NO333678B1 - Undergrunnshulromsinstallasjon for lagring av flytende naturgass eller annen fluid og en fremgangsmate for lekkasjepavisning og trykkavlastning av fordampet fluid i en undergrunnslagring - Google Patents

Abstract

Det omtales en undergrunnshulromsinstallasjon for lagring av flytende naturgass eller annen fluid med tilsvarende egenskaper, hvor installasjonen omfatter en væske og gasstett kledning som dekker den indre overflaten til et containervolum dannet av isolasjonsblokker som er sammenstilt og støttet fra hulromsveggen slik at et tomrom dannes mellom hulromsveggen og isolasjonsblokkene, hvor tomrommet blir okkupert av et stabilisert, porøst og gasspermeabelt fyllmaterial som muliggjør gasslekkasjepåvisning og gasstrykkavlastning i tilfellet lekkasje fra containervolumet. Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for lekkasjepåvisning og evakuering av fordampet lagringsfluid fra utsiden av beholderen.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører underjordisk lagring av flytende naturgass (LNG), eller annen fluid med sammenlignende egenskaper, ved nær atmosfærisk trykk i samsvar med innledningen av krav 1. Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for lekkasjepåvisning og frigjøring av fordampet fluid i tilfelle lekkasje.

Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen lagring av flytende gass ved lave temperaturer varierende fra omtrent -80°C ned til omtrent -220°C, og ved nær atmosfærisk trykk.

Noen av problemene forbundet med underjordisk lagring av flytende gass relatert til de ekstreme lave temperaturene og de steile temperaturgradientene fra lagringsområdet til omliggende berg eller jordlagene. Lagring av flytende naturgass, som er blandinger av gassaktige hydrokarboner som typisk består av 80-85 % metan og 10 % etan, hvor resten er propan, butan og nitrogen, krever kryogeniske temperaturer ned til -162°C ved nær atmosfærisk trykk. Dette er en svært krevende temperatur sammenlignet med avkjølt undergrunnslagring av flytende petroleumsgasser (LPG), som krever en temperatur på omtrent -45°C. LPG er ved denne temperaturen lagret tilfredsstillende i uordnete berghuler for mer enn tre tiår.

Fra tidligere forsøk på å lage LNG i uordnete berghuler er det kjent at de termiske lastene som påvirker bergmassene vil avspenne berget og åpne eksisterende sprekker i berget. Åpningen av sprekkene vil muliggjøre for videre lokal, ekstrem kjøling av bergmassene og således videre åpning av sprekkene. Dett vil forårsake betydelig fordampning eller "avkoking" av lagret gass. Den teoretiske berg-mekaniske oppførselen er blitt omtalt av Dahlstrom (Rock mechanical consequences of refrigeration. PhD thesis, Chalmers University of Technology, 1992).

Undergrunnslagring av LNG ved nær atmosfærisk trykk og kryogeniske temperaturer krever således termisk isolasjon og en indre gasstett membran for å unngå bruddåpninger i den omliggende bergmassen.

Eksempler på tidligere teknikker og isolasjoner for lagring av flytende gass er omtalt nedenfor: US 3418812 A beskriver en undergrunn hulrominstallasjon for lagring av flytende naturgass ved nær atmosfærisk trykk. Installasjonen har en indre væske- og gasstett kledning som dekker den overflaten til et beholdervolum dannet av et lag av isolasjonsblokker og eventuelt et ytterlige lag isolasjons-blokkerog mot bergvegg anordnet isolasjonsskum.

For eksempel teknikken med å ordne en sylindrisk lagring er omtalt i WO 86/01559A for ikke-isolerte tilfeller, eller for eksempel i US patent nr. 5.018.639 for isolerte tilfeller.

I SE 463559 A er en annen løsning presentert. Innføring av lufttrykk høyere enn det omliggende grunnvannstrykket utelukker problemer forbundet med is-trykk nært til kledningen. Dette systemet viser seg å være ustabilt med en risiko for gjennombrudd av trykkluft i den øvre delen.

I WO 87/00151 er et drenert lagringskonsept presentert. Dreneringen er designet for å utelate noe eksternt grunnvannstrykk på kledningen, men mangelen på isolasjon gjør den ikke anvendbar for kryogeniske temperaturer.

I US 2001/0002969 A1 er en kledningsinstallasjon for gasslagring under høytrykk, 3 til 25 MPa, og temperaturområde -30°C til +60°C presentert. Å benytte påsprøytet sprøytebetong som et porøst lag for å øke transporten av væske/fluid til dreneringsrørene er ikke optimal, spesielt med hensyn til operasjon ned til -30°C. Tilstedeværelse av fuktighet er uunngåelig, slik at porene sannsynligvis blir delvis fylt med is under operasjoner med lave temperaturer. Funksjonen med sprøytebetongen er tilsynelatende kun bergstøttene.

