專利名稱：加溫和儲存冷流體的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及a)使用熱交換器對冷流體如液化天然氣(LNG)加溫，和b)在無鹽水補充的鹽洞中儲存所產(chǎn)生的流體。在另一可選擇的實施例中，可使用普通的蒸發(fā)系統(tǒng)在儲存到無鹽水補充的鹽洞之前對冷流體加溫。
背景技術(shù)：
美國使用的大部分天然氣是在沿墨西哥灣岸區(qū)生產(chǎn)的。在陸上和海上都設(shè)有眾多的管線網(wǎng)，將天然氣從井口傳輸?shù)绞袌?。世界的其他部分也生產(chǎn)天然氣，但時常沒有管線網(wǎng)不能將天然氣輸送到市場。在天然氣工業(yè)，這種天然氣通常稱作“無法利用的”，因為沒有現(xiàn)成的市場或沒有管線連接。結(jié)果是，這種無法利用的氣體，其通常是與原油一起生產(chǎn)的，常常是一炬沖天燒掉。這種情況有時稱作“火炬”(flared off)。
為了更有效地利用這種無法利用的氣體，已經(jīng)開發(fā)出不同的商業(yè)理念。一個想法是在天然氣源附近建設(shè)石化廠，利用天然氣作為工廠的原料。由此，已經(jīng)在全世界建沒了多個氨和尿素廠。
另一種方法是在天然氣源或其附近將天然氣液化通過運輸船將LNG運輸?shù)浇邮沾a頭。通過LNG接收設(shè)施，從運輸船卸下LNG，儲存在岸上的低溫罐中。某些地方，將LNG從低溫儲罐傳送到普通的蒸發(fā)系統(tǒng)進行氣化。然后氣體通過管線輸送到市場。在這個過程開始時，液化要消耗9-10％體積的LNG，過程結(jié)束時氣化要消耗額外的2-3％體積的LNG。就申請人所知，目前尚沒有普通的使用蒸發(fā)系統(tǒng)的LNG設(shè)施將產(chǎn)生的氣體儲存在鹽洞中。普通的帶有蒸發(fā)器的LNG設(shè)施將所有產(chǎn)生的氣體輸送到管線并通過管線傳送到市場。
目前世界范圍內(nèi)已有超過100艘的LNG運輸船在使用，更多艘已經(jīng)定購。LNG運輸船專門設(shè)計成可運輸溫度為-250°F或低于該溫度和接近或稍大于大氣壓力的低溫液體LNG。此外運輸船可用LNG來行駛，可抵抗淹沒以保持大約40英尺的恒定吃水深度。LNG運輸船目前投入使用的尺寸和容量并不統(tǒng)一，一些船可容納大約為30億立方尺的氣體(大約為840,000桶)或更多。將來一些船將具有更大的容量，容量可達50億立方尺。LNG以液體形式運輸?shù)脑蛑皇且驗檎紦?jù)較少的空間。
世界上已設(shè)有許多LNG設(shè)施。美國已有兩個LNG接收站在運行(一個位于麻薩諸塞州的Everett，另一個位于路易斯安那州的Southof Lake Charies)。還有兩個正在整修(一個位于馬里蘭州的Cove Point，另一個位于喬治亞州的Elba island)。美國還要建設(shè)的另外LNG設(shè)施已經(jīng)由不同的有關(guān)方宣布。
美國的LNG接收設(shè)施一般包括卸下氣體的泵和設(shè)備、低溫儲存罐和普通的蒸發(fā)系統(tǒng)，以將LNG轉(zhuǎn)換成氣體。在通過管線將氣體輸送到市場前，可使用傳統(tǒng)的設(shè)備對氣體添加臭味。LNG終端設(shè)備一般設(shè)計用于調(diào)峰，或作為基本負(fù)荷設(shè)備?；矩?fù)荷LNG氣化是用于某系統(tǒng)的術(shù)語，該系統(tǒng)要求對基本負(fù)荷有幾乎恒定LNG氣化，不能對天然氣分配系統(tǒng)的季節(jié)性的或峰值增量的要求進行周期性氣化。在典型的基本負(fù)荷LNG設(shè)備，LNG運輸船每隔3-5天到達，卸下LNG。LNG以液體形式(溫度大約為-250°F)從船上泵到LNG儲罐，在低壓(大約一個大氣壓)下的以液體形式存放。一般要用12小時或更多的時間將LNG從運輸船泵到岸上的低溫儲罐。
LNG運輸船的建造價格在100,000,000美元以上。因此希望盡可能快地將LNG卸下，以便船只可回到海上裝運另一批LNG。典型的美國LNG基本負(fù)荷設(shè)備具有3個或4個具有不同容量的低溫存儲罐，其容量范圍在250,000到400,000桶之間。許多目前使用的LNG運輸船具有大約840,000桶的容量。因此一條LNG運輸船的全部裝載量要由多個低溫存儲罐來容納。在重新大部分清空之前這些罐不能存放另一條船的LNG。
傳統(tǒng)的基本負(fù)荷LNG終端設(shè)備將從低溫罐連續(xù)氣化LNG，將其泵入管線輸送到市場。所以，在兩條船的間隔期間(3到5天)，設(shè)備要使LNG轉(zhuǎn)換成氣體(涉及重新氣化，氣化或蒸發(fā))，使低溫罐空出空間進行下一次裝載。裝載和氣化LNG的終端設(shè)備每天可產(chǎn)生超過10億立方尺的氣體?？傊?，運輸船每隔幾天到達，但基本負(fù)荷設(shè)備的LNG氣化一般是連續(xù)工作的。傳統(tǒng)的氣化系統(tǒng)，對所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，用于加溫和將LNG轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂玫臍怏w。在氣化系統(tǒng)中對大約-250°F的LNG加溫，使其在傳輸?shù)焦芫€之前從液相轉(zhuǎn)變到可用的氣體。不幸的是，在氣化過程中一些氣體要用作熱源，或者如果使用環(huán)境溫度的流體，就要求設(shè)置很大的熱交換器。所以需要有更經(jīng)濟的方式來將LNG從冷液體轉(zhuǎn)變到可使用的氣體。
LNG低溫儲存罐的建造和保養(yǎng)維修成本是很高的。此外，低溫罐設(shè)置在地面上可能成為恐怖分子的目標(biāo)。因此基本負(fù)荷和調(diào)峰設(shè)備需要有新的方式來接收和存放LNG。具體地，需要開發(fā)一種新方法，消除建造昂貴的低溫存儲罐的必要。更重要的是，需要有更可靠的方式來存放巨量的可燃材料。
世界上存在許多不同類型的鹽層構(gòu)造。但不是所有的鹽層構(gòu)造而只是其中一部分適合作為存放碳?xì)浠衔锏亩囱?。例如，上凸型鹽洞通常適合用作洞穴存放。在美國已有超過300個鹽穹(saltdome)，其中許多位于離岸的領(lǐng)海中。已知道鹽穹也存在于世界上的其他地方，包括墨西哥，巴西的東北部和歐洲。鹽穹是鹽的固體形式，具有的中心溫度為90°F或更高?？上螓}穹鉆井，可通過井將淡水注入鹽中形成鹽洞。鹽洞存放碳?xì)浠衔锸且环N已有技術(shù)，已在石油和天然氣工業(yè)得到很好應(yīng)用。鹽洞能夠存放大量的流體。鹽洞具有很高的輸出能力，最重要的一點是鹽洞極為可靠。例如，美國戰(zhàn)略石油儲備計劃現(xiàn)在已經(jīng)在路易斯安那和德克薩斯州，如在德州的Bryan Mound的鹽洞中儲存了大約600,000,000桶原油。
