9.4. Низкотемпературное хранение сжиженных газов в наземных резервуарах

Используются различные способы хранения сжиженных углеводородных газов в наземных резервуарах, так как в ряде случаев возможность создания подземных емкостей, несмотря на их благоприятные технико-экономические показатели, ограничивается из-за неподходящих геологических структур в месте строительства хранилищ.

Разработаны экономичные способы хранения сжиженных газов в наземных резервуарах больших объемов. Наиболее распространенный способ хранения сжиженных газов в цилиндрических и сферических резервуарах под высоким давлением стал вытесняться другим, более эффективным, способом хранения под давлением, близким к атмосферному, и при низкой отрицательней температуре. Применение этого способа достигается путем искусственного снижения упругости паров хранимого сжиженного газа, что, в свою очередь, приводит к его охлаждению или, наоборот, сжиженный газ искусственно охлаждается, что приводит к снижению упругости его паров. При температуре -42ºС сжиженный пропан можно хранить не при повышенном давлении, а при атмосферном, в результате чего уменьшается расчетное давление при определении толщины стенок резервуаров. Достаточно, чтобы стенки выдерживали только гидростатическое давление хранимого продукта, что дает возможность применять тонкостенные резервуары. Это позволяет сократить расход металла в 815 раз в зависимости от хранимого продукта и объема резервуара.

При низкотемпературном хранении не только достигается значительная экономия капиталовложений за счет уменьшения расхода металла, но и обеспечивается значительное улучшение экономических показателей эксплуатации хранения. По ориентировочным данным замена парка стальных резервуаров высокого давления для пропана объемом 0,5 млн. м³ низкотемпературными резервуарами такого же объема обеспечивает экономию металла на 146 тыс. т.; эксплуатационные расходы при этом уменьшаются на 3035%.

При низкотемпературном хранении сжиженных газов искусственное снижение температуры и давления хранимого продукта требует затрат определенного количества энергии. В технологической схеме хранилища появляется оборудование, позволяющее охлаждать сжиженный газ. Холодильные установки могут состоять из двух раздельных систем, обслуживающих циклы заполнения резервуаров и поддержания режима хранения. Часто технологические операции по заполнению и хранению сжиженного газа выполняются одной централизованной холодильной установкой. Технологические схемы, в которых холодильная машина, обеспечивающая охлаждение заливаемого в резервуар сжиженного газа, использует этот газ в качестве хладагента, получили название схем с технологическим охлаждением. [5, 6]

С хема такого хранилища с использованием в качестве холодильного агента самого сжиженного газа показана на рис. 9.9.

Сжиженный газ хранится под небольшим избыточным давлением 1.964.9 кПа в теплоизолированном резервуаре 1, выполняющем в холодильном цикле функцию испарителя холодильного агента.

Испаряющийся в результате притока тепла извне газ проходит теплообменник 6 и поступает на всасывание компрессора 3, где сжимается до 0,51,0 МПа (в зависимости от термодинамических свойств хранимого газа), затем подается в холодильник-конденсатор 4, где конденсируется при неизменном давлении. Сконденсированная жидкость дополнительно переохлаждается встречным потоком газа в теплообменнике 6 и затем дросселируется в вентиле 7 до давления, соответствующего режиму хранения. [6]

Потребная холодо-производительность Q_T установки поддержания режима хранения определяется потерями холода в окружающую среду через ограждающие конструкции резервуара (дно, стенки перекрытия) и слой теплоизоляции

, (9.18)

где k – общий коэффициент теплопередачи от хранимого сжиженного газа к окружающей среде; Δt – перепад температур между сжиженным газом и окружающей средой.

_{, (9.19)}

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от сжиженного газа к стенкам резервуара; δ₁ и δ₂ – соответственно толщина стенок резервуара и тепловой изоляции; λ₁ и λ₂ – соответственно коэффициенты теплопроводности материалов стенок резервуара и тепловой изоляции; α₂ – коэффициент теплоотдачи от стенок резервуара к окружающей среде.

Потребная холодопроизводительность установки захолаживания сжиженного газа определяется количеством тепла, отбираемого от сжиженного газа при заполнении низкотемпературного резервуара, и полностью зависит от интенсивности заполнения хранилища продуктом

, (9.20)

где G – интенсивность заполнения хранилища сжиженным газом; Δi – перепад энтальпий продукта между его начальным состоянием и после дросселирования до параметров хранения.

