CN1784570A - 具有引入液化天然气状态的密相气体在盐洞内的存储 - Google Patents

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CN1784570A
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Abstract

一种将天然气贮存在一个或多个人造盐洞内的柔性天然气贮存装置，所述盐洞典型地位于盐丘或层状盐矿内。所述柔性天然气贮存装置可以到达不同的天然气源。第一气源来自天然气管道及第二气源来自LNG。根据经济条件、供应条件和其他因素，所述柔性天然气贮存装置可以接收来自天然气管道和/或来自液化天然气(LNG)的气体以填充所述盐洞。当然，所述LNG在被贮存在盐洞之前必须先被加热。

Description

具有引入液化天然气状态的密相气体在盐洞内的存储
在美国使用的天然气许多是沿着海湾生产。在海上和岸上具有庞大的管道网络以把天然气从井口输送到市场。在世界的其他地方，也生产天然气，但是有时没有管道网络来把这些天然气输送到市场。在当地工业中，这种天然气常常被称作“搁浅”气体，因为没有准备好的市场或输送管道。结果，这种与原油伴生的搁浅气体常常被用火烧掉。因此，有时也被称作“燃烧掉”。
为了有效地利用搁浅气体，人们已经发展了不同的商业思想。一种思路是在天然气源附近建造石化工厂，以将所述气体作为工厂的原料。在世界范围内为此目的已经建造了几个氨和尿素工厂。
另外一种办法是在气源处或气源附近液化所述天然气并通过船把液化天然气(LNG)输送到接收中转站。在LNG接收设施处，LNG从所述运输船卸载并贮存在岸边的低温贮罐中。在某一位置，所述LNG从低温贮罐被转移到传统的气化系统并气化。然后把所述气体通过管道运往市场。在这种方法的起始阶段，液化可消耗9-10％(体积)的LNG。在该方法的末端，气化又另外消耗2-3％(体积)的LNG。以申请人的知识来看，传统的LNG设施没有在使用气化系统之后把得到的气体贮存在盐洞里。另外，传统的具有蒸发器的LNG设施把全部得到的气体传到管道以运往市场。
目前在世界范围内有100多艘LNG运输船在使用，并有更多的船只已定购而尚未交货。LNG运输船被特别设计以在约一个大气压或略高于一个大气压的条件下运输温度等于或低于-250°F的低温液体。此外，所述船负载LNG航行并被反向灌注以保持约40英尺的吃水深度。目前使用的LNG船具有不同的尺寸的容量，但是其中一些保持约三十亿立方英尺(Bcf)(约840000桶)或更大的容量。一些这样的船甚至具有更大的容量，高达五十亿立方英尺。以液体形式输送LNG的一个原因是这样可以节省空间。
在世界上有许多LNG工厂。在美国，两座LNG接收设备目前仍在运转(一个位于马萨诸塞州的埃弗雷特，另一个位于路易斯安娜州查尔斯湖的南部)及两座工厂正在整修(一座位于Cove Point，Maryland，另一座位于Elba Island，Georgia)。在美国已经有几家不同的公司宣布要建造其他的LNG工厂。
在美国典型的LNG接收设备包括用于卸载的泵和设备、低温贮罐和传统的蒸发器系统以把所述LNG转化为气体。在将该气体通过管道输送到市场之前使用传统的装置给其加臭。LNG中转站典型地被设计为用于峰值修整或作为基础加载(base load)工厂。基础加载LNG蒸发是专指用于如下系统的术语，所述系统要求几乎恒定的蒸发LNG以用于基础加载，而不是用于天然气分配系统的季节性或峰值增加要求的间歇式蒸发。在典型的基础加载LNG工厂，LNG运输船将每3-5天到达并卸载LNG。所述LNG从船上以液态(约-250°F)被泵送到LNG贮罐并在低压(约一个大气压)下以液态贮存。典型地，需要12小时或更长时间把LNG从船上泵送到岸上的低温贮罐。
LNG运输船的建造成本高于100,000,000美元。因此尽可能快地卸载LNG是有利的，这样所述运输船可以回到海中并装入另外的负载。典型地，美国LNG基础加载工厂具有三或四个容量不同的低温贮罐，但是每个贮罐的容量在250,000-400,000桶范围内。目前许多LNG运输船的容量约为840,000桶。因此，需要数个贮罐才能容纳一个LNG运输船的全部货物。这些贮罐在几乎被清空之前不能再接收其他船上的LNG。
传统的基础加载LNG中转站从所述低温贮罐中连续地蒸发LNG，并把它泵送到管道以输送到市场。所以，在两艘船之间的间隔时间段(约3-5天)，该工厂把LNG转化为气体(这里被称作再气化、气化或蒸发)，这样可以清空该低温贮罐以容纳下一艘船运送的LNG。所述LNG接收和气化中转站每天生产超过十亿立方英尺的气体(BCFD)。概而言之，运输船可以每隔几天到达一次，但是在基础加载工厂LNG的蒸发一般连续进行。对于本领域技术人员来说，传统的蒸发器系统用于加热LNG并使其转化为可用的气体。所述LNG在被输送到管道之前，首先在蒸发器系统内从约-250°F的温度加热并从液态转化为可用的气体。不利地是，在所述蒸发过程中一些气体被用作热源，或者是使用室温流体，这都需要巨大的热交换器。因此需要更经济的方法以把LNG从冷液态转化为可用的气体。
LNG低温贮罐的建造和维护成本都是昂贵的。此外，低温贮罐被建在地面上而易成为恐怖分子袭击的目标。因此，需要一种新的方法来接收和贮存LNG，以用于基础加载和峰值修整设备。具体地说，需要开发一种新的方法体系以避免使用昂贵的低温贮罐。更重要的是，需要更安全的方法来贮存大量的可燃材料。
