ПОДВОДНОЕ ХРАНИЛИЩЕ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
UNDERWATER LIQUEFIED NATURAL GAS STORAGE

Изобретение относится к шельфовым сооружениям, а именно к морским хранилищам сжиженного природного газа (СПГ), предназначенным для подводного накопления и хранения сжиженного природного газа (СПГ) в акваториях Северного Ледовитого океана.
Известен подводный резервуар, работающий по принципу вытеснения продуктом налива воды, когда вода поступает в резервуар для хранения или вытесняется из него по мере изменения объема хранящейся нефти. Такие резервуары могут быть полностью расположены под водой или возвышаться над поверхностью воды (US 3889477).
Недостатком такого нефтехранилища является наличие зоны контакта нефти с водой и большая вероятность их смешивания, что может способствовать размножению бактерий в данной зоне и постепенному уменьшению полезной емкости хранилища в период эксплуатации. Возникает риск утечки продукта из резервуара и загрязнения акватории.
Использовать такое конструкторское решение для хранения СПГ невозможно, поскольку исключается возможность прямого контакта воды, имеющей положительную температуру, с криогенным СПГ.
Известна установка для производства и хранения криогенной жидкости, включающая множество подводных ячеек и надводную часть, на которой устанавливается завод СПГ и средства передачи продукта на надводный танкер (US 7553107).
Недостатком такой конструкции является ее зависимость от надводного модуля, без которого данное сооружения не может существовать самостоятельно, что приводит к невозможности использовать такое сооружение при полностью подводном освоении месторождения, а также на больших глубинах в условиях арктического шельфа, где навигационный период ограничен 3-4 месяцами наряду с существованием суровых ледовых условий.
Кроме того, поскольку в описании изобретения отсутствуют сведения о мерах по предотвращению появления явления «ролловера», то и надежность эксплуатации такого сооружения не будет соответствовать условиям безопасности.
Также известна система подводного хранения сжиженных газов, содержащая два скрепленных между собой контейнера: сферический, внутри которого расположена гибкая мембрана, и кубический. Система работает по принципу сообщающихся сосудов: при закачке СПГ в сферический контейнер сила тяжести воздействует на мембрану и вытесняет изолирующую жидкость (изопентан) во второй резервуар (US 3727418).
Изопентан, попадая во второй контейнер, воздействует на мембрану и вытесняет из контейнера воду в окружающую среду с объемом, равным изменившемуся объему изопентана во втором контейнере.
Недостатком такой конструкции является сложность крепления сферического резервуара к кубическому, большое количество изопентана для работы такой конструкции, кубическая форма второго резервуара приводит к возникновению большого опрокидывающего момента из-за действия подводных течений. Такая конструкция не сможет обеспечить надежность и устойчивость при эксплуатации сооружения, кроме того, здесь также не предусмотрено предотвращение явления «ролловера».
Известен «Оффшорный терминал СПГ», представляющий собой терминал для приема, сжижения, хранения, регазификации и доставки природного газа. Данное сооружение имеет в своем составе железобетонное опорное основание с расположенной на нем криогенной емкостью, при этом для создания необходимой плавучести сооружения вокруг резервуара используются балластные отсеки, в которые закачивается забортная вода (US3766583).
Недостатком данного технического решения является то, что криогенный резервуар СПГ не встроен в конструкцию корпуса, а лишь базируется на его верхней части, что делает его незащищенным от воздействий окружающей среды. Кроме того, открытые балластные емкости, которые расположены выше уровня воды, отсутствие в конструкции двойных бортов и палубы увеличивает ледовую и волновую нагрузки на сооружение в период эксплуатации.
Известен «Оффшорный криогенный танк», содержащий основание, цилиндрическую вертикальную стену, внутренняя часть которой разделена горизонтальной перегородкой (палубой) на верхнюю емкость - криогенный резервуар и нижнюю емкость - балластный отсек, крышу и палубу (GB1464260). Для создания необходимой плавучести сооружения вода принимается или опорожняется из балластного отсека при наполнении или удалении жидкости из внутреннего резервуара, соответственно.
Недостатком данного технического решения является отсутствие ледостойкости у сооружения, криогенный резервуар находится на опорном основании выше действующей ватерлинии, что увеличивает аппликату центра тяжести данного сооружения, при этом уровень воды в балластном отсеке всегда необходимо контролировать и поддерживать с помощью балластных насосов, в зависимости от загрузки (наполнения) криогенного резервуара.
Кроме того, цилиндрическая форма сооружения создает значительный опрокидывающий момент при эксплуатации сооружения, конструкция имеет ограничения по расположению на морском дне по глубине, нуждается в связи с окружающей средой для отвода отпарного газа, возникающего при хранении.
