Резервуар для транспортировки и хранения природных трудносжижаемых газов

 

Сущность изобретения: резервуар для транспортировки и хранения природных трудносжижаемых газов, например метана, выполнен в виде коаксиально вложенных друг в друга замкнутых емкостей, установленных с зазорами для размещения газа между стенками этих емкостей, причем каждая последующая емкость сообщена трубопроводом через компрессор с постоянной степенью сжатия, равной двум, с предыдущей емкостью и снабжена клапаном аварийного стравливания давления при уменьшении давления в предыдущей емкости ниже номинального 1 ил. 1 табл.

Изобретение относится к добыче и транспортировке газообразных продуктов и касается технических средств, предназначенных для перевозки и хранения трудносжижаемых газов, например метана.

Однако при хранении и транспортировке трудносжижаемых газов, в том числе природных газов, от районов добычи к районам переработки и потребления для заполнения таких емкостей требуется специальное оборудование, обеспечивающее предварительную подготовку газа, в частности его сепарацию, очистку от посторонних примесей, осушение и сжижение при низких температурах, составляющих для природного газа величину порядка -160^оС. Этот температурный режим требуется поддерживать и в процессе хранения или транспортировки.

В связи с этим большой объем, в том числе на судах-газовозах, занимает изоляция резервуаров со сжиженным газом, имеющая низкий удельный вес. Наряду с этим при традиционно применяемой сферической форме резервуаров образуются большие объемы неиспользуемого прост- ранства. Эти обстоятельства приводят к тому, что грузоподъемность транспортных средств, особенно судов-газовозов, используется не полностью. Кроме того, особую трудность вызывает наличие испарения сжиженного газа в процессе хранения или транспортировки, исключить которое полностью не представляется возможным. В связи с этим существует задача повторного сжижения газов в специальных агрегатах, устанавливаемых на транспортном средстве или хранилище, либо утилизации продуктов испарения, например, путем исполь- зования в качестве топлива для энергоустановки транспортного средства. Ввиду изложенного транспортные средства и хранилища для сжиженных газов отличаются высокой стоимостью и повышенной опасностью в эксплуатации. Последнее обстоятельство предъявляет дополнительные требования к оборудованию пунктов разгрузки и превращения сжиженного газа в газообразное состояние, размещаемых, как правило, в отдаленных, безлюдных местностях.

Задачей заявляемого изобретения является получение технического результата, заключающегося в упрощении и удешевлении процесса подготовки трудносжижаемых газов, например метана, для транспортировки и хранения, уменьшении объема резервуара для хранения заданного количества газа по сравнению с объемом хранилища традиционного типа, рассчитанного на хранение газа при номинальном давлении, и удешевлении его конструкции, повышении надежности и безопасности транспортировки и хранения газа, в том числе экологической.

Для этого резервуар для транспортировки и хранения природных трудносжижаемых газов, например метана, выполнен в виде коаксиально вложенных друг в друга замкнутых емкостей, установленных с зазорами для размещения газа между стенками этих емкостей, причем каждая последующая емкость сообщена трубопроводом через компрессор с постоянной степенью сжатия, равной двум, с предыдущей емкостью и снабжена клапаном аварийного стравливания давления при уменьшении давления в предыдущей емкости ниже номинального.

Выполнение резервуара в виде коаксиально вложенных друг в друга емкостей с зазором между стенками позволяет разгрузить конструкцию стенки от действия сил давления со стороны заполненного в емкость газа.

Сообщение каждой емкости с предыдущей и с последующей через компрессоры с постоянной степенью сжатия обеспечивает выполнение емкостей с равнопрочными стенками, поскольку при закачивании газа с помощью компрессоров со степенью сжатия, равной двум, давление в каждой наружной емкости по отношению к давлению в ближайшей (первой) внутренней емкости отличается (меньше) ровно в 2 раза, и наоборот. Как известно, с уменьшением поперечных размеров емкости она выдерживает большее давление, чем емкость с большими поперечными размерами, то есть прочность сосуда повышается. Следовательно, в каждую внутреннюю емкость можно закачивать газ под большим давлением и большей массы, чем при меньшем давлении.

В случае аварийной ситуации, сопровождающейся уменьшением давления в любой внешней емкости, для сохранения целостности внутренней емкости предусмотрен клапан аварийного стравливания давления из этой емкости.

На чертеже представлен резервуар для газа.

Он выполнен в виде коаксиально вложенных друг в друга емкостей 1, представляющих собой, например, форму цилиндра и сообщенных друг с другом (снаружи и внутри) трубопроводом 2 через компрессор сжатия 3 с постоянной степенью сжатия, равной двум. Каждая емкость 1 снабжена клапаном аварийного стравливания давления 4, срабатывающим при уменьшении давления в соседней наружной емкости.

