CN109890693A - 用于气体存储和运输的装置 - Google Patents

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Abstract

用于存储和运输诸如压缩天然气(CNG)的压缩流体的组件，其包括多根管、下支承件、侧支承件和力机构，其中，多根管存储在诸如轮船或驳船的船舶中或其上的货物船舱中，且六角形堆叠，力机构非常有力将管向下压，使得其不能相对于彼此移动或相对于船舶移动，在船舶上力机构位于随时服务的状态。管中的每根之间的摩擦使得多根管在其结构方面作为船舶的部分。多根管中的每根管均连接至歧管系统，以允许装卸和卸载压缩的流体。

Description

用于气体存储和运输的装置
技术领域
本发明涉及用于诸如天然气的气体的海上存储和运输的装置和方法。
背景技术
跨越水体运输天然气的已知方法包括例如通过海底管道、当为液化天然气(LNG，liquefied natural gas)时通过液化天然气船或当为压缩天然气(CNG，compressednatural gas)时通过压缩天然气船。还有其它已知的方法，诸如将气体转换至气体水合物或至柴油状液体(GTL，diesel-like liquid)，并且通过轮船运送水合物或柴油状液体。目前，几乎所有跨越水体运输天然气均通过海底管道或液化天然气船来实施。
在轮船上运输液化天然气是大且完善的工业，而通过轮船或驳船运输压缩天然气几乎不存在。通过船舶运输压缩天然气的主要障碍之一是适于轮船或驳船运输的压缩天然气容器系统的成本。因而，一直需要设计用于诸如压缩天然气的压缩气体的存储系统，该存储系统可容纳大量压缩天然气，并且特别适合于以降低压缩天然气轮船或驳船的总成本的方式安装在轮船和驳船上或安装在轮船和驳船内。
通过卡车在陆地运输压缩天然气是众所周知的。几十年来，在管式拖车中运输压缩天然气。压缩天然气是用于机动车辆的普通燃料，并且多种压缩天然气储存罐可用于在机动车辆中存储燃料。另外，各种尺寸的管经常通过卡车或在轮船中或在驳船上进行运输。这些领域中众所周知的是，通过用足够的力向下捆扎或保持六角形堆叠的管，可生成足够摩擦，从而在正常的载荷下限制管滑出堆叠。有时，在管层之间放置摩擦材料来增强摩擦。然而，这些解决方案中没有一个能够为大量压缩天然气的散装运输提供成本有效的压缩天然气轮船或驳船。
构造用于轮船或驳船的压缩天然气容器系统的优选方法中的一个是以六角形的封闭间隔方式在驳船或轮船的约整个长度上纵向地堆叠管。于1999年9月22日提交的第2283008号加拿大专利中公开了一个这种方法。在该专利中描述的压缩天然气驳船在其甲板上安装有气体存储组件，该气体存储组件包括一堆水平定位的、延伸约驳船甲板整个长度的长管。该堆叠是紧密间隔开的，并且本发明的一个方面是管可彼此六角形接触地堆叠在一起，从而生成摩擦接合。
虽然在第2283008号加拿大专利中描述的驳船和轮船是运输压缩天然气的可能方式，但是该发明未考虑驳船或轮船在响应波浪、水流和风的俯仰、偏航和起伏时的运动。该发明也没有考虑当驳船或轮船受到由波浪引起的载荷时，驳船或轮船弯曲、扭动和另外转向时驳船或轮船本身的变形量。该发明也没有考虑当驳船或轮船暴露于压力和温度变化时，管的膨胀和收缩，因为当管装载和排出压缩气体时，会发生压力和温度变化。海况引起的弯曲和加速度以及由装载和卸载引起的和温度和压力差会引起管相对于彼此以及相对于驳船或轮船滑动和移动。
发明内容
