CN114962979B - 一种适用于低温能源的地下储气库 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种适用于低温能源的地下储气库，包括：内壳和外壳；隔热层，设置在所述内壳和所述外壳之间；液氮循环装置，通过对液氮的循环与所述内壳进行换热以产出氮气；和冻结层，设置在所述外壳的外侧，液氮循环装置产出的氮气适于对冻结层进行降温。在节约能源的同时对液化天然气及外部环境同时进行降温，且内壳与冻结区的温度并不一致，通过地下储气库中的隔热层，极大地减少液化天然气与冻结区之间的换热。

Description

一种适用于低温能源的地下储气库

技术领域

本申请涉及低温能源储存领域，具体地涉及一种适用于低温能源的地下储气库结构。

背景技术

液化天然气、液氢等能源的需求量正在全世界范围内增加，国家正常运转、战略需要及一些无法预料的不稳定因素都要求国家必须储存石油、天然气等能源。地面储存低温能源的钢罐虽然能够储存大量的低温能源，但其占地面积大，且安全性能不够，钢罐泄露轻则发生污染，重则发生毁灭性的爆炸，因此大规模的地面储存需要更多的土地及保证安全的措施。

与此相比低温能源地下储气库则具有地面存储无可比拟的优点，深埋于地的储气库远离火灾与爆炸的危险，而且在经济上当存储量超过2×10⁵m³，地下存储的建设、运营和维护成本要低于地面存储，且其费用随存储体积的增大而减少，且地下存储占地面积小。

实用新型专利CN200820111588.8虽然公开了一种新型的液化天然气地下储气库，但该实用新型地下储气库的降温主要依靠液化天然气与周边环境进行换热，这在一定程度上增加了储气发生泄露的可能性，因为在换热过程难以避免的会造成低温能源的升温气化，从而增加储气库压力；且对于围岩并未采取任何加固措施，这直接导致液化天然气与周边环境进行换热时，导致围岩温度下降，对围岩进行破坏产生裂隙，最终导致渗漏的发生对地下储气库产生破坏。

发明内容

针对上述问题，本申请的目的是提供一种利用液氮循环进行降温的低温能源地下储气库，通过液氮的不断循环与低温能源进行换热从而使低温能源长期处于适宜保存的温度范围。还通过铺设绝热层，杜绝低温能源与周围环境的换热。另外，通过循环后无法再次低温液化的氮气与部分液氮，通过空预器、换热器气化后对围岩及周边环境进行降温，从而形成冻结区。本申请还提出一种加固围岩及防渗漏的方法，通过钢板与防水板紧密粘合后再通过锚栓固定在围岩上，实现对围岩的支护加固，并通过防水板起到防渗漏的作用。

为实现上述目的，本申请采取以下技术方案：

一种适用于低温能源的地下储气库，包括：

内壳和外壳；

隔热层，设置在内壳和外壳之间；

液氮循环装置，被配置为通过液氮的循环与内壳进行换热以产出氮气；和

冻结层，设置在外壳的外侧，液氮循环装置产出的氮气适于对冻结层进行降温。

液氮循环装置包括：

液氮循环换热管，设置在内壳和隔热层之间，用于与内壳进行换热；

液氮导流管，适于将液氮导入液氮循环换热管；

液化器，适于对从液氮循环换热管流出的氮气进行液化；和

氮气导流管，适于将无法液化的氮气导入冻结层。

液氮循环换热管均匀间隔地布置在内壳和隔热层之间。

液氮循环装置还包括：

换热器，适于将部分液氮气化后注入到氮气导流管；和

氮气喷头，适于将来自氮气导流管的氮气喷向冻结层。

冻结层包括：

从外壳的外侧顺序设置的防水层、钢板层和混凝土层。

钢板层包括：

粘合在一起的钢板和防水板。

适用于低温能源的地下储气库还包括：

在混凝土层中设置温度传感器，以监测冻结层的温度。

适用于低温能源的地下储气库还包括：

控制器，与液氮循环装置和温度传感器电连接，当监测到冻结层的温度高出预设值后，控制器启动液氮循环装置开始进行换热降温。

储气库用于存储低温液化天然气。

在内壳中设置有温度传感器和压力传感器，用于监测液化天然气的温度及气化程度。

本申请由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、具有地下储气库围岩加固效果良好，防水性能优良的优点。

