Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор литературы 10
1.1 Обзор способов транспортирования сжиженных углеводородов 10
1.2 Трубопроводный транспорт сжиженных газов 11
1.3 Анализ исследований фазовых состояний сжиженных углеводородов при низких температурах 21
1.4 Анализ методов теплогидравлического расчета низкотемпературных трубопроводов 22
1.5 Задачи исследований 23
ГЛАВА 2 Исследование фазовых состояний смесей сжиженных углеводородов при низких температурах 24
2.1 Теоретические исследования фазовых состояний смесей сжиженных углеводородов 24
2.2 Экспериментальные исследования фазовых состояний смесей сжиженных углеводородов при низких температурах российских и зарубежных авторов... 34
2.3 Экспериментальные исследования фазовых состояний смесей природного газа и газового конденсата на PVT-установке УГК-3 42
2.3.1 Методика экспериментальных исследований фазовых состояний 42
2.3.2 Результаты экспериментальных исследований фазовых состояний 50
2.4 Анализ применимости программного комплекса REFPROP для расчета
фазовых равновесий многокомпонентных углеводородных систем при низких
температурах 53
2.5 Исследование фазовых состояний смесей сжиженных углеводородов Южно Тамбейского газоконденсатного месторождения полуострова Ямал з
ГЛАВА З Теплогидравлическии расчет низкотемпературных трубопроводов смеси сжиженных углеводородов с учетом изменения теплофизических свойств 72
3.1 Особенности теплогидравлического расчета низкотемпературных трубопроводов смесей сжиженных углеводородов 72
3.2 Теплогидравлический расчет низкотемпературных трубопроводов смеси сжиженных углеводородов 76
3.3 Анализ теплогидравлических процессов в низкотемпературном трубопроводе с помощью программного комплекса ANSYS/FLUENT 82
3.3.1 Компьютерное моделирование 82
3.3.2 Моделирование турбулентности 83
3.3.3 Анализ характера распределения температуры и давления (в программном комплексе ANSYS/FLUENT) 85
ГЛАВА 4 Методика расчета параметров транспортирования смеси сжиженных газов по низкотемпературным трубопроводам 91
4.1 Разработка технологии транспортирования смеси сжиженных газов с газоконденсатных месторождений Крайнего Севера по низкотемпературным трубопроводам 91
4.2 Описание предлагаемой методики 95
4.3 Технико-экономическое обоснование предлагаемого способа транспортирования смеси сжиженных углеводородов по низкотемпературным трубопроводам 99
Заключение 106
Список литературы
- Анализ исследований фазовых состояний сжиженных углеводородов при низких температурах
- Экспериментальные исследования фазовых состояний смесей природного газа и газового конденсата на PVT-установке УГК-3
- Теплогидравлический расчет низкотемпературных трубопроводов смеси сжиженных углеводородов
- Технико-экономическое обоснование предлагаемого способа транспортирования смеси сжиженных углеводородов по низкотемпературным трубопроводам
Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение глубины открытых горных выработок до 150-450 м и повышение интенсивности добычи полезного ископаемого за счет использования высокопроизводительной техники привели к возрастанию уровня загазованности и запыленности рабочих зон, превышающего предельно-допустимые значения.
Негативным фактором углубления горных работ является снижение интенсивности естественного воздухообмена, с помощью которого осуществляется вынос загрязняющих веществ за пределы карьерного пространства.
Большой вклад в решение проблемы нормализации
атмосферы карьеров внесли: В.И. Белоусов, П.В. Бересневич,
Н.З. Битколов, Ю.В. Гуль, Л.К. Горшков, С.А. Козырев,
Н.О. Каледина, И.И. Медведев, В.А. Михайлов, А.С. Морин, Г.Ф. Нестеренко, B.C. Никитин, В.А. Рогалев, К.З. Ушаков, С.С. Филатов, СИ. Фомин, Г.А. Холодняков и др.
В результате ранее проведенных исследований было
установлено, что применение искусственного проветривания имеет
ограниченный характер из-за увеличения капитальных и
эксплуатационных затрат на обслуживание оборудования.
