CN1097193C - 输送低温流体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用来在岸边的接收/装载站(13)和岸上的设施(11)之间输送如液化天然气(LNG)类的低温流体的系统和方法，可沉浸在水中的流体管线系统包括放置在一根外套管内的主输送管道(20)和放置在主输送管道内的返回管道。套管和主管道之间的环形腔是隔热的。主输送管道和返回管道包括允许相应管道随温度变化而膨胀/收缩的装置。

Description

输送低温流体的系统和方法
本发明关于输送低温流体的系统和方法，本发明在一个方面中是关于输送如液化天然气(LNG)的低温流体的系统和方法，通过一防水的、隔离的管线组件在岸边的接收/装载站和岸上的设施之间输送液化天然气、其中一根管线位于另一根管线内提供流通环路，从而在没有低温流体输送时仍能保持该管线组件冷却。另外，防水管线组件可装在水下、或埋在或座落在海床上，其中该组件可在不影响海面交通的情况下延伸相当长的距离，如1～6公里。
在世界上的许多遥远的地方生产出大量的天然气(甲烷)，这种气体具有可很经济地传送到市场上的巨大价值。如果生产区离市场相当近、两地之间的地理条件允许，可以通过海底和/或陆地管线输送。然而，如果生产气体的地方不能铺设管线或经济上不允许，必须采用其它技术来将气体送到市场上。
最通常采用的技术包括在现场液化该气体，然后将液化天然气或“LNG”装在海上航行的船上的特殊设计的储罐中送到市场上。为了形成LNG，将天然气加压并冷却到底温(如-160℃)，这就可大大增加储罐中能容纳的气量。一旦船到达目的地，将LNG卸到岸上，LNG可从储罐中按需要蒸发，并通过管线之类的装置送给最终用户。
在LNG装、卸船时，最重要的是用于在船和岸上储罐之间传送LNG的流体管线系统在装/卸工作开始之前能预冷到低温，并在输送操作期间和接着的输送操作的间隙时间中能保持该低温、亦即在一次输送操作完成和另一次开始之间的时间间隙中仍能保持低温。
每次大约要12个小时的两次顺序的装/卸操作之间的间隙，可能很短(如一天)，也可能很长(如3～7天或更长)。正如本专业技术人员知道的，由于在每次输送操作之前必须冷却管线，必须尽量避免在这些间隙中对传输管线重复加温。否则就会很费时间、从而拖延了船装/卸时间、进而将大大增加LNG的运输成本。另外，重复加温和冷却管线会在管线上产生应力，从而会使管线系统较早地疲劳。
在先有技术的这些流体管线系统中，起初冷却这些流体管线系统，然后再通过循环LNG保持在低温上，循环的LNG从岸上通过主输送管线再通过单独的返回管线返回到岸上，单独的管线沿着并位于主流体管线外侧延伸。该LNG的循环通常是在不工作的期间保持的，这个在连续的输送操作之间的期间通常为3～7天，该循环仅延续12个小时。在实际的输送操作中，通过两根循环管线的流动可能是在一个方向上，这样两根管线可用于将低温流体输送到船上或从船上传到岸上。
通常安装两根单独的循环管线，从而在所有时间上尽量减少热量漏入输送管线中，防止LNG在输送管线中过量蒸发。在已知这种流体管线并在过去已成功使用的同时，在很多情况下也遇到不能经济地使用的缺点。
例如，现在已知的低温流体(LNG)输送系统不能沉浸在水中，必须装在岸上的罐和岸边的接收/装载站之间的特地建造的支架或长堤上。这些支架必须足够高出水面以上，以防止输送管线碰到水，在一些情况下还要避免干扰水面上现有的交通船只等。建造这些支架的成本常常要求接收站的位置靠近岸边(如1500米以内)，要求疏通新的通道、建造新的海港设施，从而确保吃水深的LNG运输船通航。
另外，设立在不工作期间用作循环LNG的返回管线及它与流体管线系统的主输送管线分开大大地增加了输送系统的成本、复杂性及安全方面的问题。因此，对低温流体管线系统来说存在一种需要，即使它能安装在水下，从而不干扰水面交通，由此使船可在离岸边较远处装/卸，从而可增大操作期间对公众的安全性。另外，由于不必建造支架，将可大大减少该系统的成本。
