Герметичный и изолированный резервуар для холодной сжатой жидкотекучей среды
SEALED AND INSULATED RESERVOIR FOR COLD COMPRESSED LIQUID FLUID

Изобретение относится к резервуарам, рассчитанным на сжатые жидкотекучие среды, в частности холодные или горячие жидкотекучие среды, более точно, сжиженный природный газ.
Известен низкотемпературный герметичный резервуар, имеющий жесткий металлической корпус из низкотемпературной стали, непосредственно контактирующий с холодной жидкотекучей средой и окруженный снаружи тепловой изоляцией. Тем не менее, такой корпус, который должен выдерживать как высокое давление (например, 3-6 бар), так и низкую температуру (например, -163°С), требует большого количества особо дорогостоящих металлических сплавов.
В документе WO 2007/084007 описано хранилище для СПГ с резервуаром, помещающимся в каверне. В документе WO 2010/119213 описана изоляция в среде аргона резервуара для сжиженного газа с двойными стенками. В документе FR 2412783 описан изолированный резервуар для хранения и транспортировки горячей жидкотекучей среды под избыточным давлением. В документе GB 2012040 описана термоизоляционная оболочка для трубы или резервуара. В документе RU 2307973 описан резервуар для хранения низкотемпературной жидкотекучей среды и способ изготовления герметичного резервуара.
В одном из вариантов осуществления изобретения предложен герметичный и изолированный резервуар для холодной сжатой жидкотекучей среды, содержащий:
жесткий герметичный корпус,
непроницаемую для жидкотекучих сред мембрану, рассчитанную на вхождение в контакт с холодной жидкотекучей средой в резервуаре,
изоляционный барьер между непроницаемой для жидкотекучих сред мембраной и внутренней поверхностью жесткого корпуса, образующий опорную поверхность для непроницаемой для жидкотекучих сред мембраны, и
устройство выравнивания давления, способное ограничивать разность давлений между первым герметичным объемом внутри непроницаемой для жидкотекучих сред мембраны и вторым герметичным объемом снаружи непроницаемой для жидкотекучих сред мембраны.
В вариантах осуществления такой резервуар может иметь один или несколько из следующих признаков.
В одном из вариантов осуществления устройство выравнивания давления содержит автоматический регулятор давления, связанный со вторым герметичным объемом и способный повышать или снижать давление во втором герметичном объеме в зависимости от установленного значения давления.
В одном из вариантов осуществления автоматический регулятор давления способен определять установленное значение давления в зависимости от давления, измеренного в первом герметичном объеме.
В одном из вариантов осуществления автоматический регулятор давления содержит регулируемый компрессор, способный нагнетать газ во второй герметичный объем с целью повышения давления во втором герметичном объеме, в частности регулирования давления во втором герметичном объеме в зависимости от разности давлений в двух объемах.
В одном из вариантов осуществления холодная жидкотекучая среда состоит из метана в жидком состоянии, а газ во втором объеме состоит из метана в газообразном состоянии. В этом случае автоматический регулятор давления предпочтительно содержит нагреватель, впускное отверстие которого связано с первым герметичным объемом, при этом нагреватель способен подавать в компрессор газообразный метан, получаемый путем нагрева жидкого или газообразного метана, поступающего из первого герметичного объема.
В одном из вариантов осуществления автоматический регулятор давления содержит регулируемый клапан, способный соединять второй герметичный объем с первым перепускным резервуаром с целью снижения давления во втором герметичном объеме.
В одном из вариантов осуществления регулируемый компрессор содержит всасывающую трубу, связанную с перепускным резервуаром.
В одном из вариантов осуществления устройство выравнивания давления содержит первое ограничивающее давление устройство, способное перемещать жидкотекучую среду из второго герметичного объема в первый герметичный объем, когда величина, на которую давление во втором герметичном объеме превышает давление в первом герметичном объеме, превышает первую заданную положительную пороговую величину.
Такое ограничивающее давление устройство предотвращает отрыв мембраны от ее опорного элемента в результате избыточного перепада давлений в первом герметичном объеме.
