8.5. Изотермическое хранение сжиженных углеводородных газов в стальных и железобетонных резервуарах

Хранение СУГ в низкотемпературных изотермических (стальных, железобетонных, ледопородных) емкостях получило широкое применение. Это объясняется высокой эффективностью таких резервуаров. Отметим, что хранить сжиженный метан или природный газ можно только в низкотемпературных хранилищах (рис. 8.6). Изотермическое хранение сжиженных углеводородных газов при давлении, незначительно отличающемся от давления внешней среды, имеет преимущества вследствие меньших затрат металла, меньшей территории, занимаемой хранилищем, и большей безопасности хранения.

Постоянное низкое давление сохраняется путем откачки паров сжиженных углеводородных газов для использования в газораспределительной сети или повторного сжижения паров. Температура хранения жидкого пропана при изменении давления от 2000 до 15000 Па по сравнению с атмосферным колеблется в пределах 2°С, н-бутана - в пределах 4 °С, изобутана - в пределах 12 °С.

Толщину стенки хранилища определяют из условия искусственного охлаждения сжиженного газа, подлежащего хранению, до температуры, при которой давление его насыщенных паров будет близко к атмосферному давлению. В таких условиях достаточно, чтобы стенки внутреннего сосуда хранилища выдерживали как гидростатическое давление продукта, так и незначительное дополнительное давление. При таком суммарном давлении разрешается применение тонкостенного хранилища.

а

Рис. 8.6. Изотермические резервуары:

а - с холодильной установкой; б - с буферными емкостями; в - с

промежуточным хладоагентом; г - ледопородный; 1 - сливной трубопровод; 2

- дроссельное устройство; 3 - резервуар; 4 - трубопровод паровой фазы; .5 - компрессорная холодильная установка; 6 - буферная емкость; 7 - емкость для

промежуточного хладоагента; 8 - теплообменник; 9 - льдогрунтовая

оболочка; 10 - морозильные колонки; 11 - водонепроницаемый слой

подстилающих пород

Для хранения сжиженных газов применяют различные емкости, рассчитанные на гидростатическое давление продукта в них при полностью заполненном резервуаре плюс избыточное давление паров продукта, необходимое для осуществления нормальной работы компрессорно-холодильного оборудования. Максимальное рабочее давление в таком резервуаре составляет 0,005-0,01 МПа. Небольшое избыточное давление в резервуаре (до 5000 Па) необходимо для того, чтобы при любых возможных барометрических колебаниях давление в резервуаре не могло стать ниже атмосферного.

Большое преимущество хранения газа в изотермических резервуарах - их независимость от местных геологических условий. В то же время при сооружении подземных хранилищ природного газа, используемых с указанной целью, в настоящее время приходится изыскивать специальные геологические структуры (выработанные и водоносные пласты и пр.). Поэтому хранилища СУГ могут быть созданы практически в любом месте, где это представляется технологически необходимым и экономически выгодным.

Металлические теплоизолированные резервуары

Большое распространение при сооружении хранилищ СУГ получили металлические резервуары. Это объясняется хорошей изученностью работы листовых конструкций в области криогенных температур и их надежностью, наличием стали и алюминиевых сплавов, отвечающих требованиям работы при температуре 111 К, возможностью контроля сварных соединений и испытания конструкций в целом, а также наличием эффективных теплоизоляционных материалов и отработанных методик по определению скорости испарения продукта. К преимуществам металлических резервуаров следует отнести возможность их строительства, независимо от мест расположения, а также то, что благодаря надежной

К преимуществам металлических резервуаров следует отнести возможность их строительства, независимо от мест расположения, а также то, что благодаря надежной герметичности резервуара можно гарантировать отсутствие утечек и образование взрывоопасных смесей. Построенные наземные металлические резервуары имеют объем от 160 до 5500 м³ . Увеличение объема резервуаров приводит, как правило, к более экономичным решениям. Однако из соображений безопасности устанавливают пределы ограничения объема и высоты резервуара. Разработаны проекты металлических резервуаров объемом до 125000 м³.

Наземные низкотемпературные резервуары начали использовать раньше резервуаров других типов, этим и объясняется их широкое распространение (более 80 %). Чаще они цилиндрической формы, так как сферические более сложны в изготовлении. Изотермический резервуар должен удовлетворять следующим требованиям:

—материал для его изготовления должен обладать хорошими механическими свойствами при низкой температуре;

—конструкция его должна быть удобной для монтажа, прочной и надежной в эксплуатации;

—потери сжиженного газа при испарении вследствие теплопритока должны быть небольшими, что способствует длительному и безопасному хранению;

—стоимость изготовления должна быть невысокой.