本发明提供了输送低温流体的系统和方法、如在岸边接收/装载站和岸上设施之间输送液化天然气(LNG)的系统和方法。该流体管线系统可沉浸在水下，由此可使接收/装载站可以放在离岸较远的地方，进而就不必疏通航道和不必在该区域建造昂贵的港口设施来处理深吃水的LNG船的问题。
本发明的流体管线系统基本上包括一根主输送管，它放置在一个耐用的、抗磨材料(如磁钢)制成的外套管内，还包括形成在套管和主输送管之间的隔热装置。隔热装置可包括任何合适的隔热材料(如泡沫塑料、多层的隔热物、气凝胶等)或对该环形区抽真空、或两者的联合。小直径的返回管放置在主输送管内并基本上与整个主管的长度相等。主输送管道和返回管道在其材料经受由于温度的改变而膨胀/收缩时，包括用于允许相互之间和相对于外套管的膨胀和收缩的装置。这些装置可以是任何合适的连接装置，如波纹管、滑动接头等连接装置，它们允许管道在相应的主输送管道和返回管道形成的管道的相邻长度之间膨胀和收缩，在这些管道材料是如被称作殷钢的36％镍钢制成时，当它冷却到LNG温度时在管线组件上几乎不会产生应力，也不需要膨胀接头。
在操作中，该流体管线系统在岸边接收/装载站和岸上设施之间流体连通并沉浸在水中。然后低温流体通过主输送管和置于主输送管内的返回管循环，直到两根管达到低温时为止。该循环在低温流体在船和岸上设施之间开始输送之前连续地进行。此时通过返回管道输送低温流体的流动方向是逆向的，亦即在输送操作期间通过两根管道的流动方向是相同的，一旦操作完成，通过返回管的流动再次逆向，在不进行输送操作时、亦即两个相接的LNG船的装/卸之间的间隙期，低温流体通过该系统循环，从而使该系统保持在所需要的温度上。
下面通过参照附图可更好地理解本发明的实际结构的操作和明显的优点，其中同样的参照数字表示相同的零件，其中：
图1示出用来在海运船和岸上设施之间传送低温流体的先有技术的流体管线系统；
图2示出本发明的用来在海运船和岸上设施之间输送低温流体的流体管线系统；
图3是部分剖视和断开的本发明的低温流体管线系统的示图；
图4是沿图3中4-4线的剖视图；
图5是本发明另一实施例的剖视图；
图6是本发明另一实施例的部分断开的透视图；
图7是图3的流体管线系统一端部分割视的示图。
现在专门参见附图，图1表示一种典型的、在海运船10和岸上储罐11之间输送低温流体、即液化天然气(LNG)的先有技术的系统。船10是一种具有多个特殊设计的、储存LNG的罐12的船，它停泊到接收/装载站13，该站13是离岸有一段距离支撑和建筑的永久性结构。两根流体管线14、16从岸上设施11伸到船10，并且如前所述两根管均支撑在水面上方的支架17上。低温流体、如LNG通过管线14和16循环，从而在输送操作的间隙期间使管线保持在所需要的低温上。在输送操作期间，LNG可在所需要的方向流过两根管线14、16。
这种类型的先有技术的管线系统要求铺设和保持两根独立的管线14、16，它们两根均暴露在大气中，因此必须适当隔热以防止过量的热泄漏。建造和维护支架16的成本是很高的。另外在大多数位置的典型支架的长度不仅受到有关成本的限制、而且还受到该区域海上交通的限制，亦即支架不可能在不影响海上交通的情况下伸得离海岸太远，在大多数情况下伸得太远是不能允许的。
另外，在先有技术的这种输送系统中，建造流体管线14、16的方式在实践上和技术上均不允许将管线沉浸在岸边和接收站之间的水下。隔热的外表面也不能对暴露在水中提供保护，如果浸在水中将会失去用作隔热器的隔热作用。
现参见图2，它示出停泊在接收/装载站13的船10，其中船上的罐12通过本发明的流体管线系统15流体连通到岸上的设备上。正如图中所示，系统15安置在海床上，或者采用特殊制备的架子(未示出)埋在海床内，然后盖上沙土，或仅座落在海床上而不加掩埋。正如下面要解释的，LNG可通过该流体管线系统15在船10和设施11之间进行装或卸。
