ПОДЗЕМНОЕ ХРАНИЛИЩЕ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА (ПХ СПГ) ДЛЯ РЕЗЕРВНОГО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ МЕТРО Российский патент 2007 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 СНГ в энергоустановку резервного питания объектов метро.

Актуальность данной проблемы доказана перебоями в снабжении электроэнергией московского метро в августе 2005 года, когда без электричества метро было парализовано на длительное время. Использование резервной энергоустановки на любом топливе (энергоносителе) позволило бы избежать больших перебоев в работе метро (необходимо время только на запуск резервной энергоустановки и ее включение на нагрузку). Однако к выбору вида топлива и месту его хранения необходимо подходить, особенно в Москве и другим городах-мегаполисах, с учетом условий его безопасного хранения и экологически безопасного использования.

Природный газ легче воздуха, и при его утечках быстро поднимается вверх, рассеиваясь в атмосфере, и поэтому при использовании более безопасен, чем другие резервные топлива. С экологической точки зрения природного газ (метан) также наиболее предпочтителен, так как при его сгорании образуется минимум вредных веществ. Если использовать резервную энергетическую установку большой мощности для резервного энергообеспечения метро, то ее подключение к городским газовым сетям невозможно, так как потребуются большие расходы газа, и его может не хватить, и на саму энергоустановку, и для других потребителей, которым также при перебое в подачи электроэнергии потребуется больше газа. Таким образам для хранения природного газа необходимо использовать резервное хранилище сжиженного природного газа (ПГ).

Для создания запасов (в том числе и больших) СПГ могут быть использованы металлические наземные и полузаглубленные криогенные резервуары, так например известны хранилища:

[1] - А.С. СССР №374482, кл. F17с 3/08, 20.III.1973 г., 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] - Газовая промышленность, №18, 1967 г. Производство, транспортировка, хранение и регазификация СПГ за рубежом, стр.36, рис.5.

Хранилища СПГ по [1, 2, 3 и 4] содержат двойную металлическую стенку с теплоизоляцией между ними и системой криогенных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой.

Недостатками известных хранилищ по [1, 2, 3 и 4] при их использовании в качестве хранилищ для резервного энергообеспечения объектов метро являются:

- сложность и нецелесообразность изготовления резервуаров большого объема, ввиду резкого увеличения их стоимости и дороговизны металла (нержавеющей стали или алюминия);

- низкая надежность теплоизоляции (особенно вакуумной для резервуаров большой емкости), необходимость в постоянном ее контроле и техническом обслуживании;

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

- возможность полного катастрофического разрушения резервуара в результате техногенной деятельности или диверсионных актов, что может привести к катастрофическим последствиям;

- возможность промерзания приповерхностных слоев земли и бетонного основания (купола), что экологически не безопасно, кроме того периодическое сезонное промерзание грунта вызывает его пучение и разрушение конструкции бетонного основания (купола) и обделки сооружения;

- 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;

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

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

Можно использовать в качестве хранилищ для резервного энергообеспечения объектов метро известное хранилище для СПГ [5] [ Н.Г.Трупак. Замораживание грунтов в строительстве. Москва. Стройиздат. 1970 г., стр.216, рис.123], 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 хранилища [5] при его использовании для резервного энергообеспечения объектов метро 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 приповерхностного грунта;

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

- сложность контроля хранимого продукта.

Известно ПХ СПГ, взятое в качестве прототипа [6] - Патент РФ №2232342, МПК⁷ F17С 1/00, В 65 G 5/00. 10.07.2004 г., бюл. №19, содержащее расположенный ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли, при самом длительном расчетном хранении СПГ отделенный от массива грунта теплоизоляционной податливой прослойкой несущий железобетонный резервуар, изнутри теплоизолированный и гидроизолированный от СПГ, и снабженный расположенными в технологической шахте (с герметическими люками и лестницей) трубопроводами для наполнения-выдачи СПГ и его паров.

При использовании в качестве резервного хранилища для резервного энергообеспечения объектов метро устройства по [6] - прототипа можно исключить описанные выше недостатки известных хранилищ-аналогов [1, 2, 3, 4 и 5].

