Универсальный энергоноситель

Энергетическое обеспечение разработки полезных ископаемых в отдаленных регионах на основе использования сжиженного природного газа (СПГ)

Одной из важных проблем освоения месторождений является энергетическое обеспечение. Известно, что подвод линий электропередач Единой энергосистемы России в отдаленные регионы экономически нецелесообразно. Вместе с тем, по территории целого ряда регионов проходит мощная газотранспортная магистраль. Современные технологии производства и использования сжиженного природного газа (СПГ), которые в достаточной мере изучены и апробированы на опытных и промышленных производствах, как в России, так и за рубежом, в отличие от традиционных подходов позволяют решать проблему обеспечения энергоресурсами отдаленных от промышленных центров регионов на более качественном в экономическом и экологическом отношении уровне. В частности, это относится и к Полярному и Приполярному Уралу, в недрах которого залегает 2 млрд. т железной руды, 10 млрд.т каменного угля, 300 млн. т хромовых руд, 300 млн. т марганцевых руд, 200 млн. т фосфоритов.

Фото 1    Общий вид установки сжижения комплекса по производству СПГ на автомобильной газонаполнительной компрессорной станции г. Первоуральска производительностью 500 кг/ч

При разработке полезных ископаемых СПГ может использоваться как универсальный энергоноситель, обеспечивая производства и жилищно-бытовой сектор электроэнергией и теплом, а также как моторное топливо для парка машин специализированной карьерной техники, автомобильного и тракторного оборудования общего пользования (см. схему).

При этом себестоимость производства СПГ намного дешевле, чем доставка дизельного топлива и бензинов из промышленно-развитых районов. Важным условием является то обстоятельство, что СПГ не подвержен воздействию низких температур и, следовательно, имеет благоприятные возможности его транспортирования всеми видами транспорта, а технология перевозки СПГ не требует создания более сложной транспортной структуры, чем, например, для нефтяных топлив.

Производство СПГ может быть также организовано на малодебитных скважинах или на новых месторождениях газа. Установки по производству СПГ компактны, хорошо адаптированы к эксплуатации в полевых условиях, высоконадежны. На фото 1 приведен общий вид установки ООО «Уралтрансгаз», введенной в эксплуатацию в 2001 г.

Схема использования СПГ в качестве единого энергоресурса
при освоении месторождений полезных ископаемых в отдаленных регионах

Подобные производства созданы и совершенствуются в Санкт-Петербурге и Москве. Компания Kryopak, Inc. (CША) выпускает типоразмерный ряд установок сжижения природного газа для использования на малодебитных скважинах или на новых месторождениях газа. Все оборудование, входящее в состав таких установок размещается на платформах длиной 9–16 м и шириной 3.2–4.5 м, массой 12–35 т, которые могут транспортироваться автомобильным, железнодорожным и речным транспортом. Несмотря на высокую стоимость оборудования (табл. 1), окупаемость инвестиций, за счет снижения затрат на доставку традиционных видов энергоресурсов, высокая.

Табл. 1 Цены на оборудование компании Kryopak, Inc (CША)

Привлекательность проектов освоения месторождений полезных ископаемых в отдаленных регионах значительно повышается при опережающем вводе энергетических мощностей. При использовании СПГ такими генерирующими источниками являются газотурбинные (ГТУ) или газомоторные (ГМУ) установки.

В настоящее время в Республике Саха (Якутия), Магаданской, Камчатской обл. и других северных отдаленных регионах накоплен большой опыт эксплуатации таких автономных энергетических систем. Блочно-модульный принцип создания установок обеспечивает высокие темпы монтажа оборудования и сжатые сроки сдачи в эксплуатацию (фото 2).

Фото 2 Общий вид Эльдиканской дизель-электрической станции
мощностью 12800 кВт (Республика Саха)

Российской промышленностью и зарубежными фирмами освоена широкая номенклатура подобных энергетических установок. Восемь Российских производителей и более двух десятков зарубежных фирм представляют широкую номенклатуру ГТУ (табл. 2).

Табл. 2 Показатели некоторых отечественных и зарубежных газотурбинных энергетических установок

Среди производителей ГТУ в странах СНГ лидером является ГП НПКТ «Заря Машпроект» (г. Николаев, Украина), большой опыт имеют также компании «Двигатели НК» (г. Самара), ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь), ЗАО «Энергоавио» (г. Уфа), МКБ «Гранит» (г. Москва) и др. Среди зарубежных фирм наиболее весомо представлены на рынке General Electric (США), Siemens (Германия), Rolls-Royce (Англия), Hitachi и Mitsubishi (Япония). В диапазоне мощностей 2.5–16 МВт удельная стоимость оборудования для основного энергоблока с газовой турбиной составляет 400–450 долл. США/кВт. Стоимость установок российских производителей в 1.5–2 раза ниже.

Новым поколением энергетических установок являются газопоршневые. Несмотря на то, что удельные капитальные вложения (на 1 кВт мощности) у ГПУ на 20–30% выше ГМУ, энергетические станции с газовыми поршневыми двигателями, работающие по газодизельному циклу или по циклу Отто находят все более широкое распространение. Поставщиками такого оборудования являются фирмы Vartsila (Финляндия), Caterpillar (США), Man (Германия), РУМО (Россия) и др. (табл. 3).

Табл. 3 Показатели некоторых газомоторных энергетических установок

Применение ГТУ и ГМУ позволяет в 1.5–2 раза, а при глубокой утилизации тепла в 2.5 раза, снизить стоимость электроэнергии по сравнению с использованием электросетей единой энергетической системы.

