Технология сокращения потерь сжиженного природного газа при накоплении, хранении и транспортировании тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Середенко Елена Сергеевна

• Середенко Елена Сергеевна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Середенко Елена Сергеевна

Оглавление

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние техники и технологии подавления процесса испарения сжиженного природного газа при его хранении, транспортировании и погрузочно-разгрузочных работах

1.1 Особенности испарения компонентов сложной газовой смеси СПГ в условиях длительного хранения и транспортирования

1.2 Современное состояние научно-исследовательских и практических разработок, направленных на снижение потерь от испаряемости СПГ при его хранении и транспортировании

1.3 Выбор и обоснование темы диссертационного исследования и методики проведения эксперимента

ГЛАВА 2. Разработка математической модели и программного обеспечения для выполнения численного эксперимента

2.1 Физическая модель объекта исследования

2.2 Математическая модель объекта исследования

2.3 Программное обеспечение для выполнения численного эксперимента. . . .180 ГЛАВА 3. Исследование процесса испарения растворенного азота и сжиженного природного газа в крупнотоннажном хранилище

3.1 Верификация математической модели и программного обеспечения при заданных параметрах процесса испарения СПГ

3.2 Численный анализ структуры потерь СПГ при реализации современной технологии накопления и транспортирования

3.3 Определение оптимальных параметров технологии для снижения потерь от испарения СПГ в условиях хронологического изменения состава и расхода сырьевого потока

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

229

Словарь терминов

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А. Тексты публикаций

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология сокращения потерь сжиженного природного газа при накоплении, хранении и транспортировании»

Реферат

Общая характеристика диссертации

Наращивание производительности предприятий, производящих сжиженный природный газ, за последнее время приобрело стратегическое значение для Российской Федерации в связи с затруднениями в области традиционной трубопроводной транспортировки природного газа. Развитие отрасли производства СПГ требует расширения объема работ, способных создать научные основы для формирования стратегии развития отрасли, связанной с хранением, бункеровкой и транспортированием сжиженного природного газа.

Особенно актуально проведение подобных исследований при организации экспортных поставок СПГ, для которых характерны большие объемы перевозок и продолжительные сроки хранения готовой продукции.

Для Российской Федерации не менее актуальны перевозки СПГ водным транспортом для удовлетворения потребностей внутреннего рынка. Для этого вида перевозок сжиженного природного газа характерными являются относительно небольшие объемы перевозок и малая продолжительность доставки. Специфика транспортирования СПГ по внутренним водным артериям нуждается в разработке альтернативных технологических решений.

Организация процессов накопления, хранения и транспортирования сжиженного природного газа, в том числе перевозки грузов по Северному морскому пути, требует применения широкого круга современного оборудования и технологий. Учитывая то, что возможности закупок оборудования за рубежом значительно ограничены, возникает необходимость внедрять в практику альтернативные технологические решения и основанное на их использовании отечественное оборудование.

В сложившихся условиях возрастает роль, которую играют потери продукционного сжиженного природного газа в процессе накопления СПГ на крупнотоннажных предприятиях, а также при его транспортировании водным транспортом. Особую сложность в решении данной научно-технической задачи составляет то,

что до последнего времени эти важнейшие технологические процессы реализовы-вались на отечественных предприятиях и исключительно за счет использования зарубежных технологий и оборудования.

Технологические операции транспортирования и хранения продукции СПГ неизбежно сопровождаются потерями сжиженного природного газа от испаряемости, которые в основном связаны с поступлением в криогенные хранилища теплоты из окружающей среды. Совокупность перечисленных проблем и обстоятельств определяет актуальность выбранной темы диссертационного исследования.

Для успешного решения комплекса задач по снижению потерь сжиженного природного газа при хранении требуется разработка специализированного программного обеспечения, пригодного для точного описания процесса хранения СПГ, в том числе его хронологических потерь при хранении.

Целью диссертационной работы является выбор и обоснование новых технологических решений, направленных на снижение потерь от испаряемости СПГ при его длительном хранении и транспортировании.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1) Выполнить обзор современного состояния техники и технологии подавления процесса испарения сжиженного природного газа, определить возможное направление оптимизации технологии хранения СПГ;

2) Разработать математическую модель крупнотоннажного хранилища сжиженного природного газа;

3) Дополнить математическую модель крупнотоннажного хранилища сжиженного природного газа блоками, учитывающими влияние состава сложной газовой смеси СПГ на процесс испаряемости;

4) Провести анализ влияния исходных параметров, таких как состав и объем СПГ, исходное содержание азота, температура окружающего воздуха и др. на скорость образования паров жидкой многокомпонентной смеси;

