Горючие газы. Добыча, транспортировка, получение

В. Д. Галдин 
ГОРЮЧИЕ ГАЗЫ 
ДОБЫЧА,  
ТРАНСПОРТИРОВКА, 
ПОЛУЧЕНИЕ 
Учебное пособие 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 662.76 
ББК 35.513 
Г15 
 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор В. Р. Ведрученко (ОмГУПС, г. Омск); 
канд. техн. наук, доцент А. Д. Ваняшов (ОмГТУ, г. Омск) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Галдин, В. Д. 
Г15   
Горючие газы. Добыча, транспортировка, получение : учебное пособие / В. Д. Галдин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 216 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2087-7 
 
Рассмотрены состав и свойства компонентов горючих газов, добыча природного 
газа, его транспорт и подземное хранение, основы газификации твердого топлива, технологии получения и применения биогаза, сланцевого и сжиженного природного газа, 
гидрата метана и водорода. 
Для студентов бакалавриата и магистратуры по направлению 08.03.01 «Строительство» профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция», а также специалистов, работающих в области создания установок газоснабжения. 
 
УДК 662.76 
ББК 35.513 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2087-7 
” Галдин В. Д., 2024 
 
” СибАДИ, 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ....................................... 5 
 
СОКРАЩЕНИЯ И ИНДЕКСЫ .................................................................................. 5 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 6 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7 
 
1. Горючие газы, используемые для газоснабжения городов  
и промышленных предприятий ............................................................................... 11 
1.1. Основные свойства и состав газообразного топлива ............................. 11 
1.2. Природные газы.......................................................................................... 14 
1.3. Искусственные газы 
................................................................................... 15 
1.4. Уравнение состояния природного газа .................................................... 17 
1.5. Методы задания состава природного газа 
............................................... 18 
1.6. Фазовые диаграммы 
................................................................................... 21 
1.7. Сжиженные углеводородные газы ........................................................... 25 
1.7.1. Свойства индивидуальных углеводородов, входящих  
в состав сжиженных газов 
................................................................................ 25 
1.7.2. Расчет состава двухфазной смеси углеводородов ............................... 31 
2. Добыча и обработка природного газа ................................................................. 37 
2.1. Газовые месторождения ............................................................................ 37 
2.2. Добыча газа 
................................................................................................. 39 
2.3. Газы конденсатных месторождений ........................................................ 43 
2.4. Сбор газа на нефтяных промыслах. Получение сжиженных  
углеводородных газов 
....................................................................................... 45 
2.5. Система подготовки природного газа к транспортировке 
..................... 51 
3. Транспорт газа на большие расстояния. Компрессорные станции 
.................. 62 
3.1. Схемы и устройства магистральных газопроводов 
................................ 62 
3.2. Устройство компрессорных станций ....................................................... 65 
3.3. Технологические схемы компрессорных станций 
.................................. 68 
3.4. Нагнетатели природного газа ................................................................... 74 
3.5. Привод газоперекачивающих агрегатов .................................................. 81 
3.6. Схемы газотурбинных установок 
............................................................. 83 
3.7. Компоновка газоперекачивающих агрегатов 
.......................................... 90 
3.8. Системы охлаждения транспортируемого газа  
на компрессорных станциях 
............................................................................. 94 
4. Подземное хранение природного газа ...............................................................  97 
5. Сжиженный природный газ ............................................................................... 110 
5.1. Технологические схемы установок (заводов) по сжижению  
природного газа ............................................................................................... 112 
5.2. Нефтегазовый проект «Сахалин-2» 
........................................................ 126 
5.3. Ямал - сжиженный природный газ ........................................................ 130 
5.4. Газовый проект «Балтийский СПГ» 
....................................................... 136 
 
