ХРАНИЛИЩЕ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА
STORAGE OF LIQUEFIED NATURAL GAS

3
Изобретение относится к подземной (заглубленной) системе хранения и резервирования СПГ, а именно к экономичным, пожаро- и взрывобезопасным хранилищам, расположенным ниже уровня земли (или в ее уровне), и может быть использовано для накопления и выдачи СПГ потребителю, особенно, где недостаточно газа или вовсе отсутствует трубопроводный природный газ, а также для покрытия пикового потребления газа (в системе «пик-шейвинга»). Применение изобретения позволяет создавать эффективные конструктивные решения недорогих хранилищ СПГ увеличенного диаметра. Это позволит повысить емкость хранилищ до больших и сверхбольших объемов и, как следствие, уменьшить себестоимость единицы (1 м) хранимого в нем СПГ.
Прототипом заявляемого технического решения является «Подземное хранилище сжиженного природного газа (ПХ СПГ)» [1] - (Патент РФ на изобретение №2232342 от 10.07.2004 г., МПК F17C 1/00, B65G 5/00), расположенное ниже уровня земли на отметке, предотвращающей промерзание поверхности земли, при самом длительном расчетном хранении СПГ, огражденное по периметру от массива грунта бетонной стеной типа «стена в грунте», содержащее расположенный на основании из уплотненного грунта и теплоизоляционной прослойки железобетонный резервуар, изнутри теплоизолированный и гидроизолированный от СПГ, снабженный расположенными в технологической шахте трубопроводами для наполнения-выдачи СПГ и его паров, выходящая из резервуара на поверхность земли технологическая шахта снабжена герметическими люками и лестницей, а верх бетонного резервуара засыпан слоем теплоизоляционного материала ПХ СПГ [1] решает задачи повышения безопасности, надежности хранилища СПГ и снижения суточных потерь хранимого продукта (для подземных хранилищ больших и сверхбольших объемов).
Однако при сооружении хранилища СПГ по [1] большого и сверхбольшого диаметра возникают две проблемы.
Во-первых, создания крыши железобетонного резервуара, как при ее возведении (строительстве), так и при засыпке ее сверху теплоизоляционным материалом. Проблему можно решать созданием более выпуклой крыши (увеличением кривизны купола) или же увеличением ее толщины, что ведет к неоправданно высоким стоимостным показателям строительства всего хранилища СПГ. При этом создание внутренней опалубки по всей площади крыши железобетонного резервуара СПГ большого и сверхбольшого диаметра также проблематично и, как следствие, дорого.
Во-вторых, чем глубже заглублен резервуар хранилища под землей, тем дороже строительство такого хранилища СПГ. Поэтому для снижения стоимости хранилища СПГ его резервуар может быть только заглубленным, но тогда появляется опасность промерзания крыши резервуара (промерзания поверхности грунта и его пучения над крышей резервуара), а также промерзания грунта и его пучение вокруг ограждающей железобетонный резервуар с СПГ бетонной стены типа «стена в грунте». Дополнительно увеличиваются теплопритоки из окружающей среды - с поверхности грунта, что сразу существенно снижает эффективность хранилища СПГ из-за увеличенных потерь газа на испарение.
Данные недостатки ставят задачу создания хранилища СПГ большого и сверхбольшого диаметра с облегченной крышей железобетонного резервуара. При этом должны решаться дешевыми (экономными) и известными методами вопросы как ее строительства, так и обеспечение ее прочностных характеристик при засыпке крыши сверху теплоизоляционным материалом и слоем грунта. А также задачу снижения стоимости возведения хранилища СПГ и его эксплуатации уменьшением величины заглубления железобетонного резервуара, при сохранении всех достоинств и преимуществ подземного хранения СПГ.
Указанная задача решается тем, что в хранилище сжиженного природного газа (СПГ), расположенном ниже уровня поверхности земли, огражденное по периметру от массива грунта бетонной стеной типа «стена в грунте», содержащем расположенный на основании из уплотненного грунта и теплоизоляционной прослойки железобетонный резервуар по наружной боковой поверхности окруженный податливой прослойкой, изнутри теплоизолированный и гидроизолированный от СПГ, снабженный расположенными в технологической шахте трубопроводами для наполнения-выдачи СПГ и его паров, выходящая из железобетонного резервуара на поверхность земли технологическая шахта снабжена герметическими люками и лестницей, верх бетонного резервуара засыпан слоем легкого теплоизоляционного материала, крыша железобетонного резервуара подземного хранилища выполнена с вантами, натянутыми от крыши железобетонного резервуара к опорному железобетонному кольцу, расположенному выше крыши железобетонного резервуара на бетонной стене типа «стена в грунте» в уровне поверхности земли, с внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте» от уровня крыши железобетонного резервуара к поверхности земли выполнена выработка грунта, которая с крышей железобетонного резервуара, вантами, опорным железобетонным кольцом засыпаны слоем легкого теплоизоляционного материала, так что он над поверхностью земли образует купол с большим радиусом кривизны, который сверху покрыт слоем гидроизоляционного материала. Находящаяся с внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте» от уровня крыши железобетонного резервуара к поверхности земли выработка грунта может быть выполнена или конусной под углом 20÷70° к поверхности земли или же ступенчатой в виде восходящих террас.