Выдача СПГ из устройства [6] может осуществляться насосом (погружным) потребителям, как находящимся на поверхности земли, так и находящимся под землей. Выдача СПГ вытеснением возможна только для потребителей находящихся под землей, например в технологических выработках метро, так как выдача СПГ потребителям на поверхность предполагает создание повышенного внутреннего давления в ПХ СПГ, что не всегда допустимо. Небольшое повышение давления в ПХ СПГ происходит из-за постоянных теплопритоков из окружающего массива грунта. При выдачи больших объемов СПГ из подземного хранилища необходимо осуществлять наддув его испарившимся в регазификаторе природным газом, чтобы не допустить снижения давления ниже атмосферного и затекания в ПХ СПГ наружного воздуха, и создания в нем взрывоопасной концентрации компонентов.

Недостатком использования известного ПХ СПГ [6] как резервного энергоисточника для метро является то, что, как правило, высокопотенциальная эксергия холода, запасенная в СПГ при его регазификации, не используется. В то же время при эксплуатации объектов метро имеются большие низкопотенциальные теплоизбытки, для отбора которых используется система кондиционирования с мощными холодильными установками, которые в свою очередь являются дополнительными потребителями той же электроэнергии, и источниками бросовой теплоты.

Чтобы устранить вышеуказанный недостаток ставят задачу при использовании ПХ СПГ [6] в качестве резервного энергоисточника для объектов метро, полезного использования высокопотенциальной эксергии холода, запасенной в СПГ с максимальной простотой. То есть ставят задачу повышения эффективности использования подземного хранилища СПГ, а именно создания резервного безопасного и надежного хранилища СПГ как резервного энергоисточника для объектов метро с использованием в качестве энергоисточника не только самого природного газа, но и запасенной эксергии холода в криогенной жидкости (СПГ).

Такая задача может быть достигнута при регазификаци СПГ из ПХ в подземной выработке метро, при этом должны использоваться стандартные, выпускаемые промышленностью регазификаторы, установленные, например, в отдельном помещении подземной технологической выработки метро, а подвод к ним теплоты должен осуществляться их обдувом воздухом из системы вентиляции и кондиционирования метро.

Таким образом, ПХ СПГ для резервного энергообеспечения объектов метро, содержащее расположенный ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли, при самом длительном расчетном хранении СПГ отделенный от массива грунта теплоизоляционной податливой прослойкой несущий железобетонный резервуар, изнутри теплоизолированный и гидроизолированный от СПГ, и снабженный расположенными в технологической шахте (с герметическими люками и лестницей) трубопроводы для наполнения-выдачи СПГ и его паров, причем ПХ СПГ расположено на уровне по глубине и на расстоянии по горизонту от технологической выработки метро, отделено от нее массивом грунта и соединено с ней двумя теплоизолированными криогенными жидкостным и газовым трубопроводами, в технологической выработке метро жидкостной трубопровод через первый запорно-регулирующий вентиль подсоединен к регазификатору повышения давления, выход которого подсоединен через запорный вентиль с газовым трубопроводом, и через второй запорно-регулирующий вентиль подсоединен к регазификатору выдачи природного газа потребителю, выход которого через ресивер подсоединен к газовому двигателю резервной энергоустановки, подвод теплоты к регазификаторам осуществляется при помощи воздушных трубопроводов системы вентиляции и кондиционирования метро. На жидкостном трубопроводе перед регазификатором выдачи природного газа потребителю может быть установлен криогенный насос с запорно-регулирующим вентилем. Также ПХ СПГ может быть снабжено погружным криогенным насосом.

Использование в качестве резервного хранилища для энергообеспечения объектов метро ПХ СПГ позволяет достигнуть следующих положительных качеств:

во-первых - полезного использования низкопотенциальной эксергии холода СПГ для компенсации теплоизбытков объектов метро (при использовании стандартного выпускаемого оборудования), то есть использования в качестве энергоисточника не только самого природного газа, но и запасенной эксергии холода в криогенной жидкости (СПГ);

во-вторых - обеспечения пожаро- и взрывобезопасности ПХ СПГ и технологической выработки метро, которая обеспечивается их заглублением ниже уровня земли (приблизительно на 15-20 метров);

в третьих - обеспечения постоянно снижающихся (со временем хранения) теплопритоков к ПХ СПГ и его эффективного хранения как резервного энергоисточника для объектов метро;

в-четвертых - экологической безопасности по недопущению пучения приповерхностных близлежащих грунтов, то есть (другими словами) невыхода нулевой изотермы на поверхность земли.

