PL249121B1

PL249121B1 - Underground storage, especially for liquefied natural gas

Info

Publication number: PL249121B1
Application number: PL448544A
Authority: PL
Inventors: Marcin Lutyński; Konrad Kołodziej; Łukasz Bartela
Original assignee: Politechnika Śląska
Priority date: 2024-05-13
Filing date: 2024-05-13
Publication date: 2026-03-02
Also published as: PL448544A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest podziemny magazyn, zwłaszcza na skroplony gaz ziemny LNG charakteryzuje się tym, że zabudowany jest w poeksploatacyjnym szybie kopalnianym (4) w postaci sekcji (16), zbudowanych z co najmniej jednego zbiornika kriogenicznego (5) w poziomie i dwóch zbiorników kriogenicznych (5) w pionie, usytuowanych w klatkach samonośnych (6), przy czym zbiornik (5) posiada połączenia rurowe (10) z pompami kriogenicznymi (7), a sekcja (16) posadowiona jest na dnie (11) szybu kopalnianego (4) na stopie szybowej (13), a obok sekcji (16) usytuowany jest przedział drabinowy (9) wraz z rurociągiem odmetanowania (10).The subject of the application is an underground storage facility, especially for liquefied natural gas LNG, characterized in that it is built in a post-mining mine shaft (4) in the form of a section (16) composed of at least one cryogenic tank (5) horizontally and two cryogenic tanks (5) vertically, located in self-supporting cages (6), wherein the tank (5) has pipe connections (10) with cryogenic pumps (7), and the section (16) is placed on the bottom (11) of the mine shaft (4) on the shaft footing (13), and next to the section (16) there is a ladder compartment (9) with a methane drainage pipeline (10).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest podziemny magazyn, zwłaszcza na skroplony gaz ziemny (LNG).The subject of the invention is an underground storage facility, especially for liquefied natural gas (LNG).

Skroplony gaz ziemny (z ang. Liquefied Natural Gas) to czysty gaz ziemny, składający się głównie z metanu, niewielkiej ilości etanu oraz niewielkiej ilości cięższych węglowodorów. W skroplonym gazie ziemnym mogą być również rozpuszczone niewielkie ilości azotu, który często występują w złożach gazu ziemnego. Ze względu na to, że LNG występuje w niskiej temperaturze i pobiera ciepło z otoczenia, jest przechowywany w izolowanych zbiornikach kriogenicznych, w temperaturze poniżej -162°C. Zaletą skraplania gazu jest fakt zmniejszania jego objętości 630-krotnie, skutkujące zwiększeniem gęstość energii, które to zjawisko jest szczególnie korzystne przy dystrybucji, transporcie i magazynowaniu gazu w tej formie. LNG jest bardzo dobrym nośnikiem energii, który może być wykorzystany w wielu obszarach gospodarki, a ze względów na wysoką liczbę oktanową 130 oraz duży stopień czystości, może być wykorzystywany jako paliwo silnikowe w transporcie samochodowym. Przechowywanie gazu ziemnego w stanie ciekłym jest bardzo efektywne, gdyż stosunek objętości gazu do objętości cieczy wynosi 630:1. Stan ciekły umożliwia alternatywne metody transportowania szczególnie tam, gdzie użycie konwencjonalnych gazociągów nie jest możliwe. Przy czym LNG w normach i standardach klasyfikowany jest jako płyn niebezpieczny i łatwopalny. Duża gęstość energii pozwala na magazynowanie skroplonego gazu w zbiornikach przy terminalach rozładunkowych. Po regazyfikacji gaz taki może być bezpośrednio kierowany do sieci.Liquefied natural gas (LNG) is pure natural gas, consisting primarily of methane, a small amount of ethane, and a small amount of heavier hydrocarbons. Small amounts of nitrogen, which is often found in natural gas deposits, may also be dissolved in LNG. Because LNG occurs at low temperatures and absorbs heat from the environment, it is stored in insulated cryogenic tanks at temperatures below -162°C. The advantage of liquefying the gas is that its volume is reduced 630-fold, resulting in an increased energy density, which is particularly beneficial for the distribution, transport, and storage of gas in this form. LNG is a very good energy carrier that can be used in many areas of the economy. Due to its high octane number of 130 and high purity, it can be used as a motor fuel in road transport. Storing natural gas in a liquid state is very efficient, as the gas-to-liquid ratio is 630:1. The liquid state allows for alternative transportation methods, especially where conventional pipelines are not feasible. However, LNG is classified as a hazardous and flammable liquid by law. Its high energy density allows for storage of liquefied gas in tanks at unloading terminals. After regasification, the gas can be fed directly into the grid.

