DE1634503A1 - Vorkuehlung des Bodens einer unterirdischen Lagerungseinheit - Google Patents
Vorkuehlung des Bodens einer unterirdischen LagerungseinheitInfo
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Description
"Vorkühlung des Bodens einer unterirdischen Lagerungseinheit".
Die Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion von Lagervorrichtungen
für flüssige Gase, besonders für flüssiges Erdgas, das einen grossen Teil Methan enthält, und flüssige
Petroleumgase, wie z.B. flüssiges Propan oder Butan. In der Beschreibung und in den Patentansprüchen ist unter dem
Ausdruck "flüssiges Gas" eine Flüssigkeit zu verstehen, die bei atmosphärischem Druck bei einer Temperatur siedet, die
viel tiefer als der Gefrierpunkt des Wassers liegt.
In der Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet ein "Hohlraum in der Erdoberfläche" eine Höhlung in der Erdoberfläche,
die im Verhältnis zu ihrem Fassungsvermögen eine wesentliche Fläche der Erdoberfläche in Anspruch nimmt und
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weder schmale Schächte noch Brunnen einschliessen soll.
Zwischen den Vorschlägen, die zur Lagerung von flüssigem Gas gemacht wurden, schliesst ein vielversprechendes,
geeignetes Syxtem einen Hohlraum in der Erdoberfläche ein, wobei das die Seiten des Hohlraums umschliessende Erdreich
Wasser enthält, das durch die Zirkulierung einer kalten Flüssigkeit in Rohren vor Aushebung des Hohlraums gefroren
f werden kann, und wobei das Wasser gefroren gehalten wird,
nachdem der Hohlraum vollendet ist, indem ihm seine Wärme durch das gelagerte flüssige Gas entzogen wird; eine Wärmeisolierte Decke, die den Hohlraum völlig bedeckt; eine Gas-Entlüftungsöffnung;
und Leitungs- und Pumpenvorrichtungen, um den Behälter mit Flüssigkeit zu füllen, bzw. diese daraus
abzuziehen. Die deutsche Patentanmeldung Nr. C 23 v/37 f behandelt einen solchen Behälter und beschreibt
Vorrichtungen, mit denen ein solcher Behälter konstruiert werden kann.
Wo eine dicke Schicht undurchdringlichen Erdreiches, wie z.B. zäher Lehm, in einer geeigneten Tiefe besteht, können
die vorgekühlten Wandungen der beabsichtigten Höhlung in eine solche Schicht verlängert werden und dadurch einen '
fortlaufenden undurchdringlichen und starken Körper bilden, der mit Erfolg ausgehöhlt und entwässert werden kann. Die
geologischen Bedingungen können jedoch derart sein, dass in
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der gewünschten Tiefe keine undurchdringliche Schicht
genügender Dicke und Stärke vorhanden.ist. Wenn die Wandungen
des beabsichtigten Behälters ihre unteren Enden in einer durchlässigen und wasserführenden Schicht haben,
wie z.B. Kies, Sand, Schlamm oder einer Mischung daraus,
so wird als Folge davon keine natürliche Bodenabdichtung des Hohlraumes entstehen. Eine Entwässerung während der
Aushebung unter den beschriebenen Bedingungen würde ein Eindringen von Erdreich und Wasser in die Höhlung bedeuten,
woduroh ihre Fertigstellung verhindert werden könnte.
Die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung des Wasserstandes in der Höhlung, um den äusseren Wasserdruck auszugleichen,
und somit das Eindringen zu verhindern, würde im ganzen oder grösseren Teil des Körpers darin bestehen, dass das
Wasser in dem Hohlraum durch das Kältemittel gefroren wird, das in den Rohren zirkuliert, die ausserhalb der
periphären Wandungen der Höhlung angebracht sind. Das
innere Eis würde aber eine weitere Aushebung des Erd-
reiche verhindern, das ebenfalls gefroren und hart geworden
wäre. Schliesslich müsste das Eis ebenfalls ausgehoben werden.
Die Erfindung bezieht sich darauf, einen Boden gefrorenen
Erdreichs von einer bestimmten Stärke für eine beabsichtigte Höhlung zu schaffen, und zwar vor deren vollständiger
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Aushöhlung, um das Eindringen von Erdreich und Wasser während der Aushebung so gering wie möglich zu halten.