Известно подводное нефтехранилище, выполненное в виде плоского днища круглой формы и корпуса в виде полусферы, жестко соединенного с днищем, с образованием герметичного объема для хранения нефтепродуктов, при этом корпус соединен посредством трубопровода с газосборником, днище выполнено выступающим за пределы корпуса, а корпус содержит, по меньшей мере, один патрубок для закачки нефтепродуктов внутрь корпуса и, по меньшей мере, один патрубок для слива нефтепродуктов, при этом в качестве материала корпуса и днища используют или сталь или бетон или железобетон, а закрепление днища нефтехранилища на дне осуществляют с помощью анкерных устройств (RU133818).
Недостатком известного нефтехранилища является: большое значение положительной плавучести, обусловленной наличием воздушной смеси внутри резервуара. Кроме того, погружение хранилища осуществляют с помощью пригрузов и после фиксации сооружения снимают их плавучими кранами. Большая масса пригрузов усложняет процесс их транспортировки до месторождения, приводит к необходимости использования больших мощностей лебедок или плавучих кранов для их подъема с морского дна, увеличивает нагрузку на анкеры.
Из известных решений наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является плавучее хранилище сжиженного природного газа гравитационного типа для эксплуатации в прибрежных акваториях северных морей со сложными ледовыми условиями, содержащее многоугольный ледостойкий железобетонный кессон, двойное дно, двойные борта, внутренние переборки и палубы, вертикальную цилиндрическую конструкцию с куполообразной крышей и встроенным изотермическим резервуаром СПГ с многослойной изоляцией (RU 163720).
Описанное техническое решение имеет следующие недостатки.
Поскольку днище хранилища полностью примыкает к морскому дну, т.е. имеет место прямое соприкосновения с морским дном, то при хранении будет происходить «выхолаживание» вспучивание донного грунта.
После установки на дно выступающая надводная часть (изотермический резервуар) будет подвергаться воздействию ветра, что ограничит применение хранилища только на небольших глубинах в прибрежных территориях.
Взаимодействие корпуса хранилища со льдом, приведет к необходимости увеличения толщины стенок кессона, что приведет к увеличению металлоемкости конструкции и увеличения ее стоимости и трудоемкости изготовления.
Кроме того, многоугольность ледостойкого кессона резервуара вызовет его искривление при ледовых воздействиях.
В описании решения также отсутствуют сведения о реализации процесса регазификации, а также мер по предотвращению явления «ролловера».
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и безопасности эксплуатации подводного резервуара для хранения СПГ под водой.
Указанная проблема решается тем, что подводное хранилище сжиженного природного газа содержит двустенный корпус в виде полусферы с плоским днищем с образованием герметичного объема, закрепленный посредством погружных свай на грунте морского дна с зазором между днищем корпуса и морским дном, в нижней части корпуса размещены патрубки для подачи сжиженного природного газа и лотковый зумпф для откачки морской воды или сжиженного природного газа, а в полости корпуса установлены мешалка и система охлаждения, выполненная в виде змеевика с высотой витков, увеличивающейся от периферии корпуса к центру, сообщающаяся с линиями подачи жидкого воздуха и его слива, купольная часть корпуса сообщается с линией подачи азота и отвода смеси азота с отпарным газом, на которой установлен регулируемый клапан, при этом внутренняя стенка корпуса выполнена из криогенной стали, облицованной снаружи последовательно слоями теплоизоляции и полиуретановой пены, а внешняя стенка выполнена из железобетона, облицованного снаружи слоем гидроизоляции в виде полимерного покрытия.
Достигаемый технический результат заключается в комплексном единовременном обеспечении условий для повышения несущей способности хранилища при воздействии внешнего гидростатического давления, для предотвращения возникновения «ролловера», для снижения интенсивности образования отпарного газа внутри резервуара и поддержания криогенной температуры, для предотвращения вспучивания грунта и образования ледяных линз, а также для создания отрицательной плавучести сооружения.
Предложенное техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого подводного комплекса для хранения СПГ;
на фиг. 2 изображен вид в разрезе подводного хранилища СПГ в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 3 изображен процесс погружения подводного хранилища СПГ под воду и установки его с применением всасывающих устройств;
на фиг. 4 показан пример проектного положения подводного хранилища СПГ с уклоном в сторону лоткового зумпфа 1:100;
на фиг. 5 изображен вид сверху на подводное хранилище СПГ;
Список сокращений, используемых в описании заявленного изобретения:
ЖВ - жидкий воздух;
СПГ - сжиженный природный газ.
