CC BY
85
УДК 665.725::[624.953:620.181.5]
Инновационные решения систем хранения сжиженного природного газа
Х.М. Ханухов1, Н.В. Четвертухин1, А.В. Алипов1, И.И. Симонов1*, А.В. Коломыцев1, А.Р. Чернобров1
1 ООО «НПК Изотермик», Российская Федерация, 117587, г. Москва, Варшавское ш., д. 125, стр. 1, секция 11 * E-mail: isotermik@yandex.ru
Тезисы. В настоящее время наиболее надежной и безопасной конструкцией изотермического резервуара (ИР) принята конструкция наземного теплоизолированного резервуара полного сдерживания с подвесной газопроницаемой крышей.
Первое инновационное решение касается конструкции ИР. Предлагается использовать полое межстенное пространство в качестве аварийной и резервной емкости. Теплоизоляция при этом располагается на наружной поверхности наружного резервуара. Межстенное пространство постоянно захоложено и может принять до 37 % объема резервуара при увеличении до 2 м расстояния между стенками (для ИР с отношением диаметра к высоте стенки равным 1).
Второе предложение касается способа хранения сжиженного природного газа (СПГ) и сводится к сжижению паровой фазы природного газа непосредственно в резервуаре и поддержанию низкотемпературного режима хранения без отвода паров за пределы резервуара для их конденсации и возврата в жидкой фазе обратно. Процесс осуществляется по замкнутому контуру. В процессе участвуют холодильно-газовая машина (ХГМ), испаритель-конденсатор, криогенный насос, хладагент -жидкий азот, температура которого (минус 196 °С) ниже температуры хранимого продукта, т.е. СПГ (минус 163 °С). В процессе теплообмена паровая фаза СПГ конденсируется, а хладагент испаряется и в состоянии газовой фазы поступает в ХГМ, где циркулирует свой хладагент - газообразный гелий, имеющий температуру ниже температуры поступающих в нее паров азота. Далее в головке машины пары азота конденсируются и криогенным насосом подаются обратно в испаритель-конденсатор. При полностью заполненном резервуаре испаритель-конденсатор погружен в продукт и, переохлаждая его поверхность, прекращает его испарение. При понижении уровня продукта образующийся пар поднимается вверх и при контакте с установленным под подвесной крышей испарителем-конденсатором будет конденсироваться на поверхности теплообменных труб, а затем стекать вниз.
Ключевые слова:
наземный
изотермический
резервуар полного
сдерживания,
полое межстенное
пространство,
аварийная
резервная емкость,
холодильно-
газовая машина,
конденсация
паров сжиженного
природного
газа внутри
изотермического
резервуара,
промежуточный
хладагент,
испаритель-
конденсатор,
криогенный насос.
Хранение сжиженного природного газа (СПГ) является важной частью технологической цепочки «добыча ^ переработка ^ потребление». Наиболее эффективным способом хранения является изотермический при температуре кипения хранимого продукта (для СПГ - минус 163 °С) и небольшом избыточном давлении (близком к атмосферному).
В настоящее время в мировой и отечественной практике изотермического резер-вуаростроения наиболее надежной и безопасной конструкцией принята конструкция наземного теплоизолированного изотермического резервуара (ИР) полного сдерживания с двумя цельнометаллическими оболочками и подвесной газопроницаемой крышей объемом до 60 тыс. м3 или комбинированная конструкция с внутренней металлической оболочкой с подвесной крышей и преднапряженной железобетонной наружной оболочкой [1-3].
Технические решения хранилищ СПГ в составе заводов по его сжижению и переработке, а также отдельных терминалов хранения могут предусматривать в составе хранилищ наличие резервных ИР. Резервные резервуары эксплуатируются без продукта в захоложенном стоянии, готовые в любой момент принять продукты хранения. Это требует немалых экономических затрат и дополнительной площади на складе. Авторами предлагается использовать полость межстенного пространства в качестве резервного ИР, а теплоизоляционные конструкции смонтировать на внешней стороне резервуара. Предложение запатентовано [4].