在世界范围内存在许多不同类型的盐层结构。这些盐层结构中的一些(但是不是全部)适宜用于洞贮存烃。例如，“圆顶”型盐通常适宜用于洞贮存。在美国，已知具有多于300个的盐丘(saltdomes)，它们中的许多位于领海海底。已知盐丘存在于世界的其他地区，包括墨西哥、巴西东北部和欧洲。盐丘是其核心温度等于或高于90°F的固态盐层结构。可以在所述盐丘上钻一口井，然后淡水通过该井可注入盐中以产生洞。用盐洞贮存烃是一项现有的技术，其被广泛地应用于油气工业。盐洞能够贮存大量的流体。盐洞具有高输出量，及最重要的是，它们是十分安全的。例如，现在美国的战略石油贮备约有600,000,000桶原油被贮存在路易斯安娜和Texas的盐洞中，即在Bryan Mound，Texas。
当淡水被注入盐丘时，淡水会溶解盐并因而产生盐溶液，所述盐溶液又回到表面。注入所述盐丘的淡水越干净，则形成的洞越大。常常发现许多盐丘顶部的深度小于1500英尺。盐洞是细长的室，其长度可达1500英尺，其容量在3-15,000,000桶之间变化。最大的约为40,000,000桶。每个盐洞本身需要被盐层结构完全地包裹，从而不会有任何物质从其内部选出到周围的地层或另一个盐洞中。典型地，多个洞在一个盐丘中形成。现在，在美国和加拿大使用了1000个以上的盐洞来贮存烃，包括如上所述贮存的战略石油贮备原油。60或更多个所述盐洞被用来贮存天然气。
两种不同的传统技术被用在盐洞贮存中——补偿的和未补偿的。在补偿的洞中，盐水或水被泵送到所述盐洞底部以把烃或其他产品排出洞外。所述产品浮在盐水的上面。当产品被注入所述洞时，所述盐水被强制排出。烃不会与盐水混合，这种现象使得盐水是一种理想的流体以用在补偿的盐洞中。在未补偿的盐洞里，不使用移动液体。未补偿的盐洞通常被用来贮存由气井生产的天然气。高压压缩器被用来将天然气注入到未补偿的盐洞中。一些天然气必须一直被留在所述洞中以防止由于盐滑坍而造成洞的闭合。必须一直留在未补偿洞中的气体有时在工业中被称为“缓冲”(cushion)。这种气体提供了最小的贮存压力，而所述最小压力在所述洞内是必须保持的。另外，以申请人的知识来看，现有的LNG接收设备中没有一种是从油轮接收LNG，蒸发LNG及然后将所得到的气体贮存在盐洞中。
用于贮存天然气的未补偿的盐洞优选在约+40°F至+140°F的温度范围内和1500-4000磅/平方英寸的压力下操作。如果低于零下温度的低温流体被泵送到洞内，盐的热压裂反应会出现并降低所述盐洞的完整性。基于此，很低温度下的LNG不能被贮存在传统的盐洞中。如果流体被泵送入盐洞中及所述流体高于140°F，这将会促进滑坍并降低所述盐洞的体积。
美国专利5511905被本申请的受让人所拥有。列出的William M.Bishop作为本申请和’905专利的共同发明人。该现有技术专利公开了一种加热LNG的方式：在补偿盐洞中利用换热器内的盐水(约90°F)加热。该现有技术教导在补偿盐洞中以密相贮存LNG。所述’905专利没有公开使用未补偿的盐洞。所述’905专利还公开了冷流体可以在表面上使用换热器加热。所述表面换热器可以被用于从油轮卸载后的所述冷流体将被加热的地方，以通过管道进行输送。通过所述表面换热器的盐水可以从盐水池而不是地下洞抽出。
美国专利US6298671为BP Amoco公司拥有，该专利是一种制备、运输、卸载、贮存和分配天然气到市场的方法。该专利教导了通过第一远距离的地下岩层生产天然气，其处于产生天然气的气田。所述天然气被液化并被装船运到另一个地方。该LNG被再气化并被注入能贮存天然气的第二地下岩层，所述第二地下岩层是排空的或至少部分排空的地下岩层，该地下岩层之前已经制备了足够数量的气体来证实如下系统的建造是有效的，所述系统包括生产井、收集装置和分配管道以将天然气从所述地下岩层分配到市场。该专利教导将再气化的天然气注入排空的或部分排空的天然气井中，操作条件是温度高于水解结构体水平(从32°F到约80°F)及压力从约200-2500磅/平方英寸。该专利没有提到盐洞。该专利没有提到密相或其重要性。此外，所述排空或部分排空气体贮槽的注入量或排出量受到限制，所述贮槽不是存在于盐洞中。另外，在排空的贮槽和注入的气体之间存在的温度差会在排空的贮槽本身中产生问题，这些问题在盐洞的贮槽中不存在。基于这些原因，对于用于现代化LNG装置的低温贮罐或排空的气体贮槽来说盐洞是优选的。
盐洞天然气贮存是已知的并用于天然气生产设备和天然气市场之间，从而缓冲天然气供应波动与天然气需求波动。产气井的供应波动会由气候变化引起，如结冰或飓风或与天然气生产设备相关的日常维护。天然气需求的波动可能与气候相关，如在寒冷气候里取暖的需要，或者是天然气燃料发电机所产生的电力需要。众所周知，盐洞贮存天然气是一种优良的技术，因为盐洞能够在瞬间将大量的天然气输送到管道，所以能够容纳天然气需求量的大量增加。美国平均消耗约600亿立方英尺/每天(Bcf/D)，但是在高峰需要期间的消耗量要超过115Bcf/D。天然气贮存被用于容纳大范围变化的需求量。在美国有超过3万亿立方英尺(TCF)的天然气贮量，其中约95％的天然气被贮存在排空的贮槽和含水层中，剩余的5％贮存于盐洞中。虽然盐洞仅仅占约5％的贮量，但是它们提供高于14％的输送量，这显示了盐洞与其他贮存形式相比具有更高的输送能力。盐洞的特征在于具有很高输送能力，同时还可输送到管线网中。