當(dāng)?shù)⑷肷贤剐望}洞中，鹽溶解形成鹽水，鹽水返回到地面。注入鹽穹的淡水越多，形成的鹽洞越大。常?？梢园l(fā)現(xiàn)許多鹽穹頂部的深度小于1500英尺。鹽洞是個細(xì)長的腔室，長度可達1500英尺，容積在3到15,000,000桶之間變化。最大的可容納大約4千萬桶。各鹽洞完全被鹽構(gòu)造包圍，所以不會泄漏到周圍的地層或另外的鹽洞。在一個鹽穹中一般可形成多個鹽洞。目前，在美國和加拿大有超過1000個鹽洞用于儲存碳?xì)浠衔铩?br> 鹽洞儲存采用兩種不同的傳統(tǒng)技術(shù)，補充鹽水的和無鹽水補充的。在補充鹽水的鹽洞，鹽水或水泵入鹽洞的底部以置換碳?xì)浠衔锘蚱渌a(chǎn)品，使之離開鹽洞。產(chǎn)品浮在鹽水的頂部。當(dāng)產(chǎn)品注入鹽洞中，鹽水被頂出。碳?xì)浠衔锊粫c鹽水混合，使鹽水成為理想的用于補充鹽洞的流體。在無鹽水補充的存儲鹽洞中，不使用置換流體。無鹽水補充的鹽洞一般用于存放井中產(chǎn)出的天然氣。高壓壓力機用于將天然氣注入到無鹽水補充的鹽洞中。鹽洞中必須留一些天然氣以防止鹽滑移造成鹽洞封閉。必須留在無鹽水補充的鹽洞中的氣體體積在所涉及的工業(yè)有時被稱作“軟墊”。這樣，氣體提供了鹽洞必須保有的最小儲存壓力。而且，就本申請人所知，目前的LNG接收設(shè)備都不是從罐中取出LNG，對其進行氣化，然后將產(chǎn)生的氣體存放在鹽洞中。
儲存天然氣的無鹽水補充的鹽洞最好在溫度大約+40°F到+140°F之間和壓力為1500到4000磅/平方英寸(表壓)的范圍使用。如果溫度在零度以下的低溫流體泵入鹽洞中，將發(fā)生鹽的熱開裂，破壞鹽洞的整體性。出于這個原因，溫度非常低的LNG不能存放在普通的鹽洞中。如果流體高于140°F泵入鹽洞，將促進位移和減小鹽洞的體積。
本發(fā)明涉及到Bishop一步法。這種方法消除了設(shè)置昂貴的低溫儲罐的必要性。本發(fā)明使用高壓泵系統(tǒng)來增加LNG的壓力，從大約一個大氣壓到大約1200磅/平方英寸或更高。壓力增加改變了LNG的狀態(tài)，使其從低溫液體變成致密相天然氣(DPNG)。本發(fā)明還使用了獨特的熱交換器，稱作Bishop法熱交換器，可安裝在岸上和海上以提高DPNG的溫度，可從大約-250°F提高到大約+40°F，這樣，溫暖的DPNG就可以儲存在無鹽水補充的鹽洞中。此外，DPNG還可以存放在其他類型的鹽洞中，只要地質(zhì)構(gòu)造沒有泄漏。所有這些技術(shù)消除了設(shè)置普通的安裝到地面的低溫儲存罐的必要。地下儲存比傳統(tǒng)的系統(tǒng)更可靠，如戰(zhàn)略石油儲備所使用的鹽洞存放系統(tǒng)已經(jīng)證明的。一旦實施本發(fā)明，LNG加溫，從液體轉(zhuǎn)變?yōu)镈PNG，還可通過節(jié)流閥或調(diào)節(jié)器輸送到管線，再輸送到市場。在可選擇的實施例中，在存放到無鹽水補充的鹽洞之前，可用傳統(tǒng)的蒸發(fā)系統(tǒng)來氣化LNG。
美國專利No.5,511,905為本發(fā)明的受讓人所有。William M.Bishop也是本申請和美國專利No.5,511,905的共同發(fā)明人。該現(xiàn)有技術(shù)專利公開了在補充鹽水的鹽洞中通過熱交換器用鹽水(大約為90°F)對LNG加溫。該專利介紹了如何將致密相儲存到補充鹽水的鹽洞中。美國專利No.5,511,905未介紹如何使用無鹽水補充的鹽洞。美國專利No.5,511,905公開了使用地面上的熱交換器對冷流體進行加溫。地面的熱交換器對從罐卸下的冷流體進行加熱以便通過管線傳輸。通過地面的熱交換器的鹽水可從鹽水池泵入，而不是從地下洞穴泵送。
美國專利No.6,289,671由BP Amoco Corporation公司所有，該專利涉及生產(chǎn)、傳輸、卸下、儲存和分配天然氣到市場的方法。該專利介紹了天然氣在遠距離的第一地下構(gòu)造的天然氣田的生產(chǎn)。天然氣進行液化并運輸?shù)搅硗獾牡胤健NG重新進行氣化，并注入到能夠儲存天然氣的第二地下構(gòu)造中，該構(gòu)造為耗盡或至少部分耗盡天然氣的地下構(gòu)造，從前進行過相當(dāng)大量的天然氣生產(chǎn)以調(diào)節(jié)由生產(chǎn)井、采集裝置和分配管線組成的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以從地下構(gòu)造分配天然氣到市場。該專利介紹了在氫氧化物形成水平以上的32°F到大約80°F溫度下和大約200到大約2500psig的壓力條件下，將重新氣化的天然氣注入到廢棄或部分廢棄的天然氣田。該發(fā)明沒有提到鹽洞。該發(fā)明沒有提到致密相或其重要性。此外，非表示鹽洞儲存的廢棄和部分廢棄的氣體空間的注入和排出容量存在限制。此外，非表示鹽洞儲存的廢棄空間和注入氣體之間的溫度差對廢棄空間將帶來問題。出于所有這些原因，鹽洞要比低溫儲罐或廢棄的氣體空間更適合用于現(xiàn)代的LNG設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
Bishop一步法使用安裝到岸上的熱交換器和安裝到海上平臺或海底的熱交換器對冷流體加溫，并將得到的DPNG儲存在無鹽水補充的鹽洞中。在另一可選擇的實施例中，傳統(tǒng)的LNG氣化器系統(tǒng)也可以用來在儲存到無鹽水補充的鹽洞或通過管線進行傳輸之前氣化冷流體。
術(shù)語“冷流體”在本文中是指液化天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)、液態(tài)氫、液氦、液態(tài)烯族烴、液態(tài)丙烷、液體丁烷、冷卻的壓縮天然氣和其他的保持零度以下溫度的流體，這樣就可以液體形式而不是氣體進行傳輸。
本發(fā)明的熱交換器使用溫暖的流體來提高冷流體的溫度。該溫暖的流體在熱交換器中使用因此稱作加溫水，加溫水可以是淡水或海水。也可使用其他的來自工業(yè)生產(chǎn)過程的加溫水，這些加溫水在工藝過程中用于冷卻該工藝所用的液體。
為了得到具有水平流動結(jié)構(gòu)的熱交換器，比如Bishop一步法熱交換器，重要的一點是冷流體的溫度和壓力要使流體保持致密相或臨界相，所以在冷流體加溫到希望溫度的過程中不發(fā)生相變。這樣可消除兩相流具有的問題，如層化、空化和氣阻。
致密相或臨界相定義為當(dāng)流體位于該流體的溫度-壓力相圖的兩相包絡(luò)線外面時的狀態(tài)(見圖9)。在這種條件下，液體和氣體沒有明顯的差別，加溫時的密度改變是逐漸進行的沒有相變發(fā)生。這樣就使Bishop一步法熱交換器減少或避免了層化、空化和氣阻等氣液兩相流所帶來的問題。


圖1是用于Bishop一步法的設(shè)備的示意圖，包括碼頭區(qū)的熱交換器、鹽洞和管線；圖2是圖1熱交換器的放大的截面圖，流體箭頭表示平行流動路徑，表面容器或蓄水池用于存放加溫水；圖3是圖2的熱交換器的截面圖，除了現(xiàn)在流體箭頭表示反向流動路徑，表面容器或蓄水池用于存放加溫水；圖4是用于海上Bishop一步法的設(shè)備的示意圖，包括安裝到海底的熱交換器、鹽洞、和管線；圖5是部分圖4設(shè)備的放大截面圖，顯示了安裝到海底的平行流動熱交換器；圖6是沿圖2的截面6-6的熱交換器部分的截面圖；圖7是熱交換器的可選擇實施例的截面圖；圖8是熱交換器的可選擇的第二實施例的截面圖；圖9是天然氣的溫度-壓力相圖；圖10是可選擇實施例的示意圖，包括了氣化冷流體的蒸發(fā)系統(tǒng)，氣體其后儲存在鹽洞中，而不是先去到低溫儲罐。
具體實施例方式
圖1是用于Bishop一步法的設(shè)備的示意圖，包括碼頭區(qū)的用于將冷流體轉(zhuǎn)換為致密相流體的熱交換器，以便輸送到各種地下儲存設(shè)施和/或管線(圖1未按比例繪制)。整個岸上設(shè)施用數(shù)字19來整體地代表。海水20覆蓋了大部分但不是全部的地球24表面22。地球24的表面22下形成了各種類型的地層和構(gòu)造。例如，鹽穹26是沿墨西哥灣岸區(qū)在陸上27和海上形成的常見構(gòu)造。
