БЛОК ПЕРЕДАТОЧНОГО ТУННЕЛЯ ДЛЯ КРИОГЕННОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
TRANSMISSION TUNNEL BLOCK FOR CRYOGENIC FLUID MEDIUM AND ITS IMPLEMENTATION

Данное изобретение относится к блоку передаточного туннеля для криогенной текучей среды и вариантам его применения.
Важный вариант реализации такого передаточного туннеля для криогенной текучей среды согласно данному изобретению осуществляется в виде туннеля для передачи сжиженного природного газа (СПГ).
Природный газ является полезным источником топлива, а также является источником для получения различных углеводородных соединений. Зачастую желательно сжижать природный газ в установке для сжижения, расположенной у источника или вблизи источника потока природного газа по ряду причин. В качестве примера, природный газ может храниться и транспортироваться на дальние расстояния более легко в жидкой, чем в газообразной форме, поскольку он занимает меньший объем, и его не обязательно хранить при высоких давлениях. Такой сжиженный природный газ может храниться при атмосферном давлении, если его поддерживать при криогенных температурах, таких как -160° или ниже. В альтернативном варианте сжиженный природный газ может храниться при температурах выше -160°, если он нагнетается под давлением выше атмосферного давления.
Транспортировка сжиженного природного газа на дальние расстояния может осуществляться в подходящем транспортном средстве для СПГ, в частности на транспортном судне, таком как океанский танкер, имеющий один или большее число резервуаров для криогенного хранения, содержащих СПГ в сжиженном состоянии. Подача СПГ на транспортное судно может осуществляться с помощью загрузочного рукава или шланга от отгрузочного терминала для СПГ, который соединен с сжижающей установкой с помощью одной или нескольких криогенных транспортных линий (трубопроводов). Используемые в настоящем описании термины «линия» и «трубопровод» следует понимать как эквивалентные и взаимозаменяемые.
После транспортировки к требуемому месту назначения СПГ может передаваться от транспортного судна для СПГ с помощью разгрузочного рукава на приемный терминал для СПГ. Приемный терминал для СПГ может подавать СПГ на регазификационную установку с помощью одной или нескольких транспортных линий для криогенной текучей среды. Регазификационная установка повышает давление и испаряет СПГ, так что находящийся под повышенным давлением природный газ можно подавать в газораспределительную сеть при температуре окружающей среды. При необходимости выбранное количество одного или нескольких дополнительных компонентов, например, азота, может быть добавлено на регазификационной установке для получения природного газа, имеющего требуемое качество газа, например, требуемую теплотворную способность (т.е. содержание энергии, когда природный газ сжигают) согласно техническим условиям на газ или требованиям потребителя. Кроме того, теплотворную способность природного газа можно также регулировать путем удаления из природного газа или добавления в природный газ требуемого количества более тяжелых углеводородов.
Приемный и отгрузочный терминалы для СПГ, предназначенные для транспортных судов для СПГ, должны быть расположены на находящейся на берегу пристани или на удалении от берега, например, на расстоянии от несколько сотен метров до более чем километра от берега, в зависимости от глубины прибрежных вод и местных условий, чтобы позволить осуществлять подход транспортного судна для СПГ к терминалу.
Транспортная линия для криогенной текучей среды СПГ должен поддерживать СПГ в сжиженном состоянии, когда его перекачивают между установкой и терминалом или наоборот. Эти транспортные линии обычно представляют собой теплоизолированные криогенные трубопроводы, опирающиеся на эстакады, сформированные из свай и бетонного настила. На эстакадах могут также быть проложены вспомогательные линии, такие как линии рециркуляции криогенной текучей среды, обратные линии для пара (обратные паропроводы), измерительные приборные линии и линии электроснабжения. Каждая эстакада может в плане иметь основание шириной несколько метров, обычно более 4 м, например, в диапазоне от 4 м до 6 м.
Будет очевидно, что транспортная линия для криогенной текучей среды, соединяющая установку и терминал, будет проходить на суше от установки до берега и может иметь расположенную на удалении от берега часть.
При планировании прокладки таких транспортных линий для криогенной текучей среды следует учитывать экономические и экологические аспекты, как во время монтажа, так и в процессе всей эксплуатации трубопровода. К примеру, общая площадь наземного участка, требуемая для размещения соответствующей эстакады, вместе с соответствующей зоной безопасности вокруг основания эстакады может быть большой. Это может привести к значительным капитальным затратам для закупки требуемой земли и влиянию на жизнедеятельность местного населения, если линия и эстакада могут проходить через населенные области.
Кроме того, установка надводного или подводного трубопровода может отрицательно повлиять на местную экосистему, например, когда опорные эстакады сконструированы для надводного трубопровода или когда подводный трубопровод прокладывают на морском дне. Кроме того, на местную экономику может быть оказано отрицательное влияние в результате нарушения рыболовецкого промысла и прохождения судов по водным путям, которые могут быть вынуждены избегать зоны вокруг трубопровода. Кроме того, может также потребоваться модификация трубопровода для выдерживания превалирующих условий на море. К примеру, эстакаду может быть необходимо укрепить и обеспечить стойкость транспортной линии для криогенной текучей среды к коррозионным свойствам соленой воды. В арктических областях стоимость строительства и технического обслуживания эстакад возрастет еще больше.
Таким образом, существует необходимость предложить альтернативу таким транспортным линиям для криогенной текучей среды, которая решает эти проблемы, позволяя осуществлять монтаж и эксплуатацию с уменьшенным экологическим и экономическим влиянием на окружающую зону.
В первом аспекте данного изобретения предложен блок туннеля для передачи криогенной текучей среды, содержащий облицовочную оболочку, содержащую внутри нее транспортную линию для криогенной текучей среды и одну или несколько обратных линий для пара.
Облицовочная оболочка может соответствующим образом иметь внутри нее по меньшей мере одну или большее число, предпочтительно множество, полостей, содержащих криогенный изолирующий материал. Предпочтительные варианты осуществления данного изобретения, кроме того, содержат разгрузочную линию для удаления пара из одной или нескольких полостей. Разгрузочная линия может содержать множество пор, находящихся в сообщении по текучей среде с одной или несколькими полостями.