5) Исследовать влияние состава многокомпонентной газовой смеси на величину потерь от испаряемости за счет увеличения доли низкокипящих компонентов в составе СПГ;

6) Исследовать альтернативные варианты снижения потерь СПГ от испаряемости, в том числе за счет применения технологии хранения СПГ в недогретом состоянии и конденсации паров СПГ;

7) Обосновать выбор наиболее энергоэффективной технологии утилизации отпарного газа в системе хранения и транспортирования СПГ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применялись методы системного анализа, математическое моделирование процессов тепломассообмена между жидкостью и паром в резервуаре, методы расчета термодинамических свойств технических газов, численный эксперимент с использованием математической модели процесса испарения СПГ, энтропийно-статистический анализ, методы количественного сравнения расчетных и эмпирических данных.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Методика моделирования тепломассообменных процессов при длительном хранении сжиженного природного газа, учитывающая изменение массового расхода, состава и термодинамических свойств отпарного газа;

2) Вычислительный алгоритм для прогнозирования скорости испарения СПГ в условиях переменного состава газовой смеси для стационарных и транспортных криогенных емкостей;

3) Результаты моделирования процесса длительного хранения различных по концентрации компонентов видов СПГ, в том числе СПГ в повышенным содержанием низкокипящего компонента (азота);

4) Результаты исследования тепловых и массообменных процессов, протекающих при хранении и транспортировании СПГ, направленные на оценку влияния исходного состава и запаса перевозимого продукта на выделение отпарного газа;

5) Технологические рекомендации по насыщению сложной газовой смеси СПГ низкокипящим балластным компонентом (азотом) перед морским транспортированием с целью снижения потерь товарного продукта - метана.

Научная новизна диссертации сводится к следующим положениям:

1) Предложена методика сокращения потерь основного товарного компонента сжиженного природного газа - метана, за счет насыщения исходной смеси СПГ низкокипящим балластным компонентом (азотом).

2) Разработана математическая модель крупнотоннажного криогенного хранилища СПГ, позволяющая спрогнозировать поведение многокомпонентной смеси СПГ в условиях переменного состава, а также подобрать оптимальный состав СПГ с учетом времени его транспортирования и условий эксплуатации.

3) Предложены и обоснованы оптимальные концентрации низкокипящих компонентов в исходном составе СПГ для типовых логистических задач транспортирования сжиженного природного газа.

Научно-техническая задача, решаемая в диссертации, заключается в создании новой методики для сокращения потерь сжиженного природного газа при накоплении, хранении и транспортировании.

Объектом исследования является крупнотоннажное хранилище сжиженного природного газа, используемое на промышленных предприятиях для производства СПГ.

Предметом исследования являются процессы, протекающие при хранении сложной многокомпонентной смеси СПГ в крупнотоннажном хранилище в условиях изменения содержания отдельных компонентов состава.

Теоретическая значимость результатов диссертационной' работы:

1) Описано влияние исходных параметров, таких как исходный состав и запас СПГ, исходное содержание азота и изменение температуры окружающего воздуха на характер парообразования многокомпонентной смеси СПГ;

2) Предложены решения по минимизации потерь сжиженного природного газа за счет насыщения жидкой фазы СПГ низкокипящим балластным компонентом (азотом);

3) Показано позитивное влияние присутствия низкокипящего балластного компонента (азота) в составе СПГ на скорость парообразования смеси в течение первых 5 недель транспортирования.

Практическая значимость р езультатов диссертационной' работы:

1) Разработаны и обоснованы новые технологические решения, направленные на снижение потерь сжиженного природного газа от испаряемости при его накоплении, хранении и транспортировании;

2) Разработана математическая модель и программное обеспечение для прогнозирования скорости испарения СПГ в условиях изменения компонентного состава сжиженного природного газа, хранящегося в криогенных резервуарах;

3) Разработаны практические рекомендации по утилизации паров сжиженного природного газа, которые выделяются при его накоплении, хранении и транспортировании.

Определение новых терминов и понятий В диссертации использованы научно-технические термины и понятия, общепринятые в научно-технической литературе и установленные соответствующими стандартами.

Достоверность полученных результатов, изложенных в рамках данного диссертационного исследования, основана на применении ранее проверенных и отложенных программных продуктов, которые неоднократно применялись для проведения численных исследований в той же области науки. При выполнении отдельных элементов, отработанные программные продукты были дополнены оригинальными программными продуктами, разработанными на основе общепринятых теоретических положений и методов, полученных в результате интеграции программных продуктов.