При всем вышеизложенном, также известны технические решения дополнительного (как и основного) крепления крыши (перекрытия) при помощи вантов от расположенного выше опорного кольца (опорных элементов), например представленные ниже полезные модели и изобретение.
Наземный «вертикальный железобетонный сборный резервуар» [2] - (Патент РФ на полезную модель №53342 от 10.05.2006 г., МПК E17H 7/00), содержащий стену из железобетонных панелей, днище и висячее вантовое покрытие, образованное радиальными металлическими вантами, натянутыми к опорному железобетонному опорному поясу.
«Способ монтажа Байтового покрытия большепролетного здания» [3] - (Патент РФ на изобретение №2029831 от 27.02.1995 г., МПК B04B 7/14), устройства для реализации которого содержат прикрепленное вантами к опорным поясам покрытие (крышу).
«Система крепления котлованов при строительстве подземных сооружений» [4] - (Патент РФ на полезную модель №83080 от 20.05.2009 г., МПК E02D 17/04), содержащая расположенную по периметру сооружения ограждающую конструкцию, выполненную в виде «стены в грунте», капитальное перекрытие (крышу), поддерживаемую от расположенных выше капитального перекрытия временных опорных конструкций (опорного кольца) Байтовыми оттяжками.
Однако такие технические решения [2], [3] и [4] не использованы при создании хранилищ СПГ большого и сверх большого диаметра. Кроме того, не известно использование в хранилищах СПГ конструктивных решений крыши железобетонного резервуара с вантами и железобетонным опорным кольцом засыпанными слоем теплоизоляционного материала и находящимися ниже уровня земли или в уровне земли.
Введение в формулу изобретения предложенного технического решения признака «крыша железобетонного резервуара подземного хранилища выполнена с вантами натянутыми от крыши железобетонного резервуара к опорному железобетонному кольцу» необходимо для существенного уменьшения материалоемкости крыши железобетонного резервуара хранилища СПГ и увеличения его прочности и несущей способности, а также улучшения технологичности возведения крыши железобетонного резервуара.
Введение в формулу изобретения признака «опорное железобетонное кольцо расположено выше крыши железобетонного резервуара на бетонной стене типа «стена в грунте» в уровне поверхности земли» необходимо для создания дополнительного опорного (несущего) элемента крыши железобетонного резервуара хранилища СПГ - опорного железобетонного кольца. Его расположение определено величиной заглубления железобетонного резервуара и зависит от условий оптимального распределения нагрузок от крыши железобетонного резервуара, а также от условий исключения передачи теплоты от поверхности грунта к элементам крыши железобетонного резервуара хранилища СПГ через элементы конструкции и слой насыпной теплоизоляции. Данный признак обеспечивает высокую пожаро- и взрывоопасность, в результате техногенной деятельности или возможных диверсионных актов.
Введение в формулу изобретения признаков «с внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте» от уровня крыши железобетонного резервуара к поверхности земли выполнена выработка грунта, которая с крышей железобетонного резервуара, вантами, опорным железобетонным кольцом засыпаны слоем легкого теплоизоляционного материала, так что он над поверхностью земли образует купол с большим радиусом кривизны» необходимо для исключения выхода «нулевой изотермы» на поверхность грунта, то есть для недопущения промерзания грунта, а также для снижения теплопритоков к хранимому СПГ и снижения потерь СПГ на испарение. Купол с большим радиусом кривизны (из легкого теплоизоляционного материала) необходим для дополнительной теплоизоляции от окружающей среды ограждающей бетонной стены типа «стена в грунте», вант, опорного железобетонного опорного кольца, а также для обеспечения стеков атмосферных осадков. Толщина слоя теплоизоляционного материала должна быть такой, чтобы предотвратить промерзание поверхности земли при самом длительном расчетном хранении СПГ.
