Способ хранения газообразного гелия
METHOD OF STORING GASEOUS HELIUM

Изобретение относится к способам хранения газообразного гелия, преимущественно, в больших объемах.
Известны способы подземного хранения в отработанных горных выработках [1], состоящее из подземного тоннеля, в котором размещаются емкости, не связанные между собой, для хранения газов; соединенные с системой подачи и отбора газа, каждая емкость выполнена в виде одного или нескольких газгольдеров, состоящих из уложенных рядами металлических сосудов высокого давления, соединенных между собой трубопроводами и отдельным трубопроводом с системой подачи и отбора газа.
Недостатком этого технического решения является достаточно высокая сложность при реализации и низкая надежность в сейсмически-опасных районах.
Известен способ создания и эксплуатации гелиевого концентрата (80-93% гелия) в кавернах каменной соли [2]. Принципиальная возможность хранения гелия в составе гелиевого концентрата в соляных кавернах подтверждена опытом строительства и эксплуатации подземного хранилища возле г. Оренбург, РФ. Хранилище представляет собой шесть подземных резервуаров, созданных методом подземного растворения каменной соли через буровые скважины. Многолетние исследования подтвердили сохранность качества продукта при его контакте с каменной солью и рассолом, оставшимся после первоначального заполнения.
Недостатками данного способа является высокая капиталоемкость; длительность создания; малые толщины соляного пласта и его неоднородность, что может привести к значительным потерям гелия при его длительном хранении; нанесение вреда окружающей среде при разработке каверны, связанного с необходимостью утилизации рассола, образующегося при размыве каверны.
Также известно хранилище газообразного гелия [3], выполненное в виде не менее двух трубопроводов, каждый трубопровод выполнен из сваренных между собой труб высокого давления, внутренняя и/или наружная поверхность и сварные стыки которых оснащены защитным композиционным материалом, а запорная и регулирующая арматура снабжены уплотнительными элементами.
Недостатком этого технического решения также является относительно высокая сложность, и для обеспечения больших объемов хранения газа потребуется значительное количество трубопроводов.
Известен способ хранения газообразного гелия [4], включающее емкости для хранения гелия, каждая из которых состоит из уложенных рядами и соединенных между собой металлических сосудов высокого давления, выполненных с защитными покрытиями внутренних и/или наружных поверхностей, при этом, металлические сосуды выполнены в виде двухгорловых баллонов.
Недостатком этого технического решения является сложность изготовления двухгорловых сосудов и необходимости большого количества арматуры для обслуживания большого количества емкостей.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ, реализуемый в хранилище гелия в карьере [5]. Особенностью данного способа является выполнение разделенного на камеры хранилища воронкообразной формы из двух корпусов: первый (внешний)- из бетона метровой толщины, второй (внутренний) - из металла. Пространство между корпусами заполнено азотом под давлением. Внутренний корпус покрыт гелиенепроницаемой мембраной.
Недостатком данного способа является сложность изготовления корпусов хранилища, сложность организации системы подачи и отбора газа в разные камеры хранилища на большую глубину, требование по поддержанию постоянного давления азота и периодическая диагностика мембраны, выполненной из ткани. Кроме того, недостатком этого способа является высокая стоимость реализации. Сейсмостойкость сооружения для реализации такого способа незначительна. Сооружение неремонтнопрогодно. Кроме того, толщина стенки крыши чрезвычайно велика, которая ставит под сомнение возможность изготовления элементов конструкции крыши и их монтажа с учетом значительных размеров крыши в плане (диаметр- в несколько сот метров) и толщины стенки перекрытия.
Задачей изобретения является снижение капитальных и эксплуатационных затрат на хранение больших объемов гелия.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе хранения газообразного гелия, при котором гелий хранится в отдельных стальных камерах системой подачи и отбора газа, камеры для хранения гелия выполнены в виде раздельно установленных на опорах надземных шаровых резервуаров большой емкости, который отличается тем, что на  внутренней поверхности резервуаров выполнена плакировка чистым железом для гелиенепроницаемости резервуара.
Способ иллюстрируется рисунками 1 и 2.
