книги из ГПНТБ / Гофман-Захаров П.М. Проектирование и сооружение подземных резервуаров - нефтегазохранилищ

Уровень грунтовых вод в месте строительства хранилища был на 0,6 м ниже поверхности.

Чтобы избежать крепления стен хранилища при 'земляных ра­ ботах и уменьшить потери сжиженных газов во время заполне­ ния емкости, предусматривалось предварительное заморажива­ ние кольцевой зоны, диаметр которой несколько больше диаметра хранилища. Для замораживания холодильный агент циркулиро­ вал по кольцевой системе труб, оконтуривающих хранилище. В качестве холодильного агента применялся технический пропан. После завершения процесса замораживания обычными методами в грунте была создана цилиндрическая выработка. В верхней части ее установлена круглая алюминиевая крыша, герметично сопрягаемая с замороженным грунтом. Сливо-наливная и предо­ хранительная арматура, а также штуцеры для контрольно-изме­ рительных приборов установлены на крыше хранилища.

Непрерывным контролем за возможной утечкой жидкости и

чиной теплопритока из грунта, никаких других утечек не наблю­ далось. Величина потерь от испарения с течением времени умень­ шалась и довольно быстро достигала 4,5% в сутки от полного объема хранилища, что находится в пределах потерь для храни­ лищ сжиженного метана такой же емкости.

Естественно, что для резервуаров значительных размеров, имеющих большее соотношение объема и поверхности испарения, эта величина окажется значительно меньшей. Для менее летучих жидкостей (пропана) величина потерь от испарения будет ниже.

В зависимости от местных условий паровая фаза может быть снова направлена в холодильный цикл (изотермический процесс) либо использована в качестве топлива.

Упругость паров жидкости в подземном хранилище составляет 250 мм вод. ст. Вспучивание грунта, наблюдавшееся в начальном этапе замораживания, приводит к местному поднятию поверх­ ности на 15 см. О характере вспучивания грунтов можно судить по графику, приведенному на рис. 12.

Вместо погружных насосов для перекачки сжиженных газов в данном хранилище успешно применен принцип газлифта. Бла­ годаря созданию вакуума в приемном резервуаре жидкий газ поступает из хранилища по сливному трубопроводу. В приемном резервуаре вследствие снижения давления газ отделяется от жидкости. Необходимый вакуум для подъема жидкости обеспе­ чивается за счет работы компрессора. Для уменьшения потерь сжатый газ может быть охлажден жидкостью, поступающей из нагнетательной линии насоса. Сконденсированный при этом газ снова направляется в систему.

В штате Нью-Йорк (США) построено крупнейшее ледогрунтовое хранилище сжиженного природного газа емкостью 46,7 тыс. м3 (рис. 13). Хранилище представляет собой цилиндриче­ ский резервуар глубиной 50,3 м и диаметром 35 м, который окру­ жен бетонной стенкой высотой около 4 м над дневной поверх-

Рис. 12. График вспучивания грунта при сооружении ледогрунтового низ­ котемпературного хранилища сжи­ женных газов.

ностью. Стенка заглублена на 0,9 м. Резервуар покрыт изолиро­ ванной крышей из никелевой стали и сооружен в замороженном водоносном грунте до подстилающей скальной породы. Храни­ лище рассчитано на подачу газа потребителю в период зимних пиковых нагрузок.

деляется от инертных и других компонентов, которые могут пере­ йти в твердое состояние при температуре сжижения метана. Газ сжижается с помощью пропан-этилен-метанового каскадного цикла и поступает в хранилище.

В резервуаре поддерживают температуру минус 162° С и избы­ точное давление 283 мм вод. ст., в результате чего исключается попадание воздуха й образование взрывоопасной смеси. Уровень хранимого продукта поддерживается не выше чем на 0,6 м до дневной поверхности грунта, чтобы избежать просачивания.

Несмотря на относительную безопасность хранения, проектом предусмотрены необходимые противопожарные меры, к которым' относится установка емких башен с запасами сухих химикалий

(бикарбонат натрия), пожарных гидрантов и спринклерных си­ стем.

Три башенных установки с сухим бикарбонатом натрия соору­

давлением сжатого инертного газа. Остальные установки стан­ ции оборудованы спринклерными противопожарными системами.

Ледогрунтовой резервуар сооружают следующим образом. Пробуренные скважины обсаживают колоннами диаметром 8", в которые опускают морозильные трубы диаметром 6" с заглу­ шёнными концами. В них вставляют трубы диаметром 2" с от­ крытыми концами.

После установки морозильных труб сооружают бетонное осно­ вание под стенку из предварительно напряженного железобетона, поскольку сооружение находится на слабонесущем водонасыщенном грунте.

В процессе замораживания хладоагент циркулирует по трубам диаметром 6" и отводится через трубы диаметром 2". В течение двух месяцев толщина ледогрунтовой оболочки увеличивается до 3 м, после чего производят земляные работы, продолжающиеся около двух месяцев. Затем устанавливают стенку, на которую монтируют крышу резервуара. Сооружение резервуара заканчи­ вают устройством изоляции вокруг верхней части резервуара и песчаной подсыпки.

