CN109196269A - 减小来自储罐的压缩气体的压力 - Google Patents

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Abstract

一种可将压缩气体从储罐卸载至客户现场的系统。该系统可具有流体回路，流体回路构造成装配在用于移动到偏远地点的集装箱结构(如拖车)内。该流体回路可包括用于在罐之间自动切换的传送单元。传送单元可与换热器耦合。在换热器的下游，流体回路可通过多个减压阶段减小来自罐的流体的压力。各个减压阶段可包括节流装置，例如先导型流体调节器和控制阀组件。可根据来自罐的进入流体中的压降选择节流装置以将流体流量保持在至少例如35,000标准立方英尺/小时。

Description

减小来自储罐的压缩气体的压力
相关专利的交叉引用
本申请要求享有于2015年12月27日提交的且题为“减小来自储罐的压缩气体的压力”的美国临时专利申请序列No.62/271,237的优先权权益，其内容通过引用以其整体结合在本文中。
背景技术
碳氢化合物的运送可利用通过卡车、轮船和铁路运输的罐。这些罐可承载大量的处于非常高的压力下的压缩气体。然而，在运输期间的气体压力和客户从罐中卸载压缩气体所需要的压力之间常常存在不匹配。
发明内容
本公开的主题大体上涉及压缩气体的卸载。本文的实施例可将运输罐(例如，长管拖车)中以“高”压力形成(found)的气体分送至客户指定的储库中。这些储库常常仅构造成只接收处于“低”压力下的气体。如下面更多地指出，一些实施例可结合可满足从罐至客户储库的压降的构件。这些构件可将气体保持为蒸汽，以避免可破坏分配给客户的流体的性质(例如温度、压力、流量等)的精确且可靠的测量的两相流动。这些构件还可自动操作，以允许多个罐在没有操作员介入的条件下清空。这些构件还可容许罐中的大部分(若非全部的话)压缩气体卸载给客户。
这些构件以装配在拖车和/或货物集装箱(container)上的方式构造。这些构造完全封闭构件。然而，该构造提供了足够的空间来接近各个构件，以便进行现场维护和修理，通常不需要使拖车离开公路去修理厂。拖车的使用容许实施例在地点之间运输。该特征对于在处于恶劣气候中且接近共用设施受限的偏远地点之间部署这些实施例是特别有用的。在这点上，这些构件构造成在只有天然气用作燃料的条件下在低至-40°C的环境温度下操作，并操作仪器(例如，控制阀)，这两者在偏远地点都不可用。
附图说明
现在简要地参照附图，在附图中：
图1描绘了用于减小罐中形成的流体的压力的系统的示范性实施例的示意图；
图2描绘了呈组装形式的系统的示范性实施例的前部的透视图；
图3描绘了呈组装形式的图2系统的顶部的平面图
图4描绘了呈部分组装形式的图3的系统；
图5描绘了呈部分组装形式的图2的系统的前部的透视图；
图6描绘了呈部分组装形式的图2的系统的后部的透视图；
图7描绘了呈部分组装形式的图2的系统的第一侧部的立视图；
图8描绘了呈部分组装形式的图2的系统的第二侧部的立视图；且
图9描绘了用于将压缩气体从罐卸载至客户现场的方法的示范性实施例的流程图。
在适用的情况下，遍及若干视图，相似的附图标记表示相同或对应的构件和单元，这些视图不按比例绘制，除非另外明确指出。本文公开的实施例可包括在一个或多个若干视图中或若干视图的组合中出现的元件。此外，方法仅仅是示范性的，并且可通过例如重新排序、增加、去除和/或改变个别阶段而进行修改。
具体实施方式
以下论述描述了减小压缩流体的压力的实施例。这些实施例构造成将流体从大约4000磅/平方英寸的压力调节至大约80磅/平方英寸的压力。其它实施例在所公开的主题的范围内。
图1示出减小压缩流体的压力的系统100的示范性实施例的示意图。该实施例可与一个或多个储罐(例如，第一储罐102和第二储罐104)耦合。罐102、104可以通常大约4,000磅/平方英寸或更小的储存压力保存压缩流体(典型地为气体)。系统100可包括具有构造成从储存压力减小压缩流体的压力的流体回路。该特征可允许流体从罐102、104卸载至例如在客户现场或设施处的附属储库106中。该附属储库106可包含需要流体处于相对于罐102、104中的流体压力较低的压力下的在客户现场处的存储罐、管道(或导管)和/或类似的储槽。