Суть предложения заключается в том, что стенки 5 и 6 аварийного резервуара 2 выполнены равнопрочными, в резервуаре 2 (межстенном пространстве) отсутствует теплоизоляция, для основного (1) и аварийного (2) резервуаров используется единое днище 9 (рис. 1).
Единая паропроницаемая теплоизолированная подвесная крыша 7 служит для сокращения свободного пространства над зеркалом продукта, уменьшая при этом его испарение. Таким образом, предложенная конструкция может выполнять две функции: удерживать содержимое основного резервуара в случае аварийной утечки продукта, исключив тем самым затраты, связанные с разработкой и организацией мероприятий по оперативному освобождению ИР от продукта; в части межстенного пространства 2 служить резервной емкостью, которая способна принять продукт из соседних резервуаров в случае их аварии или при превышении объемами поступления продукта
объемов его отгрузки из терминала. Кроме того, повышается безопасность эксплуатации ИР, так как увеличиваются объем газового пространства и время нарастания опасного избыточного давления в случае отказа предохранительных клапанов.
Конструкция (см. рис. 1) позволяет также, благодаря свободному доступу к внешней поверхности резервуара 1, контролировать в режиме реального времени фактическое техническое состояние наружной тепловой изоляции 10, а также датчики и систему акусто-эмиссионного мониторинга (при оснащении ею ИР), смонтированную в наиболее опасных с точки зрения повышения давления точках конструкции ИР (места соединения стенки с крышей и днищем, анкерные крепления, а также места врезки технологических патрубков).
Значительная часть экономической выгоды от внедрения предложенной конструкции иллюстрируется следующими простыми расчетами.
Рис. 1. Устройство для хранения сжиженных газов:
1 - основной резервуар для хранения СПГ; 2 - межстенное (резервное) пространство, или аварийный резервуар; 3 - железобетонный ростверк; 4 - сваи; 5 - внутренняя стенка аварийного резервуара; 6 - наружная стенка аварийного резервуара; 7 - внутренняя подвесная крыша устройства; 8 - наружная купольная самонесущая крыша устройства; 9 - общее днище
устройства; 10 - наружная теплоизоляция
Возьмем для примера, конструкцию ИР с равным единице отношением внутреннего диаметра (Авн) к высоте (Н (рис. 2). Тогда в парке, состоящем из шести ИР, один из которых служит резервным, достаточно оставить пять ИР при условии, что ширина (Имежст) межстенного пространства 2 (см. рис. 1) будет равна 1 м (как это принято в настоящее время). А применительно к терминалу, состоящему из трех основных ИР, можно обойтись без четвертого резервного ИР, увеличив Имежст для трех оставшихся ИР всего до 1,8 м (см. рис. 2). Аварийное освобождение одного ИР-10000 для хранения СПГ потребует 153 цистерны (или 8 маршрутов), что связано со значительными временными затратами, несовместимыми с понятием аварийного освобождения.
Технологические особенности производства, хранения и отгрузки СПГ могут быть связаны с изменением геометрических параметров резервуаров, влияющих на объем резервного (аварийного) хранения. В таблице и на рис. 3 представлено изменение ^межст по абсолютной, м3, и относительной, %, величине в зависимости от значений Имежст и К для резервуара постоянного объема 10000 м3.
Достижение одинакового значения Кмежст с ростом отношения К до 2 увеличивает значение Имежст в 1,2...1,27 раза, а относительное увеличение высоты ИР до К = 0,54 уменьшает Имежст в 1,2.1,24 раза (см. таблицу и рис. 3). Эти данные могут быть использованы при выборе наиболее оптимальных геометрических параметров ИР, составляющих терминал хранения.
