хранилище для сжиженного газа

Формула изобретения

1. Хранилище для сжиженного газа в предусмотренной в скальной породе полости или во внешней бетонной оболочке, содержащее резервуар для газа, изготовленный из бетона, отличающееся тем, что резервуар полностью или частично окружен массой, заполняющей пустое пространство между резервуаром и скальной породой или внешней оболочкой, причем сама масса создает уплотнение и является теплоизоляционной.

2. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что массой является природная глина.

3. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что массой является глина, приготовленная из порошка или гранул с добавлением воды.

4. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что масса приготовлена из тонко размолотого известняка или шлака.

5. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что масса содержит добавку теплоизоляционного материала.

6. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что резервуар имеет теплоизоляцию.

7. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что оно расположено полностью или частично в рыхлом грунте, который полностью или частично окружает оболочку.

8. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что оно расположено над поверхностью земли.

9. Хранилище по одному из пп.1-8, отличающееся тем, что масса содержит одну или несколько мембран.

10. Хранилище по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что масса окружена одной или несколькими мембранами.

Приоритет по пунктам и признакам:

12.10.1998 - по п.1 в отношении совокупности, содержащей альтернативное понятие “в скальной породе”;

25.11.1998 - по п.1 в отношении совокупности, содержащей альтернативное понятие “во внешней бетонной оболочке”;

12.10.1998 - по пп.2-8;

25.11.1998 - по пп.9 и 10.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию хранилища для сжиженных газов, таких как сжиженный природный газ, то есть газов с температурой кипения ниже 0°С при атмосферном давлении, которые могут быть сжижены при помощи дополнительного охлаждения.

Такие газы могут храниться в созданных в скальной породе полостях, которые образуют так называемые подземные хранилища. Альтернативой указанным подземным хранилищам являются зарытые в землю резервуары, которые полностью находятся ниже поверхности земли, или резервуары, которые частично зарыты в землю или находятся над уровнем земли. При полностью или частично зарытом в землю резервуаре хранилище может находиться выше или ниже уровня грунтовых вод. Давление над сжиженным газом может составлять около 1 бар (абс), а обычно это давление слегка выше и составляет, например, 1,1 бар (абс). Само собой разумеется, что в сжиженном газе давление возрастает в направлении вниз от поверхности жидкости, однако оно должно быть ниже давления окружающих грунтовых вод. Низкая температура газа в соответствии с известными технологиями может поддерживаться за счет подачи имеющегося над поверхностью жидкости газа (газовой фазы) в холодильник, где он конденсируется в жидкость, вновь подаваемую в резервуар.

Уже предпринимались попытки использования бетонной облицовки в скальных хранилищах, причем для герметизации хранилища вводят изоляцию в бетонную облицовку или, в некоторых случаях, непосредственно в скальную породу, без использования стальной крепи. Эксперименты показали, что за счет различных усадок при охлаждении возникают проблемы сцепления различных материалов, в результате чего возникает высокий риск нарушения изоляции. Таким образом, если хранилище такого типа не уплотнять при помощи мембраны (диафрагмы) из специальной стали, то такое хранилище может иметь утечку, что приводит к дополнительным расходам.

Стальные резервуары или бетонные резервуары со стальной оболочкой могут быть использованы при их установке на поверхности земли или ниже этой поверхности. При работе в условиях низких температур приходится использовать имеющие высокую стоимость специальные стали, так как обычные стали становятся хрупкими при низких температурах. Серьезным недостатком таких хранилищ является высокая стоимость их изготовления.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается хранилище, в котором решены указанные проблемы, причем такое хранилище имеет существенно более низкую стоимость, чем известные ранее средства хранения сжиженных газов при температурах ниже ориентировочно -45°С (стальные резервуары).

Хранилище в соответствии с настоящим изобретением предназначено для хранения газов в полости, образованной в скальной породе, или в наружной бетонной оболочке, причем такое хранилище содержит резервуар для газа, который изготовлен из бетона и возможно имеет тепловую изоляцию, при этом указанный резервуар полностью или частично окружен массой, заполняющей пространство между резервуаром и скальной породой или наружной бетонной оболочкой, причем сама указанная масса имеет тепловую изоляцию и может создавать уплотнение.

