериментального танкера «Метейн Пайониэр».

Установка для сжижения природного газа в Лейк Чарльз находится поблизости от магистрального газопровода. Газ высокого давления (56 кГ/см²), содержащий от 80 до 85% метана, подается из газопровода на установку для сжижения, смонтированную на барже. Для очистки от двуокиси углерода и сернистых соединении газ обрабатывается моноэтаноламином. Последующая осушка газа осуществляется глиноземом. Очищенный газ поступает на установку для сжижения турбодетандерного типа, способную сжижать в сутки 185 тыс. м³ газа. Сжиженный газ затем транспортируется в береговой изолированный алюминиевый резервуар емкостью 5500 м³, вмещающий 2500 тонн сжиженного природного газа. По размерам он в два раза больше крупнейшего из резервуаров для сжиженного кислорода. Этого количества газа было достаточно для загрузки всех резервуаров танкера «Метейн Панониэр», осуществлявшего экспериментальные рейсы из США в Англию. Диаметр внутреннего алюминиевого корпуса резервуара 20,4 м, высота 17,1 м.

Из резервуара сжиженный природный газ по алюминиевым трубопроводам перекачивался к пристани, а отсюда непосредственно к танкеру «Метейн Пайониэр».