專利名稱：傳送低溫流體的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于傳送低溫流體的系統(tǒng)和方法，本發(fā)明在一個(gè)方面中是關(guān)于傳送如液化天然氣(LNG)的低溫流體的系統(tǒng)和方法，通過一防水的、隔離的管線組件在岸邊的接收/裝載站和岸上的設(shè)施之間傳送液化天然氣、其中一根管線位于另一根管線內(nèi)提供循環(huán)環(huán)咱，從而在沒有低溫流體傳送時(shí)仍能保持該管線組件冷卻。另外，防水管線組件可裝在水下、或埋在或座落在海床上，其中該組件可在不影響海面交通的情況下延伸相當(dāng)長的距離，如1～6公里。
在世界上的許多遙遠(yuǎn)的地方生產(chǎn)出大量的天然氣(甲烷)，這種氣體具有可很經(jīng)濟(jì)地傳送到市場上的巨大價(jià)值。如果生產(chǎn)區(qū)離市場相當(dāng)近、兩地之間的地理?xiàng)l件允許，可以通過海底和/或陸地管線傳送。然而，如果生產(chǎn)氣體的地方不能鋪設(shè)管線或經(jīng)濟(jì)上不允許，必須采用其它技術(shù)來將氣體送到市場上。
最通常采用的技術(shù)包括在現(xiàn)場液化該氣體，然后將液化天然氣或“LNG”裝在海上航行的船上的特殊設(shè)計(jì)的儲(chǔ)罐中送到市場上。為了形成LNG，將天然氣加壓并冷卻到底溫(如-160℃)，這就可大大增加儲(chǔ)罐中能容納的氣量。一旦船到達(dá)目的地，將LNG卸到岸上，LNG可從儲(chǔ)罐中按需要蒸發(fā)，并通過管線之類的裝置送給最終用戶。
在LNG裝、卸船時(shí)，最重要的是用于在船和岸上儲(chǔ)罐之間傳送LNG的流體管線系統(tǒng)在裝/卸工作開始之前能預(yù)冷到低溫，并在傳送操作期間和接著的傳送操作的間隙時(shí)間中能保持該低溫、亦即在一次傳送操作完成和另一次開始之間的時(shí)間間隙中仍能保持低溫。
每次大約要12個(gè)小時(shí)的兩次順序的裝/卸操作之間的間隙，可能很短(如一天)，也可能很長(如3～7天或更長)。正如本專業(yè)技術(shù)人員知道的，由于在每次傳送操作之前必須冷卻管線，必須盡量避免在這些間隙中對(duì)傳輸管線重復(fù)加溫。否則就會(huì)很費(fèi)時(shí)間、從而拖延了船裝/卸時(shí)間、進(jìn)而將大大增加LNG的運(yùn)輸成本。另外，重復(fù)加溫和冷卻管線會(huì)在管線上產(chǎn)生應(yīng)力，從而會(huì)使管線系統(tǒng)較早地疲勞。
在先有技術(shù)的這些流體管線系統(tǒng)中，起初冷卻這些流體管線系統(tǒng)，然后再通過循環(huán)LNG保持在低溫上，循環(huán)的LNG從岸上通過主傳送管線再通過單獨(dú)的返回管線返回到岸上，單獨(dú)的管線沿著并位于主流體管線外側(cè)延伸。該LNG的循環(huán)通常是在不工作的期間保持的，這個(gè)在連續(xù)的傳送操作之間的期間通常為3～7天，該循環(huán)僅延續(xù)12個(gè)小時(shí)。在實(shí)際的傳送操作中，通過兩根循環(huán)管線的流動(dòng)可能是在一個(gè)方向上，這樣兩根管線可用于將低溫流體傳送到船上或從船上傳到岸上。
通常安裝兩根單獨(dú)的循環(huán)管線，從而在所有時(shí)間上盡量減少熱量漏入傳送管線中，防止LNG在傳送管線中過量蒸發(fā)。在已知這種流體管線并在過去已成功使用的同時(shí)，在很多情況下也遇到不能經(jīng)濟(jì)地使用的缺點(diǎn)。
例如，現(xiàn)在已知的低溫流體(LNG)傳送系統(tǒng)不能沉浸在水中，必須裝在岸上的罐和岸邊的接收/裝載站之間的特地建造的支架或長堤上。這些支架必須足夠高出水面以上，以防止傳送管線碰到水，在一些情況下還要避免干擾水面上現(xiàn)有的交通船只等。建造這些支架的成本常常要求接收站的位置靠近岸邊(如1500米以內(nèi))，要求疏通新的通道、建造新的海港設(shè)施，從而確保吃水深的LNG運(yùn)輸船通航。