Подготовка, анализ и интерпретация полученных результатов проведены с использованием современных методов математического моделирования, энтропийно-статистического анализа, количественного сравнения расчетных и эмпирических данных. Математическая модель верифицирована путем сопоставления данных, полученных ранее независимыми исследователями с данными, полученными в рамках верификации эксперимента. Сопоставление показало качественное совпадение полученных результатов.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования внедрены:

1) В рамках работ, выполняемых по проекту № 620151 «Выбор и обоснование технологии изменения теплофизических параметров сжиженного природного газа для сокращения потерь от испарения при его накоплении, хранении и транспортирования» (2020-2023 гг.) в учебный процесс Университета ИТМО;

2) В рамках работ, выполняемых по проекту №2 623118 «Комплексная переработка магистрального природного газа» (2023-2024 г) в учебный процесс Университета ИТМО;

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) IX Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Университет ИТМО, 2019 г;

2) IX Конгресс молодых ученых, Университет ИТМО, 2020 г;

3) X Конгресс молодых ученых, Университет ИТМО, 2021 г;

4) Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Университет ИТМО, 2021;

5) Пятьдесят первая (Ы) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, 2022 г;

6) Пятьдесят вторая (ЬП) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, 2023 г;

7) XII Конгресс молодых ученых, Университет ИТМО, 2023 г.

8) Пятьдесят третья (LIII) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, 2024 г;

Личный вклад автора. Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии во всех этапах диссертационного исследования: анализе отечественной и зарубежной научной литературы, выборе темы диссертационной работы, определении ее цели, постановке и решении задач, выборе объекта и предмета исследования, в планировании научной работы, в поиске, сборе, обработке необходимой информации, которая сформировала базу исследования, анализе и интерпретации данных, их систематизации, статистической обработке с описанием полученных результатов; написании и оформлении рукописи диссертации, основных публикаций по выполненной работе. Разработанные соискателем теоретические положения и практические рекомендации являются результатом самостоятельного исследования.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы. В общий объем диссертации входит 155 страниц, 36 рисунков и 14 таблиц. Список использованных источников состоит из 92 наименований.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 9 публикациях. Из них 2 изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 2 опубликованы в изданиях, индексируемых в базе цитирования Scopus, 5 опубликованы в материалах международных научно-практических конференций, входящих в базу РИНЦ.

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1. Иконникова А.Ю., Баранов А.Ю., Кравченко Д.В., Середенко Е.С. Оптимизация давления сырьевого потока установки ожижения природного газа работающей по циклу Mixed Fluid Cascade [Optimization of Mixed Fluid Cascade Natural Gas Liquefaction Plant Feed Stream Pressure] // Проблемы региональной энергетики [Problemele energeticii regionale] - 2024. - № 1(61). - С. 111-126

2. Середенко Е.С., Пахомов О.В., Баранов А.Ю. Математическая модель испарения сжиженного природного газа и анализ влияния исходного состава на скорость испарения [Mathematical model of liquefied natural gas evaporation and analysis of original composition effect on evaporation speed] // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики [Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics] - 2020. - Т. 20. - № 4(128). - С. 603-610.

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Баранов А.Ю., Середенко Е.С., Малышева Т.А., Кравченко Ю.А. Моделирование регазификационных и рециркуляционных процессов при транспортировке сжиженного природного газа // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки - 2023. - Т. 50. - № 1. - С. 6-14.

2. Баранов А.Ю., Середенко Е.С., Иванов Л.В., Василенок А.В. Проблема утилизации паров сжиженного природного газа на крупнотоннажных предприятиях // Холодильная техника - 2022. - Т. 111. - № 3. - С. 141-149.

В иных изданиях:

1. Середенко Е.С. Оценка потерь сжиженного природного газа (СПГ) от испарения в условиях транспортирования по Северному морскому пути // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО - 2023. - Т. 2. - С. 64-68.

2. Середенко Е.С. Выбор и обоснование энергоэффективных решений для теплоизолирующей конструкции резервуара хранения СПГ // Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО - 2022. - Т. 1. - С. 228-232.

3. Середенко Е.С. Выбор эффективной конструкции и теплоизоляции резервуара для хранения СПГ // Сборник трудов X Конгресса молодых ученых (Санкт-Петербург, 14-17 апреля 2021 г.) - 2021. - Т. 2. - С. 160-163.

4. Середенко Е.С., Пахомов О.В. Энергоэффективная конструкция резервуара для хранения ПГС // X Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2729 октября 2021г.): материалы конференции - 2021. - С. 151-156.

