الغاز الطبيعي المسال | Liquefied Natural Gas

الغاز الطبيعي المسال (LNG): الهندسة، العمليات، والتطبيقات

يُمثل الغاز الطبيعي المسال (Liquefied Natural Gas - LNG) حجر زاوية في منظومة الطاقة العالمية الحديثة، حيث يقدم حلاً فعالاً لنقل كميات هائلة من الطاقة عبر مسافات شاسعة، متجاوزًا بذلك قيود النقل عبر خطوط الأنابيب. عملية تسييل الغاز الطبيعي، التي تتضمن تبريده إلى درجات حرارة منخفضة للغاية لتحويله من الحالة الغازية إلى السائلة، تُعد إنجازًا هندسيًا معقدًا يجمع بين مبادئ الديناميكا الحرارية، وهندسة العمليات، وهندسة المواد. يهدف هذا المقال إلى تقديم تحليل فني وعلمي متكامل وشامل لسلسلة قيمة الغاز الطبيعي المسال، بدءًا من معالجة الغاز الخام، مرورًا بتقنيات التسييل والتخزين والنقل، وانتهاءً بعمليات إعادة التغويز، مع التركيز على المبادئ الهندسية الأساسية والمعدات المتخصصة التي تجعل هذه الصناعة ممكنة.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للغاز الطبيعي والغاز الطبيعي المسال

لفهم العمليات الهندسية المعقدة في صناعة الغاز الطبيعي المسال، لا بد من البدء بفهم الخصائص الأساسية للمادة الخام (الغاز الطبيعي) والمنتج النهائي (الغاز الطبيعي المسال). هذا الفهم هو أساس تصميم وتشغيل جميع المعدات والعمليات في سلسلة القيمة.

تركيب الغاز الطبيعي

الغاز الطبيعي هو خليط من المركبات الهيدروكربونية يوجد بشكل طبيعي في مكامن تحت سطح الأرض. يتكون بشكل أساسي من الميثان (Methane - CH4)، والذي يشكل عادةً ما بين 70% إلى أكثر من 95% من حجمه. بالإضافة إلى الميثان، يحتوي الغاز الطبيعي الخام على مكونات أخرى يجب التعامل معها خلال عمليات المعالجة والتسييل. تنقسم هذه المكونات إلى:

• الهيدروكربونات الثقيلة (Heavier Hydrocarbons): وتُعرف أيضًا بسوائل الغاز الطبيعي (Natural Gas Liquids - NGLs). تشمل الإيثان (Ethane - C2H6)، والبروبان (Propane - C3H8)، والبيوتان (Butane - C4H10)، والبنتان (Pentane - C5H12) والمركبات الأثقل. هذه المركبات لها درجات غليان أعلى من الميثان ويجب إزالتها قبل التسييل لمنع تجمدها وانسداد المعدات المبردة.
• الشوائب غير الهيدروكربونية: وهي مركبات لا تساهم في القيمة الحرارية للغاز وقد تسبب مشاكل تشغيلية وتآكلًا. تشمل:
  • الماء (Water - H2O): يتجمد الماء عند درجات الحرارة المبردة، مما يؤدي إلى تكوين هيدرات (Hydrates) وبلورات ثلجية تسد الأنابيب والمبادلات الحرارية.
  • الغازات الحمضية (Acid Gases): وأهمها ثاني أكسيد الكربون (Carbon Dioxide - CO2) وكبريتيد الهيدروجين (Hydrogen Sulfide - H2S). ثاني أكسيد الكربون يتجمد في الظروف المبردة، بينما يسبب كبريتيد الهيدروجين تآكلًا شديدًا للمعدات وهو غاز سام.
  • النيتروجين (Nitrogen - N2): هو غاز خامل يقلل من القيمة الحرارية للغاز الطبيعي المسال. يمكن أن يبقى مذابًا في الغاز المسال بكميات محدودة.
  • الزئبق (Mercury - Hg): يوجد بكميات ضئيلة جدًا ولكنه يسبب تآكلًا شديدًا لمعدات الألمنيوم، مثل المبادلات الحرارية المبردة.
  • الهيليوم (Helium - He): غاز خامل وقيم اقتصاديًا، يتم استخلاصه أحيانًا كمنتج ثانوي.

يجب أن يفي الغاز الطبيعي المسال بمواصفات دقيقة لضمان قابلية التبادل التجاري وسلامة التشغيل. تتطلب هذه المواصفات عادةً أن يكون محتوى الميثان أعلى من 85-95%، مع حدود صارمة جدًا على محتوى الشوائب (مثل أقل من 50 جزء في المليون من ثاني أكسيد الكربون وأقل من 4 أجزاء في المليون من كبريتيد الهيدروجين).