2、地下储气库内壳及外侧加固水泥中所安置的温度传感器及压力传感器可以实时监测液化天然气的温度及压力、冻结区的温度，将得到的数据传输到信息处理中心，经信息中心处理完成后，根据监测到的温度及压力做出相应的措施，若温度过低则开始进行液氮循环，对地下储气库的内壳及冻结区进行降温，具有一定智能性。

3、采用地下储气库内与冻结区分布降温的方式，在节约能源的同时对液化天然气及外部环境同时进行降温，且内壳与冻结区的温度并不一致，通过地下储气库中的绝热层，极大地减少液化天然气与冻结区之间的换热。

4、设置有防水措施，能够预防检修时冻结区温度上升所发生的渗漏。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本申请实施例的一种适用于低温能源的地下储气库结构的主体部分示意图；

图2是根据本申请实施例的一种适用于低温能源的地下储气库结构的整体结构示意图；和

图3是根据本申请实施例的一种适用于低温能源的地下储气库结构的液化低温能源输气管与液氮导流管的局部放大示意图。

附图中各标记表示如下：

1-混凝土层

2-防水板

3-钢板

4-钢板防护层

5-锚栓

6-锚栓螺帽

7-液化低温能源输气管

8-液氮导流管

9-液氮循环换热管

10-隔热层

11-外壳

12-防水层

13-传感器

14-氮气喷头

15-内壳

16-绝缘支撑块

17-液化器

18-换热器

19-氮气导流管

20-液氮回流管

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1：

本申请采用一种低温能源地下储气库，用以解决低温能源储存时的温度问题及地下储气库的防水问题。

本申请通过如下的技术解决以上问题的：

一种全部建设在地下的地下储气库，结构中包括最外层的防水层，由防水材料铺垫粘合在储气库的钢板外壳上，隔热层与外壳相连接，隔热层铺垫绝热材料，最内层即为地下储气库的内壳，用以直接储存液化天然气。

地下储气库的内壳外侧缠绕有液氮循环管，通过液氮的不断循环与内壳进行换热，从而使内壳的温度保持在一个适宜低温能源存储的温度范围。

液氮在内壳外侧进行循环换热后，通过低温液化器再次进行低温液化，之后将部分液氮通过空浴式换热器气化，与无法液化的氮气通过引流管进入到储气库的防水层外侧，再通过管道上等间隔安置的喷淋头将低温氮气喷出，从而对周边的围岩及环境进行降温。

考虑到围岩的加固工作，故此储气库外侧处于密封状态。因此在低温氮气对周边环境进行降温时，需要通过顶端一侧的管道将之前已升温的氮气抽出，从而实现低温氮气的循环，对周边围岩及冻结区进行降温。

在地下储气库的内壳中安置有压力传感器与温度传感器，用以监测低温能源的温度与储存情况，同样地，在最外侧的加固水泥中安置温度传感器，用以监测冻结区的温度。

通过传感器实时监测地下储气库及周边冻结区的温度，将监测实时传输到信息处理中心，经过处理后进行反馈，若温度过高则开始液氮循环降温，从而保持地下储气库及冻结区的低温环境。

考虑到地下储气库的围岩可能存在裂隙，导致地下储气库直接与地下水进行接触，设计了用以加固围岩的加固方案：

采用钢板粘合的直接加固方式，对存在的细小裂隙直接用快硬水泥进行封堵，对局部空隙较多段直接采用喷射混凝土封堵较大的孔隙，喷射的厚度不宜超过30mm，等到喷浆强度达到一定程度后(3-4天)，在钢板、防水板及喷浆面的相应位置钻高强度的螺栓孔，对喷浆面安装锚栓，深度达到围岩深处；对喷浆平面进行打磨至光滑，将钢板一侧打磨干净将防水板的两侧打磨至光滑。首先将钢板的一侧涂满强力结构胶，在防水板的一侧涂满强力结构胶，使钢板与防水板强力的粘合在一起。在粘合完成后需要检查钢板与防水板粘合是否贴合，等到结构胶固化后，在防水板另一侧涂满结构胶，同时在打磨光滑的喷浆面上涂满结构胶，将涂满强力结构胶的防水板与光滑喷浆面粘合，之后拧紧锚栓螺帽增加适当的压力。对钢板外表面进行除锈打磨，完成后对钢板外侧涂抹水泥砂浆，形成防护层。钢板的厚度为5-6mm。