井孔32從地面22穿過地球24延伸進入鹽穹26。無鹽水補充的鹽洞34已經(jīng)利用所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道的技術(shù)在鹽穹26中沖刷出來。另一口井36從地面22通過地球24和鹽穹26延伸進入第二無鹽水補充的鹽洞38。鹽穹26的上表面40最好位于地面22下大約1500英尺，雖然鹽穹位于岸上27或海上28的其他深度也是可以的。典型的鹽洞34可設(shè)置在地球24的地面22之下2500英尺，其高度為大約2000英尺，直徑在大約200英尺。鹽洞34的尺寸和容量可變化。鹽穹和鹽洞可完全設(shè)置在岸上27，海上28或其間的某個位置。管線42設(shè)置在地球24的表面22之下。
碼頭44建造在港口(未顯示)的底部46，冷流體運輸船48?？吭诖a頭44。冷流體運輸船48一般具有多個低溫倉50，用于存放冷流體51。冷流體以具有零度以下溫度的液體形式從低溫倉50進行傳輸。低壓泵系統(tǒng)52位于低溫倉50中或運輸船48，以幫助卸下冷流體51。
在冷流體運輸船48?？康酱a頭44后，碼頭44上的鉸接管路系統(tǒng)54，其包括軟管和柔性的裝載臂，連接到運輸船48上的低壓泵系統(tǒng)52。鉸接的泵系統(tǒng)54的另一端連接到高壓泵系統(tǒng)56，其安裝在碼頭44或碼頭附近。LNG工業(yè)使用各種類型的泵，包括垂直、多級深井輪機、多級潛水和多級水平等類型。
當(dāng)開始卸載操作時，低壓泵系統(tǒng)52和高壓泵系統(tǒng)56將冷流體51從運輸船48的低溫倉50通過軟管、柔性的裝載臂、鉸接管路54和另外的管路58輸送到本發(fā)明所用熱交換器62的入口60。當(dāng)冷流體51離開高壓泵系統(tǒng)56時，由于泵的壓力，流體已轉(zhuǎn)變成為致密相流體64。術(shù)語“致密相流體”將在下面結(jié)合附圖9進行更詳細(xì)的討論。Bishop法熱交換器62對冷流體加溫到大約+40°F或更高，這取決于下游的要求。該熱交換器利用流體的致密相狀態(tài)和流體的高弗勞德數(shù)來保證熱交換過程不發(fā)生層化、相變、穴化和氣阻，這與流體相對重力的方向無關(guān)。這些條件對于加溫操作是基本的，下面將參考圖9進行詳細(xì)的討論。當(dāng)冷流體51離開熱交換器62的出口63時成為致密相流體64。柔性接頭65或膨脹接頭連到熱交換器62的出口63以配合熱交換器62內(nèi)的適合低溫的管路61的膨脹和收縮，如圖2的清楚顯示。高鎳鋼適合用作管路61。
管路70連接熱交換器62到井口72，其安裝到井36。另外的管路74連接熱交換器62到安裝在井32的另一井口76。高壓泵系統(tǒng)56有足夠的壓力傳送致密相流體64通過柔性接頭65、管路70、通過井口72和井36進入無鹽水補充的鹽洞38。類似地，高壓泵系統(tǒng)56產(chǎn)生的壓力足以傳送致密相流體64通過柔性接頭65、管路70和74，通過井口76和井32進入無鹽水補充的鹽洞34。致密相流體64因此可通過井32和36注入儲存到無鹽水補充的鹽洞34和38。
此外，致密相流體64可從熱交換器62通過管路78傳輸?shù)焦?jié)流閥80或調(diào)節(jié)器，節(jié)流閥通過另外的地下或地面管路84連接到管線42的入口86。致密相流體64然后通過管線42傳送到市場(管線42也可以設(shè)置在地面上)。
如果需要另外的泵，可將泵設(shè)置在管路系統(tǒng)的適當(dāng)位置，其未在示意圖中顯示。冷流體51也可以通過內(nèi)陸的水路、火車或卡車(未顯示)輸送到設(shè)備19。
圖2是Bishop法熱交換器62的放大截面圖(圖2未按比例繪制)。熱交換器62可由一部分或多個部分形成，如圖2所示。熱交換器62中的部分?jǐn)?shù)量取決于設(shè)備19的空間結(jié)構(gòu)和覆蓋區(qū)、冷流體51的溫度、加溫水99的溫度和其他因素。熱交換器62包括第一部分100和第二部分102。術(shù)語“加溫水”在本文中是指淡水19(包括河水)或海水20，或任何其他適當(dāng)?shù)牧黧w，包括那些參與要求對流體進行冷卻的工藝，如冷凝工藝，的流體。
熱交換器62的第一部分100包括適應(yīng)低溫的中心管路61和外管道104。高鎳鋼管適合這種低溫場合。內(nèi)部的適合低溫的管路61通過多個中心定位件106，108和110位于外管道104的中心或中心附近。
加溫水99流過熱交換器62的第一部分100的環(huán)形區(qū)101。環(huán)形區(qū)101由適合低溫的管路61的外徑和外管道104的內(nèi)徑形成。
熱交換器62的第二部分102類似地由適合低溫的管路61和外管道112形成。通過多個中心定位件114，116和118適合低溫的管路61位于外管道112的中心或中心附近。所有的中心定位件106、108、110、114、116和118一般與圖6所示相同地形成。
第一表面容器120，有時稱作蓄水池，和第二表面容器122在岸上27形成，其靠近熱交換器62并用于存放加溫水99。管路124連接第一容器120到低壓泵126。管路128連接低壓泵126到端口130，以便容器122和熱交換器62的第一部分100流體連通。加溫水流過環(huán)形區(qū)101，如流體箭頭所示，在端口132離開熱交換器62的第一部分100，如流體箭頭所示。另外的管路134連接端口132到第二容器122。
管路136連接第一容器120到低壓泵138。管路140連接低壓泵138到端口142，端口在熱交換器62的第二部分102上形成。加溫水通過泵138從第一容器120泵到環(huán)形區(qū)，環(huán)形區(qū)103在適合低溫的管路61的外徑和外管道112的內(nèi)徑之間形成。加溫水99流過熱交換器62的第二部分102的環(huán)形區(qū)103，如流體箭頭所示，在端口144離開，端口通過管路146連接到第二容器122。冷流體51以冷液體的形式進入熱交換器62的入口60，已加溫的致密相流體64離開出口63。適合低溫的管路61連接到柔性的接頭65以配合適合低溫的管路61的膨脹和收縮。所有柔性接頭65的下游管路不適合用于低溫。
在圖2的平行流動結(jié)構(gòu)中，熱交換器62從第一表面容器120傳輸加溫水99通過第一部分100到達第二容器122。類似地，另外的加溫水從第一容器120通過熱交換器62的第二部分102傳輸?shù)降诙萜?22。隨著時間過去，第一容器120中的加溫水99的體積將變小，而第二容器122中的加溫水99的體積將增加。因此，有必要設(shè)置反向流動機構(gòu)，如圖3清楚地顯示，這樣加溫水99可從第二容器122返回到第一容器120。在可選擇的實施例中避免了反向流動的必要，加溫水99可從第一部分100通過管路148，如虛線所示，返回第一容器120，允許繼續(xù)平行流動通過熱交換器62的第一部分100。在類似的設(shè)置中，來自第二部分102的加溫水從第二容器122通過管路150，如虛線所示，傳送到泵138。在這種形式中，加溫水99以平行流通過熱交換器62的第二部分102連續(xù)地循環(huán)。如果河水用作加溫水99，表面水池120和122就沒有必要設(shè)置。代之以管路124連接到河中，其與管路136、134和146的作用相同。當(dāng)河水用作加溫水99，其總要返回到其來源，管路要做相應(yīng)改進。