خصائص الغاز الطبيعي المسال

عند تبريد الغاز الطبيعي إلى ما يقارب -162 درجة مئوية (-260 درجة فهرنهايت) عند الضغط الجوي، فإنه يتكثف إلى سائل شفاف، عديم اللون، وغير سام، وغير قابل للتآكل. هذا التحول الطوري هو جوهر صناعة الغاز الطبيعي المسال، وينتج عنه تغيرات جذرية في الخصائص الفيزيائية.

1. انخفاض الحجم (Volume Reduction)

الميزة الأساسية للغاز الطبيعي المسال هي انخفاض حجمه الهائل. حيث يشغل الغاز الطبيعي المسال حجمًا يقل بحوالي 600 مرة عن حجمه في حالته الغازية عند الظروف القياسية. هذا التقليص الكبير في الحجم يجعل من الممكن اقتصاديًا تخزين ونقل كميات ضخمة من الطاقة لمسافات طويلة باستخدام ناقلات بحرية متخصصة، وهو أمر غير عملي باستخدام الغاز المضغوط أو خطوط الأنابيب عبر المحيطات.

2. الكثافة (Density)

تتراوح كثافة الغاز الطبيعي المسال بين 430 و 470 كيلوجرام لكل متر مكعب (kg/m³)، اعتمادًا على تركيبه الدقيق ودرجة حرارته وضغطه. هذه الكثافة أقل من نصف كثافة الماء، مما يعني أن الغاز الطبيعي المسال سيطفو فوق سطح الماء في حالة حدوث تسرب. هذه الخاصية مهمة في تقييمات السلامة والمخاطر.

3. درجة الغليان (Boiling Point)

يغلي الغاز الطبيعي المسال عند حوالي -162 درجة مئوية عند الضغط الجوي. نظرًا لأن الغاز الطبيعي المسال يُخزن عند أو بالقرب من نقطة غليانه، فإن أي حرارة تتسرب إلى نظام التخزين تؤدي إلى تبخر جزء صغير من السائل. يُعرف هذا البخار الناتج باسم "غاز التبخر" (Boil-off Gas - BOG)، وهو اعتبار تصميمي وتشغيلي مهم في جميع خزانات وناقلات الغاز الطبيعي المسال.

4. القيمة الحرارية (Heating Value)

القيمة الحرارية هي كمية الطاقة المنبعثة عند حرق وحدة من الوقود. بالنسبة للغاز الطبيعي المسال، تُقاس عادةً بوحدة الطاقة لكل وحدة كتلة أو حجم. تتراوح القيمة الحرارية العليا (Gross Heating Value - GHV) للغاز الطبيعي المسال عادةً بين 50 و 55 ميغاجول لكل كيلوجرام (MJ/kg). تعتمد القيمة الدقيقة على نسبة الميثان إلى الهيدروكربونات الثقيلة؛ فكلما زادت نسبة الإيثان والبروبان، زادت القيمة الحرارية.

مقارنة الخصائص: الغاز الطبيعي مقابل الغاز الطبيعي المسال

لتوضيح الفروق الهندسية الأساسية، يمكن تلخيص المقارنة في الجدول التالي:

سلسلة قيمة الغاز الطبيعي المسال (The LNG Value Chain)

تتكون صناعة الغاز الطبيعي المسال من سلسلة متكاملة من العمليات المترابطة، تُعرف بسلسلة قيمة الغاز الطبيعي المسال. تبدأ هذه السلسلة من حقل الغاز وتنتهي عند المستهلك النهائي. يمكن تقسيمها إلى خمس مراحل رئيسية: الإنتاج والمعالجة، التسييل، التخزين، النقل، وإعادة التغويز.

1. استكشاف وإنتاج الغاز الطبيعي

تبدأ السلسلة باستكشاف المكامن الجوفية للغاز الطبيعي وحفر الآبار لإنتاجه. يتم استخراج الغاز الخام من هذه المكامن تحت ضغط عالٍ. غالبًا ما يكون الغاز المنتج مصحوبًا بالماء، والمكثفات (Condensates)، والشوائب التي تم ذكرها سابقًا. بعد استخراجه، يتم نقل الغاز الخام عبر شبكة من خطوط الأنابيب إلى محطة معالجة الغاز، وهي الخطوة الأولى والضرورية قبل التسييل.