Skroplony gaz ziemny jest magazynowany w kriogenicznych zbiornikach prefabrykowanych o objętości od kilku do ponad stu m³ (najczęściej 60 m³). Wnętrze takich zbiorników wykonane jest z nierdzewnej stali, a obudowa zewnętrzna - ze stali konstrukcyjnej, zabezpieczonej powłoką antykorozyjną, która też ma za zadanie odbijanie ciepła od promieniowania słonecznego. Istotną częścią takiego zbiornika jest wielowarstwowa izolacja termiczna oraz wysoka próżnia, która pozwala na utrzymanie cieczy LNG w temperaturze -162°C. Zbiorniki takie mogą być instalowane pod oraz nad ziemią.Liquefied natural gas is stored in prefabricated cryogenic tanks with volumes ranging from a few to over 100 cubic ^meters (usually 60 cubic ^meters ). The interior of these tanks is made of stainless steel, while the exterior is made of structural steel protected by an anti-corrosion coating, which also serves to reflect heat from solar radiation. A key element of such a tank is multi-layer thermal insulation and a high vacuum, which allows the LNG liquid to be maintained at a temperature of -162°C. Such tanks can be installed underground or above ground.

Kolejnym rodzajem zbiorników mogących magazynować LNG jest zbiornik pojedynczy, cechuje się możliwością przechowywania nisko temperaturowych substancji jedynie w zbiorniku wewnętrznym, zbiornik zewnętrzny mieści jedynie izolacje kriogeniczne oraz ewentualne opary gazu ale nie rozlany produkt. Kolejnym typem zbiorników są zbiorniki dwukomorowe, różnią się od pojedynczych możliwością niezależnego pomieszczenia całego wycieku skroplonego gazu. Celem zbiornika zewnętrznego jest pomieszczenie całego wycieku, ale nie oparów powstałych na jego skutek. Ostatnim rodzajem zbiorników na skroplony gaz ziemny jest zbiornik pełnokomorowy. Cechuje się tym, że zarówno zbiornik wewnętrzny i zewnętrzny jest w stanie pomieścić cały rozlany gaz oraz jest w stanie kontrolować opary powstałe na skutek takiego wycieku.Another type of tank suitable for LNG storage is a single tank. This type can store low-temperature substances only in the inner tank. The outer tank contains only cryogenic insulation and any gas vapors, but not the spilled product. Another type of tank is a dual-chamber tank. These differ from single-chamber tanks in that they can independently contain the entire liquefied gas leak. The outer tank is designed to contain the entire leak, but not the resulting vapors. The final type of liquefied natural gas tank is a full-chamber tank. Both the inner and outer tanks are capable of containing the entire spilled gas and controlling the vapors generated by such a leak.

Zbiorniki do magazynowanie LNG są powszechnie używane na świecie, zazwyczaj wiąże się to z wyznaczaniem sporych stref bezpieczeństwa wokół i dużych nakładów finansowych. Celem wynalazku jest podziemna konstrukcja zapewniająca użyteczność wykorzystania szybów kopalnianych.LNG storage tanks are widely used worldwide, usually requiring the creation of significant safety zones and significant financial outlays. The goal of this invention is an underground structure that ensures the usability of mine shafts.

Istotą wynalazku jest podziemny magazyn zwłaszcza na skroplony gaz ziemny (LNG) charakteryzujący się tym, że zabudowany jest w poeksploatacyjnym szybie kopalnianym w postaci sekcji, zbudowanych z co najmniej jednego zbiornika kriogenicznego w poziomie i dwóch zbiorników kriogenicznych w pionie, usytuowanych w klatkach samonośnych, przy czym zbiornik posiada połączenia rurowe z pompami kriogenicznymi, a sekcja posadowiona jest na dnie szybu kopalnianego na stopie szybowej. Obok sekcji usytuowany jest przedział drabinowy wraz z rurociągiem odmetanowania. Pod gruntem znajduje się stacja załadunku i regazyfikacji. Podziemny magazyn zabezpieczony jest włazem.The invention is based on an underground storage system, specifically for liquefied natural gas (LNG), installed in a post-mining mine shaft in the form of sections composed of at least one horizontal cryogenic tank and two vertical cryogenic tanks, positioned in self-supporting cages. The tank has pipe connections to cryogenic pumps, and the section is mounted at the bottom of the mine shaft on a shaft footing. A ladder compartment with a methane drainage pipeline is located next to the section. A loading and regasification station is located underground. The underground storage system is secured with a hatch.