美国具有世界上最发达的能源基础设施。美国是世界上最大的能源消费国，预计在未来天然气需求和需求的波动都会增加。在海上和陆地上都有发达的管道网以把天然气从井源输送到市场。在美国使用的大量天然气是沿着海湾生产，在那里有大量的天然气管道分配网并与适航的水域邻近。大量的天然气管道网有时也被称作天然气基础设施。
同时在美国天然气的消耗量高于其生产量。供应的短缺主要靠来自加拿大的管道输送补偿。仅仅约1％的当前美国天然气需求量靠进口LNG来供应。然而，美国能源部能量信息机构(Energy InformationAgency of the U.S.Department of Energy)计划在未来LNG进口供应量可达需求量的6％。一些气体工业计划是进口LNG的供应量可能增加到需求量的10％以上。
盐洞被用于贮存由气井生产并通过管道运输到该盐洞的天然气。对于本领域技术人员来说用盐洞贮存来自管道的天然气技术是已知的。一般管道的操作压力低于盐洞的最大操作压力，因而高压压缩器被用来给来自管道的天然气急剧增压并将其注入到盐洞中。用于贮存天然气的盐洞优选在约+40至+140°F的温度范围和约1500-4000磅/平方英寸的压力下进行操作。盐具有不同的塑性度，其变化主要依赖于温度和压力。来自天然气压缩器的热出料在被注入盐洞之前通常被冷却到+140°F以下以降低盐漂移或“滑坍”。贮存天然气的盐洞内压力超过与之相连的管道的操作压力，所以从盐洞向管道输送天然气的方法一般是通过盐洞与管道之间的正压差实现。在大量天然气需求期间盐洞贮存设备被快速地排空，及一般情况下其储量直到低天然气需求期间才能得到补充。在工业实践中填装盐洞贮存设备及接下来再输送天然气储量到天然气管道网的过程被称作一个周转或一圈(turn)。所述贮存设备在一定时间段内可周转的次数是其利用率的测量。在持续的高天然气需求期间(如在长时间的寒流中)可能不能够重新装满所述盐洞贮存设备，这是由于美国的国内天然气生产量不能满足其天然气的高消耗量。通常来自产气井的天然气产量是相当稳定的，可是美国天然气用量的变化却很大，有时位于波峰而有时又处于谷底。盐洞贮存设备被认为是一种优良的措施以快速地平抑供给与需求之间的矛盾。在美国建造越来越多的气体燃料发电厂的趋势加剧了天然气需求的波动，这是由于气体燃料发电厂的特点是可以快速转移其输出，这会在短时间内造成燃料需求增加50％之多。
在美国有不止60个盐洞用于贮存来自管道的天然气。以申请人的知识来看，现有的用于天然气贮存的盐洞没有一个还用来接受和贮存来自LNG的天然气。
发明内容
Bishop(音译为毕晓普)一步方法用换热器加热冷流体，并将得到的DPNG贮存在未补偿的盐洞中，所述换热器被安装在岸上或位于海上的平台或海底处。在另一个实施方案中，传统的LNG蒸发器系统可以被用来气化冷流体，然后再将该流体贮存在未补偿的盐洞或通过管道输送。
这里使用的术语“冷流体”意指液态天然气(LNG)、液态石油气(LPG)、液态氢、液态氦、液态烯烃、液态丙烷、液态丁烷、冷凝压缩天然气或其他在零下能保持状态的流体，从而可以将它们以液态而不是气态形式输送。本发明的换热器使用热流体加热所述冷流体。换热器中使用的热流体在下文被称作热剂(warmant)。热剂可以是淡水或海水。来自工业生产中的其他热剂也可以使用，在那里期望冷却该工业生产过程中使用的液体。
为了在水平流动的装置中实现热交换，如所述Bishop一步方法，将所述冷流体保持在密相或临界相的温度和压力条件是重要的，从而在将冷流体加热到预定温度的过程中不会发生相变化。这种方法消除了与两相流相关的问题，如层化、气蚀或气封。
所述密相或临界相的定义是指流体处于如下状态：该流体位于流体压力-温度曲线两相包络线(envelope)曲线之外(参见图9)。此外，在液态和气态之间没有区别，及在加热情况下浓度变化是渐进的但是不会发生相变化。这使得Bishop一步方法换热器减少或避免层化、气蚀或气封问题，而这些问题是两相气-液流动固有的问题。
本发明涉及一种柔性天然气贮存装置。所述柔性天然气贮存装置将天然气贮存在一个或多个人造盐洞中，典型地位于单个盐丘内。所述柔性天然气贮存装置能接近不同的天然气源。第一气源来自天然气管道及第二气源来自LNG。根据经济条件、供应条件或其他因素，所述柔性天然气贮存装置可以接收来自天然气管道和/或来自LNG的气体以填充所述盐洞。当然，所述LNG在被贮存在盐洞之前必须被加热。优选的LNG源来自运输船。管道气体是传统的盐洞天然气贮存技术唯一的气体源。因此，传统的天然气盐洞贮存装置缺乏本发明的灵活性和经济性优点，这是由于本发明的贮存装置能够接受来自至少两种不同气源的流体。
附图的简要说明
图1是Bishop一步方法中所用装置的示意图，所述装置包括在坞边的换热器、盐洞和管道。
图2是图1所述换热器的放大剖面图。图中流动的箭头指示了平行流动流路。地面贮槽或池被用来贮存热剂。
图3是图2所述换热器的剖面图，只是流动的箭头在这里指示反向流路。地面贮槽或池被用来贮存热剂。
图4是海上Bishop一步方法中所用装置的示意图，所述装置包括安装在海底的换热器、盐洞和管道。
图5是图4所述部分装置的放大剖面图，显示了安装在海底的平行流的换热器。
图6是图2中换热器沿着线6-6方向的部分截面图。
图7是所述换热器另一个实施方案的截面图。
图8是所述换热器另一个实施方案的截面图。
图9是天然气的温度-压力相曲线图。