3

6. Сланцевый газ 
...................................................................................................... 137 
6.1. Горючий сланец 
........................................................................................ 137 
6.2. Сланцевый газ 
........................................................................................... 138 
6.3. Технология добычи сланцевого газа 
...................................................... 143 
7. Гидрат метана ...................................................................................................... 148 
7.1. Газовые гидраты 
......................................................................................  148 
7.2. Гидрат метана ........................................................................................... 150  
8. Водород ...............................................................................................................  154 
8.1. Производство водорода ........................................................................... 154 
8.2. Применение водорода в энергетике ....................................................... 154 
8.3. Применение водорода в отраслях промышленности ........................... 160 
9. Газификация твердого топлива 
.......................................................................... 164 
9.1. Физико-химические основы газификации твердого топлива 
.............. 165 
9.2. Современное состояние дел в области получения синтез-газа  
из твердого топлива ........................................................................................ 165 
9.3. Автотермические технологии газификации 
.......................................... 167 
9.4. Аллотермические технологии газификации 
.......................................... 171 
9.5. Процессы каталитической газификации твердого топлива 
................. 179 
9.6. Газификация жидкого топлива ............................................................... 182 
10. Биогаз 
.................................................................................................................. 185  
 
10.1. Современные технологии конверсии биомассы в топливо ............... 185 
10.2. Зарубежный опыт использования биомассы  
для получения биогаза .................................................................................... 198 
10.3. Свальный газ 
........................................................................................... 201 
11. Горючие газы от технологических аппаратов 
................................................ 204 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 209 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ ....................................................................................................... 213 
 
 
4

СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 
 
p  давление, Па; 
T, t  температура, К, ƒС; 
U  плотность, кг/м3; 
G  массовый расход, кг/с; 
V  объемный расход, м3/с; 
Q  холодопроизводительность, Вт; 
S  степень сжатия; 
K  коэффициент полезного действия (КПД); 
N  мощность, кВт; 
R  газовая постоянная, Дж/(кг˜К); 
к  показатель изоэнтропы; 
P  молекулярная масса, кг/кмоль; 
r  объемная концентрация; 
g  массовая концентрация; 
h  энтальпия, кДж/кг; 
s  энтропия, кДж/(кг˜К); 
X  удельный объем, м3/кг. 
 
 
СОКРАЩЕНИЯ И ИНДЕКСЫ 
 
МГ - магистральный газопровод; 
КС - камера сгорания, компрессорная станция; 
ПХГ - подземное хранилище газа; 
ГРС - газораспределительная станция; 
ГПА - газоперекачивающий агрегат; 
НПГ - нагнетатель природного газа; 
ГТУ - газотурбинная установка; 
ТНД, ТСД, ТВД - турбина низкого, среднего и высокого давлений; 
АВО - аппарат воздушного охлаждения; 
КР - критический; 
Ж - жидкий; 
П - пар; 
ПР - приведенный; 
ЕСГ - единая система газоснабжения. 
 
5

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
В основу учебного пособия положены материалы учебника А. А. Ионина 
«Газоснабжение», а также результаты научных исследований автора в соответствующей области и многолетний опыт чтения курса лекций в Сибирском государственном автомобильно-дорожном университете (СибАДИ). 
Использованы результаты работ российских и зарубежных ученых, инженеров, различных организаций, опубликованные в научно-технических журналах, 
книгах и статьях. 
 
 
 
