книги из ГПНТБ / Рачевский, Б. С. Транспорт и хранение углеводородных сжиженных газов

Железобетонная стенка может быть изготовлена сборной и моно­ литной. В целях индустриализации и механизации строительства наружную железобетонную стенку проектируют в сборном варианте с применением панелей кольцевого и плоского очертаний. Стыки между панелями стен замоноличивают плотным бетоном, проектная марка которого должна быть одинакова с проектной маркой бетона стеновых панелей или выше ее.

Эксплуатационная надежность и максимальная экономичность хранения сжиженных газов в низкотемпературных наземных резер­ вуарах обеспечивается в том случае, если правильно выбран мате­ риал конструкций (металла, железобетона, теплоизоляции) и в фун­ даменте нет недопустимых деформаций.

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ХРАНЕНИЕ СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ В ПОДЗЕМНЫХ ЛЕДОПОРОДНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ

В подземных ледопородных резервуарах можно хранить более значительные объемы сжиженных газов, чем в низкотемпературных

который обычно представляет собой железобетонное кольцо. В про­ буренные скважины опускаются замораживающие колонки 5, по которым пропускается теплоноситель, что приводит к заморажи­ ванию горных пород вокруг колонок и созданию ледопородной оболочки 6, сопряженной с водоупором. Под защитой ледопородного ограждения и водоупора, противостоящих гидростатическому и гор­ ному давлениям, вынимается талый грунт и образуется емкость 1. Вместе с выемкой грунта на площадке рядом с сооружаемым резер­ вуаром производится сборка перекрытия из предварительно заготов­

ленных элементов. Затем перекрытие перемещают целиком или по частям на опорное железобетонное кольцо. В отдельных случаях

.опорой перекрытия могут служить замораживающие колонки. Для герметичного соединения перекрытия с опорой его привари­

вают по периметру к закладной кольцевой обечайке, вмонтирован­ ной в опорное кольцо. Перекрытие теплоизолируется, устанавли­ ваются погружные насосы, трубопроводы, арматура, контрольно­ измерительные приборы. В резервуар заливают сжиженный газ при давлении 200—500 мм вод. ст. и при соответствующей отрицатель­ ной температуре. Методы сооружения ледопородных резервуаров определяются их объемом, конструкцией и геологическим разрезом площадки, на которой они должны быть построены.

в них не более 20% мелкодисперсных глинистых частиц. Скорость притока грунтовых вод в породах рабочей толщи должна удовле­ творять следующему неравенству:

(4.53)

где г — радиус емкости; 0 и Т — температура соответственно хра­ нимого продукта и подземных вод, отсчитанная от температуры замерзания воды в грунтах (от условного нуля), °С.

С помощью гидрогеологических изысканий, предшествующих проектированию резервуара, должна определяться форма рабочей толщи и ее структурные особенности: скорость и расходы грунтовых потоков воды, уровни водоносных горизонтов и их напоры, темпера­ тура и химический состав воды, гранулометрический состав грунтов, их пористость и влажность, объемный вес и плотность, пластичность и угол внутреннего трения. По кернам определяются теплофи­ зические и прочностные константы грунтов в нормальном состоя­ нии и при температуре хладагента, применяемого для предваритель­ ного замораживания, а также при температуре хранения сжиженного газа.

Одним из основных требований, предъявляемых к ледопородным резервуарам, является создание трещиностойкой, непроницаемой для газа ледопородной оболочки. Подземные низкотемпературные резервуары сооружаются, как правило, с применением предваритель­ ного замораживания пород.

Предварительное замораживание пород необходимо вести со­ гласно «Техническим условиям на производство работ по искусствен­ ному замораживанию грунтов при строительстве метрополитенов и тоннелей» (ТУ-111-56).

Предварительное замораживание горных пород обеспечивает: водонепроницаемость и прочность ледопородной оболочки, спо­

собной воспринять на себя полное горное давление и технические нагрузки;

194

сохранность проектного направления и габаритов выработок; сохранность прилегающих к выработке наземных и подземных

коммуникаций; максимальную скорость строите.льства.

Гак как ледопородная оболочка низкотемпературного резервуара работает как несущая конструкция и должна удовлетворять усло­ виям прочности и устойчивости, наиболее ответственным является выбор толщины ледопородной оболочки. На основании принятой толщины ледопородной оболочки осуществляются все теплотехни­ ческие и технологические расчеты замораживания, выбирается конструкция перекрытия.

