چگونه چرخه‌های مایع‌سازی کسکید، مبرد مختلط و SMR راندمان و هزینه‌های سرمایه‌ای تاسیسات LNG را تعیین می‌کنند

چرخه بهینه تولید گاز طبیعی مایع (LNG) کاملاً به مقیاس و موقعیت مکانی تاسیسات بستگی دارد: چرخه‌های کسکید (Cascade) راندمان حرارتی را به قیمت اشغال فضای فیزیکی عظیم به حداکثر می‌رسانند، چرخه‌های مبرد مختلط تک‌مرحله‌ای (SMR) تعداد تجهیزات را برای استفاده در تاسیسات فراساحلی به حداقل می‌رسانند، و مبرد مختلط از پیش خنک‌شده با پروپان (C3MR) تعادلی استاندارد برای پایانه‌های بزرگ خشکی ایجاد می‌کند. این بده‌بستان مهندسی اساساً حول محور ترمودینامیک در برابر هزینه‌های سرمایه‌ای می‌چرخد. خنک کردن گاز طبیعی تا حالت مایع نیازمند کار مکانیکی عظیمی است و روش انتخابی برای استخراج این حرارت، اندازه فیزیکی، هزینه و پیچیدگی عملیاتی کل پایانه صادراتی را دیکته می‌کند.[3]

ساخت یک پایانه صادراتی LNG نیازمند میلیاردها دلار سرمایه اولیه است و خود واحدهای مایع‌سازی (Train) بین ۳۰ تا ۴۰ درصد از کل هزینه تاسیسات را شامل می‌شوند. گاز طبیعی که عمدتاً از متان تشکیل شده، باید تا حدود منفی ۱۶۲ درجه سانتی‌گراد (منفی ۲۶۰ درجه فارنهایت) خنک شود تا به مایع تبدیل شده و حجم آن برای حمل‌ونقل دریایی ۶۰۰ برابر کاهش یابد. دستیابی به این دماهای فوق‌سرد (کرایوژنیک) نیازمند راه‌اندازی کمپرسورهای عظیمی است که سیالات مبرد را از میان کیلومترها مبدل حرارتی عبور می‌دهند؛ فرآیندی که در صورت استفاده از توربین‌های گازی سنتی، حدود ۸ تا ۱۰ درصد از خود گاز خوراک را مصرف می‌کند.[1]

فیزیک خنک‌سازی یک مخلوط گازی پیچیده است، زیرا گاز طبیعی در یک دمای واحد تقطیر نمی‌شود؛ بلکه در امتداد یک منحنی خنک می‌شود و اجزای هیدروکربنی سنگین‌تر آن پیش از مایع شدن متان جدا می‌شوند. مهندسان برای تطبیق کارآمد با این منحنی خنک‌سازی، به چرخه‌های تبرید متکی هستند. اولین تاسیسات پایه تجاری که در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافتند، از چرخه کسکید خالص استفاده می‌کردند. این رویکرد از سه حلقه تبرید مجزا - معمولاً پروپان، اتیلن و متان - بهره می‌برد که هر کدام در فشارها و دماهای متفاوتی کار می‌کنند تا گاز طبیعی را مرحله به مرحله به حالت فوق‌سرد نهایی خود برسانند.

مزیت اصلی چرخه کسکید خالص، مانند فرآیند کسکید بهینه‌شده کونوکو فیلیپس (ConocoPhillips) که به طور گسترده در استرالیا و ساحل خلیج ایالات متحده استفاده می‌شود، راندمان ترمودینامیکی آن است. با استفاده از مبردهای خالص، این چرخه می‌تواند به مصرف توان ویژه ۲۸۰ تا ۳۰۰ کیلووات‌ساعت به ازای هر تن LNG تولیدی دست یابد. با این حال، این راندمان نیازمند سه رشته کمپرسور مجزا، سه مجموعه محرک و شبکه‌ای گسترده از مبدل‌های حرارتی است. هزینه‌های سرمایه‌ای ناشی از آن و فضای فیزیکی عظیمی که اشغال می‌کند، این روش را تنها برای سایت‌های بزرگ خشکی که در آن‌ها فضا به وفور یافت می‌شود، توجیه‌پذیر می‌سازد.[3]

برای کاهش تعداد این تجهیزات، صنعت مفهوم مبرد مختلط (MR) را توسعه داد. به جای استفاده از چندین سیال خالص در حلقه‌های مجزا، یک چرخه MR نیتروژن، متان، اتان و پروپان را در یک سیال واحد ترکیب می‌کند. از آنجا که این یک مخلوط است، مبرد به جای یک نقطه جوش مشخص، در یک بازه دمایی می‌جوشد که به آن اجازه می‌دهد در یک مبدل حرارتی واحد، تطابق نزدیکی با منحنی خنک‌سازی گاز طبیعی داشته باشد. ساده‌ترین شکل این مفهوم، چرخه مبرد مختلط تک‌مرحله‌ای (SMR) است.[1][2]

چرخه‌های SMR تنها به یک کمپرسور اصلی و یک مبدل حرارتی فوق‌سرد نیاز دارند که این امر فضای اشغالی و هزینه سرمایه‌ای اولیه تاسیسات را به شدت کاهش می‌دهد. این ویژگی، SMR را به انتخاب غالب برای تاسیسات کوچک‌مقیاسِ پیک‌سایی و واحدهای ماژولار با تولید کمتر از ۱٫۵ میلیون تن در سال (MTPA) تبدیل می‌کند. اخیراً، این فناوری به گزینه ارجح برای شناورهای تولید گاز طبیعی مایع (FLNG) تبدیل شده است. بر اساس تحلیل سال ۲۰۲۴ موسسه مطالعات انرژی آکسفورد: «در محیط‌های فراساحلی که فضای عرشه بر حسب ده‌ها هزار دلار در هر متر مربع محاسبه می‌شود، تعداد تجهیزات محدودیت اصلی به شمار می‌رود.»

بهای طراحی فشرده SMR، افت قابل‌توجه در راندمان حرارتی است. چرخه‌های SMR معمولاً به ۳۳۰ تا ۳۶۰ کیلووات‌ساعت انرژی به ازای هر تن LNG نیاز دارند، به این معنی که برای تولید حجم برابری از محصول در مقایسه با سیستم‌های کسکید، انرژی بیشتری مصرف می‌کنند. علاوه بر این، اپراتورها باید به طور مداوم ترکیب دقیق مبرد مختلط را برای تطبیق با تغییرات دمای محیط و ترکیب گاز خوراک تنظیم کنند که این امر پیچیدگی عملیاتی را به سخت‌افزار ساده‌شده آن می‌افزاید.[3]

در جستجوی نقطه تعادلی میان راندمان بالای سیستم‌های کسکید و تعداد کم تجهیزات در SMR، شرکت محصولات و مواد شیمیایی هوا (APCI) چرخه مبرد مختلط از پیش خنک‌شده با پروپان (C3MR) را در دهه ۱۹۷۰ معرفی کرد. این رویکرد ترکیبی از یک حلقه پروپان خالص برای پیش‌سرد کردن گاز طبیعی تا حدود منفی ۳۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌کند و سپس یک حلقه مبرد مختلط، دمای گاز را تا منفی ۱۶۲ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد. با تقسیم وظیفه خنک‌سازی، C3MR بار کمپرسورها و اندازه مبدل‌های حرارتی را بهینه می‌کند.[2]

چرخه C3MR به استاندارد بلامنازع صنعت تبدیل شده است و حدود ۷۵ درصد از ظرفیت پایه LNG جهانی را به خود اختصاص می‌دهد. این چرخه به مصرف توان ویژه ۲۹۰ تا ۳۲۰ کیلووات‌ساعت بر تن دست می‌یابد - که تقریباً با چرخه کسکید خالص برابری می‌کند - در حالی که به فضای فیزیکی بسیار کمتر و رشته‌های کمپرسور کمتری نیاز دارد. یک واحد استاندارد C3MR می‌تواند به راحتی برای تولید ۴ تا ۵ میلیون تن در سال (MTPA) مقیاس‌پذیر شود که نقطه ایده‌آلی برای پایانه‌های بزرگ صادراتی خشکی در قطر، ایالات متحده و استرالیا محسوب می‌شود.[1][2]

با تکامل صنعت LNG، معیارهای انتخاب چرخه مایع‌سازی نیز در حال تغییر است. از نظر تاریخی، این انتخاب توسط اندازه توربین‌های گازی صنعتی موجود که برای به حرکت درآوردن کمپرسورها استفاده می‌شدند، دیکته می‌شد. امروزه، تلاش برای کربن‌زدایی از تولید LNG، توسعه‌دهندگان را به سمت جایگزینی توربین‌های گازی با موتورهای الکتریکی (e-drives) متصل به شبکه‌های تجدیدپذیر سوق می‌دهد؛ تغییری که در برنامه‌های توسعه سال ۲۰۲۵ برای چندین تاسیسات در ایالات متحده مشهود است. محرک‌های الکتریکی، اندازه بهینه کمپرسور را تغییر داده و محاسبات اقتصادی بین طرح‌های C3MR و کسکید را اندکی دستخوش تغییر می‌کنند.[1][3]

در نهایت، انتخاب چرخه مایع‌سازی، اقتصاد عملیاتی یک تاسیسات را برای دهه‌ها تثبیت می‌کند. یک تاسیسات ۱۰ میلیون تنی (MTPA) که راندمان حرارتی آن از ۳۰۰ کیلووات‌ساعت بر تن به ۳۲۰ کیلووات‌ساعت بر تن تغییر کند، سالانه ۲۰۰ گیگاوات‌ساعت انرژی اضافی مصرف خواهد کرد. این تصمیم مهندسی بر این اساس استوار است که آیا هزینه سرمایه‌ای برای دستیابی به آن راندمان، بر محدودیت‌های فضایی سایت غلبه می‌کند یا خیر؛ محاسبه‌ای که تضمین می‌کند چرخه‌های کسکید، SMR و C3MR همگی نقش‌های متمایز خود را در تجارت جهانی گاز حفظ خواهند کرد.[3]