6

ВВЕДЕНИЕ 
 
Горючие газы - это газообразные вещества, способные гореть: углеводороды (метан, этан, пропан и др.), водород, окись углерода, сероводород. В технике 
под горючими газа обычно понимают природные и искусственные смеси этих 
газов, разбавленных негорючими газами. Наибольшее значение в промышленности имеют добываемые из недр земли природные горючие газы, в составе которых содержится до 99  газообразных углеводородов, главным образом метана и его ближайших гомологов. Природные горючие газы добывают из газовых месторождений или совместно с нефтью. 
Искусственные смеси горючих газов получают в результате термического 
разложения твёрдого и жидкого топлива. Наиболее распространены: газы 
нефтепереработки, коксовый, доменный и свалочный газы, биогаз, газ подземной газификации углей. 
Горючие газы обладают высокой теплотой сгорания и являются высокоэкономичным энергетическим топливом. Широко применяются для коммунальнобытовых нужд, на электростанциях, в металлургии, стекольной, цементной и 
пищевой промышленности, в качестве автомобильного топлива. Используются 
в качестве сырья для производства органических соединений: синтетических 
каучуков, искусственных волокон, пластмасс, полиэтилена, формальдегида, метилового спирта и др. 
Бурное развитие промышленности и транспорта в последние 40-70 лет вызвало серьезный рост энергопотребления и, как следствие, рост потребления 
углеводородных топлив. 
Развитие газовой промышленности и газоснабжения городов, поселков и 
промышленных предприятий на базе природных газов в России началось с середины 40-х годов прошлого века. В 1946 г. был сдан в эксплуатацию первый 
крупный магистральный газопровод «Саратов - Москва» производительностью 
1,4 млн м3/сут, диаметром 300 мм и длиной 740 км. Пуск этого газопровода рассматривается как начало широкой газификации страны. За прошедший период 
газовая промышленность превратилась в важную отрасль хозяйства страны,  
а газотранспортные системы - в крупные топливоснабжающие системы страны.  
Газовая промышленность России является образцом устойчивости и надежности в эпоху радикальных экономических реформ в нашей стране. Особенно важное значение имеет создание величественного инженерного сооружения ХХ в. - 
«Единой системы газоснабжения» (ЕСГ). ЕСГ - уникальный технологический 
комплекс, включающий в себя объекты добычи газа, переработки, разветвленную сеть магистральных и распределительных газопроводов в европейской части России и Западной Сибири. Функционирование газопроводов обеспечивают 
газоперекачивающие компрессорные станции, газораспределительные станции 
и газорегуляторные пункты. ЕСГ обеспечивает непрерывный цикл поставки газа от скважины до конечного потребителя. В основном была создана в советское время. Является крупнейшей в мире системой транспортировки и балансирования поставок природного газа. 
 
7

Собственником российского сегмента ЕСГ является ПАО «Газпром». «Газпрому» также принадлежат газотранспортные сети на территории Армении, 
Кыргызстана, Белоруссии. 
Существует также ряд газопроводов, не связанных с единой газотранспортной системой и принадлежащих иным собственникам.  
В 2017 году общий объём транспортировки через ЕСГ составил 672,1 млрд м3 
газа, в том числе 20,8 млрд м3 из Центральной Азии. Поставка за пределы России составила 232,4 млрд м3 [41]. 
«Газпром» предоставляет доступ к газопроводам независимым компаниям. 
В 2017 году услуги по транспортировке газа по газотранспортной системе «Газпрома» на территории Российской Федерации были оказаны 24 компаниям. 
Объём транспортировки составил 137,9 млрд куб. м газа [40, 41]. 
 
 
 
Рис. 1. Основные экспортные газопроводы из России в Европу [41] 
 
 
8

Общая протяжённость газотранспортной системы на территории России составляет 172,6 тыс. км. В транспортировке газа используются 254 компрессорные станции с общей мощностью газоперекачивающих агрегатов 47,1 тыс. МВт 
[39, 40].  
Основные маршруты поставки газа на экспорт (газопроводы) [41]: «Северный поток»; «Ямал - Европа»; «Уренгой - Помары - Ужгород»; «Голубой поток».  
Газотранспортные проекты (газопроводы) [41]: «Северный поток-2»; развитие газотранспортных мощностей ЕСГ Северо-Западного региона, участок Грязовец - КС Славянская; «Турецкий поток»; «Ухта - Торжок-2»; «Бованенково - 
Ухта-2»; «Сила Сибири»; «Сила Сибири-2»; «Сахалин - Хабаровск - Владивосток». 
Подземные хранилища газа (по сост. на 31.12.2017) [41]. Действующие ПХГ 
группы Газпром: на территории России - 22; Белоруссии - 3; Германии - 1; 
Армении - 1. Действующие объекты ПХГ с участием группы «Газпром» в качестве соинвестора: на территории Германии - 3; Австрии - 1; Сербии - 1; Чехии - 1; 
Латвии - 1.  
На территории России 6 строящихся и перспективных объектов ПХГ. 
Темпы развития газотранспортных мощностей и надежность поставок природного газа потребителям позволили создать мощную и разветвленную инфраструктуру промышленного и бытового использования природного газа. Голубое топливо стало синонимом света, тепла и многого другого, столь необходимого сегодня людям.  
Значительному росту использования газа в хозяйстве страны способствует 
его низкая себестоимость. Газ является высококачественным и самым дешевым 
топливом. Применение газа в качестве топлива позволяет значительно улучшить условия быта населения, повысить санитарно-гигиенический уровень 
производства и оздоровить воздушный бассейн в городах и промышленных 
центрах.  
В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к использованию биомассы как альтернативного источника энергии. Биотехнологическая конверсия биомассы в биогаз осуществляется при переработке отходов 
сельского хозяйства, осадков канализационных очистных сооружений, полигонов твердых бытовых отходов. Биогаз имеет теплоту сгорания, сравнимую  
с керосином, углем, дровами, и может быть использован для теплоэнергоснабжения небольших зданий.  
В последнее время привлекают к себе особое внимание природные газовые 
гидраты, в частности, гидрат метана как нетрадиционный потенциальный источник ископаемого топлива, а также как участник изменения климата. Область 
их существования приурочена к морским донным осадкам и к областям многолетне-мёрзлых пород.  
Рост активности исследований объясняется главным образом поиском альтернативных источников углеводородного сырья в странах, не обладающих ресурсами энергоносителей. Опытно-промышленное освоение природных газовых гидратов может начаться в ближайшие годы.  
 