Введение отличительных признаков: "ПХ СПГ расположено на уровне по глубине и на расстоянии по горизонту от технологической выработки метро, отделено от нее массивом грунта и соединено с ней двумя теплоизолированными криогенными жидкостным и газовым трубопроводами", необходимо для обеспечения резервного хранения в ПХ СПГ на безопасном расстоянии от технологической выработки метро с находящимися в ней резервной энергоустановкой с газовым двигателем и теплообменным оборудованием системы вентиляции и кондиционирования метро. Одинаковый уровень расположения по глубине ПХ СПГ и технологической выработки метро необходим для создания равного порядка (выравнивания) гидростатических давлений в жидкости СПГ и его паров в поземном хранилище и технологической выработке метро. Это необходимо для безопасности эксплуатации совместного оборудования и облегчения технологических операций по подачи СПГ потребителю.

Введение "теплоизоляции на криогенных жидкостном и газовом трубопроводах", соединяющих ПХ СПГ и технологическую выработку метро, необходимо для минимизации потерь на испарение СПГ от внешних теплопритоков (от окружающего массива грунта) в жидкостном трубопроводе и для недопустимости изменения температуры природного газа в газовом трубопроводе.

Введение "запорно-регулирующих вентилей на жидкостном криогенном трубопроводе" необходимо, во-первых, для возможности полного перекрытия подачи СПГ к оборудованию в технологическую выработку метро и, во-вторых, для плавной регулировки подачи СПГ.

Введение "запорного вентиля на газовом трубопроводе" необходимо для возможного отключения ПХ СПГ и технологической выработки метро при проведении регламентных и ремонтных работ на оборудовании в технологической выработке.

Введение "регазификатора повышения давления" необходимо для испарения СПГ и создания в ПХ СПГ небольшого избыточного давления для обеспечения подачи СПГ потребителю.

Введение "регазификатора выдачи природного газа потребителю" необходимо для испарения СПГ и подачи природного газа в газовый двигатель резервной энергоустановки объектов метро.

Введение "ресивера" необходимо для сглаживания возможных пульсаций (неравномерностях потребления) по его испарению в регазификаторе и при его потреблении газовым двигателем.

Введение "воздушных трубопроводов (коробов) системы вентиляции и кондиционирования метро" необходимо для подвода теплоты от системы кондиционирования метро к регазификаторам и полезного использования холода испарения СПГ и его нагрева (до комнатной температуры).

Введение "газового двигателя (например, внутреннего сгорания) резервной энергоустановки" необходимо для выработки электроэнергии для резервного энергообеспечения объектов метро.

Введение "криогенного насоса с запорно-регулирующим вентилем, установленным перед регазификатором выдачи природного газа потребителю" необходимо для обеспечения больших и возможных высоконапорных расходов природного газа потребителю.

Введение "погружного криогенного насоса, расположенного в ПХ СПГ", необходимо для создания надежной подачи СПГ потребителю с необходимым (требуемым) расходом и давлением.

Выполнение ПХ СПГ для резервного энергообеспечения объектов метро в совокупности с вышеизложенными признаками (ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения) является новым для резервных хранилищ с использованием как энергоисточника самого СПГ, так и запасенного в нем холода и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков неизвестна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования резервных хранилищ СПГ для энергообеспечения объектов метро, 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 фиг.1. представлено ПХ СПГ для резервного энергообеспечения объектов метро при вытеснительной подаче СПГ из ПХ на энергоустановку.

На фиг.2. представлена технологическая выработка метро (состав ее оборудования) для резервного энергообеспечения объектов метро при вытеснительной подаче СПГ из ПХ с повышением давления СПГ в технологической выработке метро при помощи криогенного насоса.

На фиг.3. представлен фрагмент ПХ СПГ для резервного энергообеспечения объектов метро с криогенным (погружным) насосом, установленным в криогенное ПХ СПГ.

ПХ СПГ для резервного энергообеспечения объектов метро содержит установленное ниже поверхности земли 1 криогенное ПХ СПГ 2, которое трубопроводами 3, расположенными в технологической шахте, связанно с расположенным на поверхности земли наполнительно-раздаточным устройством (колонкой) 4.

ПХ СПГ 2 расположено на уровне по глубине и на расстоянии по горизонту от технологической выработки метро 5, отделено от выработки метро 5 массивом грунта и соединено с ПХ СПГ 2 двумя криогенными теплоизолированными трубопроводами 6 и 7, жидкостным 6 с нижней точки ПХ и газовым 7 с ее верхней точки (для паров ПГ). В технологической выработке метро 5 жидкостный трубопровод 6 имеет запорно-регулирующие вентили 8 и 9, а газовый трубопровод 7 - запорный вентиль 10. Жидкостной трубопровод 6 через запорно-регулирующий вентиль 8 соединен с регазификатором 11 поднятия давления в ПХ СПГ 2, выход регазификатора соединен с запорным вентилем 10 газового трубопровода 7. Также жидкостный трубопровод 6 через запорно-регулирующий вентиль 9 подсоединен с регазификатором 12 выдачи ПГ потребителю, выход которого подсоединен через ресивер 13 к входу газового двигателя 14, кинематически связанного с генератором 15 резервной энергоустановки объектов метро. Подвод теплоты к регазификаторам 11 и 12 осуществляется от системы вентиляции и кондиционирования 16 метро при помощи воздушных трубопроводов (коробов) 17.

В технологической выработке метро 5 (по фиг.2) перед регазификатором 12 может быть установлен криогенный насос 18 с запорно-регулирующим вентилем 19 на выходе. Вентиль 19 необходим для запуска, например, центробежного криогенного насоса 18 и регулирования его производительности. При использовании криогенного насоса 18 после регазификатора можно получить повышенное давление ПГ, если это требуется для потребителя.

Выдача СПГ из ПХ может быть осуществлена (по фиг.3) при помощи насоса 20, размещенного в ПХ СПГ и выполненного, например, в погружном варианте. При этом необходимо дополнительно предусмотреть до времени запуска резервной энергоустановки объектов метро для питающего погружного криогенного насоса 20 резервный энергоисточник для привода его в действие, например электрический аккумулятор с системой преобразования тока и напряжения (на фиг.1, 2 и 3 не показана).

Работает предложенное ПХ СПГ для резервного энергообеспечения объектов метро следующим образом (по фиг.1). Первоначально считаем, что ПХ захоложено и заполнено хранимым СПГ. При открытии запорно-регулировочного вентиля 8 СПГ из ПХ 2 по криогенному трубопроводу 6 поступает в регазификатор 11, в котором под действием теплоты от системы вентиляции и кондиционирования 16, подведенной с воздушным потоком по трубопроводам (коробам) 17, испаряется и нагревается и далее через открытый запорный вентиль 10 подается по газовому трубопроводу 7 в газовую полость ПХ СПГ 2, повышая в нем давление до требуемой величины. После этого (или одновременно) через приоткрытый запорно-регулирующий вентиль 9 СПГ поступает в регазификатор 12, в котором также, используя теплоизбытки системы вентиляции и кондиционирования 16 метро, испаряется и нагревается и далее поступает в ресивер 13, поднимая в нем давление до требуемого для запуска газового двигателя 14. После запуска газового двигателя 14 электрический генератор резервного энергообеспечения объектов начинает выдавать электроэнергию для нужд метро. Расход СПГ, поступающего в регазификаторы 11 и 12, регулируется соответственно запорно-регулирующими вентилями 8 и 9.

При необходимости получения повышенного давления ПГ после регазификатора 12 может быть включен криогенный насос 18 (например, центробежный), запуск и регулирование производительности которого осуществляется при помощи запорно-регулирующего вентиля 19.

