CN101233048A - 传输低温液体的轻巧系统 - Google Patents

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Abstract

一种在储罐(10)和卸载/装载站之间传输低温液体的系统，需要一条倾斜的绝热传输管道(41)，其高端在储罐附近，低端在卸载/装载站处。在高端，传输跨接管(40)和供液管线(48)将传输管道(41)与储罐(10)相连。在停输状态下，供液管线(48)将储罐(10)中的低温液体注入传输管道(41)，以补偿传输管道(41)中因热量渗漏而汽化的液体数量。补充的液体在重力的作用下向下流，汽化的气体沿传输管道(41)截面的顶部和传输跨接管(40)流回到储罐(10)中。这样，一个循环就在单条管线内形成，保持传输系统处在低温状态。

Description

传输低温液体的轻巧系统
技术领域
本发明涉及一种在装载站/卸载站与储存设备之间传输低温液体的系统和方法。特别地，本发明在单条倾斜的大口径管道内建立了一个循环管路，以在两个相邻的传输操作之间的停输期内保持所述系统处于低温状态。
背景技术
发达国家对天然气的需求在不断增加，而天然气资源常在偏远的地方。为了将资源送到用户，经济可行的方法之一是先将天然气液化，然后将-163℃的液化天然气(LNG)用LNG船运输。在这个LNG链中，LNG需要在气田附近的装载端处的岸上液化站装载进LNG船，然后在消费者附近的接收端卸载进LNG储罐。陆地上的LNG储罐处于低温-163℃和常压状态。通常，LNG储罐为全封闭式的，其包含的天然气由外边的混凝土罐壁和罐顶封住。LNG被储存在不锈钢或镍钢制成的内罐里的一定高度范围内，其上面的空间则会被汽化气体(即天然气)充满。由于罐壁、灌顶和传输管道系统的热渗漏而产生的汽化气体都会流入气体管道，其入口位于储罐最大液体高度的上方。这些气体一般被压缩后送到再凝结器(re-condenser)。
LNG船是在海上航行的，需要大约15米或更深的水来停泊或移动。因此在LNG船和陆上储罐之间传输LNG需要一个传输系统，其长度根据海岸坡度可从几百米到几千米变化。支撑在例如码头或栈桥之类的支撑结构上的水上管道系统广泛地被用在装载/接收终端传输低温液体。水下管道系统也被提出，但只建造了几个(如在马里兰州的Cove Point接收终端，其传输管道置于水下隧道中)。
一般来讲，卸载LNG船需要约12个小时，卸载次数在每周两次左右。为了避免LNG传输系统因反复冷却、升温而破坏，整个系统在不卸载时也需要保持在低温状态。传统的方法是在海上卸载站与陆上储罐之间配备另外一条LNG管线(比如小口径的循环管线)。在不装卸时，一小部分LNG会从LNG储罐的排出管(discharge pipe)中被分流到循环管线。此LNG流到水上装载站后，再经主传输管线回到储罐。当加压的LNG从循环系统释放到低压的储罐之后，汽化气体大量出现。这条循环管线也可以设计成与传输管线一样的大小，这样，两条管线在卸载时同时作为传输管道使用。
在传统的传输系统中，传输管线和循环管线都有各自的绝热层和防水层。为改善该系统，Gulati和Silverman在美国专利(专利号：6,012,292)中，将小口径的循环管线放在传输管线的里面，停输时，低温液体经过循环管线和循环管线与主输管线之间的环状空间形成循环。Gulati等在美国专利(专利号：6,244,053)中公开了一种系统和方法，其中，传输系统在封闭式的管线循环回路内流通高压的单一状态的LNG(single phase LNG)，并由换热器协助散热。
发明内容
技术问题
传统的系统在停输时需要主传输管线和再循环管线来形成回路，且泵压循环液体来保持系统处于低温状态。两条管线构成的系统建设费用高，停输时需要在一定压力下循环，运行成本也高，而且，系统中任何一个环节出问题，就会危及整个系统。
技术方案
本发明提供了在海上装载站和陆上储罐之间传输低温液体的系统和方法。该传输系统只需要一条较大口径且带有绝热层的管线，且该管线倾斜放置，高端在储罐附近，低端在海上装载站处。这样，低温液体就可以在重力的作用下顺着管道向下流，汽化气体则会顺着管道截面顶部向高端流动。这样一个循环回路就在管线内部形成，保持系统在停输时处于低温状态。
所述传输系统包括一条倾斜的传输管道、一条连接传输管道高端与陆上储罐气体区域的跨接管(transfer jumper)和一条连接传输管道的同一端和储罐的液体区的供液管(feeding line)。此外在停输阶段，泵和/或阀可与供液管一起使用，以将低温液体以预定的流量(desired flow rate)从储罐注入到传输管道。这条传输管道可以由栈桥/码头支撑、或置于海床上、或者埋于海床下。
