Актуальность газоснабжения населенного пункта при помощи пропано-бутановоздухосмесительной установки с последующим переходом на природный газ

В настоящее время в Российской Федерации природным (сетевым) газом обеспечивается только 15…20 % сел и деревень при общем объеме газификации в основном за счет дефицитного нефтяного газа, равном 77 %. При этом отопление домов практически полностью осуществляется за счет твердого и нефтяного топлива. В целом по России не охвачено газификацией свыше 2 млн. сельских домов.

Решение проблемы энергообеспечения природным газом отдаленных сельских населенных пунктов в интересах развития сельхозпроизводства, местной промышленности, коммунальных и фермерских хозяйств ограничивается значительными капитальными затратами на создание сети газопроводов-отводов от основных магистралей природного газа и нехваткой газовых труб. Кроме того, прокладка газопроводов-отводов связана с целым рядом факторов, усложняющих ее выполнение и увеличивающих стоимость, таких как рельеф местности, состав грунта, наличие дорог и водных бассейнов. Немаловажное значение имеют климатические условия местности.

Использование газа в качестве топлива позволяет существенно экономить. Несмотря на все экономические кризисы, голубое топливо остается наиболее дешевым энергоносителем. Для существенного снижения затрат при теплоснабжении, горячем водоснабжении и приготовлении пищи резко встает вопрос о газификации населенных пунктов.

В связи с этим задачу газификации бытовых и сельхозпотребителей там, где прокладка газовых трубопроводов является догосрочной перспективой, можно решать путем использования сжиженного природного газа (СПГ) с последующим их переводом на магистральный газ. Для этого необходимы средства получения СПГ с хранилищами-накопителями, перевозчики продукта (автогазовозы) и местные хранилища СПГ у потребителей с установками газификации.

Различия метана и СУГ.

Особенности магистрального газа

Как таковой природный газ, добываемый из недр земли, представляет собой смесь из:

• метана;
• тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана и т.д.);
• водорода и сероводорода;
• паров воды;
• азота;
• гелия и иных инертных газов.

В зависимости от месторождения доля первого компонента в этой смеси достигает 70–98%.

Однако «природный газ», поступающий в квартиры и дома по трубам, – это уже очищенный от примесей метан с мизерным количеством одоранта (вещества с резким неприятным запахом, облегчающим обнаружение утечек).

Подавать по газопроводам для бытовых нужд всю добываемую из земли смесь без обработки небезопасно. В ней немало взрывоопасных и вредных для человека компонентов. Проще и безопасней очистить метан от всего остального.

После очищения на месторождении этот уже сугубо метановый газ поступает в ГТС (газотранспортную систему). А из нее посредством газораспределительных и компрессорных станций его подают по газопроводам сначала в населенные пункты, а затем потребителям.

При этом существует еще и СУГ (сжиженный углеводородный газ), также нередко применяемый для заливки в автомобили. Но он состоит уже не из метана, а из смеси пропана с бутаном. О нем дальше – это как раз то, что закачивается в газгольдеры.

Особенности газгольдерного (сжиженного) топлива

Газгольдер (GasHolder) – это банальный резервуар для хранения газа (пропана + бутана). Туда он закачивается в сжиженном виде. Потом постепенно эта “жидкость” переходит в газообразное состояние, поднимая давление в емкости. И уже за счет высокого давления газ выдавливается из резервуара в трубы для подачи в дом.

Рисунок 1. Газгольдерная установка

Использование в газгольдерах пропана и бутана обусловлено наличием этих газов в достаточно больших объемах и простоте технологии их сжижения.

По сути, бутан и пропан – это побочные компоненты, остающиеся после выделения метана из поднятого из недр «природного газа». Их доля в выкачанной из земли смеси нередко достигает 30%.

Плюс они же образуются при переработке попутного газа, который выходит из скважин вместе с нефтью. Их приходится либо сжигать в факелах на месторождении, либо искать способы применения в энергетике.

Газгольдеры могут быть применены для хранения различных газов. Но для автономного газоснабжения частных домов принято использовать оборудование, рассчитанное на пропан-бутановую смесь. Ее еще называют сжиженным углеводородным газом (СУГ). Заниматься сжижением метана для закачки в подобные бытовые емкости слишком дорого и невыгодно.

Смесь сжиженного пропана с бутаном (СУГ) различается на:

• зимнюю;
• летнюю.

Бутан дешевле пропана. Но он быстрее замерзает при отрицательных атмосферных температурах, поэтому в зимнюю смесь его добавляют в меньших долях. Зимой СУГ стоит дороже не из-за желания энергетиков заработать побольше, а из-за технологической необходимости увеличивать в нем процентное содержание дорогостоящего пропана.

Однако закупать сжиженный газ летом впрок не стоит. В зимний период при сильных морозах летний состав может “замерзнуть”. В лед он не превратится, а вот переходить из жидкого состояния в газообразное станет в меньших объемах.