В одном из вариантов осуществления устройство выравнивания давления содержит второе ограничивающее давление устройство, способное перемещать жидкотекучую среду из первого герметичного объема во второй герметичный объем, когда величина, на которую в первом герметичном объеме превышает давление во втором герметичном объеме, превышает вторую заданную положительную пороговую величину.
Такое ограничивающее давление устройство предотвращает повреждение мембраны в результате чрезмерного избыточного давления в первом герметичном объеме. Тем не менее, такая мембрана обычно более устойчива к избыточному давлению, которое прижимает ее к ее опорному элементу, чем к падению давления, которое имеет тенденцию отрывать ее.
В одном из вариантов осуществления вторая положительная величина превышает первую положительную величину.
В одном из вариантов осуществления устройство выравнивания давления содержит контур жидкотекучей среды, содержащий две камеры, герметично разделенные подвижным разделителем, при этом первая камера сообщается с первым герметичным объемом, вторая камера сообщается со вторым герметичным объемом, а подвижный разделитель способен прилагать нагрузочное усилие в направлении второй камеры с целью поддержания положительной разности давлений во втором герметичном объеме и первом герметичном объеме.
В одном из вариантов осуществления подвижный разделитель содержит поршень, плавно перемещающийся в цилиндре, при этом связанная с поршнем пружина прилагает к нему нагрузочное усилие.
В одном из вариантов осуществления подвижный разделитель удерживает определенное количество жидкости в контуре жидкотекучей среды, содержащем участок, вертикально ориентированный в гравитационном поле для создания гидростатического нагрузочного усилия.
В одном из вариантов осуществления устройство выравнивания давления содержит контур жидкотекучей среды с соединительной трубой, содержащей две камеры, герметично разделенные разделителем, подвижно установленным в соединительной трубе, при этом первая камера сообщается с первым герметичным объемом, вторая камера сообщается со вторым герметичным объемом, контур жидкотекучей среды содержит выпускную трубу с отверстием, ведущим в соединительную трубу, а подвижный разделитель способен перемещаться между нейтральным положением, в котором он блокирует отверстие выпускной трубы, чтобы герметично изолировать выпускную трубу от первой и второй камер, и положением выпуска, в котором подвижный разделитель открывает отверстие выпускной трубы, чтобы с возможностью движения жидкотекучей среды соединять выпускную трубу с первой или второй камерами.
В одном из вариантов осуществления устройство выравнивания давления также содержит возвратный элемент, связанный с подвижным разделителем и принуждающий его к возврату в нейтральное положение.
В одном из вариантов осуществления резервуар также содержит:
вспомогательную непроницаемую для жидкотекучих сред мембрану и вспомогательный изоляционный барьер между изоляционным барьером и внутренней поверхностью жесткого корпуса, и
второе устройство выравнивания давления, способное ограничивать разность давлений в третьем герметичном объеме между жестким корпусом и вспомогательной непроницаемой для жидкотекучих сред мембраной и втором герметичном объеме между непроницаемой для жидкотекучих сред мембраной и второй непроницаемой для жидкотекучих сред мембраной.
В одном из вариантов осуществления первая непроницаемая для жидкотекучих сред мембрана является металлической, а изоляционный барьер или каждый изоляционный барьер состоит из множества расположенных в ряд изоляционных блоков.
В одном из вариантов осуществления изобретения также предложена система снабжения топливом электростанции, например, установленной на борту судна или суше, содержащая упомянутый резервуар, заполненный определенным количеством сжиженного газа в состоянии двухфазного равновесия при относительном давлении, которое может превышать 3 бара, и питающую линию, связывающую резервуар с электростанцией, для снабжения электростанции сжатым газом.
В основу изобретения положена идея использования технологии мембранных резервуаров для создания резервуара, рассчитанного на относительно высокое давление, например, от 3 до 10 бар. В этой технологии применяется относительно небольшое количество металла для выполнения основной функции герметизации, что помогает снижать расходы даже при необходимости использовать особые сплавы. Эта технология также позволяет обеспечивать термоизоляцию несущей конструкции, в которую встроен резервуар, от жидкотекучей среды в резервуаре, в результате чего несущая конструкция может быть изготовлена из традиционных материалов, более дешевых, чем материалы, рассчитанные на то, чтобы выдерживать экстремальные температуры.