Заполняют резервуар сжиженным газом через распылительные сопла сверху и одновременно струей у дна емкости.

По расчетам через год эксплуатации толщина замороженного слоя вокруг резервуара достигает 9 м. Максимальная толщина ледогрунтовой оболочки равна 12,2 м.

В США в районе Филадельфии построено второе ледогрунтовое хранилище емкостью 190 тыс. м3 сжиженного метана. Храни­ лище состоит из четырех резервуаров емкостью по 47,5 тыс. м3 каждый, которые сооружены в отложениях береговой зоны реки Делавэр. Конструкция резервуаров хранилища аналогична кон­ струкции резервуаров хранилища в районе Нью-Йорка.

В 1963 г. в районе Солт-Лейк-Сити (штат Юта) было построено первое в США ледогрунтовое хранилище для пропана. Оно рас­ положено в резервуарном парке нефтеперерабатывающего за­ вода в Вудс Крос. В резервуаре емкостью 21,5 тыс. м3 хранится пропан при температуре минус 45° С.

Хранилище представляет собой вертикальный цилиндрический резервуар, выработанный в земле и окруженный оболочкой замо­ роженного грунта без дополнительной облицовки.

Перед выемкой грунта по кругу диаметром около 40 м были пробурены вертикальные скважины, в которые были опущены трубы длиной по 45,7 м. В результате бурного испарения про-

вуара и равно 18—30 при диаметре 6 м и 80—120 — при диаметре 30 м. Эти трубы должны быть заглублены на 2 м ниже дна хра­ нилища так, чтобы они доходили до водонепроницаемых пластов.

После достаточного промораживания внешнего кольца грунта отрывают резервуар 11. Желательно, чтобы внутренние стенки резервуара имели покрытия для предотвращения загрязнения продукта, хранящегося в резервуаре.

Вокруг котлована вырывают кольцевую щель 8, которая не

углеродистой стали, алюминия или дерева обеспечивается уси­ лительными двутавровыми балками. С внутренней стороны на крыше укреплена теплоизоляционная прокладка 10 из полиуре­ тана или пенистого полистирола. Крыша покоится на опоре 6.

Для надежного уплотнения резервуара и предотвращения про­ никновения в него окружающего воздуха используется непрерыв­ ная кольцевая мембрана 7 из алюминия или нержавеющей стали, которую снизу приваривают к крыше и своим краем погружают в щель 8. Над уровнем грунта мембрана имеет гофрированный участок, повышающий ее эластичность. Щель 8 заполняется жидкостью, которая при температуре окружающего воздуха на­ ходится в твердом состоянии.

По наружному краю крыши крепят вторую мембрану 4 из ре­ зины или брезента. Край ее опускают в щель 3 и дополнительно уплотняют изоляцией. Кольцевое пространство между мембра­ нами 4 и 7, крышей 9 и грунтом непрерывно обдувают инертным газом (азотом или двуокисью углерода).

Высокая перспективность низкотемпературного изотермиче­ ского метода хранения сжиженных газов в заглубленных резер­ вуарах, создаваемых в ледоперодном массиве, выдвигает перед наукой ряд серьезных задач экспериментально-теоретического характера, связанных с нестационарным теплообменом.

На о. Канви (на реке Темзе, недалеко от Лондона) построено крупное хранилище сжиженного метана, доставляемого из Арзева (Алжир) танкерами-метановозами. Там имеется два на­ земных резервуара емкостью до 100 т, шесть наземных резервуа­ ров по 400 т, три подземных хранилища в замороженном грунте емкостью по 21 тыс. т (четвертое такое же хранилище в настоя­ щее время строится).

Диаметр и глубина подземных резервуаров — 39,6 м. Сверху резервуары закрыты сферической алюминиевой крышей (рис. 15).

Перед началом строительства в зоне будущего хранилища было пробурено 20 скважин на глубину 61 м, из которых были взяты пробы грунта.

Уровень грунтовых вод оказался очень высоким, всего на 90 см ниже поверхности земли. Исследование проб грунта, образую­ щего стенки и днище резервуара, показало возможность его за-

Рис. 15. Схема подземного низкотемпературного хранилища сжиженного метана емкостью 21 тыс. т на о. Канви (Англия):

мораживания, кроме того, оказалось, что подошвенный (подсти­ лающий) слой из трещиноватых глин также требует заморажи­ вания. Размеры и прочность целика грунта, замораживаемого вокруг цилиндра будущей емкости, были рассчитаны на сопро­ тивление отпору грунта и гидростатическим нагрузкам, возни­ кающим во время выемки грунта в подземном резервуаре и при его заполнении.

Для замораживания стенок была использована система сква­ жин, размещенных по двум концентрическим окружностям диа­

1,40 м. Замораживающие колонны соединяли вместе по 4 шт. и подключали к кольцевой магистрали, по которой подавали ох­ лажденный рассол. Для соединения колонны использовали гиб­ кие шланги из алькотена (резины, изолированной асбестом).

