Первые шаги новой технологии. Хорошо известно, что технологии сжижения природного газа и его транспортировки в США и в Европе развивались значительно быстрее, чем в СССР. Как ни удивительно, но в данном случае развитие технологии было обусловлено идеологией, системой построения экономических систем.
С конца 20-х годов прошлого века экономика в СССР развивалась на основе пятилетних планов – комплексных программ развития, затрагивающих все отрасли экономики, совмещенные с развитием инфраструктуры, градостроения, системы образования. Планы пятилеток были логичным продолжением плана ГОЭЛРО – его методические подходы были масштабированы от проектов развития отдельных регионов до проектов развития всего государства. На долю строительства электростанций и ЛЭП в ГОЭЛРО было предусмотрено только 8% от общего объема финансирования, 92% приходилось на комплексное развитие прилегающих территорий.
«Эта ГЭС будет вырабатывать ХХХ мегаватт-часов электроэнергии, в качестве якорного потребителя мы построим металлургический завод вот с такой номенклатурой выпускаемой продукции и вот с таким парком оборудования. Для работы на заводе потребуется ХХХ профессионально обученного персонала вот по такой номеклатуре специальностей. Для проживания персонала и семей будем строить поселок на ХХХ квартир/домов, для обучения – вот столько фабрично-заводских училищ, потребуется вот столько больниц, школ, домов культуры…»
В таких условиях, с учетом нехватки ресурсов во всех отраслях экономики можно ли вообразить, что руководство СССР могло позволить себе заинтересоваться технологией СПГ?
Технология СПГ не могла развиваться сразу как крупнотоннажная, развитие технологии начиналось с установок небольшой мощности, она была «заточена» под индивидуальных промышленных потребителей. Первый проект газового снабжения в СССР – десятки военных производств Куйбышева в годы Великой отечественной, второй – газовое снабжение Москвы с сотнями заводов и фабрик, с миллионным населением, в обоих случаях проект газового снабжения был комплексным. Одновременно с промышленным освоением газовых месторождений, строительством магистральных газовых трубопроводов шло освоение технологий производства газового оборудования и труб, происходила самая настоящая революция в коммунальных хозяйствах мегаполисов, готовились тысячи специалистов необходимых специальностей. Согласитесь – это действительно тот случай, когда идеология определяла развитие технологии, развитие методов и способов использования энергетических ресурсов.
Первый опыт использования СПГ в СССР был сделан только в 1954 году, но практически в это же время началась эра массового открытия нефтяных месторождений и стартовало развитие технологии подземных хранилищ газа. Оценив все происходившее, центральное руководство Советского Союза волевым решением свернуло работу опытно-промышленных установок на Московском заводе сжижения газа, определив совершенно иное стратегическое направление развития энергетики и экономики.
Совершенно иная идеология и совершенно другие пути развития экономики и энергетики сложились в США – здесь все было отдано частной инициативе. Магистральные газовые трубопроводы длиной тысячи километров – это гигантские вложения с долгим сроком окупаемости, «это не наш метод, мы ж не комсомольцы, а коммерсанты». Это совершенно иной подход – постараться обойтись минимумом расходов, сократить сроки, добиться как можно более быстрой окупаемости всех инвестиций. И в газовой отрасли это неизбежно привело к появлению технологий СПГ – индивидуальных проектов отдельных крупных предпринимателей или их групп. Должны были появиться такие проекты – и они появились.
Аналогичная ситуация и с хранением газа. Первое подземное хранилище газа в СССР – на месте выработанных месторождений газа под Куйбышевом, и это сразу 3 млрд кубометров активного объема с таким же количеством газа буферного, обеспечивающего необходимый уровень давления. Давайте посмотрим, что по этому поводу говорит калькулятор при взятой с потолка цене газа в 100 долларов за 1’000 кубометров – 300 миллионов долларов загнаны под землю, чтобы остаться там навсегда. Это, разумеется, не считая расходов на обеспечение работы газопровода в течение всех тех лет, когда этот буферный объем закачивался под землю. В долгосрочной перспективе это максимально выгодно, при капитализме, когда требуется «быстро и с максимальной скоростью оборота денег» – почти нереально. Значит, с чего должно было начаться развитие технологии хранения газа в условиях капитализма? Логика дает только один ответ – с хранения СПГ.