Введение в формулу изобретения признаков «находящаяся с внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте» от уровня крыши железобетонного резервуара к поверхности земли выработка грунта выполнена конусной под углом 20÷70° к поверхности земли» необходимо для задания необходимого оптимального угла, при котором, во-первых, исключен выход «нулевой изотермы» на поверхность грунта, и, во-вторых, были бы минимальными трудозатраты по выимке фунта с внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте». Угол 20÷70° определяется из условий величины заглубления железобетонного резервуара СПГ (схемы оптимального расположения вант для поддержания крыши железобетонного резервуара и величины возвышения над ним опорного железобетонного кольца), а также из теплофизических и механических характеристик грунта вокруг железобетонного резервуара.
Введение в формулу изобретения признаков «находящаяся с внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте» от уровня крыши железобетонного резервуара к поверхности земли выработка грунта выполнена ступенчатой в виде восходящих террас» необходимо для максимального упрощения технологии по выимке грунта с внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте». При этом восходящая касательная к террасам будет находиться при том же угле (20÷70° к поверхности земли), что и по п.2 формулы изобретения предложенного технического решения.
Введение в формулу изобретения признаков «образованный над поверхностью земли купол с большим радиусом кривизны из легкого теплоизоляционного материала сверху покрыт слоем гидроизоляционного материала» необходимо для обеспечения высокой эффективности слоя легкого теплоизоляционного материала исключением попадания в него атмосферных осадков и обеспечения их самопроизвольного стека (водоотведения). Кроме того, гидроизоляционный слой создаст защиту от коррозии вант, узлов их крепления и других элементов конструкции хранилища сжиженного природного газа.
Выполнение хранилища СПГ с вышеизложенной совокупностью ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новым для хранилищ СПГ, и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Вышеприведенная совокупность признаков неизвестна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования хранилищ СПГ и их вспомогательного оборудования, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».
Конструктивная реализация хранилищ СПГ с указанной выше совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
На фиг.1 представлен схематичный разрез хранилища СПГ, на фиг.2 - схематичный разрез хранилища СПГ с выемкой грунта в виде террас.
Хранилище сжиженного природного газа (СПГ) расположено ниже уровня поверхности земли 1, ограждено по периметру от массива грунта бетонной стеной типа «стена в грунте» 2 и содержит расположенный на основании из уплотненного грунта 3 и теплоизоляционной прослойки 4 железобетонный резервуар 5, который по наружной цилиндрической (боковой) поверхности окружен податливой прослойкой 6 и изнутри покрыт слоями теплоизоляции 7 и гидроизоляции 8 от СПГ. Хранилище СПГ снабжено выходящей из железобетонного резервуара на поверхность земли 1 технологической шахтой 9 с системой криогенных трубопроводов 10 для наполнения-выдачи СПГ и его паров, а также герметическими люками 11 и лестницей 12. Верх (крыша) бетонного резервуара 5 засыпан слоем легкого и дешевого теплоизоляционного материала 13, в качестве которого могут быть применены отходы от сгорания угля - доменный шлак. От закрепленного на бетонной «стене в грунте» 2 опорного железобетонного кольца 14 прикреплены поддерживающие крышу железобетонного резервуара 5 ванты 15, которые равномерно распределены по крыше железобетонного резервуара 5 и закреплены в ее арматурном металлическом каркасе (не показан). Опорное железобетонное кольцо 14 расположено выше крыши железобетонного резервуара 5 на бетонной стене типа «стена в грунте» 2 в уровне поверхности земли 1. С внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте» 2 от уровня крыши железобетонного резервуара 5 под углом 20÷70° к поверхности земли 1 выполнена конусная выработка грунта 16, которая так же, как и крыша железобетонного резервуара 5, ванты 15, опорное железобетонное кольцо, засыпана слоем легкого теплоизоляционного материала 13. Выработка грунта с внешней стороны бетонной стены типа «стены в грунте» 2 может быть выполнена в виде террас 18. Над поверхностью земли 1 легкий теплоизоляционный материал 13 образует купол с большим радиусом кривизны, который сверху покрыт слоем гидроизоляционного материала 17.