很重要的一點是避免熱交換器62凍結(jié)。凍結(jié)將阻塞加溫水94的流動，并使得熱交換器62不能工作。同樣重要的一點是減少或消除結(jié)冰。結(jié)冰使得熱交換器62效率降低。因此，有必要仔細(xì)設(shè)計數(shù)字63代表的區(qū)域，在這個區(qū)域管路61中的冷流體51首先遇到熱交換器62的第一部分100的環(huán)形區(qū)101中的加溫水99。所以有必要防止或減少管路61中的加溫水99凍結(jié)，否則可能阻塞端口130和環(huán)形區(qū)101。在許多情況下，可以選擇適當(dāng)?shù)牧髁亢凸苈分睆奖龋沟脙鼋Y(jié)問題不存在。例如，如果加溫過程中致密相天然氣膨脹4倍，熱平衡顯示出要求加溫水流量是入口致密相流量的4倍。這樣就要求外管/內(nèi)管的直徑比為2，以使兩個路徑的摩擦損失平衡。但是，若直徑接近可改善熱傳輸比。最佳比例大約為1.5。其中的條件是極端的，可以通過增加這個區(qū)域63的適合低溫管路61管壁的熱絕緣層來防止局部凍結(jié)?？刹捎玫囊粋€方法是簡單地增加管路61的壁厚。其作用是將一些保溫功能延伸到下游，使冷流體51總能加溫到一定程度，這樣可以使凍結(jié)減少。還可以增加熱交換器的長度。
圖3是具有反向流動模式的Bishop法熱交換器62的放大截面圖(圖3未按比例繪制)。加溫水99從第二容器122輸送，通過管路200，泵202，管路204，端口144進入熱交換器62的第二部分102的環(huán)形區(qū)103，如流體箭頭所示。加溫水99通過端口142離開環(huán)形區(qū)103，通過管路206輸送到第一容器120。低壓泵138將加溫水99從第二容器122通過管路150、206和端口132傳輸?shù)綗峤粨Q器62的第一部分100的環(huán)形區(qū)101，如流體箭頭所示。加溫水99通過端口130和管路210離開第一部分100的環(huán)形區(qū)102，并返回到第一容器120。這個返回回路繼續(xù)直到大部分的加溫水99已經(jīng)從第二容器122返回第一容器120。
在一可選擇的流通設(shè)置中，加溫水99通過端口142離開環(huán)形區(qū)103并通過管線212，如虛線所顯示，輸送回到第二容器122，形成從第二容器再回到第二容器122的連續(xù)回路。同樣地，加溫水99可從第一容器120通過管路214，如虛線所示，輸送到泵138，通過管路206和端口132進入熱交換器62的第一部分100的環(huán)形區(qū)101。然后加溫水通過端口130和管路210返回第一容器120。
熱交換器62的設(shè)計和表面容器的數(shù)量由多種因素來決定，包括可用空間大小和加溫水99的環(huán)境溫度。例如，如果加溫水99的平均溫度高于80°F，熱交換器62只需要一個部分。但是如果加溫水99的平均溫度低于80°F，可能就需要兩個或多個部分，如圖2和圖3所示的兩部分設(shè)計。因此，希望表面容器比較淺和具有較大的表面積，因為這時容器可作為太陽能收集器，在有陽光的日子提升加溫水99的溫度。這種可選擇的設(shè)置構(gòu)成了連續(xù)的從第一容器120又回到第一容器120的反向流動回路。在可選擇的設(shè)置中，如果河水用作加溫水，就不需要容器。在河水的情況下，可簡單地返回到河中。
示例1該假設(shè)的示例只是用于給出在如圖1所示的碼頭或其附近進行Bishop一步法的清楚的操作參數(shù)。當(dāng)設(shè)計設(shè)備19，包括冷流體類型和使用的加溫水時，必須考慮許多因素，傳統(tǒng)的用于工藝測量、控制和安全的儀器可根據(jù)需要包括在設(shè)備中，包括但不限于溫度和壓力傳感器，流體測量傳感器，過壓減壓閥、調(diào)節(jié)器和閥門。各種輸入儀器也必須考慮到，包括管路幾何形狀和長度、流動速率、溫度和冷流體和加溫水的比熱。各種輸出參數(shù)也必須考慮到，包括無鹽水補充的鹽洞的類型、尺寸、溫度和壓力。為了直接輸入到管線，其他的輸出參數(shù)也必須考慮到，比如管路幾何形狀、壓力、長度、流量和溫度。其他的防止凍結(jié)的設(shè)計參數(shù)包括在熱交換器的各部分的入口和出口的加溫水的溫度，在容器中的溫度，和在初始接觸區(qū)63的溫度。其他的主要設(shè)計考慮包括冷流體運輸船的尺寸和船完全卸載和返回大海的時間間隔。
假設(shè)有800,000桶的天然氣(125,000立方米)儲存在運輸船48的低溫倉50，壓力大約為一個大氣壓，溫度是-250°F或更低。低壓泵系統(tǒng)52具有下列的操作參數(shù)大約為22,000加侖/分鐘(5000立方米/小時)，大約為600馬力，可產(chǎn)生大約為60磅/平方英寸(表壓)的壓力(4巴)。由于要有大約為40磅/平方英寸的摩擦損失輸送到高壓泵系統(tǒng)56的入口，高壓泵系統(tǒng)56一般可將LNG的壓力提高到1860磅/平方英寸(120巴)或更高，使得冷流體51在離開高壓泵系統(tǒng)56時處于致密相。高壓泵系統(tǒng)56設(shè)有大約10個泵，各個泵在壓力升高1860磅/平方英寸(120巴)下的名義泵流量是2200加侖/分鐘(5000立方米/小時)，可產(chǎn)生大致為1900磅/平方英寸(123巴)的壓力將LNG注入到無鹽水補充的鹽洞34和38。10個高壓泵系統(tǒng)所需的全部功率近似為24,000馬力。這代表了當(dāng)無鹽水補充的鹽洞完全承壓時，即當(dāng)鹽洞是充滿時，所需的最大功率。平均注入流量可超過22000加侖/分鐘(5000立方米/小時)。假定公稱直徑為13又3/8英寸的管路設(shè)置在注入井32和36，4個無鹽水補充的鹽洞大致具有的最小總?cè)萘繛榇蠹s30億立方英尺。LNG的體積在熱交換過程中一般要膨脹到2到4倍，這取決于無鹽水補充的鹽洞的最后壓力。如果需要更高的流量可以沿多個鹽洞設(shè)置較大的注入井。
加溫水99的泵124和138是高容量和低壓力泵系統(tǒng)，在大約60磅/平方英寸(4巴)下的混合流量大約為44000加侖/分鐘(10000立方米/小時)。加溫水通過熱交換器62的流量大約為通過適合低溫管路61的LNG流量的大約2到4倍。加溫水的流量取決于加溫水的溫度和熱交換器的部分?jǐn)?shù)(各個部分具有單獨的加溫水注入點)。為防止腐蝕和結(jié)垢可對加溫水進行處理以改進熱交換器62的效率。當(dāng)致密相流體通過熱交換器62時加溫并進行膨脹。當(dāng)進行膨脹時，通過熱交換器的速度增加。
假設(shè)LNG的流量為22000加侖/分鐘，熱交換器62的適合低溫的中心管路61的公稱外徑為大約13又3/8英寸，外管道104和112的公稱外徑大約為20英寸，熱交換器62的整個長度應(yīng)當(dāng)足夠長使得加溫水的溫度和其他因素能夠使致密相流體64的溫度達到大約40°F。這可能導(dǎo)致整個長度達到數(shù)千英尺或者達到約5000英尺。多個加溫水注入點和平行流動管線可極大地減少此長度。取決于接收點和儲存空間的距離，長度可能不是問題。取決于設(shè)備的尺寸和對多余量的需要，平行系統(tǒng)還是可以使用的。管路尺寸和長度可通過使LNG分開地流入單獨的平行路徑來大量減少。兩個平行的熱交換器62具有適合低溫的中心管路61，其公稱外徑為大約8英寸，外管道104和112的公稱外徑是大約12英寸。使用平行的熱交換器62是一種設(shè)計選擇，其取決于所用的材料，建造的方便性和距存儲點的距離。