Die Erfindung wird dabei im Zusammenhang mit einer Höhlung beschrieben, die innerhalb von Wandungen von vorgekühltem
Erdreich hergestellt wurde, aber sie kann ebenfalls auf eine Höhlung angewendet werden, die innerhalb von durch
andere Verfahren erreichten Wandungen hergestellt wurde. Beispiele hierfür sind Wandungen, die als Senkkästen
irgendwelchen Materials in den Boden versenkt wurden, Wandungen, die durch Giessen von Beton in Gräben hergestellt
wurden, die mit Hilfe innerer Träger oder mit Hilfe von Bentonit oder Lehmwänden ausgehoben wurden, Wandungen,
die durch Einspritzen von Zement oder anderen Chemikalien in das Erdreich hergestellt wurden, und Wandungen aus entweder
Metall-, Beton- oder Holzpfeilern.
Die Erfindung sieht eine Konstruktionsmethode eines unterirdischen
Behälters für die Lagerung von flüssigem Gas vor, die eine Höhlung in der Erdoberfläche, wie vorher definiert,
einschliesst, wobei diese Höhlung sich nach unten in den wasserenthaltenden Grund erstreckt, dadurch gekennzeichnet,
dass das Wasser in dem Erdreich unter der Höhlung vor Vollendung der Höhlung gefroren wird durch Einsetzen von
Rohren in das Erdreich und durch Zirkulierung einer kalten Flüssigkeit durch diese Rohre.
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Geeigneterweise wird -ein Schacht in der Erde angelegt,
und die Rohre werden durch diesen Schacht in das Erdreich eingeführt. Gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Rohre
horizontal oder unter einem kleinen Winkel zu der Horizontalen geneigt sind, z*.B. bis zu JO0. Der Schacht kann
nahe dem Mittelpunkt der Höhlung angebracht werden und die Rohre können in einer radialen Form unterhalb der
Höhlung eingeführt werden. In Abwandlung kann der Schacht
an einer Seite der Höhlung angebracht und die Rohre unter die Höhlung von einer anderen Seite eingeführt werden.
Diese Anordnung ist besonders geeignet, wenn zwei oder mehr Hohlräume nahe beeinander konstruiert werden und wenn ein
einziger Schacht, zentral zu den Höhlungen angeordnet, verwendet werden kann und die Rohre in den Boden von diesem
Schacht eingeführt werden, so dass sie sich im Erdreich unter mehr als einer Höhlung erstrecken.
Das Wasser in dem sich an die Wandungen der Höhlung anschliessenden
und sich ausserhalb derselben befindlichen Erdreichs kann auch gefroren werden, und dadurch wird
dne fortlaufende Decke gefrorenen Erdreiches erreicht» ·
In einer Ausführungsmethode der Erfindung wird zunächst
ein Senkkasten oder ein Schacht in dem Boden angebracht,
unter Benutzung konventioneller Methoden. Wenn der Senk-
kasten oder der Schacht in die gewünschte Tiefe eingedrungen ist, die etwas unter dem Niveau des Bodens der
beabsichtigten Erdhöhlung liegt, wird unter Wasser ein Betonstöpsel an der Unterseite des Senkkastens oder
Schachtes geformt, um jeden weiteren wesentlichen Zutritt des Wassers usw. zu verhindern. Dann wird der Schacht
oder der Senkkasten entwässert. Eine Reihe radialer Rohre werden dann durch Bohren oder Durchbohren von der Basis
des Schachtes eingeführt, wobei zumindest einige der Rohre vorzugsweise eine Aufwärtsneigung besitzen und in verschiedenen
Lagen angeordnet werden, von denen sich jede über die Fläche unterhalb des Bodens der Höhlung erstreckt. Die
radialen Rohre werden in der Draufsicht vorzugsweise versetzt angeordnet.
In einer Abwandlung und bei geringerer Tiefe kann zur Entwässerung des Senkkastens oder des Schachtes komprimierte
Luft verwendet, und der Stöpsel im Trocknen hergestellt werden. Als eine weitere Abwandlungsform kann zur Entwässerung
eine der bekannten Methoden des "Grund-Wasser-Senkens"
verwendet werden, damit der Stöpsel im Trockenen hergestellt werden kann. Die Tatsache, dass mehrere Lagen von nach oben
geneigten und in der äusseren Richtung auseinandergehenden Rohren vorgesehen sind, bringt die Vorteile, dass sich ein.