Облицовочная оболочка может дополнительно содержать внутри нее по меньшей мере одну вспомогательную линию, например, в виде коммуникационной линии. В предпочтительных вариантах осуществления данного изобретения облицовочная оболочка может содержать внутри нее по меньшей мере одну коммуникационную линию.
В еще одном аспекте данного изобретения предложено применение блока передаточного тоннеля для криогенной текучей среды, выполненного согласно первому аспекту, при транспортировке СПГ между приемным терминалом для СПГ и регазификационной установкой для СПГ и/или между сжижающей установкой для СПГ и отгрузочным терминалом для СПГ.
В еще одном аспекте данного изобретения предложено применение блока передаточного туннеля для криогенной текучей среды, выполненного согласно первому аспекту, содержащее следующие этапы:
- этап, позволяющий жидкой криогенной текучей среде втекать внутрь транспортной линии для криогенной текучей среды в блоке передаточного туннеля для криогенной текучей среды;
- этап, позволяющий части жидкой криогенной текучей среды в транспортной линии для криогенной текучей среды испаряться, тем самым охлаждая транспортную линию для криогенной текучей среды и образуя паровое пространство в транспортной линии для криогенной текучей среды, причем вышеупомянутое паровое пространство содержит газообразную криогенную текучую среду вдоль транспортной линии для криогенной текучей среды;
- сохранение и при необходимости охлаждение части газообразной криогенной среды; и
- пропускание сохраненной и при необходимости охлажденной газообразной криогенной текучей среды через обратную линию для пара и вдоль транспортной линии для криогенной текучей среды через соединительную линию, тем самым охлаждая транспортную линию для криогенной текучей среды.
В еще одном аспекте данного изобретения предложен способ охлаждения транспортной линии для криогенной текучей среды в передаточном туннеле для криогенной текучей среды, который описан в настоящем изобретении, включающий по меньшей мере следующие этапы:
- обеспечение транспортной линии для криогенной текучей среды жидкой криогенной текучей средой;
- этап, позволяющий части жидкой криогенной текучей среды в транспортной линии для криогенной текучей среды испаряться, тем самым охлаждая транспортную линию для криогенной текучей среды и образуя паровое пространство, содержащее газообразную криогенную текучую среду вдоль транспортной линии для криогенной текучей среды;
- сохранение и при необходимости охлаждение части газообразной криогенной текучей среды; и
- пропускание сохраненной и при необходимости охлажденной газообразной криогенной текучей среды через обратную линию для пара и вдоль транспортной линии для криогенной текучей среды через соединительную линию, тем самым охлаждая транспортную линию для криогенной текучей среды.
Кроме того, данное изобретение предлагает способ монтажа передаточного туннеля для криогенной текучей среды, выполненного согласно первому аспекту данного изобретения, с помощью бестраншейного способа монтажа, выбранного из группы, содержащей микротуннелирование и горизонтальное прямое бурение.
Варианты осуществления данного изобретения будут теперь описаны только с помощью примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, не ограничивающие объем изобретения, на которых:
На фиг. 1 дан вид сбоку в поперечном разрезе головы пристани и терминала для хранения, соединенных с помощью туннеля, выполненного согласно данному изобретению.
На фиг. 2 дан вид сбоку в поперечном разрезе головы пристани и терминала для хранения, соединенных с помощью туннеля, выполненного согласно данному изобретению
На фиг. 3 дан общий вид в поперечном разрезе передаточного туннеля для криогенной текучей среды, выполненного согласно одному варианту осуществления данного изобретения.
На фиг. 4 дан вид в поперечном разрезе передаточного туннеля для криогенной текучей среды, выполненного согласно другому варианту осуществления данного изобретения.
На фиг. 5 дан вид в разрезе еще одного варианта реализации туннеля согласно данному изобретению.
На фиг. 6 дан вид в поперечном разрезе туннеля, выполненного согласно варианту осуществления данного изобретения.
Как описано выше, часто требуется сжижать углеводородные композиции, такие как природный газ, на сжижающей установке, чтобы хранить и транспортировать его, зачастую на дальние расстояния, в виде текучей среды. Сжиженный природный газ можно затем повторно газифицировать в требуемом месте назначения на регазификационной установке и передавать под давлением в газораспределительную сеть.
Сжижающая установка и регазификационная установка могут быть отделены друг от друга большими расстояниями, такими как многие сотни, если не тысячи, километров. Неэкономично прокладывать транспортные линии для криогенной текучей среды на такие большие расстояния из-за большой стоимости монтажа и эксплуатации таких линий, особенно при криогенных температурах, необходимых для поддержания СПГ в жидком состоянии. Таким образом, обычно вблизи сжижающей установки размещают отгрузочный терминал для СПГ, с которого СПГ может быть загружен на транспортное судно для СПГ и транспортироваться, обычно морем, к соответствующему приемному терминалу для СПГ, который может разгружать СПГ с транспортного судна для СПГ и подавать его на регазификационную установку.
Передаточный туннель для криогенной текучей среды, описанный в данном изобретении, и способ его монтажа и запуска особенно полезны при соединении таких терминалов и установок.
На фиг. 1 показана установка 100 для хранения, которая присоединена к голове 102 пристани с помощью передаточного туннеля для криогенной текучей среды, выполненного согласно данному изобретению. Установка 100 для хранения СПГ расположена на суше 104, а голова 102 пристани расположена на удалении от берега, как правило, в море 105. Туннель 10 расположен на морском дне 106 и соответственно напоминает подводный трубопровод. Для защиты туннель может быть закопан в траншею или может быть накрыт защитным слоем (не показан). На конце туннеля со стороны пристани туннель 10 присоединен к голове пристани с помощью подъемной трубы 108. Транспортные судна могут швартоваться у головы пристани для загрузки или разгрузки груза.