Wynalazek znajduje zastosowanie w sieci magazynów LNG zapewniającej ciągłość dostaw i bezpieczeństwo energetyczne infrastruktury krytycznej w sytuacji ograniczonych dostaw, zwłaszcza jako terminal magazynowo przeładunkowy.The invention is used in a network of LNG storage facilities ensuring continuity of supply and energy security of critical infrastructure in situations of limited supplies, especially as a storage and transhipment terminal.

Przestrzeń magazynowa jest usytuowana w rurze szybowej szybu kopalni stanowiącej korpus konstrukcji. Szyb ten ze względu na zakończenie prac górniczych i oddanie kopalni do likwidacji zostałby ponownie zaadoptowany do nowego celu i wykorzystany gospodarczo.The storage space is located in the mine shaft pipe, which forms the main body of the structure. This shaft would be repurposed and put to commercial use once mining operations are completed and the mine is decommissioned.

Użyteczność wykorzystania szybów kopalnianych polega na zredukowaniu kosztów budowy konstrukcji nośnej, zredukowaniu kosztów likwidacji szybu, zapewnieniu bezpieczeństwa magazynu w sytuacji kryzysowej poprzez jego ukrycie pod ziemią. Konstrukcja wynalazku pozwala na podniesienie bezpieczeństwa magazynu i zapewnienia dostaw medium do infrastruktury krytycznej takiej jak np. szpitale, zakłady produkcyjne itp. poprzez usytuowanie zbiorników pod ziemią. Zaletą rozwiązania jest re dukcja kosztów związanych z budową magazynu poprzez wykorzystanie istniejących wyrobisk udostępniających w postaci szybów oraz zwiększenie zysków wynikających z dzierżawy lub sprzedaży infrastruktury pokopalnianej w innych celach aniżeli likwidacja. Warto nadmienić, iż na terenach likwidowanych kopalń znajduje się zwykle więcej niż jeden szyb oraz cała infrastruktura kolejowa, która po nieznacznej przebudowanie, mogłaby posłużyć do transportu cystern LNG. Konstrukcja magazynu według wynalazku jest segmentowa i pozwala na wyciąganie i opuszczanie pojedynczego zbiornika lub segmentu zbiorników.The utility of using mine shafts lies in reducing the costs of constructing the supporting structure, reducing the costs of shaft decommissioning, and ensuring the safety of the storage facility in a crisis by concealing it underground. The design of the invention allows for improved storage facility security and ensuring the supply of fluids to critical infrastructure such as hospitals, production plants, etc. by locating tanks underground. The advantage of this solution is the reduction of storage facility construction costs by utilizing existing access pits in the form of shafts and increasing profits from leasing or selling post-mine infrastructure for purposes other than decommissioning. It is worth noting that decommissioned mines typically have more than one shaft and extensive rail infrastructure, which, with minor reconstruction, could be used to transport LNG tanks. The storage facility's design, according to the invention, is segmented and allows for the extraction and lowering of a single tank or tank segment.

Wynalazek przedstawiony jest na rysunku na którym fig. 1 pokazuje podziemny magazyn w widoku w pionie, a fig. 2 w widoku z góry, z widocznymi zbiornikami po dwa w poziomie, obok siebie.The invention is presented in the drawing, where Fig. 1 shows the underground storage in a vertical view, and Fig. 2 in a top view, with two tanks visible horizontally, next to each other.

Wynalazek przedstawiono w przykładzie realizacji.The invention is presented in an example embodiment.