图10是另一个实施方案的示意图，包括用于气化冷流体的蒸发器系统及将气化后的流体贮存在盐洞中，而不是使冷流体首先进入低温贮槽中。
图11是包括四个盐洞的柔性天然气贮存装置的方框图。
具体实施方式
图1是Bishop一步方法(One-Step Process)中所用装置的示意图，所述装置包括在坞边的(dockside)换热器，该换热器用于将冷流体转化为密相流体以输送到不同的地下贮存装置和/或管道中(图1未按比例绘制)。整个岸上的装置以数字19标示。海水20覆盖了陆地24的表面22的大部分，但不是全部。在陆地24表面22的下面形成了不同类型的地层和岩层。例如，盐丘26是沿着海湾在岸上27和海底常见的地质岩层。
一口井32从地面22通过陆地24向下延伸并到达盐丘26。使用本领域公知的技术在中盐丘26内清洗未补偿的(uncompensated)盐洞34。另一口井36从地面22通过陆地24、盐丘26并进入未补偿的盐洞38。所述盐洞26的上表面优选位于地面22以下约1500英尺，尽管盐洞可以出现在岸上27或海上28的其他深度位置。典型地盐洞34是位于陆地24表面22以下2500英尺，并具有约2000英尺的高度和约200英尺的直径。所述盐洞34的大小和容量可以变化。盐丘和盐洞可以完整地出现在岸上27、海上28或二者之间的其他位置。管道42被放置在陆地24的表面22以下。
船坞44被建造在港口底部46的上面，图中未示出。冷流体运输船48停泊在船坞44。所述冷流体运输船48典型地具有多个用于贮存冷流体51的低温贮槽50。在所述低温贮槽50中运输的冷流体以零下的液体形式存在。低压泵系统52位于所述低温贮槽50或者运输船48上以便于卸载冷流体51。
在冷流体运输船48停泊在船坞44之后，船坞44之上的铰接管道系统54与运输船48上的低压泵系统52相连，所述铰接管道系统54可包括软管和柔性负载臂。所述铰接管道系统54的另一端与位于船坞44之上或其附近的高压泵系统56相连。不同类型的泵可以被用在LNG工业上，所述泵包括立式泵、多级深井涡轮泵、多级潜水泵和多级卧式泵。
当需要启动卸载步骤时，低压泵系统52和高压泵系统56将冷流体51从运输船48上的低温贮槽50通过软管、柔性负载臂和铰接泵54及其它的管道58转移到本发明使用的换热器62的入口60。当所述冷流体51离开所述高压泵系统56时，由于高压泵给予的压力该流体已经变成密相流体64。术语“密相”将要在下面参照图9做出更加详细的说明。所述毕晓普方法(Bishop Process)的换热器62将所述冷流体加热至约+40°F或更高温度，这依赖于下游的需要。这种换热器利用所述流体的密相态和高的弗劳德(Froude)流动值来确保在换热器内不会出现层化、相变化、气穴和气封现象，不管所述流体相对于重力以什么方向流动都是如此。这些条件对于加热操作是重要的，这将在下面参照图9做出详细说明。当所述冷流体51离开换热器62的出口63时，其已成为密相流体64。柔性铰接65或伸缩铰接与换热器62的出口63相连，以容许所述换热器62内低温匹配管61的膨胀和收缩(高镍钢适用于所述管道61)，从图2中可以更好地看出这一特征。
管道70与换热器62相连，并具有安装在井36之上的井口72。附加管74与换热器62相连，具有安装在井32之上的井口76。所述高压泵系统56可产生足够的压力以输送所述密相流体64通过柔性铰接65、管道70，并通过井口72、井36到达未补偿的盐洞38。同样地，来自高压泵56压力足以输送密相流体64通过柔性铰接65、管道70和74，并通过井口76和井32到达未补偿的盐洞34。因此，密相流体64可以通过井32和36注入到未补偿的盐洞34和38中贮存。
此外，可以将密相流体64从换热器62通过管道78输送到节流阀80或调节器，再到达管道42的入口86，所述节流阀或调节器通过附加的地下管道或地面管道84与所述入口86相连。然后，通过管道42将所述密相流64传输给市场(所述管道42也可位于地面上)。
如果需要额外的泵，可以在适宜位置添加泵系统，这一点在图中没有示出。所述冷流体51还可以通过内陆水运、铁路或卡车被输送到所述装置19，图中未示出。
图2是Bishop方法中换热器62的放大剖面图(图2没有显示比例)。换热器62可以由如图2所示由一段或多段构成。换热器62中使用的段数依赖于所述装置19的空间构型和整个基底面、冷流体51的温度、热剂99的温度和其他因素。所述换热器62包括第一段100和第二段102。这里使用的术语“热剂”意指淡水19(包括河水)或海水20，或参与一要求其被冷却的过程即冷凝过程的任何适宜的其他流体。
所述换热器62的第一段100包括中心低温匹配管61和外部管道104。(高镍钢管适宜用在这种低温场合)。所述内部低温匹配管61在多个定中心器106、108和110的作用下被置于外部管道104的中心位置或中心位置附近。
热剂99通过换热器62第一段100的环形区域101流动。所述环形区域101被定义为位于低温匹配管61的径向外侧及外部管道104的径向内侧。
换热器62的第二段102同样地由低温匹配管61和外部管道112构成。所述低温匹配管61在多个定中心器114、116和118的作用下基本上位于外部管道112的中心处。所有的定中心器(106、108、110、114、116和118)通常以与图6所示同样的方式形成。