具体地，本发明涉及非液化压缩天然气的海上气体运输，然而其也可用于运输其它气体。本发明的目标在于降低设计成承载诸如压缩天然气的压缩气体的轮船或驳船的成本。
具体地，气体存储系统适于在轮船或驳船中或在轮船或驳船上运输诸如压缩天然气的大量压缩气体，该气体存储系统主要借助于长且直的六角形堆叠的长度管，该管很有力地压在一起，使得其不能够相对于彼此或相对于轮船移动，并且由歧管进行连接。在下文中，描述将集中在在顶部甲板下方承载压缩天然气的轮船应用，但是对本领域技术人员显而易见的是，本发明还能够在轮船的顶部甲板上或在驳船的顶部甲板上或在驳船的顶部甲板下方使用。对本领域技术人员同样显而易见的是，本发明还能够用于承载压缩天然气之外的压缩气体。
管以连续直线长度延伸轮船的几乎整个长度，并且是六角形堆叠，以及由力机构牢固地压在一起。如第2283008号加拿大专利描述的是，轮船可设计成使得轮船的货仓可以是轮船的整个长度，其中防水横向舱壁通过在需要的间隔处使用防水材料在六角形堆叠的管之间填充间隙来进行调节。管直径可以是例如从约8英寸至约36英寸或其它直径的任何合理尺寸。管的精确的直径和长度将取决于该系统的经济因素，其中该系统的经济因素考虑组成该系统的各种部件的成本，例如在施工时间和位置处，诸如钢的管材料和连接歧管的成本。
本发明包括使用力机构而六角形堆叠并且彼此接触的长管的组件组成，其中当包括该系统的轮船在开阔的海洋环境中移动时，力机构将管很牢固地压在一起，使得其首先防止管的任何相对运动。其次，本发明防止由轮船本身的弯曲或扭动引起的任何拉紧传递至长管的组件。第三，本发明防止由温度差或压力差引起的、组件中在各个管之间的任何相对运动。本发明通过将管很有力的压在一起，以使得管之间产生的摩擦在包括轮船本身的弯曲的任何环境中防止任何管相对于其它管移动来实现这些目标。该要求远超过当一堆管将由卡车或轮船运输时将通常用于防止一个管相对于任何其它管滑动的任何摩擦元素。作为描述该情况的方式，如同借助于焊接将管以其整体一起固定至轮船或驳船的船体。通过由力机构引起的摩擦将管锁定在一起，增加了船舶的整体刚度，使得船舶的弯曲和扭动显著减少，并且使得管的组件和船舶一致地移动。借助于将多根管充分地压在一起来增加驳船或轮船的整体强度，以使得其表现为其如同焊接在一起并且焊接至轮船是前所未有的并且是新颖的。这样做的目的在于使存储在包括在轮船或驳船的甲板上或货仓中可用空间内的多根管中的压缩天然气的数量最大化，并且因而生成运输压缩天然气的低成本器件。本发明包括：
i.下支承件和侧支承件，其中侧支承件固定至下支承件的每个侧部，多根管可定位至下支承件中。侧支承件大体垂直于下支承件。
ii.用于容纳流体的多根管，多根管中的每个管均具有连接至歧管系统的器件，多根管以六角形的方式在侧支承件之间堆叠在下支承件上。
iii.顶部固定支承件，虽然当施加力时，顶部固定支承件、固定侧支承件和底部支承件略微并且弹性偏斜，但顶部固定支承件不相对于侧支承件移动。
iv.上力构件，在顶部固定支承件之下，其相对于侧支承件自由地上下移动，并且有力地向下压在堆叠上，以将压力施加至堆叠在货仓中的多根管，以使得在管之间产生足够的摩擦，从而：
a.防止管本身之间或在管与下支承件、侧支承件或力构件之间任何显著的相对运动。
b.适应驳船或轮船的任何相对运动，使得驳船或轮船的船体与多根管一致动作。换言之，多根管增加了驳船或轮船的强度，使得由在轮船或驳船上的环境引起的任何运动不会引起船体与多根管之间的任何相对运动。
c.防止由压力差和温度差引起的各个管的任何相对运动。