5. Середенко Е.С. Модель прогнозирования испарения сжиженного природного газа (СПГ) // IX Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (Санкт-Петербург, 13-15но-ября 2019г.): материалы конференции - 2019. - Т. I. - С. 225-229.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, научные положения диссертации, выносимые на защиту, практическая ценность работы. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Середенко Елена Сергеевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одной из ключевых проблем, возникающих при транспортировке и хранении СПГ, является образование отпарного газа. Из-за поступления теплоты из окружающей среды, часть СПГ в резервуаре постоянно испаряется и образуется отпарной газ. Cd временем, процесс испарения приводит к изменению состава -смеси и к значительному сокращению количества сжиженного природного газа. Потери от испарения СПГ являются одним из нлючевых факторов, влияющих на безопасность и экономическую эффективность его транспортирования.

В настоящей работе рассмотрены основные причины испарения сжиженного природного газа на этапах его транспортирования и использования. Приведены общие методы обращения с отпарным газом.

Поскольку процесс испарения уменьшает количество груза, доставляемого на приемный терминал, и увеличивает теплотворную способность СПГ, то количество испаряющегося газа является ключевым фактором длл технико-экономической оценки в цепочке поставок СПГ.

Для Российской промышленности по производству сжиженного природного газа актуальными являются вопросы, связанные с накоплением и хранением СПГ в крупнотоннажных хранили щах. Проведен численный анализ на основе данных охранении СПГ в нрупногон-нажных хранилищах завода «Ямал СПГ». По результатам выполненного численного анализа можно сделать вывод, что поток паров, формируемый нз-эа поступления новых порций СПГ в накопительное хранилище, значительно превышает потон паров, образуемый вследствие подвода теплоты из окружающей среды. Целесообразно рассматривать возможность снижения теплопритоков от двигателей насосов для перекачни СПГ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Середенко Елена Сергеевна, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. LNG Cust:*V Trans Par Hanrtook, 3rd Ed. v. U01. Pari* HIGNL 2011.

ï. Sedlaczek R. BoiL-Off in Largs and Small Scale LNG Chains. Diploma Thesis. Faculty of Ergineer ng Ecierce and Technology, Department of Petroleim Engneerrg and Appled Geophysics, Trondheim 2008.

i. ГОСТ P 56835-2015. Гаэ природный ониженньй. Газ отгир-ной прсизвсд;тва газа гриро^нотсжиженного. Режим доступа: https^/docsc ntd.ru/document/12DD129493 Дата обращения: 25.Dt.2D22

U. Середенкэ Е.С., Пахомэв D.B., Баранов А.Ю. Матемагти-чесная мсдегь испарения сжиженного природного газа и анализ вгиякин исходного состава на скорость испарения // Научно-тех1-ичесний вестник информационных технологий, механини и алтани. 2020. Т. 20. № Л (120). С. 6D3—Ы Q doi: ID. 175В6/2226-1 ¿94.-2020-20-16D3- 61D

5. VAN Desel A/S- LNG Carriers with ME-GI Engine and high Pressure Gas Supply System, 20D9.

6. LNG Carriers with ME-GI Engine and High Pressée Gas Supply System. |датэ ойоащекия: 25.06.20221 Доступ по ссылка htlp^/www .mandieselturbo cnm/f i les/new s/filesofa 121/ 5510 -DD26D0ppr.indd.pdf

7. McGu re J J. and White B. Liquefied Gas Hardting Fnnc oles on Sh ps and n Terminals, London: Wrlherry & Co Lid. 20DD.

0. Dundovic C.r Basch D. Dcbrofta D. Simulation Melhod for Evaluation of LNG Recaving Term nal Capacty // Prome! -

REFERENCES

1. LWG QjsfodV Tnnsfer Htrdbow, 3rd Ed. v. 3.01. Paris; GIIGNL; 2011.

2. Sedlarzek R. BDil-Off in Large and 5mall Scale LNG Chains. Diploma Thesis. Faculty of Ergineer ng Ecierce and TKhnology, Department of Petroleim Engneerrg and Appled Geophysics* Trondhem 2008.

3. COST R 56 B3 5-2015. Liquefied natiral gas. Boil-off gas of liquefied ratural gas production. Determination of compos ton by gas chromatography melhad. Available at: hltps//docscnld.ru/ documenl/l 2DD129493 [Accessed 25ja6Jd22]

4. Seredenka E5, PakhDmov (N, Earanov AYu. Mathematical model of liquefied natural gas evaporation and analysis of or ginal composition effed on evaporation speed.