Для выдачи СПГ из ПХ 2 может быть применен погружной криогенный насос 20, установленный в самом ПХ СПГ 2. Для этого необходимо до момента запуска резервной энергоустановки применять автономную электрическую аккумуляторную батарею с преобразователем тока и напряжения.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в полезном использования запаса холода СПГ (испарения жидкости и нагрева испарившихся паров) для компенсации вредных теплоизбытков объектов метро. Теплоизбытки в настоящее время выбрасываются с нагретым воздухом на поверхность земли или компенсируются холодильными установками (на что тратится дополнительная энергия). При реализации изобретения возможно использование стандартного выпускаемого оборудования (регазификаторов СПГ, воздушных трубопроводов (коробов) системы вентиляции и кондиционирования воздуха), и при этом использовать в качестве энергоисточника не только сам природный газ, но и запасенный холод в криогенной жидкости (СПГ).

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №374482, кл. F17с 3/08, 20.III.1973 г., бюл. №15.

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

5. Н.Г.Трупак. Замораживание грунтов в строительстве. Москва. Стройиздат. 1970 г., стр.216, рис.123.

6. Патент РФ №2232342, МПК⁷ F17С 1/00, В65G 5/00, 10.07.2004 г., бюл. №19.

Изобретение относится к подземному хранению и резервированию СПГ и может быть использовано для накопления и выдачи СПГ в энергоустановку резервного питания объектов метро. Подземное хранилище сжиженного природного газа расположено на уровне по глубине и на расстоянии по горизонту от технологической выработки метро, отделено от нее массивом грунта и соединено с ней двумя теплоизолированными криогенными жидкостным и газовым трубопроводами. В технологической выработке метро жидкостной трубопровод через первый запорно-регулирующий вентиль подсоединен к регазификатору повышения давления, выход которого подсоединен через запорный вентиль к газовому трубопроводу, и через второй запорно-регулирующий вентиль подсоединен к регазификатору выдачи природного газа потребителю, выход которого через ресивер подсоединен к газовому двигателю резервной энергоустановки. Подвод теплоты к регазификаторам осуществляется при помощи воздушных трубопроводов системы вентиляции и кондиционирования метро. Изобретение решает задачу полезного использования запаса холода СПГ для компенсации вредных теплоизбытков объектов метро, то есть используется в качестве энергоисточника не только сам природный газ, но и запасенный холод в криогенной жидкости. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Подземное хранилище сжиженного природного газа для резервного энергообеспечения объектов метро, содержащее расположенный ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли при самом длительном расчетном хранении сжиженного природного газа, отделенный от массива грунта теплоизоляционной податливой прослойкой несущий железобетонный резервуар, изнутри теплоизолированный и гидроизолированный от сжиженного природного газа и снабженный расположенными в технологической шахте (с герметическими люками и лестницей) трубопроводами для наполнения-выдачи сжиженного природного газа и его паров, отличающееся тем, что подземное хранилище сжиженного природного газа расположено на уровне по глубине и на расстоянии по горизонту от технологической выработки метро, отделено от нее массивом грунта и соединено с ней двумя теплоизолированными криогенными жидкостным и газовым трубопроводами, в технологической выработке метро жидкостный трубопровод через первый запорно-регулирующий вентиль подсоединен к регазификатору повышения давления, выход которого подсоединен через запорный вентиль к газовому трубопроводу и через второй запорно-регулирующий вентиль подсоединен к регазификатору выдачи природного газа потребителю, выход которого через ресивер подсоединен к газовому двигателю резервной энергоустановки, подвод теплоты к регазификаторам осуществляется при помощи воздушных трубопроводов системы вентиляции и кондиционирования метро.2. Подземное хранилище сжиженного природного газа для резервного энергообеспечения объектов метро по п.1, отличающееся тем, что на жидкостном трубопроводе перед регазификатором выдачи природного газа потребителю установлен криогенный насос с запорно-регулирующим вентилем.3. Подземное хранилище сжиженного природного газа для резервного энергообеспечения объектов метро по п.1, отличающееся тем, что подземное хранилище сжиженного природного газа снабжено погружным криогенным насосом.