Следовательно, при малых скоростях ветровых потоков
экономически выгодна интенсификация естественного
проветривания карьеров.
Поэтому, решение проблемы по увеличению эффективности проветривания следует искать на пути повышения естественного воздухообмена в рабочем пространстве карьера.
Цель работы. Нормализация атмосферы рабочих зон карьеров за счет повышения интенсивности естественного воздухообмена.
Идея работы. Интенсификация естественного
воздухообмена осуществляется методом аэродинамического профилирования подветренных бортов карьеров в результате создания направленного движения воздушного потока после
уменьшения угла откоса уступов при подсыпке гранитного отсева на нерабочие площадки открытых горных выработок. Основные задачи исследования:
анализ горно-геологических, горнотехнических и природно-климатических условий ведения открытых горных работ;
- обзор и анализ соответствующих способов естественного и
искусственного проветривания карьеров;
аналитическое обоснование целесообразности
аэродинамического профилирования подветренного борта карьера с целью усиления естественного воздухообмена в рабочих зонах;
- экспериментальная проверка полученных зависимостей и
оценка ожидаемого экономического эффекта.
Научная новизна:
- получена экспоненциальная зависимость изменения скорости ветрового потока на площадках уступов от их длин;
- установлено увеличение воздухообмена в открытой горной
выработке при применении аэродинамического профилирования
подветренного борта карьера.
Основные защищаемые положения:
-
Использование естественного способа проветривания карьера определяется величиной скорости ветрового потока с учетом его снижения относительно увеличения глубины открытой горной выработки, составляющей в среднем 0,7 % на каждый метр, и ограничивается минимальной величиной скорости на нижележащем горизонте.
-
Повышение эффективности использования ветровой энергии для формирования безотрывного движения воздушного потока в карьере реализуется за счет уменьшения угла откоса уступа до 30 с помощью подсыпки гранитного отсева на нерабочие площадки уступов, что позволяет повысить скорость воздушного потока в карьерном пространстве в среднем до 36 %.
3. Аэродинамическое профилирование борта карьера после
проведения массового взрыва обеспечивает снижение времени
проветривания карьерного пространства в 1,6 раз.
Методы исследований. Принят комплексный метод исследования, включающий в себя: анализ и обобщение ранее
опубликованных в горнотехнической литературе работ по вопросам
проветривания карьеров; аналитическое исследование по усилению
естественного воздухообмена в карьерах на основе
аэродинамического профилирования подветренного борта с целью
обеспечения его безотрывного обтекания ветровым потоком;
натурное исследование распространения ветрового потока на
Каменногорском карьере ЗАО «Каменногорское
карьероуправление»; исследование на основе экспериментальной математической модели, созданной в специальной программе Ansys Fluent.
Достоверность научных положений подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований по улучшению движения воздушного потока в карьере путем профилирования бортов, технико-экономическими показателями эксплуатации карьера, использованием современного метода компьютерного моделирования, положительным эффектом технико-экономического анализа.
Практическая значимость работы состоит в разработке методики аэродинамического профилирования бортов карьеров и получении практических рекомендаций по усилению естественного воздухообмена, нормализации атмосферы рабочих зон открытых горных выработок.
Реализация результатов работы. Получение в диссертационной работе рекомендаций по увеличению интенсификации воздухообмена планируется к внедрению на карьерах ЗАО «Каменногорское карьероуправление». Научные и практические результаты работы могут использоваться в учебном процессе при чтении лекций студентам Национального минерально-сырьевого университета «Горный» по курсу «Аэрология карьеров».
Личный вклад автора:
обзор и анализ литературных источников по способам и методам проветривания карьеров;
проведение натурных исследований на карьере;
создание математической модели исследуемого объекта;
- установление экономического эффекта от применения
разработанных рекомендаций.
