Способ транспортировки и хранения криогенных газов

Способ транспортировки и хранения криогенных газов

Реферат

Изобретение относится к судостроению и, в частности, к способам перевозки и хранения больших объемов сжиженных газов. Известно, что при морской перевозке крупных грузов решаются две близкие задачи - размещение и хранение полного груза на борту судна и в хранилище портового терминала. Обе эти задачи представляют особую сложность для грузов криогенных газов.

Известны наливные суда, например танкеры и газовозы, содержащие грузовые танки и танки изолированного балласта, размещенные без промежутков в корпусе судна. Такое устройство танкера определяется требованием «Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов» - МАРПОЛ 73/78, правило 13: «Каждое нефтеналивное судно ... и каждый нефтепродуктовоз ... должны быть оборудованы танками изолированного балласта». Кроме того, при перевозке жидких грузов грузовые цистерны должны быть полностью залиты жидкостью.

Известно Наливное судно (патент РФ №2077449 кл. В63В 25/16, 1997 г.).

Известно также Нефтеналивное судно (патент РФ №2248905 кл. В63В 25/12, 2003 г.). В обоих изобретениях грузовые танки установлены без промежутков, что не позволяет контролировать герметичность их стенок.

В последние годы стали применяться новые способы перевозки сжиженных газов, в том числе природного газа (СПГ).

Так, известен способ по патенту Грузовая система танкера-газовоза (патент РФ №20510065 кл. В63В 25/12, 1992 г.). По этому способу цистерны сжиженного газа устанавливают без промежутков, не снабжают эффективной теплоизоляцией и при нагреве жидкости образующийся газ перепускают в расширительную емкость. Танки снабжены мембранными стенками, которые при испарении части жидкости поддерживают заполнение объема танка.

Известен способ перевозки сжиженного пропан-бутана в японском газовозе «Brugge Venture», содержащем 3 прямоугольные цистерны, захоложенного до -50°С. Стенки цистерн выполнены в виде мембран, образующих со стенками корпуса судна полости, заполненные теплоизоляцией.

Известен способ транспортировки СПГ, примененный на японском газовозе «Aman Sendai», содержащий 3 встроенные прямоугольные цистерны, у которых стенки представляют собой тонкие (0,5-1,2 мм) мембраны, наложенные на слои изоляции, закрепляемые на бортах, втором дне и палубе судна, мембранные цистерны чрезвычайно сложны в изготовлении, при их применении невозможен доступ к изоляции, устройство таких судов требует высокой технологической культуры.

Практическое применение находит иной способ перевозки СПГ, примененный на газовозах системы Квернер-Мосс с вкладными сферическими цистернами с наружной изоляцией. Известен также японский газовоз «Zekreet», содержащий 5 сферических цистерн, расположенных в один ряд по длине судна с образованием промежутков между ними и корпусом судна.

По этому способу выполнен также проект японского газовоза «Moss LNG 250» фирмы Moss Maritime. Он является полным аналогом газовоза «Zekreet».

Известен также газовоз «Energy Advance» содержащий 4 сферических танка, которые размещают в один ряд по длине судна и устанавливают с промежутками между ними и корпусом судна (см. журнал «Судостроение», №4, 2006 г., с.70).

В последнее время предложено Судно для водной транспортировки жидких грузов, в котором применен новый способ транспортировки и хранения нефти или сжиженных газов (см. заявку на изобретение №2006139684). По этому способу груз размещают на судне в нескольких рядах цилиндрических баков-цистерн.

Известен и способ перевозки и хранения сжиженных газов, по которому Теплоизолированный криогенный бак выполняют с несколькими барьерами особой теплоизоляции (см. заявку на изобретение №2006146056). Последний способ принят за прототип предлагаемого.

Недостатком известного способа является значительная сложность исполнения теплоизоляции бака для перевозки и хранения криогенных газов. Современная теплоизоляция представляет собой многослойную оболочку, включающую герметичные вакуумируемые пакеты, содержащие элементы термокомпенсации, силовой разгрузки и многослойной экранной изоляции. При установке на корпус бака такой теплоизоляции из-за кривизны стенок и днищ бака конструкция изоляции многократно усложняется. Кроме того, все элементы опор, крепления и подводов бака должны прошивать теплоизоляцию, усложняя ее еще больше и увеличивая перетечки тепла в местах разрывов теплоизоляции. Кроме того, общая поверхность нескольких баков намного превышает поверхность объема, занимаемого баками при их плотной укладке. При размещении теплоизоляции на стенках бака плотность установки баков снижается и объем грузового отсека завышается. Это приводит к утяжелению и удорожанию теплоизоляции и всего хранилища и к увеличению натеканий тепла к захоложенному грузу баков.

Предложенное изобретение предназначено для решения технической задачи устранения указанных недостатков. Целями изобретения являются упрощение конструкции теплоизоляции и грузохранилища как на судне, так и на ином транспортном средстве, так и на земле. При этом будет достигаться повышение вместимости грузового отсека, технологичности его изготовления, надежности, безопасности, экономичности и удобства его эксплуатации.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что предложен способ транспортировки и хранения криогенных газов, по которому криогенный газ охлаждают до состояния жидкости, последнюю заливают по крайней мере в один бак, отделяют от окружающей среды теплоизоляцией и поддерживают при расчетных температуре и давлении за счет отбора натекающего тепла, отличающийся тем, что, по крайней мере, один бак с криогенной жидкостью отделяют от окружающей среды холодильной камерой, содержащей в своих стенках теплоизоляцию, а полость холодильной камеры заполняют и поддерживают при избыточном давлении нейтрального газа, не конденсирующегося при температуре криогенной жидкости.