В основу некоторых особенностей изобретения положена идея безопасного регулирования разности давлений с двух сторон непроницаемой для жидкотекучих сред мембраны с целью ее защиты от каких-либо существенных напряжений, которые могут создаваться такой разностью. В основу некоторых особенностей изобретения положена идея использования нескольких независимых устройств управления с целью повышения эксплуатационной надежности такого регулирования.
Изобретение, а также его дополнительные задачи, подробности, признаки и преимущества дополнительно пояснены в следующем далее подробном описании нескольких конкретных вариантов его осуществления, приведенных лишь в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На чертежах:
На фиг. 1 схематически показано поперечное сечение резервуара согласно первому варианту осуществления.
На фиг. 2 схематически показано клапанное защитное устройство, которое может применяться с резервуаром, проиллюстрированным на фиг. 1.
На фиг. 3 схематически показано механическое устройство регулирования давления, которое может применяться с резервуаром, проиллюстрированным на фиг. 1.
На фиг. 4 схематически показано другое механическое защитное устройство регулирования разности давлений в соседних пространствах, которое может применяться с резервуаром, проиллюстрированным на фиг. 1.
На фиг. 5 схематически показано другое механическое устройство регулирования давления, которое может применяться с резервуаром, проиллюстрированным на фиг. 1.
На фиг. 6 схематически показана автоматическая система регулирования давления, которая может применяться с резервуаром, проиллюстрированным на фиг. 1.
На фиг. 7 схематически показано поперечное сечение резервуара согласно второму варианту осуществления.
На фиг. 8 схематически показан вид в перспективе с местным разрезом резервуара согласно третьему варианту осуществления.
На фиг. 9 схематически показано поперечное сечение стеновой конструкции, применимой для сооружения резервуара, проиллюстрированного на фиг. 8.
На фиг. 10 схематически показано поперечное сечение другой стеновой конструкции, применимой для сооружения резервуара, проиллюстрированного на фиг. 8.
На фиг. 1 показано поперечное сечение резервуара в целом цилиндрической формы, содержащего жидкость 2 под относительно положительным давлением, т.е. абсолютным давлением, превышающим атмосферное давление. Стена резервуара содержит последовательно расположенные в направлении изнутри наружу основную мембрану 1, например, из металла, непосредственно в которой содержится жидкость 2, слой теплоизоляционного материала 3, на внутреннюю поверхность которого опирается основная мембрана 1, и внешний жесткий корпус 4, например, из стали.
Устройство 5 выравнивания давления воздействует на давление внутри основной мембраны 1 и/или на давление снаружи основной мембраны 1 в слое термоизоляционного материала 3 с тем, чтобы поддерживать разность давлений в этих двух пространствах в заданных пределах. Следовательно, устройство 5 выравнивания давления обеспечивает внутри непроницаемой для жидкотекучих сред мембраны 1 давление, которое преимущественно выдерживает внешний жесткий корпус 4, а не непроницаемая для жидкотекучих сред мембрана 1, в результате чего непроницаемая для жидкотекучих сред мембрана 1 и слой термоизоляционного материала 3 должны лишь выдерживать вес жидкости 2. Размеры внешнего жесткого корпуса 4 выбирают в зависимости от предполагаемого интервала рабочего давления в резервуаре.
Согласно одному из возможных применений жидкостью 2 является сжиженный природный газ (СПГ), т.е. смесь с высоким содержанием метана, хранящаяся под давлением 3-6 бар и выраженной отрицательной температуре равновесия жидкости и пара. Этот сжатый СПГ может применяться, в частности, для питания тепловых двигателей 8 судна для перевозки СПГ или любого другого аналогичного двигателя посредством питающей трубы 6, схематически показанной на фиг. 1.
Устройство 5 выравнивания давления может содержать одно или несколько средств регулирования давления, примеры которых приведены далее.