Уплотнение за счет массы, заполняющей пространство или пустоту, создано при помощи собственно самой массы или за счет одной или нескольких мембран, которые могут быть введены в массу или могут прилегать к ее внутренней или внешней поверхностям.

Настоящее изобретение позволяет сделать такое хранилище либо в образованной в скальной породе полости, либо в рыхлом грунте, частично в рыхлом грунте и частично над уровнем земли, либо полностью над уровнем земли. В данном случае примененный термин "рыхлый грунт" относится к любому материалу, который не является твердым веществом, такому как земля, песок, галька, гравий или их смесь. Рыхлый грунт может быть насыпан вокруг хранилища, или в рыхлом грунте может быть образована впадина, в которую помещают хранилище. В том случае, когда внешняя оболочка капсулирует резервуар, эта оболочка поглощает давление от заполняющей пространство массы, так что хранилище становится независимым от окружающей среды, которой, как указывалось, может быть рыхлый грунт, частично рыхлый грунт и частично воздушная атмосфера, или только воздушная атмосфера.

Для обеспечения способности уплотнения в качестве заполняющей пространство массы может быть выбрана глина, с возможным добавлением теплоизоляционного материала. Типичной добавкой является рыхлый керамзит. Добавка такого материала может позволить избежать использования отдельной тепловой изоляции на и/или в резервуаре, или существенно уменьшить такую изоляцию. При охлаждении от температуры 0°С до определенной отрицательной температуры глина имеет способность расширения и поэтому она будет сохранять прочное сцепление со скальной породой или с оболочкой, а также с бетонным резервуаром. Однако для исключения перегрузки резервуара и/или оболочки за счет давления, вызванного расширением глины, между глиной и резервуаром или между глиной и оболочкой может быть введен "раздавливаемый (дробимый) материал", который разрушается (рассыпается) при определенном давлении и предотвращает передачу высокого давления на резервуар и/или на оболочку. При введении изоляции между массой и бетоном такая изоляция может действовать как "раздавливаемый материал".

В качестве заполняющей пространство массы может быть использован природный материал или материал, приготовленный на фабрике. Так как собственно масса должна быть уплотняющей, то она должна иметь очень низкую проницаемость, так чтобы такая масса действовала в качестве мембраны (диафрагмы), герметизирующей хранилище. Примером природного материала является глина, которая имеет высокое содержание мелких частиц. Примером приготовленного на фабрике материала является глина в виде порошка или гранул (бентонит), в который могут быть добавлены вода, тонко размолотый известняк, промышленный шлак, летучая зола (например, вулканического происхождения), кварцевая пыль и т.п. Несмотря на то, что это и не является обязательным, указанная масса преимущественно представляет собой теплоизолятор. Изоляция может быть выполнена слоями внутри или вне резервуара. Несмотря на то, что это и не является обязательным, указанная масса преимущественно расширяется при температурах ниже 0°С.

После запуска хранилища и после достижения стабильной температуры (в действительности температура при работе хранилища падает) к массе может быть подведена теплота. Если массой является глина или аналогичный природный материал, который становится хрупким и имеет тенденцию к разрушению при низких температурах, то должна быть подведена такая теплота, что масса или ее порции сохраняют по всей толщине температуру, превышающую температуру перехода массы от пластичного состояния к хрупкому. Аналогично, если масса имеет одну или несколько мембран, то должна быть подведена такая теплота, которая позволяет избежать охлаждения мембраны или мембран до температуры, при которой мембраны становятся хрупкими и/или имеют тенденцию к разрыву. Подвод теплоты делает выбор материала для мембран менее критическим. Например, в качестве такого материала может быть выбрана конструкционная сталь вместо дорогой специальной стали.

При вводе в эксплуатацию хранилища и его заполнения сжиженным газом имеет место медленное охлаждение резервуара, возможной изоляции, заполняющей пространство массы, а также скальной породы или оболочки вокруг холодного газа, причем нулевая изотерма постоянно сдвигается наружу из хранилища. В этой связи следует сказать, что качество изоляции также улучшается с течением времени после запуска хранилища. Для подготовки хранилища к проведению хранения подают сжиженный газ, который будет испаряться за счет передачи теплоты от окружающей среды (бетонный резервуар, возможная изоляция, окружающая масса и скальная порода или оболочка). Испаренный газ удаляют и вновь вводят сжиженный газ, который будет испаряться, так что температура окружающей среды непрерывно становится ниже. Время, необходимое для доведения окружающей среды до такой температуры, при которой испарение становится минимальным и хранилище может считаться стабильно работающим, существенно сокращается при добавке (вводе) теплоизоляции в массу.