Апробация работы. Основные защищаемые положения диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Аэрология и безопасность горных предприятий» (Санкт-Петербург, Горный университет, 2012 г.); ежегодной Международной конференции в Краковской горнометаллургической академии (Краков, Польша, 2012 г.); симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, 2013 г.); Вузовском туре Всероссийского съезда олимпиады - кафедральный этап (Санкт-Петербург, Горный университет, 2013 г.), 15-й Международной конференции «Экология и развитие общества» (Санкт-Петербург, 2014 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России. Получен 1 патент на изобретение.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, содержащих 35 таблиц и 39 рисунков, заключения, списка литературы из 91 наименования и 2 приложений. Общий объем работы составляет 118 страниц.
Автор выражает благодарность научному руководителю
д.т.н, профессору В.А. Рогалеву за помощь в выполнении работы;
техническим работникам ЗАО «Каменногорское
карьероуправление» за помощь в сборе информации и проведении исследований; ведущим специалистам и сотрудникам кафедры безопасности производств Национального минерально-сырьевого университета «Горный» за полезные замечания и ценные советы.
Анализ исследований фазовых состояний сжиженных углеводородов при низких температурах
Схема трубопроводного транспорта СПГ: ГЗС - головной завод сжижения, ГНС - головная насосная станция, ПНС -промежуточная насосная станция, ПСО - промежуточная станция охлаждения, НХ СПГ - низкотемпературное хранилище сжиженного природного газа, УР -установка регазификации Трубопроводный транспорт переохлажденных жидкостей с низкой температурой кипения (минус 80 - 200 С) ранее применялся только в технологических целях. Сжиженный метан транспортируется в пределах перевалочных базах и заводов сжижения, а также от установок сжижения до хранилищ газа. Например, протяженность двух систем трубопроводов с вакуумной изоляцией для перекачки жидкого кислорода с температурой минус 180 С (Англия) не превышала 25 км. По данным на 1968 г. в США находился трубопровод 6 дюймов для транспортировки жидкого кислорода с установок сжижения до экспериментального стенда двигателей протяженностью 2,2 км [3]. Вышеназванные криогенные трубопроводы США, Англии и т.д. изготавливаются из дорогих и дефицитных материалов не дают достаточного представления для проектирования, эксплуатации и сооружения низкотемпературных магистральных трубопроводов на территории России [2]. В настоящее время опыт транспорта сжиженного метана по магистральным трубопроводам практически отсутствует [56]. США обладают наиболее развитой сетью трубопроводов для транспорта сжиженных газов на большие расстояния. В числе действующих трубопроводов магистраль Хьюстон (Техас) - Данвиль (Вирджиния) протяженностью 1770 км. В 1960 г. был пущен в эксплуатацию среднеамериканский магистральный трубопровод для сжиженного газа (преимущественно пропана) и светлых нефтепродуктов. Общая протяженность магистрали 3500 км, ее производительность 13500 м3/сутки. Магистральный трубопровод протяженностью 400 км, проложенный между городами Вуд-Ривер и Чикаго, эксплуатируется с 1940 г. и используется для перекачки сжиженных газов и других легких продуктов перегонки нефти.
Значительное развитие получил трубопроводный транспорт сжиженных газов в нашей стране. Большая часть действующих отечественных трубопроводов для транспорта сжиженных газов используется для внутризаводских нужд, а также для транспорта этих газов с места их производства на химические заводы, где сжиженные газы служат исходным сырьем. Сооружен газопровод Туймаза - Уфа для подачи сжиженного газа; протяженность магистрали 172 км, диаметр 250 мм. Предусмотрено снабжать сжиженным газом от этого газопровода ряд газонаполнительных станций, обеспечивающих заправку автомашин, переведенных на пропан-бутановое топливо. По трубопроводу от Миннибаево до Казани (протяженность 300 км, диаметр 275 мм, производительность 400 тыс. т/год) сжиженный газ перекачивается с газоперерабатывающего завода (ГПЗ) на Казанский завод органического синтеза.