Traffic and Transportation. 200?. VoL 21. Iss. 2. P. 103-112. doi: hltp5ty/doi.ong/lQ.73Q7/plt.v21i2:216 9. Танкеры-газовозы. Ilmernetl. Агентства Neflagas.ru |дата обращения: 25.06.2022]. Доступ по ссылне: hUpsZ/neltegaz.ru/ tech-1 ibrary/s uda- neflegazcvye- i-rn Drskoe- oborudov an e-dlya-buren гуа/1 42491 -tar kary-gazovoizy/

IB. Костылав И.И., "всяннинов M.K. Морская транспортировка онимненного газа. СПБ: Изд-во ГМА им. адм. C.D. Макарова. 2009.

11. British Petrol and International Gas Union, Guidemok to Gas I nterchangeabil 1y and Gas Qcality, 2011.

12. Dimopoulos G.G., Frangopoulos CA. Therm oeconomic Simulation of Marine Energy Systems for a _ quefied Nalural Gas Carrer// International Journal of Thermodynamics. 2008. VdL 11, Iss. ¿.P. 195-201.

13. Кбсгыпав И.И.. Онииенньй природный гаэ как вдовое td-пгиво: проблемы и пеоспекшвы нх решение // Транспорт Российской Федерации. 201В. If 2 (75), С. 74-78.

14. Дорохов A.fl)., Агшрсв И А., Хин Ноанг Льюнг. Особенности применения гаэээйразкых топгив в цдовьи энергетических установках // Вестник Астзаханснога гасудахтвенного технического университета Серия: Мореная технина и технология. 2D 12. № 2. С. 70-75.

15. Faruque Hasan М.М, 2heng N1 inghar A. and Kar mi I A. Minimizing Boil-Off Losses in Liquefied Nalural Gas Trarsporlation// Industnal Eng neering Chem istiy Research. 2Ш9. Vol. 68, N. 21. P. 9571-9580. doi: hittpsty/doi.nng/10.1021/ieaO 1975q

Scientific and Technical Journal of infoimation Technologies, Mechanics and Optics. 2Q20;2D(4):603-61 D (In Russ). doi: 10.17586/2226-1694-202D-2D-4-6D3-610

5, MAN Diesel A/S- LNG earners with ME-GI Engine and High Pressire Gas Supply Syslem. 2009.

6, LNG Camera wth ME-GI Engine and High Pressure Gas Sifjply Syslem. lAccessed 25.0fi.ZD22]. Available at: h ttp://w ww .m andiese 11 jriiD.com/f iles/rews/f ilesof B121/551D-002600por. nddpJ

7, McGure J J, W hite B. Liqu^ied Gas Htrding Principles an Ships and in T&mintfs. London: Withertry & Co Lt± 2000.

3, Dundovc Basch 0., Dobrota D. Simulation Method for Evaluation of LNG Receiving Terminal Capacity.

DDI htlps//dDi erg/ 1017Б16/RF 10904!3

НАУЧНЫЙ 0B3DP

Том 111. № ■ 2022

>Dll(];UVbH3FI пни

149

Proms t - Traffic and Transportation. 20 D9;21(2): 103-112. doi: httpsy/dakorg/1 D.7307/ptt.v21 ¡2:21 i

9. Gas tankers [Internal], Agency Neftagas.ru [Accessed 25.06.2D22]. Availasla at: hnpsJ'/ neftegaz.ru/lec h-libraiy/suda-nehegazovye-i -morskDe -Dborudcva nie -dlya-b uren ya/142491 -tarkery-gazcvozy/

10. «icstylsv II, Ovsyannikov MK. Manne transport of Squefiedgas. St-Petsrsbiis Adm. Mak. SL Mar. Akad. PtM; 20D9. (In Russ).

11, GUJiiEDDOtf to Gas foterchangeabiUty and Gas Quality, Bntish Pelral and International Gas Union; 2011.

12, Dimopoulos GG. Frangapoulra CA. Therm oecarKimi; Simulation of Marne Erergy Systems liar a Ligcefied Natural Gas

Carrier. Internationa! Joumoi of Thermodynamics. 2003; 11(G):

n5-aoi.

13. Koslylsv II. _iquefied natural gas as mar ne fuel: problems and solution prospects. Transport of the Russian Federation. 2018;2(75):7i-7ia. On Boss).

14. Durokhov AF, Apkanw IA, Hcan Koang Luong. FeoHres of ihe use of gaseous fuels in marine power slants. Vestnik AGTU. Series-Manne engineering and Tecrinoiogy. 2012;(2):70-75. iln Russ).

15. Farugue Hasan MM, Zheng Minghan A, Karmi IA. ^linirizing Boil-Off Losses in L guefiad Natural Gas Transportation, ¡ndistria! Engineering Chemistry Researd). 2009:48(21): 9571-953 D. doi: fittps^/doi.org/10.1021/ieaai975g