另外，熱交換器62不必是直線式的。為了節(jié)省空間或出于其他原因，熱交換器62可采用任何其他路徑，比如S形設(shè)計或螺旋形設(shè)計。熱交換器62可有90°的直角彎和180°的轉(zhuǎn)向以配合各種設(shè)計要求。
如果致密相流體64儲存在無鹽水補充的鹽洞34中，首先需要確定鹽洞34的最小操作壓力。例如，如果無鹽水補充的鹽洞34具有的最大操作壓力為大約2500磅/平方英寸，高壓泵系統(tǒng)56將具有工作壓力為2800磅/平方英寸或更高的壓力。當(dāng)然，在小于最大壓力下工作也是可以的，只要壓力超過大約1200磅/平方英寸能夠保持流體為致密相。
如果冷流體51加熱并直接傳輸?shù)焦芫€42，首先需要確定管線的工作壓力。例如，如果管線在1000磅/平方英寸的壓力下工作，根據(jù)溫度-壓力相圖，高壓泵系統(tǒng)56需要操作壓力超過1200磅/平方英寸以保持流體64為致密相。為了將致密相流體64的壓力減少到管線的操作壓力，可以在進入管線42之前使流體通過節(jié)流閥80或調(diào)節(jié)器。在該點加熱是必要的以防止形成雙相流，即防止液體產(chǎn)生。相反地，熱交換器可延長以提高溫度，使后續(xù)進行的膨脹和冷卻不會使流體失去致密相。
在致密相流體64已經(jīng)注入無鹽水補充的鹽洞34和38之后，可儲存到需要使用之時。致密相流體64可以超過管線工作壓力很多的壓力儲存在無鹽水補充的鹽洞中。因此，將致密相流體從鹽洞34和38輸送所需要的只是在井口72和76打開閥門(圖中未顯示)，并允許致密相流體通過節(jié)流閥80或調(diào)節(jié)器，將操作壓力減少到與管線相適應(yīng)的壓力?？傊?，井32用于充滿和清空無鹽水補充的鹽洞34，如流動箭頭所示。類似地，井36用于充滿和清空無鹽水補充的鹽洞38，如流動箭頭所示。
圖4是用于Bishop一步法的設(shè)備的示意圖，其中船只停泊在海上28(圖4未按比例繪制)。該設(shè)備298位于海上28，設(shè)備299位于岸上27。海上設(shè)備298可相距陸地數(shù)英里，通過海底管線242連接到岸上的設(shè)備299。
海底的Bishop法熱交換器220可位于平臺226附近的海底222。在未顯示的供選擇的實施例中，熱交換器220可固定在海水20表面21上的平臺226。在另一未顯示的供選擇的實施例中，熱交換器220可固定到平臺226的支腿227之間(清楚顯示于圖5)。當(dāng)固定到支腿227之間時，所有或部分的熱交換器220可位于海水20的表面21下。停泊設(shè)施224固定到海底222，允許冷流體運輸船48停泊在海上28。同樣，平臺226具有支腿227，可固定到海底222，為下面將介紹的設(shè)備和操作提供穩(wěn)定裝置。
在冷流體運輸船40成功地固定到停泊設(shè)施228后，鉸接管路、軟管和柔性裝載臂228連接到位于低溫倉50或設(shè)在運輸船48甲板上的低壓泵系統(tǒng)52。鉸接管路228的另一端連接到位于平臺226的高壓泵系統(tǒng)230。另外的適合低溫的管路232連接高壓泵系統(tǒng)230到海底熱交換器220的入口234。
冷流體51通過高壓泵系統(tǒng)230后轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芟嗔黧w64，然后通過熱交換器220。流體64保持致密相通過熱交換器220。熱交換器220的出口236連接到柔性接頭238或膨脹接頭。熱交換器220中適合低溫的管路235連接到柔性接頭238的一端，不適合低溫的管路240連接到柔性接頭238的另一端。這樣就允許適合低溫的管路235進行膨脹和收縮。海底管線242由不適合低溫的管路組成。
海底管線242連接到井口76，井口連接到井32和無鹽水補充的鹽洞34。此外，通過井口76的未顯示的開式閥，致密相流體64可從海底管線242傳輸通過井32，注入無鹽水補充的鹽洞34進行儲存。
此外，致密相流體64可通過海底管線242傳輸?shù)焦?jié)流閥80或調(diào)節(jié)器，來減低壓力，使致密相流體64通過管路84進入管線42的入口86，再傳輸?shù)绞袌觥?br> 在足夠數(shù)量的致密相流體64已經(jīng)儲存在鹽洞34后，將井口76上未顯示的閥門關(guān)閉，這樣就隔離了無鹽水補充的鹽洞34中帶壓力的致密相流體64。為了從無鹽水補充的鹽洞34傳輸致密相流體64到管線42，打開井口76上未顯示的另外閥門，允許無鹽水補充的鹽洞34中帶壓力的致密相流體通過節(jié)流閥80或調(diào)節(jié)器傳輸?shù)焦芫€42。
因為無鹽水補充的鹽洞34中的壓力高過管線42中的壓力，致密相流體進入市場所需做的是打開一個或多個井口76上未示出的閥門，使致密相流體64通過節(jié)流閥80。井32用于注入致密相流體64或從無鹽水補充的鹽洞34排出致密相流體，如流體箭頭所示。
圖5是圖4的海上設(shè)備298和海底Bishop法熱交換器220的放大圖(圖5未按比例繪制)。海底熱交換器220包括第一部分250和第二部分252。適合低溫的管路235通過多個中心定位件258、260、262和264位于外管道254和256的中心。這些用于海底熱交換器220的中心定位件與表面固定熱交換器62所用的中心定位件相同，如圖6清楚的顯示。中心定位件和外管道254和256之間允許有一定的滑動量以配合膨脹和收縮。
冷流體51離開冷流體運輸船48上的低溫倉50，由低壓泵52通過鉸接管路228泵到位于平臺226的高壓泵系統(tǒng)230。冷流體51然后通過管路232到達海底熱交換器220的入口234。管路228、232和235必須是與冷流體51低溫相容的。
海上熱交換器220使用海水20作為加溫水99。加溫水進入平臺226上的管路246并通過低壓加溫水泵244。加溫水泵244也可以放到水下。管路248連接低壓加溫水泵244到熱交換器220的第一部分250的入口端266。加溫水99通過適合低溫管路235外徑和管路254內(nèi)徑之間的環(huán)形區(qū)268。加溫水99然后從出口端270排出，如流體箭頭所示?？煞诺剿碌牡蛪罕?72將另外的加溫水99泵入熱交換器220的第二部分252。在另外的實施例中，泵272還可位于平臺226。加溫水通過入口端274進入環(huán)形區(qū)276，如流體箭頭所示。環(huán)形區(qū)276位于適合低溫管路235的外徑和外管道256的內(nèi)徑之間。加溫水99通過出口端278離開第二部分252，如流體箭頭所示。
冷流體51在入口234進入熱交換器，并以致密相流體64離開熱交換器220的出口236。適合低溫的管路235通過柔性接頭238或膨脹接頭連接到不適合低溫的管路240。這使得海底管線242的其余部分用普通的碳鋼制造，這種材料比適合低溫的鋼材便宜。熱交換器220必須設(shè)計成可避免熱交換器62內(nèi)凍結(jié)及減少或避免結(jié)冰。前面討論過的應(yīng)用于熱交換器62的類似設(shè)計可以用于熱交換器220。
示例2該假設(shè)的示例只是用于給出在如圖4和5所示海上進行的Bishop一步法的清楚的操作參數(shù)。當(dāng)設(shè)計設(shè)備298，299時，其包括冷流體類型和使用的加溫水的溫度，必須考慮許多因素，傳統(tǒng)的用于工藝測量、控制和安全的儀器可根據(jù)需要包括在設(shè)備中，其包括但不限于溫度和壓力傳感器，流體測量傳感器，過壓減壓閥、調(diào)節(jié)器和閥門。各種輸入?yún)?shù)也必須考慮到，包括管路幾何形狀和長度、流量、溫度和冷流體和加溫水的比熱。各種輸出參數(shù)也必須考慮到，包括無鹽水補充的鹽洞的類型、尺寸、溫度和壓力。為了直接輸入到管線，其他的輸出參數(shù)也必須考慮到，比如管路幾何形狀、壓力、長度、流量和溫度。其他的防止凍結(jié)的設(shè)計參數(shù)包括在熱交換器各部分的入口和出口的加溫水溫度和在初始接觸區(qū)235的溫度。其他的重要設(shè)計考慮包括冷流體運輸船的尺寸，船完全卸載和返回大海之間的時間間隔。