Имеется опыт транспортирования смеси углеводородов с высоким содержанием этановой фракции в однофазном (жидком) состоянии по трубопроводам [142], широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ) [123] и нестабильного и стабильного газового конденсата [68]. В случае транспортирования фракции углеводородов С2+ с высоким содержанием этановой фракции (до 40 мас. %) в результате изучения кривой фазовых переходов определены начальное давление 3,2 МПа и максимальная температура 16 С на входе в продуктопровод, обеспечивающие ее однофазное транспортирование на максимально возможные расстояния (до 300 км). Начальные давление и температура обеспечивают однофазное жидкое транспортирование смеси до потребителя даже в летнее время. Многолетний опыт эксплуатации магистрального конденсатопровода (КП) «Вуктыл -Сосногорский газоперерабатывающий завод (СГПЗ)» показал возможность транспорта нестабильного конденсата на большие расстояния (диаметр 530 мм, толщина стенки 8,0 мм, марка стали 17ГС, длина трубопровода - 186 км). В 2013 году на Пуровском заводе по переработке конденсата (ЗПК) было завершено строительство четырех ниток стабилизации газового конденсата суммарной мощностью 6 млн. тонн в год, что позволило увеличить мощность завода по переработке деэтанизированного конденсата с 5 до 11 млн. тонн в год (Рисунок 1.3). Объем реализации жидких углеводородов в 2014 году составил 7,1 млн. тонн по сравнению с 5,4 млн. тонн в 2013 году [37].
Экспериментальные исследования фазовых состояний смесей природного газа и газового конденсата на PVT-установке УГК-3
В изучении фазового состояния и фазового поведения смесей углеводородов газоконденсатных месторождений занимают важное место экспериментальные исследования на установках PVT (установках для исследования фазовых равновесий углеводородных систем). Так как расчетные методы не всегда могут заменить экспериментальные исследования на установках фазового равновесия.
Общие технические характеристики установок PVT для исследования газоконденсатных систем приведены в таблице 2.2 [74, 113]. В работе [74] подробно рассмотрены отечественные и зарубежные установки для термодинамических исследований пластовых нефтегазоконденсатных систем месторождений ОАО «Газпром», а также обеспеченность научно-исследовательских организаций, занимающихся экспериментальными исследованиями газоконденсатных систем, установками фазовых равновесий и их техническое состояние.
В работе [113] проведен комплекс термодинамических экспериментов по определению давления начала конденсации: на установке фазового равновесия УГК-3, дополнительно - на адиабатическом калориметре и установке PVT Express. Рассмотрены достоинства и недостатки 3 методов определения фазового поведения: оптического метода; ультразвукового способа, основанного на затухании скорости звука в критической точке; метода сенсоров с колебаниями сдвига. Последние 2 метода не были опробованы на реальных газоконденсатных смесях. А.В. Поляков считает, что наиболее перспективным способом для решения задач изучения природных пластовых газоконденсатных систем является оптический способ [113]. Однако традиционные методы определения давления начала конденсации требуют дополнений.
Для исследования фазовых равновесий при низких температурах была разработана ВНИИГАЗ совместно с ВНИИКАнефтегазом специальная аппаратура, рассчитанная на работу при давлении до 300 ат и температуре до минус 100 С [143]. Бомба высокого давления помещена в криостат, в котором поддерживается необходимая низкая температура при помощи специальной системы охлаждения, состоящей из баллона со сжатым азотом, осушители, охладитель и змеевик криостата. Однако экспериментальных данных не представлены в данной работе.
БулейкоВ.М. создал экспериментальный комплекс, позволяющий проводить измерения термодинамических параметров углеводородных и неуглеводородных систем в диапазоне температур 110 - 420 К и при давлениях до 60 МПа. Изучено фазовое поведение одно-, двух- и трехкомпонентных смесей, приготовленных на основе смешения метана, пропана, гептана и гексадекана [16]. Распространение диапазона измерений в область отрицательных температур (вплоть до 110 К) позволяет изучать смеси с низким газоконденсатным фактором.
Для установления влияния различных факторов (например, состава смесей углеводородов) на закономерности фазовых превращений углеводородных смесей проводились лабораторные испытания.