Потери сжиженного газа могут быть оценены • с помощью коэффициента потерь, который показывает долю испарившегося газа из полностью заполненного сжиженным газом резервуара в течение 24 ч. Коэффициент потерь на испарение не должен превышать 0,05 %.

Наземный низкотемпературный резервуар состоит из перекрытия, стен, фундамента, герметизирующей оболочки и теплоизоляции (рис. 6.7). Наземный резервуар обычно состоит из двух самостоятельных оболочек: внутренней (несущей и герметизирующей) и наружной, играющей роль защитного кожуха. Внутреннюю оболочку изготавливают из алюминиево-магниевого сплава или легированной стали.

Так как стоимость ее велика, то иногда в качестве несущей конструкции применяют стенку из предварительно напряженного бетона, а тонкая металлическая оболочка лишь герметизирует пространство. В качестве несущих можно применять также личные мембранные конструкции из элементов в форме дуг окружностей и эллипсов, опирающихся на ребра жесткости, а также вертикальные трубы, сваренные между собой с помощью вставок из листового или профильного металла. Для мембран используют и другие материалы, например эластичные пластмассы, наружную оболочку выполняют из обычной стали. Основание наземного резервуара бывает двух типов: опирающееся непосредственно на грунт или же на плиту, уложенную на забитых в грунт сваях. При укладке на грунт необходима теплоизоляция, так как при промерзании грунта может возникнуть его пучение и деформация резервуара. Теплоизоляцией служат довольно дорогие твердые пористые силикатные материалы типа пеностекла, бетоны с легкими наполнителями, различные крупнозернистые материалы (гравии, керамзит), пространство между которыми заполняют минеральной шерстью или перлитом. Второй метод позволяет уменьшить промерзание грунта, так как воздух является довольно хорошим теплоизолятором. Однако в этом случае необходима надежная изоляция дна для снижения теплопотерь. Между железобетонной плитой основания и стальным дном укладывают бетонные блоки с вертикальными трубчатыми отверстиями. В них и в пространство между блоками помещают рыхлую теплоизоляцию, например вспученный перлит. Блоки служат несущими конструкциями. Иногда используют блоки из перлитобетона, которые являются и изолирующими. В качестве несущих применяют также различные деревянные конструкции, одновременно служащие хорошими теплоизоляторами.

Перекрытие резервуара представляет собой двухсменный купол с помещенной между оболочками теплоизоляцией. Для снижения теплопотерь в пространство между оболочками пропускают сухой азот, который также осушает теплоизоляцию. Перекрытие обычно не имеет опор, но в некоторых конструкциях предусматривают центральную опору, которую при монтаже резервуара можно использовать для установки мостового крана. Еще одним интересным решением является перекрытие понтонного типа, плавающее на поверхности сжиженного газа. Паровая фаза по специальным каналам поступает в углубление, откуда ее подают в холодильные установки. Понтон изготавливают из металла или пластмассы.

Рис. 8.7. Стальной изотермический резервуар объемом 5800 м³:

1 - анкерное устройство; 2 - оболочка резервуара; 3 - тепловая изоляция; 4 - кровля; 5 - дыхательный клапан; 6 - предохранительный клапан;

7 - подающий трубопровод; 8 - лестница; 9 - трубопровод отбора жидкого газа; 10 - днище резервуара; 11 - блоки из пеностекла; 12 - система обогрева.

При проектировании и сооружении низкотемпературных резервуаров возникает ряд задач: выбор материала для резервуара, теплоизоляция резервуара, сооружение фундамента под резервуар, безопасная эксплуатация хранилища жидкого газа. Для сооружения самого резервуара требуются материалы (металлы), обеспечивающие необходимые механические свойства в условиях низкой температуры. Для изготовления емкости, работающей при минимальной температуре 173 К, применяют углеродистую сталь, содержащую 3,5 % никеля, с пределом текучести не менее 840 МПа; при 73 К - углеродистую сталь, содержащую 9 % никеля, с пределом текучести температур от 153 до 173 К, необходимой вязкостью обладают стали с содержанием 5-6 % никеля.

Для сооружения внутренней оболочки изотермических резервуаров широко используют алюминиевые сплавы. Они обладают достаточной прочностью, высокой теплопроводностью (в 5 раз больше теплопроводности других металлов), незначительной плотностью и высокой коррозионной устойчивостью, а также легко поддаются механической обработке и сварке. Внешнюю защитную оболочку газгольдера выполняют из углеродной стали; она должна быть герметична и защищать теплоизоляцию от увлажнения. Для этого листы оболочки, толщина которых 6-8 мм, следует сваривать с двух сторон, поэтому расстояния между наружной и внутренней оболочками газгольдера принимают не менее 750 мм. Очень важно правильно выбрать и теплоизоляцию резервуара. Основное требование, предъявляемое к теплоизоляции, низкая теплопроводность. В настоящее время резервуары с двойной стенкой обычно теплоизолируют перлитом, засыпанным в пространство между стенками. Одностенные резервуары изолируют блоками пеностекла или непосредственным напылением пенополиуретана.