第一地面贮槽120(有时也被称作池)和第二地面贮槽122在岸上27靠近换热器62的位置形成，上述两个贮槽被用来贮存热剂99。管道124连接第一贮槽120和低压泵126。管道128连接低压泵126和开口130，从而使得流体在所述贮槽122和换热器62第一段100之间流动。所述热剂通过环形区域101流动(如图中箭头流向所示)并从换热器62的第一段100经由开口132排出，如图中箭头流向所示。附加管道134连接开口132和第二贮槽122。
管道136连接所述第一贮槽120和低压泵138。管道140连接低压泵138与换热器62第二段102上形成的开口142。所述助热剂从第一贮槽120抽出后通过泵138进入环形区域103，所述环形区域103位于低温匹配管道61的外侧和外部导管112的内径之间。所述热剂99流过换热器62第二段102的环形区域103(如图中箭头流向所示)并从开口144排出，所述开口144通过管道146与第二贮槽122相连。所述冷流体51进入换热器62的入口60作为冷流体，及离开出口63作为热密相流体64。所述低温匹配管61与柔性铰接65相连以容许所述低温匹配管61的膨胀和收缩。柔性铰接65下游的全部管道是非低温匹配的。
在图2所示的平行流动结构中，换热器62将热剂99从第一地面贮槽120通过第一段100转移到第二贮槽122。同样地，附加的热剂从第一贮槽120通过换热器62第二段102被转移到第二贮槽122。在此过程中，第一贮槽120中热剂99的体积会变小而第二贮槽122中热剂的体积会增加。因此，需要借助反向流动构造(在图3中可以较好地看出)，从而所述热剂99可以从第二贮槽122流回第一贮槽120。在另一个替代方案中，考虑到热剂可通过换热器62第一段100持续地平行流动，可以不需要反向流动操作，热剂99可通过管道148(图中虚线所示)从所述第一段100流回第一贮槽120。在一个类似的装置中，来自第二段102的热剂从第二贮槽122通过管道150(图中虚线所示)被转移到泵138。在这种方案中，所述热剂99以平行流动方式通过换热器62第二段102连续地循环。如果河水被用作热剂99，则地面池120和122是不需要的。替代性地，所述管道124与河相连，管道136、134和146同样如此。当河水被用作热剂99时其总是流回水源处，所述管道要相应地做出调整。
避免换热器62的冻结是重要的。冻结会阻碍热剂94的流动并使得换热器62不能工作。减少或消除结冰也是重要的。结冰会降低换热器62的效率。因此需要仔细地设计该区域，一般地以数字63表示，管道61中的冷流体51在这里首先遇到换热器62第一段100环形区域101内的热剂。在这里需要防止或降低管道61外热剂结冰，因为结冰可能会堵塞开口130和环形区域101。在多数情况下，选择适宜的流速和管内外径比从而使结冰不是问题。例如，如果密相天然气在受热过程中的膨胀系统是4，那么热平衡指示热剂流速要求是入口密相流速的4倍。为了平衡两条流路中的磨擦损失，外管与内管的内外径比是2。然而，如果上述两直径较为靠近则传热率会提高。最适宜的比值约为1.5。在极端情况下，在所述区域63通过在低温匹配管61的壁上添加绝热层可防止现场结冰。为此目的的一种简单方法是增加所述管道61的壁厚。这具有如下效果：将一些加热作用向下游推到所述冷流体51已经被加热到一定程度的地方，及结冰的可能性被降低。这还会增加换热器的长度。
图3是Bishop方法的换热器62采用反向流动模式的放大剖面图(图3未按比例绘制)。热剂99从第二贮槽122通过管道200、泵202、管道204、开口144被转移到换热器62第二段102的环形区域103，如图中流动箭头所示。所述热剂99通过开口142排出环形区域103并通过管道206到达第一贮槽120。低压泵138将热剂99从第二贮槽122通过管道150、206和开口132转移到换热器62第一段100的环形区域101，如图中流动箭头所示。热剂99离开所述第一段100的环形区域101并通过开口130和管道210流回第一贮槽120。所述反向流动循环持续进行，直到大部分热剂99已经从第二贮槽122被送回到第一贮槽120。
在另一个替代性流动方案中，所述热剂99通过开口142离开所述环形区域103并通过管道212被送回第二贮槽122(如图中虚线所示)，从而构成一个进出第二贮槽122的循环流路。同样地，热剂99可以通过管道214从第一贮槽被输送到泵138(如图中虚线所示)和管道206，并通过开口132被输送到换热器62第一段100的环形区域101。所述热剂然后通过开口130和管道120流回第一贮槽120。
换热器62的设计和地面贮槽的数量取决于许多因素，包括可以获得的空间大小和热剂99的室温。例如，如果所述热剂99的平均温度高于80°F，则所述换热器62只需要一段。然而，如果所述热剂99的平均温度低于80°F，则需要两段或更多段，例如图2和3中所示的两段设计。较浅且面积大的地面贮槽是期望的，因为在晴朗的天气里它们可以收集太阳能从而提高热剂99的温度。这种替代性方案构成了一个进出第一贮槽120的连续反向流动循环回路。在该替代方案中，如果河水被用作热剂，则不需要贮槽。在使用河水的情况下，只需流回河流中。
实施例1