I alle de kjente lagringskonseptene er behovet for kledningsstøtte i strid med ønsket om termisk isolasjon for å redusere avkokt gass, siden all forankring representerer innstrømslekkasje av varme inn i systemet. Videre er mulig, progressiv feil på kledningen på grunn av lekkasje av det lagrete produktet ikke tatt hensyn til i denne sammenheng.

Foreliggende oppfinnelse retter seg mot problemene omtalt ovenfor og har til formål å frembringe en underjordisk lagring for flytende naturgass eller annen fluid av tilsvarende egenskaper ved atmosfærisk trykk, og hvori de ovenfor og andre problemer unngås.

Således er et første formål med foreliggende oppfinnelse å frembringe en væske og gasstett beholder som kan motstå kryogeniske temperaturer, innkapslet i berg.

Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe tilgang for import og eksport av fluid som er lagret ved kryogenisk temperatur i en beholder, innkapslet i berg.

Et videre formål med oppfinnelsen er å frembringe et gasslekkasjepåvisningssystem for en underjordisk lagring av flytende gass ved kryogeniske temperaturer, og ved nær atmosfærisk trykk.

Et videre annet formål med foreliggende oppfinnelse er å frembringe fremgangsmåte og et gasslekkasjepåvisningssystem med en kapasitet til å oppdele et lekkasjegasstrykk fra en undergrunnslagring av flytende gass ved kryogeniske temperaturer, og ved nær atmosfærisk trykk.

Disse og andre formål oppnås ved installasjonen som definert i de vedlagte kravene.

I følge oppfinnelsen frembringes en undergrunnshulromsinstallasjon for lagring av flytende naturgass eller annen fluid med tilsvarende egenskaper ved nær atmosfærisk trykk, hvor installasjonen omfatter en væske og gasstett kledning som dekker den indre overflaten til et beholdervolum, kjennetegnet ved at beholdervolumet blir dannet av isolasjonsblokker som er sammenstilt og støttet fra hulromveggen slik at et tomrom blir dannet mellom hulromsveggen og isolasjonsblokkene, hvor tomrommet er okkupert av et stabilisert, porøst og gasspermeabelt fyllmaterial som tillater gasslekkasjepåvisning og gasstrykkavlastning i tilfelle lekkasje fra beholdervolumet.

Tomrommet mellom isolasjonsblokkene og hulromsveggen kan være fylt med sementstabiliserte porøse aggregater, foretrukket lettekstruderte leirpellets eller jevnt graderte eller multi graderte aggregater.

Isolasjonsblokkene kan være atskilt fra hulromsveggen og koblet til de frie endene av støtteelementene, forankret i hulromsveggen og fremstilt fra et material med lav termisk konduktivitet, slik som fiberforsterkete glasstaver, hvor fiberglasstavene er innlagt i det stabiliserte og gasspermeable fyllmateriale og strekker seg fra hulromsveggen i en lengde som bestemmer bredden til nevnte tomrom.

Den væske- og gasstette kledningen kan være en Invar stålkledning.

Videre kan isolasjonsblokkene være polyuretan skumblokker, som har stive paneler festet til tilhørende motstående sider.

En inertgass kan bli sirkulert i det stabiliserte, gasspermeable laget, og vedvarende overvåket med hensyn til lagret fluidinnhold.

Perforerte rør kan være innlagt i de porøse, stabiliserte og sfæriske aggregatene innstøpt mellom isolasjonsblokkene og hulromsveggene, hvor rørene er anordnet i et trykkavlastningssystem distribuert om den indre beholderen og omfattende øvre og nedre aksessåpninger for sirkulasjon av overvåkningsgasstrømmen ved hjelp av undertrykk.

Den væske- og gasstette kledningen kan være tettende koblet til adkomst-rørene og penetrere den indre beholderen via en sjakt i berget, hvor den tettende tilkoblingen er innlagt i en betongplugg som fester adkomstrørene i sjakten.

I følge oppfinnelsen frembringes også en fremgangsmåte for lekkasjepåvisning og trykkavlastning av fordampet fluid i en undergrunnslagring av flytende naturgass ved nær atmosfærisk trykk, omfattende trinnene med å frembringe et stabilisert, gasspermeabelt lag som innkapsler lagringsvolumet, å innføre en inertgasstrøm i den øvre regionen til det gasspermeable laget, å trekke ut inertgasstrømmen fra et nedre område til det gasspermeable laget ved å påføre undertrykk i nevnte nedre region, å vedvarende overvåke den uttrekte gasstrømmen men hensyn til innhold av fordampet lagringsfluid, og å akselerere gasstrømmen fra den nedre regionen til det gasspermeable laget ved påvisning av en lekkasje fra legringsvolumet.