При сооружении стальных низкотемпературных резервуаров большое значение имеет их правильная опора на грунт. Глубина промерзания грунтов под резервуарами зависит от температуры хранимого сжиженного газа и грунта, диаметра резервуара, коэффициентов теплопередачи изоляции и теплопроводности грунта. Крупнозернистые грунты (гравий, песок) не чувствительны к промерзанию. При замерзании они увеличивают свой объем приблизительно на 9 %. При отсутствии систем капилляров такие грунты не способны подсасывать дополнительную влагу из соседних пластов, и, даже несмотря на образование ледяных линз, вспучивания, как правило, не наблюдается. Связанные грунты (суглинки, илы, глины, а также гравий и песок в плотной смеси с суглинками) чувствительны к действию холода. Из-за разветвленной капиллярной системы влага подтягивается к ядру замерзания из соседних пластов, что ведет к вспучиванию грунта, при котором возможен подъем и потеря устойчивости даже очень тяжелых сооружений. Прежде чем рассчитывать основание, определяют, необходимо ли предотвратить проникновение холода в грунт, находящийся под основанием. Иногда предусматривают систему обогрева под днищем резервуара или специальную конструкцию фундамента с вентиляционными каналами. В резервуаре без изоляции днища глубина промерзания

Н =R/tg

где R - радиус резервуара;

Т_гр - температура грунта (для умеренного климата принимается 283 К);

Т_хр - температура хранящегося сжиженного газа.

Так, например, для резервуара диаметром 20 м глубина промерзания при хранении сжиженного природного газа достигает 110 м.

Т еплоизоляция днища резервуара предотвращает непосредственное проникание холода в грунт. В этом случае глубина промерзания значительно меньше

Н =R/tg

где Т_из - температура на уровне изоляции.

Изотермические резервуары для сжиженных газов необходимо оснащать средствами контроля и автоматизации, с помощью которых обеспечивается измерение необходимых параметров (расхода и поступления продукта, давления, температуры и уровня); сигнализация о давлении и уровне, а также поддержание заданного эксплуатационного режима, защита резервуара от переполнения, повышения уровня, вакуума и измерение напряжений в корпусе хранилища. На трубопроводах для входа и выхода продукта из резервуара следует устанавливать соответствующие счетчики-расходомеры. Резервуар необходимо снабжать уровнемером, позволяющим в любой момент времени определить уровень жидкости в сосуде. Данные о давлении паров передаются на щит операторной, где постоянно регистрируются записывающим прибором. Температура внутри резервуара должна измеряться постоянно с выводом показаний на щит операторной.

/// // /// /// /// // /// /// /// /// /// ///

Рис. 8.8. Схема поддержания низкотемпературного режима сжиженного газа в резервуаре

Рис. 8.9. Технологическая схема перевалочной базы СУГ с изотермическим хранилищем с буферными емкостями:

1 - слив СУГ из железнодорожных цистерн; 2 - буферные емкости; 3 -блок осушки; 4 - изотермический резервуар; 5 - компрессорно-холодильная установка; 6 - слив и подогрев СУГ; 7 - залив СУГ в танкер; 8 – заправка баллонов; 9 - налив автоцистерн.

Изотермический резервуар снабжают следующими технологическими трубопроводами: для поступления жидкости, удаления жидкости, удаления паров хранимого продукта, поступления продувочного азота или другого инертного газа в межстенное пространство либо во внутренний сосуд резервуара, поступления паров хранимого продукта для гашения вакуума. Все вводы в резервуар и выводы из него следует снабжать компенсаторами температурных напряжений, рассчитанными на работу в условиях максимально возможной разности температур хранимого продукта и окружающей среды.

Схема изотермического хранилища с использованием в качестве холодильного агента самого сжиженного углеводородного газа изображена на рис. 6.8. Испаряющийся из теплоизолированного резервуара 1 пар через теплообменник 7 поступает в компрессор 4, где сжимается до 0,5-1,2 МПа (в зависимости от термодинамических свойств хранимого газа), затем в холодильнике-конденсаторе 5 охлаждается водой 6 и конденсируется при неизменном давлении. Сконденсированный сжиженный углеводородный газ 2 дополнительно переохлаждается встречным потоком газа в теплообменнике 7, дросселируется в вентиле 3 до давления, соответствующего режиму хранения и поступает снова в резервуар 1.