Хранилище СПГ должно быть использовано после полного завершения его строительства подземной (заглубленной) и наземной части, когда смонтирован весь объем трубопроводной и запорно-регулирующей арматуры, а также после полного комплекса проверочно-испытательных работ и сдачи его государственным органам надзора. Подача СПГ осуществляется по трубопроводу наполнения (системы трубопроводов 10) хранилища (предпочтительно с одновременным заполнением сверху и снизу для равномерного охлаждения). В начальный период охлаждения резервуара 3 и промораживания грунта существуют большие теплопритоки из грунта, но с течением времени в процессе дальнейшего заполнения резервуара 5 теплопритоки уменьшаются за счет постоянного понижения температуры вокруг хранилища, и впоследствии замораживание грунта идет постоянно (со снижением теплопритоков к СПГ). Резервуар заполняется СПГ на 85-90% его полезного объема. В зависимости от объема резервуара через определенное время в нем устанавливается стационарный процесс теплопроводности, при котором вся конструкция резервуара достигает постоянных отрицательных (криогенных) температур. Внутри резервуара 5 поддерживается постоянная криогенная температура и давление (несколько больше атмосферного). Забор СПГ из резервуара 5 производится по трубопроводу (системы криогенных трубопроводов 10) к потребителю. Податливая прослойка 6 выполняет роль компенсатора, снижающего давление грунта на резервуар в стационарном режиме эксплуатации. Через герметические люки 11 и лестницу 12, расположенные в технологической шахте 9, осуществляется доступ в резервуар (при его отогреве и вентиляции воздухом) и проведение возможных осмотров, обслуживания и ремонта.
Технология строительства предложенного хранилища СПГ.
Первоначально с поверхности грунта 1 возводится цилиндрическая «стена в грунте» 2 и расположенное на ней опорное железобетонное кольцо 14 с креплениями для вант 15 (не показаны). Далее, внутри цилиндрической «стены в грунте» 2 производят выемку грунта почти до нижней ее отметки, где грунт 3 дополнительно уплотняют. Поверх уплотненного грунта 3 - основания бетонной стены типа «стена в грунте» 2 - засыпают слой 4 теплоизоляционного материала, поверх которого сооружают основание железобетонного резервуара 5 и его стены, производят засыпку (или заливку) податливой прослойки 6. Далее монтируют известным способом подвешенный на вантах 15 арматурный каркас крыши железобетонного резервуара и опалубку. Производят заливку бетоном арматурного каркаса крыши железобетонного резервуара и после ее отвердевания и снятия опалубки производят последовательно: крепление слоев внутренней теплоизоляции 7 и гидроизоляции 8 железобетонного резервуара, сооружение технологической шахты 9, размещение в ней системы трубопроводов 10, герметичных люков 11, лестницы 12, производят засыпку слоем легкого и дешевого теплоизоляционного материала 13. Далее с внешней стороны бетонной стены типа «стены в грунте» 2 от отметки уровня крыши железобетонного резервуара 5 под углом 20÷70° к поверхности земли 1 выполняют конусную выработку грунта 16, которую так же, как и крышу железобетонного резервуара 5, ванты 15 и опорное железобетонное кольцо 14, засыпают слоем легкого теплоизоляционного материала 13. Выработка грунта с внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте» 2 может быть выполнена в виде восходящих к поверхности земли 1 террас 18. Над поверхностью земли 1 из легкого теплоизоляционного материала 13 образуют купол с большим радиусом кривизны, который сверху покрывают слоем гидроизоляции 17.
Технико-экономическое преимущество предложенного технического решения заключается в том, что по сравнению с прототипом предложенное хранилище СПГ позволяет создавать конструктивные решения хранилищ СПГ большого и сверх большого диаметра, что позволит увеличить емкость хранилищ и, как следствие, уменьшить себестоимость единицы хранимого в нем СПГ. Уменьшение стоимости строительства и эксплуатации предложенного хранилища СПГ достигают также уменьшением величины заглубления железобетонного резервуара СПГ, а увеличение при этом теплопритоков к СПГ компенсируют засыпкой теплоизоляционным материалом конусной выработки вокруг внешней стороны бетонной стены типа «стена в грунте».
Кроме этого, предложенное техническое решение обладает высокой степенью пожаро- и взрывобезопасности как в эксплуатационных условиях, так и при авариях и различных техногенных воздействиях. В нем соблюдены меры экологической безопасности при длительных сроках хранения СПГ и эксплуатации хранилища (что обуславливает постоянно снижающиеся потери СПГ от испарения). Предложенное конструктивное решение имеет широкие возможности размещения на территории России в разнообразных грунтовых условиях и обладает большим диапазоном объема хранения СПГ.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2232342 от 10.07.2004 г., МПК F17C 1/00, B65G 5/00, «ПХ СПГ» - прототип.
2. Патент РФ на полезную модель №53342 от 10.05.2006 г., МПК E17H 7/00, «Вертикальный железобетонный сборный резервуар».
3. Патент РФ на изобретение №2029831 от 27.02.1995 г., МПК E04B 7/14, «Способ монтажа Байтового покрытия большепролетного здания».
4. Патент РФ на полезную модель №83080 от 20.05.2009 г., МПК E02D 17/04, «Система крепления котлованов при строительстве подземных сооружений».