现参见图3，低温流体管线系统15包括主输送管线或管道20，它同心地安置在外套管21内由此在它们之间形成环形腔22。环形腔22可通过对中心装置22a(为清楚起见仅示出一个)对中在套管21中，使套管21沿管道20隔离开。放置在主输送管道20内并穿过它的是返回管线或管道23。如图所示，返回管道位于管道20的下方的内表面上，并不必在其中对中心。
由于套管21能有效地隔绝主输送管道20和返回管道23的温度变化，它们就不会产生任何大的膨胀和收缩。因此，套管21可用一定长度的坚固的并耐腐蚀材料(如42英寸直径的碳钢铸件)用焊接、螺接等方法制成。然而，由于主输送管20和返回管23两者均将携带低温流体，因此每根管道均必须能相互独立地并相对于套管21随着温度的变化而膨胀或收缩。
因此，制成一定长度的每根管道21、23(如分别为不锈钢等制成的32英寸内径和10英寸内径的管子)由膨胀接头连在一起，该膨胀接头允许每根管道在不会破裂或翘曲的情况下独立地进行膨胀和收缩。可采用任何允许必要的膨胀的接头。例如，可将波纹管24焊接或固定在管道20或23的相邻接头上，也可采用如先有技术中提到的“滑动接头”25、25a。仅有的重要的一点是管道20和23可膨胀和收缩，并且它们可相互独立地进行膨胀和收缩。小的从管道23到主输送管道20的漏泄是允许的，但不应有从管道20到套管21的漏泄。
管道21、23还可由对温度变化几乎没有膨胀/收缩的材料(如称作为殷钢的36％镍-钢，某些复合材料等)制成。在用这些材料制成时，管道20、23不必使用膨胀接头、而可采用焊接相邻长度的相应管道来进行组装。
在管道20和23之间用以隔离的环形腔22基本消除了从周围环境到系统15中的热漏泄。这可以各种方式做到、例如环形腔22(a)可抽真空并保持真空、(b)填充隔热材料：如多层隔热件或泡沫塑料、或(c)上述两种隔热技术联合使用。也就是说，环形腔22可以填充纤维素类的可透气的泡沫26、或用条带式隔热件27(图6)包缠，从而允许在环形腔22内抽真空。
任何合适的隔热材料均可采用，如多层隔热件、气体凝胶、松散填充的隔热件、透气的或封密小腔的泡沫塑料等等。然而任何放在环形腔内的隔热材料将必须是允许管道20在套管21中膨胀的材料。另外在一些实施例中，套管20可以包在一层水泥28(图3和4)中，从而提供抗波浪、水流、浮力或其它力的稳定性。
在图5的实施例中，套管21用如结构塑料那样的材料29制成的圆筒代替，在圆筒中具有纵向延伸的通道30。圆筒29放置在主输送管道20的周围，通过通道30抽真空。
在操作中，低温流体管线系统15安装在两点之间输送低温流体的地方。正如图2所示，系统15沉浸并安装在海床上，连接在海边的接收/装载站13和岸上19的设施11之间。可以看出，一旦安装好以后该流体管线系统将定位在海床上，主输送管道20和返回管道23的外端由合适的阀门(见图7)流体连通，该阀门可放在海边的站13上，从而形成通过该系统15的环路。如图所示，主输送管道20的外端由盖40封闭，盖40具有连到其上的供给管线41，然后再连到阀42上。当阀42关闭时，LNG将从主输送管道20流入返回管线23的敞开端，从而提供LNG的循环回路。当阀打开时，LNG将从供给线41既进入主管道20、也进入返回管线23。
LNG或其它低温流体从设施11、通过管道20流出、再通过内部的返回管道23流回设施11，由此来冷却并将流体管线系统15保持在低温上。通过冷却并将该流体管线系统15保持在低温上、以及适当地对流体管线隔热，系统内的LNG的蒸发降到最小。应该看到，在某些情况下，LNG的循环也可是逆向的，亦即LNG通过返回管线23流动、然后再通过管道20返回，这也不超出本发明。
一旦流体管线系统达到它所需要的温度，系统内合适的阀门打开，流过主输送管道20和返回管道23的流动将处于同一方向。亦即如果船10卸载，LNG将通过两根管道20、23送到岸19的设施16中。当装载时，所有的液流将从设施16流向船10。通过将返回管放置在主管道20内，大大简化了输送管线系统的结构和维护，并不再需要对返回管道23进行单独的安装和隔热。另外，本系统15由于进入单根主管道20内的总的热漏泄小于进入先有技术系统中两根单独的管线的热漏泄，因此还通过降低操作成本提供了优于先有技术系统的优点。