Целью экспериментальных исследований является нахождение значений давления начала конденсации смеси газа сепарации и сырого конденсата при различных температурах, а также анализ изменения давления начала конденсации в зависимости от состава многокомпонентной газоконденсатной смеси.
Экспериментальные исследования фазового состояния смесей природного газа и газового конденсата были проведены в филиале ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта совместно с коллективом отдела центра исследования нефтегазовых пластовых систем и технологического моделирования под руководством А.Н. Волкова. В лаборатории производились рекомбинация проб газа и сырого конденсата с газоконденсатного месторождения и изучение фазовых равновесий пластовой газоконденсатной системы, определение начала конденсации и т.д. на установке УГК-3 (Рисунок 2.7). Схема лабораторной установки УГК-3 представлена на рисунке 2.8.
Установка УГК-3 состоит из камеры PVT 1 объемом 3,1 л, рассчитанной на максимальное рабочее давление 450 ат, насоса 4 с постоянной подачей (совмещенные два пресса ИП6), поршневой поджимки 3, термостатируемого сепаратора 2 и двух напорных бачков 5 и вентилей В1 -В11.
Камера PVT 1 представляет собой цилиндр, в котором помещен поршень с выведенным через крышку цилиндра штоком. Внутри бомбы помещена мешалка (в виде перфорированной пластины), приводимая в движение электромагнитом. Поршень и шток герметизированы манжетами из бензотеплостойкой резины.
В нижней части имеется смотровое окно, герметически закрытое стеклянными линзами. Сквозь окно проходит луч света от осветителя и, пройдя специальное оптическое устройство, падает на увеличительное стекло, через которое наблюдают.
Ниже смотрового окна помещен измерительный плунжер (меньшего сечения, чем поршень, помещенный в верхней части бомбы), приводимый в движение электродвигателем [21].
Верхний поршень передвигается при помощи гидравлического давления, создаваемого гликолем, нагнетаемым насосом в камеру бомбы, заключенную между крышкой цилиндра и поршнем [21, 74].
Верхний поршень передвигается во столько раз медленнее нижнего измерительного поршня, во сколько его сечение больше [21, 74].
Таким образом, при одновременном передвижении обоих поршней в одну сторону объем, а, следовательно, и давление в бомбе остаются неизменными, что дает возможность без изменения давления совместить уровень жидкой фазы с центром смотрового окна [21].
Модель пластовой газоконденсатной смеси создается из газа сепарации и нестабильного конденсата путем их рекомбинирования, которые хранятся соответственно в баллоне с пробой 7 и контейнере с пробой 6.
Теплогидравлический расчет низкотемпературных трубопроводов смеси сжиженных углеводородов
В настоящее время большое число исследователей занято разработкой методов расчета и созданием программ и пакетов прикладных программ для решения научно-технических задач. В области решения задач расчета движения жидкостей и газов хорошо зарекомендовали себя такие программные средства как ANSYS/FLUENT, Star-CD, Comsol Multiphysics, CFdesign, ADINA, FIOWVISION и др. [72].
В данной работе виртуальная модель низкотемпературного трубопровода была построена в программной среде ANSYS/FLUENT. ANSYS/FLUENT является частью универсальной программной системы конечно-элементного анализа ANSYS. Он предназначен для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким диапазоном изменения теплофизических свойств посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных методов с улучшенной сходимостью [25]. Программный комплекс ANSYS/FLUENT работает в интегрирующей среде ANSYS Workbench. Структура проекта последовательна и включает следующие этапы: создание геометрии в ANSYS DesignModeler, создание сеточной модели в ANSYS Meshing, предобработка в CFX-Pre, решатель ANSYS CFX-Solver Manager и постобработка в ANSYS CFD-Post [72].
ANSYS/FLUENT использует при расчете метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ - это сеточный метод, при котором модель объекта задается системой дифференциальных уравнений с частными производными с заданными краевыми условиями [26].
В настоящее время для описания турбулентных течений используют в основном методы, базирующиеся на решении уравнений Навье-Стокса. Практическое исследование течений методами прямого численного моделирования затруднено ввиду ограниченности компьютерных ресурсов в настоящее время, поэтому применяется использование осредненных по времени величин. При решении уравнений появляются дополнительные неизвестные и становится необходимым использование различных моделей турбулентности.