Предлагаемое подводное хранилище сжиженного природного газа содержит двустенный корпус 1 (см. фиг. 1, 2) в виде полусферы с плоским днищем 2 с образованием герметичного объема. Закрепление подводного хранилища происходит посредством погружных свай 3 на грунте морского дна 4. Погружные сваи 3, замоноличенные в проушинах 5 (см. фиг. 5) плоского днища 2 в виде треноги, погружаются в грунт при помощи всасывающих устройств 6 (см. фиг. 3) с зазором 7 между днищем корпуса 2 и морским дном 4. В нижней части двустенного корпуса 1 размещены патрубки 8 для подачи СПГ и лотковый зумпф 9 для откачки морской воды или СПГ. В полости корпуса 1 установлены мешалка 10 с приводом (на фиг. не показан), система охлаждения 11, запорная арматура (на фиг. не показана), контрольно-измерительное оборудование (на фиг. не показано), которое должно быть выполнено дистанционно управляемым и интегрированным в систему диспетчерского управления и сбора данных. Система охлаждения 11 выполнена в виде змеевика с высотой витков, увеличивающихся от периферии корпуса к центру. Это обеспечивает повышение эффективности работы системы охлаждения 11, которая сообщается с линиями подачи 12 жидкого воздуха и его слива 13. Купольная часть корпуса 14 сообщается с линией подачи азота и отвода 15 смеси азота с отпарным газом 16, на который установлен регулируемый клапан 17, связанный сдатчиком давления 18. Рядом с подводным хранилищем СПГ расположен газосборник 19, установленный с помощью свай 20 на грунт морского дна 4. Внутренняя стенка корпуса 21 выполнена из криогенной стали, облицованной снаружи последовательно слоями теплоизоляции 22 и полиуретановой пены 23 посредством штифтов или штырей, приваренных к корпусу (на фиг. не показаны), а внешняя стенка 24 выполнена из железобетона, облицованного снаружи слоем гидроизоляции 25 в виде полимерного покрытия. Внешняя стенка 24 замоноличивается в кольцевом желобе плоского днища 2 и представляет собой монолитное сооружение.
3
Толщина стенки железобетона должна быть в несколько раз больше, чем толщина стенки из криогенной стали. Это объясняется тем, что гидростатическое давление воды на внешнюю стенку 24 значительно больше избыточного давления газовой смеси 16 над поверхностью СПГ и гидростатического давления столба СПГ на внутреннюю стенку корпуса 21. Так, например, толщина внешней стенки 24 может составлять от 20 мм до 300 мм в соответствии с возрастанием глубины морского дна до 500 м. При этом толщина стенки внутренней стенки 21 также должна пропорционально возрастать от 10 мм до 50 мм для хранения продукта налива объемом до 60000 м. Применение подводных хранилищ СПГ большего объема усложняет и удорожает процессы строительства, транспортировки и погружения на дно. Точные значения габаритов и толщин стенок конструктивных элементов подводного хранилища СПГ выбираются согласно расчету на прочность и устойчивость оболочек под совместным воздействием основных нагрузок. Уровень надежности конструкции подводного хранилища СПГ и коэффициент запаса определяются в зависимости от его несущей способности.
Процесс погружения и эксплуатации предлагаемого изобретения заключается в следующем:
Подводное хранилище СПГ обладает положительной плавучестью перед процессом погружения на морское дно, и, чтобы погрузить его под воду, необходимо преодолеть архимедову силу. Для этой цели применяют управляемое погружение путем постепенной закачки в подводное хранилище СПГ определенного, установленного расчетом объема морской воды для придания отрицательной плавучести сооружению. Погружение должно осуществляться медленно, для того чтобы предотвратить механические повреждения подводного хранилища СПГ при установке на дно 4. Равномерное погружение подводного хранилища СПГ на морское дно осуществляется мощными лебедками (на фиг. не показаны), установленными на буксирах и/или медленно балластируемыми стальными/ эластичными емкостями (на фиг. не показаны), присоединенными к хранилищу для его спуска.
Подводное хранилище СПГ с замоноличенными в проушинах 5 в виде треноги погружными сваями 3 погружается и устанавливается в пробуренные перед спуском места на морское дно 4. При этом указанные сваи 3 погружаются в грунт путем откачки морской воды из них всасывающими устройствами 6 через заранее подготовленные отверстия в проушинах 5. Причем погружение свай в морское дно 4 идет таким образом, чтобы между плоским днищем 2 и морским дном 4 оставался зазор 7 и создавался небольшой отрицательный уклон в сторону лоткового зумпфа 9. Погружные сваи 3 защищают конструкцию от воздействия подводных течений и препятствуют всплытию на поверхность акватории при его опорожнении. Зазор 7 между плоским днищем 2 и морским дном 4 необходим для предотвращения вспучивания грунта и образования ледяных линз, что также упрощает проведение работ по подготовке поверхности морского дна 4. Уклон в сторону лоткового зумпфа 9 нужен для полного опорожнения подводного хранилища от морской воды или СПГ. Расположение свай 3 и их количество выбрано ввиду большей устойчивости такого базирования. Габариты этих погружных свай выбирают таким образом, чтобы при полном опорожнении подводного хранилища СПГ положение системы оставалось устойчивым.
