Способ и устройство для хранения криогенной текучей среды, адаптированные для грунтов, в том числе для вечной мерзлоты - RU2565115C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу и устройству хранения криогенной текучей среды, адаптированным для грунтов, содержащих вечную мерзлоту.

Рассматриваемые текучие среды производят при помощи технологий низких температур, и, как правило, они имеют температуры ниже -150°С (123К). Среди них можно, например, указать сжиженный природный газ или СПГ примерно при -161°С, а также жидкие азот и кислород.

Для хранения таких текучих сред, как известно, применяют резервуары, содержащие, по меньшей мере, один бак, адаптированный для низких температур, и этот бак окружают очень эффективными средствами изоляции, чтобы свести к минимуму теплопотери между текучей средой и внешней окружающей средой. Как правило, эти средства выполнены в виде стального или бетонного кожуха, окружающего бак и содержащего высокоэффективные изоляционные материалы, такие как перлит. Кроме того, чтобы предотвратить промерзание грунта, под резервуаром располагают средства нагрева, такие как электрические сопротивления. Эти требования изоляции касаются не только резервуаров, расположенных на поверхности, но также и для резервуаров, выполненных в горной породе.

С учетом своей конструкции и размеров резервуары являются очень тяжелыми и, в зависимости от механических свойств грунта, часто приходится предусматривать выполнение фундаментов, дорогостоящих как с точки зрения капиталовложений, так и с учетом продолжительности строительства. Кроме того, эти фундаменты оставляют следы в окружающей среде или затрудняют демонтаж резервуаров.

В таких средах, как полярные или приполярные зоны, строительство резервуаров является проблематичным, по меньшей мере, по двум причинам: с одной стороны, из-за исключительно суровых климатических условий и, с другой стороны, в силу нестабильности грунта, связанной, в частности, с присутствием в грунте вечной мерзлоты (промерзание) на поверхности или на определенной глубине. Вечная мерзлота является грунтом или частью грунта, остающейся замороженной естественным образом в течение не менее двух лет. По сути дела грунт проходит через частичные циклы замерзания/оттаивания, связанные с сезонными колебаниями климата. Протяженность зон грунтов, затронутых вечной мерзлотой, тоже меняется в зависимости от изменения климата. Таким образом, граница между мерзлыми грунтами и незамерзшими грунтами меняется в зависимости от целого комплекса климатических и экологических параметров.

Настоящее изобретение призвано устранить все или часть вышеуказанных недостатков, то есть, в частности, предложить способ хранения криогенной текучей среды в зоне, где грунт содержит вечную мерзлоту, причем этом способ позволяет, в частности, уменьшить стоимость и/или продолжительность строительства и его последствия для окружающей среды.

В связи с этим объектом изобретения является способ хранения криогенной текучей среды, в котором применяют резервуар, содержащий, по меньшей мере, один бак, выполненный с возможностью хранения криогенной текучей среды, при этом способ содержит следующие этапы:

а) устанавливают на место резервуар на грунте или частично в грунте, содержащем вечную мерзлоту;

б) в бак нагнетают криогенную текучую среду; и

в) обеспечивают теплообмен между криогенной текучей средой и грунтом для замораживания и/или сохранения замороженным участка грунта таким образом, чтобы указанный участок грунта мог служить фундаментом для резервуара.

На этапе а) под «установкой на место» следует понимать, что резервуар либо строят на месте, либо предварительно изготавливают и доставляют на место, либо его выполняют частично разборным и собирают на месте. Его можно устанавливать на грунт. Его можно также полностью расположить в грунте. Его можно также частично заглубить в грунт.

Рассматриваемый грунт содержит на своей поверхности и/или глубже вечную мерзлоту. Теплообмен, о котором идет речь на этапе в), происходит между текучей средой при температуре, меньшей или равной -150°С, и грунтом вокруг резервуара. Согласно частному варианту, он происходит непосредственно через стенки резервуара и через возможную плиту, являющуюся частью измененного грунта.

Согласно другому варианту, при помощи соответствующих средств обеспечивают циркуляцию криогенной текучей среды в грунте. Согласно еще одному варианту, теплообмен происходит опосредованно через текучую среду, которая обменивается теплом одновременно с криогенной текучей средой и грунтом.

