专利名称：输送低温流体的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于输送低温流体的系统和方法，并在一方面涉及在离岸接收/加载站和岸上进口/出口设施之间用于输送低温流体诸如液态天然气(LNG)的系统和方法，其中该系统包括用于保持系统的输送管线内的温度足够低的装置，以防止在两个执行卸载/装载之间的闲置期，在输送管线内低温液体气化和形成两相流体。
2.背景技术大量的天然气(主要由甲烷组成)在世界上很多遥远的区域生产。如果能够经济地输送到市场，则这种气体有重要价值。在生产区域合理地接近市场并且地域允许的情形下，气体能够通过水下和/或陆基管线输送。然而，在敷设管线不可行或经济上不可能的地点生产气体，则必须使用其它技术使这种气体到达市场。
这些技术中最常用的大概涉及在现场液化气体，并然后以特别设计的储罐装海船向市场输送液化的天然气或“LNG”。为了形成LNG，天然气被压缩并冷却为低温(例如-160℃)，以将其转换为液相，从而大大增加了储罐中能够运送的气体量。一旦船只到达其目的地，LNG通过输送管线卸载到岸上储罐，然后需要时LNG能够从该储罐重新被蒸发，并通过管线等继续输送到最终用户。
在典型的LNG终端，储罐可能位于与停泊的船只相距100到500米。这样，长度为半公里或更长的输送管线并不少见，并在一个已知的终端，大约长度3.5公里的输送管线实际用来向运输船只装载LNG。
在向船只装载或从其卸载的中，极为重要的是在开始装载/卸载操作之前，输送管线是能够被预冷却到低温的管线，使得在实际LNG输送操作期间能够避免冷却学来的操作的应力和应变，并使得在输送管线内不会有过量的LNG蒸发，并在装载/卸载早期阶段压制沸腾气体处理系统。就是说，在开始装载/卸载操作之前，输送管线必须从周围温度被冷却到大约100°K(-162℃)，以防止在输送管线中形成过量的气体。
由于技术的原因，现在通常的作法是在其最初使用时把输送管线冷却到必要的低温，并然后在没有允许管线的温度升到一定的冷却温度之上情形下，在任何时候都保持其在该温度。就是说，对于LNG输送管线，不仅在输送操作之前和期间，而且在输送操作之间的闲置期间，即在一个装载/卸载操作完成与另一个开始之间存在的那些时间区间，输送管线都被保持在一定的低温，例如接近110°K(-162℃)。
根据需要，这些闲置区间长度可能相当长。例如，在某些终端每周可能只有一两个LNG运输船只到达。由于装载/卸载操作通常大约在十二小时内完成，专用的输送管线可能每星期中只有效使用大约十二到二十四小时。这样，输送管线必须在整个一星期保持在低温，虽然管线只是偶然短时间使用而其余时间保持闲置。
正如业内专业人员将看到的那样，在这些闲置区间必须避免重复加温输送管线，由于否则在每次输送操作之前管线必须被“重复-冷却”。这将是非常费时间的，其结果是大大延误装载/卸载运输船只，这转而将显著增加运输LNG的成本。进而，管线任何重复的加温和冷却会引起管线中的应力，这可能引起输送系统提早失效。
在已知的先有技术的这种类型的LNG输送系统中，通过在用于停泊LNG运输船只的岸上和离岸设施上的储罐之间安装两个平行的管线，输送管线最初被冷却被保持在低温。在输送操作(例如卸载)期间，这两个平行的管线协调地工作，都从运输船只向岸上储罐传送LNG。在结束卸载操作时，在离岸停泊设施处两个管路流体连接在一起以形成连续的管路，其入口和出口都在岸上储罐中。通常安装在岸上储罐内部的循环泵从罐内部拾取LNG，对其加压，并通过连续管路的入口将其泵送。LNG从储罐向停泊设施通过管路之一输送，并通过另一管路返回罐。
向管线的热渗透及来自循环泵的能量输入将引起平行管线的温度升高，从而加温管线中的LNG。这结果转而造成LNG局部气化，从而生成不希望有的在至少部分管线中的两相流，这转而严重限制了输送管线设计和操作。
为了减轻这一问题，一般是对两条平行管线都进行绝热以尽量减少向管线的热渗透。虽然在涉及相对短的输送距离之下重绝热的管线工作情形相对地良好，但当用来在较长距离输送LNG时，它们有严重的缺陷。例如，在输送管线接近3.5公里长度时，保持所需低温所需要的流率将近三倍于具有较短输送管线(例如100到500米)的其它典型的LNG终端中所需流率。这种高流率是不经济的，对于那些相对长的管线长度造成输送管线在闲置区间的冷却不切实际。
