Хранилище сжиженного природного газа

Предлагаемое изобретение относится к криогенной технике, а именно к стационарным хранилищам сжиженного природного газа (СПГ), используемым для его резервного хранения и пополнения по мере выдачи потребителю.

Природный газ, основную часть которого составляет метановая фракция (порядка 90-98%), сегодня и в ближайшей перспективе будет перспективным видом альтернативных топлив для замены традиционных автомобильных топлив и широкого применения для отопления населенных пунктов.

При этом природный газ используется как в компримированном (сжатом), так и в сжиженном состоянии. Однако наиболее целесообразно использовать, а главное хранить в сжиженном виде, хотя это очень затратный процесс. Основное преимущество СПГ - хранение в очень больших объемах до 100 и более тыс. м³, вызванное необходимостью иметь стратегические запасы, когда возникают сложности с доставкой топлива.

В практике хранения сжиженного природного газа во всем мире используются самые разнообразные виды резервуаров. Различия обусловлены природоохранными и геологическими факторами, а также объемом самих резервуаров.

Хранилища СПГ могут быть надземные, подземные и частично заглубленные, которые конструктивно существенно различаются между собой. Принципиальным отличием подземных хранилищ является то, что они более безопасны, но имеют более высокие затраты на строительство и зависят от местных климатических условий (сейсмических, уровня грунтовых вод, промерзания грунта, структуры грунта, влияния изменений температурных значений и т.д.). Поэтому наиболее распространены надземные хранилища.

Используя все преимущества надземных резервуаров и устранив основной недостаток - низкая безопасность, в предлагаемом изобретении решен вопрос безопасности путем секционирования общего железобетонного корпуса хранилища СПГ.

Аналогами предлагаемого изобретения являются вантовые подземные хранилища сжиженного природного газа (ПХ СПГ) по патенту RU 2431770, F17C 1/00, B65G 5/00, E04B 7/14, 2011 г. - [1] и RU 2431771, F17C 1/00, B65G 5/00, Е04B 7/14, 2011 г. - [2].

Подземные хранилища СПГ [1] и [2] представляют подземные железобетонные резервуары, огражденные по периметру от массива грунта бетонной «стеной в грунте», расположенные ниже уровня поверхности земли на основании из уплотненного грунта и теплоизолированной прослойки, железобетонный резервуар по наружной цилиндрической боковой поверхности окружен податливой прослойкой, а изнутри покрыт слоями теплоизоляции и гидроизоляции от СПГ.

Для доступа и обслуживания железобетонного резервуара сооружена технологическая шахта, имеющая выход на поверхность земли, и система криогенных трубопроводов для наполнения-выдачи СПГ и его паров.

В технологической шахте имеются герметичные люки и лестница, ведущая к подземному железобетонному резервуару.

На бетонной «стене в грунте» над поверхностью земли установлено опорное железобетонное кольцо, которое сверху засыпано слоем легкого теплоизоляционного материала.

Отличием подземного хранилища по патенту [1] от [2] является обустройство верха крыши, в частности, в устройстве [1] - опорное железобетонное кольцо расположено выше крыши железобетонного резервуара и засыпано до поверхности грунта легким теплоизоляционным материалом, а в [2] - при засыпке теплоизоляционного материала над поверхностью земли образуется купол с большим радиусом кривизны, который сверху покрыт слоем гидроизоляционного материала.

Данные подземные хранилища защищены от внешнего воздействия, однако, являются однокамерными, требуют значительных капиталовложений при проведении трудоемких и сложных земляных работ, при обустройстве специального фундамента с гидроизоляцией, также затруднено обслуживание и контроль безопасности подземного хранилища с доступом через подземную шахту.

Кроме того, внутреннее покрытие железобетонной поверхности для хранения СПГ при очень низких температурах (ниже минус 100°C) ненадежно и недолговечно.

Прототипом предлагаемого изобретения является резервуар для хранения сжиженного природного газа по патенту RU 2437027, F17C 1/00, B65G 5/00, E04B 7/14, 2011 г. - [3], представляющий собой железобетонный прямоугольный контейнер, в котором расположена цилиндрическая горизонтальная емкость заводской готовности, которая устанавливается под землю (или под полом сооружения). К емкости, установленной в колодце, подключены трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой, посредством которых обеспечивается наполнение и опорожнение сжиженным природным газом. Для исключения теплопритоков к СПГ и увеличения сроков его бездренажного хранения емкость устанавливается в контейнере на подставках, выполненных из материалов с низкой теплопроводностью, а пространство между емкостью и внутренними стенками контейнера заполняется теплоизолирующим материалом, например пенополиуретаном.