另外，設(shè)立在不工作期間用作循環(huán)LNG的返回管線及它與流體管線系統(tǒng)的主傳送管線分開大大地增加了傳送系統(tǒng)的成本、復(fù)雜性及安全方面的問題。因此，對(duì)低溫流體管線系統(tǒng)來說存在一種需要，即使它能安裝在水下，從而不干擾水面交通，由此使船可在離岸邊較遠(yuǎn)處裝/卸，從而可增大操作期間對(duì)公眾的安全性。另外，由于不必建造支架，將可大大減少該系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明提供了傳送低溫流體的系統(tǒng)和方法、如在岸邊接收/裝載站和岸上設(shè)施之間傳送液化天然氣(LNG)的系統(tǒng)和方法。該流體管線系統(tǒng)可沉浸在水下，由此可使接收/裝載站可以放在離岸較遠(yuǎn)的地方，進(jìn)而就不必疏通航道和不必在該區(qū)域建造昂貴的港口設(shè)施來處理深吃水的LNG船的問題。
本發(fā)明的流體管線系統(tǒng)基本上包括一根主傳送管，它放置在一個(gè)耐用的、抗磨材料(如磁鋼)制成的外套管內(nèi)，還包括形成在套管和主傳送管之間的隔離裝置。隔離裝置可包括任何合適的隔離材料(如泡沫塑料、多層的隔離物、氣凝膠等)或?qū)υ摥h(huán)形區(qū)抽真空、或兩者的聯(lián)合。
小直徑的返回管放置在主傳送管內(nèi)并基本穿過整個(gè)主管。主傳送管道和返回管道在其材料經(jīng)受由于溫度的改變而膨脹/收縮時(shí)，包括用于允許相互之間和相對(duì)于外套管的膨脹和收縮的裝置。這些裝置可以是任何合適的連接裝置，如波紋管、滑動(dòng)接頭等連接裝置，它們允許管道在相應(yīng)的主傳送管道和返回管道形成的管道的相鄰長度之間膨脹和收縮，在這些管道材料是如被稱作殷鋼的36％鎳鋼制成時(shí)，當(dāng)它冷卻到LNG溫度時(shí)在管線組件上幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，也不需要膨脹接頭。
在操作中，該流體管線系統(tǒng)在岸邊接收/裝載站和岸上設(shè)施之間流體連通并沉浸在水中。然后低溫流體通過主傳送管和置于主傳送管內(nèi)的返回管循環(huán)，直到兩根管達(dá)到低溫時(shí)為止。該循環(huán)在低溫流體在船和岸上設(shè)施之間開始傳送之前連續(xù)地進(jìn)行。此時(shí)通過返回管道傳送低溫流體的流動(dòng)方向是逆向的，亦即在傳送操作期間通過兩根管道的流動(dòng)方向是相同的，一旦操作完成，通過返回管的流動(dòng)再次逆向，在不進(jìn)行傳送操作時(shí)、亦即兩個(gè)相接的LNG船的裝/卸之間的間隙期，低溫流體通過該系統(tǒng)循環(huán)，從而使該系統(tǒng)保持在所需要的溫度上。
下面通過參照附圖可更好地理解本發(fā)明的實(shí)際結(jié)構(gòu)的操作和明顯的優(yōu)點(diǎn)，其中同樣的參照數(shù)字表示相同的零件，其中

圖1示出用來在海運(yùn)船和岸上設(shè)施之間傳送低溫流體的先有技術(shù)的流體管線系統(tǒng)；圖2示出本發(fā)明的用來在海運(yùn)船和岸上設(shè)施之間傳送低溫流體的流體管線系統(tǒng)；圖3是部分剖視和斷開的本發(fā)明的低溫流體管線系統(tǒng)的示圖4是沿圖3中4-4線的剖視圖；圖5是本發(fā)明另一實(shí)施例的剖視圖；圖6是本發(fā)明另一實(shí)施例的部分?jǐn)嚅_的透視圖；圖7是圖3的流體管線系統(tǒng)一端部分剖視的示圖。