Inertgasstrømmen kan sirkuleres i et system av perforerte rør, distribuert om lagringsvolumet i det gasspermeable laget, hvor rørsystemet kan ha en øvre adkomståpning for innføring av inertgass, og en nedre adkomståpning koblet til en undertrykkskilde for uttrekking av inertgassen.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet nedenfor, hvor det henvises til de vedlagte tegningene, hvori:

Fig. 1 viser skjematisk lagringssystemet innkapslet i berg,

Fig. 2 viser et delvis snitt av lagringssystemet i større skala, og

Fig. 3 viser skjematisk et snitt av en sjakt som frembringer tilkomst til lagringssystemet.

Viser til fig. 1 hvor et undergrunnshulrom 1 er lokalisert vel under grunnvanns-nivået (ikke vist) for å sikre at en fast isring kan dannes som en andre omslutting 2 for en fluid (LNG eller annen fluid av tilsvarende egenskaper) som er lagret ved kryogeniske temperaturer og ved nær atmosfærisk trykk. Veggene, bunnen og taket til hulrommet er kledd for å produsere en hovedomslutting, eller beholder 10, for det lagrete produktet. Kledningen er videre illustrert og beskrevet med henvisning til fig. 2, som viser et utsnitt av kledningen i en større skala.

Som sett fra innsiden av beholderen er overflatene til hulrommet dekket med en gass og væsketett stålkledning 11. For stålkledningen 11 foreslås invar stål-plater og foretrukket for sin termiske stabilitet kan imidlertid for eksempel korrugert høynikkel-legeringsstål være et annet nyttig alternativ. Stålkledningen 11 er oppreist og støttet av isolasjonsblokker 12 som har stive sidepaneler med en kryogenisk isolasjon anordnet derimellom. I den illustrerte utførelsen er isolasjonsblokkene 12 prefabrikkert fra kryssfinerplater 121 påført på motstående sider av en polyuretan skumblokk 122. Blokkene 12 er sammensatt for å danne formen til hovedomsluttingen eller beholderen 10, og understøttet ved en avstand fra hulromsveggen. For å unngå varmestrøm fra berget kan støttelementer av lav termisk konduktivitet, så som fiberforsterkete glasstaver 123 forankret i berget, fungere som forankringsmidler for isolasjonsblokkene 12. Isolasjonsblokkene er understøttet fra endene av glassfiberstavene 123, hvor stavene strekker seg fra hulromsveggen med en lengde som bestemmer bredden på det frie området som dannes mellom hulromsveggen og isolasjonsblokkene 12. Fikseringsmidler, så som fikseringstenger (ikke vist i tegningene) på det indre sidepanelet til blokkene 12 fungerer som sveiseguider for hevelse av stålkledningen 11 på den indre overflaten til isolasjonsblokkene 12. Et stabilisert, gasspermeabelt fyllmaterial er anordnet som et bakfyll 13 for det tomme området. Bakfyllet 13 er foretrukket et porøst sementstabilisert fyll av lettekstruderte leirpellets, eller andre jevngraderte eller multigraderte porøse aggregater. Fordelaktig kan de sementstabiliserte aggregatene av bakfyll 13 være sfæriske aggregater i området på 6 til 22 mm i diameter. Et lag 14 av fiberforsterket sprøytebetong støtter berget til hulromsveggene.

Et system og en fremgangsmåte for gasslekkasjepåvisning og trykkavlastning er foreslått og skjematisk illustrert i fig. 2. En inertgass (så som N2eller annen edel gass) er innført i toppområdet til det porøse bakfyllet 13, gjennom perforerte, ovre innstrømningsrør 131. Strømmen av inertgass blir trukket utfra et nedre område av det porøse bakfyllet ved å påføre et lite undertrykk til det nedre, utstrømsrøret 132. Perforerte, sammenkoblete dreneringsrør 133 er innlagt i det porøse bakfyllet og distribuert om beholderen 10. Inert-gasstrømmen blir vedvarende undersøkt med hensyn til lagret fluidinnhold, og frembringer en tidlig advarsel slik at aksjoner kan utføres før en lekkasje til og med når den andre omhyllingen. I tilfelle en plutselig større lekkasje av fluid inn i det porøse bakfyllet 13, kan gasstrykket på grunn av fordampningen av den flytende gassen avlastes ved lekkasjepåvisningen og dreneringssystemet.