d.在第一压力循环期间允许力的调节，以适应可发生的任何晃动。
v.力机构具有支撑以为力机构提供纵向约束，从而防止力机构在例如由波浪、气压或其它因素引起的碰撞或移动的任何条件下的任何纵向运动。
vi.在力构件上生成力的器件。
vii.传递由挤压力生成的集中应力的器件，使管抵靠底部支承件、顶部支承件和侧支承件，诸如围绕容纳气体的管的空管层。
viii.将管中的每个均连接至歧管系统的器件，用于向管加注和卸载诸如天然气的流体。
对于本发明，对所需限制的应力的评估很重要，并且是独特的。这些因素之间的关系对于估量所需要的限制力以抵抗所有载荷很关键，具体为由诸如波浪、碰撞等任何事件产生的纵向力。该关系在以下方程中描述；
N-是本发明经受的重力加速度的数量。
Cf-是裸露的钢管之间的摩擦系数(约0.70)。
P-是由以下描述的力机构生成的限制压力。
L-是管的长度。
d1-是单根管的外直径。
D-是多根管的高度和宽度的平均值。
Wp-是一根管的重量加上诸如压缩的天然气的管内流体的重量
方程：N＝CfPπL(d1)2/DWp
应理解的是，本领域技术人员从以下详细描述中将容易地理解本发明的其它方面，其中，本发明的各种实施方式通过示例示出和描述。如将意识到的是，本发明能够用于其它不同实施方式，并且其几个细节能够在各种其它方面中进行修改，所有这些都不脱离本发明的精神和范围。具体地，顶部支承件构件还可设计成力构件。因此，附图和详细描述本质上被认为是示例性而不是限制性的。
附图说明
参考附图，通过示例而非限制的方式示出本发明的几个方面，在附图中：
图1是根据本发明的轮船的侧视图；
图2是根据本发明的轮船的俯视图；
图3是沿着图1的3-3的截面，其中，更清楚地示出了根据本发明的气体存储组件；
图4A是图3的放大的部分，示出了力梁9和力机构，其中力机构在这种情况下是一系列千斤顶10以在力梁上生成力；
图4B是图4A的放大部分，示出了即使一个或多个管不与力梁齐平，来自力梁的力如何可施加在所有管上；
图4C是图4A的4C-4C的截面，示出了力梁本身如何进行支撑以抵抗由轮船运动引起的大量纵向力，以确保力梁不相对于管移动；
图5A是歧管系统的小部分的前视图，示出了连接容纳气体的两排的多根管的歧管中的两个；
图5B是歧管系统的小部分的侧视图，示出了歧管如何连接容纳气体的管。
具体实施方式
以下描述和在其中描述的实施方式通过本发明的各方面的原理的具体实施方式的示例或多个示例的说明来提供。这些示例提供用于说明的目的，而不是在本发明的各方面限制本发明的原理。在描述中，在整个说明书和附图中，相似的零件用相同的相应附图标记来标记。附图不一定按比例绘制，以及在一些情况下，为了更清楚地示出某些特征，比例可夸大。
本文公开了一种压缩气体运输组件。本发明的组件可安装在轮船或驳船上或安装在轮船或驳船中，以用于诸如压缩天然气的压缩气体的海上运输。为详细描述该实施方式，示出了一艘轮船，其中，该组件位于轮船的船体内部。这旨在作为描述本发明的手段而非限制。对本领域技术人员而言显而易见的是，可通过将该组件设置在轮船或驳船的甲板上或在驳船的船体中来进行修改。