Голова 102 пристани может содержать множество субблоков, которые независимо друг от друга поддерживаются на морском дне 106. К примеру, голова 102 пристани, как изображено на фиг. 2, состоит из подъемной платформы 102а, которая поддерживает подъемную трубу 108, и загрузочной платформы 102b, на которой расположен причал для СПГ, чтобы позволить осуществлять швартовку транспортных судов.
На фиг. 2 показана наземная установка 100 для хранения, которая присоединена к голове 102 пристани с помощью туннеля 10, причем туннель проходит под землей. То есть туннель 10 прорыт в грунте под морским дном 106. Подъемная труба может быть выполнена в виде подъемного кессона 108а, который может содержать ствол для вставки туннелепроходческой машины (ТПМ). Стартовый ствол и наклонный трап для загрузки труб могут быть предусмотрены на наземном конце передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды.
На фиг. 3 показан вариант реализации передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды согласно данному изобретению, в котором предусмотрен традиционный трубопровод 120 из нержавеющей стали для СПГ с петлевыми температурными компенсаторами 122 (см объяснение ниже) с традиционной системой теплоизоляции. Трубопровод 120 расположен внутри сухого туннеля 124. Петлевые температурные компенсаторы, которые изготовлены из того же материала, что и трубопровод для СПГ, обеспечивают трубопроводу гибкость для компенсации сжатия и расширения, обусловленных изменениями температуры. К примеру, для трубопровода длиной около 1 км ожидается сжатие величиной 3 м при уменьшении температуры от 25°С (комнатная температура) до -160°С (температура СПГ при давлении 1 бар). То есть, в процессе охлаждения трубопровод для СПГ укорачивается, и петлевые температурные компенсаторы предназначены для компенсации этого сжатия. Чтобы обеспечить тепловую изоляцию трубопровода 120, может использоваться множество слоев изолирующего материала полиизоцианата (PIR) и/или полиуретана (PUR) в сочетании с двумя слоями пароизоляции и внешней оболочкой для обеспечения защиты от механических повреждений.
Теоретически не существует ограничения в отношении максимального расстояния между двумя петлевыми температурными компенсаторами 122. Однако трубопровод 120 расположен на трубопроводных опорах 126. Некоторые из трубопроводных опор 126 прикреплены к трубопроводу, так что никакое перемещение невозможно, а другие трубопроводные опоры позволяют осуществлять перемещение вдоль одной оси, в направлении трубопровода.
Еще одним аспектом петлевого температурного компенсатора является его ширина 126. Чем больше расстояние между соответствующими петлевыми компенсаторами, тем больше величина перемещения на углах петлевого компенсатора и соответственно тем больше требуется размер петли, чтобы ограничить требуемое вращение для поддержания величины механического напряжения в этих местах в соответствующих пределах.
3
В принципе, чем больше расстояние между соседними петлевыми компенсаторами 122, тем шире являются петли петлевых компенсаторов. И наоборот, малое расстояние между петлевыми компенсаторами приводит в результате к меньшей петле компенсатора. Однако в отношении этого имеется ограничение. Минимальный размер, с которым петля может быть физически изготовлена и в то же время обеспечивает перемещение, составляет приблизительно 4-кратный диаметр трубы. Таким образом, для трубы, позволяющей осуществлять перекачку СПГ с расходом 10000 м/час, потребовался бы трубопровод диаметром приблизительно 1 м (40 дюймов). Если это так, то сухой туннель 124 имел бы внутренний диаметр, составляющий, к примеру, 7 м. Кроме того, сухой туннель 124 поддерживается в сухом состоянии.
Вариант осуществления данного изобретения, изображенный на фиг. 3, имеет преимущество, заключающееся в том, что строительство туннеля является простым и возможен доступ к трубопроводу.
3
В качестве альтернативы петлевые компенсаторы 122 могут иметь другую форму по сравнению с фактически прямоугольной формой, показанной на фиг. 3. К примеру, петлевые компенсаторы 122 могут быть изогнутыми. В данном изобретении петлевые компенсаторы образуют ряд соединенных друг с другом полых петель или изгибов. Этот изогнутый петлевой компенсатор, который располагается в горизонтальной плоскости, может минимизировать внутренний диаметр сухого туннеля 124. Одна такая кривая может, к примеру, иметь ширину до 2,3 м. В этом случае трубопровод 120 может содержать 50% прямого трубопровода и 50% изогнутого трубопровода (включая 45% колена). Для опорной величины расхода, составляющей 10000 м/час перекачки СПГ, наружный диаметр трубопровода 120 составлял бы приблизительно 1,6 м, а внутренний диаметр сухого тоннеля 124 составлял бы приблизительно 5,5 м.
На фиг. 4 дан вид в разрезе передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды. Передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды содержит облицовочную оболочку 20, которая содержит внутри нее транспортную линию 30 для криогенной текучей среды; одну или несколько полостей 50, содержащих изолирующий материал 60; одну или несколько разгрузочных линий 70 для удаления пара из по меньшей мере одной из одной или нескольких полостей 50. Кроме того, облицовочная оболочка содержит внутри нее множество коммуникационных линий 40, 42 и одну или несколько обратных линий 80 для пара. Эти линии не показаны в масштабе на фиг. 4. В предпочтительных вариантах осуществления данного изобретения блок 10 передаточного туннеля для криогенной текучей среды, в частности облицовочная оболочка 20 не содержит рециркуляционной линии для криогенной текучей среды.
В одной группе вариантов осуществления данного изобретения любая из вспомогательных линий может быть образована любой линией из группы, состоящей из: рециркуляционной линии для криогенной текучей среды; обратной линии для пара; коммуникационной линии. Коммуникационная линия может содержать одну или несколько линий из группы, состоящей из одной или нескольких линий для азота, одной или нескольких линий распределенной системы управления, одной или нескольких линий электроснабжения, одной или нескольких измерительных приборных линий и одного или нескольких сигнальных кабелей. В еще одной группе вариантов осуществления данного изобретения вспомогательные линии могут быть образованы любой линией из группы, состоящей из рециркуляционной линии для криогенной текучей среды; обратной линии для пара; измерительной приборной линии; и линии электроснабжения. Предпочтительно, чтобы в любой из групп вариантов осуществления данного изобретения, перечисленных в этом параграфе, рециркуляционная линия для криогенной текучей среды не использовалась.