Общая холодопроизводительность холодильного оборудования, установленного на хранилище, определяется суммированием мощностей, идущих на заполнение резервуаров и поддержание режима низкотемпературного хранения сжиженных газов

Q = Q_З + Q_T, (9.21)

Холодильно-технологические комплексы хранения с технологическим охлаждением сжиженного газа работают по холодильному циклу компрессионного типа и имеют, как правило, двухступенчатое сжатие, двухступенчатое охлаждение и буферные напорные резервуары. Типичная технологическая схема такого комплекса, представленная на рис. 9.10, в режимах заполнения и хранения сжиженного газа работает следующим образом.

Режим заполнения хранилища. Сжиженный пропан из емкостей высокого давления непосредственно из трубопровода подается в сепаратор первой ступени дросселирования Е1. [6] Предварительно пропан проходит блок осушки от влаги, состоящий из двух попеременно включаемых в работу адсорберов К1, заполненных твердым адсорбентом типа силикагеля. При незначительном влагосодержании сжиженный пропан поступает непосредственно в сепаратор Е1. При этом происходит снижение давления поступающего пропана с 1,21,4 МПа до давления в емкости Е1, равного 0,230,30 МПа, с одновременным понижением температуры. В емкости Е1 поддерживаются постоянное давление, равное давлению на приеме второй ступени компрессора, и постоянный уровень. Регулятор уровня воздействует на клапан, установленный на линии подачи

п ропана в емкости Е1, с коррекцией от датчика давления в резервуаре Е2 для низкотемпературного хранения пропана, который совмещает функции дроссельного устройства для снижения давления поступающего пропана до 0,280,30 МПа. Пары пропана из емкости Е1 поступают на вторую ступень компрессии, где сжимаются до давления 1,51,6 МПа и поступают в конденсатор воздушного охлаждения с водяным орошением XI. Вторая ступень компрессии и холодильник XI имеют соответствующие запасы по давлению и поверхности для того, чтобы после конденсатора-холодильника XI обеспечить полную конденсацию поступающего пропана, содержащего до 68% этана и этилена. Жидкий пропан из конденсатора-холодильника XI с температурой 2530°С поступает в сепаратор ЕЗ, где производится отдув этана и этилена за счет некоторого понижения давления в Е3 предусмотрена также возможность подачи азота в ЕЗ для улучшения условий сепарации.

При высоком содержании в поступающем пропане этана и этилена (до 78%) в холодильном цикле возможна подача жидкого пропана после холодильника XI через подогреватель Т1 в сепаратор ЕЗ. Включение в схему подогревателя перед подачей пропана в сепаратор обеспечивает более четкое и более полное отделение этана и этилена от пропана перед закачкой его в резервуар для хранения.

Жидкий пропан из сепаратора ЕЗ поступает под собственным давлением в Е1 через дроссельное устройство, при этом давление его понижается до 0,3 МПа. Функцию дроссельного устройства выполняет регулирующий клапан, установленный на трубопроводе подачи пропана из ЕЗ и Е1 и связанный с регулятором уровня в ЕЗ. Образовавшиеся при дросселировании пары пропана поступают на прием второй ступени компрессии – цикл работы холодильного блока повторяется.

Жидкий пропан из емкости Е1 под собственным давлением поступает в резервуар Е2 через дроссельный вентиль. При этом давление его понижается до атмосферного, а температура пропана снижается до -42ºС.

Подача пропана в резервуар для низкотемпературного хранения Е2 из емкости Е1 зарегулирована с уровнемером в Е1. От регулятора уровня в емкости Е1 предусмотрена одновременная подача импульсов на два регулирующих клапана: установленного на трубопроводе подачи пропана в Е1 и на трубопроводе подачи пропана из Е1 в Е2. При повышении уровня в Е1 регулирующий клапан линии подачи пропана в Е1 прикрывается. Клапан на трубопроводе подачи пропана из Е1 в Е2 открывается пропорционально на одну и ту же величину, так как количество поступающего в Е1 пропана и количество пропана, сбрасываемого из Е1 в Е2 при нормальном режиме, практически одинаково.

Пары пропана из емкости Е2 забираются на первую ступень компрессии, сжимаются до 0,300,35 МПа и подаются в емкость Е1 под уровень жидкого охлажденного пропана для снятия теплоты перегрева после компрессии.

Из емкости Е1 пары пропана поступают на вторую ступень компрессии – цикл работы повторяется.

Режим хранения. В резервуаре Е2 пропан хранится при температуре -42ºС и давлении, близком к атмосферному. Работа холодильного цикла на режиме хранения полностью автоматизирована. Компрессора включаются при повышении давления паров пропана в резервуаре Е2 до верхнего заданного предела вследствие теплопритока извне. При повышении давления до верхнего предела включаются компрессоры первой ступени, пары пропана сжимаются до 0,300,35 МПа и подаются в емкость Е1 под слой жидкого охлажденного пропана для снятия теплоты перегрева / ступени сжатия. При повышении давления в емкости Е1 до заданного верхнего предела (0,35 МПа) включается в работу II ступень компрессии. Пары пропана из Е1 поступают в цилиндры высокого давления (II ступень компрессии), сжимаются до 1,61,7 МПа и подаются в конденсатор воздушного охлаждения с водяным орошением. После конденсатора-холодильника XI сжиженный пропан под собственным давлением дросселируется в емкость Е1 до давления 0,3 МПа с соответствующим понижением температуры. Из емкости Е1 сжиженный пропан под собственным давлением подается в резервуар Е2 с понижением давления, близкого к атмосферному, и температуры до -42° С. Подача жидкого пропана из емкости Е1 в резервуар Е2 зарегулирована по уровню в Е1.

Пары пропана из резервуара Е2 поступают на прием компрессоров I ступени – цикл работы повторяется. Работа холодильного блока продолжается до тех пор, пока давление в резервуаре достигнет нижнего заданного предела. Холодильный блок на режиме хранения работает с перерывами, причем рабочее время холодильного блока составляет примерно 68 ч в сутки. Откачка сжиженного пропана из резервуара осуществляется насосами Н1 и Н2 через подогреватель. Количество пара, подаваемого в подогреватель, регулируется по температуре на выходе пропана из подогревателя. [6]

В описанном холодильно-технологическом комплексе холод, необходимый для обеспечения процесса залива и для поддержания низкотемпературного режима хранения, вырабатывается одной и той же холодильной установкой. Реализация этого решения возможна только тогда, когда величины холодопроизводительностей, потребные в процессе залива и для поддержания низкотемпературного режима, сопоставимы между собой. Обычно количество холода, идущее для захолаживания продукта при заполнении резервуаров, значительно превосходит количество холода, необходимое для поддержания режима низкотемпературного хранения, что заставляет в данных технологических схемах хранилищ идти на низкие темпы залива продукта. Это ограничивает возможности использования таких холодильно-технологических комплексов.

Применение в данных комплексах компрессоров обычной конструкции со смазкой минеральными маслами недопустимо из-за отложения на поверхностях клапанов, поршневых колец и т. д. (на всех поверхностях контакта пропана со смазочным маслом) тяжелых углеводородов (смол, асфальтенов), что приводит к нарушению работы компрессоров и выходу из строя. Должны применяться компрессоры без жидкой смазки пары поршень - цилиндр, т. е. компрессоры с так называемой сухой смазкой. На всех без исключения низкотемпературных хранилищах, построенных за рубежом, применяются компрессоры со смазкой, осуществляемой поршневыми кольцами из антифрикционной композиции графита и дисульфида молибдена. Работа технологической схемы низкотемпературного хранилища, изображенной на рис. 9.10, требует дополнительных энергозатрат на подогрев сжиженного пропана при его отгрузке.

Указанные недостатки технологических схем низкотемпературных хранилищ устранены в холодильно-технологических комплексах, разработанных во ВНИИПромгаз. Настоящие комплексы включают новые виды оборудования и предусматривают регенерацию холода при сливо-наливных операциях, охлаждение заливаемого сжиженного газа турбохолодильной машины ТХВМ и поддержание низкотемпературного режима хранения холодильной установкой с роторнопластинчатыми жидкостными компрессорами РПЖК.

Охлаждение сжиженного газа в регенераторах турбохолодильной машины ТХВМ производится воздухом, который охлаждается, расширяясь в детандере до давления ниже атмосферного. Компрессор типа РПЖК отличается от обычных ротационных пластинчатых компрессоров тем, что сжимаемый газ в нем охлаждается циркулирующей через компрессор рабочей жидкостью, количество которой определяется режимом работы компрессора . Технологическая схема низкотемпературного хранилища с холодильным комплексом, включающим машину ТХВМ и компрессоры РПЖК, относится к схемам с внешним охлаждением сжиженного газа.

Режим заполнения резервуара по данной технологической схеме с внешним охлаждением газа сводится к охлаждению сжиженного газа в регенерационных колоннах и теплообменниках турбохолодильной машины ТХВМ и подаче его в низкотемпературный резервуар без образования паров. Паровая фаза, образующаяся от теплопритока извне, отбирается установкой поддержания режима, сжимается, конденсируется и поступает в резервуар.