该理想的实施例被设计成提供宽范围的操作参数以在图1所示码头或附近实施Bishop一步方法。当设计的装置19包括将要使用的冷流体和热剂类型时大量的因素必须被考虑到。用于过程测量、控制和保证安全的传统设备可根据需要被用在所述装置中，所述设备包括但是不限于温度和压力传感器、流量传感器、过压释放设备、调整器和阀。各种输入参数必须被考虑到，包括管道形状和长度、流速、温度和所述冷流体和热剂的比热。各种输出参数也必须被考虑到，包括未补偿盐洞的类型、尺寸、温度和压力。为了直接地输送到管道，其他输出参数必须被考虑，如管道几何形状、压力、长度、流速和温度。防止结冰的其他设计参数包括所述换热器第一段的入口和出口的热剂的温度、贮槽内热剂的温度，及起始接触区域63的温度。其他重要的设计因素包括所述冷流体输送船的尺寸和所述船必须被完全卸空并驶回大海的时间间隔。
假设800000桶LNG(125000立方米)在约一个大气压和-250°F或更低的温度下被贮存在所述运输船48的低温贮罐50内。所述低压泵系统52具有如下一般操作参数：在约600马力下约22000gpm(5000m3/hr)以产生约60磅/平方英寸(4巴)的压强。由于摩擦损失，约40磅/平方英寸的压强被输送到高压泵系统56的入口。所述高压泵系统56典型地将LNG的压强升高到1860磅/平方英寸(120巴)或更高，从而所述冷流体51在离开高压泵系统56之后成为密相形式。在高压泵系统56中约有10个泵，每个泵在压强增加到1860磅/平方英寸(120巴)时具有2,200gpm(500m3/hr)的额定泵速，从而产生压强约1900磅/平方英寸(123巴)的流体以注入未补偿的盐洞34和38中。所述10个高压泵系统的总需要马力约为24000马力。当所述未补偿盐洞被充分加压时(即所述盐洞被充满时)这种压力值代表最大功率。平均注入速度可以是高于22000gpm(5000m3/hr)。假设注入井32和36为133/8英寸的额定直径管道，约4个未补偿井具有约30亿立方英尺的最小总容量。所述LNG的体积在热交换过程中一般膨胀2-4倍，这依赖于未补偿盐洞的最终压强。如果需要较高流速，则与多个洞相一致使用较大的注入井是可行的。
用于热剂99的泵124和138是高容量、低压泵系统，该系统在约60磅/平方英寸(4巴)下具有约44000gpm(10000m3/hr)的合并流速。所述热剂通过换热器62的流速约为所述LNG通过低温匹配管道61的流速的2-4倍。所述热剂的流速将取决于其温度和换热器的段数(每个换热器段具有单独的热剂注入点)。所述热剂可以经过防腐蚀和防垢处理以提高换热器62的使用效率。当所述密相流体64通过换热器62时其会受热和膨胀。当所述流体膨胀时，则其通过所述换热器的流速会增加。
假设LNG流速为22000gpm，换热器62可具有约133/8英寸额定外径的低温匹配中心管61，以及额定外径约为20英寸的外部管道104和112。如果所述热剂的温度和其他因素要保证密相流体64到达约40°F的温度，则所述换热器62的总长需要足够长。这可能导致几千英尺的总长度及可能在5000英尺附近。多个热剂注入点和平行流动线路可大大地降低上述换热器长度。根据接收点到贮槽的距离，所述长度可能不是一个问题。并联系统也可以被使用，这依赖于所述装置的尺寸和冗余度的需要。通过将LNG流分为几个独立的并联流路可以极大地降低管道尺寸和长度。两个并联换热器62可具有额定外径约为8英寸的低温匹配中心管61及外部管道104和112可具有约12英寸的额定外径。是否采用并联换热器62的设计取决于可获得的材料、建造的难易程度和贮存的距离。
此外，所述换热器62不一定是直的。为了利用空间或其他原因，所述换热器62可以采用任何流路，如S形设计或螺旋形设计。所述换热器62可具有90°弯管和180°旋转以适宜不同设计的需要。
如果所述密相流体64将要被贮存在未补偿的盐洞34中，首先需要的是决定盐洞34的最小操作压强。例如，假设地，如果未补偿的盐洞34具有约2500磅/平方英寸的最大操作压强，则高压泵系统56的泵送能力为2800磅/平方英寸或更大。当然，如果压力超过约1200磅/平方英寸能保持密相，在低于最大压强的情况下操作也是可能的。
如果冷流体51被加热并直接转移到管道42中，首先需要确定的是所述管道的操作压强。例如，假设地，如果所述管道在1000磅/平方英寸的压强下操作，则高压泵系统56可能仍然需要在大于1200磅/平方英寸的压强下操作以保持流体64的密相状态，这依赖于温度-压力相曲线图。为了将密相流体64的压强降到管道操作压强，在所述流体进入管道42之前先通过节流阀80或调整器。在此位置加热可能也是需要的，目的是防止两相流的形成，即防止液体的形成。相反地，换热器可能被加长以增加温度，从而后续的膨胀和冷却不会使所述流体脱离密相。
在密相流体64已经被注入到未补偿的盐洞34和38之后，它可以被贮存在这里直到需要为止。所述密相流体64可以被贮存在其压强适当地超过管道操作压强的未补偿盐洞中。因此，如果想将所述密相流体从盐洞34和38转移出来，只需要打开井口72和76的阀(图中未示出)，从而使得密相流体流过节流阀80或调整器，在这里其操作压强被降至与所述管道相匹配的压强值。总之，井32用于填充所述未补偿的盐洞34和用于排空所述未补偿的盐洞(如图中流动箭头所示)。同样地，井38用于填充所述未补偿的盐洞34和用于排空所述未补偿的盐洞(如图中流动箭头所示)。
图4是当船停泊在海上28时在Bishop一步方法中所用装置的示意图(图4未按比例绘制)。所述装置298位于海上28及装置299位于岸上27。所述海上装置298可距陆地几英里远并通过管道242与岸上装置299相连。