Тепло (относительное) передается от грунта на криогенную текучую среду, иначе говоря, криогенная текучая среда отдает свой холод в грунт. Это охлаждение грунта позволяет его заморозить или поддерживать его замороженным в зоне заданной протяженности. Замороженный участок грунта необязательно входит в контакт с резервуаром, но подвергается действию усилий, передаваемых на грунт от резервуара. Следствием этого является стабилизация грунта вблизи резервуара, позволяющая избегать его оттаивания. Это позволяет противостоять сезонным климатическим колебаниям (замерзание/оттаивание) или влиянию изменения климата в сторону потепления, которое может заставить отступить вечную мерзлоту. Это позволяет также уменьшить деформации грунта в течение времени, как естественные, так и вызываемые присутствием резервуара.

Стабилизированный таким образом грунт служит естественным фундаментом для резервуара. Зная реологию грунта, можно определить, насколько протяженной должна быть полученная таким образом или сохраняемая замороженная зона для достижения этого эффекта. Изначально предусматривают минимальную протяженность с запасом надежности, так как этот теплообмен происходит за счет энергии, отбираемой из криогенной текучей среды.

Учитываемым параметром является также возможное присутствие поддерживающих элементов, облегчающих резервуар. В этом случае замороженная зона взаимодействует с этими элементами, просто механически поддерживая резервуар и не претерпевая чрезмерной деформации.

Согласно предпочтительному варианту, не применяют никаких поддерживающих элементов, уменьшающих усилие, передаваемое от резервуара на грунт.

Согласно частным вариантам выполнения, изобретение может иметь один или несколько следующих отличительных признаков:

- указанная криогенная текучая среда является сжиженным природным газом (СПГ);

- указанный грунт является морским дном, и на этапе а) резервуар доставляют на плаву, затем его погружают, заполняя одну или несколько балластных емкостей. Эти балластные емкости могут быть временными или постоянными. Под «временными» следует понимать, что эти балластные емкости не являются частью резервуара, установленного на своем рабочем месте;

- на этапе в), поскольку указанный участок грунта, сохраняемый в замороженном виде, имеет заданную протяженность и теплообмен происходит с заданной мощностью, эту мощность регулируют, чтобы контролировать протяженность указанного участка грунта;

- бак, который может содержать криогенную текучую среду, окружен кожухом, при этом первая часть указанного кожуха является изолирующей, и теплообмен на этапе в) включает в себя теплопередачу через вторую часть указанного кожуха, при этом указанная вторая часть входит в контакт с указанным участком грунта;

- на этапе в), поскольку указанная вторая часть обладает заданными свойствами теплопроводности и указанная теплопередача через вторую часть указанного кожуха происходит при заданной мощности теплопередачи, указанную вторую часть изменяют таким образом, чтобы улучшить или ухудшить свойства теплопроводности с целью контроля указанной мощности теплопередачи;

- на этапе а) перед установкой резервуара на грунт производят выравнивание грунта и на нем выполняют основание для установки резервуара;

- перед установкой резервуара на грунт, осуществляемой на этапе а), в грунт нагнетают криогенную текучую среду, чтобы заморозить или сохранить замороженным указанный участок грунта таким образом, чтобы указанный участок грунта мог механически выдерживать резервуар.

Преимуществом полного или частичного погружения резервуара и его размещение на морском дне является то, что его можно изготовить в другом месте и доставить на место установки, например, на плаву. Кроме того, после демонтажа он не оставит следов на берегу, и лишь морское дно может претерпеть незначительные изменения.

Выбор установки резервуара на берегу (on-shore) или в море (off-shore) связан с регламентными требованиями, с доступностью и даже с возможностью строительства на берегу. Изобретение позволяет предусмотреть установку на морском дне с уменьшением веса и объема сооружений, то есть с уменьшением последствий для морского дна. Оно позволяет также увеличить срок службы сооружений, независимо от изменения вечной мерзлоты морского дна.

Изобретение представляет особый интерес для применения на морском дне, содержащем вечную мерзлоту. Действительно, сезонные и более долгосрочные изменения морского дна изучены меньше и прогнозируются труднее, чем в случае грунтов на суше. Морская вечная мерзлота часто имеет ископаемое происхождение и обладает связанным с морем барьерным эффектом, а также подвержена колебаниям солености, течениям и т.д. Поэтому тем более предпочтительно иметь возможность стабилизации такого грунта.