Отдельная «ирония судьбы» – то, что теперь технологии трубопроводного газа и его подземного хранения стали конкурентами технологий, связанных с СПГ. Кто из них в конечном итоге окажется победителем, может показать только время. Спрос на природный газ в мире растет в среднем (за вычетом лет экономических кризисов) на 2,4% в год, спрос на СПГ почти на 10%, но при этом приходится учитывать еще массу обстоятельств – географию, климат, плотность населения и уровень его платежеспособности, уровень развития промышленности и так далее. В интересное время живем – пару десятков лет тому назад о такой конкуренции, которая неизбежно приводит к ускорению развития технологий, никто и мечтать-то не мог! Но для того, чтобы это состязание было интересным для нас, зрителей – мы, зрители, должны лучше понимать «правила игры», знать историю развития «этих видов спорта». Вот об этом – новая статья Дмитрия Моргунова.
Развитие газовой отрасли в США началось в второй половине 30-х годов – как и в СССР, но пошло оно своим путем.
В 1939 году компания East Ohio Gas Co снабжало газом Кливленд через два трубопровода длиной 250 километров и диаметром 300 мм. Поскольку сечения трубы не хватало для снабжения Кливленда зимой, когда потребление газа увеличивалось, было решено построить завод по сжижению, хранилища для хранения газа в сжиженном виде и установки по регазификации.
Газопровод в Кливленд (США)
Идея была проста – в летнее время излишек поступающего газа сжижался и хранился до зимы, когда его испаряли и использовали, отправляя в тот же газопровод. Надо отметить, что геология понятия не имеет о потребностях людей в хранилищах газа в конкретных местах – она про нас, двуногих разумных, вообще вспоминает не часто. Не было ничего подходящего под землей вокруг Кливленда, вот и пришлось хранить газ на зиму в сжиженном виде, на ходу осваивая все необходимые технологии. Решение построить подобной завод было обусловлено экономическими расчётами – было дешевле построить завод по сжижению газа с танками для их хранения, чем строить ещё одну ветку газопровода для увеличения подачи только в зимние месяцы. Этот завод и был построен в 1941 году.
Сжиженный газ хранился в трёх сферических теплоизолированных танках (2’500 кубометров в каждом), под низким, почти атмосферным давлением. В 1943 году был построен ещё один, дополнительный танк, ёмкостью в 4’250 кубометров тороидальной формы (тор – это бублик, если кто-то забыл, как выглядит эта геометрическая фигура). Установка могла сжижать до 200 кубических метров жидкого натурального газа в день, используя каскадный цикл. В качестве хладагентов использовались аммиак, этилен и метан. Компрессорная станция насчитывала 6 поршневых компрессоров и использовала около 2’400 kW электроэнергии, регазификационная установка могла испарять до 115 кубиков жидкого газа в час. Подобные заводы для сжижения и хранения жидкого газа с целью использовать его в наиболее подходящее время, для сглаживания неравномерности потребления газа используются до сих пор (в основном в США) и называются – Peak Shaving Plant. Сейчас в США около 100 подобных установок.
Хранилище газа в Кливленде (США)
Там же, в США, на том же заводе в Кливленде в 1944 году случилась первая и самая серьёзная по сей день, катастрофа, унёсшая 128 жизней. Количество раненых оценивалось от 200 до 400 человек. Основной причиной катастрофы послужил неправильный выбор металла для танков. Американцы использовали сталь с содержанием никеля около 3,5%. Подобный сплав становится хрупким при криогенных температурах, что и привело к разрушению новопостроенного тороидального танка, с последующим разливом и пожаром, из-за которого взорвались ещё два танка. Неудачно спроектированная система дренажа добавила концентрацию массы испарявшегося газа и, как следствие, добавила тяжёлых последствий. Эта катастрофа надолго затормозила развитие криогенных технологий в США.
Снимок последствий катастрофы на заводе в Кливленде (США)
До сих пор противники СПГ приводят пример этой катастрофы при дискуссиях на тему развития СПГ в Штатах. Стоит заметить, что инженеры изначально знали о недопустимости использования такого сплава в конструкции танков. Однако время было военное, никеля не хватало, понадеялись на великое русское «авось», которое и в России-то срабатывает отнюдь не всегда, а вот в Америке, видимо, не прокатывает вовсе. Только в шестидесятых, с развитием космической индустрии, американцы снова стали развивать свою криогенную промышленность, и в этот раз уже больше прислушиваясь к инженерам.
Первый намёк о перевозке сжиженного натурального газа морем появился в 1914 году, когда Годфри Кабот (Godfrey Cabot) оформил патент на баржу, способную перевозить жидкий газ. Нет никаких доказательств, что такая баржа была когда-либо построена, но сам патент доказывает, что идея уже появилась и была достаточно разработана – хотя бы для оформления. В начале 50-х, Union Stock Yards of Chicago выдвинуло проект, по которому сжиженнный газ из Луизианы, где газа в месторождениях было немало, можно было транспортировать в жидком виде в Чикаго по Миссисипи. Газ предполагалось использовать в мясной промышленности, как топливо.