Рисунок 2. Устройство газгольдера

Газгольдеры бывают вертикальными и горизонтальными, а также подразделяются на:

• подземные;
• надземные.

В российских климатических условиях рекомендуется монтировать только подземный вариант. При низких температурах на улице сжиженный пропан-бутан начинает менее эффективно испаряться.

Темнее менее возможен вариант с утеплением для искусственного поддержания в емкости нужных для испарения температурных параметров и установкой специальных испарителей.

Некоторые “специалисты” утверждают, что вертикальные газгольдеры в сравнении с горизонтальными аналогами имеют более низкие показатели тепловой отдачи. Зеркало испарения внутри них гораздо меньше. И это действительно так. Меньше площадь жидкости сверху – меньше ее испаряется.

Однако в вертикальных резервуарах СУГ процесс испарения протекает с несколько более высокой скоростью, что полностью компенсирует меньший размер «зеркала». Результат в итоге получается практически одинаковым. Не зря же в Скандинавии, где климат во многом схож с российским, предпочитают монтировать газгольдерные емкости как раз в вертикальном исполнении.

Сравнение газа из магистрали и газгольдера

Сравнивая оба варианта газификации, необходимо смотреть как на стоимость покупки кубометра газа, так и на смету монтажа оборудования и цену его эксплуатации в последующем.

Учитывать следует все параметры обеих систем. При этом выбирая, что изначально дешевле – газгольдер и магистральный газ, надо анализировать и то, что проще в ремонте и обслуживании.

Сроки и независимость

Первое и неоспоримое преимущество при газификации газгольдерами – это сроки подключения или получения потребителями газа в качестве топлива, что в свою очередь поможет съэкономить на более дорогом твердом топливе.

Газгольдер – это в первую очередь полная автономность в энергообеспечении. Магистральный газ могут в любой момент отключить. От аварий на газовых трубопроводах полностью застраховаться невозможно.

Энергоэффективность и цена обслуживания

При анализе трат на газовое топливо необходимо разделять кубатуру (литраж) метана в трубе и пропан-бутанового СУГ в машине, привозящей сжиженное топливо к заказчику. Если смотреть на ценник в рублях/м³, то получается, что магистральный газ стоит в три–четыре раза дешевле пропан-бутана.

Однако в первом случае горючее поставляется в газообразном состоянии, а во втором в жидком. В результате испарения литр этой “жидкости” превращается 200–250 литров газа. Причем здесь еще надо учитывать соотношение пропана и бутана в газгольдерном СУГ. У них разная плотность.

С одной стороны, магистральный природный газ дешевле СУГ для газгольдера по стоимости за куб, но с другой – у него более низкая удельная теплоемкость.

С одной стороны, магистральный природный газ дешевле СУГ для газгольдера по стоимости за куб, но с другой – у него более низкая удельная теплоемкость.

Если сравнивать калорийность двух видов газового топлива, то пропан-бутан готов будет дать фору метану. При сжигании одного куба пропан-бутановой смеси в газообразном состоянии выделяется порядка 28 кВт, тогда как метан способен дать всего около 9 кВт.

При усредненном расчете коттеджу в 100 квадратов для отопления необходимо в год порядка 3000–3100 м³ метана либо около 1000 м³ СУГ. При этом за первый газ придется заплатить в три–четыре раза меньше. В результате выходит, что расходы на топливо в целом за год в итоге получаются приблизительно равными.

Обслуживанием газгольдеров и газовых труб от магистрали до дома занимаются специализированные организации, которые также поставляют и газ.

С точки зрения безопасности магистральный газ сильно выигрывает у газгольдерного.

Тем не менее, обеспечение потребителей газовым топливом за счет СПГ получило распространение в мировой практике, например во Франции.

На средиземноморском побережье Турции привозной СПГ используется для снабжения газом крупных отелей, круглогодично принимающих туристов.

Актуальность газификации газгольдерами

Современные газгольдерные установки, как по отдельности, так и в комплексе способны обеспечить необходимые мощности для газификации отдельных деревень (коттеджных поселков) с имеющимися в них предприятиями и объектами социально-бытовой сферы. Поэтому в условиях жесткой экономии, а так же поддержания жизнедеятельности сельских населенных пунктов, что повлечет за собой снижение урбанизации, а так же развитие сельского хозяйства, резко встает вопрос о необходимости газификации, бесперспективных к подключению в ближайшее время от магистрального газа населенных пунктов, при помощи газгольдерных установок.