現(xiàn)在專門參見附圖，圖1表示一種典型的、在海運(yùn)船10和岸上儲(chǔ)罐11之間傳送低溫流體、即液化天然氣(LNG)的先有技術(shù)的系統(tǒng)。船10是一種具有多個(gè)特殊設(shè)計(jì)的、儲(chǔ)存LNG的罐12的船，它停泊到接收/裝載站13，該站13是離岸有一段距離支撐和建筑的永久性結(jié)構(gòu)。兩根流體管線14、16從岸上設(shè)施11伸到船10，并且如前所述兩根管均支撐在水面上方的支架17上。低溫流體、如LNG通過管線14和16循環(huán)，從而在傳送操作的間隙期間使管線保持在所需要的低溫上。在傳送操作期間，LNG可在所需要的方向流過兩根管線14、16。
這種類型的先有技術(shù)的管線系統(tǒng)要求鋪設(shè)和保持兩根獨(dú)立的管線14、16，它們兩根均暴露在大氣中，因此必須適當(dāng)隔熱以防止過量的熱泄漏。建造和維護(hù)支架16的成本是很高的。另外在大多數(shù)位置的典型支架的長度不僅受到有關(guān)成本的限制、而且還受到該區(qū)域海上交通的限制，亦即支架不可能在不影響海上交通的情況下伸得離海岸太遠(yuǎn)，在大多數(shù)情況下伸得太遠(yuǎn)是不能允許的。
另外，在先有技術(shù)的這種傳送系統(tǒng)中，建造流體管線14、16的方式在實(shí)踐上和技術(shù)上均不允許將管線沉浸在岸邊和接收站之間的水下。隔熱的外表面也不能對(duì)暴露在水中提供保護(hù)，如果浸在水中將會(huì)失去用作隔熱器的隔熱作用。
現(xiàn)參見圖2，它示出停泊在接收/裝載站13的船10，其中船上的罐12通過本發(fā)明的流體管線系統(tǒng)15流體連通到岸上的設(shè)備上。正如圖中所示，系統(tǒng)15安置在海床上，或者采用特殊制備的架子(未示出)埋在海床內(nèi)，然后蓋上沙土，或僅座落在海床上而不加掩埋。正如下面要解釋的，LNG可通過該流體管線系統(tǒng)15在船10和設(shè)施11之間進(jìn)行裝或卸。
現(xiàn)參見圖3，低溫流體管線系統(tǒng)15包括主傳送管線或管道20，它同心地安置在外套管21內(nèi)由此在它們之間形成環(huán)形腔22。環(huán)形腔22可通過對(duì)中心裝置22a(為清楚起見僅示出一個(gè))對(duì)中在套管21中，使套管21沿管道20隔離開。放置在主傳送管道20內(nèi)并穿過它的是返回管線或管道23。如圖所示，返回管道位于管道20的下方的內(nèi)表面上，并不必在其中對(duì)中心。
由于套管21能有效地隔絕主傳送管道20和返回管道23的溫度變化，它們就不會(huì)產(chǎn)生任何大的膨脹和收縮。因此，套管21可用一定長度的堅(jiān)固的并耐腐蝕材料(如42英寸直徑的碳鋼鑄件)用焊接、螺接等方法制成。然而，由于主傳送管20和返回管23兩者均將攜帶低溫流體，因此每根管道均必須能相互獨(dú)立地并相對(duì)于套管21隨著溫度的變化而膨脹或收縮。
因此，制成一定長度的每根管道21、23(如分別為不銹鋼等制成的32英寸內(nèi)徑和10英寸內(nèi)徑的管子)由膨脹接頭連在一起，該膨脹接頭允許每根管道在不會(huì)破裂或翹曲的情況下獨(dú)立地進(jìn)行膨脹和收縮?？刹捎萌魏卧试S必要的膨脹的接頭。例如，可將波紋管24焊接或固定在管道20或23的相鄰接頭上，也可采用如先有技術(shù)中提到的“滑動(dòng)接頭”25、25a。僅有的重要的一點(diǎn)是管道20和23可膨脹和收縮，并且它們可相互獨(dú)立地進(jìn)行膨脹和收縮。小的從管道23到主傳送管道20的漏泄是允許的，但不應(yīng)有從管道20到套管21的漏泄。
管道21、23還可由對(duì)溫度變化幾乎沒有膨脹/收縮的材料(如稱作為殷鋼的36％鎳-鋼，某些復(fù)合材料等)制成。在用這些材料制成時(shí)，管道20、23不必使用膨脹接頭、而可采用焊接相鄰長度的相應(yīng)管道來進(jìn)行組裝。