im wesentlichen solider gefrorener Erdstöpsel unter dem beabsichtigten Boden der Höhlung ausbilden kann, und ermög-
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licht es weiterhin, dass dem Boden der Höhlung eine nach innen, gerichtete Gewölbe form verliehen wird, die besser
geeignet ist, einen Aufwärtsschub aufzunehmen und diesen auf die Wandungen der Höhlung zu verteilen. Die Erde
unterhalb des Bodens der Höhlung und das Erdreich, das die Peripherie· der Höhlung umgibt, werden während der gesamten
Aushebungsarbeiten gefroren gehalten, indem eine kalte Flüssigkeit durch die verschiedenen Rohre geleitet wird;
diese Rohre sind vorzugsweise Doppelrohre, um durch ein inneres Röhr einen FlUssigkeitsfluss nach aussen und
durch ein äusseres Rohr einen Rückfluss zu erzielen.*
Die Zufluss- und Abflussleitungen zu den Bodenrohren können
abgelenkt werden, damit sie nahe an den Wandungen der Höhlung vorbeilaufen, und der Senkkasten oder Schacht
können kurz vor Einströmen des flüssigen Gases zur Lagerung abgebrochen werden.
Es ist natürlich klar, dass zur Vollendung des Behälters eine wärmeisolierte Decke nötig ist. Solch eine Decke muss
ebenfalls mit einer Gasauslassöffnung ausgestattet sein, wobei in dem Behälter entstehende Gase zur Verwendungspunkten oder Sammelanlagen geleitet werden können. Vorzugsweise
ist eine solche Auslassöffnung mit einer Drucksteuerungsvorrichtung versehen, die den Gasdruck in dem
Behälter überwacht.
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Leitungs- und Pumpenvorrichtungen zum Füllen und Leeren des Behälters müssen ebenfalls vorgesehen werden und
können von jeder beliebigen geeigneten Art sein. Normalerweise verlaufen die Gasauslassöffnungen und die Füll- und
Leerungsleitungen des Behälters durch die Decke und vorzugsweise durch eine Stopfbächse in der Decke. Alle diese
Anordnungen sind,schon im einzelnen beschrieben, z.B. in
der deutschen Patentanmeldung C 2^847 v/37 f und in anderen
Dokumenten, und da diese Erfindung diese Anordnungen im wesentlichen nicht abändert, brauchen sie nicht hierin im
einzelnen beschrieben zu werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der beigefügten
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.
Die Zeichnung stellt einen Längsschnitt durch einen unterirdischen Behälter dar, und zeigt Rohre, die unterhalb
des Bodens der Höhlung und auch ausserhalb der Peripherie der Höhlung in das Erdreich eingeführt sind.
In Bezugnahme auf die Zeichnung, um einen unterirdischen Behälter unterhalb der Erdoberfläche 1 herzustellen, wird
ein Schacht 2, gestrichelt dargestellt, zunächst durch konventionelle Methoden ausgehoben, wobei dieser Schacht
eine Metall- oder Betonauskleidung besitzt. Hat der Schacht einen Punkt unterhalb des geplanten Bodens der angestrebten
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— ο —
Höhlung erreicht, so wird an der Unterseite des Schachtes, der dann entwässert wird, ein Betonstöpsel 3 ausgebildet.
Unmittelbar oberhalb dieses Stöpsels sind eine Reihe von radialen Doppelrohren 4, 4a und 4b durch Durchbohrung in
das Erdreich eingeführt. Das äussere Rohr eines jeden Doppelrohres ist an dem entfernten Ende verschlossen, und das
innere Rohr ist offen, wodurch das Kühlmittel zirkulieren kann. Wie in der Zeichnung gezeigt, können diese Rohre in
drei Reihen angeordnet werden, aber auch zwei oder mehr als drei Reihen können verwendet werden. Die Rohre sind
alle an ihren inneren Enden in einem Flanschgehäuse 12 verbunden und durch versetzte Anordnung in den aufeinanderfolgenden
Reihen kann die Zahl der Rohre, die in dieses Stopfbüchsengehäuse eingeführt werden, erhöht werden.
Ein verzweigtes System von Zufluss- und Rückflussrohren, das durch Zu- und Rückflusseinzelrohre mit der Oberfläche
verbunden ist (nicht gezeigt), ist mit den Rohren verbunden, wodurch eine kalte Flüssigkeit zirkulieren kann,
um das Erdreich in Nähe der von diesen radialen Rohren durchlaufenen Fläche zu frieren.