Несмотря на достижение результата - снижение стоимости и времени строительно-монтажных работ, увеличение срока бездренажного хранения сжиженного природного газа и повышение надежности эксплуатации хранилища с криогенным топливом, предлагаемые устройства имеют следующие недостатки:

- хранилища СПГ являются однокамерными, поэтому при выходе из строя рабочей емкости и хранилища в целом не обеспечат бесперебойную работу по приему и отгрузки СПГ потребителям;

- лимитированный срок бездренажного хранения СПГ, который зависит от внешних теплопритоков, приводит к потере СПГ в результате вынужденного сброса паров через регулируемые предохранительные клапана.

Особенностью предлагаемого изобретения является то, что оно является секционированным хранилищем природного сжиженного газа.

Сущность предложенного устройства-хранилища сжиженного природного газа поясняется фигурой 1, фигурой 2, фигурой 3, фигурой 4 и фигурой 5.

На фигуре 1 изображен общий вид хранилища СПГ.

На фигуре 2 представлено сечение хранилища (фигура 1) в разрезе (по А-А), при размещении во внутреннем пространстве железобетонного резервуара 3-х секций-сегментов, в которых размещены 3 цилиндрические емкости.

На фигуре 3 представлено сечение хранилища (фигура 1) в разрезе (по А-А), при размещении во внутреннем пространстве железобетонного резервуара 4-х секций-сегментов, в которых размещены 4 цилиндрические емкости.

На фигуре 4 изображено сечение хранилища в разрезе (по Б-Б), при размещении во внутреннем пространстве между сферической крышей и железобетонным основанием, образующемся железобетонными сегментами секций монтажа, трубопроводов, выходящих из емкостей при размещении 3-х секций-сегментов.

На фигуре 5 изображено сечение хранилища в разрезе (по Б-Б), при размещении во внутреннем пространстве между сферической крышей и железобетонным основанием, образующемся железобетонными сегментами секций монтажа, трубопроводов, выходящих из емкостей при размещении 4-х секций-сегментов.

На фигуре 1 представлены потоки: I - загрузка и отбор сжиженного газа (жидкой фазы); II - выход паровой фазы; III - подача газообразного азота; IV - ход газообразного азота. На фигурах 1-5 представлены основные конструктивные элементы устройства (хранилища) и основная арматура (другая арматура, включая предохранительные клапаны, системы управления и датчики исключены для упрощения и наглядности).

На фигурах 1, 2, 3, 4, 5 также представлены: 1 - жилидрическая часть вертикального железобетонного резервуара; 2 - теплоизоляция; 3 - гидроизоляция; 4 - секции-сегменты; 5 - вертикальные железобетонные перегородки; 6 - цилиндрические емкости; 7 - теплоизоляция; 8 - прокладки из теплоизолированного материала; 9 - вертикальная железобетонная стойка; 10 - железобетонные сегменты перекрытия; 11 - сферическая металлическая каркасная крыш; 12 - цилиндрическая вставка; 13 - крышка; 14 - внутреннее пространство между сферической крышей и железобетонным основанием из сегментов перекрытия; 15 - трубопровод вывода паровой фазы из емкости: 16 - трубопровод ввода/вывода сжиженного газа; 17 - манометр; 18 - общий трубопровод вывода паровой фазы из емкостей; 19 - общий трубопровод вывода сжиженного газа из емкостей; 20 - отверстия в боковой поверхности цилиндрической вставки для вывода общих трубопроводов сжиженного газа и паровой фазы; 21 - засыпная пористая теплоизоляция; 22 - патрубок ввода азота; 23 - патрубок вывода азота; 24 - грунт; 25-33 представлены запорно-регулирующие вентили.

Технический результат достигается тем, что хранилище СПГ является надземным, подземным или полузаглубленным хранилищем сжиженного природного газа (СПГ), представляющим собой вертикальный цилиндрический железобетонный резервуар, теплоизолированный и гидроизолированный, со стороны внешней стенки, имеющий сферическую крышу, патрубки для загрузки и отбора жидкой и паровой фаз, при поддержании в хранилище гарантированного незначительного, близкого к атмосферному, избыточного давления СПГ, для обеспечения условий изотермического хранения СПГ.

