- Откуда берется метан и почему он опасен?
- Глобальная проблема метана. в чем сложность его учета?
- Как происходит транспортировка природного газа?
- Как снизить выбросы метана?
- Какие есть разработки для борьбы с метаном?
- Каким образом это вещество влияет на природу
- Месторождения газа: где находится, откуда берется
- Природный газ не так прост, как порою кажется
- Утечки и разливы сжиженного природного газа –
Откуда берется метан и почему он опасен?
В 2022 году на метан (CH4) около 9,5% всех выбросов парниковых газов в США приходилось на результаты деятельности человека. Деятельность человека в вопросе выбросов метана включает в себя утечки из систем добычи природного газа и разведение домашнего скота.
Метан также выделяется из природных источников, таких как естественные водно-болотные угодья. Кроме того, естественные процессы в почве и химические реакции в атмосфере помогают удалить CH4 из атмосферы.
Время жизни метана в атмосфере намного короче, чем у диоксида углерода (CO2 ), но CH4 более эффективно улавливает излучение. Сравнительное воздействие CH4 в 25 раз больше, чем CO2 за 100-летний период.
Во всем мире от 50 до 65% общих выбросов CH4 приходится на деятельность человека.
- Сельское хозяйство. Домашний скот — крупный рогатый скот, свиньи, овцы и козы — вырабатывает метан как часть нормального процесса пищеварения. Кроме того, это газ образуется при хранении или обработке навоза. Поскольку люди выращивают этих животных для еды и других продуктов, выбросы считаются связанными с деятельностью человека. При объединении выбросов домашнего скота и навоза сельскохозяйственный сектор является крупнейшим источником выбросов метана.
- Энергетика и промышленность. Системы природного газа и нефти являются вторым по величине источником выбросов метана. Этот газ — основной компонент природного газа В США. Метан выбрасывается в атмосферу при производстве, переработке, хранении, транспортировке и распределении природного газа, а также при производстве, переработке, транспортировке и хранении сырой нефти. Добыча угля также является источником выбросов CH4.
- Отходы домов и предприятий. Метан образуется на свалках при разложении отходов и при очистке сточных вод. Свалки являются третьим по величине источником выбросов CH4 в США. Метан также образуется при очистке бытовых и промышленных сточных вод и при компостировании.
Метан, кроме того, выделяется из ряда природных источников. Природные водно-болотные угодья являются крупнейшим источником выбросов CH4 от бактерий, разлагающих органические материалы в отсутствие кислорода. Меньшие источники включают термиты, океаны, отложения, вулканы и лесные пожары.
Глобальная проблема метана. в чем сложность его учета?
Бюджет метана
Метан является мощным парниковым газом и является вторым по величине фактором глобального потепления, вызванным деятельностью человека, после CO2. На единицу массы метан в 84–86 раз сильнее, чем CO2 за 20 лет и в 28–34 раза сильнее за 100 лет.
Глобальный бюджет метана позволяет отслеживать, откуда происходят выбросы, сколько поглощается «стоками» и, следовательно, сколько остается в атмосфере.
Бюджет метана — это инициатива Глобального углеродного проекта (GCP), международной исследовательской программы, которая направлена на «создание полной картины глобального углеродного цикла». Основанный в 2001 году, GCP предоставляет ежегодную обновленную информацию о глобальных выбросах углерода.
С метаном «все немного сложнее», — объясняет доктор Мариэль Саунуа, доцент Версальского университета Сен-Кантен во Франции, которая возглавляет глобальный бюджет метана. Сложность отчасти объясняется тем, что для создания бюджета метана нужны длительные прогоны модели, которые требуют времени.
Третья публикация появилась в техническом документе в журнале Earth System Science Data и в сопроводительном «перспективном» документе в журнале Environmental Research Letters.
Двойные подходы к бюджету метана
Глобальный баланс метана использует два разных подхода к оценке источников и стоков.
- Первый подход — «восходящий», который фокусируется на выбросах метана у источника. При этом используются данные о выбросах, которые представляются отдельными странами в национальных кадастрах парниковых газов в ООН. Эти кадастры охватывают антропогенные источники, такие как использование ископаемого топлива, животноводство, выращивание риса и свалки.
Эти оценки суммируются с моделированием других источников метана, таких как водно-болотные угодья, лесные пожары и термиты. Например, спутниковые данные о глобальной площади, сожженной пожарами, сочетаются с моделями, которые «учитывают тип сожженной растительности, выжженную поверхность и продолжительность пожара, а также тип пожара», — объясняет Сонуа.
- Второй подход называется «сверху вниз». Это начинается с наблюдений за концентрациями метана в глобальном масштабе и работает в обратном направлении, используя моделирование, чтобы оценить, где они возникли.
Ни один из подходов не является безупречным, и эти два метода, по словам ученых, «несовместимы». Но у двойного подхода есть свои преимущества. Нисходящий метод, уверяет доктор Сануа, «является более надежной оценкой глобального общего объема» выбросов метана, однако восходящие оценки используются для определения выбросов в конкретных регионах и секторах.
Например, выбросы водно-болотных угодий и пресной воды особенно сложно оценить, что означает «существенное расхождение» между нисходящими и восходящими числами, говорит Сануа. В частности это связано с тем, что источники пересекаются, добавляет она, и, следовательно, их можно отнести к более чем одной категории.
Как происходит транспортировка природного газа?
Добытый природный газ необходимо доставить до заказчика — государственной газовой сети, ТЭЦ, котельной или химического предприятия. Однако перед этим сырье обязательно подготавливают, чтобы устранить вредные и нежелательные примеси:
- пары воды — могут образовывать гидраты или конденсат, мешающий прохождению газовой смеси;
- сероводород — способен вызвать сильную коррозию.