流体回路可具有多个构件，以便将流体调节至适合于附属储库106的压力。这些构件可位于平台上，该平台大体上示为由标号108指示的虚框。平台108可具有容许系统100在不同的现场和/或设施之间进行运输的结构。合适的结构可包含拖车或集装箱。这些结构可包括便于牵引和移动的轮子，无论是通过火车、卡车或类似的交通工具运输。在平台108上从左向右移，流体回路的一种实施方式可包括与罐102、104耦合的传送单元110。传送单元110可包括阀部件112，以管理流体从罐102、104至流体回路中的下游构件的流量。这些下游构件可包括温度调节单元114、减压单元116和流量计118。在外围，系统100可与控制单元120耦合，控制单元120具有控制器122和一个或多个传感器(例如，第一传感器124)。控制器122可与至少阀部件112和流量计118耦合以及与第一传感器124耦合。这样，控制单元120可响应于操作参数的变化而操作流体回路中的构件，所述操作参数的变化可在流体从罐102、104卸载时发生。
如上指出，系统100构造成将流体从罐102、104传送至附属储库106。这些构造可代替人工操作员自动地操作而将系统100从罐102、104中的一个耦合到另一个。在使用中，控制器122可响应于操作参数的变化，以选择阀部件112的位置(也被称为“状态”或“条件”)。所选择的位置可与已满并且/或者具有处于足以卸载给客户的水平的流体的罐102、104相对应。第一传感器124的示例可包括对压力、温度和流体流量以及可用于确定阀部件的位置的其它指标敏感的装置。如所示的，这些装置可与罐102、104耦合。其它实施方式可在流体回路中将第一传感器124定位在罐102、104下游的一个或多个位置处。
温度调节单元114可构造成升高来自罐102、104的流体的温度。这些构造可包含换热器，以促进流体之间间接的热传递。换热器可位于减压单元116和流量计118的上游。在一种实施方式中，换热器可将来自罐102、104的流体的温度从第一温度升高至高于第一温度的第二温度。温度的变化可为大约220°F或更少；例如，在使用中，温度调节单元114可将温度从大约–40°F升高至大约180°F。第二温度可确定流体的相态。因此本公开也并不排除使用可致使第二温度低于第一温度的冷却器(和相似装置)。然而，对于第二温度保持流体处于气相而非液相或混合相(例如，液体和蒸汽)可为有利的。该特征可防止流体回路的在换热器下游的其它构件中的液体落下。
减压单元116可构造成减小来自罐102、104的流体压力。这些构造可利用在图1中大体上被示为第一阶段126和第二阶段128的多个阶段。在各个阶段126、128中，减压单元116可包括节流装置，如阀和/或阀组件。这些节流装置可根据焦耳-汤姆逊效应进行操作，以使流体绝热膨胀。
在第一阶段126中，节流装置可将流体压力从第一压力减小至低于第一压力的第二压力。该装置可造成至少大约3,600磅/平方英寸或更大的压降。在一种实施方式中，第一阶段126中的节流装置可将流体从大约4,000磅/平方英寸调节至大约400磅/平方英寸。如在该第一阶段126中使用的示范性装置可包括压力调节器，其通常为弹簧型或先导型的。弹簧型的压力调节器可有助于简化设计。这些类型的装置可与处于高压但低流速(基于其相对于先导型装置的低流量系数(Cv))下的流动相容。在一种实施方式中，先导型的压力调节器可在第一阶段126处有益于系统100。这些类型的调节器可在流动的条件下提供对第二压力的更精确控制。此外，先导型设计可使“落差(droop)”最小化并响应于在罐102、104随时间推移清空时可造成的压力变化而保持流体回路中的流体流速。在一种实施方式中，先导型设计可响应于罐102、104中的流体的从4000磅/平方英寸的初始压力至大约200磅/平方英寸的压降而将流速保持在大约35,000标准立方英尺/小时。在一个示例中，用于第一阶段126中的压力调节器可具有从大约4至大约8的范围内的流量系数(Cv)，其中一个示例大约为6。
第二阶段128可构造成进一步减小离开第一阶段126的流体的压力。这些构造可使用控制阀，以使压力从第二压力降低至低于第二压力的第三压力。控制阀可能造成压力降低至少大约320磅/平方英寸或更多。在一种实施方式中，第二阶段128的控制阀可将流体从大约400磅/平方英寸调节至大约80磅/平方英寸。第三压力可在大约50磅/平方英寸至大约100磅/平方英寸的范围内；然而，该第三压力可由客户和/或现场设施来限定。
流量计118可测量流体的性质。流量计的示例可能是超声波的，但其它类型的流量计可满足系统100的需要。
图2、3、4、5、6、7和8示出了用于系统100的一个示范性结构。图2描绘了呈组装形式的系统100的前部的透视图。图3、4、5、6、7和7描绘了呈部分组装形式的系统100。