Для повышения безопасности хранения внутреннее пространство цилиндрической части железобетонного резервуара разделено на несколько секций-сегментов вертикальными железобетонными перегородками, равными по высоте цилиндрической части резервуара и расположенными радиально от центра резервуара до внутренней стенки цилиндрической части резервуара, в секциях-сегментах установлены вертикально типовые цилиндрические емкости со сферическими днищами заводского изготовления, имеющие теплоизоляцию, представляющие собой автономные хранилища СПГ, в них поддерживаются условия для изотермического хранения СПГ, в местах соприкосновения цилиндрических емкостей с железобетонными перегородками секций-сегментов, включая верхнее и нижнее основания сферических днищ емкостей, установлены прокладки из теплоизоляционного материала, в центре резервуара установлена вертикальная железобетонная стойка, равная высоте вертикальных перегородок, установленных от железобетонной стойки до внутренней стенки цилиндрической части железобетонного резервуара, образуя изолированные пространства секций путем установки вверху железобетонных перекрытий, в виде сегментов, перекрывающих секции, совмещенные друг с другом, которые образуют общее железобетонное перекрытие цилиндрической части железобетонного резервуара, на которое опирается сферическая металлическая каркасная теплоизолированная крыша, с диаметром, равным диаметру цилиндрической части железобетонного резервуара, в центре сферической крыши установлена цилиндрическая вставка, выступающая над сферической крышей, нижняя часть вставки полая, а в верхней части имеется открывающаяся крышка, во внутреннем пространстве, между сферической крышей и железобетонным основанием, образующемся железобетонными сегментами секций, размещены трубопроводы раздельного вывода паровой и жидкой фаз из каждой емкости, которые осуществлены через отверстия в железобетонных перекрытиях секций, в которых размещены емкости с патрубками, выполнен их монтаж раздельного вывода трубопроводов, с установленными на них манометрами, предохранительными клапанами, запорно-регулирующими вентилями, из каждой емкости с выводом двух суммирующих трубопроводов раздельного вывода фаз с установленными на них запорно-регулирующими вентилями, за пределы железобетонного резервуара с выводом их через отверстия в боковой поверхности цилиндрической вставки, выступающей над сферической крышей, внутреннее пространство в секциях-сегментах между цилиндрическими емкостями и железобетонными перегородками заполнено теплоизолирующим материалом, например, засыпной, пористой изоляцией, в верхней и нижней зонах железобетонного резервуара размещены патрубки для подачи циркулирующего азота во внутреннее пространство железобетонного резервуара.

Предпочтительно количество секций-сегментов, размещенных во внутреннем пространстве железобетонного резервуара, равно 3 или 4, где соответственно размещено такое же количество цилиндрических емкостей.

Нумерация элементов хранилища СПГ, представленных на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5 для реализации данного устройства, предложенного выше, приведена на стр. 3-5.

Хранилище сжиженного природного газа (СПГ) содержит вертикальный цилиндрический железобетонный резервуар 1, имеющий теплоизоляцию и гидроизоляцию 2 со стороны внешней стенки, сверху цилиндрического резервуара имеется сферическая металлическая каркасная теплоизолированная крыша 3.

Внутреннее пространство цилиндрической части железобетонного резервуара 1 разделено на несколько (не менее 3-х) секций-сегментов 4 (при трех сегментах - Фиг. 2, при четырех сегментах - Фиг. 3) вертикальными железобетонными перегородками 5, по высоте равными цилиндрической части резервуара и расположенными радиально от центра резервуара до внутренней стенки цилиндрической части резервуара, в секциях-сегментах 4 установлены вертикально типовые цилиндрические емкости 6 со сферическими днищами заводского изготовления, имеющие теплоизоляцию 7. В емкостях 6 поддерживаются условия для изотермического хранения СПГ.

В местах соприкосновения цилиндрических емкостей с железобетонными перегородками 5, включая верхнее и нижнее основания сферических днищ, установлены прокладки 8 из теплоизоляционного материала. В центре резервуара установлена железобетонная стойка 9, равная высоте вертикальных перегородок, которые образуют изолированные пространства секций путем установок сверху железобетонных перекрытий 10 в виде сегментов, образуя железобетонное перекрытие, на которое опирается сферическая металлическая каркасная теплоизолированная крыша 11, с диаметром, равным диаметру цилиндрической части железобетонного резервуара. В центре сферической крыши установлена цилиндрическая вставка 12, в верхней части ее имеется открывающаяся крышка 13.