Чаще всего для подготовительных мероприятий задействуют азотные установки.
На сегодня основной способ транспортировки сырья — газопровод:
- Нагнетая давление до 75 атм, газовую смесь перекачивают по трубам, чья окружность может достигать 1,4 м.
- Так как газ, проходя по трубопроводу, теряет свою потенциальную энергию в процессах преодоления силы трения о стенки трубы, она рассеивается теплом.
- Чтобы дело не дошло до катастрофической степени нагревания и падения скорости прокачки, на протяжении газопровода сооружают компрессорные станции, где газовую массу дожимают до 55-120 атм, после чего охлаждают.
Газопроводы — дорогое удовольствие в отношении и сооружения, и транспортировки сырья, и обслуживания. Но с экономической точки зрения — самый оправданный способ для отправки топлива на средние и малые расстояния.
Трубопровод — основной, но не единственный способ. Сжиженный природный газ доставляют и иными способами:
- Танкеры-газовозы — специальные морские суда, где газовую смесь перевозят в изотермических баллонах, охладив до температуры от -160 до -150 °С.
- Специальные железнодорожные цистерны.
Транспортировка танкерами считается экономически выгодной в случае, если путь до заказчика составляет не менее 2000-3000 км. Основные расходы тут ложатся не на саму транспортировку, а на строительство инфраструктуры, погрузку-разгрузку. В пользу перевозки сжиженного газа нередко называют и тот факт, что это более безопасно, чем перекачка сжатой смеси.
Как снизить выбросы метана?
Есть несколько способов уменьшить выбросы метана. EPA — Агентство по охране окружающей среды США — располагает рядом добровольных программ по сокращению выбросов CH4 в дополнение к нормативным инициативам. Кроме того, компания поддерживает Глобальную инициативу по метану. Это международное партнерство, поощряющее глобальные стратегии сокращения выбросов метана.
Источник выбросов | Как сократить выбросы? |
---|---|
Промышленность | Модернизация оборудования, используемого для добычи, хранения и транспортировки нефти и природного газа, может уменьшить многие утечки, которые способствуют выбросам метана. Метан угольных шахт также можно улавливать и использовать для получения энергии с помощью программ Natural Gas STAR и Coalbed Methane Outreach Program (CMOP). |
Сельское хозяйство | Метан от методов обращения с навозом можно уменьшить и улавливать путем изменения стратегии обращения с навозом. Кроме того, изменение практики кормления животных может снизить выбросы от кишечной ферментации. Больше об улучшенных методах животноводства можно узнать, изучив программу EPA AgSTAR. |
Отходы домов и предприятий | Поскольку выделение метана на свалках является основным источником выбросов газа в США, меры контроля выбросов, которые улавливают газ из свалок, могут помочь в стратегии сокращения выбросов. |
Какие есть разработки для борьбы с метаном?
Новейший спутник Iris для мониторинга метана
Космический аппарат, известный как Iris, может отображать шлейфы метана в атмосфере с разрешением всего 25 метров. Это позволяет идентифицировать отдельные источники метана, например, конкретные нефтегазовые объекты.
Iris был запущен канадской компанией GHGSat (Global Emissions Monitoring) в Монреале 2 сентября. Это первопроходец в созвездии из 10 космических аппаратов, которое появится к концу 2022 года.
Наблюдения проводились над Туркменистаном, в регионе, где ранее были отмечены большие шлейфы от нефтегазовой инфраструктуры. Обнаружение, наложенное на стандартное изображение с воздуха, показывает концентрацию метана в воздухе, превышающую нормальные фоновые уровни.
«Нам все еще нужно работать над калибровкой, которая затем позволит нам проверить порог обнаружения и окончательные характеристики спутника. Но в качестве изображения — это феноменально по любым стандартам», — заявил генеральный директор GHGSat Стефан Жермен в интервью для BBC News.
GHGSat уже работает с операторами, регулирующими органами и другими заинтересованными сторонами, чтобы охарактеризовать эти выбросы с помощью прототипа спутника под названием Claire, который он запустил в 2022 году. Присутствие на орбите Ирис предоставляет компании дополнительный поток данных, которые он теперь намеревается интерпретировать. в новом британском аналитическом центре, который будет открыт в Эдинбурге и Лондоне в ближайшие недели.
«В том, что мы делаем в Великобритании, есть возможности мирового уровня, — объясняет доктор Жермен. — Не только в области аналитики, но и в системах космических кораблей, которые нас интересуют».
Спутник Sentinel-5P от ЕКА
GHGSat в последнее время укрепляет свои связи с Европейским космическим агентством, которое эксплуатирует спутник ЕС Sentinel-5P.
Он также контролирует метан, делая ежедневные глобальные снимки газа. Но при разрешении 7 км его данные гораздо менее показательны, чем данные Iris и Claire.
Однако если использовать оба спутника вместе, они образуют что-то вроде команды мечты для исследования метана, уверяют ученые.
«Они (Sentinel-5P) могут видеть весь мир каждый день. Мы не можем этого сделать. Но мы можем видеть отдельные объекты. Они не могут этого сделать. Так что, действительно, это фантастическая комбинация, и она создает очень хорошие отношения с Европейским космическим агентством, и я думаю, что мы только начинаем превращаться в нечто гораздо большее».
Следующий спутник GHG, Hugo, проходит испытания и, как ожидается, будет запущен в конце этого года.
Компания недавно получила 30 млн долларов в виде дополнительного финансирования, которое позволяет ей построить три космических корабля, которые будут следовать за Hugo на орбиту.
Каким образом это вещество влияет на природу
Газ оказывает влияние на экологию на всех этапах его добычи и потребления.