参考图1，图中示出了诸如轮船的运输船舶的侧视图。气体运输组件封闭在轮船的船体内，容纳与在前货物舱壁1与后货物舱壁2之间。图2中示出的中心线纵向舱壁7将轮船分为两个货物船舱：右舷货物船舱和左舷货物船舱。多根管3支承在底部支承构件5上，其中底部支承构件5可并入轮船的船体的底部。多根管3位于多个侧支承构件4之间，其中侧支承构件4可以是轮船的侧船体的部分，并且可以是中心线纵向舱壁的部分。如图1和图2所示，这些支承构件沿着货物船舱的长度间隔开，通常彼此等间距并且对齐。本发明的该实施方式示出货物船舱没有任何横向舱壁，因此，管可延伸几乎整个货物船舱的长度。如果需要不透水的横向舱壁，则这些不透水的横向舱壁可通过加拿大专利第2283008号公开的方式来提供，诸如在由六角形堆叠管形成的空间之间放置密封材料。
参考图2，图中示出了轮船的俯视图。顶部力构件6间隔开，因此顶部力构件6与侧支承构件对齐，但不与侧支承构件连接。中心线舱壁7将左舷货物船舱和货物船舱右舷分开，并且可并入侧支承构件内部。
参考图3，图中示出了沿着图1的线3-3截取的截面。处于示例性目的，图3示出了没有多根管的左舷货物船舱8，以及示出了其中具有多根管3的右舷货物船舱。实际上，左舷货物船舱和右舷货物船舱二者都会填充有管。轮船的船体9围绕左舷货物船舱和右舷货物船舱。在一个实施方式中，船体9并入外部竖直支承构件、顶部支承构件和底部支承构件。纵向舱壁7是轮船结构的部分，并且还并入内部支承构件。
图中示出力构件6在力梁与固定的顶部支承件之间具有力机构，该力机构为多个千斤顶10，其中固定的顶部支承件是轮船的顶部甲板的部分。设想生成所需力的其它方式。然而，力必须足够大，以防止管如先前描述进行移动。在这里描述的本发明的实施方式中，每个千斤顶的力的近似范围在25吨至125吨之间。
参考图4A，图4A是图3的部分的放大图。容纳气体的多根管由会总为空的一层管12围绕。空的管12表示为‘MT’以及充有气体的管表示为‘GAS’。空管的目的是当力机构抵靠支承构件推动空管时，空管分配由力机构生成的载荷。空管将集中载荷分配至容纳气体的管中，以避免承载气体的管的载荷集中。还设想使用诸如木杆或其它材料的传递载荷的其它器件。
参考图4B，图中示出了一根空管，其比力梁略低。可通过管的诸如直径变化、非圆度或其它这样的差异的几何形状中的小差异而导致间隙。在应用力机构之前，会通过目测检查发现间隙。如果间隙在视觉上很明显，则可在间隙中驱动垫片13。如果间隙在视觉上不明显，则千斤顶的紧固会确保在一根管中会出现弯曲，以及载荷会平等分配。图4B中还示出了固定的顶部支承构件11，其中固定的顶部支承构件11优选地固定至侧支承构件4。在该实施方式中，支承构件集成至轮船的船体。
参考图4C，在纵向方向上具有支撑力构件6的器件，以防止任何纵向载荷推动力梁不对齐。支撑臂14在纵向方向上为力梁提供支承。在力梁6由千斤顶系统10充分加载之后，支撑臂牢固地固定。固定支撑臂的一个通常方式是通过力梁上的螺栓凸缘15和顶部支承构件上的相似的螺栓凸缘16。
参考图5A和图5B，具有使用歧管系统以压缩气体加注每个容纳气体的管的器件。有许多方法来提供该所需歧管系统，并且这些方法通常是已知的。图5A和图5B示出了使用于连接的空间的歧管系统最大化的优选实施方式。多根管中的每根管均具有一个锥形端部和一个封闭端部。管堆叠成使得每个邻近的接触排在组件的交替侧处具有开放的锥形端部。例如，奇数编号的排的所有锥形开放端部会堆叠成使得开放锥形端部在前，以及所有偶数排堆叠成使得开放锥形端部在后。容纳气体的管16的每个排均连接至歧管管道17。在该实施方式中，该连接通过螺栓凸缘18进行连接。这和诸如焊接的其它连接机构是众所周知的。
因而，本发明非常适于实现目标，并且满足上述的目的且实现上述优点以及在其中固有的目的和优点。虽然为了公开的目的描述了目前优选的实施方式，但是许多的变化和修改对本领域技术人员而言是显而易见的。这样的变化和修改包括在由权利要求限定的本发明的精神内。

