Корабль-завод для сжижения газа на базе конструктора Lego WeDo 2.0

XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Корабль-завод для сжижения газа на базе конструктора Lego WeDo 2.0

Бобова А.А. 1Бобов Ф.А. 1Казымов Т.И. 1Коростелева М.А. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Бек М.А. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Сжиженный природный газ (СПГ) - это ценное топливо, которое играет все более важную роль в мировой энергетике. Но доставка этого газа от месторождения к потребителю - задача непростая. Транспортировка по трубопроводам часто оказывается невозможной из-за географических препятствий, таких как горы, моря и океаны.

Морские пути представляют собой основной способ доставки СПГ, но они сопряжены с рядом сложностей. Во-первых, СПГ - это сверххолодная жидкость, требующая специальных танкеров для транспортировки. Во-вторых, огромные объемы СПГ требуют оптимизации процесса загрузки и разгрузки, а также надежной системы хранения и переработки в процессе перевозки.

В этом контексте возникает необходимость в инновационных решениях. Одним из них является корабль-завод для сжижения газа. Такой корабль способен непосредственно на месте добычи превращать природный газ в СПГ, а затем транспортировать его к потребителю.

Цель: создать проект корабля-завода для сжижения газа из конструктора Lego, наглядно демонстрирующий принцип работы корабля-завода.

Задачи:

  1. Разработать модель корабля-завода из Lego

  2. Использовать детали Lego для создания визуальных представлений основных процессов сжижения газа

  3. Изучить виды полезных ископаемых, добываемых в России

  4. Рассмотреть добычу и транспортировку природного газа

  5. Рассмотреть основные технологические этапы сжижения и транспортировки газа, а также выделить главные преимущества и недостатки такой системы.

Глава 1. Недра Земли: сокровищница ресурсов

    1. Богатства недр: разнообразие полезных ископаемых

Земля хранит в своих недрах множество сокровищ - полезные ископаемые. Это природные ресурсы, которые человек использует для своей жизнедеятельности. Их разнообразие поражает: от привычных нам металлов до редкоземельных элементов, играющих ключевую роль в современной технике[3].

По своему происхождению полезные ископаемые делятся на(Рисунок 1.1.1 Приложения):

  • Минеральные ресурсы: созданные природными процессами, например, руды металлов, углеводороды (нефть, газ), алмазы, соль.

  • Горные породы: используются в строительстве, производстве щебня, песка.

  • Подземные воды: источник питьевой воды и ресурс для сельского хозяйства.

Среди полезных ископаемых выделяют следующие группы(Рисунок 1.1.2 Приложения):

  • Топливные ресурсы: нефть, газ, уголь, торф, сланец, геотермальная энергия. Они обеспечивают энергетические потребности человечества.

  • Рудные ресурсы: содержат металлы (железо, медь, алюминий, золото, серебро, платина) и неметаллы (сера, фосфор, калий). Используются в металлургии, химии, электронике.

  • Неметаллические ресурсы: минералы, не входящие в состав руд, например, глина, песок, щебень, известняк, соль, асбест. Применяются в строительстве, стекольной и химической промышленности.

  • Редкие и редкоземельные элементы: имеют важное значение в современных технологиях, например, в производстве микроэлектроники, светодиодов, лазеров.

Потенциал земных недр огромный, но использование этих ресурсов должно быть рациональным и ответственным. Ведь от того, как мы будем эксплуатировать недра, зависит будущее планеты и всего человечества[4].

1.2. Природный газ: источник энергии и сырья

Природный газ – это ценное ископаемое, играющее ключевую роль в современной энергетике и промышленности. Он представляет собой смесь углеводородных газов, главным образом метана (CH4), с примесью этана, пропана, бутана и других компонентов(Рисунок 1.2.1, Приложения).

Природный газ обладает рядом преимуществ, делающих его привлекательным источником энергии:

  • Экологичность: при сгорании выделяет меньше углекислого газа, чем другие виды топлива, что делает его более экологически чистым.

  • Эффективность: обладает высокой теплотворной способностью, обеспечивая высокую эффективность при сгорании.

  • Безопасность: легче контролировать и хранить, чем другие виды топлива, что снижает риск аварий.

  • Доступность: запасы природного газа значительны, что гарантирует его доступность для будущих поколений.

Применение природного газа:

  • Электроэнергетика: используется в газовых турбинах и газовых электростанциях для производства электроэнергии.

  • Отопление: основной источник тепла для жилых домов, предприятий и учреждений.

  • Промышленность: используется в качестве сырья для получения синтетических материалов, удобрений, лекарств, пластиков.

  • Транспорт: все чаще используется в качестве топлива для автомобилей, автобусов, грузовиков.

