Korzyści i zagroŝenia wynikające z dostarczania gazu ziemnego w postaci skroplonej

Transkrypt

1 Korzyści i zagroŝenia wynikające z dostarczania gazu ziemnego w postaci skroplonej Autor: Zbigniew Gnutek, Michał Pomorski - Politechnika Wrocławska, Zakład Termodynamiki, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów ( Energetyka październik 2008) Coraz szerzej prowadzona przez wiele krajów polityka proekologiczna wymusza stosowanie technologii i wykorzystywanie źródeł energii, które mają moŝliwie najmniejszy negatywny wpływ na środowisko naturalne. Z tego teŝ powodu w ostatnich latach obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania gazem ziemnym. Jest on kopalnym surowcem energetycznym, ze spalania którego emituje się stosunkowo mało zanieczyszczeń w procesie konwersji energii. Niestety największe zuŝycie gazu ziemnego występuje w znacznej odległości od miejsc największych złóŝ gazu, a często równieŝ są one oddzielone od nich morzami i oceanami. Wymusza to transport tego surowca, niekiedy na bardzo duŝe odległości. W tradycyjnych systemach dostarczania gaz ziemny przepływa w wysokociśnieniowych gazociągach w stanie lotnym. Ze względu na duŝe spadki ciśnienia podczas przepływu, taki rodzaj transportu wymaga duŝego zuŝycia energii do przetłaczania. Problem pojawia się równieŝ, gdy złoŝa gazu są z róŝnych kontynentów. W tym celu w latach 60. został zapoczątkowany i do tej pory znacznie rozwinął się morski transport gazu ziemnego w postaci skroplonej w specjalnie do tego celu skonstruowanych tankowcach zwanych metanowcami. Jak wynika z analiz przeprowadzanych przez Statoil i Gas de France, przy pewnych odległościach (około 4000 km) i ilościach transportowanego gazu, taki rodzaj transportu jest tańszy [1]. W transporcie lądowym skroplony gaz ziemny jest dostarczany przy pomocy autocystern (do 44 m 3 pojemności) i cystern kolejowych (pojemność do 133 m 3 ). Alternatywną metodą dla przetłaczania gazu ziemnego w stanie lotnym moŝe być równieŝ transport gazu ziemnego w postaci skroplonej w rurociągach kriogenicznych. Charakterystyka LNG LNG (liquefied natural gas) jest skroploną mieszaniną gazów węglowodorowych z niewielkimi domieszkami azotu. Udział poszczególnych węglowodorów w skroplonym gazie ziemnym zaleŝy od miejsca skraplania gazu. Jednak w kaŝdej stacji skraplania głównym składnikiem LNG pozostaje metan (około 95%). MoŜna więc z pewnym przybliŝeniem traktować LNG jak czysty metan. W rezultacie skraplania otrzymuje się bezbarwną, trudno palną oraz niewybuchową ciecz. Przy ciśnieniu atmosferycznym skroplony gaz ziemny pozostaje w temperaturze 111 K i w tej temperaturze jest on zazwyczaj przechowywany oraz transportowany metanowcami i cysternami. Temperatura krytyczna metanu wynosi 190 K. Wynika z tego, Ŝe zakres temperatury, w którym gaz ziemny występuje w postaci ciekłej zawiera się w przedziale K.

2 Czynnikiem ograniczającym rozwój technologii transportu skroplonego gazu ziemnego były awarie, równieŝ z ofiarami śmiertelnymi. Zdarzało to się jednak w czasach, gdy wiedza na temat skroplonego gazu ziemnego i własności wytrzymałościowych materiałów stosowanych na rurociągi kriogeniczne nie była jeszcze zbyt duŝa. Od tego czasu wiedzę na temat bezpiecznego transportu cieczy kriogenicznych intensywnie poszerzano. W efekcie poprawnie przeprowadzony proces transportu nie powinien być źródłem zagroŝeń dla zdrowia i Ŝycia ludzi. W razie wycieku LNG odparowuje, a powstałe pary mają cięŝar właściwy względem powietrza równy 1,7. W związku z czym pary LNG mają tendencję do pozostawania przy powierzchni ziemi lub wody, aŝ do momentu gdy nie ogrzeją się i wymieszają z powietrzem. Temperatura par LNG, w której ich gęstość jest równa gęstości powietrza wynosi około 165 K.