2. معالجة الغاز الطبيعي (Natural Gas Processing)

تعتبر معالجة الغاز الطبيعي مرحلة حاسمة لضمان أن الغاز الذي يدخل إلى وحدة التسييل يفي بالمواصفات الصارمة اللازمة. تهدف هذه المرحلة إلى إزالة جميع المكونات التي يمكن أن تتجمد عند درجات الحرارة المبردة أو تسبب مشاكل تشغيلية. تتضمن عملية المعالجة عدة وحدات متسلسلة:

إزالة الغازات الحمضية (Acid Gas Removal)

يتم إزالة ثاني أكسيد الكربون (CO2) وكبريتيد الهيدروجين (H2S) في عملية تُعرف بـ "التحلية" (Sweetening). الطريقة الأكثر شيوعًا هي الامتصاص الكيميائي باستخدام محاليل الأمين (Amine Treating). في هذه العملية، يمر الغاز الخام عبر برج امتصاص (Absorber) حيث يتلامس مع محلول أمين (مثل Monoethanolamine - MEA أو Methyldiethanolamine - MDEA) الذي يمتص الغازات الحمضية بشكل انتقائي. ثم يتم تسخين محلول الأمين الغني بالغازات الحمضية في برج تجريد (Stripper) لإطلاق الغازات الحمضية وتجديد محلول الأمين لإعادة استخدامه. يجب خفض تركيز CO2 إلى أقل من 50 جزءًا في المليون لمنع تجمده في المبادلات الحرارية المبردة.

نزع الماء (Dehydration)

بعد إزالة الغازات الحمضية، لا يزال الغاز مشبعًا ببخار الماء. يجب تجفيف الغاز لمنع تكون الجليد والهيدرات. تتم هذه العملية عادةً باستخدام المناخل الجزيئية (Molecular Sieves). وهي عبارة عن مواد بلورية مسامية (مثل الزيوليت) يمكنها امتصاص جزيئات الماء بشكل انتقائي من تيار الغاز. يعمل النظام عادةً ببرجين أو أكثر، حيث يكون أحدهما في وضع الامتصاص بينما يتم تجديد الآخر عن طريق تسخينه بغاز جاف وساخن لطرد الماء الممتص. يجب خفض محتوى الماء إلى أقل من 0.1 جزء في المليون.

إزالة الزئبق (Mercury Removal)

يتم إزالة الزئبق باستخدام وحدات امتزاز (Adsorption) تحتوي على طبقات من مواد مثل الكبريت المنشط على الكربون. يتفاعل الزئبق مع الكبريت لتكوين مركب كبريتيد الزئبق (HgS) الصلب والمستقر، والذي يبقى محتجزًا في طبقة الامتزاز. هذه الخطوة ضرورية لحماية المبادلات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم.

فصل سوائل الغاز الطبيعي (NGLs Recovery)

تتم إزالة الهيدروكربونات الثقيلة (الإيثان، البروبان، البيوتان، إلخ) لمنع تجمدها في الأجزاء الأكثر برودة من عملية التسييل وللتحكم في القيمة الحرارية للمنتج النهائي. تتم هذه العملية في وحدات التبريد العميق (Cryogenic Turbo-expander plants) حيث يتم تبريد الغاز وتمديده بسرعة عبر موسع توربيني (Turbo-expander). يؤدي هذا التمدد إلى انخفاض كبير في درجة الحرارة والضغط (تأثير جول-طومسون)، مما يؤدي إلى تكثيف الهيدروكربونات الثقيلة وفصلها عن تيار الميثان الرئيسي. يتم بعد ذلك تجزئة سوائل الغاز الطبيعي المستخلصة إلى منتجات فردية (إيثان، بروبان، إلخ) وبيعها بشكل منفصل.

3. تسييل الغاز الطبيعي (Liquefaction)

تُعد عملية التسييل قلب محطة الغاز الطبيعي المسال وأكثرها استهلاكًا للطاقة. الهدف هو تبريد الغاز الطبيعي المعالج من درجة الحرارة المحيطة إلى حوالي -162 درجة مئوية. يتم ذلك من خلال دورات تبريد (Refrigeration Cycles) تستخدم مبردات (Refrigerants) لامتصاص الحرارة من الغاز الطبيع ي على مراحل. هناك العديد من التقنيات المرخصة للتسييل، ولكن معظمها يعتمد على مبادئ الديناميكا الحرارية نفسها. تشمل التقنيات الرئيسية:

]دورة تبريد (Refrigeration Cycles).

أ. تقنية APCI C3MR (Propane Pre-cooled Mixed Refrigerant)

تُعد هذه التقنية، التي طورتها شركة Air Products and Chemicals, Inc. (APCI)، هي الأكثر انتشارًا في العالم. تستخدم دورتي تبريد:

1. دورة التبريد المسبق بالبروبان (Propane Pre-cooling Cycle): يتم استخدام البروبان كمبرد لتبريد الغاز الطبيعي ومبرد الدورة الثانية إلى حوالي -35 درجة مئوية. يتم ضغط البروبان وتكثيفه ثم تمديده عبر صمامات تمدد عند مستويات ضغط مختلفة لتوفير التبريد في عدة مراحل.
2. دورة المبرد المختلط (Mixed Refrigerant - MR Cycle): بعد التبريد المسبق، يدخل الغاز الطبيعي إلى المبادل الحراري المبرد الرئيسي (Main Cryogenic Heat Exchanger - MCHE)، وهو عادةً مبادل حراري حلزوني اللف (Spiral-Wound Heat Exchanger). في هذا المبادل، يتم تبريد الغاز وتسييله عن طريق خليط من المبردات (نيتروجين، ميثان، إيثان، بروبان) يتدفق في دورة مغلقة. يتم ضغط هذا الخليط وتبريده (باستخدام دورة البروبان) ثم تمديده ليصبح سائلًا باردًا جدًا يمتص الحرارة من الغاز الطبيعي.