Модель турбулентности выбирается в зависимости от типа течения, специфического класса задачи, требуемой точности решений и др. [72]. Наиболее часто используемыми в инженерных расчетах, является класс наиболее употребительных - осредненные по числу Рейнольдса уравнения Навье-Стокса (Reynolds-averaged Navier-Stokes - RANS).
Для расчета в программном комплексе ANSYS/FLUENT доступны следующие модели турбулентности RANS: семейство k-є моделей (стандартная; Renormalizated Group Model - RNG - на основе техники, заимствованной из теории ренормализованных групп), к-ю-модель, SST (shear-stress transport model - модель переноса сдвиговых напряжений) [72].
Модель турбулентности к-є, представленная уравнениями переноса кинетической энергии турбулентных пульсаций k (turbulent kinetic energy) и скорости диссипации є (turbulent dissipation rate), применяется и дает неплохие результаты в большинстве расчетов. К-є- модели отличается работоспособностью, экономичностью и приемлемой точностью [25].
Семейство моделей к-со основано на двух уравнениях переноса - одно для турбулентной кинетической энергии к, второе для частоты турбулентных пульсаций со. Недостатком является - чувствительность к граничным условиям: требует повышенной точности сетки в пристеночной области и, соответственно, значительных машинных ресурсов. Модель турбулентности SST - это модель переноса касательных напряжений, применяемая при требовании хорошего решения в пристеночном слое.
Задачам трубопроводного транспорта сжиженных углеводородов удовлетворяет стандартная k-є модель турбулентности. По сравнению с другими моделями, имеющимися в программном комплексе ANSYS/FLUENT, она обладает оптимальной для поставленной задачи точностью и, в то же время, не слишком требовательна к размерности расчетной сетки, потребляет относительно мало машинных ресурсов [26]. Gk - генерируемая потоком кинетическая энергия турбулентных пульсаций, обусловленная наличием градиента скорости потока, кг/(м-с2); Gb - генерируемая кинетическая энергия турбулентных пульсаций, обусловленная наличием выталкивающей силы (при решении изотермической задачи не учитывается), кг/(м-с2); С3є - коэффициент, характеризующий степень воздействия выталкивающих сил на величину , С3е = tanh YM - величина диссипации объемного расширения, учитывает влияние эффекта сжимаемости для потоков с большим числом Маха, кг/(м-с2); С-г-, С\г- к- г " константы данной модели турбулентности (С2 = 1,9, С1 = 1,44, o-fc = 1,0, о = 1,2). При использовании данной модели турбулентности в нижеописанных работах была активирована функция расчета движения потока с учетом действия выталкивающей силы, возникающей в результате разности плотностей жидкости при разных температурах [25].
Важным вопросом является характер распределения температуры и давления в потоке перекачиваемого продукта при транспорте по низкотемпературным трубопроводам.
С целью анализа характера распределения температуры и давления в трубопроводе в программном комплексе ANSYS/FLUENT была создана виртуальная модель трубы под подземный низкотемпературный трубопровод, задав все необходимые исходные геометрические данные и граничные условия. Модель трубопровода состояла из четырех тел: тела смеси углеводородов, тела трубы, тела изоляции и тела грунта. А также был проведен гидравлический и тепловой анализ работы модели трубопровода. Данная работа включает в себя следующие этапы: создание геометрической модели трубопровода, генерация расчетной сетки на основе геометрической модели, задание граничных условий модели, запуск модели на расчет.
При расчетах была использована k-є модель турбулентности. Одним из условий получения корректных CFD-результатов (CFD - Computational Fluid Dynamics - вычислительная гидродинамика) является создание высококачественной расчетной сетки [26].