Claims (23)

1.一种用于运输流体的组件，包括：
a.货物货仓，包括下支承件和侧支承件，其中所述侧支承件在所述下支承件的每个侧部上；以及
b.多根管，用于容纳流体，所述多根管中的每根管均具有至少一个开放的端部，所述多根管在所述侧支承件之间支承在所述下支承件上；以及
c.所述多根管以六角形方式堆叠，其中，邻近的管之间线性接触；以及
d.上力构件，配置成经由力机构有力地向下压在所述多根管上，以向堆叠在货物区域中的所述多根管施加足够的压力，使得所述管之间的摩擦会防止所述管的任何显著的相对运动，所述相对运动由驳船或轮船的运动或由所述驳船或所述轮船的弯曲或由温度差或压力差引起的拉紧引起，以及
e.流体线系统，连接至所述多根管的所述开放的端部，用于向所述管加注流体和卸载流体；以及
f.驳船或轮船，所述多根管安装在所述驳船或所述轮船上或安装在所述驳船或所述轮船内，以允许运输所存储的流体。
2.如权利要求1所述的组件，其中，所述管由钢制成。
3.如权利要求1所述的组件，其中，所述流体容纳管由多根空管围绕，所述多根空管的外直径与所述流体容纳管的外直径大致相同。
4.如权利要求1所述的组件，其中，所述力机构是在所述货仓下梁与所述货仓的顶部固定甲板之间的多个千斤顶。
5.如权利要求1所述的组件，其中，摩擦元件放置在所述管之间。该摩擦元件可使所述管的表面变粗糙或以其他方式制备所述管的表面以使所述管之间的摩擦最大化。
6.如权利要求1所述的组件，其中，所述货物货仓中的空间填充有例如氮气的惰性气体。
7.如权利要求1所述的组件，其中，所述力机构包括紧固机构，以允许在施加第一力之后将所述上力构件向下压以覆盖所述多根管，以适应所述多根管中的沉降。
8.一种方法，其中，在船舶上或在船舶中承载的多根六角形堆叠管非常有力地压在一起，使得所述船舶的任何运动，包括所述船舶本身的弯曲，不导致管所述管本身之间或所述管与所述船舶之间的相对运动。换言之，所述多根管有助于提高所述船舶的强度，并且因而所述多根管和所述船舶一起移动，如同所述多根管和所述船舶为整体。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述船舶是驳船。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述船舶是轮船。
11.如权利要求8所述的方法，其中，所述管用作压力容器。
12.如权利要求8所述的方法，其中，所述管承载诸如压缩天然气的压缩气体。
13.一种流体运输组件，包括：
下支承件，具有第一侧部和第二侧部；
第一侧支承件，附着至所述下支承件的所述第一侧部，所述第一侧支承件大致垂直于所述下支承件；
第二侧支承件，附着至所述下支承件的所述第二侧部，所述第二侧支承件大致垂直于所述下支承件；
其中，所述第一侧支承件、所述下支承件和所述第二侧支承件限定管接收区域；
多根管，以六角形模式堆叠在所述下支承件上、堆叠在所述侧支承件之间、堆叠在所述管接收区域中；
顶部支承件，在所述管接收区域上方；
力构件，邻近所述下支承件、所述第一侧支承件、所述第二侧支承件和所述顶部支承件，所述力构件用于有力地施加压力至所述多根管，以用于将压力施加至所述多根管，从而增大所述多根管中的邻近管之间的、以及在所述多根管中的管与从所述下支承件、所述第一侧支承件、所述第二侧支承件和所述顶部支承件选择的邻近的结构件之间的静摩擦。
14.根据权利要求13所述的流体运输组件，其中：