海上Bishop方法的换热器220可被放置在接近平台226的海底222处。在另一个替代方案中(图中未示出)，所述换热器220可以被置于水域22的表面21之上的平台226处。在另一个替代方案中(图中未示出)，换热器220可以被置于平台226的支柱227(可参见图5)之间或之上，全部或部分换热器220可以位于所述水域20的表面21之下。所述停泊/入坞设备224被牢固地固定在海底222及使得冷流体运输船48被紧紧地固定在海上28。同样地，平台226具有被牢固地固定在海底222的支柱227，及提供用于下面所述装置和操作过程的稳定设备。
在所述冷流体运输船48被成功地停泊在停泊/入坞设备228之后，铰接管道、软管和柔性负载臂228与低压泵系统52相连，所述低压泵系统52位于低温贮槽50内或运输船48的甲板上。所述铰接管道228的另一端与位于平台226之上的高压泵系统230相连。附加的低温匹配管232将高压泵系统230连接到海上换热器230的入口234。
在所述冷流体51通过高压泵系统230之后其变为密相流体64，然后其通过换热器220。当液体64通过换热器220时其以密相形式存在。换热器220的出口236被连接到柔性接头238或伸缩接头。换热器220的低温匹配管235连接到柔性接头238的一端，及非低温管道240与柔性接头238的另一端相连。这样可以容纳低温匹配管235的膨胀和收缩。海底管道242由非低温匹配管构成。
所述海底管道242与井口76相连，所述井口连接到井32和未补偿的盐洞34上。另外，通过打开井口的阀门(图中未示出)，密相流体64可以通过海底管道242流动并通过井32进入未补偿的盐洞34进行贮存。
此外，密相流体64可以通过海底管道242被输送到节流阀80或调整器，所述节流阀或调整器可以降低流体的压力，使得密相流体64通过管道84进入管道42的入口86并传输给市场。
在足够数量的密相流体64已经被贮存在盐洞之后，井口76的阀(图中未示出)可以被关闭。这样使得封闭密相流体64以一定压力被贮存在未补偿的盐洞34中。为了将密相流体从未补偿的盐洞34转移到管道42，井口76上其他的阀(图中未示出)可以被打开，从而使得未补偿盐洞34中处于一定压力下的密相流体通过节流阀80(或调整器)和管道84转移到管道42。
因为未补偿盐洞34中的压力高于管道42的压力，将所述密相流体输送到市场的方法是只需打开井口上的一个或多个阀(图中未示出)，这样使得所述密相流体64流过节流阀80。井32被用来向未补偿盐洞34中注入密相流体64并从中排出流体，如图中流动箭头所示。
图5是图4中海上装置298和海上Bishop方法的换热器220的放大图。图5未按比例绘制。海底换热器220包括第一段250和第二段252。所述低温匹配管235通过多个定中心器258、260、262和264被置于外管254和256的中间。所述用于海底换热器220的定中心器与用于表面换热器62的定中心器相同，在图6中有更好地显示。考虑到膨胀和收缩，在所述定中心器与外管254和256之间一定要允许一些滑动量。
冷流体51离开位于冷流体运输船48之上的低温贮槽50之后，在低压泵52的作用下通过铰接管道228到达位于平台226的高压泵系统230。冷流体51然后通过管道232到达海底换热器220的入口234。所述管道228、232和235必须与冷流体51是低温匹配的。
海底换热器220使用海水20作为热剂99。所述热剂进入平台226之上的管道246并通过低压热剂泵244。所述热剂泵244也可以是能够潜水的。管道248连接低压热剂泵244与换热器220第一段250的入口266。所述热剂99流过位于低温匹配管235的外径和管道254内径之间的环形区域268。热剂99然后从排出口270排出，如图中流动箭头所示。潜水低压泵272将附加的热剂99抽入换热器220的第二段252。在一种替代方案中，泵272也可位于平台226之上。所述热剂通过入口274进入环形区域276，如图中流动箭头所示。所述环形区域276位于低温匹配管235的外径和外部管道256的内径之间。所述热剂通过出口278离开第二段252，如图中流动箭头所示。
所述冷流体51在入口234进入换热器时为密相流体64，而当其离开换热器220时同样为密相流体。所述低温匹配管235通过柔性铰接238或伸缩铰接与非低温匹配管240相连。这种方式允许海底管道242的其余部分用典型的碳钢制造，所述碳钢比适于低温匹配的钢便宜。换热器220的设计必须要避免结冰及减少或避免换热器62内部的结冰。之前讨论的适用于换热器62的设计因素同样适用于换热器220。
实施例2
该理想的实施例被设计成提供宽范围的操作参数以在图4和5所示海上实施Bishop一步方法。当设计的装置298和299包括将要使用的冷流体和热剂类型时必须考虑大量的因素。用于过程测量、控制和保证安全的传统设备可根据需要被用在所述装置中，所述设备包括但是不限于：温度和压力传感器、流量传感器、过压释放设备、调整器和阀。各种输入参数必须被考虑到，包括管道形状和长度、流速、温度和所述冷流体和热剂的比热。各种输出参数也必须被考虑到，包括未补偿盐洞的类型、尺寸、温度和压力。为了直接地输送到管道，其他输出参数必须被考虑，如管道形状、压力、长度、流速和温度。防止结冰的其他设计参数包括所述换热器每一段的入口和出口的热剂的温度，及起始接触区域235的温度。其他重要的设计因素包括所述冷流体输送船的尺寸和所述船必须被完全卸空并驶回大海的时间间隔。