在管道20和23之間用以隔離的環(huán)形腔22基本消除了從周圍環(huán)境到系統(tǒng)15中的熱漏泄。這可以各種方式做到、例如環(huán)形腔22(a)可抽真空并保持真空、(b)填充隔熱材料如多層隔熱件或泡沫塑料、或(c)上述兩種隔熱技術(shù)聯(lián)合使用。也就是說，環(huán)形腔22可以填充纖維素類的可透氣的泡沫26、或用條帶式隔熱件27(圖6)包纏，從而允許在環(huán)形腔22內(nèi)抽真空。
任何合適的隔熱材料均可采用，如多層隔熱件、氣體凝膠、松散填充的隔熱件、透氣的或封密小腔的泡沫塑料等等。然而任何放在環(huán)形腔內(nèi)的隔熱材料將必須是允許管道20在套管21中膨脹的材料。另外在一些實(shí)施例中，套管20可以包在一層水泥28(圖3和4)中，從而提供抗波浪、水流、浮力或其它力的穩(wěn)定性。
在圖5的實(shí)施例中，套管21用如結(jié)構(gòu)塑料那樣的材料29制成的圓筒代替，在圓筒中具有縱向延伸的通道30。圓筒29放置在主傳送管道20的周圍，通過通道30抽真空。
在操作中，低溫流體管線系統(tǒng)15安裝在兩點(diǎn)之間傳送低溫流體的地方。正如圖2所示，系統(tǒng)15沉浸并安裝在海床上，連接在海邊的接收/裝載站13和岸上19的設(shè)施11之間?？梢钥闯觯坏┌惭b好以后該流體管線系統(tǒng)將定位在海床上，主傳送管道20和返回管道23的外端由合適的閥門(見圖7)流體連通，該閥門可放在海邊的站13上，從而形成通過該系統(tǒng)15的環(huán)路。如圖所示，主傳送管道20的外端由蓋40封閉，蓋40具有連到其上的供給管線41，然后再連到閥42上。當(dāng)閥42關(guān)閉時(shí)，LNG將從主傳送管道20流入返回管線23的敞開端，從而提供LNG的循環(huán)回路。當(dāng)閥打開時(shí)，LNG將從供給線41既進(jìn)入主管道20、也進(jìn)入返回管線23。
LNG或其它低溫流體從設(shè)施11、通過管道20流出、再通過內(nèi)部的返回管道23流回設(shè)施11，由此來冷卻并將流體管線系統(tǒng)15保持在低溫上。通過冷卻并將該流體管線系統(tǒng)15保持在低溫上、以及適當(dāng)?shù)貙?duì)流體管線隔熱，系統(tǒng)內(nèi)的LNG的蒸發(fā)降到最小。應(yīng)該看到，在某些情況下，LNG的循環(huán)也可是逆向的，亦即LNG通過返回管線23流動(dòng)、然后再通過管道20返回，這也不超出本發(fā)明。
一旦流體管線系統(tǒng)達(dá)到它所需要的溫度，系統(tǒng)內(nèi)合適的閥門打開，流過主傳送管道20和返回管道23的流動(dòng)將處于同一方向。亦即如果船10卸載，LNG將通過兩根管道20、23送到岸19的設(shè)施16中。當(dāng)裝載時(shí)，所有的液流將從設(shè)施16流向船10。通過將返回管放置在主管道20內(nèi)，大大簡化了傳送管線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和維護(hù)，并不再需要對(duì)返回管道23進(jìn)行單獨(dú)的安裝和隔熱。另外，本系統(tǒng)15由于進(jìn)入單根主管道20內(nèi)的總的熱漏泄小于進(jìn)入先有技術(shù)系統(tǒng)中兩根單獨(dú)的管線的熱漏泄，因此還通過降低操作成本提供了優(yōu)于先有技術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。
在本發(fā)明的流體管線系統(tǒng)已描述成它可沉浸在水下、從而使接收/裝載站可安置在離岸較遠(yuǎn)的地方(如1～6公里)同時(shí)，應(yīng)該看到，它也可支撐在水面上方的支架上，而接收/裝載站也可放在靠近海岸的地方。
權(quán)利要求