所述力机构在力方向上施加力；以及还包括支撑结构，所述支撑结构在垂直于所述力方向上提供约束。
15.根据权利要求13所述的流体运输组件，还包括：
应力传递结构，用于传递由所述力机构通过施加压力而产生的集中应力。
16.根据权利要求15所述的流体运输组件，其中，所述应力传递结构是在所述力机构与所述多根管之间的一层空管。
17.根据权利要求15所述的流体运输组件，其中，所述应力传递结构是围绕所述多根管的一层空管。
18.根据权利要求13所述的流体运输组件，还包括将所述多根管中的每根均连接至加注或排放机构的器件。
19.根据权利要求18所述的流体运输组件，其中，所述加注或排放机构是歧管系统。
20.一种流体运输组件，包括：
轮船，具有船体、前货物舱壁、后货物舱壁和中心线纵向舱壁，其中所述中心线纵向舱壁用于将所述船体分成右舷货物船舱和左舷货物船舱；
多个底部支承构件，并入所述船体的底部；
多个侧支承构件，包括右舷船体侧支承构件、右舷中心线侧支承构件、左舷船体侧支承构件、左舷中心线侧支承构件；
其中，所述多个侧支承构件和所述多个底部支承构件等距间隔开，并且沿着所述船体的长度彼此对齐；
多根管，在所述右舷船体中，所述管从所述前货物舱壁的近端延伸至所述后货物舱壁的近端，所述多根管以六角形模式堆叠，所述多根管限定外层管和内部组管；
多根管，在所述左舷船体中，所述多根管具有邻近所述前货物舱壁的第一端部，所述多根管具有邻近所述后货物舱壁的第二端部，所述多根管以六角形模式堆叠，所述多根管限定外层管和内部组管；
顶部支承构件(固定)，在所述右舷船体中的多根管的上方以及在所述左舷船体中的多根管的上方；
力梁，邻近所述多根管的上部；
多个顶部力机构，例如千斤顶，在所述顶部支承构件与所述力梁之间，所述多个顶部力机构中的每个均与所述多个侧支承构件中的一个对齐，其中，所述顶部力机构设置有支撑臂，用于防止纵向载荷将所述力梁推偏，其中，所述支撑臂在第一端部处附着至所述力梁，以及在第二端部处附着至所述力机构；
其中，所述外层管用于保持为空，且用于分配由所述力机构生成的载荷；
歧管系统，邻近所述多根管的所述第一端部和所述第二端部中的至少一个，用于加注和排放所述管。
21.一种流体运输组件，包括：
多个底部支承构件；
多个侧支承构件；
其中，所述多个侧支承构件和所述多个底部支承构件等距间隔开，并且沿着所述组件的长度彼此对齐，所述侧支承构件和所述底部支承构件限定管接收区域；
多根管，在所述管接收区域中，所述多根管以六角形模式堆叠，所述多根管限定外层管和内部组管；
顶部支承构件(固定)，在所述管接收区域中的所述多根管的上方，并且在所述多根管的上方；
力梁，邻近所述多根管的上部；
多个顶部力机构，例如千斤顶，在所述顶部支承构件与所述力梁之间，所述多个顶部力机构中的每个均与所述多个侧支承构件中的一个对齐，其中，所述顶部力机构设置有支撑臂，用于防止纵向载荷将所述力梁推偏，其中，所述支撑臂在第一端部处附着至所述力梁，以及在第二端部处附着至所述力机构；
其中，所述外层管用于保持为空，以及用于分配由所述力机构生成的载荷；
歧管系统，邻近所述多根管的所述第一端部和所述第二端部中的至少一个，用于加注和排空所述管。
22.根据权利要求21所述的流体运输组件，其中，所述组件位于船舶的船体内。
23.根据权利要求21所述的流体运输组件，其中，所述组件位于船舶的甲板上。
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