,8 1000 -ч—*- 17,8 % ,»0 СПГ 10000 м3 5: ОО II н * о о т СП II н * О О О II н * Л 0 5 2 3 2 II 1
' 33 2600 % '
50 %
■ч- В =23350 внутр -
В =25350 нар
В = 26950 нар
В = 28950 нар
Рис. 2. Изменение относительного, %, и абсолютного, м3, объема межстенного пространства ^межст в зависимости от его ширины для ИР-10000 с соотношением
К = Ввн/И = 1: Анар - наружный диаметр ИР, м
Изменение объема межстенного пространства в зависимости от его ширины для ИР постоянного объема 10000 м3 (см. рис. 3): Ыэк- количество ИР с резервным объемом, замещающих полное количество ИР в парке Жполн
К 29,6/14,5 = 2 26,6/18 = 1,48 23,35/23,35 = 1,0 21,7/27,1 = 0,8 19/35,3 = 0,54
А.^ м 31,6 34,2 36,3 28,6 30,7 32,6 25,35 26,9 28,6 23,7 25,0 26,6 21 21,9 23,3
И м ""межст 1,0 2,3 3,3 1,0 2,0 3,0 1,0 1,8 2,6 1,0 1,7 2,4 1,0 1,5 2,1
V м3 межст? 1366 3300 5000 1560 3300 5000 1785 3300 5000 1932 3300 5000 2217 3300 5000
V % межст 13,7 33 50 15,6 33 50 17,9 33 50 19,3 33 50 22,2 33 50
N N эк' ^ полн 6 / 7 3 / 4 2 / 3 6 / 7 3 / 4 2 / 3 5 / 6 3 / 4 2 / 3 4 / 5 3 / 4 2 / 3 4 / 5 3 / 4 2 / 3
£ 50
40
30
20,
10 1
К: — 2,0 _ 1,48 _ 0,8 — 0,54
к , м
межст'
Рис. 3. Зависимость объема межстенного пространства от его ширины для различных значений К
Следующее предложение также призвано повысить надежность и экономичность хранения СПГ за счет снижения энергетических потерь. Так, в настоящее время в системе хранения СПГ используется холодильно-газовая машина (ХГМ) для выработки холода, работающая по обратному холодильному циклу Стерлинга, которую размещают рядом с ИР. В ХГМ происходят конденсация паров СПГ и возврат жидкой фазы обратно в ИР.
Суть предлагаемой авторами схемы хранения СПГ (рис. 4) заключается в следующем: ХГМ 5, расположенная на крыше ИР, соединена с теплообменным аппаратом - испарителем-конденсатором 4, закрепленным внутри резервуара к подвесной крыше на высоте верхнего уровня хранимого продукта, а криогенный жидкостной насос 6 обеспечивает циркуляцию хладагента в жидкой фазе при его подаче в испаритель-конденсатор, представляющий систему полых оребренных труб (рис. 5).
Предлагаемое устройство (см. рис. 4) реализует конденсацию паров СПГ при сжижении паровой фазы СПГ непосредственно в резервуаре поддержанием необходимого низкотемпературного режима хранения СПГ без необходимости отвода паров наружу за пределы резервуара 1 для их конденсации в сторонней холодильной установке и слива снова в жидкой фазе в резервуар 7. Из соображений безопасности при эксплуатации резервуаров в них не допускается как повышения внутреннего
давления относительно регламентированного, так и снижения давления ниже атмосферного.
В качестве примера рассмотрим процесс конденсации паровой фазы хранимого в резервуаре СПГ с температурой минус 163 °С. Процесс осуществляется по замкнутому контуру. В испаритель-конденсатор 4 (см. рис. 4, 5) подается жидкий хладагент с помощью криогенного насоса 6. В качестве хладагента используется жидкий азот с температурой минус 196 °С. В процессе теплообмена паровая фаза СПГ конденсируется из-за более низкой температуры хладагента на поверхности испарителя-конденсатора, а хладагент в процессе теплообмена испаряется и в состоянии паровой фазы поступаетт в ХГМ 5, где пар превращается в жидкость, которая криогенным насосом 6 подается снова в испаритель-конденсатор 4 для охлаждения и конденсации паров СПГ. В ХГМ, работающей по обратному холодильному циклу Стирлинга, циркулирует свой хладагент, в качестве которого используется заправленный в машину газообразный гелий, имеющий температуру ниже температуры поступающих в нее паров азота, и при происходящем теплообмене в головке машины пары азота конденсируются и превращаются в жидкость, отбираемую постоянно криогенным насосом.
Предлагаемая система позволяет обеспечить процесс конденсации паров СПГ при изменении уровней хранимого продукта в резервуаре 7. Интенсивность конденсации паров будет зависеть от уровня хранения продукта. При понижении уровня хранимого продукта вплоть до допустимого нижнего предела образующийся при этом пар поднимается в верхнюю часть резервуара 7 и при контакте с установленным под подвесной крышей 3 испарителем-конденсатором 4 конденсируется на поверхности теплообменных труб. Образующаяся при этом жидкая фаза в виде капель стекает вниз на поверхность хранимого жидкого продукта. В режиме хранения при полностью заполненном резервуаре испаритель-конденсатор будет погружен в продукт, переохлаждая его поверхность. При этом прекращается его испарение.
Вместе с тем должен соблюдаться основной принцип тепломассообмена: в процессе конденсации паров СПГ и поддержания необходимого низкотемпературного режима хранения в ИР необходимо использовать холод от промежуточного хладагента, имеющего температуру ниже температуры хранимого
Пар (хладагент) ——а» ■
Жидкость (хладагент).
-** 6
шаУ
Рис. 4. Схема хранения СПГ: 1 - наружный резервуар; 2 - купольная крыша резервуара; 3 - подвесная крыша; 4 - испаритель-конденсатор; 5 - ХГМ; 6 - криогенный насос;
7 - внутренний резервуар
5
1
3
А - А
Рис. 5. Схемы вариантов конструкции испарителя-конденсатора 4 (см. рис. 4)
продукта. В конкретных условиях следует применять и машину ХГМ соответствующей холодопроизводительности и мощности с использованием для получения холода в машине технических газов (воздуха, азота, гелия), достигающих в работающей машине температуры ниже температуры конденсации паров промежуточного хладагента, направляемого в испаритель-конденсатор.
Предложенные технология и устройство для конденсации паров СПГ непосредственно в изотермических металлических резервуарах имеет следующие преимущества в сравнении с традиционными способами конденсации паров с использованием компрессорно-холодильных установок, расположенных за пределами ИР СПГ:
• отпадает необходимость постоянного отвода паров СПГ наружу за пределы резервуара для их конденсации в наружной холодильной установке и слива снова в жидкой фазе в ИР;
• исключается полностью потребность в строительстве компрессорно-холодильной установки на территории, занимаемой ИР СПГ;
• снижаются стоимость и эксплуатационные расходы объекта, эксплуатирующего системы хранения СПГ;
• повышается промышленная и экологическая безопасность системы хранения СПГ.
Реализация вышеуказанных инновационных технологий в одном объекте обеспечит отечественному изотермическому резервуаро-строению высокоэффективное с экономической точки зрения энергосбережение, а также промышленную и экологическую безопасность сооружений.
Список литературы
1. API STD 620. Design and construction of large, welded, low-pressure storage tanks. - 12th ed. -October 2013.
2. BS EN 14620. Design and manufacture of site built, vertical, cylindrical, flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated, liquefied gases with operating temperatures between 0 °C and -165 °C.
3. Ханухов Х.М. Конструкционные мероприятия по повышению безопасности и снижению риска эксплуатации изотермических резервуаров для хранения жидкого аммиака / Х.М. Ханухов, А.В. Алипов,
Н.В. Четвертухин и др. // Безопасность труда в промышленности. - 2015. - № 8. - С. 74-82.