Указанные конструктивные особенности обеспечивают упрощение конструкции транспортного средства либо хранилища благодаря возможности транспортировки и хранения газа без предварительной подготовки природного газа, получаемого непосредственно из скважины, и исключения технологических процессов, связанных с необходимостью сжижения газа и обеспечения его хранения в жидком состоянии. В данном случае оказывается возможным в качестве способа подготовки газа к транспортировке использовать известный способ сухой сепарации пыли, газа и воды, основанный на охлаждении газа, поступающего из скважины с температурой порядка 50-55^оС, до температуры окружающей среды и однократного уменьшения давления газа до номинального и затем его последовательного двухкратного повышения при закачивании в каждую из последующих емкостей.

Использование предлагаемых конструктивных решений позволяет также существенно (в зависимости от числа коаксиально вложенных друг в друга оболочек) уменьшить объем резервуара для хранения заданного количества газа по сравнению с объемом хранилища традиционного типа, рассчитанного на хранение газа при номинальном давлении при сохранении равенства суммарного веса оболочек резервуаров обоих типов.

Возможность и целесообразность использования резервуара предлагаемого типа для хранения и транспортировки трудносжижаемых газов, в частности природного, базируется на фундаментальном эффекте независимости массы оболочки, изготовленной из материала с определенной удельной прочностью и содержащей заданное количество газа от рабочего давления газа в ней.

Справедливость вышеизложенного иллюстрируется рядом известных расчетных зависимостей, для простоты и наглядности примененных к конструкции резервуара в виде четырех вложенных друг в друга цилиндров. В каждый из цилиндров принимается газ под давлением, соответствующим закону: Р_i=2ⁱР_о, (1) где i 0, 1, 2, 3 (номер цилиндра, начиная с наружного); Р_о давление, под которым находится газ в наружном цилиндре.

Давление за пределами резервуара примем равным атмосферному. Тогда, согласно расчетной схеме, представленной на чертеже, получим, что суммарный объем газа, находящегося в резервуаре V (м³), равен: V [(r²_oL_o-r²₁L₁)+2(r²₁L₁-r²₂L₂)+4(r²₂L₂-r²₃L₃)+8r²₃L₃] (2) Или после преобразований: V (r²_oL_o+r²₁L₁+2r²₂L₂+4r²₃L₃) (2а) где r_i, L_i радиус и длина соответствующего цилиндра. Вес цилиндрической оболочки (т) определяется по формуле: G=2rt , (3) где t толщина стенки, м; удельный вес материала оболочки, т/м³. Толщина стенки неподкрепленной цилиндрической оболочки: t (4) где Р_р расчетное давление, кг/см²; характеристика прочности материала оболочки (для традиционных металлических материалов предел текучести), кг/см².

Тогда, исходя из расчетной схемы, и с учетом зависимостей (1), (3) и (4) суммарный вес оболочек резервуара предлагаемой конструкции составит: G 2K P_o(r²_oL_o+r²₁L₁+2r²₂L₂+4r²₃L₃) (5) где К коэффициент запаса прочности.

Таким образом, соотношение веса резервуара и объема газа в нем составляет:
2K (6) откуда следует, что вес резервуара не зависит от давления газа в нем. В связи с этим можно говорить о целесообразности хранения и транспортировки природного газа в резервуарах предлагаемой конструкции, при максимально достигаемом давлении во внутренней оболочке, равном тому, при котором реальный газ в наибольшей степени соответствует законам идеального газа. Для природного газа такой зоной является диапазон 380-410 атм.

Физический объем предлагаемого резервуара соответствует объему наружной оболочки, т.е.

V_рез= r_o²L_o. (7)
Физический объем резервуара традиционного типа (состоящего из одной оболочки), в котором хранится равное количество газа под давлением Р_о, составляет величину:
V^т_рез= (r²_oL_o+r²₁L₁+2r²₂L₂+4r²₃L₃) (8)
Тогда, условно задавшись количеством (две пять) и геометрическими характеристиками оболочек резервуара предлагаемого типа (см. расчет, приведенный в таблице), получим уменьшение объема резервуара по сравнению с традиционным в 1,7-4,5 раза.

Данное предложение дает возможность принимать непосредственно из добычной скважины без использования специального оборудования для подготовки природного газа и обеспечить транспортировку значительного количества газа (до нескольких млрд.м³) без его предварительного сжижения при приемлемых габаритах транспортного резервуара.

Использование данного предложения при освоении газовых месторождений в труднодоступных районах, в частности на шельфе арктических морей, позволит существенно упростить конструкцию добычного комплекса, сократить срок получения потребителем первого промышленного газа при уменьшении капитальных вложений за счет обеспечения возможности приема и последующей транспортировки природного газа непосредственно после завершения строительства первой добычной скважины, а также отказа от сооружения станций первичной подготовки газа и его сжижения на промысле и обратного превращения в газообразное состояние в районе потребления.

Формула изобретения

РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И ХРАНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ТРУДНОСЖИЖАЕМЫХ ГАЗОВ, например метана, включающий коаксиально вложенные одна в другую замкнутые емкости, установленные с зазором для размещения газа под давлением между стенками емкостей, причем каждая последующая емкость сообщена с предыдущей трубопроводом и снабжена предохранительным клапаном, отличающийся тем, что сообщение трубопроводом каждой последующей емкости с предыдущей осуществлено через компрессор с возможностью обеспечения постоянной степени сжатия, равной двум.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2