在传输完成之后，由于热量从管道四周传入，汽化气体开始在管道截面的上方形成，并推动系统内的部分液体进入储罐，汽化气体也自动沿着管道截面顶部和跨接管流入储罐。一旦没有更多的液体被推出传输系统，就可以从储罐将低温液体注入到传输系统，注入流量以等于汽化掉的液体数量为佳。
有益效果
本发明的系统的优势在于：降低建设费用，减少操作和维护费用，并大大提高发送或者接收终端的低温液体传输的安全性能。所述系统还可被用来在储罐和陆上移动车之间传输低温液体，以便在两者之间提供安全距离。
附图说明
图1是现有技术的典型的接收终端处的传输系统的示意图，其中停输时两条分离的管线构成回路循环LNG；
图2是倾斜的传输管道沿管轴向的剖视图以及其中的循环回路，用于示出本发明的原理；
图3示出了沿图2中的线3-3的截面；
图4示出了根据本发明的海底传输系统，以及接收终端停输时储罐附近气液的流向；
图5A示出了停输状态下沿图4中5-5线在海底管道低端的单向气流路径的流动状态；
图5B示出了停输状态下沿图4中5-5线在海底管道低端的双向气流路径的流动状态；
图6示出了在海上卸载站的管线，并延伸与气体回送管线相连，其为图4所示系统的变形；
图7示出了支撑在栈桥上的传输系统和停输时储罐附近的流向，其作为本发明的另一实施例；
图8示出了根据本发明的热补偿器的布置，其中图8A是平面图，图8B是从前面看的正视图，图8C是从海上卸载站向陆上储罐看的正视图。
具体实施方式
图1示出了现有技术中具有代表性的LNG接收终端的传输系统，储罐10位于海岸线20附近的岸上。几个装载臂14位于水深为十五米或者更深的海面上，以便停泊常见的LNG海运船。装载头13与装载臂14相连。两条LNG管线12和15在岸上与储罐10相连，在海上与装载头13相连。这两条LNG管线12和15以及装载头13与装载臂14都被栈桥19支撑在水面之上。出气管9穿过罐顶与储罐10相连，出气管9是气体处理系统(图中未示出)的一部分，用于将储罐10中的汽化气体排出。位于罐底附近的一级泵17，通过输出管18输出LNG。带阀16的LNG管线12也与输出管18相连。在停输期间，关闭阀11，打开阀16，少部分的LNG从输出管18进入LNG管线12。如图1中所示的方向，这部分LNG经过装载头13，然后经LNG管线15回到储罐10。这样，在停输期间LNG管线12和15就通过循环LNG而保持在低温状态。在卸载时，打开阀11，关闭阀16，LNG经管线12和15被送入储罐10。为简单起见，储罐10中的其它管线没有画出。
图2示出了本发明的原理。传输管道21以倾斜角度α(比如2度)倾斜放置。在这个实施例中，传输管道21的低端由堵头23封住，高端28是开口的。传输管道21外包绝热材料22。在高端28，将LNG注入传输管道21，并在重力的作用下，LNG沿管道截面的底部流下。因热量渗入传输管道21，LNG24产生了小气泡25。在封闭端附近，小气泡25沿传输管线21聚集形成长气泡29，并向高端28流动。在开口端28周围，汽化气体占据了传输管道21的上部空间26，并也向高端28移动。在相变产生的压差作用下，气泡不停地向高端28流动。这样，一个循环就在传输管道21内形成，其中，LNG沿管道截面底部向低处流，气泡沿管道截面顶部向高处流。
图3示出了传输管道21沿图2中3-3线的剖视图，其中，在交界面27的下部24是LNG，上部26是气体。气体流量在开口端28最大(即每单位时间传输管道21中所有汽化气体)，向低端逐渐降低到最小。
为了保持传输管道21处于低温状态，需满足以下几项要求：1)传输管道21要倾斜，其角度可在5度到0.01度之间，以便LNG在重力作用下流动；2)在高端28 LNG注入量少，在入口点(即开口端28)只占据截面的下部，使得管中汽化气体可通过上部流出；3)传输管道21绝热良好(比如传热温度系数(OHTC)在0.5Wm-2K-1以下)，且汽化气体的流速不会阻止LNG流入。
图4示出了本发明的实施例，其中，绝热的传输管道41从储罐10附近的浅导井(shallow shaft)49延伸到装载站45和装载头13下的海上导井44。传输管道41被保护在外套的钢管中，且埋于海床43中。顺着海床43的自然坡度，传输管道41由在岸上较大的角度(比如2度)逐渐降低高度，以较小的角度接近海洋端(比如0.2度)。在传输管道41的海洋端，导井44向下固定在水深在15米或者更深的海床43中，并向上垂直延伸到水面46之上。传输立管42位于导井44中，且与装载头13相连。在传输管道41的陆地端，三通(tee)50位于浅导井49中，将传输管道41与传输跨接管40和供液管48相接。跨接管40的口径与传输管道41的相同，也带有绝热材料。跨接管40穿过储罐10的罐顶，在LNG高位线39以上截断。小口径的供液管48在较低的边壁与储罐10相连。