Благодаря объединению транспортной линии 30 для криогенной текучей среды и вспомогательных линий внутри одной облицовочной оболочки и, опционально благодаря отсутствию рециркуляционной линии, можно значительно уменьшить наружный диаметр передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды, определяемый облицовочной оболочной 20. Наружный диаметр может быть менее 2 м. Такие передаточные туннели для криогенной текучей среды могут монтироваться с помощью бестраншейных способов монтажа, с помощью которых можно прокладывать облицовочную оболочку и связанные с ней линии под поверхностью земли, т.е. под землей на суше или под морским дном на удалении от берега.
Облицовочная оболочка 20 должна обеспечивать как защиту внутренних линий от внешней, в частности, подземной окружающей среды, так и обеспечивать удержание в себе внутренних линий и их содержимого. Облицовочная оболочка 20 может быть изготовлена из бетона, такого как железобетон, или стали, такой как углеродистая сталь. Внешний периметр 25 облицовочной оболочки 20 определяет внешнюю поверхность передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды.
В варианте осуществления данного изобретения, изображенном на фиг. 4, облицовочная оболочка 20 является по существу круглой в поперечном сечении. Используемый здесь термин «поперечное сечение» представляет собой сечение передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды, выполненное перпендикулярно центральной оси, расположенной вдоль наибольшего размера передаточного туннеля 10.
Облицовочная оболочка может быть выполнена других форм, хотя формы с круглым поперечным сечением являются предпочтительными с точки зрения бестраншейных методов монтажа, которые могут использоваться.
Какой бы ни была форма поперечного сечения передаточного туннеля 10, поперечное сечение может иметь наибольший размер <4 м, например, в диапазоне от 1,5 м до 2 м. В варианте осуществления данного изобретения, изображенном на фиг. 4, наибольший размер поперечного сечения будет представлять собой длину линии от наружного периметра 25 до наружного периметра 25, проходящей через центральную ось передаточного туннеля 10, т.е. диаметр поперечного сечения облицовочной оболочки 20, перпендикулярного к центральной оси.
Облицовочная оболочка 20 окружает транспортную линию 30 для криогенной текучей среды, вспомогательные линии и служебные линии. Транспортная линия 30 для криогенной текучей среды переносит криогенную текучую среду. Криогенная текучая среда, как правило, представляет собой по существу жидкость, такую как СПГ.
Транспортный трубопровод 30 для криогенной текучей среды имеет внутреннюю стенку 32, изготовленную из материала, подходящего для перекачки криогенной среды, такого как материал, выбранный из группы, содержащей никелевую сталь с содержанием никеля 9%, нержавеющую сталь, такую как нержавеющая сталь марки SS 304L, криогенный пластик и сплав FeNi36 и аналогичные сплавы (также известные под торговой маркой «ИНВАР» (INVAR).
Криогенный пластик, используемый для изготовления внутренней стенки 32, может включать в себя пластиковый композитный материал, содержащий пластиковую матрицу, усиленную армирующим материалом, причем композитный материал имеет модуль упругости Юнга, составляющий менее 50 ГПа, определяемый согласно стандарту DIN EN ISO 527 при атмосферных условиях, и/или относительную деформацию растяжения 5% или менее при условиях окружающей среды. Подходящий пластиковый композитный материал описан, к примеру, в патентном документе WO-2008/068303, который для этой цели включен в настоящее описание в качестве ссылки.
Как правило, транспортная линия для криогенной текучей среды может быть круглой в поперечном сечении и может иметь наружный диаметр в диапазоне от 75 см до 125 см, или в диапазоне от 90 см до 110 см.
-6
-1
-6
-1
В одном варианте осуществления данного изобретения транспортная линия 30 для криогенной текучей среды содержит материал, имеющий коэффициент линейного термического расширения, составляющий менее 2,5×10 К, более типично, менее чем 2,5×10 К (при изменении температуры от -180 до 0°С). Подходящие материалы включают в себя сплав FeNi36 или аналогичные сплавы. Изготовление транспортной линии для криогенной текучей среды из материала, имеющего столь низкий коэффициент линейного термического расширения, означает, что нет необходимости включать петлевые компенсаторы в транспортную линию 30 для криогенной текучей среды для компенсации изменений в размерах транспортной линии в результате изменений температуры. К примеру, когда передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды находится в состоянии покоя между загрузочными или разгрузочными операциями, температура транспортной линии для криогенной текучей среды может повышаться, поскольку она начинает уравновешиваться с окружающей средой. Однако при использовании температура транспортной линии 30 для криогенной текучей среды может снижаться значительно, например, до -160°С или ниже, когда СПГ необходимо перекачивать. Соответственно, если не предприняты меры для компенсации этих изменений температуры, невозможно было бы обеспечить передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды с самым большим размером поперечного сечения, составляющим ≤2 м.
Транспортная линия для криогенной текучей среды может быть окружена слоем специальной криогенной изоляции (34), такой как теплоизоляция типа аэрогель или изофлекс. Слой специальной криогенной изоляции может иметь толщину в диапазоне от 0,5 до 15,0 см.
Внутренняя стенка 32 и/или изолирующий слой 34 могут быть заключены внутри защитной наружной стенки 36. Наружная стенка 36, к примеру, содержит трубу из углеродистой стали.
Одна или несколько обратных линий 80 для пара могут также присутствовать внутри облицовочной оболочки 20. Обратная линия для пара может переносить газ, как правило, отпарной газ, такой как природный газ, от транспортного судна к сжижающей или регазификационной установке. Отпарной газ может образовываться в результате испарения сжиженной криогенной текучей среды, например, в резервуарах для хранения и связанных с ними трубопроводах транспортного судна.
