Подводный резервуар-хранилище СПГ

Освоение Арктики стало практически национальной идеей, и, действительно, значение этого региона в жизни страны сложно переоценить. О перспективных углеводородных ресурсах Арктики опубликовано немало работ. Интерес к высоким широтам вызван значительными запасами углеводородного сырья в этом регионе и должен подкрепляться разработкой новых технических решений, учитывающих требования к надежности, экологической безопасности для всего Мирового океана.

Сегодня технологии сжиженного природного газа (СПГ) все заметнее теснят традиционный для России сегмент трубопроводных поставок. В нашей части Арктики уже эксплуатируются несколько заводов и в ближайшее время планируются работы на мелководье по сооружению еще ряда крупных сооружений по ожижению природного газа [1]. Наращивание производственных мощностей по сжижению природного газа потребует создания соответствующих хранилищ СПГ. При этом хранилища СПГ будут востребованы, как в районах производства СПГ - в составе заводов СПГ, так и в местах их отгрузки потребителю, где опять необходимы хранилища СПГ с добавлением регазификационных комплексов.

Одними из известных хранилищ СПГ, являются резервуары, построенные в рамках проекта «Ямал СПГ». Строительство этих цилиндрических железобетонных сооружений со встроенными теплоизолированными стальными резервуарами велось в условиях Арктики и сопровождалось следующими трудностями:

• отсутствием развитой береговой инфраструктуры и необходимостью в развитии транспортной логистики для доставки сырья;

• суровыми климатическими условиями;

• сложными строительными работами;

• значительными капитальными затратами;

• существенными временными рамками введения объекта в эксплуатацию.

• Все вышесказанное значительно увеличивает конечную цену тонны сжиженного газа, а зачастую делает нерентабельным и осуществление проекта.

Критический анализ ближайшего аналога

Патентный анализ существующих технических решений для хранения СПГ в условиях Арктики показал, что на сегодняшний день наиболее перспективной альтернативой наземному хранилищу СПГ является плавучее хранилище СПГ гравитационного типа (рис. 1).

Данная конструкция содержит многоугольный ледостойкий железобетонный кессон, двойное дно, двойные борта, внутренние переборки и палубы, вертикальную цилиндрическую конструкцию с куполообразной крышей и встроенным изотермическим резервуаром СПГ с многослойной изоляцией [2].

Плавучее хранилище сжиженного природного газа гравитационного типа обладает следующими преимуществами:

• возможность изготовления на производственной площадке с сухим доком в промышленно развитом районе;

• упрощение технологии изготовления хранилища;

• снижение стоимости и сроков строительства;

• повышение надежности при эксплуатации;

• улучшение устойчивости на грунте.

На основе критического анализа нами выявлены следующие недостатки конструкции, которые не позволяют безопасно использовать её в условиях Арктики.

Авторы выше представленного изобретения утверждают, что техническим результатом от использования предложенного ими технического решения является: снижение стоимости и сроков строительства, повышение надежности при эксплуатации, улучшение сопротивляемости мощным ледовым нагрузкам и устойчивости на грунте.

---

Однако так называемая устойчивость на грунте вызывает большие сомнения вследствие процессов вспучивания донного грунта, образования ледяных линз, воздействия волн, течений, ветра на конструкцию за счет необтекаемой форм, и огромная масса хранилища будет способствовать проседанию морского грунта.

Воздействие льда на конструкцию может нарушить «правильность» многоугольника и разрушить конструкцию, заставляет увеличивать толщину стенок кессона, а участок, находящийся на уровне ватерлинии подвергается интенсивной коррозии и постепенному истиранию. Мало того, изменяющиеся тяжелые климатические условия Арктики окажут свое влияние на работу конструкции. Также необходимо провести подготовительные работы по выравниванию морского дна перед погружением конструкции, что не может не увеличить стоимость выполнения проекта. Возможность передислокации, описанная авторами, практически исключается из-за громоздкости сооружения и нецелесообразности идеи перемещать уже установленный резервуар в другие места, учитывая при этом, что балластные емкости уже заполнены твердым балластом, а их удаление довольно сложно и эта работа вызовет дополнительные трудности.