Так, например, построенная система автономного/резервного газоснабжения котельной Олимпийской деревни биатлонного стадиона в г. Сочи, РФ имеет максимальная тепловая мощность газоиспользующего оборудования: 7МВт. В ней применена комбинированная испарительно-смесительная установка в контейнерном исполнении, тип FAS 4000 ND производительностью 1600 нм3/час газовоздушной смеси. Давление на выходе смесительной установки: 500 мбар. В составе комбинированной установки - жидкостная испарительная установка, тип FAS 3000 производительностью до 800 кг/час ЖФ СУГ.Проект реализован ООО «Химгазкомплект», г. Санкт Петербург. Такая система вполне способна обеспечить газоснабжением населенный пункт в 300 жилых домов с инфраструктурой и небольшим производством.

Однородная пропано-воздушная смесь благодаря своим характеристикам может использоваться как прямой заменитель природного газа, без доработки или замены газового оборудования. В этом состоит главное преимущество, получаемое от ее использования в качест­ве резервного источника тепла. В некоторых источниках смесь пропана с воздухом называют «искусственным природным газом» (synthetic natural gas, SNG).

Основные принципы построения систем «Propane-Air»

Стандартная технологическая схема системы вторичного топливообеспечения, основанной на технологии «Propane-Air», включает следующие основные компоненты:

• резервуар для сжиженного газа (в большинстве современных проектов принято подземное размещение хранилища СУГ);
• насос для подачи сжиженного газа в испаритель; 
• испаритель СУГ (установка для перевода пропана или пропан-бутана из жидкой фазы в газовую перед подачей на вход смесительной установки); 
• воздушный компрессор (для смесительных установок, работающих на сжатом воздухе);
• пропано-воздушную смесительную установку (propane-air mixer).

Использование пропано-воздушной смесительной установки позволяет избежать простоев и затрат, связанных с переводом газового оборудования на другой вид топлива. Производительность таких систем варьируется в широких пределах. Спектр их возможных применений ограничен только доступностью пропан-бутана, а также специфическим характером ряда производственных процессов, не допускающих использования газа с примесью азота.

Рисунок 3. Комбинированная смесительная установка FAS 4000, установленная в коттеджном поселке (Московская область)

По этим причинам технология «Propane-Air» пользуется популярностью как среди промышленных потребителей, так и во многих других сферах (сельскохозяйственной, коммерческой, социальной). Номенклатура выпускаемых изделий весьма обширна как по производительности, так и по принципам функционирования, конструктивному исполнению, применяемым системам контроля и безопасности.

Созданная в населенном пункте газораспределительная сеть при появлении магистрального газа способна спокойно перейти на него. Так же газопотребляющее оборудование уже будет готово к приему магистрального газа, что в дальнейшем положительно скажется на решении АО «Газпром» о включении в программу газификации таких населенных пунктов.

Газификация СПГ осуществляется в испарителях. При этом, если расход газа не превышает нескольких тысяч кубических метров в час, применяются, как правило, воздушные испарители с использованием тепла окружающего воздуха, как не требующие для работы дополнительной энергии. Когда расходы больше, в качестве теплоносителя используют горячую воду.

Газифицированный из СПГ природный газ по местным трубопроводам низкого давления выдается потребителям. Обслуживать такие централизованные пункты должен специально подготовленный персонал. В целях безопасной эксплуатации емкости с газификаторами снабжаются противопожарным оборудованием, средствами газового контроля, а вокруг них организуются защитные зоны. Целесообразность газификации удаленных населенных пунктов на базе СПГ должна обосновываться технико-экономическим анализом.

Расчеты показали, что при достаточно масштабном производстве СПГ его доставка от установок сжижения и последующая газификация эффективнее трубопроводной доставки газа при протяженности газопровода более 50 км (расчет был выполнен при производительности системы доставки 0,8…2,8 млн нм3/г. при диаметрах трубопроводов 108…219 мм без учета сложности рельефа).

Затраты на газгольдерные установки, которые в последующем, при газификации от магистрального газа, будут заменены на ГРП (ШРП), с лихвой окупаются за счет экономии на приобретении твердого топлива. Так, в среднем на отопление одного домовладения 100 м² в зимний период необходимо приобретение дров или угля на сумму порядка 20-30 тысяч рублей, тогда как на газ будет тратиться около 10 тысяч рублей (с учетом горячей воды и приготовления пищи) в отопительный сезон. Таким образом годовой экономический эффект на населенный пункт в 300 жилых домов составит около 4-6 млн. рублей. Кроме того, достигается не только экономический эффект, но и экологический, т.к. газ является самым экологически чистым видом топлива и сгорает на 99%, Так же косвенно решается проблема по перенаселенности городов (урбанизации), т.к. с развитием коммунальных благ и инфраструктуры сельских населенных пунктов, возможен обратный отток населения из города в деревни. Несомненный плюс из такой газификации имеют и администрации муниципальных образований. Потому что, при газификации населенных пунктов, включенных в Программу газификации регионов РФ, а так же подлежащих включению в данную программу, именно они несут ответственность по подготовке потребителей в соответствие с программой синхронизации (соглашением между Главой региона РФ и правлением АО «Газпром»). В данной ситуации потребители уже готовы к приему сетевого газа.