ب. تقنية ConocoPhillips Optimized Cascade

تستخدم هذه التقنية ثلاث دورات تبريد منفصلة تستخدم مبردات نقية (أو شبه نقية) في سلسلة متتالية (Cascade). كل دورة تبرد الغاز الطبيعي إلى درجة حرارة أقل من الدورة السابقة:

• الدورة الأولى: تستخدم البروبان لتبريد الغاز إلى حوالي -35 درجة مئوية.
• الدورة الثانية: تستخدم الإيثيلين (Ethylene) لتبريد الغاز إلى حوالي -95 درجة مئوية.
• الدورة الثالثة: تستخدم الميثان لتبريد الغاز إلى درجة حرارة التسييل النهائية (-162 درجة مئوية).

تتميز هذه التقنية ببساطة تشغيلية أكبر مقارنة بدورات المبرد المختلط، حيث يسهل التحكم في دورات المبردات النقية، ولكنها قد تتطلب عددًا أكبر من المعدات.

ج. تقنية Shell DMR (Dual Mixed Refrigerant)

تستخدم هذه التقنية، كما يوحي اسمها، دورتين من المبردات المختلطة. تُستخدم دورة المبرد المختلط الأولى للتبريد المسبق، لتحل محل دورة البروبان في تقنية APCI. تُستخدم دورة المبرد المختلط الثانية للتسييل والتبريد العميق. تسمح هذه التقنية بتحسين كفاءة الطاقة وتُستخدم بشكل شائع في المشاريع الكبيرة والحديثة.

د. تقنية Linde MFC (Mixed Fluid Cascade)

تجمع هذه التقنية بين مزايا تقنية التبريد المتتالي (Cascade) وتقنية المبرد المختلط. تستخدم ثلاث دورات تبريد متتالية، ولكن كل دورة تستخدم خليطًا محسنًا من المبردات بدلاً من مبرد نقي واحد. يتيح ذلك مطابقة أفضل لمنحنيات التبريد للغاز الطبيعي والمبردات، مما يؤدي إلى كفاءة حرارية عالية.

4. تخزين الغاز الطبيعي المسال (LNG Storage)

بعد التسييل، يتم تخزين الغاز الطبيعي المسال في خزانات مبردة كبيرة عند ضغط جوي تقريبًا قبل تحميله على الناقلات. تصميم هذه الخزانات يمثل تحديًا هندسيًا كبيرًا بسبب الحاجة إلى الحفاظ على درجات حرارة منخفضة للغاية وضمان السلامة.

أنواع الخزانات

• خزانات الاحتواء الكامل (Full Containment Tanks): هي النوع الأكثر أمانًا وشيوعًا في المحطات الحديثة. تتكون من خزان داخلي من صلب النيكل بنسبة 9% (9% Nickel Steel) الذي يحتفظ بالغاز المسال، وخزان خارجي من الخرسانة المسلحة مسبقة الإجهاد مصمم لاحتواء السائل والغاز في حالة حدوث تسرب من الخزان الداخلي. يوجد بين الخزانين طبقة عازلة سميكة (عادةً من البيرلايت الموسع - Expanded Perlite) وفراغ يتم تطهيره بالنيتروجين.
• خزانات الاحتواء المزدوج (Double Containment Tanks): تشبه خزانات الاحتواء الكامل، ولكن الجدار الخارجي (عادةً من الصلب الكربوني) مصمم فقط لاحتواء السائل المتسرب وليس البخار.
• خزانات الغشاء (Membrane Tanks): تستخدم بشكل أساسي في ناقلات الغاز الطبيعي المسال ولكن يمكن استخدامها أيضًا على اليابسة. يتكون الخزان الداخلي من غشاء معدني رقيق ومموج (Invar or Stainless Steel) مدعوم بطبقات من العزل وصناديق من الخشب الرقائقي. الجدار الخارجي هو هيكل الخزان (أو هيكل السفينة) الذي يوفر الدعم الهيكلي.