1.3. Добыча природного газа: от скважины до газопровода

Добыча природного газа — это процесс извлечения его из подземных месторождений и доставки потребителям. Он включает в себя несколько основных этапов(Рисунок 1.3.1 Приложения):

1. Разведка и бурение.

2. Добыча.

3. Подготовка.

4. Транспортировка.

Добыча природного газа — сложный и многоэтапный процесс, требующий значительных инвестиций и передовых технологий. Но, несмотря на трудности, газ остается важным источником энергии для многих стран мира.

1.4. Транспортировка природного газа: пути доставки и проблемы

Транспортировка природного газа – сложный и ответственный процесс, требующий специальных систем и технологий. Она осуществляется различными способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки(Рисунок 1.4.1 Приложения).

Основные пути транспортировки природного газа:

  • Газопроводы: наиболее распространенный способ. Газопроводы представляют собой сети труб большого диаметра, по которым газ перекачивается под давлением до потребителя. Этот способ отличается относительной недороговизной, надежностью и низкими потерями газа в процессе транспортировки. Однако строительство газопроводов требует значительных инвестиций и занимает много времени. Кроме того, газопроводы часто проходят через территории разных стран, что может приводить к политическим и экономическим проблемам.

  • Танкеры для сжиженного природного газа (СПГ): используются для перевозки газа по морю и океану. СПГ - это природный газ, сжиженный до жидкого состояния при низкой температуре. Транспортировка СПГ позволяет доставлять газ в любую точку мира, где есть морские порты. Однако этот способ отличается высокой стоимостью, требует специальных танкеров и терминалов для приема и переработки СПГ.

  • Автомобильные и железнодорожные цистерны: применяются для перевозки газа на небольшие расстояния. Этот способ отличается гибкостью и возможностью доставки газа в отдаленные районы. Однако он менее эффективен и дороже по сравнению с газопроводами.

Добыча природного газа в арктической зоне сталкивается с серьезной проблемой - транспортировкой через водные преграды.

Традиционно для транспортировки газа используются газопроводы, однако, в условиях сурового арктического климата и обширных водных пространств строительство и эксплуатация газопроводов сопряжены с значительными трудностями и высокой стоимостью.

Строительство подводных газопроводов требует использования специальных технологий, устойчивых к экстремальным температурам и давлению, а также к воздействию ледовых образований. Кроме того, необходимо учитывать экологические риски, связанные с возможными утечками газа и воздействием на морскую флору и фауну.

В качестве альтернативы газопроводам предлагается транспортировка сжиженного природного газа (СПГ). СПГ - это природный газ, превращенный в жидкое состояние при низком давлении и температуре.

Транспортировка СПГ осуществляется специальными танкерами-газовозами, которые оснащены изолированными цистернами для безопасного хранения и перевозки жидкого газа.

Глава 2. Сжиженный природный газ: ключ к глобальной энергетике

2.1. Сжижение газа: превращение в жидкое состояние

Из недр земли голубое топливо добывается в виде смеси из метана, этана, пропана, бутана, гелия, азота, сероводорода и других газов, а также различных их производных[7].

Часть из них применяется в химической промышленности, а часть сжигается в котлах или турбинах для генерации тепловой и электрической энергии. Плюс некоторый объем добытого используется в качестве газомоторного горючего.

Основная причина сжижения природного газа – упрощение его перевозки на дальние расстояния. Если потребитель и скважина добычи газового топлива находятся на суше недалеко друг от друга, то проще и выгодней проложить между ними трубу. Но в ряде случаев магистраль строить выходит слишком дорого и проблематично из-за географических нюансов. Поэтому и прибегают к различным технологиям получения СПГ либо СУГ в жидком виде(Рисунок 2.1.1, Приложения).

После того как газ сжижен, он уже в виде жидкости закачивается в специальные емкости для перевозки морским, речным, автомобильным и/или железнодорожным транспортом. При этом технологически сжижение является достаточно затратным с энергетической точки зрения процессом.

Пока природный газ находится в состоянии жидкости, он не горюч и взрывобезопасен. Только после испарения в ходе регазификации, полученная газовая смесь оказывается пригодна для сжигания в котлах и варочных плитах. Поэтому, если СПГ или СУГ используются как углеводородное топливо, то их обязательно приходится регазифицировать.

Чтобы перевести метан из газового состояния в жидкое, его необходимо охладить до -163 °С. А пропан-бутан сжижается уже при -40 °С. Соответственно технологии и затраты в обоих случаях сильно различаются. Операция по сжижению происходит на заводе в несколько этапов, в ходе которых газ постепенно сжимается и охлаждается до температуры перехода в жидкую фазу.