图2描绘了构造成在若干不同地点之间运输的系统100的示例。平台108可包括具有部件132的容器结构130，部件132形成端部(例如，第一端部134和第二端部136)、侧部(例如，第一侧部138和第二侧部140)、顶部142和底部144。至少部分地由于对平台108的大尺寸和负荷的要求，部件132可由钢制成，通常制为使用已知的和/或之后开发的紧固技术使彼此紧固的板；这些技术的非限制性示例(在撰写本文时)包括焊接和螺栓连接。部件132共同形成容纳流体回路的构件的外壳。外壳用于保护系统100的工作特征免于暴露在可包括极端温度(冷和热二者)以及降水、风、灰尘、污垢等的环境条件下。还如所示的，轮子146可与外壳结合，以用于集装箱结构130在公路和/或铁路上的运输。该特征用于系统100的移动性，以为接近偏远地点或在表面不平的、脏乱的公路和地形上提供便利。
图3提供了系统100的俯视图。在外壳上，部件132可形成一个或多个门板150，以允许进入集装箱结构的内部。门板150可设置在结构上的各种位置处。优选地，这些位置提供对流体回路的不同部分的接近，如下面更多地指出的那样。
图4也示出了系统100的俯视图。省去包括顶部142(图3)和门板148(图3)在内的一些部件，以显现用于集装箱结构130内部的示范性构造。外壳具有内腔148。内腔148可形成大约为3,800英尺3或另外地在大约3,000英尺3至大约4,200英尺3范围内的容积。在一种实施方式中，集装箱结构130可包括横越该容积的二等分壁152，其优选与侧部138、140耦合。二等分壁152可将内腔148分隔成至少两个隔室(例如，第一隔室154和第二隔室156)。壁152的示例可包括防火或耐火材料，以用作隔室154、156之间的屏障。如所示的，壁152可在隔室154、156之间均等地划分该容积，但这不是必须为这样的情形。
隔室154、156可容纳流体回路的构件。在第一隔室154中，流体回路可具有管网158，管网158具有遍布于其中的管道、导管、阀和相似的流体传导构件。用于这些构件的材料应适于承载形成于罐102、104中的压缩流体。第二隔室156容纳控制器122和加热器160。交换网164将加热器160与换热器162耦合，以使载热介质(在隔室154、156之间)循环。加热器160可具有进气口166和排气口168，它们可经由门板148(图3)延伸出内腔150。在一种实施方式中，管网158与加热器160耦合，以分配压缩气体以用作燃料。
加热器160可利用多种结构。这些结构的示例可包含电加热器和热流体加热器。电加热器提供了简单且高效的设计。这些装置不需要允许烟雾或其它废气和流体离开外壳的内腔148的排气口或通风口。然而，电加热器需要用以操作的输入功率(例如，电)，输入功率在地点处即使是可用的也可为供应不足的。热流体加热加热器可使系统100变得更稳健，以用于更广范围的地点。这些类型的加热器可包括泵，以使载热介质(例如，乙二醇、热油、水等)通过交换网164的(多个)管道进行循环。锅炉对于升高载热介质的温度同样可为必要的。锅炉可使用在罐102、104(图1)的设施或地点处可用的燃料(例如，天然气)。用于加热器160的其它构造同样也是可行的。
换热器162可利用多种结构。这些结构的示例可根据需要包含壳-管式设计或螺旋管设计。关于前者，壳-管式装置可包括具有在其中形成的管束的大型压力容器。流体流过管道并在壳中的管道上流动，有效地促进了装置内部发生的间接热交换。这些类型的换热器可为成本特别高的，因为这些装置常常需要定制，以用于特定应用，而且需要大的长度，以使热传递最大化。螺旋管或螺旋形管(“螺旋管加热器”)对于解决可在平台108上并且尤其在外壳的内腔148的内部形成的空间限制是有用的。用于换热器162的其它构造同样也是可行的。
管网158可具有在侧部138、140和二等分壁152附近的构件。这些构件可固定至部件132上。在图4中，管网158的位置可使内腔150中的维护空间170最大化以允许容易(ready)地接近系统100的构件。在第一端部134处，管网158可具有入口172和出口174，其各自与罐102、104(图1)和从属储库106(图1)耦合。入口172可具有一对导管(例如，第一导管176和第二导管178)，它们分别与罐102、104耦合。软管可用于该目的。导管176、178还与传送单元110(图1)耦合。传送单元110经由控制器122的促动可允许压缩流体经由导管176、178中的至少一个从罐102、104流入到管网158中。