От одной красной точки внизу карты до другой ведёт река Миссисипи (карта США)
Небольшой завод по сжижению газа был построен в Lake Charles, Louisiana, и дело оставалось за малым – построить судно, способное перевозить этот газ. И оно было построено! Судно, представляло собой баржу с вместимостью груза 6’000 кубиков и громким именем – “Methane”.
Судно “Methane” в разрезе
Однако, на никель решили поскупиться ещё раз – грузовые танки были сделаны из обычной стали с изоляцией из бальсы ВНУТРИ ТАНКОВ!! Не нужно быть пророком, чтобы предсказать результаты подобного эксперимента. Ни один кубик жидкого газа так и не попал в Чикаго, к вящему огорчению местных мясных королей, и мафия тут была не причем. Как только залили груз, он добрался до стенок танка через изоляцию и сталь танков, став хрупкой от криогенных температур, треснула. В этот раз, правда не было людских жертв, и в конечном итоге, кое-какая польза от этого проекта все же была извлечена. Тот завод по сжижению газа, который был уже построен, все-таки начал работать, и через несколько лет здесь смогли отгрузить груз на первое удачное СПГ-судно.
История этих трансатлантических пионерских рейсов началась с поиска путей Британским советом по газу, способов поставить в Англию газ, которого там стало не хватать в связи с уменьшением добычи угля. Никакой трубопроводной сети от месторождений к конечному потребителю газа ещё не было. И сжижение газа показалось им неплохим выбором для доставки газа к удалённому потребителю. В 1957 году Constock Liquid Methane Corporation, совместное предприятие Union Stock Yard и Continental Oil Co, подписало соглашение с Британским газовым советом (British Gas Council) о переделке судна времён Второй Мировой войны типа “Либерти”, m/v “Normati” (по другим сведениям, «Marlin Hitch») в СПГ-танкер вместимостью в 5’000 кубометров.
Судно типа “Либерти”
Первый СПГ-танкер имел 5 грузовых призматических танков, свободно стоящих, сделанных из алюминия, с изоляцией из блоков дерева бальсы и уретана, облицованных фанерой из дуба.
Разрез судна и танков СПГ “Methane Pioneer”
Эти танки являлись предшественниками «самоподдерживающихся призматических танков типа «B». «Самоподдерживающиеся» – это значит, что их не надо ни на что опирать, они просто стоят в трюме на подставке, не опираясь на борта (ну, если совсем просто). В этот раз на никеле решили, наконец, не экономить. Трубопроводы были сделаны из нержавеющей стали с надлежащим содержанием никеля. В январе–феврале 1959 года первый в мире груз сжиженного природного газа был погружен в Lake Charles и благополучно довезён до Canvey Island (Thames estuary) в Англии. Имя этого первого успешного ЛНГ судна звучало символично – “Methane Pioneer”.
“Methane Pioneer” на погрузке у терминала в Lake Charles (Англия)
В течении 14 месяцев это судно перевезло 7 грузов по тому же маршруту без особых проблем, доказав, что перевозка сжиженного природного газа морем возможна и даже может быть выгодной. Не обошлось и без трудностей. В первом же рейсе, трюма, где стояли танки, были затоплены водой, промокла и изоляция. Впрочем, все обошлось, и после устранения недостатков судно продолжило свою трудовую биографию, работало довольно долго и даже при выходе на «заслуженную пенсию» продолжало немалое время использоваться как хранилище газа. После подобного успеха подтянулись и последователи – Shell Petroleum, тоже организовал совместное предприятие с Constock уже в 1960, группа стала называться Conch Methane Company Limited, позже известная как просто Conch.
Похожая компания была создана и во Франции – Methane Transport Company с активной поддержкой Gas de France, которая взялась координировать усилия нескольких французских судоверфей по созданию первого французского СПГ танкера. Французы подошли к делу более серьёзно, что и понятно – покойная ныне Gas de France на 82% была государственной компанией, потому и могла позволить себе финансирование научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, создание экспериментальных и опытно-промышленных образцов оборудования. Сначала французы, взяв тот же тип Либерти – судно ”Beauvais”, установили на него три танка, каждый из них разной конструкции, сделанных из разных материалов (2 из алюминия, один из стали с 9% содержанием никеля), спроектированных и построенных разными верфями.