На фиг. 2 показано клапанное защитное устройство 10, которое обеспечивает поддержание давления Ре снаружи мембраны 1 в следующих пределах выше давления Pi внутри мембраны 1:
Защитное устройство 10 содержит трубу 11, сообщающуюся с пространством внутри мембраны 1, трубу 12, сообщающуюся с пространством снаружи мембраны 1, и два ограничивающих давление устройства 14 и 15, параллельно установленных в противоположных направлениях между трубами 11 и 12. Ограничивающее давление устройство 14 открывается и позволяет жидкотекучей среде выходить из трубы 11 в трубу 12, когда разность давлений достигает пороговой величины +100 мбар. Ограничивающее давление устройство 15 открывается и позволяет жидкотекучей среде выходить из трубы 12 в трубу 11, когда разность давлений достигает пороговой величины +30 мбар. Тем не менее, недостатком этого простого и надежного устройства является поступление холодной жидкотекучей среды в слой термоизоляционного материала 3 и тем самым охлаждение внешнего жесткого корпуса 4.
На фиг. 6 показан автоматический регулятор 20 давления, используемый для регулирования давления в пространстве снаружи мембраны 1 посредством регулируемого закачивания и удаления жидкотекучей среды. Автоматический регулятор 20 давления содержит трубу 21, сообщающуюся со слоем термоизоляционного материала 3, резервуар 22 для регулирующей жидкотекучей среды, контур 23 закачивания, связывающий резервуар 22 с трубой 21 и служащий для закачивания жидкотекучей среды из резервуара в слой термоизоляционного материала 3, и параллельный контур 26 откачивания, связывающий резервуар 22 с трубой 21 и служащий для откачивания жидкотекучей среды из слоя термоизоляционного материала 3 в резервуар 22.
Контур 23 закачивания содержит компрессор 24, который всасывает жидкотекучую среду из резервуара 22 и выпускает ее в трубу 21 через соленоидный клапан 25. Контур 26 откачивания содержит соленоидный клапан 27, расположенный между резервуаром 22 и трубой 21. Соленоидными клапанами 25 и 27, а также компрессором 24 управляет устройство управления 28 в зависимости от величин Pi и Ре давления, измеренных внутри и снаружи мембраны 1 измерительной системой (не показана). Соответственно автоматический регулятор 20 давления регулирует давление Р1 в зависимости от заданного установленного значения, которое может быть таким же, как в уравнении (1).
Если жидкостью 2 в резервуаре является сжиженный газ, например СПГ, в качестве регулирующей жидкотекучей среды в автоматическом регуляторе 20 давления выгодно использовать такое же вещество в газообразном состоянии, т.е. газообразный метан в случае СПГ. Это вещество в газообразном состоянии может быть получено из предварительно нагретого сжиженного газа. С этой целью автоматический регулятор 20 давления содержит нагревательное устройство 29, связанное с пространством внутри резервуара трубой 98, служащей для всасывания жидкой фазы 2 со дна резервуара 1.
В одном из вариантов осуществления для регулирования давления в слое термоизоляционного материала 3 относительно содержимого резервуара 1 может использоваться отличающийся газ. В этом случае труба 98 не используется, а источником отличающегося газа служит резервуар 22.
В одном из не проиллюстрированных вариантов осуществления резервуар 22 содержит сжатый газ, который может непосредственно закачиваться в слой термоизоляционного материала 3. В этом случае компрессор 24 может быть установлен в противоположном направлении, чтобы выпускать жидкотекучую среду в резервуар 22 и всасывать ее из трубы 21 посредством соленоидного клапана 25.
Далее со ссылкой на фиг. 3 рассмотрено механическое устройство 30, используемое для регулирования давления Ре в ограниченном интервале выше давления Pi с тем, чтобы смягчать незначительные колебания давления. Механическим устройством 30 является аккумулятор давления на поршень, содержащий цилиндрический корпус 31, поршень 32, герметично и плавно перемещающийся внутри цилиндрического корпуса 31, пружину 35 сжатия, помещающуюся в цилиндрическом корпусе 31 между поршнем 32 и концом 33 корпуса и давящую на поршень в сторону противоположного конца 34. Труба 36 соединяет конец 33 цилиндрического корпуса 31 с пространством внутри мембраны 1, а труба 37 соединяет конец 34 цилиндрического корпуса 31 с пространством снаружи мембраны 1.