Завышение толщины оболочки ведет к значительному увеличе­ нию стоимости и срока строительства подземного резервуара. Тол­ щина ледопородной оболочки зависит от многих факторов и, в первую очередь, от внешнего давления, прочностных и деформацион­ ных характеристик замороженных пород, величины и времени обна­ жения ледопородного ограждения, температурного режима заморо­ женных пород и выработки, ее размеров. Учесть влияние всех этих факторов одной зависимостью не представляется возможным, так как большинство из них является функцией многих переменных. Прочностные и деформационные свойства замороженных пород зависят от гранулометрического состава, температуры заморажива­ ния, фазового состава воды, условий миграции влаги, режима замо­ раживания, продолжительности действия нагрузки.

Определение толщины Е ледопородной оболочки является весьма сложной задачей, решение которой, учитывая ее инженерный харак­ тер, может быть осуществлено приближенным методом. Наиболее широкое применение в практике шахтного строительства и проект­

жение замороженных пород на сжатие; р — горизонтальное давле­ ние горных пород на .ледопородную оболочку.

Отличительной особенностью мерзлых горных пород как строи­ тельного материала является то, что при повышении температуры окружающей среды выше 0° С они тают и, следовательно, теряют качество строительного материала.

Вторая особенность мерзлых горных пород — резко выраженные пластические свойства, которые проявляются даже при малых нагрузках, в том числе под действием собственного веса. Вследствие этого большинство конструкций из мерзлых горных пород может непрерывно деформироваться и в какой-то степени изменять свою конфигурацию, ие разрушаясь. Это накладывает существенный отпечаток на методику оценки устойчивости сооружений из мерзлых горных пород.

Физико-механические характеристики мерзлых горных пород, как уже говорилось, зависят от их влажности, степени заполнения их пор льдом и незамерзшей водой, пористости, гранулометриче­ ского состава, температуры и времени действия нагрузки. Как пра­ вило, прочность мерзлых горных пород с понижением температуры растет [4В].

На рис. 93 приведены номограммы для расчета прочностных характеристик мерзлых горных пород [591. Номограммами поль­ зуются следующим образом. В [ квадранте на шкале 0 находят точку, соответствующую средней температуре ледопородной обо­ лочки, на которой восстанавливают перпендикуляр до пересечения с линиями, характеризующими влияние коэффициента влажности q на прочность породы.

Из точки пересечения проводят горизонтальную прямую до пересечения с линиями во Н квадранте, характеризующими влия­ ние пористости п на прочность породы. Из точки пересечения опус­ кают перпендикуляр на горизонтальную ось, на которой приведены значения прочности замороженной породы на сжатие.

Перпендикуляр III квадранта пересекает линии, характеризу­ ющие влияние пористости породы на сопротивление растяжению; продолжив горизонталь на вертикальную ось, находим прочность замороженной породы на растяжение. Если продолжить горизон­ таль до линии в IV квадранте, можно получить значение силы сцепле­ ния К шп замороженной породы.

197

Один из основных параметров при расчете подземных ледопо­ родных резервуаров на воздействие низких отрицательных темпера­ тур — коэффициент температурной линейной или объемной деформа­ ции мерзлых горных пород и льда. Методика и результаты экспе­ риментов по определению коэффициентов линейной температурной деформации (КЛТД) мерзлых горных пород и льда даны в рабо­

тах [44, 461.

11а рис. 94 приведены зависимости КЛТД (мерзлых горных пород и льда) от температуры и гранулометрического состава.

Инженерные сооружения, строительным материалом которых служат мерзлые горные породы, должны обладать термической устой­ чивостью. Причем для таких сооружений, как низкотемпературные

а/ое i

Рис. 94. Зависимость коэффициентов линейной тем­ пературной деформации мерзлых горных пород и льда от температуры:

1 — лсд; 2 — суглинок; з — песок

ледопородные резервуары сжиженного газа, вопросы термической устойчивости особенно важны. Это объясняется тем, что при перво­ начальном заполнении таких резервуаров охлажденным сжиженным газом тепловой удар (первоначальная температура стенок равна в среднем —10° С, температура заливаемого сжиженного пропана —43° С и метана —160° С) может разрушить ледопородные стенки емкости.

При неравномерном охлаждении ледопородной оболочки пред­ полагается развитие в ней растягивающих и сжимающих темпера­ турных напряжений. Наиболее опасны разрывающие напряжения, возникающие на внутренней поверхности ледопородного цилиндра при контакте его с охлажденным сжиженным газом. Если напря­ жения превысят прочность материала на разрыв ледопородной обо­ лочки, в последней могут возникнуть трещины.