假設(shè)有800,000桶的天然氣(125,000立方米)儲存在運輸船48的低溫倉50，壓力大約為一個大氣壓，溫度是-250°F或更低。冷流體運輸船48停靠在系船樁224或其他適當(dāng)?shù)耐２?錨固設(shè)施，比如單點停泊/錨固或多點錨固停泊纜。從運輸船48流出的LNG通過低壓泵系統(tǒng)52，通過軟管、柔性裝載臂和/或鉸接管路228傳送到平臺226上的高壓泵系統(tǒng)230。致密相流體64離開高壓泵系統(tǒng)230的出口進入熱交換器220。顯示出熱交換器220位于海底222，但是也能夠位于其他地方，如前面所討論的。熱交換器220也可以有各種形狀，如前面在示例1中所討論的。
已經(jīng)知道傳統(tǒng)的LNG設(shè)備可設(shè)置由環(huán)境加熱的蒸發(fā)器(見1981年的美國煤氣協(xié)會LNG信息手冊的操作部分報告的69頁)。根據(jù)上面的操作部分報告，“大部分基本負(fù)荷(環(huán)境加熱的)蒸發(fā)器使用海水或河水作為熱源”。這些蒸發(fā)器有時稱作開架(open rack)蒸發(fā)器。根據(jù)信息和理論，傳統(tǒng)的開架蒸發(fā)器一般在1000到1200磅/平方英寸(表壓)附近的壓力下操作。這些開架蒸發(fā)器與用于Bishop一步法的熱交換器62和220不同。
本發(fā)明所使用的熱交換器與傳統(tǒng)的開架蒸發(fā)器進行比較。
首先，Bishop一步法的熱交換器容易與注入無鹽水補充的鹽洞所用高壓配合。一般，傳統(tǒng)的蒸發(fā)器系統(tǒng)的設(shè)計不在超過1200磅/平方英寸的工作壓力下使用。
其次，各傳統(tǒng)的開架蒸發(fā)器的輸出容量基本上小于Bishop一步法所用熱交換器的輸出容量。根據(jù)信息和理論，多個開架蒸發(fā)器必須成組使用以得到希望的輸出容量，這樣的輸出容量單個Bishop一步法熱交換器就能實現(xiàn)。
第三，相信傳統(tǒng)的開架蒸發(fā)器比Bishop一步法的熱交換器更容易出現(xiàn)結(jié)冰和凍結(jié)問題。避免了這個問題的熱交換器有時使用水-乙二醇混合物，這可能對環(huán)境造成損害。
第四，Bishop一步法使用的熱交換器提供了到達無鹽水補充的鹽洞必須的路徑或管線，此外還對流體加熱。熱交換器的長度可根據(jù)需要通過不同的設(shè)計來改變。
第五，Bishop一步法使用的熱交換器很容易沖洗清潔，如用生物殺滅劑。當(dāng)這樣做時產(chǎn)生阻塞的機會很低。
第六，Bishop一步法使用的熱交換器的結(jié)構(gòu)非常簡單，可采用許多種材料制造，并可以在現(xiàn)場安裝。
第七，Bishop一步法中使用的熱交換器可兼容很大范圍的冷流體，而無需改變設(shè)計，如LNG、乙烯、丙烷等。
第八，Bishop一步法使用的海上熱交換器占用很少的空間，(因為可以放到海底)，這對于設(shè)置到平臺很有優(yōu)越性。其重量的影響也可忽略。
第九，根據(jù)上面所有的特征，Bishop一步法使用的熱交換器在資金和操作方面的成本很低。
第十，傳統(tǒng)的開架蒸發(fā)器由作為岸上LNG設(shè)備一部分的低溫儲存罐提供LNG。Bishop一步法使用的熱交換器由冷流體運輸船甲板上的低溫倉提供LNG。Bishop一步法不要求低溫存儲罐作為岸上設(shè)備的一部分。
認(rèn)識到開架蒸發(fā)器存在的一些性能問題，Osaka Gas公司開發(fā)了一種稱作SUPERORV的新蒸發(fā)器，其使用海水作為加溫水。SUPERORV的圖紙和傳統(tǒng)的開架蒸發(fā)器在OSAKA Gas的網(wǎng)站給出(網(wǎng)址為www.osakagas.cojp)。上述與Bishop一步法使用的熱交換器的差別同樣適用于SUPERORV。
圖6是熱交換器的第一部分沿圖2的截面6-6的截面圖(圖6未按比例繪制)。同軸的熱交換器62包括中心管路61，由適合低溫和高壓的材料制造，而另外的管道104是由不適合低溫和高壓的材料制造。這樣就允許外管道104根據(jù)需要采用塑料、纖維玻璃或其他高抵抗腐蝕或結(jié)垢的材料，以便傳輸加溫水99，如淡水19或海水20。中心管路61的外徑和外管道104的內(nèi)徑之間的環(huán)形區(qū)101需要定期進行化學(xué)處理防止結(jié)垢。中心管路61一般具有防止結(jié)垢的性能。
中心管路61將設(shè)置傳統(tǒng)的中心定位件108以保持位于外管道104的中心。這樣具有兩個作用。位于中心可使加溫水更均勻，因此減少了冷點和應(yīng)力的產(chǎn)生?；蛟S最重要的是，受到支承的中心定位允許內(nèi)管路61可隨溫度很大地改變，進行膨脹和收縮。中心定位件108具有圍繞管路61的套管107和多個與外管道104的內(nèi)表面接觸的支腿109。支腿109不永久連接到外管道104，允許內(nèi)管路61和外管道104獨立移動。這樣的自由移動對于本發(fā)明的操作是很重要的。為了進一步使圖1的表面固定的熱交換器62膨脹和收縮，出口63連接到柔性接頭65，該接頭連接到不適合低溫的管路70。同樣地，在圖4和圖5的海底熱交換器220中，出口236連接到柔性接頭238，該接頭也連接到不適合低溫的管路240。用于本發(fā)明的所有中心定位件應(yīng)當(dāng)允許適合低溫的內(nèi)管路獨立于外管道移動(膨脹、收縮和延伸)，不會造成內(nèi)外管路很大的磨損和不必要的磨損。在圖6、7和8中，為了清楚起見用平行影線畫出通過適合低溫管路的冷流體51。
圖7是Bishop一步法所使用的熱交換器的可選擇實施例的截面圖。在圖7的可選擇的實施例中，中心的適合低溫的管路300通過中心定位件304中心定位于適合低溫的中間管路302的內(nèi)側(cè)。中間管路302通過中心定位件305中心定位于外管道104的內(nèi)側(cè)。中心定位件305具有中心套管302，通過多個支腿306保持在適當(dāng)位置。環(huán)形區(qū)308在中間管路302的外徑和外管道104的內(nèi)徑之間形成。加溫水99通過環(huán)形區(qū)308。支腿306不是永久連接到外管道104的內(nèi)側(cè)，允許適合低溫的管路獨立于外管道104膨脹和收縮。加溫水99通過中心管300。冷流體51通過中心管路300的外徑和中心定位件套管302的內(nèi)徑之間的環(huán)形區(qū)309。環(huán)形區(qū)309中的冷流體51在圖7中為了清楚起見用平行影線繪出。圖7中的設(shè)計具有更大的熱交換器區(qū)域，因此，具有圖7設(shè)計的熱交換器的長度能夠比圖6的設(shè)計短。在熱交換器最好比較短的的情況下，圖7的設(shè)計比圖6的設(shè)計更適合。在某些情況下，有必要開發(fā)更短的熱交換器。