Сокращение времени запуска имеет большое экономическое значение, так как такие хранилища стоят очень дорого.

Изоляционный материал приводит к тому, что масса и скальная порода или оболочка не имеют такой низкой температуры, как само хранилище. При этом исключается проблема уплотнения хранилища.

Масса между резервуаром и скальной породой или оболочкой имеет такую природу, что она не сжимается и не разрушается при имеющихся в данной области температурах. Для исключения снижения температуры до такого низкого значения, при котором масса переходит от вязкого к хрупкому состоянию с последующим образованием трещин, или когда мембрана или мембраны становятся хрупкими, предусматривают средства нагрева, такие как трубы, шланги, нагревательные элементы, в сочетании с датчиками температуры, которые обеспечивают нагрев и предотвращение снижения температур до таких значений, при которых происходит растрескивание массы или когда мембрана или мембраны становятся хрупкими. Такие средства нагрева включают в действие во время приближения хранилища к стабильному рабочему состоянию, так как нагрев в течение всего времени запуска увеличивает время запуска.

Указанное хранилище имеет высокую степень безопасности. За счет массы и, возможно, грунтовых вод, в случае возникновения трещины в бетонном резервуаре, в возможной изоляции и/или в оболочке, предотвращается любая утечка наружу продукта или проникновение внутрь грунтовых вод, так как масса, мембрана или мембраны выполняют функции герметизации.

По сравнению со стальными резервуарами достигается экономическая выгода, причем при возникновении трещины в бетонном резервуаре предотвращается любая утечка продукта в жидкой или газообразной форме, так как окружающая масса или масса в сочетании с одной или несколькими мембранами, а также возможно и грунтовые воды, создают уплотнение, препятствующее утечке.

Теплоизоляция бетонного резервуара может быть внешней и/или внутренней. В любом случае следует использовать изоляционный материал, через который не проникает продукт и который не взаимодействует с продуктом, при возникновении трещины в бетонном резервуаре.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, причем на фиг.1-5 показано хранилище с резервуаром, расположенным в полости, созданной в скальной породе, а на фиг.6-9 показана внешняя оболочка вокруг резервуара.

На фиг.1 показано горизонтальное сечение хранилища в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 показано вертикальное сечение хранилища в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показано вертикальное сечение хранилища в соответствии с несколько отличающимся вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.4 показано горизонтальное сечение хранилища в соответствии с настоящим изобретением, с одной мембраной, расположенной в массе, окружающей бетонный резервуар.

На фиг.5 показано вертикальное сечение хранилища фиг.4.

На фиг.6 показано горизонтальное сечение другого варианта хранилища в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.7 показано вертикальное сечение хранилища фиг.6.

На фиг.8 показано горизонтальное сечение хранилища в соответствии с настоящим изобретением, с мембраной, расположенной в массе, окружающей бетонный резервуар.

На фиг.9 показано вертикальное сечение хранилища фиг.8.

Можно считать, что на фиг.1 показано сечение каждого из изолированных резервуаров, показанных на фиг.2 и 3.

На фиг.1 показан бетонный резервуар 2, имеющий круговое поперечное сечение. Вне резервуара 2 предусмотрен слой теплоизоляции 3, причем узел, образованный резервуаром 2 и изоляцией, окружен массой 5, которая в свою очередь окружена скальной породой 6. Во внутренней камере 1 резервуара 2 содержится сжиженный газ. Между изоляцией 3 и массой 5 введен "раздавливаемый материал" 4, который раздавливается при превышении некоторой величины воздействующего на резервуар 2 внешнего давления, что предотвращает перегрузку резервуара 2 за счет разбухания массы 5 при охлаждении. Само собой разумеется, что полость в скальной породе не имеет такой правильной формы, как показанная на чертежах, а скорее является неправильной.

На фиг.2 и 3 показано вертикальное сечение альтернативных вариантов, общим для которых является то, что цилиндрический участок резервуара 2, изоляция 3, "раздавливаемый материал" 4 и масса 5 могут быть расположены так, как это показано на фиг.1. Кроме того, крыша 7 имеет аналогичное цилиндрическому участку расположение слоев и выполнена в форме купола, причем она также содержит "раздавливаемый материал" 4. В отличие от показанного на фиг.2 варианта, в варианте, показанном на фиг.3, раздавливаемый материал предусмотрен и снизу бетонного резервуара.