Исследования, проведенные во ВНИИПромгаз [44], показали, что температурные напряжения зависят от коэффициента темпера­ турной линейной деформации замороженной горной породы а , модуля Юнга Е, коэффициента Пуассона р. и характера распростра-

198

пелия температур в ледопородной оболочке резервуара при запол­ нении его сжиженным газом.

По параметрам, полученным экспериментальным путем, были рассчитаны температурные напряжения, возникающие в ледопородиой оболочке низкотемпературного резервуара при первоначальном заполнении его сжиженным пропаном. Величина температурных напряжений сравнивалась с данными по прочности на разрыв мерз­ лых горных пород. Оказалось, что величина температурных напря­ жений не превышает прочности замороженных пород. Таким обра­ зом, тепловой удар, возникающий в момент первоначального запол­ нения ледопородных низкотемпературных резервуаров сжиженным пропаном, не опасен.

Этот вывод был подтвержден экспериментами на опытных под­ земных низкотемпературных емкостях для хранения пропана. Емкости освобождались от сжиженного газа и при испытании на плотность воздухом давлением 0,2 кгс/см2 показали хорошую гер­ метичность. Исследования также показали, что, если температурные напряжения превышают прочность мерзлых горных пород, образу­ ющих ледопородную оболочку подземного резервуара (в случае первоначального заполнения сжиженным метаном), трещины могут возникнуть в весьма тонком ее слое, прилегающем к внутренней поверхности, и не повлияют на прочность и герметичность всего резервуара.

Первоначальное заполнение низкотемпературного ледопородного резервуара сжиженным углеводородным газом не требует предвари­ тельного захолаживания резервуара и может производиться с любой максимальной скоростью, которую обеспечит холодильное оборудо­ вание, установленное на хранилище. Однако первоначальное запол­ нение характеризуется наибольшим теплопритоком из окружающего массива пород к заливаемому продукту и, как следствие этого, высо­ кой скоростью испарения сжиженного газа. Тепловые нагрузки на холодильное оборудование максимальны и значительно превосхо­ дят тепловые нагрузки эксплуатационного режима хранилища. Теплоприток к заливаемому сжиженному газу зависит от многих параметров: скорости заполнения, температуры сжиженного газа, теплофизических характеристик замороженной породы, объема ре­ зервуара, начальной температуры ледопородной оболочки, физиче­ ских характеристик сжиженного газа.

Величину теплопритока к заливаемому сжиженному газу можно определить по формуле [43]

где % — теплопроводность замороженных горных пород; tcp — сред­ няя температура ледопородной оболочки до заполнения резервуара; tnр — температура заливаемого сжиженного газа; R — радиус резервуара; р — плотность заливаемого сжиженного газа; 6?зап — скорость заполнения резервуара; т — время заполнения резервуара.

199

Время первоначального заполнения низкотемпературного ледо­ породного резервуара СУГ при установке на хранилище холодиль­ ного комплекса, обеспечивающего эксплуатационные параметры работы, больше эксплуатационного времени заполнения. Перво­ начальное заполнение резервуара для технологической схемы (с внешним охлаждением сжиженного газа) можно осуществить в экс­ плуатационное время способом конденсации паров газа на струях переохлажденного заливаемого продукта, подавая сжиженный газ переохлажденным до некоторой температуры. Переохлажденный про­ дукт в виде мелких раздробленных струй впрыскивается в паровое пространство резервуара. Вследствие разности температур пере­ охлажденной жидкости и паров произойдет их конденсация на струях переохлажденной жидкости, сопровождаемая соответствующим сни­ жением упругости паров.

Учитывая, что холодильное оборудование на низкотемператур­ ных хранилищах СУГ рассчитывается по эксплуатационным пара­ метрам работы, рекомендуется:

первоначальное заполнение ледопородных низкотемпературных резервуаров при технологической схеме залива с технологическим охлаждением сжиженного газа производить способом растяжения времени заполнения;

первоначальное заполнение ледопородных низкотемпературных резервуаров при технологической схеме залива с внешним циклом охлаждения сжиженного газа производить способом конденсации

жденным сжиженным газом и окружающим массивом горных пород, ледопородная оболочка увеличивается в объеме и через несколько лет с наступлением теплового равновесного состояния рост оболочки пре­ кращается. Ледопородная оболочка выполняет роль теплоизоляции.