2.2. Транспортировка СПГ: танкеры и специальные терминалы

Добытый на месторождении природный газ подвергается очистке и осушке, чтобы удалить любые примеси, которые могут повредить оборудование или снизить качество газа. После очистки газ сжимается и охлаждается до очень низкой температуры, около -162 °C, при которой он переходит в жидкое состояние.

Сжиженный природный газ (СПГ) хранится в специальных резервуарах на территории месторождения. Для транспортировки СПГ используются специальные танкеры-газовозы. Эти танкеры оснащены изолированными цистернами, которые поддерживают низкую температуру СПГ во время перевозки.

Танкеры-газовозы доставляют СПГ к приемным терминалам, которые оснащены оборудованием для разгрузки танкеров и хранения СПГ. В терминалах СПГ хранится в резервуарах до тех пор, пока его не потребуется перегрузить в газопроводы для транспортировки к потребителям(Рисунок 2.2.1, Приложения)..

При разгрузке танкера-газовоза СПГ перекачивается из цистерн танкера в резервуары терминала по специальным трубопроводам. Трубопроводы изолированы, чтобы минимизировать теплообмен с окружающей средой и предотвратить испарение СПГ.

В терминалах СПГ может храниться в различных типах резервуаров, включая подземные и надземные резервуары сферической или цилиндрической формы. Резервуары оснащены системами охлаждения, которые поддерживают температуру СПГ на требуемом уровне.

Перед подачей в газопроводы СПГ необходимо регазифицировать, то есть превратить обратно в газообразное состояние. Регазификация осуществляется путем постепенного повышения температуры СПГ в специальных теплообменниках.

После регазификации природный газ подается в газопроводы и транспортируется к потребителям для использования в качестве топлива для электростанций, промышленных предприятий и жилых домов.

Транспортировка СПГ по морю является экономически эффективным и экологически чистым способом доставки природного газа на большие расстояния. Танкеры-газовозы и специальные терминалы играют важную роль в обеспечении бесперебойных поставок СПГ потребителям по всему миру.

2.3 Проблема построения завода по сжижению природного газа в арктической зоне и путь к её решению

Арктика, покрытая льдом и снегом, хранит в себе невероятные запасы природного газа, способные обеспечить энергией целый мир. Но как доставить это сокровище к потребителям, разбросанным по всему земному шару?

Традиционный способ - строительство газопроводов. Однако, в условиях вечной мерзлоты и сурового климата Арктики, прокладка газопроводов становится огромным вызовом. Вечная мерзлота делает почву нестабильной, требуя специальных технологий и материалов, что значительно увеличивает стоимость строительства. Кроме того, ледяные условия затрудняют доступ к месту строительства и транспортировку материалов и оборудования.

Более перспективным решением видится транспортировка сжиженного природного газа (СПГ). Сжижение газа, то есть превращение его в жидкое состояние при низкой температуре, значительно сокращает объем и позволяет перевозить его на танкерах. Но и здесь возникает проблема. Строительство заводов по сжижению газа в Арктике также сталкивается с трудностями из-за вечной мерзлоты и необходимости создания специальной инфраструктуры в суровых климатических условиях.

Корабль-завод: Новое Решение для Арктики

Чтобы преодолеть эти препятствия, родилась идея корабля-завода. Это не просто корабль, а плавучий завод, способный сжижать газ прямо на месторождении и загружать его на танкеры для дальнейшей транспортировки.

Корабль-завод может подплывать к любому месторождению в Арктике, сжижать газ и загружать его на танкеры в независимости от погодных условий и ледовых образований. Это значительно упрощает процесс транспортировки газа и делает его более экономически выгодным.

Корабль-завод оснащен всеми необходимыми технологиями для сжижения газа, включая систему охлаждения, резервуары для хранения СПГ, и оборудование для погрузки на танкеры. Он также имеет систему безопасности и оснащен для работы в суровых климатических условиях Арктики.

Применение корабля-завода может стать прорывом в освоении арктических газовых ресурсов. Это позволит транспортировать газ более эффективно и экологически чисто, а также сократит стоимость проектов по добыче и транспортировке газа из Арктики. Корабль-завод может стать ключом к реализации потенциала арктического газа и обеспечить мировой спрос на энергоресурсы в будущем.

Глава 3. Описание практической части

Проект, построенный на двух больших пластинах LEGO(Рисунок 3.3, Приложения)., представляет собой захватывающую модель транспортировки природного газа из Арктики[2].

Зона Арктики(Рисунок 3.1, Приложения).

На этой пластине изображена суровая Арктика:

  • Белые кубики имитируют ледяную поверхность.

  • В центре зоны располагается буровая вышка, где добывается природный газ(Рисунок 3.2, Приложения).

  • Буровая вышка оснащена вращающейся осью, имитирующей работу бура, приводимую в движение ременной и угловой конической передачей, работающими от мотора 1.