Tilgang til den innkapslete beholderen 10 oppnås via en sjakt 15, som rommer nødvendig røropplegg for fluideksport og import, evakuering av avkokt gass, retur av gjenvunnet og gjenomdannet flytende gass, vakuum og trykkavlast-ningsrør, overvåkningsanordninger og kommunikasjonsutstyr, etc. Sjakten er skjematisk illustrert i fig. 3 og skal videre forklares nedenfor.

Røropplegget, her illustrert av et stålrør 151, penetrerer taket til den indre kledningen 11-12 til beholderen 10. Stålrøret 151, så vel som resten av rørene i røropplegget, strekker seg gjennom en betongplugg 152, når ned hovedsakelig til nivået med taket til undergrunnshulrommet og rørene festes med hensyn til deres plassering i sjakten. Et korrigert stålrør 153 strekkes seg oppover fra stålkledningen 11 inn i betongpluggen 152. Det korrigerte stålrøret 153 omgir en nedre del av røropplegget, omfattende stålrøret 151. En stålplate 154 er omkretsmessig koblet til stålrøret 151 og alle de andre rørene til røropplegget, og lukker den øvre enden til det korrigerte stålrøret 153. En stålplate 155 tilkobles korresponderende til omkretsen av hvert penetrerende rør, og lukker den nedre enden til det korrigerte stålrøret 153. Alle tilkoblingene mellom den indre stålkledningen 11, det korrugerte stålrøret 153, stålplatene 154,155 og penetrerende rør er sveist. Således at den indre stålkledningen 11 strekker seg inn i betongpluggen for å frembringe en gasstett forbindelse med de penetrerende rørene nær festepunktene til rørene, som dermed sikrer gasstetthet, minimerer risikoen for høytemperaturspåvirkning og risikoen for utmatning på grunn av vibrasjonene i røropplegget.

Under konstruksjon av lagringsinstallasjonen må bergmassene dreneres for å unngå eksternt grunnvannstrykk. I operasjonsfasen vil de omliggende bergmassene være frosne og intet grunnvannstrykk vil være tilstedeværende. Den frosne bergmassen vil danne en andre omhylling for lagring, som allerede omtalt.

Siden et kledningssystem er nødvendig må den væske og gasstette membranen motstå kryogeniske temperaturer. De lave temperaturene vil forårsake temperaturinduserte deformasjoner eller temperaturinduserte spenninger, avhengig av graden av sammensetting. Dette problemet kan løses for eksempel ved enten å bruke invar stålkledning, som har svært liten termisk ekspansjonskoeffisient, eller å bruke høynikkel-stållegering. Men bergmassene bak membranen er ikke egnet for kryogeniske temperaturer. Siden den utgjør bæresystemet for hulen/lagringsområdet, vil ekstrem kjøling forårsake krymping og avspenning mellom bergblokkene som tilslutt kan forårsake stabilitets-problemerfor lagringen. En høydensitets polyuretanskumisolasjon, eller tilsvarende, er derfor benyttet for å senke varmeinngang til lagringen. Test og drift av LNG lagringssystemet har vist at bergmassedeformasjoner er akseptable i det minste den til en temperatur rundt -45°C som gir en nødvendig isolasjonstykkelse i området på omtrent 300-400 mm, og avhengig av de termiske egenskapene til bergmassen.

Undergrunnslagringen er for langtidsbruk sammenlignet med LNG havtransportører, og den omliggende bergmassen/jordlagene har ulik temperaturutvidelse sammenlignet med det ytre skallet normalt konstruert for overflate LNG tanker. Derfor kan varmestrømmen i mekaniske forankrings-systemer unngås og den mulige tilstedeværelsen av grunnvannstrykk må håndteres. I sammenheng med disse faktorene må sikkerheten og integriteten til lagringsanlegget tas hensyn til.

En lakkesje i den indre membranen til et isolert, underjordisk LNG lagrings-hulrom kan føre til en kjede av ugunstige konsekvenser. Den lekkende LNG vil være i en væskeform og sive ut i isolasjonen. På grunn av den steile temperaturgradienten fordamper væske LNG og et betydelig gasstrykk utvikles hurtig. Dersom ingen trykkavlastning frembringes mellom den indre kledningen og den frosne bergmassen, vil gasstrykket trolig deformere kledningen og kan øke lekkasjen. Denne prosessen kan fortsette inntil deler av isolasjonen er blitt ødelagt og deler av bergmassen er eksponert direkte til LNG. Ved denne tilstanden er fordampningen ekstrem og avkokt gass må trolig avbrennes mens anlegget må demonteres under nødforhold.