Наиболее распространенная форма низкотемпературных ледо­ породных резервуаров — вертикальный цилиндр (высотой //, равной! диаметру D), примыкающий верхним торцом к дневной поверхности.

Получить точное выражение температурного поля, по которому определяют теплоприток к цилиндрической емкости во влажных промерзающих породах, не удается, поэтому задачи для получения простых зависимостей, пригодных для использования в инженерных расчетах, приходится решать приблизительно.

Проведенные экспериментальные исследования температурных полей цилиндрических емкостей на физических моделях показывают [251, что при условии ж/г0 > 1,2 (я — текущий радиус от центра емкости и г 0 радиус емкости) изотермические поверхности при­ ближаются к сферическим и по мере удаления от емкости практи­ чески превращаются в сферы.

С учетом изложенного теплоприток к подземной части ледопо­ родного резервуара приближенно можно определить по формуле [25]

28nXjtnprH

200

гдо Я j теплопроводность мерзлых пород; tnp — температура хра­ нимого сжиженного газа; г — радиус эквивалентной сферы; R — радиус промерзания ледопородной оболочки.

Радиус эквивалентной сферы г определяется по формуле

где D — диаметр резервуара.

Радиус промерзания ледопородной оболочки определяется из соотношения

15 свою очередь ср определяется по критерию инвариантности тепловых потоков / и безразмерному времени т

1= Я]Дпр

(4.58)

где Я 2 — коэффициент теплопроводности талого грунта; ккалДм • ч • °С);

Интерполяцией по табл. 43 находим безразмерный радиус промерзания 1,74. Определяем радиус промерзания

R -=Ф - г — 1,74 • 18 = 31,3 м.

Искомый теплоприток но формуле (4.56) составляет

201

202

емкости составляет около 31 м, а глубина — около 30 м. Перед проектированием производился отбор керна с ненарушенной струк­ турой. В лабораторных условиях оценивались структурно-текстур­ ные свойства образцов при замораживании, определялись физические и термические свойства.

Известны еще две емкости для хранения жидкого пропана. Пер­ вая — в штате Делавэр (США) около Ныо-Кастл объемом почти 80 тыс. м3 сооружена по описанной выше схеме компанией «Тайдуотер ойл». Вторая, небольшая по объему (около 8 тыс. м3), ем­ кость — в Канаде, штат Квебек, Восточный Монреаль, отличается от всех описанных ранее. Здесь для стенок используются породы кристаллического типа. Известно, что емкость хранилища соору­ жена в известняках, где, очевидно, не требуется предварительного замораживания, а сооружение начинается с проходки емкости, кото­ рая затем заполняется по обычной схеме.

ТЕХНИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКИ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ

Хранение сжиженных газов в основном сосредоточено в резер­ вуарных парках заводов-изготовителей (ГПЗ, НПЗ) и в районах потребления на кустовых базах и газонаполнительных станциях. В настоящее время в СССР сжиженные углеводородные газы хра­ нятся под давлением в горизонтальных цилиндрических резервуарах объемом до 200 м3 и сферических резервуарах объемом до 600 м3. Рас­ ход металла только на изготовление оболочки цилиндрических резер­ вуаров колеблется от 160 до 370 кг на 1 м3 полезной емкости, а их стоимость достигает 140—190 руб./м3 полезной емкости. Изготовление сферических резервуаров объемом 600 м3 (с обвязкой) требует рас­ хода металла: на резервуары для хранения сжиженного бутана — 108 кг/м3, на резервуары для пропана — 236 кг/м3. Стоимость их сооружения с фундаментами и обвалованием достигает соответствен­ но 48 и 105 руб./м3. Разработанные институтом «Проектстальконструкция» сферические резервуары для пропана объемом 900 м3 тоже весьма металлоемки и дороги. Расход металла на их сооруже­ ние с обвязкой составляет около 230 кг/м3, а стоимость сооружения с фундаментами и обваловыванием достигает 106 руб. на 1 м3 полез­ ного объема.

Согласно существующим нормам и правилам установки резервуа­ ров под давлением для сжиженных газов емкость группы резер­ вуаров не должна превышать 8000 м3 с соблюдением противопожар­ ных разрывов между группами не менее 500 м. Поэтому для строи­ тельства на базе резервуаров под давлением требуются большие площади, значительно превышающие площади, занятые другими объектами производства. Увеличение площадей требует большей протяженности трубопроводов, инженерных коммуникаций и дорог,

203