Кроме того, тепловую мощность, измеряемую на замораживаемом грунте или на сохраняемом мерзлом грунте, можно регулировать, чтобы контролировать протяженность несущей зоны. Это позволяет свести к минимуму затраты энергии, предусматривая минимальную зону протяженности, при сохранении запаса надежности того же порядка, что и при реализации классического фундамента.

В частном варианте для обеспечения теплообмена на этапе в) предусматривают теплопередачу через часть кожуха резервуара, при этом другая часть является изолирующей. Разумеется, этим понятиям изоляции и теплопередачи следует придавать относительное значение. Принимая во внимание температуру криогенной текучей среды, можно выбирать материалы и толщину кожуха резервуара таким образом, чтобы получить необходимый коэффициент теплопередачи (в Вт/м²/К) с учетом требуемой протяженности замороженной зоны.

В частности, можно контролировать удельную мощность теплопередачи (в Вт/м²), изменяя заполнение или состав кожуха, состоящего из двойной стенки. Можно также предусмотреть модулируемые тепловые мостики между этими двумя стенками.

Так, согласно другому варианту изобретения, часть кожуха резервуара содержит двойную стенку, и улучшения или ухудшения свойств теплопередачи добиваются:

- либо изменяя степень заполнения двойной стенки жидкостью;

- либо изменяя состав жидкости, содержащейся в двойной стенке;

- либо реализуя модулируемые тепловые мостики между этими двумя стенками.

Перед установкой или строительством резервуара можно подвергнуть изменениям грунт на суше или морской грунт. Его можно выровнять и укрепить при помощи основания или плиты для установки резервуара. Условно в рамках настоящей заявки будет считаться, что эти возможные изменения грунта связаны именно с грунтом, а не с резервуаром. Таким образом, резервуар входит в контакт с грунтом, естественным или измененным.

Чтобы подготовить грунт, который может не соответствовать поставленной задаче, перед установкой резервуара на этапе а) можно предварительно произвести нагнетание криогенной текучей среды. Эта среда может отличаться от текучей среды, предназначенной для хранения. Например, речь может идти о жидком азоте. Это нагнетание можно продолжить и после этапа а). Его можно производить в ходе этапа в) или можно прекратить в заданный момент. Оно позволяет подготовить грунт до установки на место резервуара или до того, как криогенная текучая среда, хранящаяся в резервуаре, начнет оказывать свое влияние.

Объектом изобретения является также устройство для хранения криогенной текучей среды, содержащее:

- резервуар, оборудованный баком, содержащим криогенную текучую среду, при этом резервуар устанавливают на грунте или заглубляют полностью или частично в грунт, содержащий вечную мерзлоту; и

- участок грунта, замороженный или сохраняемый замороженным за счет теплообмена с криогенной текучей средой таким образом, чтобы указанный участок грунта мог служить фундаментом для резервуара.

Замороженный участок грунта может быть единственным фундаментом для резервуара или дополнять классические фундаменты.

Согласно частным вариантам выполнения, изобретение может иметь один или несколько следующих отличительных признаков:

- криогенная текучая среда является сжиженным природным газом СПГ;

- резервуар содержит одну или несколько балластных емкостей, заполняемых водой, и может быть полностью или частично погружен, при этом указанный грунт, содержащий вечную мерзлоту, является морским дном;

- резервуар дополнительно содержит кожух, окружающий указанный бак, при этом указанный кожух содержит первую теплоизоляционную часть и вторую часть, имеющую внутреннюю поверхность со стороны бака и наружную поверхность, контактирующую с указанным участком грунта, при этом указанная вторая часть является теплопроводной, при этом, по меньшей мере, часть указанного теплообмена происходит за счет теплопередачи через указанную вторую часть кожуха;

- поскольку указанная вторая часть кожуха имеет заданный состав, указанные внутренняя и наружная поверхности имеют, каждая, заданную протяженность, при этом вторую часть кожуха выполняют таким образом, чтобы:

+ указанный состав можно было выборочно изменять, чтобы выборочно увеличивать или уменьшать указанную теплопередачу через вторую часть кожуха; и/или

+ указанную протяженность можно было выборочно корректировать, чтобы выборочно увеличивать или уменьшать указанную теплопередачу через вторую часть кожуха;

- указанный кожух содержит участок, входящий в контакт с грунтом, и указанная вторая часть является указанным участком кожуха.