В показанном на фиг.2 варианте предусмотрено бетонное основание 8, которое имеет ветви 9 (ребра или стойки), идущие вниз в скальную породу, причем между указанными ветвями имеются пустоты, заполненные изоляцией и массой, аналогично стенкам и крыше, резервуара 2. Основание 8 и ветви 9 поддерживают резервуар 2.

В показанном на фиг.3 варианте, с другой стороны, предусмотрено дно 10, сконструированное с изоляцией подобно остальным частям резервуара, причем масса 5, которая аналогична окружающей резервуар и покрывающей крышу 7 массе, снизу образует фундамент (основание) резервуара. Таким образом, резервуар 2 и изоляция 3 полностью окружены массой 5, которая также служит поддержкой резервуара. Дно резервуара 2 и изоляция 3 под дном имеют форму купола, аналогичную крыше 7. Известно, что концевые участки в форме купола имеют большую стойкость к внешним нагрузкам, чем, например, плоские концевые участки.

Показанные на фиг.4 и 5 варианты аналогичны вариантам фиг.1 и 3 и включают в себя аналогичные элементы, за тем исключением, что масса 5 содержит уплотняющую мембрану 11. Следует иметь в виду, что мембрана может быть расположена внутри или вне массы, причем могут быть использованы одна или несколько мембран. В данном случае массой 5 может быть текучий проницаемый материал, такой как песок.

На фиг.6 показан бетонный резервуар 2, имеющий круговое поперечное сечение. Вокруг резервуара 2 предусмотрен слой теплоизоляции 3, причем узел, образованный резервуаром 2 и изоляцией, окружен массой 5, которая в свою очередь окружена оболочкой 10, изготовленной из бетона. Во внутренней камере 1 резервуара 2 содержится сжиженный газ. Между изоляцией 3 и массой 5 введен "раздавливаемый материал" 4, который раздавливается при превышении некоторой величины воздействующего на резервуар 2 внешнего давления, что предотвращает перегрузку резервуара 2 и/или оболочки 10 за счет разбухания массы 5 при охлаждении. На фиг.6 показано хранилище, окруженное рыхлым грунтом 8, который может быть насыпан вокруг хранилища или в котором может быть вырыто углубление, в которое полностью или частично введено хранилище.

На фиг.7 показано вертикальное поперечное сечение хранилища фиг.6. Кроме показанных на фиг.6 элементов, на фиг.7 показаны основание 6 в форме купола и верхняя часть (крыша) 7 в форме купола резервуара 2, причем кровля 12 крыши изготовлена из металла или иного стойкого к воздействию окружающей среды материала, а также показаны оболочка основания 9 и верхний заплечик оболочки 11. Известно, что концевые участки в форме купола имеют большую стойкость к внешним нагрузкам, чем, например, плоские концевые участки.

Таким образом, хранилище расположено в углублении в рыхлом грунте 8, или же рыхлый грунт 8 насыпан вокруг хранилища, таким образом, что только верхняя часть 7 и кровля 12 выступают над рыхлым грунтом 8.

Отметим, что "раздавливаемый материал" 4 введен даже снизу от основания 6.

Показанные на фиг.8 и 9 варианты аналогичны вариантам фиг.6 и 7 и включают в себя аналогичные элементы, за тем исключением, что масса 5 содержит уплотняющую мембрану 13. Следует иметь в виду, что мембрана может быть расположена внутри или вне массы 5, причем могут быть использованы одна или несколько мембран 13. В данном случае массой 5 может быть текучий проницаемый материал, такой как песок.

Следует иметь в виду, что показанные варианты являются схематичными, причем не показаны как колодец или углубление для установки насоса и соответствующие трубы, так и возможные средства нагрева.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения. Например, изоляция может быть расположена внутри резервуара 2. Кроме того, в массу 5 может быть добавлен достаточный изоляционный материал, такой как керамзит, так что отдельная изоляция вне или внутри резервуара 2 может быть исключена, кроме верхней части 7, которая должна иметь изоляцию, если она не покрыта массой 5.