Также не до конца понятен результат, связанный с улучшением сопротивляемости мощным ледовым воздействиям в то время, как при существующей альтернативе не бороться со льдами толщиной в 1-2 метра, а просто возводить это сооружение сразу под водой ниже ледовых воздействий будет значительно эффективнее, и отсутствие сведений о процессе эксплуатации хранилища дополнительно свидетельствует о недостаточной проработанности авторами вопросов, связанных с технологическим обеспечением процессов налива и опорожнения СПГ, борьбой с избыточным давлением при образовании отпарного газа и вакуумированием газового пространства при опорожнении хранилища, борьбой с явлением ролловера, обеспечением контрольно-измерительными приборами, и возможностью безопасной швартовки танкеров.

Все вышеизложенное ставит под сомнение надежность и безопасность использования предложенного технического решения. Идея установки резервуара в зоне ледовых воздействий явно нерациональна, а сохранность зоны переменного смачивания при ледовых воздействиях крайне сомнительна; итак, задуманное сооружение должно полностью исключать возможность ледовых воздействий, то есть должно находиться ниже уровня их воздействий.

Подводное хранилище СПГ

Недостатки, описанные выше, мы предлагаем решить с помощью существенно иной конструкции подводного хранилища СПГ (рис. 2). Оно содержит двустенный корпус 1 в виде полусферы с плоским днищем 2 с образованием герметичного объема.

(1 – двустенный корпус; 2 – плоское днище; 3 – погружные сваи; 4 – морское дно; 7 – зазор; 8 – патрубок для подачи СПГ; 9 – лотковый зумпф; 12 – линия подачи жидкого воздуха (ЖВ); 13 – линия слива ЖВ; 14 – купольная часть корпуса; 15 – линия отвода газовой смеси; 17 – регулируемый клапан; 19 – газосборник; 20 – сваи)

Закрепление подводного хранилища происходит посредством погружных свай 3 на грунте морского дна 4. Погружные сваи 3, замоноличенные в проушинах 5 (рис. 3) плоского днища 2 в виде треноги, погружаются в грунт при помощи всасывающих устройств 6 (рис. 4) с небольшим зазором 7 между днищем корпуса 2 и морским дном 4. В нижней части двустенного корпуса 1 размещены патрубки 8 для подачи СПГ и лотковый зумпф 9 для полной откачки морской воды или СПГ.

( 5 – проушины)

В полости корпуса 1 установлены мешалка 10 (рис. 5) с приводом, система охлаждения 11. Вместо мешалки рациональнее создать постоянную перекачку «снизу вверх» небольшого объема СПГ снаружи установленным насосом, который позволит исключить возникновение ролловера.

Система охлаждения 11 выполнена в виде змеевика с высотой витков, увеличивающихся от периферии корпуса к центру, что обеспечит повышение эффективности работы системы охлаждения 11, которая сообщается с линиями подачи 12 жидкого воздуха и его слива 13. Купольная часть корпуса 14 сообщается с линией подачи газообразного азота (ГА) и отвода 15 смеси ГА с отпарным газом 16, на котором установлен регулируемый клапан 17, связанный с датчиком давления 18.

(3 – погружные сваи; 6 – всасывающие устройства)

Рядом с подводным хранилищем СПГ расположен газосборник 19, установленный с помощью свай 20 на грунт морского дна 4. Внутренняя стенка корпуса 21 выполнена из криогенной стали, облицованной снаружи последовательно слоями теплоизоляции 22 и полиуретановой пены 23 посредством штифтов или штырей, приваренных к корпусу, а внешняя стенка 24 выполнена из железобетона, облицованного снаружи слоем гидроизоляции 25 в виде полимерного покрытия. Внешняя стенка 24 замоноличивается в кольцевом жёлобе плоского днища 2, и представляет собой монолитное сооружение.

(2 – плоское днище; 8 – патрубок для подачи СПГ; 9 – лотковый зумпф; 10 – мешалка; 11 – система охлаждения; 12 – линия подачи ЖВ; 13 – линия слива ЖВ; 15 – линия отвода газовой смеси; 16 – отпарной газ; 17 – регулируемый клапан; 18 – датчик давления; 21 – внутренняя стенка корпуса; 22 – теплоизоляция; 23 – полиуретановая пена; 24 – внешняя стенка; 25 – гидроизоляция (полимерное покрытие))

Рассчитанная толщина стенки железобетона должна быть в несколько раз больше, чем толщина стенки из криогенной стали [3]. Это объясняется тем, что гидростатическое давление воды на внешнюю стенку 24 значительно больше избыточного давления газовой смеси 16 над поверхностью СПГ и гидростатического давления столба СПГ на внутреннюю стенку корпуса 21.