圖8是Bishop一步法所使用的熱交換器的可選擇的第二實施例的截面圖。內(nèi)部的適合低溫的管路320、322、324和326成束地保持并通過多個中心定位件327中心定位于外管道104的內(nèi)側(cè)。中心定位件327具有中心套管328，內(nèi)部管路320、322、324和326用平行影線繪出，表示可攜帶冷流體51。中心套管328通過支腿330位于外管道104的中間，支腿不是永久連接到外管道104。加溫水99通過環(huán)形區(qū)334。圖8的可選擇實施例允許熱交換器的長度比圖7所示設(shè)計更短。當(dāng)空間成為主要問題時，如圖7和圖8所示的不同設(shè)計是很適合的。其他的設(shè)計也可利用來增加熱界面的區(qū)域。
圖9是天然氣的溫度-壓力相圖。天然氣是低分子量的碳?xì)浠衔锏幕旌象w。其成分為大約85％的甲烷、10％的乙烷，平衡余量主要為丙烷、丁烷和氮氣。在氣體和液相共存的流動狀態(tài)下，如下面的介紹，泵、管路和熱交換的問題將很嚴(yán)重。在偏離垂直流動的情況下尤其嚴(yán)重。在如美國專利No.5,511,905公開的向下垂直流動的情況下，液體流速必須僅超過所形成氣相的上升流速，以便保持不間斷的流動。在兩相流接近水平流動的情況下，氣體可分層，阻止進行熱交換，在極端情況下，造成氣阻。氣穴也可能成為問題。
在本發(fā)明中，避免這些問題是通過保證冷流體51被高壓泵系統(tǒng)56或230轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芟嗔黧w64和在下列情況下保持致密相，a)當(dāng)通過熱交換器62或220，b)當(dāng)儲存在無鹽水補充的鹽洞中時。在溫度和壓力足夠高時致密相存在而單相不存在。本發(fā)明也適用于純物質(zhì)，在純物質(zhì)的情況下，這稱作臨界點。在混合物的情況下，比如天然氣，致密相在很寬的條件下存在。在圖9中，只要流體的溫度和壓力位于兩相區(qū)(圖中的影線區(qū))之外致密相就存在。本發(fā)明利用了致密相的特征，所以當(dāng)從相圖上臨界凝結(jié)壓力350以上的一點或臨界凝析溫度352的右邊一點開始溫度或壓力增加不存在相變。當(dāng)流體在熱交換器62或220中加溫并進行膨脹時允許隨著對應(yīng)密度逐漸增加溫度逐漸增加。這個結(jié)果是流動過程，其中密度層化作用變得不重要。因此冷流體51的操作壓力應(yīng)當(dāng)使流體64在熱交換器62或220中、下游的管路中和存放處是致密相。對于某些天然氣成分，保持致密相將要求壓力不同于圖9示例中所顯示的大約1200磅/平方英寸。
將流體限制在致密相的效果可通過分析密度弗勞德數(shù)F來說明，弗勞德數(shù)說明了分層或?qū)踊黧w的流動狀態(tài)F=v(gDΔγγ)-(12)]]>
其中v是流體速度，g是重力加速度，D是管路直徑，γ是流體密度，Δγ是流體密度改變量。如果F很大，流體運動的控制方程中涉及分層的項對方程就失去意義。在一實際示例中，當(dāng)弗勞德數(shù)上升到1至2的范圍，封閉體系內(nèi)的兩相流一般會失去所有的分層。在本發(fā)明中，弗勞德的數(shù)值范圍在數(shù)百，可保證任何密度改變的完全混合。通過作為致密相流體上述方程中的項Δγ/γ很小的事實可確定這些大數(shù)值。
在高壓泵系統(tǒng)56和230的下游和在熱交換器62和220進行弗勞德數(shù)的測量。換句話，Bishop一步法的弗勞德數(shù)應(yīng)當(dāng)足夠高以防止高壓泵系統(tǒng)56和230的下游和熱交換器62和220出現(xiàn)分層。一般地，弗勞德數(shù)超過10就可防止分層。注意到傳統(tǒng)的熱交換器不是在壓力和溫度足夠高產(chǎn)生致密相的狀態(tài)下工作，是通過其他方式來避免相變問題。
總之，使用本發(fā)明，冷流體51通過壓力可在離開高壓泵系統(tǒng)56或230時保持致密相，因此，當(dāng)其通過熱交換器62或220時以及當(dāng)存儲在無鹽水補充的鹽洞中可保持為致密相。
圖10是本發(fā)明的另一可選擇的實施例的示意圖。岸上的設(shè)備310使用傳統(tǒng)的蒸發(fā)系統(tǒng)260在儲存或運輸之前加溫冷流體51。
傳統(tǒng)的LNG設(shè)備卸下LNG，在岸上的低溫罐以液體形式儲存。在傳統(tǒng)的設(shè)備中，LNG然后流過傳統(tǒng)的蒸發(fā)系統(tǒng)對液體加溫，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。這些氣體加有臭味并傳送到管線，再將氣體傳輸?shù)绞袌?。傳統(tǒng)的LNG蒸發(fā)系統(tǒng)的簡化流程圖在1981年出版的美國煤氣公司LNG信息手冊的操作部分報告的圖4.1中示出，其內(nèi)容在本文中參考引用。根據(jù)這份文獻的64頁所作討論，已經(jīng)知道有各種類型的蒸發(fā)器，包括加熱蒸發(fā)器，整體加熱蒸發(fā)器，遠距離加熱蒸發(fā)器，環(huán)境蒸發(fā)器和工藝蒸發(fā)器。這些已知的蒸發(fā)器都可用于圖10的蒸發(fā)器系統(tǒng)260，只要具有快速卸載運輸船48的能力，和能夠耐受下游注入無鹽水補充的鹽洞所需的壓力。
在圖10所示的另一可選擇的實施例中，通過位于低溫倉50或船48上的低壓泵系統(tǒng)52，冷流體51從運輸船48卸下。冷流體51通過鉸接管路54到達另一高壓泵系統(tǒng)56，其位于碼頭44或碼頭附近。流體59然后通過另外的管路58到達傳統(tǒng)的蒸發(fā)器260的入口262。流體59從入口261通過蒸發(fā)器260到達出口264。與示例1和2不同，在這個供選擇的實施例中，流體通過蒸發(fā)器時沒有必要是致密相，也不要求具有高弗勞德數(shù)。盡管不要求，使用致密相也是可接受的。因此，在這個供選擇的實施例中，流體具有不同的標(biāo)記，如59。流體59通過不適合低溫的管路70和井口72，通過井36到無鹽水補充的鹽洞38。類似地，流體59可通過不適合低溫的管路74，井口76，井32到達無鹽水補充的鹽洞34。當(dāng)無鹽水補充的鹽洞34和38充滿時，井口76和72上的未顯示的閥門可關(guān)閉，將氣體儲存在無鹽水補充的鹽洞34和38中。
一般地，流體59將在超過管線的壓力下存放。因此，從無鹽水補充的鹽洞34，38輸出流體59所要作的是打開井口76和72上未顯示的閥門，使氣體320通過管線78、節(jié)流閥80或調(diào)節(jié)器、管線84到達管線42的入口86。在進入管線之前氣體可能還需要另外加熱。因此，井32和36用于將流體59注入無鹽水補充的鹽洞34和38，當(dāng)傳輸?shù)焦芫€42時，還用作儲存的流體59的出口。圖中的兩個方向的流動箭頭表示井32和36的雙重性。