Температура отпарного газа может все еще быть равна или близка к криогенным температурам. Отпарной газ может сжиматься на приемном или отгрузочном терминале и передаваться на сжижающую или регазификационную установку по обратной линии 80 для пара. Таким образом, в варианте осуществления данного изобретения, в котором передаточный туннель для криогенной текучей среды соединяет сжижающую установку с приемным терминалом, поток газа в обратной линии для пара будет проходить в противоположном направлении относительно потока криогенной текучей среды в транспортной линии для криогенной текучей среды. В варианте осуществления данного изобретения, в котором передаточный туннель для криогенной текучей среды соединяет приемный терминал с газификационной установкой, поток газа в обратной линии для пара и криогенной текучей среды в передаточном туннеле для криогенной текучей среды будут в одном и том же направлении (т.е. от приемного терминала к регазификационной установке).
Обратная линия для пара, к примеру, имеет внутренний диаметр в диапазоне от 50 до 70 см, например, составляющий приблизительно 60 см.
Вследствие криогенных температур, при которых может работать обратная линия 80 для пара, материал для изготовления внутренней стенки 82 обратной линии для пара может быть выбран из материалов, обсужденных выше для транспортной линии 30 для криогенной текучей среды. Кроме того, внутренняя стенка 82 обратной линии для пара может быть снабжена окружающим слоем 84 специальной теплоизоляции и/или снабжена конструкцией типа «труба в трубе», как обсуждалось выше для транспортной линии 30 для криогенной текучей среды. К примеру, специальная теплоизоляция может представлять собой слой аэрогеля, который может быть окружен трубой 86 из углеродистой стали.
Одна или несколько коммуникационных линий 40, 42 могут также располагаться внутри облицовочной оболочки 20. Коммуникационные линии 40, 42 могут содержать одну или несколько линий из группы, выбранной из одной или нескольких линий для азота, одной или нескольких линий распределенной системы управления, одной или нескольких линий электроснабжения, одной или нескольких измерительных приборных линий и одного или нескольких сигнальных кабелей. Линия электроснабжения может передавать электрическую мощность от сжижающей или регазификационной установки к отгрузочному или приемному терминалу соответственно, причем, например, она также может использоваться для работы насосов и компрессоров и подавать электрическую мощность к транспортному судну, пока оно пришвартовано у причала. Коммуникационные линии могут быть отдельными или заключенными внутри одной и той же оболочки для коммуникационных линий. Если коммуникационные линии располагаются по отдельности, каждая коммуникационная линия может иметь диаметр в диапазоне от 8 до 12 см, более типично приблизительно 10 см.
Кольцевое пространство между наружными поверхностями линий 30, 40, 70 и 80 и внутренней поверхностью облицовочной оболочки 20 содержит одну или несколько полостей 50. Как правило, кольцевое пространство будет находиться под давлением окружающей среды, хотя в некоторых вариантах осуществления данного изобретения кольцевое пространство может находиться под давлением, которое меньше, чем давление окружающей среды. По меньшей мере часть одной или нескольких полостей 50 может быть заполнена криогенным изолирующим материалом 60. Криогенный изолирующий материал может быть выбран из группы, содержащей изолирующий материал из аморфного вулканического стекла, такой как перлит, аэрогель, такой как кварцевый аэрогель (силикагель), и пена, такая как полиимидная пена.
В варианте осуществления данного изобретения, изображенном на фиг. 4, показан насыпной изолирующий материал 60 в виде частиц, такой как перлитовые шарики. Однако изолирующий материал может вместо этого быть в другой форме, как правило, тканой или нетканой структуры, такой как покрывное полотно или пористая пена. Какова бы ни была форма, важно, чтобы полости, образованные между материалом (и/или внутри изолирующего материала, если он пористый), находились в сообщении по текущей среде, так что любую криогенную текущую среду, такую как сжиженная криогенная текущая среда или отпарной газ, которая может утекать внутрь кольцевого пространства из одной или обеих из транспортной линии для криогенной текучей среды и обратной линии для пара, можно было бы собирать и удалять из кольцевого пространства, с тем чтобы предотвратить накопление горючего материала.
Передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды может дополнительно содержать одну или несколько разгрузочных линий 70 для удаления пара из по меньшей мере одной из одной или нескольких полостей 50. Разгрузочная линия 70 снабжена множеством пор или перфораций 72, которые являются проницаемыми для криогенной текучей среды, такой как СПГ или пары природного газа. Более типично, разгрузочная линия 70 может представлять собой перфорированную линию. Разгрузочная линия 70 может быть изготовлена из материала, выбранного из группы, содержащей углеродистую сталь, нержавеющую сталь и пластик, такой как полиэтилен высокой плотности.
Поры разгрузочной линии 70 должны находиться в сообщении по текучей среде с одной или несколькими полостями 50, чтобы позволить удалять протекшую криогенную текучую среду из полостей. Очевидно, что одна или несколько полостей 50 должны также находиться в сообщении по текучей среде друг с другом, чтобы позволить протекание любой текучей среды, находящейся в кольцевом пространстве к разгрузочной линии. Например, кольцевое пространство с криогенным изолирующим материалом в виде частиц или пенистым криогенным изолирующим материалом, в котором ячейки пены соединены друг с другом.
Разгрузочная линия 70 может находиться под пониженным давлением по сравнению с давлением в полостях в кольцевом пространстве, чтобы способствовать удалению любой протекшей текучей среды. К примеру, разгрузочная линия может быть присоединена к вакуумному насосу на одном конце туннеля для безопасного удаления.
Передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды не обязательно должен содержать рециркуляционную линию для передачи криогенной текучей среды, в частности СПГ, в направлении, противоположном потоку криогенной текучей среды в транспортной линии 30 для криогенной текучей среды. Рециркуляционная линия традиционно присутствует, чтобы позволить охлаждать транспортную линию для криогенной текучей среды до ее рабочей температуры. К примеру, криогенная среда, такая как СПГ, может прокачиваться вдоль транспортной линии для криогенной текучей среды от сжижающей установки к отгрузочному терминалу (или от приемного терминала к регазификационной установке), чтобы охлаждать линию до рабочей температуры с помощью теплопередачи между линией и криогенной текучей средой. Как правило, часть криогенной текучей среды, которая может находиться по существу в жидкой форме, может испаряться. На конце транспортной линии для криогенной текучей среды криогенная текучая среда может передаваться к разделительному сосуду газ/жидкость, такому как барабанный газожидкостный сепаратор. Жидкая фаза может возвращаться к источнику криогенной текучей среды (например, сжижающей установке или транспортному судну) через рециркуляционную линию. Рециркуляционная линия не требуется в транспортной линии для криогенной текучей среды, описанной в данном изобретении.
Передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды может дополнительно содержать множество дистанционирующих средств, предназначенных для удержания каждой из линий 30, 40, 70 и 80 в нужном положении в кольцевом пространстве внутри облицовочной оболочки 20. Как правило, дистанционирующие средства позволяют осуществлять сообщение по текучей среде внутри кольцевого пространства от одной стороны дистанционирующего средства к другой стороне и тем самым не перегораживать кольцевое пространство на изолированные для прохождения текучей среды сегменты. Дистанционирующие средства могут быть изготовлены из стали, как правило, углеродистой стали или нержавеющей стали.
Транспортная линия 30 для криогенной текучей среды может быть также выполнена в виде конструкции «труба в трубе» (фиг. 5), в которой транспортная линия со слоем специальной криогенной изоляции 200, содержащей криогенный изолирующий материал, заключена в трубу 210 из углеродистой стали или нержавеющей стали. Транспортная линия 30 и специальная криогенная изоляция 200 могут быть также заключены в слой из нескольких труб. В варианте осуществления данного изобретения, изображенном на фиг. 5, транспортная линия 30 для криогенной текучей среды заключена в облицовочную оболочку, выполненную в виде первого трубопровода 210, который окружен второй облицовочной оболочкой в виде второго трубопровода 220.
В конкретном варианте осуществления данного изобретения транспортная линия 30 для криогенной текучей среды содержит, например, сплав FeNi36, FeNi9 или аналогичные сплавы и/или может иметь наружный диаметр, составляющий приблизительно 36 дюймов (90 см). Первый трубопровод 210, например, изготовлен из нержавеющей стали и/или может иметь наружный диаметр, составляющий приблизительно 42 дюйма (107 см). Второй трубопровод 220, к примеру, изготовлен из углеродистой стали и/или может иметь наружный диаметр, составляющий приблизительно 44 дюйма (112 см).
Передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды может сооружаться с помощью бестраншейного способа монтажа, выбранного из группы, содержащей микротуннелирование и горизонтальное прямое бурение.
Прокладка передаточного туннеля бестраншейными методами минимизирует надземное нарушение жизнедеятельности местного населения и экологии в подземных или (расположенным под морским дном) точках входа и выхода передаточного туннеля в процессе монтажа, а не приводит к нарушению поверхности вдоль всей длины туннеля. Кроме того, благодаря прокладке туннеля под землей, обеспечивается более защищенная окружающая среда для транспортной линии для криогенной текучей среды, в частности по сравнению с линией, проходящей на морском дне, и в то же время снижается опасность, которую такой передаточный туннель мог бы представлять, если бы он прокладывался на уровне поверхности. Кроме того, удается избежать требования прокладки трубопровода от баржи или крана на морское дно. Это может представлять собой трудоемкую операцию, которая в случае неправильного выполнения может повредить транспортную линию для криогенной текучей среды и, в частности, теплоизоляцию такой линии. Кроме того, очевидно, что эстакада, которая обычно поддерживает транспортную линию для криогенной текучей среды и вспомогательные линии, могут быть также исключены. Кроме того, прокладка передаточного туннеля под морским дном может обеспечить значительное снижение капитальных затрат, поскольку защита от волн, такая как сооружение волнорезов, не потребуется.
Микротуннелирование полезно для тех ситуаций, в которых грунт содержит песок, гравий или камни. Горизонтальное прямое бурение может использоваться в случае связных и песчаных типов грунта.
Когда бестраншейный способ сооружения представляет собой микротуннелирование, вначале выкапывают слепой ствол в земле на одной из двух площадок, которые образуют каждый конец передаточного туннеля для криогенной текучей среды. Как правило, если один конец расположен на суше, а другой конец на удалении от берега, слепой ствол будут выкапывать у наземного конца передаточного туннеля для криогенной текучей среды.
Опорная стенка может затем быть сооружена в слепом стволе, чтобы обеспечить опору, на которую будет опираться домкрат. Домкрат для труб, такой как гидравлический домкрат, может быть затем установлен в слепом стволе, чтобы обеспечить прижатие к опорной стенке.
Туннель от слепого ствола для домкрата до площадки, образующие другой конец передаточного туннеля для криогенной текучей среды, может быть затем выкопан, например, с помощью машины для микротуннелирования с дистанционным управлением. Туннель должен иметь диаметр достаточного размера для вставки в него облицовочной оболочки передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды.
Сегменты облицовочной оболочки можно затем проталкивать сквозь туннель с помощью трубного домкрата. Сегменты облицовочной оболочки облицовывают стенку туннеля для обеспечения облицовочной оболочки передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды и, таким образом, изготавливаются из материала, используемого для облицовочной оболочки, который уже обсуждался. Как правило, сегменты облицовочной оболочки будут сформированы из бетона, такого как железобетон. Направляющие рельсы могут быть расположены в установочном стволе для обеспечения правильной центровки трубного домкрата и сегментов облицовочной оболочки.
Транспортная линия 30 для криогенной текучей среды, одна или несколько коммуникационных линий 40, одна или несколько разгрузочных линий 70, одна или несколько обратных линий 80 для пара и криогенный изолирующий материал 60 можно затем подавать внутрь облицовочной оболочки 20 туннеля. Все вышеупомянутые линии могут подаваться внутрь оболочки одновременно.
