CC BY
31
Исследования модели подземного хранилища заправочной станции СПГ
Н.Г. Кириллов,
заслуженный изобретатель РФ, академик АВН, д.т.н., А.Н. Лазарев,
доцент, академик МАИ, к.т.н., А.В. Яковлев,
соискатель Военного инженерно-технического института
В статье рассмотрены основные проблемы проектирования и создания подземных хранилищ СПГ. Представлены результаты экспериментальных исследований модели подземного хранилища криогенной жидкости, позволяющей учитывать конструктивные и теплотехнические особенности современных заглубленных и подземных резервуаров СПГ, литологическую неоднородность грунтов, возможность их замерзания при отрицательных температурах и ряд других факторов. Показано влияние различных факторов на технологические показатели подземных хранилищ.
Ключевые слова: сжиженный природный газ (СПГ), мировой опыт производства СПГ, стационарные хранилища СПГ, подземные хранилища, технологии производства СПГ, криогенные жидкости, натурный эксперимент, температурные поля.
Modeling Underground LNG Storage for Filling Stations
N.G. Kirillov, A.N. Lazarev, A.V. Yakovlev
Major challenges associated with design and construction of LNG underground storage are examined. The results of tests of a scale model of the cryogenic underground storage are presented. Experimentation allowed to take into account specific engineering features and heat performance of berried LNG tanks, lithological diversity, freezing risks, and other factors. Impact of those factors on the performance of the storage is described.
Keywords: liquefied natural gas (LNG), world experience ofLNG production, stationary storage LNG, underground storage, liquefaction technologies and techniques, cryogenic liquid; on-site experiment, temperature fields.
Рост мирового производства и потребления природного газа и все возрастающая их роль в системах топливной энергетики и газоснабжения привели к интенсивному развитию современной инфраструктуры и рынка сжиженного природного газа. В настоящее время сектор СПГ является одним из самых динамичных в энергетической отрасли: мировое потребление сжиженного газа растет на 10 % в год, тогда как обычного (газопроводный) только на 2,4 %. Согласно прогнозам экспертов, в
2020 г. доля СПГ в мировой торговле газом составит около 35 % (в 1970 г. - 3 %), а в 2030 г. - уже около 60 % мировой торговли природным газом [1].
Перспективы производства СПГ в РФ связаны с решением проблем освоения шельфовых месторождений, а также использования сжиженного природного газа в качестве моторного топлива на транспорте. В технологической цепи производства и использования сжиженного природного газа (сжижение, хранение, регазификация и распределение)
одним из наиболее ответственных элементов являются хранилища (резервуары) СПГ, поскольку на их долю приходится значительная часть материальных и трудовых затрат. Необходимо отметить, что в настоящее время за рубежом уже достигнут высокий научно-технический уровень в создании надежных и эффективных конструкций резервуаров СПГ больших объемов.
Однако значительная концентрация СПГ, являющегося веществом с повышенной пожаровзрывоопасностью, на относительно небольших площадях хранилищ обусловливает необходимость обеспечения пожарной безопасности таких объектов, что особенно актуально при создании заправочных комплексов СПГ для перевода систем автономной энергетики и транспорта на этот вид топлива. В этих случаях предъявляются более жесткие требования к противопожарному нормированию при размещении хранилищ по отношению к населенным пунктам и промышленным объектам [2].
Все это вызывает необходимость детальной проработки обеспечения пожарной безопасности хранилищ СПГ при аварийных разливах и разгерметизации, вызванных внешними воздействиями (стихийные бедствия, диверсии и т.п.). В связи с этим в последнее время становится актуальным создание подземных хранилищ СПГ, которые обладают значительно более высокими
Рис. 1. Схема размещения и монтаж подземных горизонтальных резервуаров СПГ на заправочной станции для автомобильного транспорта
НИ ЙЯЯВВР Л Ф® eü# efe^t Щ йь ФЩ
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.
характеристиками пожаро- и взрывобе-зопасности, исключают крупномасштабный разлив продукта и с точки зрения безопасности являются оптимальными (рис. 1).
Подземное расположение резервуаров практически исключает возможность серьезного повреждения хранилища и разлива продукта при всех предусмотренных технологией режимах эксплуатации.