В программном комплексе ANSYS/FLUENT было произведено численное моделирование неизотермического течения сжиженных углеводородов в низкотемпературном трубопроводе в программном комплексе, проведен анализ характера распределения температуры и давления в потоке смеси сжиженных углеводородов при изменении теплофизических параметров (плотности, коэффициента теплопроводности и коэффициента теплоемкости). При транспортировании смеси сжиженных углеводородов рекомендуется учитывать изменение теплофизических параметров по длине трубопровода.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: метод численного эксперимента позволяет проанализировать характер течения, а также позволяет отказаться от лабораторных испытаний по сравнительному анализу рассматриваемых смесей. Кроме того, использование математического аппарата при моделировании движения жидкости позволяет с легкостью варьировать заданные исходные параметры с целью нахождения оптимального решения поставленной задачи.
Технико-экономическое обоснование предлагаемого способа транспортирования смеси сжиженных углеводородов по низкотемпературным трубопроводам
Риски транспортирования СПГ по СМП в значительной степени связаны со сложной ледовой обстановкой по трассе и наличием ледоколов сопровождения. Условно можно выделить три периода транспорта СПГ по СМП: летний, зимний и «межсезонье». Продолжительность этих периодов оценивается на основании анализа и прогноза ледовой обстановки и тенденций изменения климата. В настоящее время сложно оценить изменение климата и ледовой обстановки Крайнего Севера.
Даже при благоприятных условиях, плавание по СМП будет сопряжено рисками, особенно в зимний период. Высокие страховые расходы, малые скорости продвижения, строжайшие правила безопасности, высочайшие экологические риски, непредсказуемость ледовой обстановки, постоянные отклонения судов от намеченных курсов, нехватка квалифицированных и имеющих опыт плавания в высоких широтах экипажей судов и т.п. - всё это ограничивает интенсивное и быстрое развитие судоходства на Крайнем Севере. Таким образом, без ледоколов и развитой арктической инфраструктуры даже при наиболее благоприятном сценарии России не обойтись.
Применение танкеров-газовозов для регулярных перевозок СПГ в зимний период времени ограничивается сложностью трассы СМП. Будет необходимо мощное ледовое подкрепление корпуса танкеров-газовозов и их сопровождение линейными ледоколами, способными обеспечить функционирование судоходной трассы в круглогодичном режиме [62]. Однако в настоящее время на фрахтовом рынке нет свободных судов-газовозов, тем более не существует метановозов ледового класса, необходимых при транспортировке газа из Арктики [62]. В работе [62] перечислены недостатки ледовой характеристики района п-ова Ямал тяжелые ледовые условия и постоянная необходимость привлечения мощных атомных ледоколов типа «Арктика» для трассовой части и «Таймыр» для постановки судов; необходимость использования судов ледового класса; стоимость ледокольного обеспечения - 16,8 долл. за тонну.
Российские и зарубежные компании (с участием ООО «ВНИИГАЗ») при предпроектной проработке вопроса о проектировании и строительства завода сжижения природного газа и отгрузочного терминала в районе мыса Харасавей отметили, что танкерные поставки СПГ не являются полной альтернативой трубопроводному транспорту и рассматриваются с позиции оптимального сочетания преимуществ обеих технологий и расширения возможностей маневрирования потоками газа, нефти и конденсата в соответствии с изменяющейся конъюнктурой рынка [145]. Поэтому нами была предложен дополнительный вариант поставок смеси метана и газового конденсата - по низкотемпературным трубопроводам в зимний период времени, в которой учтены особенности газоконденсатных месторождений Арктики. Тем самым будет снижены риски поставок СПГ по СМП в случае сложной ледовой обстановки, а также. В качестве примера условно был взят участок подземного низкотемпературного трубопровода Тамбей -Бованенково наружным диаметром 720 мм и длиной 200 км. В работе использовались смеси сжиженных углеводородов Южно-Тамбейского месторождения (полуострова Ямал). Расчет параметров транспортирования смесей сжиженных углеводородов проводился согласно вышеописанной методике.