Резервуар может содержать балластные емкости. В зависимости от степени их заполнения морской водой они изменяют массу резервуара и позволяют его затоплять или поднимать на поверхность, в частности, чтобы доставить его на плаву в предусмотренное для установки место.

Если резервуар доставляют к месту сплавом, необходимо учитывать условия плавучести и устойчивости во время фазы транспортировки. В частности, речь идет о сведении к минимуму влияний на устойчивость резервуара в месте его окончательного размещения, установленного на грунт или в грунт, подвергающегося действию выталкивающей архимедовой силы (случай пустых резервуаров), боковым воздействиям со стороны волн, приливов и льдов, толчкам со стороны причаливающих и пришвартовывающихся судов и т.д. Для этого внутри или снаружи сооружения можно установить стационарные и/или временные балластные емкости.

Размеры резервуара должны учитывать совокупность фаз проекта (см., например, Eurocode 0, в котором объединены нормы, касающиеся основ вычисления конструкций) и условия соблюдения безопасности людей и экологические требования.

Кожух, окружающий бак или баки с криогенной текучей средой, содержит классическую изолирующую часть, как правило, в верхней части резервуара. Он может также содержать другую часть, обладающую меньшими изоляционными свойствами и даже являющуюся теплопроводной, как правило, расположенную в нижней части резервуара. Эта менее изолирующая часть предназначена для вхождения в контакт с грунтом. Этот грунт может быть изменен или содержать плиту, и в этом случае теплопередача происходит естественным образом через плиту.

Чтобы контролировать протяженность замороженного участка, связанную с интенсивностью теплопередачи, можно изменить свойства второй части кожуха. Например, можно изменить ее внутренний состав, заполняя ее в большей или меньшей степени материалами, обладающими разной теплопроводностью. Можно также создавать или устранять тепловые мостики. Можно также увеличивать или уменьшать наружную поверхность второй части.

Согласно частному варианту выполнения, вторая часть кожуха, обладающая определенной теплопроводностью, является частью, входящей в контакт с грунтом. Первая часть, являющаяся относительно изолирующей, как правило, входит в контакт с морем или с атмосферой или с конструкциями, которые могут находиться на резервуаре, например, такими как компрессорно-сжижающая установка, мастерские, зал управления или жилые помещения для персонала или посетителей.

Если резервуар установлен на морском дне, можно альтернативно использовать кожух, более теплопроводная вторая часть которого входит в контакт не только с грунтом, но также с морем. При этом вокруг резервуара образуется слой льда, увеличивающий его сцепление с грунтом, то есть способствующий его устойчивости.

Вариант выполнения, адаптированный для случая использования в море, предусматривает строительство резервуара, боковые стенки которого являются двойными, а дно является одинарным.

Устройство может содержать блок мониторинга теплового градиента между грунтом и дном резервуара. Он может, например, содержать термопары, расположенные под резервуаром в соответствующих местах, что позволяет определять протяженность замороженного участка грунта.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничивающих примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 схематично показано место, в котором применяют изобретение, вид в вертикальном разрезе;

на фиг.2 показано предварительное изменение грунта в соответствии с изобретением;

на фиг.3 показана термическая обработка грунта в соответствии с изобретением;

на фиг.4 и 5 показаны строительство и способ установки на место резервуара согласно варианту осуществления изобретения;

на фиг.6 показан пример осуществления резервуара в соответствии с изобретением на месте применения.

Из соображений упрощения размеры различных элементов, показанных на чертежах, необязательно выдержаны пропорционально их реальным размерам. Одинаковые обозначения на чертежах соответствуют одинаковым элементам.

На фиг.1 упрощенно показан вертикальный разрез места недалеко от северного полярного круга, где находит свое применение изобретение. Грунт 4 принадлежит к континентальному шельфу. Море 7 имеет небольшую глубину. Грунт содержит вечную мерзлоту 5, часто ископаемого происхождения. Над ней находится слой 6, который не является вечной мерзлотой, то есть не остается замерзшим в течение двух лет подряд.