近来，已经提出用于LNG的一些输送系统，其中运输船只将离岸停泊在比现在通常长得多的距离(例如高达6公里)。例如，在2000年一月11日颁发的美国专利6,012,292中，公开了一种输送系统，其中输送管线通过在主输送管线内敷设返回管线构成，从而大大改进了管线的绝热性能，这又显著降低了较长管线内两相流的量。然而，特别是在这些管线的长度继续增加时，仍然需要进一步降低LNG在输送管线内气化的程度。
本发明的概述本发明提供了一种系统和方法，用于在第一点(海船上的第一LNG储罐)和第二点(位于岸上的第二LNG储罐)之间输送低温流体(例如LNG)，其中输送系统包括用于当系统不使用且罐之间没有低温流体输送时冷却输送管线的装置。基本来说，该系统包括在第一罐和第二罐之间延伸的两个输送管线。
在正常的卸载操作中，将如同这一类型的先有技术输送系统中所作的那样，低温流体通过两个输送管线从第一罐被泵送到第二罐。然而，在闲置期间，当低温流体，例如LNG，没有被加载，但管线必须仍然要保持在低温时，本发明中，两个输送管线的各端流体连接在一起以形成一闭环，这时系统不使用且低温液体(例如LNG)在压力下循环，以保持管线处于循环的低温流体将保持在单相即液体状态的温度。
通过在第一罐以导管把两个输送管线各端流体连接在一起而形成闭环。输送管线的另一端在第二罐处通过流通道流体连接在一起，该流通道包括第一高反压低流率泵和热交换器。第一循环泵在其使加压的LNG通过热交换器之前，对LNG加压到相对高的压力(例如，10巴)，热交换器又使加压的LNG冷却。该热交换器位于第二储罐内，并与储存在其中的LNG接触，该处的LNG又有对于热交换器冷却剂的作用。
在系统没有使用且没有输送操作进行的大部分闲置期间，被冷却的LNG的循环通过闭环连续进行。在下一个输送操作要开始(例如下一个LNG运输船只到达)之前很短的时间(例如2-3小时)，闭环内的LNG的循环能够被关断，并以第二低反压高流率泵开始冷却，以便在输送操作开始之前进一步降低输送管线的温度。
从本发明导出的优点是重要的。在闲置期间通过保持在输送管线中循环的LNG处于高压(例如大约10巴或更高)，管线能够保持在LNG标称发泡点温度(例如110°K(-162℃))之上相当高，该发泡点温度对于传统的工作在低得多的压力下(例如1巴)的输送管线一般认为是必须的。通过降低管线温度与周围温度之间的温差，将减少进入输送管线的热流。
附图的简要说明通过参照不必标比例的附图将能更好地理解本发明实际的结构、操作和明显的优点，其中相同的标号标识相同部件，其中
图1(先有技术)是典型的先有技术用于在输送操作期间输送低温流体的输送管线系统的的示意图；图2(先有技术)是在闲置期间图1的先有技术输送管线系统的示意图；图3是在LNG输送操作期间本发明的输送管线系统的示意图；图4是在闲置期间，即两个相继的卸载/加载操作之间的区间，本发明的输送管线系统的示意图；及图5一温度压力曲线图，其上有典型的LNG合成物的相界，比较了通过典型的先有技术输送管线系统计算的LNG压力和温度，与通过本发明的输送管线系统计算的相同的LNG合成物的压力和温度。
用于实施本发明的已知最佳方式更具体地参见各附图，图1简略示出典型的先有技术，这是用于从第一点(例如油轮上储罐11(图中未示出油轮))到第二点(例如岸上LNG终端储罐)之间输送低温流体的输送系统10。在该先有技术中可见，储罐11可能是停泊到位于离岸某种距离的加载/卸载结构的海运船舶上的几个这种储罐之一。一旦船只被适当地停泊，输送系统10即连接起来并开始输送操作(例如图中所示的卸载操作)。
典型的先有技术输送系统10由两个平行的管线13(例如返回管线)与14(例如主输送管线)组成，它们两者在离岸储罐11和岸上储罐12之间延伸。这些管线可以是分开的或者一个位于另一个之中，参见2000年一月11日颁发的美国专利6,012,292。每一管线13，14位于罐11内的第一端通过导管15流体连接在一起，该导管有一入口管线16与其流体连通。阀17位于入口管线16中，以便控制通过的流。管线13和14其它端位于岸上罐12内。第一低反压高流率循环泵18通过管线20连接到阀门19的上游管线(例如管线14)，管线20在其中又有阀门21用于下述的目的。