“Beauvais” – экспериментальный проект французов
Три разных насоса были установлены в каждый танк – два погружных deepwell насоса и один погружной, системы Картер. Кстати, до сих пор, старые LNG-шники называют все погружные насосы Картерами, хотя они уже давно производятся другими производителями. Перестройка была закончена в 1962 году. В течении шести месяцев французы испытывали свой пароход на крепость и выясняли надёжность и преимущества друг перед другом вот этих разных танков, материалов и оборудования. Согласитесь – очень здравый подход показали французы в данном конкретном случае. Только после того как экспериментальный образец был всесторонне изучен, французы приступили к постройке первого нормального СПГ-парохода, вместимостью 25’000 кубиков. Заказ на первый французский ЛНГ был сделан фирмой Gaz Marine – совместным предприятием между Gas de France, Gazocean, Bennet Corporation и несколькими банками. Судно было сдано в 1965 году и названо “Jules Verne” (Жюль Верн). Судно было использовано на перевозке СПГ из Arzew в Алжире в Гавр во Франции в течении 20 лет.
На “Jules Verne” было семь вертикальных цилиндрических танков с коническим дном и эллипсовидным верхом. Танки были изготовлены из стали с содержанием никеля 9%, изоляция танков была сделана с использованием перлита насыпью. На танках в изоляции была использована дополнительная мембрана на случай утечки, что стало позже стандартом для СПГ-танков.
Испарение груза достигало 0.27% от всего груза в день. Испарявшийся газ использовался как топливо для главной силовой установки парохода – паровых котлов. При этом излишний газ зачастую просто выбрасывался в атмосферу, особенно во время простоев. Самым обычным делом было наблюдать СПГ-пароход с горящим факелом газа на первой мачте. “Jules Verne” был списан и разрезан только в 2008, отработав 43 года и сделав тысячи рейсов.
Почти в то же время, в феврале 1962 года, Британская Газовая Корпорация (British Gas Corporation) заказала 2 судна для обеспечения 15-летнего контракта, подписанного с Алжиром по снабжению 100 миллионов кубических футов (2,8 млн кубометров) природного газа в день. Суда назывались “Methane Princess” и “Methane Progress”, каждый вместимостью 27’400 кубиков, они были построенные на судоверфях Vickers Shipbuilding, Barrow-In-Furness и Harland & Wolff, Belfast. Оба судна были оборудованы танками так называемого Conch дизайна. Это были призматические, самоподдерживающиеся танки, сделанные из алюминия с внутренними переборками. Изоляция была сделана из древесины бальсы и стеклополотна в роли дополнительной мембраны. Для следующих судов с танками этой серии изоляцию поменяли с бальсы на полиуретановую пену.
Испарение груза в день достигало до 0.33% от объёма всего груза. Чтобы ограничить бесполезную потерю груза, удерживая при этом низкое давление в танке, было решено и это судно сделать пароходом, излишний газ сжигать в котлах. Оба судна были построены и переданы владельцам в 1964 году. “Methane Progress” был отправлен на слом в 1986 году, “Methane Princess” – в 1997, после 22 и 32 лет службы соответственно. Занимательно, что оба парохода были списаны не из-за технического состояния, а только потому, что размер этих судов не оправдывал себя экономически на сложившимся рынке. Всего же с танками системы Conch было построены 6 судов, а потом прогресс в дизайне танков отправил их в почётную отставку.
Судно “Methane Princess”
Все три парохода были оборудованы погружными электрическими насосами. Это насосы, где насос и мотор встроены в один корпус и находятся прямо на дне танка, погруженные в жидкий газ. Охлаждение мотора и насоса как раз и происходит за счет протока холодного жидкого газа через них. Изначально многие считали подобные насосы ненадёжными для работы в столь низких температурах, однако жизнь доказала, что подобная конструкция является оптимальной для СПГ-судов, случаи отказа погружных насосов на СПГ-судах, чрезвычайно редки.
Несмотря на тщательную подготовку экипажа и чётко написанные инструкции, все три парохода прошли через ряд поломок и несчастных случаев. В основном все эти случаи были связаны с переливом груза во время грузовых операций, а также с утечками груза из трубопроводов грузовых систем. Подобные разливы груза на палубу, не предназначенную для криогенных температур, приводили к тому, что сталь становилась хрупкой (brittle fracture) с развитием трещин по бортам и палубе. Также все три судна столкнулись и с частичным затоплением грузовых трюмов, вследствие течей в корпусе. Впрочем, ни в одном из этих случаев изоляция танков не была повреждена.
Но все описанное было только началом развития технологии СПГ-судов, «зарей эпохи», которую мы наблюдаем сейчас. Рассказ о том, как отрасль дошла до сегодняшнего уровня, обязательно будет.
Дмитрий Моргунов
© 2009 Технополис завтра
Перепечатка материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши правила строже этих, пожалуйста, пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.