Высокие показатели экономической и экологической эффективности будут обеспечены при использовании СПГ в качестве моторного топлива на карьерном горно-транспортном оборудовании. Известно, что на ряде горнорудных предприятиях, например, карьер «Кумтор» (Кыргызстан), осуществлен перевод экскаваторов и буровых станков с электропривода на дизельный. Среди мотивов перевода – высокая стоимость электроэнергии. При конвертации дизельных двигателей на газовый или газодизельный циклы работы затраты на топливо могут быть снижены более чем в два раза. Например, экономия от перевода автосамосвалов грузоподъемностью 120–130 т на газодизельный режим составит 60% и достигает более 1 млн. руб./год (табл. 4).

Табл. 4    Расчетные показатели снижения расходов на топливо в зависимости от соотношения цен СПГ к дизельному топливу

Технологии использования СПГ в качестве моторного топлива в настоящее время интенсивно развиваются на автотранспорте общего пользования. Отечественные и зарубежные фирмы осваивают производство специального бортового и наземного криогенного оборудования, большая часть которого может использоваться при эксплуатации карьерной техники.

Проблема использования СПГ в качестве моторного топлива на железнодорожном транспорте решается в настоящее время при реализации «Программы организации на полигоне Свердловской железной дороги опытной эксплуатации тепловозов на сжиженном и сжатом природном газе», утвержденной Президентом ОАО «РЖД», председателем правления ОАО «Газпром», Губернатором Свердловской области.

В соответствии с «Программой…» к началу 2006 г. запланировано испытание газотурбовоза с криогенной секцией емкостью 20т. Ведутся также работы над созданием магистрального газотепловоза на базе прототипа 2ТЭ116 с криогенным тендером Запас СПГ на магистральных газотепловозах должен обеспечивать пробег их с составом массой 6000 т без дозапраки топливом не менее 1000 км.

На станции Свердловск-Сортировочная проводится в настоящее время опытная эксплуатация маневрового газотепловоза ТЭМ18Г, работающего на компримированном природном газе (КПГ) по газодизельному циклу (фото 3).

Фото 3    Маневровый газотепловоз ТЭМ18Г, работающий на компримированном
природном газе (КПГ) по газодизельному циклу (станция Свердловск-Сортировочная)

Заправка газотепловоза КПГ осуществляется на специально отведенной площадке локомотивного депо от передвижного автомобильного заправщика управления «Энергогазремонт». Расстояние доставки КПГ от АГНКС составляет 10 км.

Одновременно на станции Свердловск-Сортировочная выполняются работы по созданию специализированного пункта заправки маневровых газотепловозов. В соответствии с намеченной в программных мероприятиях структурой парка опытной эксплуатации газотепловозов пункт должен обеспечивать 18 заправок в сутки, в том числе локомотивов, работающих на сжиженном природном газе (СПГ) шесть, соответственно, на КПГ – девять. Ежесуточное потребление газомоторных топлив (ГМТ) должно составлять 34.43 т, в т. ч. 25 т СПГ. В условиях отсутствия достаточно развитой инфраструктуры газопроводов в районе полигона по экономическим, технологическим и техническим показателям целесообразным оказалось создание на пункте заправки двух линий заправки ГМТ.

На первой предусматривается производство КПГ, за счет сжатия СПГ насосом высокого давления от 5 до 20 МПа с последующим испарением в атмосферных испарителях и заполнение газобаллонного оборудования газотепловоза. На второй – насосная заправка СПГ бортовых криогенных систем газотепловозов. На каждой линии заправки оборудуется один пост для установки локомотива. Постоянно на территории пункта заправки должна находиться одна цистерна, которая будет использоваться как расходная емкость.

Фото 4    Трейлер для СПГ объемом 56 тыс. л,
поставленный для газовой компании Naturgass Vest AS, Норвегия

На пункт заправки СПГ предусматривается поставлять автомобильными транспортными цистернами емкостью 30 м3.

В настоящее время ведутся работы по созданию бортовой криогенной системы для опытного образца маневрового газотепловоза, использующего в качестве топлива СПГ (газодизельный цикл). Учитывая, что по условиям прочности криогенные топливные баки должны иметь цилиндрическую форму, а плотность СПГ практически в два раза ниже дизельного топлива объем монтажного пространства для размещения системы питания двигателя существенно возрастает. При отработанной компоновке машины имеются определенные трудности с размещением необходимого запаса топлива.

Концептуальное решение проблемы размещения необходимого запаса СПГ в сложившуюся компоновочную структуру маневрового тепловоза, а также автосамосвалов, бульдозеров, экскаваторов, буровых станков сводится к следующему:

-    раздельное хранения СПГ в нескольких криогенных сосудах, размещаемых в двух уровнях газотепловоза;

-    унификация криогенных сосудов по конструкции и объему;

-    объединение криогенных сосудов по уровням в криогенные модули;

-    модульный принцип формирования топливной системы на основе оперативного микропроцессорного контроля и управления.

Таким образом, при освоении минерально-сырьевых ресурсов отдаленных регионов и, в частности Полярного и Приполярного Урала, есть все необходимые условия и технический задел для реализации модели обеспечения производственных и градообразующих структур энергоресурсами на основе криогенных технологий с использованием сжиженного природного газа.

Журнал "Горная Промышленность" №6 2005