当要进行输送操作(例如卸载罐11)时，船舶停靠到离岸结构，且输送系统10的入口管线16通过联轴器22等连接到泵输送23的出口。阀门17和19被打开而阀门21关闭，且输送泵23被启动以便从罐11向罐12通过管线13，14泵送LNG。就是说，管线13和14两者一致地起作用，即两者以相同方向从运输船舶上的罐11向岸基罐12传送LNG。
然而，在开始卸载操作之前，输送系统10必须从周围温度冷却到接近110°K的低温，并在闲置期间当并进行输送操作时必须保持在该温度。通常的作法是在其最初使用之前冷却输送系统，并然后在此后所有时间保持该系统在这样的温度。这样，即使系统每星期只使用很短的时段(例如12-24小时)，系统10也必须维持在这样的低温下。LNG向运输船舶的加载的配置类似，所不同在于，在岸基罐12中有一组加载泵(未示出)操作，且LNG通过两个管线13，14向船舶中的罐1流动。
为了实现系统10的初始冷却和/或维持系统在低温，一旦入口管线16上的联轴器22已经从运输船舶上的输送泵23断开(图2)，阀门17和19就被关闭，且阀门21被打开。通常安装在储罐12内部的循环泵18从罐12取得LNG，加压并将其注入到管线14的一端。这LNG通过由管线14、连接管线15及返回管线13形成的开环循环，并回到原来的罐12，在此它出口通过管线13的开口进入罐。
在LNG通过这一环的长度运行时，向管线固有渗透的热以及由循环泵18输入到LNG中的能引起LNG加温，从而引起LNG在其通过输送系统10循环时部分气化。由于这种部分的气化，两相流体流(即液体和气体)将至少在输送系统的某些部分存在。这对输送系统的设计和操作造成了严重的限制。为了防止过分的气化，通常在输送系统操作闲置期间LNG以相对高的流率循环。
只要管线的长度相对地短，例如1-km或更小，使用重绝热的输送管线，上述的系统10工作良好。对于较长的输送管线，LNG流率必须增加更多，需要较大的泵，其结果是循环管线中过量的蒸发。例如，在已知的终端处，为了保持3.5-km输送管线处于所需的低温，流率必须将近三倍具有较短输送管线的其它类型终端所需的流率。这至少是很不经济的，并随着输送管线长度继续增加在技术上可能成为不可行的。
理想的输送系统应当完全没有蒸发(即气化)，其中在闲置期间流过系统的LNG应当总是处于单相(即液体状态)。这就是本发明的目的，其中用于冷却输送系统的LNG在例如10巴的高压下通过闭环循环，并被超冷却到岸上储罐中的LNG在其连续通过其循环时的通常温度。
图5图示出本发明与先有技术输送系统有何不同。通常，可以假设在循环泵18所在的储罐12底部的LNG处于接近大气压(对于系统设计最差的条件)，并在接近-162℃(111°K)；这处于这种特定的LNG合成物在接近大气压下的始沸点线30(图5)。传统上，先有技术的循环泵18从罐12在其入口拾取LNG(图5中曲线图上点“A”)。并对加压到点“B”(即泵18的出口)。并在其通过图2所示的开环循环而在点“D”(即在返回的流体进入罐12中的LNG)被返回罐12之前，它稍微冷却到点“C”(即罐12中的LNG的表面)，点“D”处于位于始沸点线30之下的两相(即液体和气体)区域内的压力和温度。虽然泵18对LNG加压足以生成所需的通过输送系统10的流率，但没有对LNG充分加压以防止其在环路中形成两相流。
卸载参见图3和4，本发明的输送系统40由两个平行的管线43(例如返回管线)和44(例如主输送管线)组成，两者都在第一点(例如船舶等上的离岸罐41)和第二点(例如岸上罐42)之间延伸。而且，这些管线可以是分开的，或者一个可以位于另一个之中，参见参见2000年一月11日颁发的美国专利6,012,292。每一位于罐41内的管线43，44的第一端由导管45流体地连接在一起，该导管又有与其流体连接的入口管线46。阀门47位于入口管线46中控制通过的流。管线43和44的另一端位于岸上罐42内，并分别由阀门50，51控制。