Принцип погружения конструкции на морское дно

Хранилище устанавливают на морском дне. Для этого применяют управляемое погружение путем постепенной закачки в подводное хранилище СПГ определенного, установленного расчетом, объема морской воды для придания отрицательной плавучести сооружению.

Равномерное погружение подводного хранилища СПГ на морское дно осуществляется мощными лебедками, установленными на противоположно стоящих буксирах и/или медленно балластируемыми стальными/ эластичными емкостями, присоединенными к хранилищу для его спуска [4].

Подводное хранилище СПГ погружается и устанавливается в пробуренные перед спуском места на морском дне. При этом сваи погружаются в грунт путем откачки морской воды из них всасывающими устройствами.

Погружные сваи снижают воздействия подводных течений на конструкцию и препятствуют её всплытию на поверхность акватории при его опорожнении резервуара.

А заранее установленный зазор между плоским днищем и морским дном необходим для предотвращения вспучивания грунта и образования ледяных линз, что также упрощает проведение работ по подготовке поверхности морского дна. Уклон в сторону лоткового зумпфа нужен для полного опорожнения подводного хранилища от морской воды или СПГ.

Расположение трех свай и их количество выбрано ради большей устойчивости такого базирования. Габариты этих погружных свай выбирают таким образом, чтобы при полном опорожнении подводного хранилища СПГ положение системы оставалось устойчивым благодаря заранее установленному уклону в сторону зумпфа.

Далее производят процесс погружения и обвязки газосборника с купольной частью корпуса. Конструкция газосборника представляет герметичный стальной баллон высокого давления, в котором происходит последовательное сжатие и расширение газовой смеси при опорожнении и заполнении подводного хранилища СПГ. Внутри находится газообразный азот (ГА). ГА не создает взрывоопасную смесь. Линия подачи и отвода смеси ГА с отпарным газом служит для транспорта газовой смеси в газосборник и обратно при заполнении и опорожнении подводного хранилища СПГ.

Принцип эксплуатации подводного хранилища СПГ

При заполнении подводного хранилища потоком СПГ с помощью криогенного центробежного насоса через подводящий трубопровод происходит сжатие газовой смеси над зеркалом СПГ. Сжиженный природный газ по мере заполнения объема, как поршень, движется вверх и сжимает газовую смесь. Как только избыточное давление газа достигнет заданного значения, что фиксируется датчиками давления, установленными в полости корпуса, открывают клапан, и газовая смесь поступает в газосборник, который обладает высокой несущей способностью.

Для снижения интенсивности образования отпарного газа внутри резервуара и поддержания криогенной температуры применяется система охлаждения.

Принцип эксплуатации подводного хранилища СПГ

Танкер-газовоз, прибывающий к подводному хранилищу СПГ, должен содержать ёмкость с жидким азотом (ЖА), который перекачивается в газосборник. ЖА под действием тепловых потоков превращается в ГА, создавая внутри избыточное давление.

Подача СПГ в подводный танкер происходит под избыточным давлением газовой смеси из газосборника, который поступает в подводное хранилище СПГ и вытесняет СПГ. Опорожнение от СПГ осуществляется через лотковый зумпф.

Объём ёмкостей хранения должен соответствовать, как минимум, водоизмещению челночного танкера, предназначенного для вывоза накопленной продукции. В свою очередь, за период отсутствия танкера в подводном парке должен накопиться соответствующий объём СПГ, чтобы танкер был полностью загружен

Выводы

Таким образом, подводное хранилище СПГ поможет решить проблемы при отсутствии береговой промышленной инфраструктуры, сократить сроки введения объекта в эксплуатацию, повысить надежность резервуара ввиду сооружения в сухом доке в развитых районах страны, снизить капитальные затраты.

Достигаемый технический результат заключается в комплексном единовременном обеспечении условий, повышающих несущую способность хранилища при воздействии внешнего гидростатического давления, предотвращающих возникновение «ролловера», снижающих интенсивность образования отпарного газа внутри резервуара и поддерживающих криогенную температуру, чтобы предотвратить вспучивание грунта и образование ледяных линз, а также создающих отрицательную плавучесть сооружения.

Предлагаемый резервуар может быть сооружен как одиночным, так и в составе группы подобных резервуаров, образуя подводный резервуарный парк СПГ.