إدارة غاز التبخر (Boil-off Gas - BOG)

بسبب التسرب الحراري الحتمي إلى الخزانات، يتبخر جزء صغير من الغاز الطبيعي المسال باستمرار. يجب التعامل مع غاز التبخر (BOG) هذا للحفاظ على ضغط الخزان ثابتًا. هناك عدة استراتيجيات للتعامل معه:

• إعادة التكثيف (Re-liquefaction): يتم ضغط غاز التبخر وتبريده وإعادته إلى الخزان كسائل.
• استخدامه كوقود: يمكن استخدام غاز التبخر كوقود للتوربينات الغازية التي تولد الكهرباء للمحطة.
• إرساله إلى شبكة الغاز: يمكن ضغطه وإرساله إلى شبكة الغاز المحلية.
• الحرق في الشعلة (Flaring): يُستخدم فقط في حالات الطوارئ أو بدء التشغيل.

5. نقل الغاز الطبيعي المسال (LNG Transportation)

يتم نقل الغاز الطبيعي المسال عبر المحيطات باستخدام ناقلات متخصصة مصممة للحفاظ على الشحنة في حالتها السائلة المبردة طوال الرحلة.

أنظمة الاحتواء في الناقلات (Containment Systems)

هناك نوعان رئيسيان من أنظمة الاحتواء المستخدمة في ناقلات الغاز الطبيعي المسال:

1. نظام موس (Moss Type): يتميز بخزانات كروية مستقلة ومميزة (عادةً 4 أو 5 خزانات) مصنوعة من سبائك الألومنيوم أو صلب النيكل 9%. هذه الخزانات مدعومة هيكليًا بشكل مستقل عن بدن السفينة. تصميمها القوي يجعلها مقاومة للتموجات (Sloshing) ولكنها أقل كفاءة في استخدام مساحة السفينة.
2. نظام الغشاء (Membrane Type): مثل تلك التي طورتها شركة GTT (Gaztransport & Technigaz). تتكون هذه الخزانات من غشاء معدني رقيق جدًا يشكل حاجزًا مانعًا للتسرب، مدعومًا بنظام عزل متكامل متصل مباشرة بالبدن الداخلي للسفينة. هذا التصميم يستغل مساحة السفينة بشكل أفضل ويسمح بسعة أكبر، ولكنه أكثر حساسية للتموجات.

خلال الرحلة، يتم استخدام غاز التبخر (BOG) الناتج من الخزانات كوقود لمحركات السفينة (في أنظمة الدفع بالبخار أو المحركات ثنائية الوقود)، مما يقلل من الحاجة إلى وقود إضافي.

6. إعادة التغويز (Regasification)

المرحلة الأخيرة في السلسلة هي إعادة تحويل الغاز الطبيعي المسال إلى حالته الغازية في محطات الاستقبال (Receiving Terminals). تسمى هذه العملية بإعادة التغويز وتتم عن طريق تسخين الغاز الطبيعي المسال.

يتم ضخ الغاز الطبيعي المسال من خزانات التخزين في محطة الاستقبال ويمر عبر مبخرات (Vaporizers) ترفع درجة حرارته. تشمل أنواع المبخرات الشائعة:

• المبخرات ذات الحامل المفتوح (Open Rack Vaporizers - ORV): تستخدم مياه البحر كمصدر للحرارة. يتدفق الغاز الطبيعي المسال داخل أنابيب، بينما تتدفق مياه البحر فوق السطح الخارجي لهذه الأنابيب، مما يوفر الحرارة اللازمة للتبخير. هذه الطريقة فعالة من حيث التكلفة ولكنها تتطلب مواقع ذات ظروف مائية مناسبة.
• المبخرات ذات الاحتراق المغمور (Submerged Combustion Vaporizers - SCV): يتم حرق غاز الوقود تحت الماء في حوض، والغازات الساخنة الناتجة تمر عبر الماء لتسخينه. يتم بعد ذلك تمرير أنابيب الغاز الطبيعي المسال عبر هذا الحوض المائي الساخن. تُستخدم هذه الطريقة عادةً كاحتياطي أو لزيادة السعة.
• المبخرات التي تستخدم الهواء المحيط (Ambient Air Vaporizers - AAV): تستخدم حرارة الهواء المحيط لتبخير الغاز الطبيعي المسال. تتكون من أنابيب مزعنفة لزيادة مساحة السطح المعرض للهواء. هذه الطريقة صديقة للبيئة ولكنها تعتمد على الظروف الجوية ويمكن أن يتكون الجليد على الزعانف.

بعد إعادة التغويز، يتم ضغط الغاز وقياسه وإدخاله في شبكة خطوط الأنابيب المحلية لتوزيعه على المستهلكين النهائيين (محطات توليد الكهرباء، الصناعات، المنازل).

وحدات التخزين وإعادة التغويز العائمة (Floating Storage and Regasification Units - FSRU)

هي ناقلات غاز طبيعي مسال معدلة ومجهزة بوحدات إعادة تغويز على متنها. يمكن لهذه الوحدات الرسو في ميناء واستقبال شحنات الغاز الطبيعي المسال من ناقلات أخرى، ثم إعادة تغويزها وضخها مباشرة إلى الشبكة البرية. توفر الـ FSRUs حلاً سريعًا ومرنًا وأقل تكلفة من بناء محطات استقبال برية، مما يجعلها خيارًا جذابًا للأسواق الناشئة.

المعدات الرئيسية في مصانع الغاز الطبيعي المسال

تعتمد صناعة الغاز الطبيعي المسال على مجموعة من المعدات الهندسية المتطورة والمصممة خصيصًا للعمل في الظروف المبردة والضغوط العالية. فهم هذه المعدات ضروري للمهندسين العاملين في هذا المجال.

1. المبادلات الحرارية المبردة (Cryogenic Heat Exchangers)

تُعد هذه المبادلات قلب عملية التسييل، حيث يحدث التبادل الحراري بين الغاز الطبيعي والمبردات. يجب أن تكون فعالة للغاية ومدمجة وقادرة على تحمل الإجهادات الحرارية الناتجة عن الفروق الكبيرة في درجات الحرارة.

المبادلات الحرارية حلزونية اللف (Spiral-Wound Heat Exchangers - SWHE)

هي النوع الأكثر استخدامًا في وحدات التسييل الكبيرة (مثل تقنية APCI). تتكون من حزمة أنابيب مركزية (Mandrel) تُلف حولها طبقات متعددة من الأنابيب الصغيرة (عادةً من الألومنيوم) بشكل حلزوني. يتدفق الغاز الطبيعي ذو الضغط العالي داخل هذه الأنابيب، بينما يتدفق المبرد ذو الضغط المنخفض في التجويف الخارجي (Shell side) بين الأنابيب، مما يوفر مساحة تبادل حراري هائلة في حجم صغير جدًا. يمكن أن يصل طول هذه المبادلات إلى 50 مترًا وقطرها إلى 5 أمتار.

المبادلات الحرارية ذات الألواح والزعانف (Plate-Fin Heat Exchangers - PFHE)

تتكون من طبقات متناوبة من الألواح المسطحة (Parting sheets) والزعانف المموجة (Corrugated fins) التي يتم تجميعها ولحامها بالنحاس (Brazing) لتكوين كتلة واحدة. توفر هذه المبادلات نسبة عالية جدًا من مساحة السطح إلى الحجم وهي مدمجة للغاية. يمكن تصميمها للتعامل مع عدة تيارات من الموائع في وقت واحد. تُستخدم بشكل شائع في وحدات فصل الهواء وتقنيات التسييل الأصغر حجمًا (مثل تقنية Phillips Cascade).

2. الضواغط والتوربينات (Compressors and Turbines)

تستهلك الضواغط الجزء الأكبر من الطاقة في محطة التسييل (حتى 30% من إجمالي الطاقة). تُستخدم لضغط المبردات إلى ضغوط عالية قبل تمديدها لتوليد التبريد.

• الضواغط المحورية والطاردة المركزية (Axial and Centrifugal Compressors): هي الأكثر استخدامًا نظرًا لقدرتها على التعامل مع معدلات تدفق كبيرة. يتم تشغيل هذه الضواغط بواسطة محركات قوية.
• المحركات (Drivers): يمكن أن تكون توربينات غازية (Gas Turbines) أو توربينات بخارية (Steam Turbines) أو محركات كهربائية كبيرة (Electric Motors). يعد اختيار المحرك قرارًا استراتيجيًا يؤثر على كفاءة المحطة وتكلفتها وبصمتها البيئية. التوربينات الغازية شائعة لأنها يمكن أن تستخدم جزءًا من الغاز الطبيعي كوقود، بينما تكتسب المحركات الكهربائية (e-drives) شعبية في المشاريع الحديثة لتقليل الانبعاثات المباشرة وزيادة الكفاءة التشغيلية إذا كان مصدر الكهرباء موثوقًا ومنخفض الكربون.

3. المضخات والصمامات المبردة (Cryogenic Pumps and Valves)

يجب تصميم جميع المعدات التي تتعامل مباشرة مع الغاز الطبيعي المسال لتحمل درجات الحرارة المنخفضة للغاية.

المضخات المبردة

تُستخدم لنقل الغاز الطبيعي المسال من وحدات المعالجة إلى خزانات التخزين، ومن الخزانات إلى أذرع التحميل، وفي محطات إعادة التغويز لرفع ضغط السائل قبل تبخيره. عادةً ما تكون مضخات طرد مركزي غاطسة (Submerged centrifugal pumps) يتم تركيبها داخل الخزانات لضمان بقائها باردة وتجنب مشاكل التجويف (Cavitation).

الصمامات المبردة

تُستخدم للتحكم في تدفق الغاز الطبيعي المسال وعزله. يجب أن تكون مصنوعة من مواد تحتفظ بمتانتها في درجات الحرارة المنخفضة (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي). تتميز هذه الصمامات عادةً بـ "غطاء ممتد" (Extended Bonnet)، وهو جزء طويل بين جسم الصمام ومقبض التشغيل. هذا التصميم يبقي حشوة الصمام (Stem packing) بعيدة عن السائل المبرد، مما يمنعها من التجمد ويضمن إحكامًا فعالاً.

السلامة والاعتبارات البيئية في صناعة الغاز الطبيعي المسال

نظرًا للطبيعة المبردة والقابلة للاشتعال للغاز الطبيعي المسال، فإن السلامة هي الأولوية القصوى في تصميم وتشغيل جميع المرافق. كما أن هناك اعتبارات بيئية مهمة تتعلق بالانبعاثات واستهلاك الموارد.

1. هندسة السلامة (Safety Engineering)

تُبنى محطات الغاز الطبيعي المسال وفقًا لمعايير صارمة مثل NFPA 59A (Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas) و EN 1473 (Installation and equipment for liquefied natural gas - Design of onshore installations). تركز هندسة السلامة على الوقاية من المخاطر المحتملة والتخفيف من آثارها.

المخاطر الرئيسية

• الحروق المبردة (Cryogenic Burns): يمكن أن يسبب التلامس المباشر مع الغاز الطبيعي المسال أو الأسطح الباردة حروقًا شديدة في الأنسجة.
• التقصف الهش (Brittle Fracture): يمكن أن تفقد المواد غير المناسبة (مثل الفولاذ الكربوني العادي) ليونتها وتصبح هشة عند تعرضها لدرجات حرارة منخفضة، مما قد يؤدي إلى فشل كارثي للمعدات.
• الاختناق (Asphyxiation): في حالة حدوث تسرب في منطقة مغلقة، يمكن للغاز الطبيعي أن يحل محل الأكسجين ويسبب الاختناق.
• القابلية للاشتعال (Flammability): عندما يتبخر الغاز الطبيعي المسال ويمتزج بالهواء بنسب تركيز تتراوح بين 5% و 15%، فإنه يشكل سحابة قابلة للاشتعال. إذا وجدت مصدر إشعال، يمكن أن يحدث حريق أو انفجار.
• الانتقال الطوري السريع (Rapid Phase Transition - RPT): هي ظاهرة فيزيائية (وليست كيميائية) تحدث عندما يتلامس سائل مبرد مثل الغاز الطبيعي المسال مع سائل أكثر دفئًا (مثل الماء). يمكن أن يؤدي الانتقال الحراري السريع إلى تبخر عنيف وفوري للغاز الطبيعي المسال، مما يولد موجة ضغط تشبه الانفجار.

أنظمة الحماية

تتضمن محطات الغاز الطبيعي المسال طبقات متعددة من الحماية (Layers of Protection Analysis - LOPA)، بما في ذلك:

• أنظمة الكشف عن الغاز والحرائق (Fire and Gas Detection Systems): أجهزة استشعار للكشف عن تسرب الغازات القابلة للاشتعال واللهب والدخان.
• أنظمة إيقاف التشغيل في حالات الطوارئ (Emergency Shutdown - ESD): تعمل على عزل أقسام من المحطة وإيقاف تدفق المواد الخطرة تلقائيًا عند اكتشاف خطر.
• أنظمة الاحتواء (Containment Systems): تُبنى أحواض تجميع (Impoundment basins) حول الخزانات ومناطق المعالجة لاحتواء أي تسرب ومنع انتشاره.
• أنظمة مكافحة الحرائق: تشمل أنظمة رش المياه لتبريد المعدات، وأنظمة الرغوة عالية التمدد (High-expansion foam) للسيطرة على الحرائق، وأنظمة المسحوق الكيميائي الجاف.

2. الأثر البيئي (Environmental Impact)

على الرغم من أن الغاز الطبيعي يُعتبر أنظف أنواع الوقود الأحفوري عند حرقه (ينتج كميات أقل من ثاني أكسيد الكربون والملوثات مقارنة بالفحم والنفط)، إلا أن سلسلة قيمة الغاز الطبيعي المسال لها بصمة بيئية يجب إدارتها.

• استهلاك الطاقة والانبعاثات: عملية التسييل كثيفة الاستهلاك للطاقة. يمكن أن تستهلك ما بين 8% إلى 12% من محتوى الطاقة في الغاز. الانبعاثات الرئيسية هي ثاني أكسيد الكربون من احتراق الوقود في التوربينات الغازية. المشاريع الحديثة تسعى لزيادة الكفاءة واستخدام المحركات الكهربائية ودمج تقنيات احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (Carbon Capture, Utilization, and Storage - CCUS) لتقليل هذه الانبعاثات.
• انبعاثات الميثان (Methane Slip): الميثان هو أحد غازات الدفيئة القوية. يمكن أن يحدث تسرب للميثان (انبعاثات هاربة) من المعدات مثل الصمامات والضواغط. تعتبر السيطرة على هذه الانبعاثات أولوية بيئية متزايدة.
• التأثير على النظم البحرية: يمكن أن يؤثر استخدام كميات كبيرة من مياه البحر في المبخرات من نوع ORV على الحياة البحرية من خلال سحب الكائنات الحية وتغيير درجة حرارة المياه المرتجعة.