还设计有顶端开有供低温能源输入和输出的管道及液氮循环的导流管。

实施例2：

加固方案如下：

采用粘合钢板3的直接加固方式对周围围岩进行加固，对围岩中存在的细小裂隙直接用快硬水泥进行封堵，对局部空隙较多段直接采用喷射混凝土封堵较大的孔隙，喷射的厚度不宜超过30mm，等到喷浆强度达到一定程度后(3-4天)，在钢板3、防水板2及喷浆面的相应位置钻高强度的螺栓孔，对喷浆面安装锚栓5，深度达到围岩深处；对喷浆平面进行打磨至光滑，将钢板3一侧打磨干净，将防水板2的两侧打磨至光滑。首先将钢板3的一侧涂满强力结构胶，在防水板2的一侧涂满强力结构胶，使钢板3与防水板2强力的粘合在一起，在粘合完成后需要检查钢板3与防水板2粘合是否贴合。等到结构胶固化后，在防水板2另一侧涂满结构胶，同时在打磨光滑的喷浆面上涂满结构胶，将涂满强力结构胶的防水板与光滑喷浆面粘合，之后锚栓螺帽6增加适当的压力。对钢板外表面进行除锈打磨，完成后对钢板2外侧涂抹水泥砂浆，形成钢板防护层4。钢板的厚度为3-5mm。

在地下储气库正式启用之前，首先开始液氮循环，对地下储气库内壳11与围岩周边环境进行降温，液氮通过液氮导流管8进入紧贴内壳11的液氮循环换热管9，液氮在循环换热管9中流动与内壳11进行换热，液氮针对内壳11初步循环结束后，从液氮回流管20回流到低温液化器17中将气化的液氮重新液化，之后将部分无法液化的氮气与部分液氮通过空浴式换热器18气化后注入到冷却氮气导流管19中，在导流管19中流动，通过冷却氮气喷头14对围岩周围环境降温形成冻结区，等到冻结区与地下储气库的温度低到适宜液化天然气储存，通过液化天然气输气管7进行输气。

通过液氮循环对地下储气库与周边围岩分别降温，并在地下储气库中设有隔热层10，极大的减少地下储气库与围岩的换热，从而使地下储气库的温度较为稳定，且在内壳15及加固混凝土1中所安装的温度传感器13与压力传感器对液化天然气及围岩冻结区的温度与压力进行监测，并基于监测数据，控制液氮循环。

实施例3：

根据本申请的低温能源地下储气库，对低温能源与围岩利用液氮循环进行分别降温，并在加固混凝土与内壳中安置传感器监测温度与压力，对围岩采取粘钢加固的同时进行防渗漏。

地下储气库中冷却降温系统包括液氮循环系统对低温能源与围岩环境进行分别降温及隔热层的保温。

在储气库内壳外侧环绕液氮换热管，降温开始时，液氮通过液氮导流管进入液氮循环换热管，对低温能源进行换热降温，流出后进入低温液化器中重新液化，将无法液化的氮气与部分液氮经过空气换热器换热后进入冷却氮气导流管，再由冷却氮气喷头喷出，对围岩进行降温形成冻结区。

在地下储气库内壳中分别布置有温度传感器与压力传感器，用以监测低温能源的温度及气化程度。在最外侧加固混凝土中安置温度传感器，用以监测冻结区的温度。当低温能源或冻结区温度高出预设值后，液氮循环系统开始进行换热降温。

在储气库内壳外侧布置隔热层，用以减少低温能源与外界环境的换热，从而延长低温能源升温。

对围岩上裂隙较多的片段直接采取喷射混凝土的方式进行封堵，等强度达到一定程度后将喷浆面打磨光滑，然后在喷浆面的相应位置开钻高强度的螺孔，将钢板与防水板打磨光滑后，通过强力结构胶紧密粘合在一起。等结构胶固化后，在钢板与防水板上开钻螺孔，将防水板与钢板通过强力结构胶紧密贴合在喷浆面上，通过锚栓使防水板、钢板喷浆面紧密贴合。

