А. А. Никитин – ООО «Вяртсиля Восток»

Применение высокоэффективных многотопливных двигателей компании Wartsila для надежной выработки электрической и механической энергии позволяет заказчикам экономить значительные средства в ходе эксплуатации станции на объектах нефтегазового сектора.

В нефтегазовой отрасли потребность в электростанциях и двигателях для механического привода достаточно высока. Поскольку добывать нефть и газ становится все труднее, а нефтегазовые компании стараются извлечь максимальное количество энергоноси¬телей из существующих скважин, инвестиции в производство электроэнергии продолжают расти. Общие инвестиции в данный сегмент по регионам составляют 300…350 млрд евро в год. Растущие потребности в первичных источниках энергии побуждают нефтегазовые компании к открытию и разработке новых месторождений в России, на Ближнем Востоке, в Каспийском регионе, Латинской Америке. Система транспортировки энергоносителей в страны Европы и США, развитие сети подземных хранилищ природного газа также требуют значительных инвестиций. В частности, Великобритания планирует строительство большого количества станций подземного хранения газа.
Выбор типа привода (двигатель внутреннего сгорания или газовая турбина) является одним из наиболее важных вопросов для эксплуатирующих компаний, особенно с учетом все более ужесточающихся экологических требований и задач энергосбережения. Благодаря высокому КПД и способности работать на различных видах топлива, двигатели внутреннего сгорания являются наиболее приемлемым решением для нефтегазовых компаний.
Рынок применения поршневых двигателей в нефтегазовой отрасли может быть разбит на три основные части: выработка электроэнергии, сжатие (компримирование) газа и транспортировка нефти.

Выработка электроэнергии
Электростанции могут размещаться на месторождениях, нефтеперерабатывающих заводах, на компрессорных или насосных станциях с электроприводом. Такие электростанции аналогичны тем, что используются в муниципальном и промышленном секторе. Их основным отличием при этом является доступность топлива, но иногда качество топлива исключает использование его в турбинах. В этом случае компания Wartsila предлагает двигатели, которые могут работать на газе или любом жидком топливе. Газовые двигатели обеспечивают эффективную эксплуатацию при использовании газа из магистральных газопроводов, дизельные двигатели – при использовании сырой нефти, мазута, дизтоплива. Двухтопливные двигатели могут работать на газе различного состава и качества и любом виде жидкого топлива одновременно.
Газодизельные технологии, разработанные компанией Wartsila, являются оптимальными для электростанций нефтегазовых месторождений, где качество добываемого природного, попутного газа и нефти постоянно меняется. Компания Wartsila имеет опыт строительства двухтопливных электростанций в диапазоне мощности 1…500 МВт. Модульная конструкция обеспечивает возможность расширения станций, когда это необходимо.
Разработки двухтопливных двигателей были начаты компанией в 1987 г., и к настоящему времени общая наработка оборудования на объектах заказчиков составляет более трех миллионов часов на морских платформах и наземных месторождениях.

Транспортировка нефти
Двухтопливные двигатели могут использоваться для привода насосов. Такое оборудование компания Wartsila поставила для нефтепроводов BTC в Турции и OCP в Эквадоре. Преимуществом двигателей при этом является то, что они обеспечивают надежную работу насосов, используя в качестве топлива сырую нефть без какой-либо подготовки.

Сжатие газа (компримирование)
Двигатели в диапазоне мощности 0,5…2,0 МВт используются для небольших трубопроводов, в частности в системах перекачки сланцевого газа (обычно это небольшие месторождения). Более мощные двигатели применяются на станциях подземного хранения газа (ПХГ). По сравнению с центробежной технологией, поршневая технология является оптимальным вариантом для обеспечения высокого давления газа, необходимого для ПХГ.
Поршневые двигатели применяются также на компрессорных станциях в составе магистральных газопроводов. И хотя здесь преобладают газовые турбины, поршневые двигатели могут обеспечивать значительную экономию топлива.
Газовые двигатели могут использоваться для привода нагнетателей без редуктора напрямую или в составе электростанций для выработки электроэнергии для электроприводных компрессоров. Последний вариант является более затратным, но при этом более гибким в эксплуатации.
Применение газовых двигателей вместо газовых турбин обеспечивает более высокую эффективность топлива. Расчеты, проведенные для реально работающих объектов, показывают, что экономия топлива при использовании газовых двигателей составляет более $100 млн за 20 лет эксплуатации.

Газовые двигатели Wartsila обеспечивают стабильную работу при использовании магистрального природного газа в качестве топлива. Это двигатели с искровым зажиганием, работающие по циклу Отто на обедненной топливной смеси. При этом топливный газ смешивается с воздухом до впускного клапана. В течение цикла всасывания (впуска) газ подается также в небольшую форкамеру, где топливная смесь богаче, чем в цилиндре. В конце цикла сжатия газовоздушная смесь в форкамере воспламеняется путем искрового зажигания от свечи. Поток пламени из форсунки форкамеры воспламеняет топливную смесь в цилиндре.
Жидкотопливные двигатели Wartsila могут работать на сырой нефти, мазуте или дизтопливе. При этом жидкое топливо впрыскивается в цилиндр под большим давлением с помощью топливного насоса, приводимого в действие распредвалом. В процессе сжатия температура топлива увеличивается, что вызывает его воспламенение. После окончания рабочего цикла открывается выхлопной клапан, и цилиндр освобождается от отработанных газов. В двигателях Wartsila используется метод, который называется «регулирование момента зажигания Миллера», с его помощью достигается сокращение процесса сжатия и снижение температуры воспламенения топлива. Таким образом, обеспечивается более высокий КПД двигателя и низкие уровни эмиссии.
Двухтопливные двигатели Wartsila являются уникальными, поскольку они имеют две различные системы впрыска топлива. Система впрыска пилотного (запального) топлива для предварительного зажигания обеспечивает подачу малого количества жидкого топлива, когда двигатель работает в газовом режиме. Здесь применяется система впрыска Common Rail. Применение данной технологии обеспечивает возможность впрыска очень малого количества топлива, низкие уровни эмиссии и соблюдение всех самых жестких экологических норм.
Обычная система впрыска топлива используется при работе двигателя в жидкотопливном режиме. Двигатель может переходить с газа на жидкое топливо при любой нагрузке, мгновенно, в автоматическом режиме, без ухудшения качества электроэнергии.
Поскольку газ подается в двигатель при большом давлении, метановое число и состав газа практически не влияют на его эксплуатационные параметры, и технические характеристики.

Компания Wartsila, ведущая свою историю со средины 1830-х гг., имеет огромный опыт в области проектирования, строительства и поставок электростанций на условиях «под ключ». Ежегодно реализуется более 100 проектов, в том числе и на территории бывшего СССР.
На сегодня Wartsila насчитывает 49815 МВт установленной мощности на 4615 электростанциях, созданных на базе 10235 двигателей, в 169 странах мира. На данных электростанциях вырабатывается более 1 % всей мировой электроэнергии. Кроме того, компания имеет более 137 ГВт установленной мощности основных или вспомогательных двигателей для морского флота, в том числе на торговых, круизных, оффшорных судах и паромах. Фактически каждое третье судно в мире оснащено двигателями Wartsila, а каждое второе – обслуживается ее специалистами.
Компания является ведущим поставщиком эффективных и гибких технологий производства электроэнергии на основе поршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих на различных видах жидкого и газообразного топлива. Предлагается исчерпывающий комплекс услуг – от разработки проекта и его финансирования до эксплуатации и технического обслуживания станций на весь срок службы оборудования.
Модельный ряд Wartsila состоит из электростанций мощностью до 500 МВт и включает предложения для нефтегазовой отрасли, где установлено 2526 МВт общей электрической мощности на 169 электростанциях на базе 458 двигателей в 38 странах. Из указанного количества 285 МВт (56 двигателей на 15 площадках) работают в нефтегазовом секторе в России.
Заказчиками в РФ являются крупнейшие компании отрасли: ОАО «Газпром» (ЭСН на компрессорных станциях «Краснодарская» и «Ставропольская» газопровода «Голубой поток», КС «Пуртазовская» газопровода Ямал – Западная Европа, ПХГ «Невская», ЭСН площадки Мыльджинского месторождения); ОАО «Транснефть» (ЭСН для НПС №№ 12, 13 и 14 нефтепровода Восточная Сибирь – Тихий океан); ОАО «Роснефть» (ЭСН для НПС №2 Ванкорского месторождения и ЭСН площадки Тарасовского месторождения); ОАО «ЛУКойл» (ЭСН Варандейского нефтяного портового отгрузочного терминала).

КПД поршневых двигателей
Традиционно сложилось так, что операторы электростанций, компрессорных и насосных станций уделяют недостаточно внимания эффективности использования топлива. Поскольку часто топливо предоставляется владельцами месторождений бесплатно, эксплуатационные расходы оборудования невысокие. Основные затраты здесь – это капитальные вложения (инвестиции), поэтому операторы часто выбирают более дешевое оборудование, которое является менее эффективным.
В настоящее время ситуация начинает меняться. Поскольку цены на энергию растут, эффективность становится важным аспектом при расчетах и экономических обоснованиях проектов. Однако операторы нефтегазового оборудования предпочитают использовать привычную для них технику. Таким образом, часто при объявлении тендеров на поставку оборудования они по-прежнему ориентируются на газотурбинные установки, несмотря на более высокий КПД газопоршневых двигателей.
Даже у больших газовых турбин КПД не превышает 40 %, а у ГТУ средней мощности данный показатель составляет около 30 % или менее, в зависимости от станционных условий. Их эффективность также снижается при работе с частичными нагрузками или при повышении температуры окружающего воздуха, при износе компонентов в межремонтный период.
Для сравнения: газовые и дизельные двигатели Wartsila имеют КПД на валу 45…48 %, даже при пятидесятипроцентных нагрузках он сохраняется на уровне более 40 %. У газовых двигателей КПД практически не снижается в течение всего срока эксплуатации. Для дизельных двигателей снижение КПД составляет около 1 % в период между ремонтами системы впрыска топлива. В отличие от газовых турбин, эксплуатационные параметры поршневых двигателей не снижаются в течение всего жизненного цикла.
Поскольку двигатели Wartsila обеспечивают возможность работы практически на любых видах жидкого и газообразного топлива, топливная составляющая в эксплуатационных расходах может существенно снизиться. Кроме того, может быть значительно снижено сжигание на факелах попутного нефтяного газа (ПНГ) при добыче нефти и других энергоносителей.
В 2010 г. Wartsila стала первой компанией-производителем, вступившей в члены международной организации GGFR (Global Gas Flaring Reduction Partnership – Партнерство по сокращению сжигания попутных газов на факелах). Организация GGFR была создана Всемирным банком для активизации деятельности, связанной с увеличением доли использования ПНГ. Подсчитано, что 140 млрд м³ газа ежегодно сжигается на факелах или выбрасывается в атмосферу. Данная цифра эквивалентна 30 % от общего потребления газа странами Евросоюза, или 75 % экспорта газа из России, или необходимому количеству газа для производства электроэнергии, покрывающей годовую потребность Германии.
При цене газа $4 за миллион Btu стоимость газа, сжигаемого ежегодно на факелах месторождений и НПЗ, составляет $20 млрд. При применении технологий компании Wartsila данные объемы газа могут использоваться для выработки электроэнергии или обратной закачки в пласт для повышения нефтеотдачи месторождений.

Сжигание ПНГ на факелах: решение проблемы
Сжигание неиспользуемого попутного газа на факелах нефтяных месторождений представляет собой значительную потерю ресурсов и огромную экологическую проблему мирового масштаба. Но, к счастью, существуют технологии по использованию ПНГ, включая поршневые двигатели и блоки по утилизации попутного газа компании Wartsila Hamworthy.
Сжигание газа на факелах является настолько «яркой» проблемой, что ее эффект можно наблюдать даже из космоса. Ночью на Земле из космоса видны святящиеся точки, которые соответствуют густонаселенным районам. Однако такие же точки находятся в отдаленных регионах с минимальным населением, но с большим количеством нефтегазовых месторождений, на которых факелы горят 24 часа в сутки 7 дней в неделю.
Кроме 140 млрд м³ газа, ежегодно сжигаемого на факелах, в атмосферу выбрасывается около 400 млн тонн СО₂. Это больше, чем ежегодные выбросы парниковых газов в атмосферу таких стран, как Франция, Италия или Австралия. При сжигании газа на факелах образуются облака дыма, содержащие множество вредных токсичных химикатов. Эти выбросы имеют негативный экологический эффект и могут вызывать ухудшение здоровья населения в прилегающих районах.
Цель международной организации GGFR – убрать все барьеры на пути более эффективного использования ПНГ, сжигаемого на факелах. Существенное значение при этом могут иметь технологии, предлагаемые компанией Wartsila. Но для того чтобы найти эффективные пути использования попутного газа, важно понять, какие существуют барьеры.

Для обеспечения эффективной утилизации попутного газа необходимо использовать надежные, проверенные технологии отделения газа и его подготовки. После приобретения компании Hamworthy в январе 2012 года Wartsila в настоящее время предлагает заказчикам комплексные решения по утилизации ПНГ. При их применении факелы практически не используются, за исключением аварийных случаев. Соответственно, эмиссия парниковых газов в атмосферу сводится практически к нулю. Такие установки уже работают на 22 нефтяных месторождениях в Северном море, Канаде, Бразилии и Западной Африке. По оценкам специалистов, данное оборудование будет востребовано в ближайшее время на всех мировых рынках. При этом типовой проект рассчитан на использование ПНГ в количестве, достаточным для выработки 15 МВт электроэнергии.

Устранение необходимости сжигания попутного нефтяного газа на факелах
Для решения данной проблемы Всемирным банком была создана международная организация GGFR, объединяющая в своих рядах представителей государственных структур, основных нефтегазовых компаний и производителей оборудования.
Компания Wartsila принимает участие в деятельности GGFR с 2010 г. в качестве разработчика и поставщика технологий и оборудования для различных проектов. Основная цель организации – побудить страны к развитию и внедрению технологий по утилизации попутного газа и отказу от его сжигания на факелах.
В апреле 2012 г. принято решение по активизации усилий в данном направлении. Были разработаны глобальные и локальные программы для внедрения технологий утилизации газа на период 2013-15 гг. GGFR проводит постоянный мониторинг ситуации в данном направлении, в том числе и с использованием снимков из космоса. По ее данным, более 25 % добываемого ПНГ в настоящее время сжигается на факелах, однако это усредненные данные.
В действительности ситуация может быть еще хуже. На ряде месторождений попутный нефтяной газ просто выбрасывается в атмосферу без сжигания. Это наносит большой ущерб окружающей среде и обостряет экологическую ситуацию в регионах, поскольку в этом случае концентрация вредных веществ в 20 раз выше, чем при сжигании газа.

При извлечении нефти из пласта вместе с ней извлекаются попутный газ и вода, которые должны быть в дальнейшем отделены. Очень часто нефтегазовые компании не считают ПНГ серьезным дополнительным энергоисточником. Для них важно как можно быстрее извлечь и продать основной продукт – нефть. Соответственно, это снижает интерес компаний к ПНГ и вложению дополнительных средств для его использования.
Большое количество нефтегазовых месторождений расположены в отдаленных регионах, таких как Сибирь, пустыни на Ближнем Востоке, тропические джунгли, где нет местных рынков газа. Как правило, строить газопроводы в данные регионы экономически нецелесообразно из-за объемов ПНГ.
Другой важной проблемой является то, что объем и состав попутного газа может сильно изменяться в течение времени. В составе газа, кроме метана, как основного компонента, присутствуют этан, пропан и бутан. Это значит, что решения для использования ПНГ должны быть гибкими.
Двухтопливные газодизельные двигатели Wartsila как раз и являются таким решением, так как могут непосредственно на площадке месторождения вырабатывать энергию для собственных нужд. Они способны одновременно работать на нефти и попутном газе почти в любых пропорциях, ориентируясь на максимальное использование свободного ПНГ.

Альтернативные варианты использования ПНГ
В некоторых регионах попутный нефтяной газ может использоваться для производства сжиженного природного газа (LNG). В таких случаях компания Wartsila предлагает двигатели для привода компрессоров сжижения газа, а также двигатели и топливные системы, которые могут использовать побочные продукты и тяжелые фракции процесса сжижения газа в качестве топлива.
В других случаях наилучшим применением попутного газа является его обратная закачка в пласт для повышения нефтеотдачи месторождения. И в этом случае Wartsila также предлагает оптимальное оборудование для эксплуатации – двигатели для привода компрессоров.
Компания Wartsila Hamworthy поставила большое количество установок для сжижения и регазификации газа, а также топливных судовых систем для работы на сжиженном газе. Более того, компанией разработаны системы утилизации ПНГ для выработки электроэнергии и питьевой воды для объектов в странах с неразвитой инфраструктурой, которые обеспечивают возможность развития данных регионов.
Можно также использовать попутный нефтяной газ для производства других нефтехимических продуктов. Одним из наиболее ярких примеров применения таких технологий является государственная программа в Саудовской Аравии, где производится целый ряд продуктов с использованием ПНГ в качестве сырья. Это доказывает, что существуют широкие возможности коммерческого использования попутного газа.
Wartsila Hamworthy предоставляет широкий спектр консультационных услуг в области утилизации попутного газа. Компания активно участвует в исследованиях и разработках, проводимых Европейским банком реконструкции и развития в сотрудничестве с GGFR, в частности программ по утилизации газа для России, Таджикистана, Туркмении и Азербайджана.
Еще одним преимуществом инвестиций в программы по утилизации попутного газа является то, что стороны при этом имеют возможность получить карбон-кредиты за снижение уровней эмиссии. Такие кредиты затем можно продать на мировых рынках и получить дополнительную прибыль.
В настоящее время в Европе на факелах сжигаются минимальные объемы попутного газа. В России же, наоборот, большинство объемов ПНГ сжигается на факелах, хотя здесь в 2012 году и принят закон, обязывающий нефтегазовые компании утилизировать не менее 95 % попутного газа (за несоблюдение закона налагаются штрафы).
Но во многих странах такие законы не действуют или до настоящего времени не приняты вовсе: в частности, в Нигерии, Ираке, Иране, Ливии и др. Нефтяные компании неохотно вкладывают средства в развитие технологий по утилизации ПНГ, особенно в регионах с нестабильной политической системой.
Экономические барьеры также являются очень существенными. В ряде случаев нефтегазовые компании имеют подписанные соглашения со странами, где находятся месторождения, касающиеся только добычи нефти. Попутный газ в них никак не отражен. Аналогичным образом, в договорах отсутствуют пункты об ответственности нефтегазовых компаний за сжигание ПНГ или выбросы его в атмосферу. В настоящее время GGFR ведет активную работу по стандартизации таких договоров в мировом масштабе с целью принудить нефтяные компании к утилизации ПНГ.
В ряде стран предприятия нефтегазовой отрасли начинают избавляться от факелов и внедрять технологии по утилизации ПНГ.
Недавно Wartsila приняла участие в модернизации энергетических объектов на нефтяном месторождении Eden-Yuturi в Эквадоре, которое разрабатывает национальная нефтяная компания Petroamazonas. В данный момент электроэнергию для инфраструктуры месторождения вырабатывает электростанция, состоящая из 4-х двухтопливных энергоблоков 18V32GDLN мощностью по 6 МВт. Основным топливом для них является попутный газ, резервным – сырая нефть. Ранее они работали на дизельном топливе, которое необходимо было доставлять издалека через джунгли на грузовых машинах.
Компания Petroamazonas вложила более $ 150 млн в модернизацию электростанции. В настоящее время экономия составляет более $75 млн ежегодно – в результате срок окупаемости инвестиций составит менее двух лет. Уважение вызывает также позиция Petroamazonas. Являясь государственной нефтяной компанией, свою деятельность она ведет с учетом долгосрочных перспектив в интересах всей страны и окружающей среды.
В отличие от других компаний, основная цель которых – просто добыча нефти, Petroamazonas большое внимание уделяет экологическим аспектам. По заявлению руководителей компании, технологии Wartsila позволили исключить транспортно-логистические затраты по доставке топлива для электростанции, решить экологические проблемы в регионе и оптимально и экономно использовать имеющиеся природные ресурсы.

Надежность в эксплуатации
Надежность в эксплуатации – еще одно преимущество поршневых двигателей. Нефтегазовые объекты являются дорогостоящими проектами, и аварии на них могут иметь критические финансовые последствия. Существует мнение, что газовая турбина является более надежным оборудованием, чем поршневой двигатель, поскольку в ней меньше движущихся компонентов. Однако на практике современные среднеоборотные двигатели обеспечивают более надежную работу по сравнению с ГТУ.
Учитывая преимущества по надежности в эксплуатации, топливной гибкости и эксплуатационным расходам, поршневые двигатели можно смело считать оптимальным выбором для компаний нефтегазовой отрасли.