Может оказаться необходимым устанавливать промежуточные домкратные станции вдоль длины туннеля, если усилия перемещения домкратом, требуемые для перемещения сегментов облицовочной оболочки 20 вдоль длины смонтированного трубопровода, будут превышены из-за трения между наружной поверхностью сегментов облицовочной оболочки 20 и грунтом, образующим стенки прорытого туннеля. Такие промежуточные домкратные станции могут уменьшить и распределить усилия перемещения домкратом от трубного домкрата и опорной стенки.
В альтернативном варианте осуществления данного изобретения способ бестраншейного монтажа для передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды, описанный здесь, может представлять собой горизонтальное прямое бурение.
Вначале пробуривают подповерхностную пробную скважину между двумя площадками, образующими каждый конец передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды. Как правило, когда один конец туннеля расположен на берегу, а другой конец туннеля на удалении от берега, бурение начинают с наземной площадки, хотя бурение может выполняться с удаленного от берега конца с помощью подходящей буровой установки, если требуется. Бурение может начинаться с пробуривания пробной скважины малого диаметра. Направление пробной скважины необходимо тщательно контролировать, чтобы следовать маршруту передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды.
Пробная скважина может затем быть разбурена, как правило, в один или несколько этапов, чтобы увеличить диаметр скважины по меньшей мере до наружного диаметра передаточного туннеля для криогенной текучей среды, чтобы обеспечить заранее сформированное отверстие.
Передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды, который, как правило, содержит стальную облицовочную оболочку, можно затем протягивать через заранее сформированное отверстие от одной из двух площадок к другой площадке. Это может быть выполнено путем снабжения передаточного туннеля для криогенной текучей среды буксировочным оголовком и протягивания туннеля сквозь заранее сформированное отверстие. Как правило, буровой раствор может сохраняться в заранее сформированном отверстии для защиты туннеля 10. Передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды можно протягивать через заранее сформированное отверстие от расположенного от удаленного берега конца туннеля, например, с помощью домкратной платформы.
Как показано на фиг. 6, передаточный туннель для криогенной текучей среды данного изобретения может содержать блок из двух, трех или большего числа меньших туннелей. В данном изобретении в каждом туннеле может использоваться конструкция типа «труба в трубе», как показано на фиг. 5. Базовый способ монтажа заключается в бурении туннелей малого диаметра, с внутренним диаметром, составляющим, например, приблизительно от 1,5 м до 2 м. Трубопроводы могут быть предварительно изготовлены на суше. После окончания прокладки туннелей, трубопроводы 220 будут затем протягивать через соответствующий туннель и присоединять к подъемной трубе на островном причале.
Размер и количество требуемых туннелей будут зависеть от функциональности, требуемой в загрузочных трубопроводах. К примеру, от того, требуется ли рециркуляция СПГ для минимизации количества отпарных газов, будет ли обеспечена вода для пожаротушения на островном причале с помощью морской воды или будет ли необходимо прокачивать пресную воду к голове пристани. Например, могут быть обеспечены два туннеля: один - транспортная линия 30 для криогенной текучей среды типа «труба в трубе», установленная внутри трубы 220 и предназначенная для передачи СПГ, и второй трубопровод 620, содержащий коммуникационные линии и, возможно, обратную линию для пара. В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения блок содержит три туннеля, включая два трубопровода 220 для передачи СПГ (фиг. 6).
Преимущества этого варианта осуществления данного изобретения включают в себя отсутствие петлевых температурных компенсаторов и то, что трубы можно протягивать через туннели, что облегчает процесс монтажа.
Как показано на фиг. 6, трубопроводы 220 и 620 могут альтернативно быть закопаны в траншее 630 в морском дне 106. Морское дно может быть образовано из очень мягкой глины. Горизонтальная пунктирная линия изображает номинальный уровень дна моря, если бы не было траншеи. В одном варианте осуществления данного изобретения дно траншеи может содержать горизонтальную секцию шириной 8,00 м, на которую опираются трубопроводы 220 и 620. Горизонтальная секция может быть окружена с обеих сторон уклонами под углом 15° относительно горизонтали, которые поднимаются к морскому дну 106. Горизонтальная секция может быть углублена на 3,00 м ниже номинального уровня дна моря. Трубопроводы расположены в траншее и соответственно накрыты рядом защитных слоев. Защитные слои могут включать в себя один или несколько из следующих слоев: песчаный слой 640, фильтрующий слой 650 и слой камня 660. Трубопроводы 220 и 620 удобно внедрены внутрь песчаного слоя 640 таким образом, что трубопроводы 220 и 620 полностью накрыты песком внутри песчаного слоя 640.
В одной группе вариантов осуществления данного изобретения слой камня может содержать 10-60 кг камня, и верх слоя камня 660 может быть заглублен на 0,50 м ниже номинального уровня дна моря. Слой камня 660 может быть толщиной 0,60 м. Фильтрующий слой 650 может быть толщиной 0,40 м. Песчаный слой 640 может быть толщиной около 1,50 м. Защитные слои обеспечивают защиту от протягиваемых якорей, рыболовных сетей, действия волн и истирания в результате размывания. Способ монтажа может включать в себя предварительное изготовление трубопроводов 220, 620 и установку их с берега, или же трубопроводы могут быть изготовлены на барже и опущены непосредственно в заранее сформированную траншею 630.
Использование траншеи вместо бурения туннелей имеет дополнительное преимущество, заключающееся в более коротком периоде строительства и экономии затрат.
В еще одном варианте осуществления данного изобретения описан способ пуска передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды, описанного в данном изобретении. В данном контексте термины «пуск» и «запуск» относятся к переходу туннеля из состояния ожидания (состояния покоя) в состояние загрузки или разгрузки. Как правило, во время состояния ожидания отсутствует или нет существенного потока жидкой криогенной среды в транспортной линии 30 для криогенной текучей среды в направлении загрузки или разгрузки, т.е. от сжижающей установки к отгрузочному терминалу (т.е. в загрузочной операции) или от приемного терминала к регазификационной установке (т.е. в разгрузочной операции). Как правило, во время состояния загрузки или разгрузки имеется поток жидкой криогенной текучей среды в транспортной линии 30 для криогенной текучей среды в направлении загрузки или разгрузки.