Szyb pokopalniany 4 o średnicy 8 m i dowolnej głębokości, po likwidacji klasycznymi metodami likwidacji szybów poprzez zabezpieczenie podszybi na przykład tamą izolacyjną z korkami izolacyjnymi, a następnie zasypaniem szybu materiałami używanymi do zasypu takimi jak skała płonna, żużel czy popioły lotne do poziomu około -250 m od powierzchni. Na dnie 11 szybu 4 wykonana jest żelbetowa stopa szybowa 13, która odizoluje materiał zasypowy od magazynu 8 posadowiona jest sekcja 16 złożona z dwóch zbiorników kriogenicznych 5 w poziomie i dwóch zbiorników kriogenicznych 5 w pionie. W przykładzie jest sześć sekcji 16, co daje dwanaście zbiorników kriogenicznych 5, gdzie każdy zbiornik 5 jest o średnicy 3,40 m i wysokości 19,40 m zabudowanych w stalowych klatkach samonośnych 6. Wielkość stopy żelbetowej 13 jest dopasowana do zastałych warunków geomechanicznych i docelowej wielkości magazynu 8. Przez magazyn 8 rozumie się całość elementów od 3-13. Pod powierzchnią gruntu 1 znajduje się stacja załadunku i regazyfikacji 2. Cała konstrukcja magazynu 8 zabezpieczona jest włazem 3. Każdy zbiornik kriogeniczny 5 posiada zawory kriogeniczne 12 i połączenia rurowe 10 z pompami kriogenicznymi 7. Obok sekcji 16 zbiorników kriogenicznych 5 usytuowane są przedział drabinowy 9 i rurociąg odmetanowania 15. Całość zabezpieczona jest płytą żelbetową z włazem 3. 14 to kolumna zasypowa. Właz 3 ma funkcję rewizyjno-serwisową. Taka konstrukcja pozwala na osiągnięcie pojemności magazynowej 2140 m² co odzwierciedla pojemność około 67 cystern kontenerowych używanych w transporcie drogowym. Energia elektryczna zasilająca infrastrukturę do regazyfikacji i transportu medium magazynowanego może być dodatkowo pozyskiwana w procesie spalania metanu w silniku tłokowym zasilanym metanem ujętym z pobliskich wyrobisk instalacją odmetanowania. Gaz pobierany z rurociągu odmetanowania wyrobisk znajdujących się w pobliżu magazynu wykorzystywany jest do napędzania urządzeń infrastruktury magazynowej (np. parowniki, pompy kriogeniczne, oświetlenie) poprzez jego spalanie w silnikach tłokowych zlokalizowanych w pobliżu magazynu.A post-mining shaft 4, 8 m in diameter and of any depth, was closed using conventional shaft closure methods by securing the shaft bases, for example, with an insulating dam with insulating plugs, and then backfilling the shaft with backfilling materials such as waste rock, slag, or fly ash to a level of approximately -250 m from the surface. At the bottom 11 of shaft 4, a reinforced concrete shaft base 13 was constructed, isolating the backfill material from storage 8. Section 16 was constructed, consisting of two cryogenic tanks 5 horizontally and two cryogenic tanks 5 vertically. In the example there are six sections 16, which gives twelve cryogenic tanks 5, where each tank 5 has a diameter of 3.40 m and a height of 19.40 m, built in steel self-supporting cages 6. The size of the reinforced concrete footing 13 is adapted to the existing geomechanical conditions and the target size of the warehouse 8. Warehouse 8 is understood as the entirety of elements 3-13. Under the ground surface 1 there is a loading and regasification station 2. The entire structure of warehouse 8 is secured with a manhole 3. Each cryogenic tank 5 has cryogenic valves 12 and pipe connections 10 with cryogenic pumps 7. Next to section 16 of cryogenic tanks 5 there is a ladder compartment 9 and a methane drainage pipeline 15. The whole is secured with a reinforced concrete slab with a manhole 3. 14 is a charging column. Manhole 3 serves an inspection and service purpose. This design allows for a storage capacity of 2,140 ^m² , which is equivalent to approximately 67 tank containers used in road transport. Electricity powering the regasification and transport infrastructure can be additionally generated by combustion of methane in a piston engine powered by methane captured from nearby mines by a methane drainage system. Gas drawn from the methane drainage pipeline from the mines located near the warehouse is used to power warehouse infrastructure equipment (e.g., evaporators, cryogenic pumps, lighting) through combustion in piston engines located near the warehouse.

Claims

1. Underground storage, especially for liquefied natural gas (LNG), characterized in that it is installed in a post-mining mine shaft (4) in the form of a section (16) composed of at least one cryogenic tank (5) horizontally and two cryogenic tanks (5) vertically, located in self-supporting cages (6), wherein the tank (5) has pipe connections (10) with cryogenic pumps (7), and the section (16) is placed on the bottom (11) of the mine shaft (4) on a shaft footing (13), and next to the section (16) there is a ladder compartment (9) with a methane drainage pipeline (10).

2. Underground storage facility according to claim 1, characterized in that a loading and regasification station (2) is located underground (1).

3. Underground warehouse according to claim 1, characterized in that it is secured with a hatch (3).