В сферу газовой промышленности включаются:
- Поиск месторождений с целью последующей разработки.
- Процесс добычи этого полезного ископаемого.
- Перемещение природного ископаемого из мест добычи к потребителям.
- Использование в промышленности и в быту.
На каждом из этих этапов может оказываться негативное экологическое воздействие.
При сгорании природного газа образуется меньше вредных веществ по сравнению с остальными видами топлива. Использование увеличивает количество углекислого газа в атмосфере. Это создает проблемы, поддерживая происходящее сейчас глобальное потепление климата. Метан также парниковый газ.
Если происходит утечка природного газа в атмосферу, то 1 килограмм приносит столько же вреда, сколько 35 килограммов углекислого газа. Наиболее вредное экологическое влияние на окружающую среду проявляется во время добычи природного газа и там, и при работе газопроводов.
Если при добыче нефти обнаружено это вещество, то иногда его сжигают. Таким путем ежегодно в России уничтожается сотни тысяч тонн газового топлива, создавая проблемы. Происходят вредные выбросы в атмосферу продуктов горения. Подсчитано, что таким способом в воздух попадает 500000 тонн вредных веществ, нанося экологический вред.
При передаче через трубопровод на расстоянии 2500 километров происходит потеря 1%.
Газовые трубопроводы создают повышенный экологический риск возгорания или взрыва. При пересечении рек могут разрушаться берега. При проведении строительных и ремонтных работ происходит захламление окружающей местности.
При отказах могут происходить аварийные выбросы природного газа в атмосферу.
В составе добываемого сырья на некоторых месторождениях в состав входят токсичные вещества, которые при утечке создают экологические проблемы.
Проблемы природного газа проявляются в глубинных подземных пластах. Во время добычи происходит откачка газа, нефти и водяных пластов в результате образуются пустоты, которые постепенно оседают. Сдвиги происходят неравномерно и объекты, находящиеся на поверхности, постепенно разрушаются.
Тяжелая гусеничная техника повреждает плодородный слой почвы, который иногда невозможно восстановить.
При разработке месторождений экологическая обстановка может ухудшаться не только непосредственно в месте добычи и на окружающей территории, но и создавать проблемы в близлежащих населенных пунктах.
Месторождения газа: где находится, откуда берется
Залежи природного газа на Земле к моменту написания статьи настолько огромны, что их считают практически неисчерпаемыми. Они сосредоточены в осадочных оболочках планеты, образуются при больших показателях давления и температуры, чем «черное золото» — нефть. Поэтому газовые месторождения располагаются несколько глубже нефтяных.
Сегодня крупнейшие месторождения природного газа находятся в:
- России (17 % от глобальных запасов);
- Иране;
- США;
- Канаде;
- подавляющей части государств Персидского залива.
Среди стран ЕС — в Нидерландах и Норвегии, а среди государств СНГ (помимо РФ) — в Азербайджане, Казахстане, Туркменистане и Узбекистане.
Что касается конкретных локаций:
- Северное/Южный Парс (Катар и Иран).
- Галкыныш (Туркменистан).
- Уренгойское (Россия).
В РФ еще расположены такие знаковые месторождения, как Бованенковское, Заполярное, Медвежье, Штокмановское, Ямбургское.
Ранее считалось, что смеси углеводородов способны существовать в земной коре лишь в двух состояниях — газовом (молекулярный вес до 60) и жидком (молекулярный вес более 60). Позже было установлено, что при совместном воздействии ряда термодинамических условий природный газ может обратиться в твердое состояние — газогидрат.
Следующим удивительным открытием стал факт, что доля природного газа в таковых газогидратных залежах очень велика. Концентрация ПГ выше, чем в обычных месторождениях, благодаря простой физической закономерности: 1 объем воды (при обращении в гидратное состояние) способен связать до 220 объемов газовой смеси. Добычу таковых газогидратов можно проводить как на океанском дне, так и в многолетнемерзлых регионах.
Но Земля — не единственное во Вселенной месторождение полезных углеводородов. Метан — третье (после водорода и гелия) по распространенности газообразное вещество в космосе. Однако за пределами планеты он представлен в состоянии метанового льда — материала для «строительства» астероидов и целых планет.
Природный газ не так прост, как порою кажется
Борис Марцинкевич,
18 августа 2022, 23:38 — REGNUM СМИ и интернет пестрят статьями «Газ — наше все!» и «Да что мы можем, кроме самого простого, — газ качать?». Одновременно ругают и хвалят Газпром и НОВАТЭК, одновременно газ и двигатель бюджета, и тормоз модернизации экономики. Криков и рассуждений пруд пруди, а вот ответов на наши любимые «детские» вопросы найти — постараться надо.
Что такое вообще природный газ, одинаков ли он во всех трубах и во всех скважинах или нет? Почему специалисты по газу говорят, что он не пахнет, а на кухнях у себя мы любую утечку именно носом и чуем? Заглянешь в профессиональные статьи — там сам черт ногу сломит от кубометров, тонн, британских термальных единиц и прочих тонн условного топлива. Так что же происходит на всевозможных буровых установках, компрессорных станциях, каковы отличия газоперерабатывающих заводов от газоперерабатывающих комбинатов, почему так много денег требуется для сжижения газа, а на регазификацию сжиженного — в разы меньше. И почему, в конце концов, сжиженный газ на кораблях-газовозах требует температуры в — 162 градуса, а в зажигалках с ним все в порядке и при положительных температурах? Несмотря на задуманную краткость, слов придется нам написать, а вам прочитать достаточно много, так что это только начало, но «порции» большими не будут. Как всегда — минимум формул и объем, необходимый не столько для глубокого погружения в органическую химию и физические свойства газа, сколько для понимания того, насколько непрост такой «простой и привычный» нам природный газ, из чего складывается цена на него, почему газ трубопроводный всегда будет дешевле газа сжиженного, зачем строят в Амурской области газоперерабатывающий завод и чем он будет отличаться от планируемого там же газоперерабатывающего комбината.