高压低流率第一循环泵55的入口通过管线54连接到阀门50输送管线(例如返回管线43)上游之一，管线54在其中有流控制阀门56。阀门56能够起到“节流阀”的作用以控制对泵55的反压，或者分开的返压阀(未示出)可以位于泵55的上游。通过管线57泵55的出口连接到其它的输送管线(例如主输送管线44)，管线57在其中又具有热交换器58和流控制阀58a。低反压高流率第二循环泵60在罐42内具有其入口，且其出口通过管线63和阀门64连接到主输送管线44。
为了从储罐41卸载LNG，输送系统40由联轴器52连接到在储罐41内的输送泵53。使阀门47，51，50打开且阀门56，58a和64关闭，泵53从而开始从储罐41通过两个管线43和44向储罐42泵送LNG。在这操作期间，循环泵55和60不工作。一旦完成卸载操作，输送系统40就从船舶断开，并在等待另一船舶时最好被冷却。
虽然本发明的卸载操作类似于上述传统的卸载操作，系统40在闲置期间，即在两个相继的卸载/加载操作之间闲置期间的冷却是完全不同的，由于本发明中对于大部分时间，LNG通过输送管线在闭环结构中在高压下循环。现在参见图4，这是通过关闭阀门47，50，51和64，打开阀门58a和56并启动高反压低流率泵55实现的。取决于输送管线的设计，例如管线的长度，管线的直径和设计的温度条件，将这样确定反压和流率，使得闭环系统中的LNG在E点进入泵55(图5)，该点正好处于始沸点曲线30之上，并将在通过闭环的整个循环中保持在曲线30之上。
再来参见图4，在本发明的闭环循环输送系统40中，第一循环泵55首先把LNG从储罐42加压到高压，例如10巴绝对值；在10巴处的始沸点大约在-126℃。这就是说，只要液体比-126℃冷，LNG保持在或高于这一压力，就不会出现气化。在循环了某些时间之后，在闭环内达到平衡条件，并且液体LNG将以由图5中曲线图上的点E表示的压力和温度返回储罐42中泵55的入口；例如5巴和-140℃。(图5中的点E只是为了表示本发明的概念而被选择的)。LNG的状态和曲线图上的实际点的位置将由具体的应用决定)。现在LNG在泵55的出口被压缩到相对高的压力(例如10巴)(点F)。然而，LNG压力的这种升高结果是其温度的升高；(例如-136℃)。
再来参见图4，这时这种加压并加热的LNG在其加热管线44并通过闭环流动之前，通过热交换器58从而将其冷却到点G；(例如-150℃)。在LNG已经通过闭环完成一个循环之后，它以图5的曲线图上点H所表示的温度和压力返回储罐42中LNG的表面，H点很好地位于始沸点曲线30之上。一旦返回的LNG接触在储罐42中的LNG，在它再次以闭环循环模式进入泵55的入口之前，它再次被储罐中的LNG稍微冷却到点E(图5)。
当针对特定的应用被适当设计的时，过冷却的加压的LNG将继续(a)通过循环的回路流动，(b)由于管路的摩擦和其它原因所至损失压力，(c)由于自然的热渗入过程而增热，(d)作为单相液体返回到泵55的的入口。这些特征结果是几个明显的改进。首先，由于在输送管线的周围温度和较高的(低温)温度之间有较小的温差，进入输送管线的热流将减少；即管线工作在较暖的温度(例如，-140℃，而不是传统的开放回路操作中的-160℃)。
其次，由于过冷却的LNG在其达到始沸点之前有很大的容量吸收气体，故在整个输送系统将只是单相流状态。第三，由于单相流状态及减少的热流进入管线，需要泵送能量较小的输入。这本身又显著减少了系统内LNG的气化。本发明的闭环系统中，在闲置期间，基本上所有的气化都在储罐内的热交换器中而不是象传统的系统中在输送管线中产生。
首先，循环泵55继续压缩LNG并在其通过热交换器58之后使其通过闭环循环。在输送操作之间的大部分闲置期间，这一循环连续不断地进行，以保持输送管线冷却以及循环的LNG处于单相，即液体。在下一个输送操作之前的短时段(例如二到三小时)，输送系统40中的温度进一步降低到通常传统操作中所使用的温度。这一增加的冷却是通过关闭第一循环泵55，关闭阀门56，58a，打开阀门50和64并启动第二低反压高流率循环泵60而实现的。泵60通过现在按传统方式的开放回路在相对低的压力(例如1巴)和高流率下泵送LNG，这使管线冷却到所需的温度，准备下一次输送操作。