在本发明的流体管线系统已描述成它可沉浸在水下、从而使接收/装载站可安置在离岸较远的地方(如1～6公里)同时，应该看到，它也可支撑在水面上方的支架上，而接收/装载站也可放在靠近海岸的地方。

Claims (16)

1.一种用来输送低温液体的流体管线系统，上述系统包括：
一根主输送管道；
一根套管，它放置在上述主输送管道的周围并在它们之间形成一个环形腔；
用于对上述主输送管道和上述套管之间的上述环形腔隔热的装置，
一根返回管线，它放置在上述主输送管道内并基本上与上述主输送管道的整个长度相等。
2.按照权利要求1的流体管线系统，其中，对上述环形腔隔热的装置包括：
对整个上述环形腔抽真空。
3.按照权利要求1的流体管线系统，其中，对上述环形腔隔热的装置包括：
用隔热材料基本填充上述环形腔。
4.按照权利要求3的流体管线系统，其中隔热材料从下组中选出：多层隔热材料、气体凝胶、松散填充的隔热材料、可透气的小腔的泡沫塑料和封闭小腔的泡沫塑料。
5.按照权利要求1的流体管线系统，其中上述对环形腔隔热的装置包括：基本填充上述环形腔的隔热材料和对上述环形腔抽真空。
6.按照权利要求1的流体管线系统，其中上述主输送管包括允许上述主输送管道随着温度的变化相对于上述套管膨胀和收缩的装置。
7.按照权利要求6的流体管线系统，其中上述返回管道包括允许上述返回管道随着温度的变化相对于上述主输送管道膨胀和收缩的装置。
8.按照权利要求7的流体管线系统，其中上述主输送管包括多个长度的管道，其中每个在上述主输送管道中的上述膨胀和收缩装置包括连接在相邻长度主输送管道之间的波纹管。
9.按照权利要求7的流体管线系统，其中上述返回管道包括多个长度的直径小于上述主输送管道的管道，其中每个在上述返回管道中的膨胀和收缩装置包括连接在相邻返回管之间的波纹管。
10.按照权利要求7的流体管线系统，其中上述主输送管包括多个长度的管道，其中每个上述膨胀和收缩装置包括连接相邻长度主输送管道的滑动接头。
11.按照权利要求7的流体管线系统，其中上述返回管道包括多个长度、直径小于主输送管道的管道，其中每个在上述返回管道中的上述膨胀和收缩装置包括连接相邻长度返回管道的滑动接头。
12.一个传送低温流体的系统，该系统延伸在位于海边水中的接收/装载站和岸上设施之间，上述系统包括：一流体管线系统将上述岸上设施流体连通到上述岸边的接收/装载站上，该流体管线系统基本在其长度上沉浸在水中，上述流体管线系统包括：
一根主输送管道，
一根套管，它放置在上述主输送管道的周围并在它们之间形成一环形腔，
用以对上述主输送管道和上述套管之间的上述环形腔隔热的装置，
一根返回管，它放置在上述主输送管道内并基本上与上述主输送管道的整个长度相等。
13.按照权利要求12的系统，其中上述主传送管道包括允许上述主输送管道随温度变化相对于套管膨胀和收缩的装置，其中上述返回管道包括允许上述返回管道随温度变化相对于主管道膨胀和收缩的装置。
14.按照权利要求13的系统，其中上述套管包在一层水泥中。
15.一种从海边水中的接收/装载站和岸上设施输送低温流体的方法，上述方法包括：
流体连接在上述接收/装载站和上述设施之间的、隔热的主输送管道；
将上述隔热的主输送管道沉浸在水中，
通过上述主输送管道和位于上述主输送管道内的返回管线、在上述设施和接收/装载站之间循环低温流体，一直到主输送管道和上述返回管道达到某一低温时为止；
当开始输送低温流体时上述返回管道内的流动方向逆转，从而使上述低温流体以同一方向流过上述主输送管道和返回管道，一直到上述低温输送完成时为止。
16.按照权利要求15的方法，包括：
当上述输送完成时逆转上述返回管道内的流动方向，从而重新建立通过上述主输送管道的循环，由此使上述主输送管道在上述低温流体输送之间的间隙期间保持低温。
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