В процессе применения механическое устройство 30 поддерживает избыточное давление в пространстве снаружи мембраны 1, например, около 100 мбар, в частности дополняя действие автоматического регулятора 20 давления с целью ограничить вмешательство автоматического регулятора 20 давления.
В одном из вариантов осуществления датчики 38 и 39 положения обнаруживают достижение поршнем 32 крайних положений, которые соответствуют превышению желаемых установленных значений давления, и затем передают соответствующие управляющие сигналы, например, автоматическому регулятору 20 давления.
На фиг. 4 показано механическое защитное устройство 70, используемое для сброса давления в пространстве внутри мембрана 1 или пространстве снаружи мембраны 1 до эталонного давления, например атмосферного давления, когда давление Pi или давление Ре становится слишком высоким, например, в результате неисправности устройства регулирования.
Защитное устройство 70 содержит главную трубу 71, один конец 72 которой сообщается с пространством внутри мембраны 1, а противоположный конец 73 сообщается с пространством снаружи мембраны 1. Внутри трубы 71 герметично плавно перемещается поршень 74 большой толщины, чтобы разделять в трубе 71 первый объем 75, сообщающийся с пространством снаружи мембраны 1 посредством конца 73, и второй объем 76, сообщающийся с пространством внутри мембраны 1 посредством конца 72.
Выпускная труба 77 сообщается с промежуточным участком главной трубы 71 вровень с отверстием 78 для обеспечения сообщения трубы 71 с эталонным давлением, например атмосферным давлением. В соответствующем варианте осуществления трубой 77 является мачта, верхний конец которой сообщается с окружающей средой.
Поршень 74 показан в нейтральном положении, в котором он герметично блокирует отверстие 78. За счет своей толщины поршень 74 способен плавно перемещаться в заданном интервале, не открывая отверстие 78, в ответ на небольшие колебания величин Ре и Pi давления. Тем не менее, если разность |Pe-Pi| становится слишком большой, поршень 74 плавно перемещается в любом из объемов 75 и 76, в котором давление является наименьшим, пока не откроется отверстие 78, в результате чего другой объем 75 или 76, в котором давление является более высоким, соединяется с выпускной трубой 77, и это высокое давление быстро снижается. Защитное устройство 70 рассчитано на применение в резервуаре, в котором обе величины Ре и Pi давлений постоянно превышают эталонное давление.
Поршень 74 соединен со стенкой трубы 71 упругой возвратной пружиной 79, помещающейся в трубе 71 и служащей для возврата поршня 74 в нейтральное положение при уменьшении разности давлений |Ре-Pi|.
На фиг. 5 показано гидростатическое устройство 40, используемое для регулирования давления Ре в ограниченном интервале выше давления Pi с тем, чтобы смягчать незначительные колебания давления. Гидростатическое устройство 40 содержит вертикальный цилиндрический корпус 41, содержащий первое количество жидкости 42 и сифонную трубку 43, которая проходит вверх от основания цилиндрического корпуса 41 и содержит второе количество жидкости 45, граница 44 которой показана для наглядности. Труба 46 соединяет верх цилиндрического корпуса 41 с пространством внутри мембраны 1. Верх сифонной трубки 43 соединен с пространством снаружи мембраны 1 трубой 47, снабженной переливным резервуаром 48.
Гидростатическое устройство 40 является альтернативой механическому устройству 30 и способно выполнять такие же функции. В частности, оно обеспечивает избыточное давление ΔР, равное:
в котором ρ означает массовую плотность жидкости 42, g означает ускорение силы тяжести, a z означает разность уровней двух границ 44 и 49 жидкости при заполнении газом остальной части гидростатического устройства 40.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления используется сочетание нескольких из описанных выше устройств для обеспечения нескольких уровней безопасности и чувствительности регулирования давления Ре. В частности, в одном резервуаре могут сочетаться устройства 10, 20 и 30 или 10, 20 и 40.
На фиг. 7 показан другой резервуар, содержащий сжатую жидкость 2. Элементы, сходные с элементами на фиг. 1, обозначены одинаковыми позициями. Резервуар на фиг. 7 содержит две последовательно расположенные непроницаемые для жидкотекучих сред мембраны, т.е. основную мембрану 1 и вспомогательную мембрану 7, которые помещаются между слоем термоизоляционного материала 3, который является основным изоляционным слоем, и вспомогательным изоляционным слоем 9.