Для замораживания днища до водоупора использовали сква­ жины, расположенные по концентрическим окружностям внутри контура будущей емкости (41 скважина). Их глубина составляла

После замораживания днища колонны извлекали из скважин для разработки грунта внутри контура емкости.

Для предупреждения оттаивания и крошения грунта у выступа по краю емкости в три ряда укладывали трубы малого диаметра, по которым циркулировал рассол.

Максимальная потребность в холоде в период замораживания определялась в 3 млн. ккал/ч. Для замораживания использова­ лась установка фирмы «Фараки» производительностью 1,1 млн. ккал/ч и 5 аммиачных компрессоров фирмы «Стерн». Охлаждаю­ щий рассол проходил через теплообменник аммиачной компрес­ сорной, где охлаждался до минус 29° С.

Позже была введена в эксплуатацию установка, которая по­ зволяла охлаждать рассол (раствор хлористого кальция), иду­

хлористого кальция, который при прохождении по кольцевому пространству внешней колонны с заглушённым концом отбирает тепло из грунта.

Замораживание стенок продолжалось и при выработке грунта, что обеспечивало их устойчивость в условиях внешнего теплопритока, особенно при теплой и влажной погоде. Кроме того,

стенки емкости были временно изолированы пластинами полиуре­ тана. После разработки грунта на сравнительно небольшую глу­ бину на котлован надвигали алюминиевую крышу, закрытую брезентом. Грунт из котлована извлекали через специальные от­ верстия в крыше (по 1,8 м2). Это позволяло защитить заморожен-

"і

2

rv \

J71

S \

J

Рис. 16. Схема холодильной установки с отбором холода регазификации метана и промежуточного пропанового цикла:

метан.

ные стенки от солнечных лучей и сократить циркуляцию воздуха. До надвижки крыши в качестве временной меры предохранения замороженного грунта от оттаивания разбрызгивали сжиженный азот на освещенные солнцем стенки.

Для наблюдения за процессом замораживания вокруг контура хранилища на различном расстоянии от него было размещено несколько наблюдательных скважин, оборудованных термомет­ рами сопротивления и термопарами. Регулирование охлажде­ ния в период эксплуатации резервуара выполняли 45 термопа­ рами, расположенными под кровлей на днище и на стенках ем­ кости.

Через два дня после надвижки крыши при внешней темпера­ туре воздуха 21° С температура внутри котлована практически снизилась до 0° С.

Верхние слои глины с высоким содержанием влаги и лежащие над ними илистые грунты на глубину до 15 м разрабатывали двумя 15-тонными деррик-кранами фирмы «Хендерсон» с грей­ ферным ковшом объемом 1,5 м3. На глубине более 15 м грунт имел высокую прочность, его разрабатывали экскаватором «Кат-977» с рыхлителем мерзлого грунта. На этой глубине внутри

контура резервуара практически был заморожен весь массив, и для рыхления грунта проводили взрывные работы.

При строительстве второго резервуара для уменьшения осадки в период бетонирования были подведены трубопроводы подачи рассола для замораживания. После бетонирования кольцевой балки вспучивание измерялось в 11,4 см, а поперечная осадка в 3,8 см. Такая деформация оставалась постоянной и не оказы­ вала влияния на алюминиевую крышу. Несмотря на все меры по предотвращению неравномерного вспучивания и осадки грун­ та, вокруг эксплуатируемых резервуаров образовалась кольце­ вая трещина.

Балки каркаса крыши изгибали специальной гибочной маши­ ной по заданным радиусам. Элементы крыши укрепляли и соби­ рали в секции, затем каркас полностью монтировали на пло­ щадке рядом с котлованом. Каркас сваривали после окончания сборки и выверки. Проемы каркаса перекрывали листами алю­ миния толщиной 4,7 мм и размером 7,5X1.5 м, сваренными по­ парно в блоки. Листы алюминия сваривали в стык вольфрамо­ вым электродом в среде инертного газа на подкладке (для обе­ спечения герметичности) в три слоя. Все спаренные швы прове­ ряли рентгеновскими лучами. Для проверки качества сварных швов при заделке проемов применяли ультразвук.

Тепловая изоляция крыши представляла собой слой пластика толщиной 13,8 см, поддерживаемый алюминиевой мелкоячеистой сеткой, прикрепленной к нижней части каркаса крыши.

24 раскрепляющих троса.

Резервуар оборудован съемной струйной насадкой, помещен­ ной в центре кровли, разбрызгивающей для охлаждения до 6 т/ч сжиженного метана.

От бетонного кольца над краем кровли выступают железобе­ тонные консоли, поддерживающие наливную трубу, трубу отвода испарившегося газа и две трубы отбора сжиженного газа с по­ гружными насосами на конце. В нижней части каждой насосной трубы имеется клапан, который поддерживается открытым ве­ сом погружного насоса (насосы типа «Картер» производитель­ ностью 150 т/ч при давлении 8,4 ати).

Сжиженный газ по алюминиевому трубопроводу диаметром 152 мм подается к четырем бустерным насосам производитель­

гося газа в специальных горелках, и температура водяной ванны поддерживается на уровне 54° С. Сжиженный метан нагревается