Во внутреннем пространстве 14 между сферической крышей и железобетонным основанием 10 размещены трубопроводы раздельного вывода паровой 15 и жидкой фаз 16 из каждой емкости и выполнен монтаж трубопроводов раздельного вывода фаз с установкой на них манометров 17 и предохранительных клапанов (не показаны для упрощения) и запорно-регулирующих клапанов (позиции, с получением суммирующих трубопроводов паровой 19 и жидкой 20, вывод которых выполнен через отверстия 21 цилиндрической вставки 12. Внутреннее пространство 14 заполнено теплоизолирующим материалом. В верхней и нижней зонах железобетонного резервуара размещены патрубки 22 и 23 для подачи циркулирующего азота во внутреннее пространство железобетонного резервуара.

По сравнению с известными изобретениями предлагаемое хранилище имеет следующие преимущества:

- является секционированным, состоящим из автономных хранилищ, каждое из них является защищенным со всех сторон железобетонным корпусом, в котором размещена металлическая вертикальная емкость;

- при повреждении одной или нескольких емкостей-хранилищ в оставшихся емкостях сохраняются изотермические условия хранения СПГ. Система трубопроводов загрузки и отбора сжиженного газа выполнена за пределами железобетонных камер-хранилищ, а именно в верхней части в пространстве над железобетонным перекрытием, и подвод трубопроводов индивидуален к каждой изолированной емкости.

Заявленное хранилище работает следующим образом.

Загрузку сжиженным газом автономных хранилищ-емкостей 6 производят по линии I при открытии запорно-регулировочных вентилей 26 на общей линии и на входе в каждую емкость - позиции вентилей 27, 30, 32, 34, при открытых вентилях 29 на общей паровой линии и на входе в каждую емкость - позиции вентилей 28, 31, 33, 35. Заполнение емкостей 6 сжиженным природным газом (СПГ) производят, оставляя небольшое паровое пространство, после чего закрывают открытые вентили, контролируя давление в емкостях по манометру и приборам КИПи А (на фигурах не показаны для упрощения). При длительном бездренажном хранении СПГ контроль производят по возрастанию давления не выше 500 мм вод. ст. (по показаниям манометра, установленного на паровой линии), при дальнейшем повышении давления необходим сброс давления в независимые разгрузочные системы или непосредственно в атмосферу через предохранительные клапана.

Таким образом, предлагаемое хранилище СПГ позволяет осуществить безопасное хранение продукта в течение длительного времени.

Безопасность хранения обеспечивается конструктивной особенностью, включающей секционированное размещение в одном общем защищенном железобетонном резервуаре нескольких автономно защищенных железобетонных хранилищ, в которых размещены типовые емкости заводского изготовления.

При этом заполнение, загрузку и отбор СПГ осуществляют из независимых мини хранилищ, а при необходимости и в целом из всего общего объема хранения СПГ.

Также к преимуществам следует отнести то, что при опорожнении одной из емкостей при длительном хранении СПГ в остальных емкостях при возрастании давления в результате интенсивного парообразования появляется возможность сбрасывать эти пары в опорожненную емкость, что позволит экономить целевой продукт СПГ от его дренажа, для обеспечения безопасности, в атмосферу.

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил известного хранилища СПГ, а также не известны технические решения по выполнению предложенной конструкции хранилища СПГ и его вспомогательного оборудования, что доказывает «изобретательский уровень».

Секционированное размещение нескольких защищенных автономных хранилищ обеспечивает безопасное хранение даже в случае повреждения одной или нескольких емкостей.

Также при опорожнении одной или нескольких емкостей возможно еще более длительное хранение продукта (СПГ) в оставшихся заполненных продуктом емкостях за счет сброса образовавшихся паров из этой емкости в опорожненную емкость.

Конструктивная реализация заявленного изобретения с указанной совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».

Источники информации

1. RU 2431770, F17C 1/00, B65G 5/00, Е04B 7/14, 2011 г.- [1].

2. RU 2431771, F17C 1/00, B65G 5/00, Е04B 7/14, 2011 г. - [2].

3 RU 2437026, F17C 1/00, B65G 5/00, Е04B 7/14, 2011 г. - [3] - прототип.