9

Огромное внимание в мире со времени его открытия уделяется водороду. 
Успехи в развитии водородных технологий показали, что использование водорода приведет к качественно новым показателям работы агрегатов.  
Результаты технико-экономических исследований говорят о том, что применение водорода, несмотря на свою вторичность в качестве энергоносителя, 
во многих случаях экономически целесообразно. Поэтому работы в этой области во многих, особенно в промышленно развитых странах, относятся к приоритетным направлениям и находят всё большую поддержку со стороны, как 
государственных структур, так и частного капитала. 
Основной причиной, сдерживающей увеличение потребления твердого органического сырья при росте цен на нефть и природный газ, является наличие ряда 
технологических, экономических и экологических проблем его переработки. 
Процесс газификации представляет собой совокупность реакций, обеспечивающих превращение твердого или жидкого органического сырья в горючие 
газы, преимущественно водород, окись углерода и метан. Газообразные сме- 
си СО  Н2 с разным соотношением компонентов используются в промышленном органическом синтезе. Метан и газовые смеси с его высоким содержанием 
обычно применяются в качестве топлива. 
В принципе можно газифицировать любое углеродосодержащее сырье, однако по экономическим соображениям в этих процессах используют молодые 
угли или доступные виды биомассы. 
Наиболее перспективным углеводородным топливом является криогенное 
топливо - сжиженный природный газ (СПГ), состоящий в основном из метана. 
И причина здесь кроется в том, что основные потребители газового топлива 
оказались оторванными от мест добычи газа.  
На большие расстояния газ перевозится на специальных судах (метановозах) в сжиженном состоянии при температуре -162 ƒС и атмосферном давлении, что оказывается экономически целесообразным. 
Для такого способа добычи, сжижения и перевозки газа требуется целый 
комплекс последовательно связанных технических средств. К ним относятся: 
газодобывающие станции; газосборная сеть; газопроводы, соединяющие месторождения газа с берегом моря; заводы для предварительной очистки и сжижения газа; резервуары для хранения и оборудование для загрузки на танкеры; 
дополнительные службы для обеспечения завода электроэнергией и водой для 
охлаждения, расположенные на берегу моря; криогенные суда-метановозы для 
перевозки сжиженного газа; станции его приема в стране-импортере; заводы по 
газификации сжиженного газа.  
Наиболее сложным и дорогостоящим звеном в этой цепочке является завод 
по сжижению газа.  
Вначале 2000-х в США начато масштабное промышленное производство 
сланцевого газа из осадочных пород (горючих сланцев). Благодаря резкому  
росту его добычи, названному в средствах массовой информации «газовой революцией» в 2009 году США стали мировым лидером добычи газа, причём более 40  приходилось на нетрадиционные источники, и в частности, сланцевый 
газ. 
 
10