Для защиты вспомогательной мембраны 7 от чрезмерных напряжений предусмотрено второе устройство 50 выравнивания давления, действующее, как описано выше, на давление внутри вспомогательной мембраны 7 и/или давление снаружи вспомогательной мембраны 7 во вспомогательном изоляционном слое 9 с тем, чтобы поддерживать разность давлений в этих двух пространствах в заданных пределах. Во второе устройство 50 выравнивания давления может входить одно или несколько устройств, описанных выше со ссылкой на систему 5.
В одном из вариантов осуществления регулируют давление Ps во вспомогательном изоляционном слое 9 с использованием установленного значения
Кроме того, на фиг. 7 показаны регулируемые клапанами 54, 55, 56 наливные трубы 51, 52, 53 для соответственно пространства внутри основной мембраны 1, слоя термоизоляционного материала 3 и вспомогательного изоляционного слоя 9. В одном из вариантов осуществления рабочее давление в этих различных пространствах составляет приблизительно 6 бар.
Для формирования непроницаемых для жидкотекучих сред мембран и изоляционных слоев может применяться множество методов. Мембраны предпочтительно изготовлены из сваренных тонких металлических листов. В изоляционных слоях предпочтительно используются модульные конструкции на основе изоляционных блоков.
На фиг. 8 проиллюстрирован один из примеров осуществления таких изоляционных блоков 60 на различных стенах цилиндрического резервуара. Также возможны другие геометрии резервуара, например многогранник или параллелепипед.
На фиг. 9 более подробно показана мембрана стеновой конструкции, которая может применяться внутри жесткого корпуса 4. В этом случае основная и вспомогательная непроницаемые для жидкотекучих сред мембраны 1, 7 изготовлены из плоских поясов 61 с приподнятыми краями из сплава с высоким содержанием никеля и очень низким коэффициентом теплового расширения, известного как Invar. Слой термоизоляционного материала 3 и вспомогательный изоляционный слой 9 образованы расположенными в ряд отсеками 63, например, из фанеры, заполненными неструктурированным изолятором, таким как перлит или стекловата. Приподнятые края двух соседних поясов 61 в каждом случае приварены к каждой стороне продолговатого сварного опорного элемента 62, который установлен на обшивочной панели отсеков 63. Такой вариант реализации также хорошо известен и применяется в судах для перевозки СПГ.
На фиг. 10 более подробно показана другая мембрана стеновой конструкции, которая может использоваться внутри жесткого корпуса 4. В этом случая основная непроницаемая для жидкотекучих сред мембрана 1 изготовлена из листов нержавеющей стали, содержащих сетчатые структуры пересекающихся гофр 65 для придания упругости во всех направлениях плоскости. Слой термоизоляционного материала 3 и вспомогательный изоляционный слой 9 и вспомогательная непроницаемая для жидкотекучих сред мембрана 7 изготовлены из сборных панелей, содержащих соответствующий слой 66 пенополиуретана для каждого изоляционного барьера и непроницаемый для жидкотекучих сред композиционный материал 67 определенной толщины между двумя слоями 66 пенополиуретана, образующий вспомогательную непроницаемую для жидкотекучих сред мембрану 7. Непроницаемый для жидкотекучих сред композиционный материал 67 содержит металлический лист и маты из стекловолокна, сцепленные с использованием полимерной смолы. Такой вариант реализации также хорошо известен и применяется в судах для перевозки СПГ.
Хотя изобретение описано на примере множества частных вариантов осуществления, ясно, что оно никоим образом не ограничено ими и включает все технические эквиваленты описанных средств, а также их сочетания, если они входят в объем изобретения.
Использование глагола "включает" или "содержит" и его сопряженных форм не исключает наличие других элементов или стадий помимо тех, которые заявлены. Если не указано иное, использование единственного числа в отношении какого-либо элемента или стадии не исключает наличие множества таких элементов или стадий.
Приведенные в формуле изобретения позиции в скобках не должны интерпретироваться как ограничение объема притязаний.