Eine weitere Reihe von Rohren 5, 5a sind nach unten in
das Erdreich von der Oberfläche an eingeführt, und diese sind in einem Ring um die Höhlung herum angeordnet. In
diesen Rohren wurden ebenfalls Anordnungen getroffen, damit ein Kühlmittel zirkulieren kann zum Gefrieren der
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wasserenthaltenden Schicht um die Rohre und um die geplante Peripherie der Höhlung herum.
Der Behälter ist ebenfalls mit einer wärmeisolierten Decke 8 versehen, die durch eine Reihe von Aufhängevorrichtungen
9 von einem Oberbau 10 aufgehängt ist, und diese Decke 8 ist ihrerseits mit einem Gasabdichtverschluss
11 versehen, der in einem ringförmigen Kanal ausserhalb der Peripherie des Behälters ausgebildet ist.
Ist das Erdreich um die Peripherie herum und unterhalb des Bodens der geplanten Höhlung gefroren, so wird die
Aushebung begonnen, um die Höhlung 6 zu bilden, in der die flüssigen Gase gelagert werden. Die Grundfläche 7
dieser Höhlung erhält eine nach innen ausgebildete Wölbungsform, so dass der Boden der Höhlung im Grossen und
Ganzen den Linien der Rohre folgt, die unmittelbar in der Nähe des Bodens liegen.
In der Zeichnung wird die gefrorene wasserführende Schicht um die nach unten eingeführten Rohre 5, 5a und um die Rohre
4, 4a und 4b nicht schraffiert gezeigt im Gegensatz zu dem Erdreich, das weiter von diesen Rohren entfernt ist und
> schraffiert wurde. Es liegt auf der Hand, dass in der Praxis
eine einfache Grenzlinie nicht unbedingt auftritt und dass eine Zwischenzone existiert, in der eine teilweise Gefrierung
- 10 -
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stattfindet· Es sollte klar sein, dass die gefrorene Zone eine genügende Tiefe oder Stärke aufweisen muss, damit sie
dem äusseren Wasserdruck in dem Erdreich widerstehen kann, und das ist besonders wichtig in Beziehung auf die Zone
unterhalb und nahe dem Boden der Höhlung.
- 11 -
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Claims (12)
1. ) Methode zur Herstellung eines unterirdischen Be-—ftälte
zur Lagerung von flüssigem Gas, der eine Höhlung in der Erdoberfläche aufweist, wie oben beschrieben, wobei
die Höhlung s.ich nach unten in das wasserenthaltende Erdreich erstreckt, dadurch gekennzeichnet,
dass das Wasser in dem Erdreich unterhalb der Höhlung vor Fertigstellung derselben durch Einführung von
Rohren in das Erdreich und durch Zirkulierung eines Kühlmittels durch diese Rohre gefroren wird.
2. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schacht in der Erde ausgehoben wird, und dass
Rohre durch den Schacht in das Erdreich eingeführt werden.
3. Methode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre horizontal oder unter einem kleinen
Winkel zur Horizontalen geneigt sind.
4. Methode nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet,
dass der Schacht nahe dem Mittelpunkt der Höhlung ausgehoben wird und dass die Rohre in einer radialen
Form unterhalb der Höhlung in das Erdreich eingeführt werden.
5. Methode nach einem der obigen Ansprüche, dadurch
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gekennzeichnet, dass das Wasser in dem Erdreich, das die Wandungen der Höhlung umgibt, ebenfalls gefroren wird.
6. Methode nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Anordnung von radialen Rohren, die eine geringe Aufwärtsneigung vom Mittelpunkt der Höhlung
besitzen, unterhalb der Höhlung vorgesehen ist.
7. Methode nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre in zwei oder mehr Reihen
angeordnet sind, die vorzugsweise versetzt sind.
8. Methode nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass konzentrische Doppelrohre verwendet
werden, wobei das Aussenrohr länger als das Innenrohr ist
und nur das äussere Ende des äusseren Rohres verschlossen ist.
9. Methode nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen und/oder der Boden der
Höhlung ini wesentlichen durch Frieren des Wassers in dem umgebenden Erdreich undurchdringlich gehalten werden,,
10. Methode nach einem der obigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wandungen der Höhlung mit einem undurchlässigen Material, wie z.B. Beton, aasgekleidet sind«
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11. Methode nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden der Höhlung eine nach innen
gerichtete Gewölbeform besitzt.
12. Unterirdischer Behälter zur Lagerung von flüssigen Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass er nach einer Methode
nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche konstruiert
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