Далее производят процесс погружения и обвязки газосборника 19 с купольной частью корпуса 14. Конструкция газосборника 19 представляет герметичный стальной баллон высокого давления, в котором происходит последовательное сжатие и расширение газовой смеси 16 при опорожнении и заполнении подводного хранилища СПГ. Соответственно, внутри находится газообразный азот, так как он, в отличие от воздуха, не создает взрывоопасную смесь. Газообразный азот находится под таким избыточным давлением, чтобы, когда весь продукт налива покинет подводное хранилище СПГ, избыточное давление газа в газосборнике 19 стало бы равным нулю. Линия подачи газообразного азота и отвода 15 смеси газообразного азота с отпарным газом 16 служит для транспорта газовой смеси в газосборник и обратно при заполнении и опорожнении подводного хранилища СПГ.
Затем полностью опорожняют подводное хранилище СПГ от воды путем ее откачки. Это возможно, поскольку газообразный азот из газосборника 19 заполняет внутреннее пространство двустенного корпуса 1 СПГ и предотвращает тем самым образование вакуума. При заполнении подводного хранилища СПГ потоком сжиженного природного газа с помощью криогенного центробежного насоса (на фиг. не показан) через подводящий трубопровод (на фиг. не показан), соединенный с патрубком 8, происходит сжатие газовой смеси 16 над зеркалом СПГ. Сжиженный природный газ по мере заполнения объема, как поршень, движется вверх и сжимает газовую смесь. При этом происходит перемешивание азота с углеводородами и образуется взрывобезопасная газовая смесь 16. Как только избыточное давление газа достигнет заданного значения, что фиксируется датчиками давления 18, установленными в полости корпуса 1, открывают клапан 17, и газовая смесь 16 поступает в газосборник 19, который обладает высокой несущей способностью. Для предотвращения возникновения «ролловера» применяется перемешивающее устройство - мешалка 10 с приводом. Для снижения интенсивности образования отпарного газа внутри резервуара и поддержания криогенной температуры применяется система охлаждения 11, по трубам которой циркулирует жидкий воздух в полости корпуса 1 и поступает он из подводного завода СПГ (на фиг. не показан). При увеличении температуры жидкого воздуха выше - 163°С он направляется в специальную емкость (на фиг. не показана) для дальнейшего использования в качестве хладагента при ожижении природного газа. Производится теплоизоляция труб линии подачи 12 жидкого воздуха и его слива 13, ведущих в подводный резервуар для хранения СПГ и выходящих из него.
Замоноличивание железобетонной купольной части корпуса 14 с плоским днищем 2 обеспечивает несущую способность хранилища при воздействии внешнего гидростатического давления. Герметизация внутреннего пространства, которая создана монолитным сооружением из железобетона, внутри которого находится слой полиуретановой пены 23, а снаружи облицованного слоем гидроизоляции 25 в виде полимерного покрытия, препятствует попаданию СПГ и его паров в акваторию, предохраняет арматуру от коррозии, защищает подводное хранилище СПГ от попадания влаги сквозь поры бетона, обеспечивает экологическую безопасность эксплуатации сооружения. Применение заранее рассчитанных слоев теплоизоляции 22 снижает интенсивность испарения СПГ.
Танкер-газовоз (на фиг. не показан), прибывающий к подводному хранилищу СПГ, должен содержать емкость с жидким азотом, который перекачивается в газосборник 19. Жидкий азот под действием тепловых потоков превращается в газообразный азот, создавая внутри избыточное давление.
Подача СПГ в подводный танкер происходит под избыточным давлением газовой смеси 16 из газосборника 19, который поступает в подводное хранилище СПГ и вытесняет СПГ. Опорожнение от СПГ осуществляется через лотковый зумпф 9.
Подводные хранилища СПГ предложенной конструкции могут использоваться для хранения СПГ под водой на разных глубинах с учетом заранее рассчитанной толщины стенок резервуара.
Объем емкостей хранения должен соответствовать, как минимум, водоизмещению челночного танкера, предназначенного для вывоза накопленной продукции. В свою очередь, за период отсутствия танкера в подводном парке должен накопиться соответствующий объем СПГ, чтобы танкер был полностью загружен.
Предлагаемый резервуар может быть сооружен как одиночным, так и в составе группы подобных резервуаров, образуя подводный резервуарный парк СПГ (в случае крупного месторождения).
Таким образом, предлагаемая конструкция подводного хранилища СПГ обеспечивает повышение надежности и безопасности эксплуатации подводного резервуара для хранения СПГ под водой.