3 W temperaturze otoczenia cięŝar właściwy par LNG względem powietrza wynosi 0,55, przez co szybko unoszą się one i rozpraszają w atmosferze. Gęstość skroplonego gazu ziemnego jest o około połowę mniejsza od gęstości wody, co powoduje, Ŝe w razie wycieku do wody unosi się on na powierzchni i podlega procesowi parowania. Wówczas moŝe stanowić zagroŝenie, ale tylko w przypadku, gdy lokalnie osiągnie stęŝenie wybuchowe. Transport LNG rurociągami Ograniczany zakres temperatur, dla których gaz ziemny pozostaje w stanie ciekłym pociąga za sobą ograniczoność w maksymalnych długościach osiąganych przez rurociągi LNG bez ponownego schładzania czynnika. Ta odległość jest ograniczana przez wiele elementów. Do najwaŝniejszych naleŝą: temperatura początkowa skroplonego gazu ziemnego, natęŝenie przepływu, średnica rurociągu, rodzaj i jakość izolacji oraz temperatura końcowa. Przykładowy schemat transportu skroplonego gazu ziemnego w rurociągach na duŝe odległości przedstawiono na rysunku 2. Skroplony gaz ziemny pozostaje w stanie ciekłym do momentu aŝ jego temperatura na danej długości rurociągu jest niŝsza od temperatury nasycenia odpowiadającej ciśnieniu czynnika na tej samej długości rurociągu. Temperatura nasycenia jest ściśle powiązana z jego ciśnieniem. Za straty ciśnienia odpowiedzialne są opory przepływu (zarówno liniowe jak i miejscowe). W obliczeniach strat ciśnienia w rurociągach skroplonego gazu ziemnego nie moŝna pominąć oporów miejscowych, poniewaŝ mają one znaczną wartość (około 20% strat ciśnienia) [3], a spowodowane jest to koniecznością stosowania licznych kompensatorów odkształceń termicznych rurociągu. Po dokonaniu odpowiednich przekształceń spadek ciśnienia przepływającego LNG moŝna wyliczyć z zaleŝności: Podczas przepływu kriocieczy w rurociągu wzrasta jej temperatura na skutek dopływu ciepła z otoczenia, tarcia o ścianki rury, a takŝe dopływu ciepła wytwarzanego w urządzeniach pomocniczych zainstalowanych na trasie rurociągu. Parametry odpowiedzialne za wzrost temperatury przepływającego czynnika moŝna wyznaczyć z równania energetycznego przepływu. Przy załoŝeniu, Ŝe rurociąg jest poziomy lub róŝnica wysokości nie jest zbyt duŝa, moŝna pominąć przyrost energii potencjalnej ze względu na stosunkowo małą wartość. W przypadku przepływu strumienia substancji o niezbyt duŝej prędkości (co ma miejsce w przypadku przepływu LNG) moŝna równieŝ pominąć przyrost energii kinetycznej. Uwzględnienie tych uproszczeń pozwala na zapisanie wzoru na wzrost temperatury przepływającego LNG w postaci:

4 Na podstawie wyprowadzonych powyŝej zaleŝności rozkładu parametrów termodynamicznych skroplonego gazu ziemnego podczas przepływu w długich rurociągach kriogenicznych moŝna wykonać charakterystyki przepływowe. Celem obliczeń było znalezienie takiego zbioru parametrów medium, aby było moŝliwe przetransportowanie LNG na jak największe odległości w postaci skroplonej, przy jednorazowym podwyŝszeniu ciśnienia cieczy, (oczekiwana odległość km), a jednocześnie, aby ciśnienie LNG na końcu procesu było na tyle wysokie, by moŝliwe było odparowanie podczas przepływu w rurociągu bez ponownego zwiększania ciśnienia (3-4,5 MPa). Obliczenia wykonywano dla średnic rurociągu d = 0,3-0,6 m, grubości izolacji d iz = 0,06-0,14 m oraz strumieni masy LNG zmieniających się w zakresie rh = kg/s. Jako izolację przyjęto piankę poliuretanową. Parametry początkowe to temperatura T = 110 K i ciśnienie p =10 MPa. ZałoŜono, Ŝe jedynym składnikiem gazu ziemnego jest metan. Przykładowe charakterystyki rozkładu ciśnienia i temperatury LNG w rurociągu przedstawiono na rysunku 3. Znajomość rozkładu ciśnienia i temperatury skroplonego gazu ziemnego wzdłuŝ rurociągu oraz uwzględnienie równania linii nasycenia dla metanu, na której kończył się proces transportu, pozwoliło na wyznaczenie zaleŝności ciśnienia od temperatury przepływającego LNG. Przykładowy obraz tej zaleŝności dla rurociągu o średnicy 0,5 m i grubości izolacji 0,08 m przedstawiono na rysunku 4. Z wyznaczonych charakterystyk przepływowych LNG wynika, Ŝe maksymalne długości przy jednorazowym spręŝeniu czynnika, dla rurociągów bez stacji schładzania, sięgają nawet 650 km. Transportowanie skroplonego gazu ziemnego na większe odległości wymaga zastosowania stacji schładzających LNG do temperatury początkowej. Taki zabieg pozwala na przetłaczanie czynnika na odległości znacznie większe.

5 W celu porównania energochłonności rurociągowego transportu skroplonego gazu ziemnego z energochłonnością transportu takiej samej ilości gazu na taką samą odległość przy pomocy gazociągów konwencjonalnych wyznaczono zuŝycie mocy niezbędnej do przeprowadzenia tych procesów. Wyznaczony w sposób przybliŝony nakład energetyczny niezbędny do przetłaczania LNG moŝna obliczyć z zaleŝności: gdzie: υ p - średnia objętość właściwa cieczy w pompie, p p - przyrost ciśnienia cieczy w pompie, η p - całkowita sprawność pompy (przyjęto sprawność pompy 80%). Natomiast moc niezbędną do napędu spręŝarek słuŝących do przetłaczania gazu sieciowego zaczerpnięto z danych o istniejącym dalekosięŝnym wysokociśnieniowym gazociągu. Obliczona wartość mocy odniesiona do jednostki strumienia masy gazu oraz jednego kilometra odległości, na jaką jest on transportowany wyniosła I t» 500 J/kg x km. Ten sam współczynnik dla analizowanych rurociągów LNG zawierał się w przedziale J/kg x km. Z powyŝszego porównania wynika, Ŝe zastosowanie rurociągowego transportu skroplonego gazu ziemnego pozwala na zmniejszenie energochłonności procesu nawet dziesięciokrotnie, w stosunku do przesyłania gazu w sposób konwencjonalny w gazociągach. Podsumowanie Gaz ziemny jest jednym z najwaŝniejszych surowców energetycznych. W tym celu naleŝy dąŝyć do poszukiwania nowych form dostaw tego surowca. Jedną z nich moŝe być dostarczanie gazu w postaci skroplonej. Jak wynika z przeprowadzonych powyŝej rozwaŝań morski system dostaw LNG jest juŝ dość dobrze rozwinięty na świecie, a w niektórych przypadkach moŝe być tańszy od transportu gazociągowego. W transporcie lądowym moŝna równieŝ dostarczać go w postaci skroplonej w rurociągach.

6 Własności skroplonego gazu ziemnego pozwalają na bezpieczne jego transportowanie przy zapewnieniu odpowiedniego poziomu wykonawstwa i właściwej eksploatacji instalacji. Przeprowadzone kalkulacje pokazują, Ŝe odległości takich rurociągów bez stacji schładzania są znaczne (do około 650 km). Zaletą jest równieŝ energochłonność procesu przetłaczania gazu ziemnego w postaci skroplonej, która moŝe być nawet dziesięciokrotnie mniejsza od energochłonności transportu konwencjonalnego. LITERATURA [1] FossM. M.: Introduction to LNG. An introduction to liquefied natural gas (LNG), its properties, organization of the LNG industry and safety considerations, Center for Energy Economics, Houston 2007 [2] [3] LNG pipelines - a technology assessment, volume I, Canuck Engineering Ltd., 1977 [4] Pomorski M., Modelowanie procesu transportu skroplonego gazu ziemnego w rurociągach na duŝe odległości, Raport ITCiMP, Wrocław 2007