权利要求
1.用于在第一点和第二点之间输送低温流体的一种系统，包含用于在没有流体输送时用于冷却所述系统的装置，所述系统包括；第一输送管线，在所述第一点和所述第二点之间延伸，所述第一管线具有终止在所述第一点处的第一端以及终止在所述第二点处的第二端；第二输送管线，在所述第一点和所述第二点之间延伸，所述第二管线具有终止在所述第一点处的第一端以及终止在所述第二点处的第二端；一个导管，流体连接所述第一输送管线的所述第一端到所述第二输送管线的所述第一端；一个入口管线，在一端流体连接到所述导管，并在其另一端适于连接到在所述第一点处的输送泵；一个阀门，在所述入口管线中用于打开和关闭所述入口管线；第一循环泵，在所述第二点处，具有与所述第一或所述第二输送管线之一流体连接的的入口，并具有与所述第一或所述第二输送管线另一个流体连接的的出口，从而循环的低温流体能够由所述第一循环泵通过由所述第一输送管线和所述第二输送管，所述导管及所述第一泵形成的闭环被循环，以便当所述系统没有使用时冷却所述输送管线。
2.权利要求1的系统，包括一个热交换器，流体连接在所述第一循环泵的所述出口和所述第一或所述第二输送管线的所述另一个之间，用于在所述循环低温流体已经通过所述第一循环泵之后对其进行冷却。
3.权利要求2的系统，其中所述第一点包括第一储罐，用于储存低温流体；且其中所述第二点包括第二储罐，用于储存低温流体。
4.权利要求1的系统，其中所述第一循环泵包括一个高返压低流率泵。
5.权利要求3的系统，其中所述热交换器位于所述第二储罐内并与储存在其中的低温流体接触。
6.权利要求3的系统，包括在所述第二点处的第二循环泵，具有适于从所述第二储罐内接收低温流体的入口，并具有流体连接到所述第一或所述第二输送管线之一的出口，从而循环低温流体能够通过由所述第一输送管线和所述第二输送管线，所述导管，及所述第二泵形成的开环由所述第二循环泵循环，从而在开始输送操作之前进一步冷却所述输送管线。
7.权利要求6的系统，包括在所述第一输送管线中的第一阀门装置，以便打开和关闭通过所述第一输送管线的所述第二端的流，以便当所述第一阀门装置打开时，允许低温流体从所述第一输送管线流进所述第二储罐。在所述第二输送管线中的阀门装置，以打开和关闭通过所述第二输送管线的所述第二端的流，以便当所述阀门装置打开时，允许低温流体从所述第二输送管线流进所述第二储罐。
8.冷却输送系统的一种方法，当所述系统不使用时该系统用于在第一点和第二点之间输送低温流体，其中所述系统包括在所述第一和所述第二点之间延伸的两个输送管线，所述方法包括当所述系统不使用时，把所述第一和所述第二输送管线各端流体连接在一起以形成一闭环；通过所述闭环循环加压的低温流体，以冷却和维持所述第一和所述第二输送管线的温度处于使所述低温流体保持在其液相的温度。
9.权利要求8的方法，其中所述低温流体被加压，并使所述低温流体通过所述闭环内的高返压低流率泵循环。
10.权利要求9的方法，包括在所述被加压的低温流体已经通过所述泵之后对其进行冷却。
11.权利要求10的方法，其中所述所述第一点是用于储存低温流体的第一储罐，且所述所述第二点是用于储存低温流体的第二储罐，并其中使所述被加压的低温流体通过位于所述第二储罐内的热交换器对其进行冷却。
12.权利要求11的方法，其中所述低温流体是液化的天然气。
13.权利要求12的方法，包括停止通过所述闭环的循环；及使低温流体从第二储罐通过所述第一和所述第二输送管线以高流率和低压力循环。
全文摘要
在第一LNG储罐(41)与第二LNG储罐(42)之间输送低温流体(例如LNG)的一种系统和方法。该系统具有两个输送管线(43和44)，当系统没有使用时它们在罐之间延伸并流体上连接在一起以形成闭环。该输送系统包括在系统没有使用时用于冷却输送管线(43和44)的装置。在闲置期间LNG以高压通过闭环被循环，以保持管线处于使LNG维持在单相即液体的温度。
文档编号F17C9/00GK1406323SQ01805563
公开日2003年3月26日 申请日期2001年2月23日 优先权日2000年2月25日
发明者卡尔拉什·昌德·古拉提, 约翰·J·布克勒斯 申请人:埃克森美孚上游研究公司