卸载时，LNG通过装载头13、传输立管42、传输管道41和跨接管40被输送到储罐10。卸载完成之后，汽化气体开始将跨接管40中的LNG推入储罐10中，在一段时间之后(以跨接管40全被气体充满为佳)，打开阀47，让LNG在重力作用下流入传输管道41。与此同时，传输管道41中的气体通过传输管道41截面顶部和跨接管40流入储罐10，然后经出气管9进入接收终端的气体处理系统。
图5A示出了沿图4中5-5线内的传输管道41低端周围的流动模式。在卸载结束之后，汽化气体将很快充满传输立管42的空间53，并将LNG推到传输立管42的底部。传输管道41中，小气泡51上浮，在截面的顶部形成流向储罐10的长气泡54。传输管道41低端的其它部分充满了LNG 52。当传输立管42充满了汽化气体之后，由于热量持续渗入，温度不断升高。为了避免传输立管42和其上的管路升温，在这个实施例的一个变形例中，装载头13的一端与接收终端的回气管线62(见图6)相连。这样在导井44附近的汽化气体就可以通过回气管线62(见图6)回到岸上。图5B显示的是停输时传输管道41低端的气液流动情况，此时，LNG 52也存留在传输立管42中。传输管道41中的小气泡55上浮，在传输管道41的截面的顶部形成长气泡56。长气泡56沿着传输管道41截面的顶部流向储罐10。同时，传输立管42中的小气泡57上浮在LNG 52上方形成单一状态的气体。
图6显示的是海上装载站45上的管路，除了装载头13、装载臂14外，还有气体装载臂61和回气管线62。装载头13在一端与传输立管42相连，在另一端与阀63、竖直短管64及延长段65相连。延长段65与回气管线62相连。在这个变形例中，装载头13优选地朝着阀63的方向向上倾斜。在卸载结束之后，汽化气体很快充满装载头13，在此之后，打开阀63，只让气体进入回气管线62。图6中所示的是停输时气体流动方向。竖直短管64用来阻止LNG进入回气管线62。
图7示出了本发明的另一个实施例。这里传输管道72由栈桥73支撑在海平面46之上。传输管道72轻度倾斜，低端位于装载头13(比如在岸上倾斜0.5度，在海洋端倾斜0.02度)。传输管道72的岸上高端通过三通与传输跨接管71和供液管74相接，其中，传输跨接管71连于三通向上的端口。跨接管道71穿过储罐10的罐顶，与罐中气体空间相连(即在LNG高位线39以上)。供液管74的另一端与输送管道18相连。输送管道18穿过储罐10的罐顶，在储罐底部附近与泵17相连。卸载结束之后，汽化气体开始出现在传输管道72截面的顶部，并流向储罐10。当液体不再从传输系统流出后，打开阀76，让限量的LNG通过供液管74流入传输管道72。这些LNG在重力作用下向下流，补偿其中汽化掉的部分。与此同时，汽化气体沿传输管道72截面顶部和跨接管71流入储罐10。卸载时，关闭阀76，LNG从装载臂14通过传输管道72和跨接管71流入储罐10。
当9％镍钢或类似的钢用于制作图7中的传输管道72时，考虑管道中的较大的热应力，需要在传输管道72中合适的位置安装热补偿器(thermal expansionloops)。图8示出了热补偿器80的布置，其中高端81放在岸上储罐10一边，低端82放在海洋装载头13一边。这里热补偿器80的每一条腿都向下倾斜转向海洋装载头13，以便LNG在重力作用下可以流经热补偿器80，如图8中方向所示。
工业适用性
LNG和其它低温液体常储存在装载/卸载终端、调峰站(peak shavingstation)以及其它储存设备内。这就需要在储罐和海运船或者陆运车之间传输低温液体。由于吃水深度要求或安全原因，装载/卸载站需要与储罐有一定的距离，这就需要一传输系统连接储罐和装载/卸载站。以上描述的传输系统就是用在储罐和装载/卸载站之间传输低温液体。具体来讲，这套系统可以在停输状态下，通过液体的自动汽化来保持低温，以避免既耗时又会导致管道疲劳的温度升降。

Claims (20)

1.一种在储罐和卸载/装载站之间传输低温液体的系统，其特征在于，包括：
一条绝热且倾斜的传输管道，其高端在储罐边，低端在卸载/装载站边；
一条绝热的流体分支，连接所述高端与所述储罐中的气体区；