  • На возвышении находится датчик расстояния[5].

Зона Моря

Между Арктикой и портовой зоной располагается пространство, изображающее море(Рисунок 3.4, Приложения).

  • Голубые кубики LEGO имитируют водную поверхность.

  • Используются прозрачные кубики, чтобы создать эффект льда на поверхности воды.

  • От мотора 3 работает кулачковый механизм для движения волн

  • На волнах расположены киты.

Портовая зона(Рисунок 3.5, Приложения).

Порт, имитирующий терминал для переработки и отправки СПГ.

  • Корабль-завод, оснащенный механизмом лебедки, прикрепленным к мотору 1, что позволяет ему перемещаться к зоне Арктики.

  • Датчик наклона, установленный на корабле, для управления мотором 2

Механизм стыковки и расстыковки труб[6]

  • Корабль-завод оснащен речной передачей(Рисунок 3.6, Приложения), приводимой в движение мотором 2.

  • При приближении к буровой вышке датчик расстояния останавливает мотор 1, а мотор 2 приводит в движение речную передачу, что позволяет кораблю подвести трубопровод к буровой вышке и состыковать их.

Глава 4. Описание программного кода

Программа начинается с ожидания реакции датчика наклона(Рисунок 4.1, Приложения). При положении датчика носом вверх запускается мотор 1, приводящий в движение лебедку, ременную передачу и угловую коническую передачу. Лебедка приводит в движение корабль и он движется вперед до тех пор пока датчик расстояния не заметит его. Далее в программе отправляется сообщение для мотора 2 движения реечной передачи (трубы) и стыковки, при этом мотор 1 останавливается. Мотор 2 работает с мощностью 6 по часовой стрелке 0,1 секунды, затем отправляет сообщение для обратного движения мотора. После получения сообщения происходит ожидание реакции датчика наклона. Если датчик наклонить носом вниз, то произойдет расстыковка труб и последующая отправка сообщения для возвращения корабля. Мотор3 и движение кулачкового механизма происходит без остановки[1].

Заключение

В ходе работы над проектом, посвященным транспортировке природного газа из Арктики, мы глубоко погрузились в изучение сложных условий и уникальных вызовов, связанных с освоением этой суровой территории.

Мы узнали, что Арктика хранит в себе огромные запасы природного газа, способные обеспечить энергией весь мир. Однако, транспортировка газа из Арктики - непростая задача из-за вечной мерзлоты, суровых климатических условий и больших расстояний.

Традиционные методы транспортировки газа, такие как строительство газопроводов, в Арктике практически неприменимы из-за сложности строительства и высокой стоимости.

Мы изучили альтернативные способы транспортировки газа, в частности, транспортировку сжиженного природного газа (СПГ), которая представляется более перспективным решением. Однако и здесь возникают трудности с строительством заводов по сжижению газа в суровых арктических условиях.

В качестве решения этой проблемы мы предложили идею корабля-завода - плавучего завода, способного сжижать газ прямо на месторождении и загружать его на танкеры для дальнейшей транспортировки.

Наш проект LEGO помог нам наглядно продемонстрировать принципы работы корабля-завода и его преимущества перед традиционными методами транспортировки газа.

В заключении можно сказать, что проект по транспортировке природного газа из Арктики - это сложная задача, которая требует креативных решений и инновационных подходов. Использование корабля-завода может стать прорывом в освоении арктических газовых ресурсов и обеспечить мировой спрос на энергоресурсы в будущем.

Список использованных источников:

  1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

  2. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

  3. https://umnayavorona.ru/publications/vidy-i-sposoby-dobychi-poleznyh-iskopaemyh

  4. https://dzen.ru/a/ZLrt0PsRTGXsaR1_

  5. https://vek-pto.ru/articles/lebedki/?ysclid=lwn0mbdjlb688483733

  6. https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/55078/1/TPU732357.pdf?ysclid=lwn0ydep4b6221455136+3

  7. https://sovet-ingenera.com/gaz/standart/kak-szhizhaetsya-gaz.html

ПРИЛОЖЕНИЯ

Рисунок 1.1.1 Виды полезных ископаемых Рисунок 1.1.2 Группы полезных ископаемых

Рисунок 1.2.1 Добыча природного газа Рисунок 1.3.1 Свойства природного газа

Рисунок 1.4.1 Транспортировка газа Рисунок 2.1.1 Сжижение Природного газа

Рисунок 2.2.1 Сжижение Природного газа Рисунок 3.1. Зона арктики

Рисунок 3.2 Бурова вышка в арктике Рисунок 3.3 Вид проекта сверху

Рисунок 3.4 Море Рисунок 3.5 Порт

Рисунок 3.6 стыковка труб Рисунок 4.1 Программа

Просмотров работы: 23