Via den strukturerte fremstillingen presentert ovenfor, er et godt permeabelt lag plassert mellom den indre kledningen og bergveggen. For å oppnå en høyere grad av sikkerhet er trykkavlastningssystemet konstruert for å muliggjøre for sirkulasjon av inertgass. De perforerte rørene innlagt i de porøse, stabiliserte sfæriske aggregatene innstøpt mellom isolasjonsblokkene og hulromsveggene er anordnet i et godt distribuert system inneholdende godt definerte øvre og nedre aksessåpninger for sirkulasjon av overvåkningsgasstrøm ved hjelp av undertrykk. Ved å analysere innholdet av den sirkulerende gassen kan tidlig oppdagelser av en lekkasje påvises og korrekte aksjoner kan utføres for å demontere lagringen under sikre forhold.

Claims (10)

1. Undergrunnshulromsinstallasjon for lagring av flytende naturgass eller annen fluid med tilsvarende egenskaper ved nær atmosfærisk trykk, hvor installasjonen omfatter en væske og gasstett kledning som dekker den indre overflaten til et beholdervolum,karakterisert vedat beholdervolumet blir dannet av isolasjonsblokker som er sammenstilt og støttet fra hulromveggen slik at et tomrom blir dannet mellom hulromsveggen og isolasjonsblokkene, hvor tomrommet er okkupert av et stabilisert, porøst og gasspermeabelt fyllmaterial som tillater gasslekkasjepåvisning og gasstrykkavlastning i tilfelle lekkasje fra beholdervolumet.

2. Installasjon i samsvar med krav 1,karakterisert vedat tomrommet mellom isolasjonsblokkene og hulromsveggen er fylt med sementstabiliserte porøse aggregater, foretrukket lettekstruderte leirpellets eller jevnt graderte eller multi graderte aggregater.

3. Installasjon i samsvar med krav 1,karakterisert vedat isolasjonsblokkene er atskilt fra hulromsveggen og koblet til de frie endene av støtteelementene, forankret i hulromsveggen og fremstilt fra et material med lav termisk konduktivitet, slik som fiberforsterkete glasstaver, hvor fiberglasstavene er innlagt i det stabiliserte og gasspermeable fyllmateriale og strekker seg fra hulromsveggen i en lengde som bestemmer bredden til nevnte tomrom.

4. Installasjon i samsvar med krav 1,karakterisert vedat den væske og gasstette kledningen er en invar stålkledning.

5. Installasjon i samsvar med krav 1,karakterisert vedat isolasjonsblokkene er polyuretan skumblokker, som har stive paneler festet til tilhørende motstående sider.

6. Installasjon i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat en inertgass blir sirkulert i det stabiliserte, gasspermeable laget, og vedvarende overvåket med hensyn til lagret fluidinnhold.

7. Installasjon i samsvar med krav 6,karakterisert vedat perforerte rør er innlagt i de porøse, stabiliserte og sfæriske aggregatene innstøpt mellom isolasjonsblokkene og hulromsveggene, hvor rørene er anordnet i et trykkavlastningssystem distribuert om den indre beholderen og omfattende øvre og nedre aksessåpninger for sirkulasjon av overvåknings-gasstrømmen ved hjelp av undertrykk.

8. Installasjon i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat den væske og gasstette kledningen tettende er koblet til adkomstrørene og penetrerer den indre beholderen via en sjakt i berget, hvor den tettende tilkoblingen er innlagt i en betongplugg som fester adkomstrørene i sjakten.

9. Fremgangsmåte for lekkasjepåvisning og trykkavlastning av fordampet fluid i en undergrunnslagring av flytende naturgass ved nær atmosfærisk trykk,karakterisert vedå omfatte trinnene med å frembringe et stabilisert, gasspermeabelt lag som innkapsler lagringsvolumet, å innføre en inertgasstrøm i den øvre regionen til det gasspermeable laget, å trekke ut inertgasstrømmen fra et nedre område til det gasspermeable laget ved å påføre undertrykk i nevnte nedre region, å vedvarende overvåke den uttrekte gasstrømmen men hensyn til innhold av fordampet lagringsfluid, og å akselerere gasstrømmen fra den nedre regionen til det gasspermeable laget ved påvisning av en lekkasje fra legringsvolumet.

10. Fremgangsmåte i samsvar med krav 9,karakterisert vedat inertgasstrømmen sirkuleres i et system av perforerte rør, distribuert om lagringsvolumet i det gasspermeable laget, hvor rørsystemet har en øvre adkomståpning for innføring av inertgass, og en nedre adkomståpning koblet til en undertrykkskilde for uttrekking av inertgassen.