На рисунке 1 показано хранилище газообразного гелия предлагаемому способу, на рисунке 2-камера для хранения газообразного гелия в виде шарового резервуара с плакировкой чистым железом внутренней поверхности стенки.
В предлагаемом способе хранения газообразного гелия секции камеры для хранения гелия 1 выполнены в виде раздельно установленных на опорах 2 надземных шаровых резервуаров 3 большой емкости,  на  внутренней поверхности стенки 5 резервуаров выполнена плакировка 4 чистым железом для гелиенепроницаемости резервуарав 3.
Способ реализуется следующим образом.
Гелий из природного газа выделяется по технологии, исключающей ожижение газа, например, мембранной, и выделение гелия на основе криогенных процессов. Далее чистый газообразный гелий нагнетается под давлением в шаровые резервуары 3, установленные надземно на опорах 2. Потери гелия при хранении гелия минимизируются внутренней газонепроницаемой плакировкой 4 стенки резервуаров 3, которая обеспечивает хранение гелия под давлением. В качестве плакировки 4 применяется чистое железо, поскольку является непроницаемым для гелия. Технология нанесения металлической плакировки на листы металла, из которых изготавливается корпус резервуара, работающего под давлением, хорошо отработана.
Приведем сравнительные оценки эффективности предлагаемого способа хранения гелия и способов-аналогов.
3
1 Сравнение капитальных затрат предлагаемого изобретения и прототипа [5]. Эксплуатационные затраты приняты одинаковыми. Геометрический объем хранилища- 23 млн. м.
Результаты расчетов показывают (см. таблицу 1), что давление в камерах, принятое равным 4 МПа, не может быть принято в качестве расчетного ввиду неприемлемой толщины стенки перекрытия. То же можно сказать и о давлении 0,2 МПа. Максимальное давление может быть не более 0,1 МПа, поскольку вакуум В хранилище является другим неприемлемымариантом. Поэтому, для сопоставления двух способов хранения гелия примем емкость хранилищ, равной 23 млн. м3.
В таблице 2, приведенной ниже, дана оценка стоимости хранилища по предлагаемому решению. При заданных коэффициентах и стоимости металла эффективность предлагаемого решения выше, чем по прототипу, при объеме резервуара, равном ~33000 м3. Реально показатели эффективности в стоимостном исчислении прототипа будут ниже, поскольку для обеспечения хранения гелия этим способом необходима серьезная трубопроводная система, перегоняющая гелий с месторождений в конкретное место размещения горной выработки, в которой организовано хранилище гелия. Те же проблемы возникают для хранилищ в соляных выработках.
В таблице 3 приведено сопоставление капитальных затрат по предлагаемому решению и прототипу.
3
Предлагаемый способ хранения газообразного гелия позволяет привязать парки шаровых резервуаров одновременно к магистральным трубопроводам перекачки природного газа, который будет проходить через системы мембранного выделения гелия из газа, и к местам потребления гелия. Это снизит логистические издержки в системе доставки гелия потребителю. По РФ, например, таких кустовых парков может быть 5-6 по 10-20 резервуаров V=30000 м (по числу стратегических магистралей перекачки природного газа). Ни одна из приведенных схем хранения не позволит получить такой эффект.
Библиография
1. Хранилище газов в горных выработках - «ВНИИГАЗ». RU 89505, U1, B65G 5/00, 10.12.2009.
2. Хан С.А., Игошин А.И., Казарян В.А., Скрябина А.С., Сохранский В.Б. Подземное хранение гелия. - М, - Ижевск: Институт компьютерных исследования, 2015, стр. 90-108
3. Хранилище газообразного гелия. RU 128915, U1, F17C 5/00, 10.06.2013.
4. Хранилище газообразного гелия. RU 105398, U1, B65G 5/00, F17C5/00, 10.06.2011
5. Хранилище гелия. RU 2667708 8b1a, 25.09.2018.
6. ГОСТ 34233.2-2017. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек.
7. А. Климентьев. Гелиевый путь России. Стр 78-85.Oil & Gas Russia. Декабрь 2017