В рамках проекта «Ямал СПГ» к 2017 году планируется строительство 10 ледоколов для транспортировки сжиженного газа, которые станут самыми крупными судами, построенными специально для арктических условий, вместимость которых составит 180 тыс. тонн. Газовозы спроектировало финское проектное бюро Aker Arctic. На балтийском заводе специально для реализации проекта «Ямал СПГ» начали строить уникальный атомный ледокол - самый крупный и мощный в мире. Это первое и головное судно новой серии ледоколов. Всего планируется построить три ледокола этого класса. Объявлены планы по строительству 16 СПГ-танкеров класса Агс7 для перевозки СПГ из порта Сабетта на мировые рынки. Их будет строить южнокорейская Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering. В марте 2014 г. в рамках контракта от июля 2013 г. «Совкомфлот» заказал Daewoo строительство первого ледокольного танкера СПГ. В апреле 2014 года стало известно, что «Ямал СПГ» сформировал список вероятных претендентов среди судоходных компаний, которые займутся перевозками СПГ. В список вошли «Совкомфлот», японская Mitsui OSK и канадская Teekay LNG.
Стоимость танкеров с ледовым подкреплением по данным норвежских, финских, японских, немецких и корейских компаний составляет порядка 180 млн. долл. США. Суммарная потребность в танкерах для поставок 30 млрд. м3 в год в северные порты западноевропейских стран равна 14, в том числе для первой очереди проекта - 6 [145]. В ноябре 2013 года «НОВАТЭК» сообщил о возможности расширения проекта «Ямал СПГ» до 25-30 млн. тонн в год за счет запасов территории полуострова. Ресурсной базой для расширения проекта могут стать запасы Салмановского (Утреннего) и Геофизического месторождений.
Было проведено обоснование возможности транспортировки смеси сжиженного природного газа и газового конденсата по низкотемпературному подземному трубопроводу высокого давления Тамбей-Бованенково с последующей регазификацией и транспортировкой газового конденсата по железной дороге. Принято, что по продуктопроводу будет на первом этапе транспортироваться 5 млн. тонн смеси, в том числе 4,5 млн. тонн метана и 0,5 млн. тонн газового конденсата. Условная длина продуктопровода по этому маршруту около 200 км.
Близкими по сложности трубопроводами являются нефтепровод ТрансАляска (ТАТ). Его длина 1280 км, диаметр 1219 км (в том числе 672 км над землей и 608 км под землей). Условно принято, что стоимость подогрева нефти на этом трубопроводе приблизительно равна стоимости охлаждения LNGMIX. 676 км нефтепровода имеют тепловую изоляцию и поднято над землей на 78000 опорах. Грунт (вечная мерзлота) охлаждается с помощью труб-теплообменников. Имеет 11 насосных станций, одну разгрузочную станцию и 4 резервные станции. В состав нефтепровода входит морской порт в Валдизе. Общая стоимость строительства составила 8 млрд долларов.
Длина другого условного аналога нефтепровода «Восточная Сибирь -Тихий Океан» (ВСТО) составляет 4770 километров (от Тайшета до Козьмино), в том числе ВСТО-1 2694 и ВСТО-2 2076 км. На ВСТО было потрачено 23,3 млрд. долл. (включая порт в Козьмино) или около 8 млн. долларов на км. По другим оценкам стоимость подземной прокладки в России в среднем составляет 12 млн. на км, на опорах - 20 млн. на км [9].
Основные технико-экономические показатели системы производства и вывоза СПГ морским путем показаны в работах [145, 158]. Для оценки эффективности низкотемпературной трубопроводной транспортировки смеси природного газа и конденсата было проведено сопоставление основных показателей этого варианта с вариантом перекачки СПГ танкерами-газовозами. В таблице 4.2 приведены некоторые сводные данные для экономического анализа обоих способов транспортирования.
Из проведенного исследования следует, что предложенный способ комбинированной транспортировки СПГ по Северному морскому пути и смеси сжиженных углеводородов по низкотемпературным магистральным трубопроводам в зимний период позволит существенно снизить риски и сократить затраты на транспорт газа и газового конденсата, сократить количество ледоколов и танкеров на треть; также существенно уменьшить емкости для хранения СПГ, газового конденсата и нефти.