Затаенное дыхание планеты
Итак, что такое, собственно говоря, природный газ? Пожалуй, одно из самых неудачных названий, придуманных человеком, поскольку оно не отражает и толику удивительных свойств этого творения матушки-природы. Газ… То, что мы вдыхаем — это тоже газ, и то, что мы выдыхаем — тоже газ. А «природный газ» — это затаенное дыхание планеты, дарящее нам возможность извлечь из него миллиарды джоулей энергии, получить удивительные, невиданные в природе вещества — полиэтилены и полипропилены, пластмассы, краски, растворители, удобрения, топливо для моторов наших машин. Природный газ — это небольшое чудо, щедрый подарок природы, без освоения тайн которого наша цивилизация была бы совсем иной, менее комфортной, менее уютной и, в то же время — менее опасной.
Природный газ — чудо, но чудо опасное. Концентрируясь в воздухе, он способен стать причиной отравлений и страшных пожаров. Это он, природный газ, как грозный языческий бог, забирает жизни людей, утративших бдительность и осторожность. И это он же, но покоренный нашим умом, нашими трудами — дарит свет и тепло, вращает турбины генераторов и помогает нести покупки из супермаркетов. Природный газ… Нет, что-то правильное в этом название все же есть — это дыхание природы, дающее нам возможность ее же, природу, покорить. Покорить мрак ночи и холода зимы, перенести без вреда зной лета в прохладных помещениях, без труда приготовить самые изысканные блюда. Подарок щедрый и опасный, привычный и необычный, об удивительных свойствах которого знать должен каждый.
Когда говорят о культуре, почему-то чаще всего вспоминают литературу и изобразительное искусство, скульптуру, балет, музыку и поэзию. Неумение разбираться во всем этом служит основанием обзывать человека «дикарем». Но наша с вами цивилизация — это не только изящные искусства, не только песни и пляски. Наша цивилизация — цивилизация моторов и электричества, цивилизация нефти, газа, атома. Наша цивилизация — это одухотворенный, неистовый и осмысленный протест против Второго закона термодинамики: мы не хотим и не позволяем расти энтропии на нашей Земле. И делаем мы это потому, что каждый из нас — сгусток энергии, воли и разума, отрицающего тепловую смерть. Наша цивилизация — это неуклонное, год за годом и век за веком покорение энергии, подчинение ее нашему уму и желаниям. Нашу цивилизацию создали удивительные люди — ученые, конструкторы, инженеры, простые рабочие, исповедовавшие религию техносферы, читающие евангелия энергомашин, служившие молебны энергопусков, вместо свечей ставившие громадины опор электропередач, читавшие молитвы законов электромагнетизма, физики и химии. Их схимна — глубочайшие скважины в недоступных местах, покоренные реки, перегороженные плотинами, гудящие провода и тихая, беззвучная мощь атомных реакторов, компрессорные станции, которые гонят сконцентрированную энергию на тысячи и тысячи километров. Совершаемые ими таинства их религии дают нам свет и тепло, заставляют работать двигатели насосов и тепловозов, самолетов и кораблей, автомобилей и ракет. Не зная основ религии и культуры техносферы, имеем ли мы право причислять себя к знатокам культуры?..
Газовое ассорти
То, что мы называем привычной идиомой «природный газ» — всегда смесь разных газов, которые образовались в незапамятные времена в недрах нашей планеты при анаэробном разложении органических веществ. Органические вещества — это понятно, «анаэробный» — значит, при отсутствии воздуха. Сжало-сдавило в тех недрах органику так, что места для воздуха просто не осталось, и осталась органика вот в таких ловушках на миллионы лет. Залегает природный газ в пластах земных пород отнюдь не одинаково, лежит он в разных частях планеты разное количество лет, образуется он при чуточку разных давлениях и температурах, да и органика, из которой он образовался, вовсе не была неким «единым стандартом». Потому в разных месторождениях природный газ — разный. Разное количество химических веществ в его составе, разные пропорции в этом «ассорти», потому и обработка, которой его надо подвергать, прежде, чем «затолкать» в трубу, в топку электростанции и в маленькие конфорки на кухне, на разных месторождениях всякий раз индивидуальна, всякий раз требует творческого подхода к разработке технологий переработки.
Какие-то месторождения природного газа «в полном порядке» — в газовых залежах, добывать его из них легко и приятно. Впрочем, о «легкости» мы еще не раз поговорим, легко это делать только в сравнении с трудами, которые приходится тратить, чтобы забрать его из газовых шапок нефтегазовых месторождений или из раствора в нефти и воде — бывают и такие случаи. При нормальных условиях, то есть при нуле градусов Цельсия и атмосферном давлении в 762 мм ртутного столба (они же — 101,325 кПа) природный газ всегда в газообразном состоянии, уж простите за это «масло масляное». Встречается газ и в кристаллообразном состоянии, в виде естественных газогидратов, но про подобную газовую экзотику вспомним попозже.
Основная часть природного газа — это метан, его в химической подземной смеси обычно от 70 до 98%. Разброс достаточно большой, но чему тут удивляться — и состав органики, из которой он образовался, мог быть совершенно разным, и температуры с давлением, при которых матушка-природа нам его припасала — тоже разные. СН4 — вот несложная химическая формула метана, к 1 атому углерода «приклеены» 4 атома водорода. Для нас с вами важнее всего, что этот газ, не имеющий ни цвета, ни запаха, чрезвычайно горюч и даже взрывоопасен при концентрации в воздухе выше 4,5%. За время существования нашей цивилизации «на счету» метана жизни сотен тысяч, если не миллионов горняков — именно метан при малейшем нарушении правил безопасности взрывается и горит в шахтах всего мира. Но есть и обратная сторона медали — его теплотворность обеспечивает газовые электростанции тем количеством электроэнергии, которое обеспечивает технологические промышленные производства и нашу с вами комфортную жизнь. Да и в конфорках газовых плит горит все тот же метан, к которому прибавляют остро пахнущие вещества, помогающие нам уловить малейшую его утечку. 1 кубометр метана при сгорании дает столько же тепла, сколько 1,5 кубометра неочищенного природного газа (в среднем, конечно) или 1,2 литра дизельного топлива.
В природном газе практически всегда содержатся более тяжелые углеводороды — этан, пропан и бутан. Этан, С2Н6 точно так же бесцветен и не имеет запаха, но еще более горюч, чем метан, однако как топливо его не используют — намного больше пользы и прибыли можно получить, используя его для производства этилена. Но о химической переработке составляющих природного газа — попозже, пока просто зафиксируем: этан полезнее для химиков, чем для энергетиков.
Пропан, С3Н8 бесцветен, без запаха. От природного газа его отделяют, поскольку для него есть масса других способов применения. Это им мы режем металл, греем битум и асфальт, это он служит топливом для переносных электрогенераторов, это он находится в баллонах красного цвета на наших дачах и в багажниках автомобилей. Удобен, чертяка, — для его хранения в баллонах достаточно давления в 10−15 атмосфер, при горении дает температуру в 466 градусов. Бутан, С4Н10 — бесцветен, но уже имеет специфический запах. Используют в смеси с пропаном как топливо для автомобилей, чтобы повысить октановое число, смесь пропана и бутана горит в наших зажигалках, ценен для химической промышленности как сырье для производства бутилена.
Газовая терминология
И еще пару слов — про запас, на тот случай, если кому-то из вас доведется читать статьи на узкоспециализированных сайтах, статьи профессионалов, которые не просто «глубоко погружены в материал», а которые внутри этого материала просто-таки живут. Очень часто в таких источниках мелькают термины, которые с первого взгляда кажутся совершенно непонятными и порой сбивают с толку.
Метан, этан, пропан и бутан частенько «обзывают» загадочным словом «гомологи». Тут ничего хитрого нет, смотрите. Вот метан: 1 атом углерода и 4 атома водорода, СН4. Вот этан: 2 атома углерода и 6 атомов водорода, С2Н6. Добавляем еще 1 атом углерода и еще 2 атома водорода, и вот перед нами формула пропана — С3Н8. Еще 1 атом углерода и еще 2 атома водорода, и вот уже бутан — С4Н10. Гомологи — соединения одного класса, отличающиеся по составу на целое число групп СН2, не более того. Встречается и деление природных газов разных месторождений на сухие (бедные) и жирные (богатые). Тоже ничего хитрого, сухие газы — те, в которых метана порядка 95−96%, а содержание других гомологов незначительно. Сухие газы обычно содержатся в чисто газовых месторождениях, а жирные газы — это обычно попутные нефтяные, в них гомологов метана порой бывает десятки процентов.
Поскольку нефть и газ имеют очень схожий углеводородный состав, газ является естественным спутником нефти, содержится практически во всех известных нефтяных месторождениях. По сути, нефть с растворенным в ней газом подобна газированным напиткам. При больших пластовых давлениях газа в нефти много, но после вскрытия нефтяной ловушки давление падает, газ начинает бурно выделяться. Откройте крышку бутылки с лимонадом — вот вам и самая примитивная модель нефтяного месторождения. Сначала газа выделяется много, потом остается только небольшое количество пузырьков. Увидели? Заодно и задумайтесь, так ли легко нефтяникам и газовикам отделить попутный газ от нефти. Ну, а жирный газ содержит столько тяжелых гомологов метана, что из него выгоднее получать сжиженный газ. Видите — фраза, которая до прочтения этой небольшой статьи показалась бы вам абракадаброй, стала уже понятной. Много в жирном газе этана, пропана и бутана, его выгоднее не гнать в магистральный трубопровод для дальнейшего сжигания, а переработать, чтобы получить отдельные составляющие, фракции, в чистом виде. Жирные газы в 99% случаев — это сопутствующие нефтяные газы, которые нужно выделить из нефти, чтобы сделать ее товарной. Товарная нефть, в соответствии с российскими и мировыми стандартами, должна содержать не более 1−2% газа, в силу чего любая нефтяная компания — одновременно и «немножко газовая». Принадлежность любого нефтяного промысла — многоступенчатые сепараторы, в которых от нефти отделяют воду и попутные газы.
Часто встречается еще один термин, обычно в виде аббревиатуры — ШФЛУ, которая расшифровывается как «широкая фракция легких углеводородов». Опять же — тот, кто сочинил такое название, был либо шутником, либо участником всемирного тайного заговора химиков-газовиков, или нефтяниками, которые вот так отомстили газовикам за то, что приходится возиться с газом. Вот есть слово «легких» и, по логике, в эту самую фракцию должны в обязательном порядке входить метан и этан. Но — «скажем логике «нет»! В составе ШФЛУ как раз метан и этан должны находиться в минимальном количестве, не более 5%. Это невозможно понять, это нужно просто запомнить: в составе широкой фракции легких углеводородов самых легких углеводородов — нет. ШФЛУ состоит из пропана с бутаном и более тяжелых гомологов. У всех газов, которые тяжелее бутана, тоже есть имена собственные, но звучат они настолько вычурно, что забивать ими голову нет никакого смысла. Обозначают их как «С5 и выше» — вот и все. Более-менее запоминаемое название — пентан, следующий гомолог метана после бутана. «Пента» — пять, формула очевидна — С5Р12. Нефтяники отделяют газ от нефти за счет сепарирования, сжимают его на компрессорах и перегоняют на газовые промыслы или сразу на ГПЗ (газоперерабатывающие заводы), и вот там уже от природного газа методом охлаждения отделяют ШФЛУ — замечательное сырье для химической промышленности.
Примеси родные и посторонние
Кроме углеводородов, которыми являются перечисленные «зверушки», в природном газе всегда наличествуют и другие вещества. Углекислый газ (СО2) и сероводород (Н2S) в газовой смеси появляются в приповерхностных слоях, где появляется возможность взаимодействовать с кислородом. А на больших глубинах газ вступает во взаимодействие с сульфатными пластовыми водами (воды с содержанием солей серной кислоты), и в результате всевозможных реакций выделяется чистая сера (S). Эти трое — углекислый газ, сероводород и сера в составе природного газа есть всегда.
Азот, гелий, аргон и другие инертные газы в составе природного газа тоже присутствует практически всегда, хоть и в минимальных количествах, от 0,01% до 0,15%. Но случаются и редкие исключения — к примеру, в нашем Оренбургском месторождении содержание гелия доходит до 10%, поэтому там рядом с газоперерабатывающим заводом (ГПЗ) построен и работает гелиевый завод.
Кроме того, во всех без исключения нефтеносных и газоносных пластах есть вода, и выходящий из скважины газ всегда содержит то или иное количество воды в виде водяного пара. Наличие водяных паров в газе — это гарантированная коррозия трубопроводов и оборудования и шанс появления в них гидратов, снегоподобного вещества, способного полностью перекрыть сечение трубопровода. При снижении давления в газе, что в многокилометровых газопроводах просто неизбежно, вода выделяется в чистом виде, и на наших северных месторождениях она способна не только заставить ржаветь внутреннюю поверхность труб и оборудования, но еще и просто превратиться в лед. Трубы начинают закупориваться, измерительная и контрольная аппаратура и вовсе выходит из строя.
При таком сложном составе, который еще и разнится от одного месторождения к другому, нет ничего удивительного в том, что природный газ перед любым способом его использования приходится «чистить» — и от того, что вредно, и от того, что слишком ценно, чтобы гореть в топках электростанций.
Не всякий газ пригоден для трубы
Разобравшись с непростым составом природного газа, продолжим наше знакомство с технологией его транспортировки по трубам. Нам кажется, что этот маленький «ликбез» необходим как прививка от многочисленных критиканов, любящих многословно разглагольствовать о том, как «отсталая Россия пихает трубы под землю, оттуда прет газ, а ничего технически сложного ватники освоить не способны». Мягко сказать — это заблуждение, грубо — получится совсем уж нецензурно…
Скважина пробурена, магистральный трубопровод проложен — что, стыкуем, врубаем компрессорные станции вдоль трубы, и вот уже все в полном порядке, пора идти подсчитывать прибыль? Да даже мечтать об этом не приходится! Газ, поступающий из скважины, к транспортировке по трубопроводу не готов совершенно, абсолютно и категорически. Прежде всего, он несет с собой механические примеси — пыль, частички грунта. Давление в трубопроводах, которое обеспечивают компрессорные станции — 75 атмосфер, и вот эти самые механические примеси под таким давлением будут внутри трубы вести себя, как наждак, стирая поверхность. Такое же абразивное воздействие получат арматура, детали и оборудование компрессорных и газораспределительных станций, контрольно-измерительная аппаратура.
Все газы тяжелее метана в трубопроводах норовят конденсироваться и оседать в пониженных точках газопроводов, уменьшая их проходное сечение. Наличие водяных паров в газе — это гарантированная коррозия трубопроводов и оборудования, а еще — шанс появления в них гидратов, снегоподобных веществ, способных полностью перекрыть сечение трубопровода. Еще хлеще ведет себя сероводород, который в присутствии влаги образует серную и сернистую кислоты, которые в буквальном смысле слова разъедают трубы, арматуру и оборудование. Углекислый газ понижает температуру сгорания газа, ухудшает его химический состав, и тоже ведет к коррозии. В общем, неподготовленный к транспортировке природный газ — это просто фильм ужасов для любого специалиста по трубопроводам. А потому давайте знакомиться с тем, что обеспечивает всех нас приличным по своему составу газом.
Универсальной, типовой УКПГ просто не существует — для каждого месторождения приходится подбирать индивидуальный комплект оборудования, ведь в каждом месторождении химический состав природного газа чуточку разный, способ очистки зависит и от климатических, температурных условий местности, в которой находится месторождение. УПКГ не стоит у каждой скважины отдельно, ее делают централизованной для всего месторождения, при разработке которого обычно используется не одна, а множество скважин. Соответственно, приходится монтировать систему труб от скважин к месту расположений УКПГ и в этих «паутинах», кажущихся постороннему глазу полным хаосом, сокрыт понятный только специалистам порядок, продуманность. «Ткнуть трубу и качать бабки»? Ну-ну.
В состав УКПГ входят (мы просто перечислим, не раскрывая подробных технических и технологических деталей):
- блок предварительной очистки (сепарации), обеспечивающий отделение от газа механических примесей, капельной влаги и жидких углеводородов;
- технологические установки очистки, осушки и охлаждения газов;
- дожимные компрессорные станции;
- вспомогательные системы производственного назначения (операторная, установки со средствами связи, электро-, тепло‑ и водоснабжения, электрохимической защиты, пожаротушения, склады химических абсорбентов и пр.)
Каким бы ни был состав газа на том или ином месторождении, в магистральный газопровод должна поступать одна и та же смесь, требования к которой собраны в ОСТ 51.40−83. В них — предельные нормы содержания воды, углекислого газа, тяжелых углеводородов, сероводорода, кислорода, температура газа при том или ином времени года и требования по теплоте сгорания. Только в таком виде газ допускают до поступления в магистральный газопровод — не прямиком из недр Земли, а после многоступенчатой системы очистки, осушки, подогрева или охлаждения. По сути, каждое УКПГ — большая химическая и физическая лаборатория, исправность функционирования которых обеспечивают специалисты с высшим образованием, соглашающиеся трудиться в очень непростых порой условиях. Мы с вами прекрасно знаем, что наш газ добывается в Сибири, в полярных районах, на шельфах северных морей. Полярные ночи, морозы и снегопады — специалисты и аппаратура обязаны выдерживать все, что выпадает на их долю. Да-да, ради того, чтобы мы поутру могли спокойно кипятить чайник и жарить яичницу, включив на кухне свет, днем и ночью работают те, о ком мы так редко вспоминаем.
В октябре 1966 года была запущена Пунгинская УПКГ мощностью 6 млрд кубометров газа в год, и на тот момент это был всесоюзный рекорд. В мае 1972 была запущена УКПГ на Медвежьем месторождении — 8,5 млрд кубов в год, в 1993 начала работу УКПГ Комсомольского месторождения, удерживающая пальму первенства и поныне — 32 млрд кубометров ежегодно.
Химия — не только жизнь, но еще и деньги
Как вы понимаете, этот сверхкороткий рассказ может быть развернут в повесть, в роман. УКПГ для газовых месторождений и для месторождений газоконденсатных, осушка газа охлаждением и осушка химическая, абсорбционная и адсорбционная, этиленгликоли, осушка твердым поглотителем… Это действительно серьезная наука, но для общего понимания того, что происходит в точке входа природного газа в магистральный трубопровод сказанного вполне достаточно. В следующий раз мы постараемся понять, зачем Газпром строит в Амурской области газоперерабатывающий завод и почему СИБУР решил, что должен разместить рядом с ним свой будущий газоперерабатывающий комбинат. Да и чем, собственно, отличается завод от комбината?
И совсем отдельная история — как приходится подготавливать природный газ к сжижению, как выглядит сам процесс сжижения и почему получить жидкий газ на Ямале удается немного дешевле, чем в Персидском заливе. Да, заодно разберемся, почему жидкий газ в зажигалке остается жидким и при дневной температуре, а газ, который везут по морю специализированные танкеры, должен иметь температуру — 160 градусов и не выше. В том, что мы называем «природным газом» — множество тайн и загадок, которые таковыми стали просто потому, что химию в школе мы изучали давным-давно, да, порой, еще и кое-как. Попробуем вспомнить, заодно присоединив к забытому информацию сугубо экономическую, — что сколько стоит, что выгоднее оставлять сырьем, а что — переработать, прикинув выгодную глубину переработки. Наука наукой, а деньги любят счет. Вряд ли будущие статьи будут трудными для понимания, ведь молекулы куда как менее загадочны и таинственны, чем атом, так что нет сомнений — справимся!
Утечки и разливы сжиженного природного газа –
При хранении, перекачке и транспортировке сжиженного природного газа могут иметь место утечки либо случайные утечки из резервуаров, трубопроводов, шлангов и насосов на наземных установках и судах-газовозах. Кроме того, при хранении и перекачке СПГ возникает риск возгорания, а если СПГ находится под давлением – то и взрыва вследствие пожароопасности испаряющегося газа.
Для нейтрализации этих опасных факторов рекомендуется принимать следующие меры.
Следует обеспечить соответствие резервуаров для хранения СПГ и их компонентов (например, трубопроводов, клапанов и насосов) международным стандартам структурной целостности и эксплуатационных характеристик с целью предотвращения внезапных отказов, а также пожаров и взрывов при эксплуатации в нормальном режиме и во время стихийных бедствий. К применимым международным стандартам могут, в частности, относиться положения о предохранении от переполнения, вторичной защитной оболочке и обваловании, измерении и регулировании расхода газа, противопожарной защите (включая гасители пламени) и заземлении (для предотвращения образования электростатических зарядов).
Следует периодически проводить обследование резервуаров и их компонентов (например, крыши и запорной арматуры) на предмет структурной целостности и наличия коррозии, а также обеспечить их регулярное техническое обслуживание и замену оборудования (например, труб, запорной арматуры, соединительных узлов и клапанов). Существует несколько методов обследования резервуаров. Визуальное обследование позволяет обнаружить трещины и утечки в резервуарах. Радиографический или ультразвуковой метод контроля можно использовать для измерения толщины стенок и уточнения местоположения трещин. Гидростатические испытания позволяют выявить утечки, вызванные давлением, а сочетание электроиндуктивной дефектоскопии с ультразвуковым методом контроля можно использовать для выявления язвенной коррозии. При необходимости, для предотвращения или минимизации коррозии следует устанавливать систему катодной защиты.
Во избежание случайных утечек СПГ и для исключения риска возгорания либо взрыва работы по сливу-наливу (например, перекачку СПГ из газовозов на терминалы и наоборот) должны осуществляться надлежащим образом подготовленными работниками с соблюдением предварительно утвержденного порядка действий. Указанный порядок действий должен охватывать все аспекты работ по доставке или погрузке, с прибытия до отправления, подсоединение систем заземления, проверку правильности подсоединения и отсоединения шлангов, соблюдение работниками и посетителями запретов на курение и использование открытого огня.
К числу примеров надлежащей практики слива-налива СПГ относятся разработанные Обществом международных операторов газовозов и газовых терминалов (ОМОГТ) «Принципы обращения со сжиженным газом на судах и терминалах», 3-е издание (Liquefied Gas Handling Principles on Ships and in Terminals — 3rd edition, 2000, Society of International Gas Tanker and Terminal Operators Ltd — SIGTTO), и Раздел 33 Свода федеральных нормативных актов США, Часть 127 «Портовые объекты, осуществляющие работы по сливу, наливу и перекачке сжиженного природного газа и взрывоопасного сжиженного газа» (US Code of Federal Regulations (CFR) 33 CFR Part 127: Waterfront facilities handling liquefied natural gas and liquefied hazardous gas).
СПГ – это криогенная жидкость (–162°C [–259°F]), в жидком состоянии он не горюч. Однако при нагревании СПГ образуется отпарной газ (метан), и при определенных условиях в результате его утечки может образоваться облако из паров метана. Неконтролируемая утечка сжиженного газа может, при наличии источника воспламенения, привести к струйному горению или возгоранию разлитой жидкости, либо к образованию облака из паров метана, потенциально огнеопасному (вспышка облака газовоздушной смеси), при наличии источника воспламенения, как в ограниченном, так и в открытом объеме. Разлив СПГ непосредственно на теплую поверхность (например, на поверхность воды) может привести к резкому переходу из одного агрегатного состояния в другое, известному под названием «быстрого фазового перехода» (БФП).
Под воздействием какого-либо источника тепла в окружающей среде, например, воды, сжиженный природный газ интенсивно испаряется: из одного кубического метра жидкости образуется примерно 600 стандартных кубических метров природного газа.
При морских перевозках СПГ потенциально серьезным фактором риска с точки зрения техники безопасности и экологии является «быстрый фазовый переход» (БФП), который может произойти при особо интенсивном аварийном проливе СПГ на поверхность воды. Перенос тепла от воды к пролитому СПГ приводит к моментальному переходу СПГ из жидкого состояния в газообразное. Высвобождение в процессе БФП большого количества энергии может вызвать физический взрыв, не сопровождающийся горением или химической реакцией. Потенциальная опасность быстрых фазовых переходов может быть высокой, но, как правило, опасная зона ограничена районом разлива.
В целях предотвращения аварийных разливов СПГ и устранения их последствий рекомендуется принимать следующие меры:
- Провести оценку риска разлива для объектов и сопутствующих операций по транспортировке / перевозке.
- Разработать официальный план мероприятий по предотвращению и ликвидации аварийных разливов, учитывающий основные модели и масштабы разливов. План должен быть подкреплен наличием еобходимых ресурсов и подготовленного персонала. Следует обеспечить наличие и удобное размещение специального оборудования, необходимого для ликвидации любых разливов, в том числе и небольших.
- Разработку плана мероприятий по предотвращению и ликвидации аварийных разливов следует координировать с компетентными местными регулирующими органами.
- Объекты следует оснащать системой раннего обнаружения утечек газа, предназначенной для выявления утечки газа и облегчения поиска источника выброса в целях быстрой активации САО её оператором и, таким образом, сведения случаев выброса газа к минимуму.
- Следует установить систему аварийного отключения и обнаружения газовой опасности (САО/ОГО), позволяющую запустить процедуру автоматического прекращения перекачки СПГ в случае его серьезной утечки.
- Применительно к сливо-наливным операциям на морских судах и терминалах порядок предотвращения аварийных разливов при погрузке и разгрузке танкеров необходимо разрабатывать в соответствии с применимыми международными стандартами и указаниями, непосредственно касающимися вопросов заблаговременной установки связи с конечным пунктом поставки газа и совместного перспективного планирования.
- Принять меры к тому, чтобы конструкция наземных резервуаров СПГ предусматривала наличие надлежащей вторичной защитной оболочки (например, сварная внутренняя оболочка резервуара из стали с высоким содержанием никеля, а внешняя — из железобетона; однокорпусный резервуар с внешним поддоном, двухоболочечный полностью закрытый резервуар) на случай внезапного выброса.
- Предприятиям следует производить профилирование грунта, дренирование либо обвалование площадок для испарения, переработки или перевалки СПГ, обеспечивая возможность удержания максимального совокупного количества СПГ или иной горючей жидкости, которое может быть сброшено из одного перепускного трубопровода за 10 минут.
- Материалы для труб и оборудования, которые могут подвергаться воздействию сверхнизких температур,следует подбирать исходя из международных стандартов проектирования.
- В случае выброса газа следует обеспечить возможность его безопасного рассеивания, для чего обеспечить максимально эффективную вентиляцию участка, где произошел выброс, и свести к минимуму возможность накопления газа в закрытых или частично закрытых помещениях. В случае разлива СПГ ему следует дать возможность испариться, по возможности, понижая интенсивность испарения, например, за счет его покрытия расширяющейся пеной.
- Проектировать систему сбора стоков на объекте таким образом, чтобы обеспечить сбор продуктов аварийных утечек опасных веществ и, таким образом, уменьшить риск пожара, взрыва или поступления в окружающую среду. Конструкцию дренажной системы для сбора продуктов разливов СПГ (состоящей из желобов и отстойников) следует оптимизировать с целью понижения интенсивности испарения для ограничения общей площади рассеивания паров.
Источник: Руководство по охране окружающей среды, здоровья и труда для работ по производству, транспортировке и регазификации сжиженного природного газа (СПГ) (Международная финансовая корпорация IFC, группа Всемирного банка, 2007)