钢板通过锚栓与喷浆面、围岩形成永久结构，从而对围岩进行加固。优选地，钢板的厚度应为5-6mm。

为了使钢板不被水汽锈蚀，在钢板与围岩的中间设置了防水板，从而使钢板避免与水汽直接接触。

实施例4：

一种储气库包括：

内壳15和外壳11；

隔热层10，设置在内壳15和外壳11之间；

液氮循环装置，通过对液氮的循环与内壳进行换热以产出氮气；和

冻结层，设置在外壳11的外侧，冻结层通过液氮循环装置产出的氮气进行降温。

液氮循环装置包括：

液氮循环换热管9，设置在内壳15和隔热层10之间，用于与内壳进行换热；

液氮导流管8，液氮导流管8将液氮导入液氮循环换热管；

液化器17，对从液氮循环换热管9流出的氮气进行液化；和

氮气导流管19，将无法液化的氮气导入冻结层。

液氮循环换热管9均匀间隔地布置在内壳15和隔热层10之间。

液氮循环装置还包括：

换热器18，换热器18将部分液氮气化后注入到氮气导流管19；和

氮气喷头14，氮气喷头14将来自氮气导流管19的氮气喷向冻结层。

冻结层，包括：

从外壳11的外侧顺序设置的防水层12、钢板层和混凝土层1。

钢板层包括：

粘合在一起的钢板3和防水板2。

储气库还包括：

在混凝土层中设置温度传感器，以监测冻结层的温度。

储气库还包括：

控制器，当监测到冻结层的温度高出预设值后，启动液氮循环系统开始进行换热降温。

储气库用于存储低温液化天然气。

在内壳15中设置有温度传感器和压力传感器，用于监测液化天然气的温度及气化程度。

本申请具有以下有益效果：

本申请具有对地下储气库围岩加固效果良好，防水性能优良，且地下储气库内壳及外侧加固水泥中所安置的温度传感器及压力传感器可以实时监测液化天然气的温度及压力、冻结区的温度，将得到的数据传输到信息处理中心，经信息中心处理完成后，根据监测到的温度及压力做出相应的措施，若温度过低则开始进行液氮循环，对地下储气库的内壳及冻结区进行降温。本申请采用地下储气库内与冻结区分布降温的方式，在节约能源的同时对液化天然气及外部环境同时进行降温，且内壳与冻结区的温度并不一致，通过地下储气库中的绝热层极大的减少液化天然气与冻结区之间的换热。

本申请在设计加固方案时布置了防水措施，以预防检修时冻结区温度上升发生渗漏。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种适用于低温能源的地下储气库，其特征在于，包括：

内壳和外壳；

隔热层，设置在所述内壳和所述外壳之间；

液氮循环装置，被配置为通过液氮的循环与所述内壳进行换热以产出氮气；和

冻结层，设置在所述外壳的外侧，所述液氮循环装置产出的氮气适于对所述冻结层进行降温；

所述液氮循环装置包括：

液氮循环换热管，设置在所述内壳和所述隔热层之间，用于与所述内壳进行换热；

液氮导流管，适于将液氮导入所述液氮循环换热管；

液化器，适于对从所述液氮循环换热管流出的氮气进行液化；和

氮气导流管，适于将无法液化的氮气导入所述冻结层；

所述液氮循环换热管均匀间隔地布置在所述内壳和所述隔热层之间；

所述液氮循环装置还包括：

换热器，适于将部分液氮气化后注入到所述氮气导流管；和

氮气喷头，适于将来自所述氮气导流管的氮气喷向所述冻结层。

2.根据权利要求1所述的适用于低温能源的地下储气库，其特征在于，所述冻结层，包括：

从所述外壳的外侧顺序设置的防水层、钢板层和混凝土层。

3.根据权利要求2所述的适用于低温能源的地下储气库，其特征在于，所述钢板层包括：

粘合在一起的钢板和防水板。

4.根据权利要求2所述的适用于低温能源的地下储气库，其特征在于，还包括：

在所述混凝土层中设置温度传感器，以监测所述冻结层的温度。

5.根据权利要求4所述的适用于低温能源的地下储气库，其特征在于，还包括：

控制器，与所述液氮循环装置和温度传感器电连接，当监测到所述冻结层的温度高出预设值后，所述控制器启动所述液氮循环装置开始进行换热降温。

6.根据权利要求1所述的适用于低温能源的地下储气库，其特征在于，所述储气库用于存储低温液化天然气。

7.根据权利要求6所述的适用于低温能源的地下储气库，其特征在于：

在所述内壳中设置有温度传感器和压力传感器，用于监测所述液化天然气的温度及气化程度。