ПОДЗЕМНОЕ ХРАНИЛИЩЕ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА (ПХ СПГ) Российский патент 2004 года по МПК F17C1/00 B65G5/00 

Изобретение относится к подземной системе хранения и резервирования СПГ, а именно к экономичным пожаро- и взрывобезопасным хранилищам, расположенным ниже уровня земли, и может быть использовано для накопления и выдачи СПГ потребителю, особенно где недостаточно или вовсе отсутствует трубопроводный природный газ, а также для покрытия пикового потребления газа (в системе “пик-шейвинга”).

Известен металлический криогенный резервуар [1], содержащий двойную металлическую стенку с экранно-вакуумной или порошково-вакуумной теплоизоляцией и системой криогенных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой.

Недостатками известного устройства по [1] являются:

- сложность и нецелесообразность изготовления резервуаров большого объема ввиду резкого увеличения их стоимости;

- низкая надежность вакуумной теплоизоляции (особенно резервуаров большой емкости) и постоянная потребность контроля и восстановления вакуума;

- сравнительно постоянный коэффициент теплопроводности теплоизоляции резервуара, зависящий от сезонного колебания температуры окружающей среды;

- возможность полного катастрофического разрушения резервуара в результате гехногенной деятельности или диверсионных актов.

Извеcтен наземный металлический криогенный резервуар [2], содержащий двойную металлическую стенку с “не вакуумной” теплоизоляцией (теплоизоляционные маты, или “засыпная”).

Недостатками известного устройства по [2] являются:

- высокая стоимость резервуара ввиду дороговизны металла;

- низкая эффективность теплоизоляции резервуара при переменном коэффициенте ее теплопроводности (в зависимости от температуры окружающей среды), что вызывает большую испаряемость газа, особенно в теплое время года;

- возможность полного катастрофического разрушения резервуара в результате техногенной деятельности или диверсионных актов.

Известен полузаглубленный металлический (алюминиевый) криогенный резервуар [3], содержащий одинарную сферическую металлическую стенку с наружной теплоизоляцией из пенопласта и полиуретана, установленного в бетонном цилиндрическом котловане, закрытом бетонным куполом, криогенный резервуар оборудован системой криогенных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой, вводимых в верхней части резервуара.

Недостатками известного устройства по [3] являются:

- высокая стоимость резервуара ввиду дороговизны цветного металла;

- теплоизоляция резервуара работает с постоянным коэффициентом теплопроводности и допускает промерзание приповерхностных слоев земли и бетонного купола, что экологически не безопасно, кроме того, периодическое сезонное промерзание грунта вызывает его пучение и разрушение конструкции бетонного купола и обделки сооружения;

- наличие воздушной прослойки (промежуточного пространства) между бетонной обделкой и теплоизоляцией приводит к дополнительным затратам по обслуживанию и эксплуатации полузаглубленного хранилища СПГ, а также приводит к необоснованному (нерациональному) использованию подземного пространства бетонированного цилиндрического котлована для хранения СПГ и увеличению стоимости хранилища в целом.

Известно хранилище для СПГ [4], расположенное ниже уровня земли, в замороженном грунте без обделки и без тепло- и гидроизоляции, состоящее из цилиндрического (или полусферического) котлована, покрытое куполообразной металлической кровлей (например, из низколегированной стали) с теплоизолирующим слоем.

Недостатками известного устройства по [4] являются:

- постоянный поверхностный обмерзший слой грунта и его периодическое сезонное оттаивание вдали от хранилища, что приводит к пучению грунта;

- низкая надежность хранилища ввиду возможного размораживания его верхних слоев при малых количествах хранимого СПГ;

- большие потери газа при его хранении вследствие трещинообразования грунта;

- “неэкологичность” вследствие промерзания верхних слоев грунта с последующим их пучением;

- сложность контроля хранимого продукта.

Прототипом предлагаемого изобретения является заглубленное хранилище сжиженного природного газа [5], верхний край которого расположен на уровне поверхности земли и обвалован или же расположен немного ниже уровня земли (существует множество конструкций хранилищ такого типа), содержащее расположенный на основании несущий бетонный резервуар, теплоизолированный и гидроизолированный от СПГ и снабженный трубопроводами для наполнения-выдачи СПГ и его паров.

Недостатками прототипа являются:

- ограничение размещения в различных грунтах вследствие их пучения или же использования дорогостоящей системы вентиляции и обогрева резервуара СПГ, что резко повышает постоянные теплопритоки и испаряемость СПГ, а также повышает энергозатраты на эксплуатацию хранилища;

- низкая пожаро- и взрывоопасность в результате техногенной деятельности или возможных диверсионных актов, в результате которых может быть поврежден купол хранилища (больших объемов);

- большой процент испарения газа в сутки вследствие больших переменных теплопритоков от атмосферного воздуха со стороны купола и приповерхностных слоев грунта.

Указанные недостатки вышеизложенных аналогов и прототипа ставят задачу повышения эффективности хранилища СПГ, а именно создания безопасного и надежного хранилища СПГ с низкими суточными потерями хранимого продукта (предпочтительно для подземных хранилищ больших и сверхбольших объемов).

Указанные задачи достигаются ниже описанным подземным хранилищем (хранилищем, расположенным ниже уровня земли) сжиженного природного газа, содержащим опертый (расположенный) на основании несущий железобетонный резервуар, теплоизолированный и гидроизолированный (от СПГ) и снабженный трубопроводами для наполнения-выдачи СПГ и его паров; железобетонный резервуар расположен ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли (и приповерхностного слоя земли), при самом длительном расчетном хранении СПГ, основание под резервуар выполнено из уплотненного грунта и теплоизоляционной прослойки. При этом трубопроводы для наполнения-выдачи СПГ и его паров расположены в технологической шахте, выходящей из резервуара на поверхность земли, а сама технологическая шахта дополнительно содержит герметические люки и лестницу, предназначенные для доступа в резервуар и проведения возможных осмотра, обслуживания и ремонта. Боковые стены железобетонного резервуара от массива грунта по периметру ограждены через податливую прослойку бетонной теплоизоляционной стеной типа “стена в грунте”, а верх бетонного резервуара покрыт (засыпан) слоем теплоизоляционного материала (верх засыпного теплоизоляционного слоя покрыт слоем грунта).

Расположение железобетонного резервуара ПХ СПГ ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли, при самом длительном расчетном хранении СПГ необходимо для обеспечения:

во-первых, пожаро- и взрывобезопасности, которая обеспечивается заглублением резервуара ПХ СПГ ниже уровня земли (приблизительно на 15-20 метров);

во-вторых, экологической безопасности (и безопасности при недопущении пучения приповерхностных близлежащих грунтов), которая достигается расположением резервуара ПХ СПГ на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли при самом длительном расчетном хранении СПГ, то есть (другими словами) невыходом нулевой изотермы на поверхность земли;

в третьих, для обеспечения эффективного хранения СПГ (с малыми тепло-притоками и испаряемостью СПГ), с постоянно снижающимися теплопритоками и суточными потерями газа.

Введение основания под резервуар, выполненного, например, из уплотненной щебеночно-песчаной подготовки и теплоизоляционной прослойки, необходимо для:

- равномерного перераспределения нагрузки под подошвой основания резервуара на нижележащие слои грунта;

- уменьшения напряжений, возникающих под низом резервуара при замораживании и промерзании грунта в период захолаживания и эксплуатации хранилища СПГ;

- уменьшения теплопритоков к хранимому СПГ;

- уменьшения вероятности замораживания подземных слоев грунта и подземных потоков воды.

Введение технологической шахты, выходящей из резервуара на поверхность земли, с расположенными в ней трубопроводами для наполнения-выдачи СПГ и его паров (также возможных вспомогательных коммуникаций и трубопроводов) необходимо для монтажа, регламентных осмотров и обслуживании, ремонтов криогенных трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, а также для определения температурного состояния грунта над резервуаром СПГ.

Введение в технологическую шахту герметических люков (минимум двух) и лестницы необходимо для доступа в технологическую шахту и резервуар для проведения возможных осмотра, обслуживания и ремонта, а также для непредвиденных и аварийных ситуаций.

Введение бетонной теплоизоляционной стены типа “стена в грунте” и податливой прослойки между “стеной в грунте” и бетонным резервуаром необходимо:

- для защиты резервуара по периметру от сдвижений массива грунта при строительстве ПХ СПГ;

- для дополнительного восприятия нагрузок, возникающих на стенках резервуара от массива грунта в процессе замораживания (ПХ СПГ и массива грунта) и эксплуатации ПХ СПГ;

- для дополнительной теплоизоляции хранилища, которая уменьшает замораживание грунта и теплопритоки от последнего к ПХ СПГ и, следовательно, уменьшает испарения СПГ из хранилища.

Введение покрывающего (засыпающего) слоя теплоизоляционного материала в верхней части резервуара необходимо для дополнительной теплоизоляции хранилища, которая тем самым предотвращает теплопритоки от верхних слоев грунта (и поверхности земли) к хранилищу, приостанавливая “промораживание” грунта на поверхности земли и уменьшая испарения СПГ из хранилища.

Железобетонный резервуар может быть выполнен из армированного высокопрочного бетона, иметь прямые (цилиндрические) стены и выпуклые торцы и быть расположен вертикально или горизонтально на подготовленном песчано-щебеночном основании с теплоизоляционной прослойкой.

Гидроизоляция предотвращает проникание СПГ в теплоизоляцию и материал железобетонного резервуара и может быть, например, выполнена из листовой специальной стали или в виде “мембраны”.

Выполнение ПХ СПГ в совокупности с вышеизложенными признаками (отличительными признаками формулы изобретения) является новым для хранилищ СПГ и, следовательно, соответствует критерию “новизна”.

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков неизвестна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования хранилищ СПГ и их вспомогательного оборудования, что доказывает соответствие критерию “изобретательский уровень”.

Конструктивная реализация хранилищ СПГ с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию “промышленная применимость”.

На чертеже представлен вид подземного хранилища СПГ.

ПХ СПГ, расположенное ниже уровня земли 1 на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли при самом длительном расчетном хранении СПГ, содержит опертый (расположенный) на теплоизоляционном основании 2 несущий железобетонный резервуар 3 с теплоизоляцией 4 и гидроизоляцией 5 от СПГ. Железобетонный резервуар 3 снабжен (оборудован) системой криогенных трубопроводов 6 для наполнения-выдачи СПГ и его паров, а также дополнительными технологическими трубопроводами и коммуникациями (измерительной, продувочной, системы автоматики, системы безопасности и т.д.). Теплоизоляционное основание 2 под резервуар 3 выполнено из уплотненного грунта (возможно, уплотненный щебень и песок) и теплоизоляционной прослойки 7. Боковые стены резервуара 3 от массива грунта по периметру ограждены через податливую прослойку 8 бетонной стеной 9 типа “стена в грунте”, а верх резервуара 3 покрыт (засыпан) 1 слоем теплоизоляционного материала 10. Трубопроводы 6 для наполнения-выдачи СПГ и его паров расположены в технологической шахте 11, выходящей из резервуара 3 на поверхность земли 1, технологическая шахта 11 дополнительно содержит герметические люки 12 (расположенные как минимум на бетонном резервуаре и сверху технологической шахты) и лестницу 13, одна часть которой расположена в технологической шахте 11, а другая - в самом железобетонном резервуаре 3.

ПХ СПГ должно быть использовано после полного завершения его строительства подземной и наземной части, когда смонтирован весь объем трубопроводной и запорно-регулирующей арматуры, а также после полного комплекса проверочно-испытательных работ и сдачи его государственным органам надзора. Подача СПГ осуществляется по трубопроводу наполнения (системы трубопроводов 6) хранилища (предпочтительно с одновременным заполнением сверху и снизу для равномерного охлаждения). В начальный период охлаждения резервуара 3 и промораживания грунта существуют большие теплопритоки из грунта, но с течением времени в процессе дальнейшего заполнения резервуара 3 теплопритоки уменьшаются за счет постоянного понижения температуры вокруг хранилища, и впоследствии замораживание грунта идет постоянно (со снижением теплопритоков к СПГ). Резервуар заполняется на 85-90% его полезного объема. В зависимости от объема резервуара через определенное время в нем устанавливается стационарный процесс теплопроводности, при котором вся конструкция резервуара достигает постоянных отрицательных (криогенных) температур. Внутри резервуара 3 поддерживается постоянная криогенная температура и давление (немного больше атмосферного). Забор СПГ из резервуара 3 производится по трубопроводу (системы криогенных трубопроводов 6) к потребителю. Податливая прослойка выполняет роль компенсатора, снижающего давление грунта на резервуар в стационарном режиме эксплуатации. Через герметические люки 12 и лестницу 11, расположенные в технологической шахте, осуществляется доступ в резервуар (при его отогреве и вентиляции воздухом) и проведение возможных осмотров, обслуживаний и ремонта.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в том, что по сравнению с прототипом предложенный вариант подземного хранилища СПГ не имеет прямого контакта с атмосферой (что обуславливает постоянно снижающиеся потери СПГ от испарения) и обладает высокой степенью пожаро- и взрывобезопасности как в эксплуатационных условиях, так и при авариях и различных техногенных воздействиях; обладает экологической безопасностью при длительных сроках хранения СПГ и эксплуатации хранилища; имеет широкие возможности размещения на территории России в разнообразных грунтовых условиях; обладает большим диапазоном объема хранения СПГ. Повышение безопасности, надежности и долговечности достигается расположением резервуара на глубину, обеспечивающую защиту резервуара от возможного разрушения в результате техногенной деятельности или диверсионных актов, а также предотвращением пучения грунта над резервуаром,

Источники информации

1. А.С. СССР №374482, кл. F 17 с 3/08, 20.03.1973, Бюл. №15.

2. Газовая промышленность, №18, 1967 г. Производство, транспортировка, хранение и регазификация СПГ за рубежом, стр.33, рис.3.

3. EUROIL MAY, LNG storage tank in rock excavation. 1990 г., стр.37.

4. Н.Г.Трупак. Замораживание грунтов в строительстве. - М.: Стройиздат, 1970, стр.216, рис.123.

5. Газовая промышленность, №18, 1967 г. Производство, транспортировка, хранение и регазификация СПГ за рубежом, стр.36, рис.5.

Изобретение относится к подземным хранилищам сжиженного природного газа (СПГ), а именно к экономичным пожаро- и взрывобезопасным резервуарам, и может быть использовано для резервирования, хранения и выдачи СПГ потребителю. Подземное хранилище СПГ расположено ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли при самом длительном расчетном хранении СПГ. Подземное хранилище содержит опертый на основание, выполненное из уплотненного грунта и теплоизоляционной прослойки, несущий железобетонный резервуар, теплоизолированный и гидроизолированный от СПГ. Трубопроводы для наполнения-выдачи СПГ расположены в технологической шахте, выходящей из резервуара на поверхность земли. Технологическая шахта содержит герметические люки и лестницу. Боковые стены резервуара от массива грунта по периметру ограждены через податливую прослойку бетонной теплоизоляционной стеной типа “стена в грунте”, а верх резервуара покрыт (засыпан) слоем теплоизоляционного материала. Использование изобретения позволит повысить эффективность, а именно создать безопасное, высокоэффективное, надежное хранилище больших и сверхбольших объемов с малыми суточными потерями газа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Подземное хранилище (ПХ) сжиженного природного газа (СПГ), расположенное ниже уровня земли, содержащее расположенный на основании несущий железобетонный резервуар, теплоизолированный и гидроизолированный от СПГ и снабженный трубопроводами для наполнения-выдачи СПГ и его паров, отличающееся тем, что железобетонный резервуар расположен ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли при самом длительном расчетном хранении СПГ, основание под резервуар выполнено из уплотненного грунта и теплоизоляционной прослойки, трубопроводы для наполнения-выдачи СПГ и его паров расположены в технологической шахте, выходящей из резервуара на поверхность земли, а технологическая шахта дополнительно содержит герметические люки и лестницу.2. Подземное хранилище СПГ по п.1, отличающееся тем, что боковые стены железобетонного резервуара от массива грунта по периметру ограждены через податливую прослойку бетонной теплоизоляционной стеной типа “стена в грунте”, а верх бетонного резервуара покрыт (засыпан) слоем теплоизоляционного материала.