Отказ от теплоизоляции на стенках бака позволяет предельно упростить его конструкцию, сохранив только одну оболочку и упростив элементы опор, крепления и подводов.

При этом достигается высокая плотность укладки баков в объеме. Плотно установленные баки любой формы отделяют от окружающей среды замкнутой оболочкой холодильной камеры. Поэтому поверхность теплоизоляции в стенках холодильной камеры значительно меньше общей поверхности теплоизоляции при ограждении нескольких баков, хотя при отделении одного бака это условие не выполняется. Тем не менее, отделение теплоизоляции от стенок бака позволяет предельно упростить форму холодильной камеры и сделать ее стенки и теплоизоляцию в виде плоских и одинаковых панелей. При этом конструкция такой панели может быть широко унифицирована при различных исполнениях холодильной камеры и входящих в камеру баков. Кроме того заполнение камеры нейтральным газом с избыточным давлением позволяет создать дополнительный теплообменный и массообменный изолирующий барьер между баком и стенкой камеры. Избыточное давление газа в камере позволяет не требовать ее высокой герметичности, а поддерживать давление подпиткой газа. При обслуживании баков может возникнуть необходимость проникновения внутрь холодильной камеры. Это потребует использования скафандра или прокладки в камере труб, заполняемых теплым воздухом.

Предложенный способ иллюстрируется примерами.

Пример 1. На судно-газовоз СПГ устанавливают 4 холодильные камеры, или хладокамеры, каждая из которых содержит 9 баков диаметром 8 м и высотой 30 м. Хладокамеру с квадратным полом и высотой более 30 м снаружи скрепляют с бортами судна, а изнутри - с блоком баков. Баки через общий подвод заполняют жидким природным газом с давлением 0,2 ати и температурой -160°С, которые поддерживаются дренажом газа в атмосферу через предохранительный клапан. Полость камеры заполняют азотом с избыточным давлением 1-2,5 кПа и температурой конденсации -196°С и сообщают с баллонами азота через клапан, который открывается при снижении давления ниже 1 кПа. После захолаживания азота в камере подпитка ее азотом сокращается до минимума. Хладокамера имеет силовой каркас, который позволяет использовать ее вместе с баками в качестве отсека наземного склада СНГ, вместимостью 5700 т.

Пример 2. Портовый терминал для приема и отгрузки жидкого азота общей вместимостью 56 тыс.м³ содержит 14 баков диаметром 10 м и длиной 51 м. Баки размещены в хладокамере со сторонами 55 м и 150 м и высотой 12 м. На плитах ограждения хладокамеры закреплены теплоизоляционные панели. Баки заполняют жидким азотом и поддерживают в них давление 0,8 ати и температуру -191°С. Хладокамеру заполняют азотом с давлением 1-2,5 кПа и температурой конденсации -196°С. Режим заполнения бака и захолаживания азота в камере сходен с режимом работы отсека в примере 1. Хладосклад азота сообщается с отдельно стоящим блоком подачи жидкого и газообразного азота.

Пример 3. Одиночный бак предназначен для перевозки по железной дороге жидкого водорода. Бак диаметром 2,4 м и длиной 18 м закрепляют внутри прямоугольной хладокамеры с теплоизолированными стенками и устанавливают на железнодорожной платформе. Бак заполняют жидким водородом и поддерживают при давлении 6,0 ати и температуре 29 К. Хладокамеру заполняют неоном с избыточным давлением 1-2,5 кПа и температурой конденсации 27 К. Режим заполнения бака и захолаживания неона в камере сходен с режимом работы отсека в примере 1. Хладокамера имеет силовой каркас, который позволяет использовать это изделие в режиме хладоконтейнера, то есть для перевозки различными видами транспорта и для хранения в терминалах.

Таким образом, предложенное техническое решение существенно усовершенствует известные благодаря принятому в изобретении разделению функций оболочки бака и оболочки теплоизоляции. Появление дополнительной полости между оболочками оказалось полезным как тепловой и газоразделяющий барьер. Полученные новые свойства объекта изобретения: эффективность, простота и надежность, технологичность, универсальность, безопасность и другие обеспечат широкую применяемость изобретения, в том числе, в судостроении, обустройстве шельфовых промыслов, в криогенной энергетике, ракетно-космической технике и других областях.

Источник информации

Н.Б.Варгафтик. «Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей». Государственное издательство физико-математической литературы. М., 1963 г.

Способ транспортировки и хранения криогенных газов, по которому криогенный газ охлаждают до состояния жидкости, последнюю заливают по крайней мере в один бак, отделяют от окружающей среды теплоизоляцией и поддерживают при расчетных температуре и давлении за счет отбора натекающего тепла, отличающийся тем, что, по крайней мере, один бак с криогенной жидкостью отделяют от окружающей среды холодильной камерой, содержащей в своих стенках теплоизоляцию, а полость холодильной камеры заполняют и поддерживают при избыточном давлении нейтрального газа, не конденсирующегося при температуре криогенной жидкости.