Для подземных криогенных хранилищ одним из наиболее важных факторов, которые необходимо учитывать при проектировании, является промерзание вмещающего грунта. Некоторые грунты склонны при замерзании к значительному объемному расширению (пучение), что может привести к развитию опасных воздействий на хранилище со стороны промерзающего грунта. Поэтому способы проектирования и строительства подземных низкотемпературных хранилищ выбираются в соответствии с геотехническими особенностями строительной площадки.
Анализ зарубежного опыта показывает, что создание современных, высокоэффективных подземных хранилищ СПГ является весьма сложной технической задачей, требующей качественного прогноза и всестороннего анализа гидрологических, термомеханических и тепломассообменных процессов во вмещающем массиве грунта, сопряженной теплопередачи в конструкции хранилища, являющейся композицией различных видов теплоизоляционных и строительных материалов, а также теплового взаимодействия паровой и жидкой фаз сжиженного газа с поверхностью внутренней емкости [3].
Ввиду новизны для отечественной промышленности проблемы создания подземных хранилищ СПГ многие из важных аспектов проектирования и расчета не получили должного научно-методического обоснования. Число опубликованных в отечественной технической литературе исследований тепловых режимов подземных хранилищ СПГ незначительно. Эти публикации, в основном, носят обзорный характер существующего мирового опыта и не раскрывают в полном объеме реальных физических закономерностей теплофизических процессов подземных криогенных хранилищ. Кроме того, в настоящее время требуется экспериментальная проверка таких аспектов как учет многослойности и разнородности
конструкций хранилища и окружающего грунта, разрывности теплофизичес-ких характеристик и их зависимости от температуры и влажности, фазовых превращений при замерзании (оттаивании) крупнодисперсных и мелкодисперсных грунтов, а также грунтовой влаги, замерзание которой может протекать в широком интервале отрицательных температур, и др.
Важным направлением экспериментальных исследований при создании подземных криогенных хранилищ является изучение динамики теплопритоков к подземным криогенным хранилищам и распространения температурных полей в окружающем массиве грунта.
Для натурных экспериментальных исследований была создана модель криогенного резервуара СПГ (рис. 2).
Внешняя стенка резервуара была изготовлена из фибробетоносила (ФБС), внутренний контейнер выполнен из нержавеющей стали марки 10Н18Т10Х толщиной 1 мм. В пространство между внешней стенкой и внутренним контейнером засыпался утеплитель - стеклянные микросферы диаметром до 0,7 мм, толщина слоя 50 мм. Кроме этого, в модели предусмотрены три технологические трубки, изолированные пенопластом, диаметрами: 32 мм - для залива криогенной жидкости (криожидкость, криопродукт), 25 мм - для выхода паров криожидкости и 25 мм - для измерения уровня криожидкости.
Необходимо отметить, что до настоящего времени в мировой практике создания криогенных хранилищ фибробе-тоносил не применялся. Поэтому одной из целей натурного эксперимента являлось исследование новых конструктивных материалов. Фибробетоносил
- это мелкозернистый бетон плотной структуры на основе портландцемента и плотного мелкого заполнителя, модифицированный добавками аморфного кремнезема и модифицированного бетона МБ-01, а также дисперсно армированный стальными волокнами.
Для исследований был разработан и создан специальный стенд с размерами в плане 4x4 м с грунтом глубиной 1,6 м. Напряженно-деформированное состояние первичной и вторичных емкостей модели резервуара в процессе эксперимента определялось электрическими тензометрами. После установки тензо-резисторов модель опускалась в стенд кран-балкой с последующей послойной засыпкой грунтом (рис. 3).
Для определения температурных полей в ближайшей зоне массива грунта вокруг экспериментальной модели была изготовлена конструкция из 20 платиново-иридиевых термопар, которая располагалась вплотную к модели в нижней трети высоты конструкции. В массиве грунта на расстоянии 10 см от модели, с шагом 15 см и глубиной посадки 1 м были расставлены термопары хромель-копелевые (ТХК), которые подсоединялись к светолучевому осциллографу Н071.4 для фиксации отклонения луча с заданным интервалом времени.
В задачи эксперимента входило исследование геокриологической обстановки в различных условиях функционирования хранилища при режиме захолаживания и эксплуатационном режиме. Процесс захолаживания сопровождался нестационарным температурным режимом в многослойной обделке
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.