التطبيقات وأنواع المشاريع

تتنوع مشاريع الغاز الطبيعي المسال في حجمها ونطاقها لتلبية احتياجات الأسواق المختلفة.

1. مشاريع واسعة النطاق (Large-Scale Projects)

هي محطات التسييل البرية التقليدية (Baseload plants) التي تتكون من عدة خطوط إنتاج (Trains) متوازية، كل منها قادر على إنتاج ملايين الأطنان من الغاز الطبيعي المسال سنويًا. هذه المشاريع تتطلب استثمارات ضخمة وتستهدف أسواق التصدير العالمية الكبيرة.

2. المشاريع العائمة (Floating LNG - FLNG)

هي منشآت تسييل كاملة مبنية على هيكل سفينة ضخم. يتم وضع وحدة FLNG فوق حقل غاز بحري، حيث تقوم بإنتاج ومعالجة وتسييل الغاز وتخزينه ثم تفريغه مباشرة إلى ناقلات الغاز الطبيعي المسال. تتميز هذه التقنية بالقدرة على استغلال حقول الغاز البحرية البعيدة التي يصعب ربطها بالبر، وتقليل الأثر البيئي على السواحل. يعد مشروع Prelude FLNG التابع لشركة Shell أحد أبرز الأمثلة.

3. مشاريع صغيرة ومتوسطة النطاق (Small-Scale and Mid-Scale LNG)

تركز هذه المشاريع على أسواق متخصصة وتطبيقات لا تتطلب الكميات الهائلة من المشاريع الكبيرة. تشمل تطبيقاتها:

• وقود النقل (Bunkering): تزويد السفن بالغاز الطبيعي المسال كوقود بديل أنظف لزيت الوقود الثقيل، امتثالاً للوائح البيئية البحرية الصارمة.
• وقود المركبات الثقيلة: استخدام الغاز الطبيعي المسال كوقود للشاحنات والحافلات لمسافات طويلة.
• توليد الطاقة خارج الشبكة: توفير الغاز لمحطات توليد الكهرباء في المناطق النائية أو الجزر التي لا يمكن الوصول إليها عبر خطوط الأنابيب.
• تزويد الشبكات الصناعية: توفير الغاز للمجمعات الصناعية التي تحتاج إلى إمدادات طاقة موثوقة.

تتميز هذه المشاريع بتكاليف رأسمالية أقل وفترات إنشاء أقصر، مما يوفر مرونة أكبر في تلبية الطلب المتغير على الطاقة.

الخاتمة

يمثل الغاز الطبيعي المسال تقنية محورية في مشهد الطاقة العالمي، حيث يعمل كجسر بين الموارد الهيدروكربونية ومستقبل طاقة أكثر استدامة. إن سلسلة القيمة، بدءًا من المعالجة المعقدة للغاز الخام وانتهاءً بإعادة التغويز، هي شهادة على الابتكار الهندسي في مجالات الديناميكا الحرارية، وعلم المواد، وهندسة العمليات. من خلال فهم المبادئ الأساسية للمعدات والعمليات، والالتزام بأعلى معايير السلامة، والسعي المستمر لتقليل الأثر البيئي، تواصل صناعة الغاز الطبيعي المسال لعب دور حيوي في تلبية الطلب العالمي على طاقة موثوقة ونظيفة نسبيًا، مع التكيف المستمر مع متطلبات السوق المتغيرة والتوجهات التكنولوجية الحديثة.

المصادر

• Mokhatab, S., Mak, J. Y., Valappil, J. V., & Wood, D. A. (2013). Handbook of Liquefied Natural Gas. Gulf Professional Publishing.
• Chowdhury, S. (2013). LNG: A Nontechnical Guide. PennWell Corp.
• Air Products and Chemicals, Inc. (n.d.). LNG Process Technologies and Equipment. Company Technical Publications.
• Center for Liquefied Natural Gas (CLNG). (n.d.). The LNG Process. Retrieved from https://www.lngfacts.org/
• Shell Global. (n.d.). Floating LNG (FLNG) Technology. Company Website.
• NFPA 59A: Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas, 2019 Edition.
• International Group of Liquefied Natural Gas Importers (GIIGNL). (2020). The LNG industry: GIIGNL annual report.

اقرأ أيضًا

• الصمام الكروي
• معالجة الغاز الطبيعي
• الغاز الطبيعي
• المبادلات الحرارية
• المضخات
• التوربينات
• كبس الغاز الطبيعي
• الخزانات النفطية