Разрез будет выглядеть почти так же для грунта на суше, если исключить море. Однако присутствие моря 7 вносит дополнительную сложность по сравнению с ситуацией на суше. Действительно, температура моря 7, его состояние (схвачено льдом или нет), его соленость (чувствительная к впадающим рекам после ледового таяния), присутствие дрейфующих льдов и морские течения меняются и могут усугубить нестабильность грунта 4.

На фиг.2 показано возможное изменение грунта 4 перед установкой на место резервуара для хранения СНГ. Оно включает в себя очистку дна землечерпалкой, в результате чего часть слоя 6 оказывается снятой, выравнивание морского дна и, возможно, создание фарватера доступа (не показан), чтобы суда могли подходить к резервуару. Была затоплена горизонтальная плита 11. На ней будет установлен резервуар. Опять же следует отметить, что эти возможные изменения относятся к грунту 4, который может быть природным или искусственным.

На фиг.3 показана обработка грунта 4, которая состоит в нагнетании, например, жидкого азота 12 непосредственно в грунт 4, чтобы получить замороженный участок грунта. Эта обработка предназначена для подготовки грунта к установке резервуара на место. Это нагнетание можно продолжать и после введения в строй резервуара.

На фиг.4 резервуар 2 показан собранным в сухом доке 2а, находящемся на некотором расстоянии от места, где должен быть установлен резервуар. Он оснащен балластными емкостями 9, позволяющими ему оставаться на плаву после заполнения дока 2а водой. Как показано на фиг.5, резервуар 2 на плаву буксируют при помощи судна 2b до места установки. Затем балластные емкости заполняют морской водой и резервуар 2 «затапливают» в месте, где его необходимо установить. Резервуар может быть выполнен из любого соответствующего материала, выбираемого, в частности, по своим механическим и/или термическим характеристикам.

На фиг.6 показан резервуар2 в рабочем положении после установки на грунт или в грунт 4. Частично резервуар находится над поверхностью воды и может содержать надстройки (не показаны), в частности установки для сжижения, испарения и сжатия СПГ. Возможные линии соединения между резервуаром 2 и сушей (трубопроводы, электрические кабели) на чертеже не показаны.

После сжижения СПГ 1 нагнетают, по меньшей мере, в один бак 3 для хранения. Этот бак окружен кожухом, состоящим из теплоизоляционной первой части 10а, содержащей изоляционные двойные вертикальные боковые стенки и настил, и из второй части 10b, которая является более теплопроводной или менее изолирующей. Эта вторая часть 10b входит в контакт с грунтом 4, который, в случае необходимости, может содержать опорную плиту 11. Кожух содержит внутреннюю поверхность 10с со стороны бака 3 и наружную поверхность 10d, в частности, входящую в контакт с грунтом 4, с морем 7 и с атмосферой.

Холод СПГ 1 передается на грунт 4 за счет теплопередачи через вторую часть 10b кожуха. В результате образуется постоянно замерзающий участок 8 грунта. Он представляет собой «естественный» фундамент для резервуара 2. Нагнетание жидкого азота, показанное на фиг.3, может обеспечить дополнительное охлаждение либо временно, например, пока не установится постоянный режим теплопередачи или в определенные моменты, либо постоянно.

Можно использовать термические свойства (теплопроводность) второй части 10b кожуха или менять ее протяженность, чтобы модулировать теплопередачу.

Резервуар 2 может также содержать классические фундаменты (не показаны), например, в виде свай. В этом случае замороженный участок 8 грунта может выполнять функцию дополнения к фундаменту. Он механически поддерживает резервуар 2, но не воспринимает механическое усилие полностью.

Реферат

Изобретение относится к способу хранения криогенной текучей среды (1) и устройству для его осуществления. В данном способе применяют резервуар (2), содержащий, по меньшей мере, один бак (3), выполненный с возможностью хранения криогенной текучей среды (1). Способ содержит следующие этапы: а) устанавливают на место резервуар (2) на грунте, в грунте или частично в грунте (4), содержащем вечную мерзлоту (5); б) в бак (3) нагнетают криогенную текучую среду (1); и в) обеспечивают теплообмен между криогенной текучей средой (1) и грунтом (4) для замораживания и/или сохранения замороженным участка (8) грунта (4) таким образом, чтобы указанный участок (8) грунта (4) мог служить фундаментом для резервуара (2). 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула