Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

В настоящий момент распространилась практика использования в качестве моторного топлива природного газа в газифицированных населенных пунктах. Переход на газ имеет особое значение для предприятий – владельцев автотехники в Республике Саха (Якутия), экономика которой зависит от северного завоза. В частности, началось использование компримированного природного газа (КПГ) в транспортном парке и расширения сети газозаправочных станций. Компримированный природный газ – это сжатый природный газ, используемый в качестве моторного топлива вместо бензина, дизельного топлива и пропана. Он дешевле традиционного топлива, а вызываемый продуктами его сгорания парниковый эффект меньше по сравнению с обычными видами топлива, поэтому он безопаснее для окружающей среды. Сжатый природный газ в качестве топлива имеет ряд преимуществ. Во-первых, метан (основной компонент природного газа) легче воздуха, в случае аварийного выброса он быстро испаряется, в отличие от тяжелого пропана, накапливающего в естественных и искусственных углублениях и создающего опасность взрыва. Во-вторых, метан не содержит вредных примесей (свинец, сера) разрушающе действующих на детали камеры сгорания двигателя. В-третьих, сжатый природный газ не токсичен в малых концентрациях, не вызывает коррозии металла, не оставляет копоти, ухудшающей экологию и снижающей КПД.

В 2007 году в г. Якутске силами предприятия ООО «Сахаметан» была введена в эксплуатацию автомобильная газонакопительная компрессорная станция (АГНКС-1). В качестве исходного газа на АГНКС-1 используется природный газ Средневилюйского газоконденсатного месторождения, который транспортируется в г. Якутск по магистральному газопроводу «Средневилюйское ГКМ-Якутск». Проектная выработка КПГ составляет 1140 см3/ч, в сутки имеется возможность отпускать порядка 27000 м3 газа. На АГНКС-1 ежесуточно заправляется до 150 автотранспортных средств, объем заправки – 5500-6000 м3/сутки. На КПГ переведен автопарк таких предприятий, как МУП «Якутская пассажирская автотранспортная компания», ОАО «Якутский хлебокомбинат», ОАО «Якутская птицефабрика», а также автомобили многих государственных и частных предприятий.

Проблемой использования компримированного природного газа в транспортном парке Республики являются низкие зимние температуры окружающего воздуха (до -50 градусов). В частности, одной из них является образование гидратов на узлах газораздаточных колонн заправочных станций, вызывающее снижение давления КПГ. Для изучения процесса гидратообразования на АГНКС-1 и исследования их состава были получены гидраты природного газа Средневилюйского ГКМ.

Средневилюйское газоконденсатное месторождение находится на территории Вилюйского улуса Республики Саха (Якутия) в 70 километрах к востоку от г. Вилюйска и в 410 километрах к северо-западу от столицы Республики г. Якутска. Месторождение открыто в 1965 г. и по величине запасов углеводородного сырья относится к крупным. Начальные запасы газа категории ВС1 составляли 180,257 млрд. м³, конденсата (извлекаемые) ВС1 – 8458 тыс. тонн, С2 – 30 тыс. тонн. Опытно-промышленная эксплуатация Средневилюйского газоконденсатного месторождения была начата в 1975 году. В промышленную разработку оно было введено в 1986 году. Добыча газа в настоящее время составляет порядка 1,5 млрд. м3 в год. Средневилюйское ГКМ в настоящее время служит основной сырьевой базой для газоснабжения центральных районов Республики Саха (Якутия) и г. Якутска [1]. Протяженность магистральных газопроводов со Средневилюйского газоконденсатного месторождения до Якутска составляет 2 270 км.

Целью работы является исследование условий образования и состава техногенных гидратов природного газа Средневилюйского ГКМ.

Компонентный состав природного газа Средневилюйского ГКМ и полученные газообразные продукты при разложении гидратов анализировали методом газоадсорбционной хроматографии по ГОСТ 23781-87 на программно-аналитическом комплексе «GS2010Plus» (Shimadzu). Компонентный состав природного газа Средневилюйского ГКМ приведен в табл. 1.

Расчетная часть. На основании компонентного состава природного газа Средневилюйского ГКМ были рассчитаны равновесные давления гидратообразования и составы гидратов в зависимости от температуры по методу Слоана [2].

На рис. 1 показана зависимость изменения равновесного давления гидратообразования газа Средневилюйского ГКМ от температуры. Установлено снижение равновесного давления гидратообразования природного газа с понижением температуры. Если при 278 К равновесное давление гидратообразования равно 19,14 атм, то при 227 К процесс гидратообразования может протекать при атмосферном давлении.

Для выяснения причин снижения равновесного давления гидратообразования при отрицательных температурах, был рассчитан состав гидратов природного газа, который представлен в табл. 2.

Таблица 1

Компонентный состав природного газа Средневилюйского ГКМ

Рис. 1. Изменение давления гидратообразования природного газа Средневилюйского ГКМ от температуры

Таблица 2

Состав гидратов природного газа в зависимости от температуры

Установлено, что понижение температуры гидратообразования приводит к снижению концентрации метана, этана, н-бутана и к повышению концентрации пропана и изобутана. Таким образом, при низких температурах в твердой фазе концентрируются более тяжелые компоненты природного газа.

Экспериментальная часть. Гидраты природного газа Средневилюйского ГКМ были синтезированы при Т=278 К и давлении 19,6 МПа при соотношении объемов воды и газа 1:800 в ячейке высокого давления. По мере образования газовых гидратов давление в ячейке начинало медленно падать до установления некоторого постоянного значения, что свидетельствовало о завершении процесса перехода системы «газ – вода» в гидрат. Из кривой зависимости давления в ячейке от времени видно, что формирование гидратов закончилось через четверо суток (рис. 2).

Рис. 2. Изменение давления гидратообразования от времени

После завершения гидратообразования камеры были вскрыты. Весь объем камеры был заполнен нитевидными вискерными кристаллами белого цвета. На рисунке 3а представлены фотографии гидратов, полученных из природного газа Средневилюйского ГКМ. Доказательством того, что эти кристаллы действительно гидраты природного газа, является их горение (рис. 3б).

Для количественной оценки объема и компонентного состава газа, заключенного в гидрат, проводили их разложение при Т=298 К и давлении 1 атм. В результате разложения гидратов был получен газ объемом 7,525 л. Компонентный состав газа, выделившийся при разложении гидратов, приведен в таблице 3. Так как гидрат синтезировали при давлении, превышающем равновесное давление практически в 10 раз, то в составе гидрата преобладают метан и этан, а содержание пропана в 5 раз меньше. При высоком давлении синтеза гидратов молекулы метана и этан заполняют малые полости гидрата, поэтому их концентрация в полученном гидрате выше.

а  б

Рис. 3. Синтезированные гидраты природного газа Средневилюйского ГКМ и их горение

Таблица 3

Компонентный состав гидратов природного газа Средневилюйского ГКМ

Низкие зимние температуры окружающей среды приводят к снижению равновесного давления гидратообразования природного газа Средневилюйского ГКМ, следовательно, и к изменению состава гидратов. При понижении температуры в твердой фазе накапливаются пропан и изобутан, так как эти углеводороды образуют гидраты при более низком равновесном давлении, чем природный газ. Таким образом, образование гидратов на газораздаточных колоннах заправочных станций обусловлено изменением состава гидратов с понижением температуры.