На первом этапе в разгрузочной линии 70 понижают давление до уровня, который меньше давления в кольцевом пространстве, т.е. по меньшей мере в одной или нескольких полостях 50, которые находятся в сообщении по текучей среде с разгрузочной линией 70 в передаточном туннеле 10 для криогенной текучей среды.
Транспортная линия 30 для криогенной текучей среды может быть затем охлаждена путем пропускания охлаждающей среды через линию для обеспечения охлажденной транспортной линии для криогенной текучей среды. Охлаждающая среда может представлять собой саму сжиженную криогенную текучую среду или газообразную криогенную текучую среду, находящуюся при криогенной температуре или вблизи криогенной температуры, такой как температура сжижения криогенной среды.
Условия внутри передаточного туннеля 10 для криогенной текучей среды могут контролироваться одним или несколькими датчиками, расположенными в одной или нескольких коммуникационных линиях 40. Датчики могут, например, контролировать один или несколько параметров из группы, содержащей температуру транспортной линии 30 для криогенной текучей среды, состав газа в кольцевом пространстве, к примеру, в одной или нескольких полостях 50, и температуру обратной линии 80 для пара.
Когда датчик указывает, что это приемлемо, например, когда температура транспортной линии для криогенной текучей среды равна или ниже температуры сжижения криогенной текучей среды, криогенную текучую среду можно прокачивать через охлажденную транспортную линию для криогенной текучей среды, как правило, от резервуара для хранения криогенной текучей среды, расположенного на сжижающей установке или транспортном судне, к отгрузочному терминалу или регазификационной установке соответственно.
После завершения операции загрузки или разгрузки передаточный туннель 10 для криогенной текучей среды можно возвратить в состояние ожидания. Во время состояния ожидания криогенные температуры могут поддерживаться в транспортной линии для криогенной текучей среды.
В еще одном аспекте данного изобретения предложен способ охлаждения транспортной линии для криогенной текучей среды в блоке передаточного туннеля для криогенной текучей среды, описанном в данном изобретении.
На первом этапе транспортную линию для криогенной текучей среды снабжают жидкой криогенной средой. Это может быть осуществлено в результате выполнения загрузочной или разгрузочной операции.
Части жидкой криогенной текучей среды в транспортном трубопроводе 30 для криогенной текучей среды может быть позволено нагреваться и испаряться, тем самым охлаждая транспортную линию для криогенной текучей среды, чтобы обеспечить паровое пространство в линии 30 для криогенной текучей среды. Паровое пространство будет содержать газообразную криогенную текучую среду (отпарной газ).
Газообразная криогенная текучая среда из транспортной линии 30 может быть сохранена, например, в паровом пространстве резервуара для хранения криогенной текучей среды, расположенного, как правило, на сжижающей или регазификационной установке.
После того, как достаточное количество жидкой криогенной текучей среды испарилось для создания парового пространства вдоль транспортной линии 30 для криогенной текучей среды, газообразная криогенная текучая среда из хранилища, такого как паровое пространство резервуара для хранения, может быть пропущена вдоль обратной линии 80 для пара. Как правило, газообразная криогенная текучая среда может находиться вблизи (т.е. немного выше) криогенной температуры, т.е. температуры, необходимой для поддержания криогенной текучей среды в жидком состоянии. Если необходимо, ее можно охлаждать до температуры, близкой к криогенной температуре, например, путем пропускания через теплообменник, где она может охлаждаться потоком сжиженной криогенной текучей среды, поступающим, например, от сжижающей установки или из резервуара для хранения криогенной текучей среды.
На конце или вблизи конца обратной линии 80 для пара, как правило, на конце, расположенном на приемном или отгрузочном терминале, соединительная линия со средством снижения давления, такими как клапан, может быть присоединена к транспортной линии 30 для криогенной текучей среды. Средство снижения давления может быть выполнено таким образом, чтобы позволить газообразной криогенной текучей среде, находящейся близко к криогенной температуре, втекать из обратной линии 80 для пара в транспортную линию 30 для криогенной текучей среды и проходить вдоль ее длины для ее охлаждения. Этот процесс будет поддерживать транспортную линию 30 в достаточно холодном состоянии, чтобы избежать какого-либо теплового расширения или какой-либо значительной задержки в охлаждении транспортной линии при подготовке к следующей передаче криогенной текучей среды.
Во время этой операции поток газообразной криогенной текучей среды, находящейся при температуре, близкой к криогенной температуре, протекающий вдоль обратной линии 80 для пара, может иметь противоположное направление относительно потока во время загрузки или разгрузки транспортного судна, когда газообразная криогенная текучая среда в виде отпарного газа передается от транспортного судна к сжижающей или регазификационной установке.
В качестве альтернативного варианта осуществления данного изобретения, описанного здесь, транспортная линия для криогенной текучей среды может поддерживаться заполненной криогенной жидкостью постоянно. Газообразная криогенная текучая среда, образующаяся в транспортной линии, может быть отправлена в обратную линию для пара. В таком варианте осуществления данного изобретения транспортная линия для криогенной текучей среды находится в сообщении по текучей среде с обратной линией для пара, например, с помощью газожидкостного сепаратора и/или средства снижения давления, такого как клапан.
К примеру, криогенная текучая среда из транспортной линии для криогенной текучей среды может быть направлена к газожидкостному сепарационному сосуду, из которого газообразную криогенную текучую среду направляют в обратную линию для пара.
Газообразная криогенная текучая среда из обратной линии для пара может затем быть использована для выработки электроэнергии или направлена в компрессор отпарного газа, где она преобразуется обратно в жидкость. Этот вариант осуществления данного изобретения особенно полезен, когда транспортная линия для криогенной текучей среды соединяет сжижающую установку с отгрузочным терминалом.
Данное изобретение не ограничено вариантами его осуществления, описанными выше, и может быть осуществлено различными способами в рамках объема прилагаемой формулы изобретения.