женно-деформированное состояние емкости подземного резервуара.
4. Впервые в мире определена перспективность использования фибро-бетоносила для создания конструкций подземных низкотемпературных резервуаров для хранения СПГ.
Проводимые авторами многолетние теоретико-экспериментальные исследования позволяют утверждать, что подземные хранилища СПГ представляют собой безопасные и экономически дешевые типы хранилищ криогенных сред, однако данные инженерные сооружения требуют оптимального проектирования на основании обобщенного анализа всей совокупности физических процессов в конструкции хранилища и окружающем грунте.
Выполненные экспериментальные исследования позволяют в настоящее время проводить многофакторный анализ модели каждого вновь создаваемого подземного резервуара СПГ в приложении к конкретной конструкции хранилища и гидрогеологической обстановке окружающего массива грунта.
Следует подчеркнуть, что использование результатов экспериментальной работы позволило определить влияние различных процессов во взаимодействии друг с другом и создать адекватную физико-математическую модель для теоретических исследований. Результаты сравнения показывают, что разработанная математическая модель теплового взаимодействия низкотемпературных изотермических хранилищ с массивом грунта достаточно точно отражает реальный процесс и может быть рекомендована для практического применения.
Литература
1. Кириллов Н.Г., Лазарев А.Н. и
др. Сжиженный природный газ: анализ мирового рынка и перспективы отечественного производства // Газохимия.
- 2011. - № 6. - С. 23- 29.
2. Кириллов Н.Г., Лазарев А.Н. Мировые тенденции в производстве и использовании сжиженного природного газа как универсального энергоносителя и моторного топлива // Двигателест-роение. - 2010. - № 2. - С. 27-33.
3. «Development in safe design and operation of LNG storage». - 15th World Gas Conference / 15e Congres mondial du gaz, Lansanne 1982, Rapport de la Commission «H» (Gas liquefies ) - IGH/H82.
- Р. 89-114.
резервуара и вмещающем массиве грунта. Эксплуатационный режим в целом характеризуется квазистационарным режимом.
Условия эксперимента не позволяют провести захолаживание емкости модели подобно захолаживанию в естественных условиях. Поэтому криогенную жидкость в модель заливали без предварительного постепенного захолажи-вания. Скорость заполнения резервуара ограничивалась только пропускной способностью заливной горловины патрубка (несколько минут).
Данный режим заполнения модели позволяет:
• воспроизвести в эксперименте максимально неблагоприятный режим захолаживания хранилища криопро-дуктом;
• в наибольшей мере проследить влияние максимальных градиентов температур на термонапряженное состояние конструкционных слоев резервуара и вмещающего грунта;
• добиться большей точности в определении граничных условий для проведения численного эксперимента.
Для повышения безопасности в модель заливался не СПГ, а сжиженный азот с температурой кипения -196 °С. Замораживание длилось 5 сут. Как показали исследования, приблизительно через 24 ч после начала залива криогенной жидкости деформации достигли максимума. Температура бетона в этот
промежуток времени изменялась от 10 до -50 °С. При последующем замораживании грунта тензодатчики оставались неподвижными, что позволило сделать вывод об установлении внутри резервуара стационарного режима. Напряженное состояние обделки при прохождении теплового потока определялось разностью относительных деформаций на внутренней и внешней поверхностях.
В результате исследований получено распределение температуры в грунте испытательного стенда в различные моменты эксперимента (рис. 4).
Размораживание длилось 6 сут. После извлечения модели и ее разборки при визуальном осмотре трещин и повреждений не обнаружено.
Основные результаты натурных испытаний модели подземного хранилища СПГ:
1. Определены закономерности формирования теплового режима во вмещающем массиве грунта и сопряженной конструкции подземного хранилища в условиях нестационарного и установившегося режимов.
2. Получены зависимости формирования полей деформаций и напряжений в конструкционных слоях многослойной обделки емкости хранилища при различных режимах функционирования.
3. Оценено влияние промерзающего грунта приконтурной зоны на напря-
SÜSS Л Ф® «О» efe^t m фщ
«Транспорт на альтернативном топливе» № 5 (23) октябрь 2011 г.