图5和图6描绘了呈部分分解形式的系统100从前部(图5)和后部(图6)看去的透视图。出于清晰起见，除去了如一些部件132的部分。在第一隔室中，管网158可包括一个或多个附属构件，该附属构件可对于包括维护与修理在内的某些操作任务是有用的。这些附属构件可包括遍及导管各式各样分配的一个或多个抽头180。抽头180可将流体样本引出管网158。这些样本可对于诊断和质量控制是有用的。在一种实施方式中，附属构件可包括一个或多个隔离阀(例如，第一隔离阀182和第二隔离阀184)和止回阀186。隔离阀182、184可根据需要限制下游流量。止回阀186可防止流体从出口174的回流。此外，管网158可包括排出管路188，以引导流体作为加热器160的燃料。
如图6中最佳地示出，加热器160填充了第二隔室156的大部分。隔火壁152用作防护性屏障，以将在第一隔室154的管网158中流动的气体与例如加热器160的锅炉上的任何明火隔离开。
图7和图8示出图5和图6的系统100的从侧部看去的立视图。交换网164和排出管路188可穿透集装箱结构130的底部144。该构造可保持二等分的隔火壁152的完整性，并且仍允许气体在隔室154、156之间运输。如上面指出的，该气体可点燃加热器160的锅炉。该特征可降低火灾的风险，有效地为在任一隔室154、156中工作的个人提供了免于受伤的保护。
图9示出了用于在减小的压力下将压缩气体从储罐传送到储库的方法200的示范性实施例的流程图。方法200可包括在阶段202时提供具有由耐火壁分隔的隔室的移动拖车，隔室包括第一隔室和第二隔室。方法200还可包括在阶段204时接收移动拖车的第一隔室中处于第一压力下的气体，以及在阶段206时引导气体穿过可操作成气体来源从第一罐改变成第二罐的阀。方法200还可包括在阶段208时使用管网引导气体穿过第一隔室，其首先升高气体的温度，并然后减小气体的压力。方法200可包括在阶段210时从第一隔室卸载处于低于第一压力的第二压力下的气体。
在阶段202时，方法200提供移动拖车。该移动拖车可包括如上面论述的整体或部分的结构。该阶段还可包括用于将移动拖车运输至某一地点并在该地点将移动拖车连接到储罐上的阶段。
在阶段204时，该方法200接收第一隔室处的气体。该阶段可包括用于将气体从隔室引导至一个或多个保存压缩气体的储罐的一个或多个额外阶段。优选地，该方法200可受益于一对或更多储罐，因为方法200可清空其中一罐，并在最终客户(例如，技术人员)移除空的罐时继续对满的罐操作以卸载气体(处于较低的第二压力下)。
在阶段206时，方法200引导气体穿过可在两个(或更多个)储罐之间变化的阀。方法200可受益于“自动化”，例如传感器，其响应于储罐中的压缩气体的水平而产生信号。这些信号可将数据传送至控制器，控制器继而可构造成响应该水平而调节阀的位置。这样，当第一储罐清空时，方法200可切换第二储罐的连接，以继续卸载至储库中。
在阶段208时，方法200引导气体以升高温度并减小压力。在这点上，方法200可包括一个或多个用于使压缩气体从储罐流动通过换热器的阶段。该阶段可升高或保持流体的温度高于某些用于压缩气体的临界温度。在该临界温度时，压缩气体可表现为蒸汽和液体两者的相态组成。方法200还可包括一个或多个用于后续使流体流动通过第一节流装置和使流体流动通过第二节流装置的阶段。
在阶段210时，方法200可从第一隔室卸载处于较低的第二压力下的气体。该阶段可包括用于通过例如使气体流动通过流量计或相似装置而测量处于第二压力下的气体的参数(例如，流速)的一个或多个阶段。在卸载之前，方法200可受益于从第一隔室排出气体至第二隔室，以便使加热器的锅炉燃烧。该加热器对于保持换热器的操作温度是有用的，从而如上指出的那样升高气体的温度。
如本文使用的，以单数形式叙述且前缀“一”或“一种”的元件或功能应该被理解为不排除所述元件或功能的复数，除非明确地叙述了这种除外情形。此外，对要求保护的本发明的“一个实施例”的引用不应被解释为排除也包含所叙述的特征的其它实施例的存在。
本书面描述使用示例来公开本实施例，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。这些实施例的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构要素，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。
根据前面论述，本文的实施例提供了将压缩气体从高压储罐传送至低压储库的移动解决方案。这种移动解决方案利用了可装配到标准运输和货物集装箱上的结构，以便于运输至偏远地点。在现场，该结构包括可耦合至不止一个储罐的流体回路。该流体回路可配备成在储罐之间变化，以保持恒定或接近恒定的流量，从而加快卸载过程，同时利用气体使锅炉燃烧，锅炉加热压缩气体，以在气体传送通过流体回路以卸载到储库中时保持其相态。在这点上，下面的示例包括某些要素或条款，其一个或多个可与描述在本公开的范围和精神内所设想的实施例的其它要素和条款组合起来。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
