Maakaasun kuljetus

Maakaasun tehokas ja tuloksellinen kuljettaminen tuotantoalueilta kulutusalueille edellyttää laajaa ja monimutkaista kuljetusjärjestelmää. Monissa tapauksissa tietystä kaivosta tuotetun maakaasun on kuljettava suuri matka päästäkseen käyttöpaikalleen. Maakaasun kuljetusjärjestelmä koostuu monimutkaisesta putkistoverkosta, joka on suunniteltu kuljettamaan maakaasua nopeasti ja tehokkaasti sen alkuperästä alueille, joilla maakaasun kysyntä on suurta. Maakaasun kuljetus liittyy läheisesti sen varastointiin: jos kuljetettavaa maakaasua ei tarvita välittömästi, se voidaan varastoida varastoihin sitä varten, kun sitä tarvitaan.

Kuljetusreitin varrella on kolme pääasiallista putkistotyyppiä: keruujärjestelmä, osavaltioiden välinen putkistojärjestelmä ja jakelujärjestelmä. Keräysjärjestelmä koostuu matalapaineisista, halkaisijaltaan pienistä putkistoista, jotka kuljettavat raakaa maakaasua öljylähteestä jalostuslaitokseen. Jos tietystä kaivosta tulevan maakaasun rikki- ja hiilidioksidipitoisuus on korkea (hapan kaasu), on asennettava erityinen hapan kaasun keräysputki. Hapan kaasu on syövyttävää, joten sen kuljettaminen porauskaivosta makeutuslaitokseen on tehtävä huolellisesti. Käy läpi maakaasun käsittelyä ja jalostusta.

Putkistoja voidaan luonnehtia valtioiden välisiksi tai valtioiden sisäisiksi. Osavaltioiden väliset putkistot ovat samanlaisia kuin osavaltioiden välisessä moottoritiejärjestelmässä: ne kuljettavat maakaasua osavaltioiden rajojen yli, joissakin tapauksissa koko maan halki. Valtion sisäiset putkistot puolestaan kuljettavat maakaasua tietyn osavaltion sisällä. Tässä jaksossa käsitellään vain osavaltioiden välisten maakaasuputkistojen perusteita, mutta käsiteltävät tekniset ja toiminnalliset yksityiskohdat ovat kuitenkin olennaisilta osin samat kuin osavaltioiden sisäisissä putkistoissa.

Sisävaltioiden väliset maakaasuputkistot

Sisävaltioiden väliset maakaasuputkistot

Lähde: National Energy Technology Laboratory, DOE

Sisävaltioiden välinen maakaasuputkistoverkosto kuljettaa jalostettua maakaasua tuottavilla alueilla sijaitsevista jalostuslaitoksista niille alueille, joilla maakaasun tarve on suuri, erityisesti suurille, asutuille kaupunkialueille. Kuten voidaan nähdä, putkiverkosto ulottuu koko maan halki.
Yhdysvaltojen väliset putkistot ovat maakaasun siirron ”moottoriteitä”. Osavaltioiden välisissä putkistoissa kuljetettava maakaasu kulkee putkistossa korkeassa paineessa, joka vaihtelee 200 ja 1500 paunan välillä neliötuumaa kohden (psi). Tämä pienentää kuljetettavan maakaasun tilavuutta (jopa 600-kertaiseksi) sekä puskee maakaasua putkiston läpi.

Tässä jaksossa käsitellään osavaltioiden välisen putkistojärjestelmän osia, putkistojen rakentamista sekä putkistojen tarkastusta ja turvallisuutta. Jos haluat lisätietoja osavaltioiden välisistä putkistoista yleensä, klikkaa tästä ja käy Interstate Natural Gas Association of America -järjestön verkkosivustolla.

Putkiston komponentit

Välisten maiden väliset putkistot koostuvat useista komponenteista, jotka varmistavat tehokkuuden ja luotettavuuden järjestelmässä, joka toimittaa näin tärkeää energialähdettä ympäri vuoden, 24 tuntia vuorokaudessa, ja johon kuuluu useita eri komponentteja.

Transitioputket

Transitioputket

Lähde: Duke Energy Gas Transmission Canada

Transmissioputket voivat olla halkaisijaltaan 6-48 tuumaa riippuen niiden käyttötarkoituksesta. Tietyt putkiosuudet voivat koostua jopa halkaisijaltaan pienistä, jopa 0,5 tuuman putkista. Tätä halkaisijaltaan pientä putkea käytetään kuitenkin yleensä vain keruu- ja jakelujärjestelmissä. Päälinjan siirtoputket, jotka ovat tietyn järjestelmän pääasiallinen putkisto, ovat yleensä halkaisijaltaan 16-48 tuumaa. Sivuputket, jotka toimittavat maakaasua pääputkistoon tai pääputkistosta, ovat yleensä halkaisijaltaan 6-16 tuumaa. Useimpien suurten osavaltioiden välisten putkistojen halkaisija on 24-36 tuumaa. Varsinainen putkisto, jota kutsutaan yleisesti ”linjaputkeksi”, koostuu vahvasta hiiliteräsmateriaalista, joka on suunniteltu American Petroleum Instituten (API) asettamien standardien mukaisesti. Sitä vastoin osa jakeluputkista valmistetaan pitkälle kehitetystä muovista, koska tarvitaan joustavuutta, monikäyttöisyyttä ja vaihtamisen helppoutta.

Johtoputket valmistetaan terästehtaissa, jotka ovat toisinaan erikoistuneet valmistamaan vain putkia. On olemassa kaksi erilaista tuotantotekniikkaa, toinen halkaisijaltaan pienille putkille ja toinen halkaisijaltaan suurille putkille. Halkaisijaltaan halkaisijaltaan 20-42 tuuman putket valmistetaan metallilevyistä, jotka taitetaan putken muotoon ja joiden päät hitsataan yhteen putkiosuudeksi. Halkaisijaltaan pienet putket voidaan sitä vastoin valmistaa saumattomasti. Tällöin metallitanko kuumennetaan erittäin korkeisiin lämpötiloihin, minkä jälkeen tangon keskelle lävistetään reikä, jolloin saadaan ontto putki. Kummassakin tapauksessa putki testataan ennen sen lähettämistä terästehtaalta, jotta varmistetaan, että se täyttää maakaasun kuljetukseen vaadittavat paine- ja lujuusstandardit.

Linjaputki päällystetään myös erikoispinnoitteella sen varmistamiseksi, että se ei syöpynyt, kun se on sijoitettu maahan. Pinnoitteen tarkoituksena on suojata putkea kosteudelta, joka aiheuttaa korroosiota ja ruostumista. On olemassa useita erilaisia pinnoitustekniikoita. Aiemmin putkistot päällystettiin erikoistuneella kivihiilitervaemalilla. Nykyään putket suojataan usein niin sanotulla fuusiosidepoksilla, joka antaa putkelle huomattavan vaaleansinisen värin. Lisäksi käytetään usein katodista suojausta, joka on tekniikka, jossa putken läpi johdetaan sähkövirtaa korroosion ja ruostumisen estämiseksi.

Kompressoriasemat

Kuten mainittiin, maakaasu on suuressa paineessa, kun se kulkee osavaltioiden välisessä putkistossa. Sen varmistamiseksi, että minkä tahansa putkilinjan läpi virtaava maakaasu pysyy paineistettuna, maakaasua on puristettava ajoittain putken varrella. Tämä tapahtuu kompressoriasemilla, jotka sijoitetaan yleensä 40-100 mailin välein putkilinjan varrelle. Maakaasu tulee kompressoriasemalle, jossa se puristetaan joko turbiinin, moottorin tai moottorin avulla.

Kompressoriasema

Lähde: Duke Energy Gas Transmission Canada

Turbiinikompressorit saavat energiansa käyttämällä pienen osan tiivistämästään maakaasusta. Itse turbiini palvelee keskipakokompressoria, joka sisältää eräänlaisen puhaltimen, joka puristaa ja pumppaa maakaasua putkiston läpi. Joitakin kompressoriasemia käytetään käyttämällä sähkömoottoria, joka pyörittää samantyyppistä keskipakokompressoria. Tämäntyyppinen puristus ei edellytä putkesta tulevan maakaasun käyttöä, mutta se edellyttää kuitenkin luotettavaa sähkönlähdettä lähistöllä. Joidenkin kompressoriasemien käyttövoimana käytetään myös mäntämoottoreita. Nämä moottorit muistuttavat hyvin suurta autonmoottoria, ja niiden voimanlähteenä käytetään putkistossa olevaa maakaasua. Maakaasun palaminen pyörittää moottorin ulkopuolella olevia mäntiä, jotka puristavat maakaasua.

Maakaasun puristamisen lisäksi kompressoriasemat sisältävät yleensä myös jonkinlaisen nesteenerottimen, joka on samanlainen kuin ne, joita käytetään maakaasun kuivattamiseen sen käsittelyn aikana. Yleensä nämä erottimet koostuvat pesureista ja suodattimista, jotka keräävät nesteet tai muut ei-toivotut hiukkaset putkistossa olevasta maakaasusta. Vaikka putkistoissa kulkevaa maakaasua pidetään ”kuivana” kaasuna, ei ole harvinaista, että tietty määrä vettä ja hiilivetyjä tiivistyy kaasuvirrasta kuljetuksen aikana. Kompressoriasemien nesteenerottimet varmistavat, että putkistossa oleva maakaasu on mahdollisimman puhdasta, ja yleensä ne suodattavat kaasun ennen puristamista.

Mittausasemat

Mittausasemia

Sen lisäksi, että maakaasua puristetaan sen tilavuuden pienentämiseksi ja sen työntämiseksi putkiston läpi, mittausasemia sijoitetaan säännöllisin väliajoin pitkin osavaltioiden välisiä maakaasuputkia. Näiden asemien avulla putkiyhtiöt voivat valvoa putkissaan olevan maakaasun määrää. Pohjimmiltaan nämä mittausasemat mittaavat kaasun virtausta putkistossa ja antavat putkiyhtiöille mahdollisuuden ”seurata” maakaasun kulkua putkistoa pitkin. Näillä mittausasemilla käytetään erikoismittareita, joilla maakaasua mitataan sen virratessa putkiston läpi estämättä sen liikkumista.

Venttiilit

Pohjavesiventtiili

Lähde: Duke Energy Gas Transmission Canada

Valtion sisäisiin putkistoihin kuuluu suuri määrä venttiilejä koko pituudeltaan. Nämä venttiilit toimivat kuin portit; ne ovat yleensä auki ja antavat maakaasun virrata vapaasti, tai niiden avulla voidaan pysäyttää kaasun virtaus tiettyä putkiosuutta pitkin. On monia syitä, joiden vuoksi putkistossa voidaan joutua rajoittamaan kaasun virtausta tietyillä alueilla. Jos esimerkiksi putken osa vaatii vaihtoa tai huoltoa, kyseisen putken osan molemmissa päissä olevat venttiilit voidaan sulkea, jotta insinöörit ja työryhmät pääsevät sinne turvallisesti. Näitä suuria venttiilejä voidaan sijoittaa 5-20 mailin välein putkiston varrelle, ja niitä säännellään turvallisuusmääräyksillä.

Valvonta-asemat ja SCADA-järjestelmät

Maakaasuputkiyhtiöillä on asiakkaita putkilinjan molemmissa päissä – tuottajat ja jalostajat, jotka syöttävät kaasua putkilinjaan, sekä kuluttajat ja paikalliset kaasulaitokset, jotka ottavat kaasua putkilinjasta. Putkistoon tulevan maakaasun hallitsemiseksi ja sen varmistamiseksi, että kaikki asiakkaat saavat osuutensa tästä kaasusta ajallaan, tarvitaan kehittyneitä valvontajärjestelmiä, joilla valvotaan kaasua sen kulkiessa putkiston kaikkien osien läpi, mikä voi olla hyvinkin pitkä putkiverkosto. Tämän putkistossa kulkevan maakaasun valvonta- ja ohjaustehtävän suorittamiseksi keskitetyt kaasunvalvonta-asemat keräävät, yhdistävät ja hallinnoivat tietoja, jotka saadaan valvonta- ja kompressoriasemilta koko putkiston pituudelta.

Putkistonvalvonta-asemat

Lähde: Duke Energy Gas Transmission Canada

Suurimman osan valvonta-aseman vastaanottamista tiedoista toimittavat SCADA-järjestelmät (Supervisory Control and Data Acquisition). Nämä järjestelmät ovat pohjimmiltaan kehittyneitä viestintäjärjestelmiä, jotka tekevät mittauksia ja keräävät tietoja putkiston varrella (yleensä mittaus- tai kompressoriasemilla ja venttiileissä) ja lähettävät ne keskitettyyn valvonta-asemaan. Putkiston läpi kulkevaa virtausnopeutta, toimintatilaa, painetta ja lämpötilalukemia voidaan käyttää arvioimaan putkiston tilaa kulloinkin. Nämä järjestelmät toimivat myös reaaliaikaisesti, mikä tarkoittaa, että putkiston varrella tehtyjen mittausten ja niiden valvonta-asemalle lähettämisen välillä on vain vähän viiveaikaa.
Tiedot välitetään keskitettyyn valvonta-asemaan, jolloin putkistoinsinöörit tietävät koko ajan tarkalleen, mitä putkistossa tapahtuu. Tämä mahdollistaa nopean reagoinnin laitteiden toimintahäiriöihin, vuotoihin tai muuhun epätavalliseen toimintaan putkiston varrella. Joihinkin SCADA-järjestelmiin sisältyy myös kyky etäkäyttää tiettyjä putkilinjan varrella olevia laitteita, kuten kompressoriasemia, jolloin keskitetyssä valvontakeskuksessa työskentelevät insinöörit voivat välittömästi ja helposti säätää putkilinjan virtausnopeuksia.

Putkilinjojen rakentaminen

Maakaasun käytön lisääntyessä tarvitaan kuljetusinfrastruktuuria, joka kykenee tyydyttämään lisääntyneen kysynnän. Tämä tarkoittaa sitä, että putkiyhtiöt arvioivat jatkuvasti maakaasun virtausta eri puolilla Yhdysvaltoja ja rakentavat putkilinjoja, jotta maakaasua voidaan kuljettaa niille alueille, jotka eivät ole tarpeeksi katettuja.

Surveying the Right-of-Way

Lähde: Duke Energy Gas Transmission Canada

Maakaasuputkien rakentaminen vaatii paljon suunnittelua ja valmistelua. Putkilinjan varsinaisen rakentamisen lisäksi on suoritettava useita lupa- ja sääntelyprosesseja. Monissa tapauksissa maakaasuputkiyhtiöt laativat ennen lupa- ja maankäyttöprosessien aloittamista toteutettavuusanalyysin varmistaakseen, että putkelle on olemassa hyväksyttävä reitti, joka vaikuttaa vähiten ympäristöön ja jo olemassa oleviin julkisiin infrastruktuureihin.

Jos putkiyhtiö saa kaikki tarvittavat luvat ja täyttää kaikki viranomaisvaatimukset, putken rakentaminen voidaan aloittaa. Suunniteltu reitti kartoitetaan laajasti sekä ilmasta että maalta, jotta varmistetaan, ettei putkilinjan varsinaisen asennuksen aikana tule yllätyksiä.

Putkilinjan asentaminen muistuttaa liukuhihnaprosessia, jossa putkilinjan osat valmistuvat vaiheittain. Ensin putkilinjan reitti puhdistetaan kaikista poistettavista esteistä, kuten puista, lohkareista, pensaista ja kaikesta muusta, mikä voi estää rakentamisen. Kun putkilinjan reitti on raivattu niin pitkälle, että rakennuskoneet pääsevät sinne, putkiosuudet asetetaan suunniteltua reittiä pitkin, ja tätä prosessia kutsutaan putkijohdoksi. Nämä putkiosuudet ovat yleensä 40-80 jalkaa pitkiä, ja ne on suunniteltu kohdekohtaisesti. Toisin sanoen tietyillä alueilla on erilaiset vaatimukset päällystemateriaalin ja putken paksuuden suhteen.

Putken ”ketjuttaminen”

Lähde: Duke Energy Gas Transmission Canada

Kun putki on paikoillaan, kaivetaan kaivantoja asetetun putken rinnalle. Nämä kaivannot ovat tyypillisesti viisi tai kuusi jalkaa syviä, sillä määräysten mukaan putken on oltava vähintään 30 tuumaa maanpinnan alapuolella. Tietyillä alueilla, kuten teiden ja vesistöjen risteyksissä, putki haudataan kuitenkin vielä syvemmälle. Kun kaivannot on kaivettu, putki kootaan ja muotoillaan. Tähän kuuluu putken osien hitsaaminen yhteen yhdeksi yhtenäiseksi putkeksi ja tarvittaessa putken taivuttaminen hieman, jotta se sopii putkilinjan reitin ääriviivoihin. Putkien päät pinnoitetaan. Pinnoitetehtaalla levitettävä pinnoite jättää yleensä putken päät puhtaiksi, jotta ne eivät häiritse hitsausta. Lopuksi putken koko pinnoite tarkastetaan sen varmistamiseksi, että siinä ei ole vikoja.

Kun putki on hitsattu, taivutettu, pinnoitettu ja tarkastettu, se voidaan laskea aiemmin kaivettuihin kaivantoihin. Tämä tehdään erikoistuneilla rakennuskoneilla, jotka toimivat putken nostamiseksi tasaisesti ja sen laskemiseksi kaivantoon. Kun kaivanto on laskettu maahan, se täytetään huolellisesti, jotta putki ja sen pinnoite säilyvät ehjinä. Viimeinen vaihe putkiston rakentamisessa on hydrostaattinen testi. Siinä vettä juoksutetaan putken koko pituudelta paineella, joka on korkeampi kuin maakaasun kuljetuksessa tarvittava paine. Tällä testillä varmistetaan, että putkisto on riittävän luja, eikä siinä ole vuotoja tai halkeamia, ennen kuin maakaasu pumpataan putkiston läpi.

Putken laskeminen

Lähde: Duke Energy Gas Transmission Canada

Putken laskeminen purojen tai jokien yli voidaan toteuttaa kahdella tavalla. Avoleikkauksessa kaivetaan joen pohjaan kaivantoja, joihin putki sijoitetaan. Tällöin putki varustetaan yleensä betonisella vaipalla, jolla varmistetaan, että putki pysyy joen pohjassa, ja lisätään ylimääräinen suojapinnoite, joka estää maakaasuvuodot veteen. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää suuntaporausta, jossa joen alle porataan ”tunneli”, jonka läpi putki voidaan johtaa. Samoja tekniikoita käytetään teiden ylityksissä – joko tien poikki kaivetaan avoin kaivanto, joka korvataan, kun putki on asennettu, tai tien alle porataan tunneli.

Kun putki on asennettu ja peitetty, putkilinjan kulkureitti pyritään palauttamaan alkuperäiseen tilaansa tai lieventämään rakentamisen aikana mahdollisesti syntyneitä ympäristö- tai muita vaikutuksia. Näihin toimenpiteisiin kuuluu usein pintamaan, aitojen, kastelukanavien ja kaiken muun rakennusprosessin aikana mahdollisesti poistetun tai järkkyneen korvaaminen. Lisätietoa maakaasuputkien rakentamisesta on Interstate Natural Gas Association of American verkkosivuilla.

Pipeline Inspection and Safety

Pig – Pipeline Inspection Tool

Lähde: Duke Energy Gas Transmission Canada

Putkayhtiöt tarkastavat putkistonsa rutiininomaisesti korroosion ja vikojen varalta varmistaakseen laajan maakaasuputkistoverkoston tehokkaan ja turvallisen toiminnan. Tämä tehdään käyttämällä kehittyneitä laitteita, joita kutsutaan ”älykkäiksi sioiksi”. Älysiat ovat älykkäitä robottilaitteita, jotka työnnetään putkistoja pitkin putken sisäpuolen arvioimiseksi. Älysiat voivat testata putken paksuutta ja pyöreyttä, etsiä merkkejä korroosiosta, havaita pienimmätkin vuodot ja kaikki muut putkiston sisäpuolella olevat viat, jotka voivat joko estää kaasun virtauksen tai aiheuttaa mahdollisen turvallisuusriskin putkiston toiminnalle. Älykkään porsaan lähettäminen putkistoon tunnetaan osuvasti nimellä ”putkiston poraaminen”.

Älykkäillä porsailla suoritettavien tarkastusten lisäksi on käytössä useita turvatoimia ja menettelyjä onnettomuusriskin minimoimiseksi. Itse asiassa maakaasun kuljetus on yksi turvallisimmista energiankuljetusmuodoista, mikä johtuu pääasiassa siitä, että infrastruktuuri on kiinteä ja maan alle haudattu. Liikenneministeriön (DOT) mukaan putkistot ovat turvallisin tapa kuljettaa öljyä ja maakaasua. Sähkönsiirtolinjoihin liittyy vuosittain yli 100 kuolemantapausta, mutta DOT:n putkistoturvallisuusviraston (Office of Pipeline Safety) mukaan vuonna 2009 siirtoputkiin liittyi 0 kuolemantapausta ja jakelujärjestelmiin 10 kuolemantapausta. Jos haluat lisätietoja putkien turvallisuudesta, käy DOT:n Office of Pipeline Safety -sivustolla.

Muutamia maakaasuputkiin liittyviä turvallisuustoimenpiteitä ovat muun muassa:

• Ilmapartiot – Lentokoneita käytetään varmistamaan, ettei rakennustöitä suoriteta liian lähellä putkilinjan reittiä, erityisesti asuinalueilla. Luvaton rakentaminen ja kaivaminen on INGAA:n mukaan ensisijainen uhka putkiston turvallisuudelle
• Vuotojen havaitseminen – Putkiston henkilökunta käyttää säännöllisesti maakaasun havaitsemislaitteita maanpinnalla vuotojen tarkistamiseksi. Tämä on erityisen tärkeää alueilla, joilla maakaasu ei ole hajustettua.
• Putkiston merkinnät – Maakaasuputkien yläpuolella olevat merkit osoittavat yleisölle maanalaisten putkistojen olemassaolon, jotta vähennetään putkistoon kohdistuvien häiriöiden mahdollisuutta.
• Kaasunäytteenotto – Maakaasun rutiininomaisella näytteenotolla putkistoissa varmistetaan sen laatu, ja se voi myös osoittaa putkiston sisäpuolisen korroosion tai epäpuhtauksien pääsyn sisään.
• Ennaltaehkäisevä kunnossapito – Tähän kuuluu venttiilien testaaminen ja putkiston tarkastusta haittaavien pintaesteiden poistaminen.
• Hätätilanteisiin reagoiminen – Putkijohtoyhtiöillä on laajat hätätilanteisiin reagoimisryhmät, jotka kouluttautuvat monenlaisten mahdollisten onnettomuuksien ja hätätilanteiden varalta.
• One Call Program – Kaikki 50 osavaltiota ovat ottaneet käyttöön niin sanotun ”one call” -ohjelman, joka tarjoaa kaivajille, rakennusryhmille ja kaikille putkilinjan läheisyydessä olevaan maaperään kaivamisesta kiinnostuneille yhden ainoan puhelinnumeron, johon soitetaan silloin, kun suunnitellaan mitä tahansa kaivutöitä. Tämä puhelu hälyttää putkiyhtiön, joka voi merkitä alueen tai jopa lähettää edustajia valvomaan kaivutöitä. Yhden puhelun kansallinen kolminumeroinen numero on ”811.”

Vaikka suuret osavaltioiden väliset maakaasuputkistot kuljettavat maakaasua jalostusalueilta kulutusalueille ja voivat palvella suoraan suuria tukkukäyttäjiä, kuten teollisuus- tai energiantuotantoasiakkaita, jakelujärjestelmä toimittaa maakaasua useimmille vähittäisasiakkaille, mukaan lukien yksityiset maakaasunkäyttäjät, on jakeluverkko, joka toimittaa maakaasua useimmille vähittäisasiakkaille, mukaan lukien yksityiset maakaasunkäyttäjät.”