4. Патент RU 153344. Устройство для хранения сжиженных газов / авт.: Х.М. Ханухов,
А.В. Алипов, С.В. Зимина и др.; патентообладатель: ООО «НПК Изотермик»; заявка № 2014153848/03 от 30.12.2014; опубл. 10.07.2015.
Novel engineering techniques for liquefied natural gas storing
Kh.M. Khanukhov1, N.V. Chetvertukhin1, A.V. Alipov1, I.I. Simonov1*, A.V. Kolomytsev1, A.R. Chernobrov1
1 NPK Isotermik LLC, Section 11, Bld. 1, Est. 125, Varshavskoye shosse, Moscow, 117587, Russian Federation * E-mail: isotermik@yandex.ru
Abstract. Nowadays, a terrestrial totally deterrent heat-insulated tank with a suspended penetrable roof is considered the most reliable and safe construction of isothermal reservoirs (IR).
The first novel relates to IR design. The authors suggest using a hollow interstitial space as an emergency reserve tank. Heat insulation is installed at an outside surface of an external tank. The interstitial space is always chilled, and in case it is increased to 2 m it can take up to 37 % of tank volume (when IR diameter relates to a height of its wall as one-to-one).
The second suggestion concerns with a way to store a liquefied natural gas (LNG), and comes down to the in-situ liquefaction of a gas vapor phase in the IR and keeping up of the low-temperature storage regime without vapors removal outside the tank for their condensation and returning of liquid. This process has a closed path. Its contributors are a gas refrigerator, an evaporating condenser, a cryogenic pump, and a liquid nitrogen as a cooling agent. The temperature of the cooling agent (minus 196 °C) is lower than a temperature of a stored product, i.e. LNG (minus 163 °C). In course of heat exchange LNG vapors are being condensed, and the cooling agent is evaporating and in the gaseous state goes into the refrigerator which has its own cooling agent, i.e. gaseous helium. The temperature of the cooling agent circulating in the refrigerator is lower than the temperature of the coming nitrogen vapors. Further, in the refrigerator's head the vapors of nitrogen are condensed and after that are pumped back into the evaporating condenser. When the tank is full, the evaporator is submerged in the LNG and stops LNG evaporation due to the overcooling of its surface. When the level of the product drops, the generated vapor rises up and along with touching an evaporating condenser installed under the suspended roof it will condense on the surface of the heat-exchanging pipes and flow down them.
Keywords: terrestrial totally deterrent isothermal tank, hollow interstitial space, emergency reserve tank, gas
refrigerating machine, condensation of gas vapors inside an isothermal tank, intermediary cooling agent, evaporating
condenser, cryogenic pump.
References
1. API STD 620. Design and construction of large, welded, low-pressure storage tanks. 12th ed. - October 2013.
2. BS EN 14620. Design and manufacture of site built, vertical, cylindrical, flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated, liquefied gases with operating temperatures between 0 °C and -165 °C.
3. KHANUKHOV, Kh.M., A.V. ALIPOV, N.V. CHETVERTUKHIN, et al. Constructional design measures aimed at safety improvement and risk reduction during operation of isothermal tanks for storage of liquid ammonia [Konstruktsionnyye meropriyatiya po povysheniyu bezopasnosti i snizheniyu riska ekspluatatsii izotermicheskikh rezervuarov dlya khraneniya zhidkogo ammiaka]. Bezopasnost Truda v Promyshlennosti. 2015, no. 8, pp. 74-82. ISSN 0409-2961. (Russ.).
4. NPK ISOTERMIK LLC. Apparatus for storing liquefied gases [Ustroystvo dlya khraneniya szhizhennykh gazov]. Inventors: Kh.M. KHANUKHOV, A.V. ALIPOV, S.V. ZIMINA, et al. Appl. no. 2014153848/03, 30 December 2014; publ. 10 July 2015. RU 153344. (Russ.).