示例3該假設(shè)的示例只是用于給出可供選擇的實施例的操作參數(shù)，該實施例包括加溫冷流體的蒸發(fā)器系統(tǒng)，流體后來儲存在無鹽水補充的鹽洞中和/或通過管線傳輸，如圖10所示。不同于傳統(tǒng)的LNG設(shè)備，在圖10的岸上設(shè)備310不包括低溫罐。(船只48，如前面提到的，包括低溫倉50)。傳統(tǒng)設(shè)計的蒸發(fā)系統(tǒng)260用于此供選擇的實施例中，代替前面示例中所討論的同軸熱交換器62和220。(傳統(tǒng)的蒸發(fā)系統(tǒng)通常的工作范圍為1000-1200磅/平方英寸)。傳統(tǒng)設(shè)計的蒸發(fā)系統(tǒng)260需要進行改進以適應(yīng)無鹽水補充的鹽洞應(yīng)用的高壓(一般在1500到2500磅/平方英寸的范圍)。當(dāng)設(shè)計設(shè)備310時，要考慮到許多參數(shù)，包括冷流體的類型和所使用的加溫水。用于工藝測量、控制和安全的傳統(tǒng)儀器在需要時包括在設(shè)備中，其包括但不限于，溫度和壓力傳感器、流體測量傳感器、過壓卸壓閥、調(diào)節(jié)器和閥門。各種輸入?yún)?shù)必須考慮到，包括管路幾何形狀和長度，流量、溫度、冷流體和加溫水的比熱。各種輸出參數(shù)也必須考慮到，包括無鹽水補充的鹽洞的類型、尺寸、溫度和壓力。為了直接傳輸?shù)焦芫€，其他的輸出參數(shù)必須考慮，比如管路幾何形狀、壓力、長度、流量和溫度。其他的重要設(shè)計要點包括冷流體運輸船的尺寸，船全部卸下和返回海上之間的時間間隔。
要設(shè)置多個蒸發(fā)系統(tǒng)260以滿足要求的流量。供選擇的實施例所采用的蒸發(fā)系統(tǒng)必須設(shè)計成可承受范圍在1500到2500磅/平方英寸的操作壓力，承受地下注入所需的較高壓力。
傳統(tǒng)的蒸發(fā)器系統(tǒng)的設(shè)計成可在分層時工作。與示例1和2不同，在這個可選擇的實施例中，沒有必要使流體通過蒸發(fā)器時為致密相，也不需要高弗勞德數(shù)。盡管沒有要求，但使用致密相也是可接受的。
參考圖10，從船48通過低壓泵系統(tǒng)2將LNG泵出，穿過軟管或柔性裝載臂54到達高壓泵系統(tǒng)56。流體59通過蒸發(fā)系統(tǒng)260進行加溫。流體59然后注入到無鹽水補充的鹽洞中。因為船48的卸載速率和存儲壓力是類似的，示例1中介紹的泵和流量特性可應(yīng)用于示例3。
該過程與傳統(tǒng)的LNG設(shè)備相比具有許多優(yōu)點。在此供選擇的實施例中，沒有必要設(shè)置低溫存儲罐。流體59存儲在無鹽水補充的鹽洞中，與表面固定的傳統(tǒng)低溫存儲罐相比可靠許多。就本申請人所知，目前尚沒有使用傳統(tǒng)蒸發(fā)器的傳統(tǒng)LNG設(shè)備將氣體注入到無鹽水補充的鹽洞中。
權(quán)利要求
1.一種流體處理設(shè)備，包括可固定至少一個裝載低溫液體的運輸船的設(shè)施；第一級泵系統(tǒng)，具有足夠的壓力和容積可從運輸船卸下低溫液體；第二級泵系統(tǒng)，可提升低溫液體的壓力將低溫液體轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芟嘁后w，所述第二級泵系統(tǒng)可提供足夠的壓力和容積，傳輸致密相流體通過細(xì)長管熱交換器到達無鹽水補充的鹽洞；所述熱交換器使用從海水、淡水和工業(yè)過程得到的加溫水中選出的加溫水將致密相流體加溫到與無鹽水補充的鹽洞相適應(yīng)的溫度；和所述熱交換器具有至少一個適合低溫的內(nèi)管路和不適合低溫的外管路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述固定至少一個運輸船的設(shè)施可從船塢、海上平臺、系船樁、單點停泊/入塢和多點錨固停泊/入塢纜中選擇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述熱交換器從單級同軸陸上固定設(shè)計、單級同軸海底固定設(shè)計、多級同軸陸上固定設(shè)計和多級同軸海底固定設(shè)計中選出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述熱交換器工作時的弗勞德數(shù)超過10。
5.一種在無鹽水補充的鹽洞中儲存流體，從無鹽水補充的鹽洞排出流體和通過管線將流體分配到市場的方法，包括下列步驟固定運載有低溫液體的運輸船到停泊/入塢設(shè)施；從所述運輸船將低溫液體卸下；對低溫液體進行泵加壓，液體在足夠的壓力下轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芟嗔黧w，所述致密相流體通過熱交換器被加溫水加溫，其中加溫水從海水、淡水和工業(yè)過程產(chǎn)生的加溫水中選出，加溫到與無鹽水補充的鹽洞適合的溫度；將加溫的致密相流體傳輸?shù)剿鰺o鹽水補充的鹽洞；和從所述無鹽水補充的鹽洞排出加溫的致密相流體通過管線到達市場。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述停泊/入塢設(shè)施從船塢、海上平臺、系船樁、單點停泊/入塢和多點錨固停泊/入塢纜中選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述熱交換器從單級同軸陸上固定設(shè)計、單級同軸海底固定設(shè)計、多級同軸陸上固定設(shè)計和多級同軸海底固定設(shè)計中選出。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述熱交換器工作時的弗勞德數(shù)超過10。
9.一種液化天然氣碼頭，包括停泊/入塢至少一艘LNG船的設(shè)施；第一級泵系統(tǒng)，可將LNG從LNG運輸船輸入到第二級泵系統(tǒng)；第二級泵系統(tǒng)，可提供足夠的壓力使LNG通過傳統(tǒng)的蒸發(fā)系統(tǒng)傳輸?shù)綗o鹽水補充的鹽洞，所述蒸發(fā)系統(tǒng)得到足夠的加強可耐受第二級泵系統(tǒng)的壓力；和所述傳統(tǒng)的蒸發(fā)系統(tǒng)使用從海水、淡水和工業(yè)過程得到的加溫水中選出的加溫水將LNG加溫到與無鹽水補充的鹽洞相適應(yīng)的溫度。
10.一種在無鹽水補充的鹽洞中儲存流體，從無鹽水補充的鹽洞排出流體和通過管線將流體分配到市場的方法，包括下列步驟固定運輸船到停泊/入塢設(shè)施，所述船運載有低溫液體；從所述運輸船將低溫液體傳輸?shù)奖孟到y(tǒng)；泵送低溫液體通過傳統(tǒng)的蒸發(fā)系統(tǒng)，在所述蒸發(fā)系統(tǒng)液體轉(zhuǎn)換為溫暖的流體，加溫到與無鹽水補充的鹽洞適合的溫度，所述蒸發(fā)系統(tǒng)得到加強可耐受所述泵系統(tǒng)的壓力；將加溫的流體傳輸?shù)剿鰺o鹽水補充的鹽洞；和從所述無鹽水補充的鹽洞排出加溫的流體通過管線進入市場。
全文摘要
無法直接利用的天然氣通常要進行液化并用運輸船將氣體運送到其他國家。傳統(tǒng)的卸貨碼頭要設(shè)置大型低溫儲罐來保存從船上卸下的液化天然氣(LNG)。本發(fā)明不必設(shè)置傳統(tǒng)的低溫儲罐，代之以使用無鹽水補充的鹽洞來存放產(chǎn)品。本發(fā)明可使用特殊的熱交換器，比如Bishop法熱交換器在LNG存放到鹽洞之前對LNG加溫，或者本發(fā)明可使用傳統(tǒng)的蒸發(fā)系統(tǒng)，對其一部分進行加固和強化來適應(yīng)較大操作壓力。在一實施例中，LNG在傳輸?shù)綗峤粨Q器和無鹽水補充的鹽洞之前，被泵到較高壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芟嗵烊粴狻?br> 文檔編號F17C5/06GK1605008SQ02825081
公開日2005年4月6日 申請日期2002年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月19日
發(fā)明者W·M·比肖普, M·M·麥卡爾 申請人:天然氣轉(zhuǎn)換進口有限合伙人公司