一条绝热的液体分支，连接所述高端与所述储罐中的液体区。
2.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述流体分支和液体分支由一个三通与所述传输管道相连，且所述流体分支使用该三通的向上的出口。
3.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述传输管道包含一个或者多个热补偿器，且所述热补偿器的高度向所述低端呈下降趋势，低温液体在重力作用下流经所述热补偿器，并流向所述低端。
4.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述液体分支在接近储罐底部的位置穿过储罐壁，和阀一起控制在重力作用下进入所述传输管道的低温液体的流量。
5.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述液体分支为一条跨接管，其向下延伸到储罐底部附近的液体区，端头处与泵连接，以控制进入所述传输管道的低温液体的流量。
6.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述液体分支为一根短管，与输出管路相连，并由阀来控制进入所述传输管道的低温液体的流量。
7.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述传输管道位于海平面之上。
8.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述传输管道位于地下隧道中。
9.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述传输管道外套钢管，且埋地。
10.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，所述传输管道外套钢管，且置于海床上。
11.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，还包括一装载头，连接所述传输管道的低端与海洋站上的装载臂。
12.根据权利要求1所述的传输系统，其特征在于，还包括：
一个竖直狗腿，连接所述低端和海洋站上的装载头；
至少一个阀连接所述装载头的一端和一回气管线，所述阀在停输状态下打开，以使竖直狗腿中的气体可以进入回气管线。
13.一种在停输状态下，使在储罐和装载/卸载站之间传输低温流体的绝热传输管道保持在低温的方法，其特征在于，包括：
将所述的传输管道倾斜布置，使其高端在所述的储罐附近，低端在装载/接收站；
用一条跨接管连接所述传输管道的高端与所述储罐的气体区域；
用一条供液管连接所述传输管道的高端与所述储罐的液体区域；
从所述传输管道的高端注入低温液体。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述传输管道内形成自动循环，其中注入的液体在重力作用下向下流，汽化气体通过所述传输管道截面的顶部和跨接管流向所述储罐。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，包括启动时所注入的低温液体量超过单位时间内因周围热渗入所述传输管线内而汽化的液体量。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括在停输状态下控制低温液体的注入流量，以补偿单位时间内因周围热渗漏而在所述传输管线内汽化的液体。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括在装载完成后让所述传输管线内的液体汽化，并在一段时间内保持所述传输管线处于低温。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括装载完成并且气体充满所述跨接管后，再从储液罐向所述传输管道注入低温液体。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括在重力作用下通过所述供液管从储液罐向传输管线注入低温液体。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过从阀、泵、及供液管线的口径构成的组中选择来控制注入传输管线的低温液体的流量。
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