形成内腔的集装箱，所述集装箱包括耐火壁，该耐火壁将所述内腔分隔成第一隔室和第二隔室；
设置在所述第一隔室中的流体回路，所述流体回路包括换热器和减压单元，所述减压单元形成多个减压阶段，以减小进入气体的压力，所述换热器设置在所述多个减压阶段的上游；以及
加热器，其设置在所述第二隔室中，并与所述流体回路耦合，以接收气体作为燃料源。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括构造用于运输的所述集装箱的结构。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括与所述流体回路耦合的传送单元，所述传送单元具有用来从成对的罐单独地接收进入气体的连接部。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述换热器上游且在所述传送单元下游的阀，所述阀具有至少两种状态，每种状态均允许来自所述对的集装箱中的一个的进入气体进入所述流体回路。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括将所述流体回路耦合到加热器的排出管路，所述排出管路在所述集装箱的外面从所述第一隔室延伸到所述第二隔室。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括先导型的压力调节器和控制阀组件，其作为所述多个减压阶段均设置在所述流体回路中。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内腔具有至少为3,500英尺3的容积。
8.一种移动拖车，包括：
壁部件，其包括集装箱结构的顶部、底部、端部和侧部，所述壁部件形成内腔；
防火屏障，其设置在所述内腔中，并与所述侧部、底部和顶部耦合，以将所述内腔分隔成第一隔室和第二隔室；
流体回路，其设置在所述第一隔室中，所述流体回路包括，
阀；
在所述阀下游的换热器；和
在所述换热器下游的成对的节流装置；
加热器，其设置在所述第二隔室中，并与所述换热器耦合，所述加热器包括锅炉；以及
将所述锅炉耦合到所述流体回路的排出管路。
9.根据权利要求8所述的移动拖车，其特征在于，所述排出管路绕过所述耐火壁。
10.根据权利要求8所述的移动拖车，其特征在于，所述排出管路延伸穿过所述第一隔室和所述第二隔室中的各个的底部。
11.根据权利要求8所述的移动拖车，其特征在于，所述换热器包括螺旋管。
12.根据权利要求8所述的移动拖车，其特征在于，所述对的节流装置包括先导型的压力调节器。
13.根据权利要求12所述的移动拖车，其特征在于，所述内腔具有至少为3,500英尺3的容积。
14.根据权利要求8所述的移动拖车，其特征在于，所述对的节流装置构造成在至少35,000标准立方英尺/小时的流速下将气体压力从4,000磅/平方英寸减小至小于100磅/平方英寸。
15.一种方法，包括：
提供具有由防火壁分隔的隔室的移动拖车，所述隔室包括第一隔室和第二隔室；
接收在所述移动拖车的所述第一隔室中的处于第一压力下的气体；
使用管网引导所述气体穿过所述第一隔室，首先升高所述气体的温度，并然后减小所述气体的压力；以及
从所述第一隔室卸载处于低于第一压力的第二压力下的所述气体。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
将气体从所述第一隔室排出到所述第二隔室，以使加热器的锅炉燃烧，从而加热所述第一隔室中的所述气体。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述移动拖车外面引导所述气体以绕过分隔所述第一隔室和所述第二隔室的防火壁。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
从第二隔室设置用于所述锅炉的排气口。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
引导气体穿过可操作成将气体源从第一罐变为第二罐的阀。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
测量处于所述第二压力下的所述气体的流速。
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