1．一種用來傳送低溫液體的流體管線系統(tǒng)，上述系統(tǒng)包括一根主傳送管道；一根套管，它放置在上述主傳送管道的周圍并在它們之間形成一個(gè)環(huán)形腔；用于對(duì)上述主傳送管道和上述套管之間的上述環(huán)形腔隔熱的裝置，一根返回管線，它放置在上述主傳送管道內(nèi)并基本穿過上述主傳送管道的長度。
2．按照權(quán)利要求1的流體管線系統(tǒng)，其中上述對(duì)上述環(huán)形腔隔熱的裝置包括對(duì)整個(gè)上述環(huán)形腔抽真空。
3．按照權(quán)利要求1或2的流體管線系統(tǒng)，其中上述對(duì)上述環(huán)形腔隔熱的裝置包括用隔熱材料基本填充上述環(huán)形腔。
4．按照權(quán)利要求3的流體管線系統(tǒng)，其中隔熱材料從下組中選出多層隔熱材料、氣體凝膠、松散填充的隔熱材料、可透氣的小腔的泡沫塑料和封閉小腔的泡沫塑料。
5．按照權(quán)利要求1～4的任何一個(gè)的流體管線系統(tǒng)，其中上述主傳送管和返回管道包括允許上述主傳送管道隨著溫度的變化相對(duì)于上述套管膨脹和收縮的裝置。
6．按照權(quán)利要求5的流體管線系統(tǒng)，其中上述主傳送管和返回管道包括多個(gè)長度的管道，其中每個(gè)上述膨脹和收縮裝置包括連接在相鄰長度傳送管道之間的波紋管。
7．按照權(quán)利要求5的流體管線系統(tǒng)，其中上述主傳送管和返回管道包括多個(gè)長度的管道，其中每個(gè)上述膨脹和收縮裝置包括連接相鄰長度傳送管道的滑動(dòng)接頭。
8．按照權(quán)利要求1～7中任何一個(gè)的傳送低溫流體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)延伸在位于海邊水中的接收/裝載站和岸上設(shè)施之間，在該流體管線系統(tǒng)中，上述岸上設(shè)施流體連通到上述岸邊的接收/裝載站上，該流體管線系統(tǒng)沉浸在水中，一根套管，它放置在上述主傳送管道的周圍并在它們之間形成一環(huán)形腔，用以對(duì)上述主傳送管道和上述套管之間的上述環(huán)形腔隔熱的裝置，一根返回管，它放置在上述主傳送管道內(nèi)并基本穿過上述主傳送管道的長度。
9．一種從海邊水中的接收/裝載站和岸上設(shè)施傳送低溫流體的方法，上述方法包括流體連接在上述接收/裝載站和上述設(shè)施之間的、隔熱的主傳送管道；將上述隔熱的主傳送管道沉浸在水中，通過上述主傳送管道和位于上述主傳送管道內(nèi)的返回管線、在上述設(shè)施和接收/裝載站之間循環(huán)低溫流體，一直到主傳送管道和上述返回管道達(dá)到某一低溫時(shí)為止；當(dāng)開始傳送低溫流體時(shí)上述返回管道內(nèi)的流動(dòng)方向逆轉(zhuǎn)，從而使上述低溫流體以同一方向穿過上述主傳送管道和返回管道，一直到上述低溫傳送完成時(shí)為止。
10．按照權(quán)利要求9的方法，包括當(dāng)上述傳送完成時(shí)逆轉(zhuǎn)上述返回管道內(nèi)的流動(dòng)方向，從而重新建立通過上述主傳送管道的循環(huán)，由此使上述主傳送管道在上述低溫流體傳送之間的間隙期間保持低溫。
全文摘要
一種用來在岸邊的接收/裝載站(13)和岸上的設(shè)施(11)之間傳送如液化天然氣(LNG)類的低溫流體的系統(tǒng)和方法,可沉浸在水中的流體管線系統(tǒng)包括放置在一根外套管內(nèi)的主傳送管道(20)和放置在主傳送管道內(nèi)的返回管道。套管和主管道之間的環(huán)形腔是隔熱的。主傳送管道和返回管道包括允許相應(yīng)管道隨溫度變化而膨脹/收縮的裝置。
文檔編號(hào)F17C13/00GK1309752SQ9980870
公開日2001年8月22日 申請日期1999年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月16日
發(fā)明者凱拉什·昌德·古拉提, 阿蘭·杰伊·西爾弗曼 申請人:美孚石油公司