假设800000桶LNG(125000立方米)在约一个大气压和-250°F或更低的温度下被贮存在所述运输船48的低温贮罐50内。所述冷流体运输船48停泊在船桩224或其他适宜的停泊/入坞装置，如单点停泊/入坞或多个锚固的停泊/入坞线。LNG从船48流过低压泵系统52、通孔、柔性负载臂和/或铰接管道228并到达平台226之上的高压泵系统230。所述密相流体64离开高压泵系统230的出口并进入换热器220。图中显示换热器220位于海底222，但是它也可位于上文所述的其他位置。另外所述换热器220可以采用如实施例1所示的各种形状。
环境加热蒸发器在传统的LNG装置中是已知的(参见“theOperating Section Report of the AGA LNG Information Book”，1981，第69页)。根据前述操作部分报告，“大多数基础加载(环境加热)蒸发器使用海水或河水作为热源。”这些蒸发器有时也被称作开架式蒸发器。根据参考资料，传统的开架式蒸发器一般在约1000-1200磅/平方英寸的压强下操作。这些开架式蒸发器不同于Bishop一步方法中使用的换热器62和220。
本发明使用的换热器与传统开架式换热器的比较。
第一，Bishop一步方法中换热器能轻松地承受适宜注入未补偿盐洞的高压。典型地，传统蒸发器系统的设计操作压强不能超过1200磅/平方英寸。
第二，每一传统开架式蒸发器的输出量大大地小于Bishop一步方法中换热器的输出量。根据参考资料，几个开架式蒸发器必须同时被用在岸上才能获得一个Bishop一步方法中换热器就能达到的期望输出量。
第三，传统开架式蒸发器相对于Bishop一步方法中换热器更易出现结冰和凝固问题。为避免此问题的蒸发器有时使用水-乙二醇混合物，但是上述混合物对环境是有害的。
第四，Bishop一步方法中使用的换热器除了加热所述流体之外，还为未补偿的盐洞或管道提供了需要的路径。该换热器的长度可以根据需要通过不同的设计而改变。
第五，Bishop一步方法中使用的换热器可以容易地冲洗，如用生物杀虫剂。当冲洗时不易堵塞。
第六，Bishop一步方法中使用的换热器的制造是十分简单的，可以使用多种易于获得的材料，并且可以就地制造。
第七，Bishop一步方法中使用的换热器可以容纳不同的冷流体(在设计中没有变化)，如LNG、乙烯、丙烯等。
第八，Bishop一步方法中使用的换热器在海上使用时需要较小的空间，(因为它可以位于海底)，这对于平台是十分有利的。其重量的因素也几乎可以忽略不计。
第九，依赖于上述所有特征，Bishop一步方法中换热器的制造和维护成本都非常低。
人们认识到开架式蒸发器的这些问题，Osake Gas已经研发了一种被称作SUPERORV的新式蒸发器，该蒸发器使用海水作为热剂。所述SUPERORV蒸发器和传统开架式蒸发器的示意图被记载在theOsaka Gas的网站上(www.osakagas.co.jp)。相信上面所述Bishop一步方法中换热器与传统换热器的区别同样地出现在其与SUPERORV的比较中。
图6是所述换热器第一段沿着图2所示线6-6方向的断面图。(图6未按比例绘制。)同轴换热器62包括由适宜承受低温和高压的材料制成的中心管61，而所述外管104的制造材质不需要承受低温和高压。这使得外管104可以由塑料、玻璃纤维或其他高抗蚀性或抗圬性的材料制成，为了输送热剂99(如淡水19或海水20)这些特征是需要的。中心管61的外径和外管104的内径之间的环形区域101需要定期地进行防垢化学处理。所述中心管61优选地具有抗蚀性能。
中心管61将配备传统的定中心器108以保持其在外管104的中心位置。这样可以达到如下两个功能。中心化使得加热可以均匀地进行并因而最大程度地降低冷点和冷应力的出现。可能更为重要地是，所述支撑、中心化的位置允许内管61随着温度的巨大变化而膨胀和收缩。所述定中心器108具有包围管道61的毂107和多个与外管104的内表面接触的支柱109。所述支柱109不是固定不变地连接在外管104上，允许其在内管61和外管104之间独立地移动。在本发明的操作中这种自由移动是重要的。为了进一步承受图1中换热器62表面的膨胀和收缩，出口63与柔性铰接65相连，柔性铰接65还与非低温匹配管70相连。同样地，在图4和5的海底换热器220中，所述出口236与柔性铰接238相连，柔性铰接238又与非低温匹配管240相连。在本发明中使用的全部定中心器应该容许低温匹配内管独立于外管自由地移动(膨胀、收缩和延长)，而不会造成显著地磨损和不必要的消耗。所述冷流体51流过低温匹配管，如图6、7和8中阴影部分所示。
图7是Bishop一步方法中换热器另一实施方案的断面图。在图7所示的另一实施方案中，通过定中心器304将中心低温匹配管300置于中间低温匹配管302的中心。通过定中心器305将中间管302置于外管104内部的中心。所述定中心器305具有中心毂302，通过多个支柱306保持其位置。环形区域308是指中间管302的外径和外管104内径之间的区域。热剂99通过环形区域308。支柱306不是固定不变地连接在外管104的内侧，从而允许低温匹配管不依赖于外管104而膨胀和收缩。热剂99还通过中心管300。冷流体51通过位于中心管300的外径和定中心毂302内径之间的环形区域309。为了清楚起见，环形区域309内的冷流体51是图7中的阴影部分。图7的替代方案具有更大的热交换面积，因而使用图7所示替代方案的换热器的长度小于图6中换热器的长度。在多数情况下较短的换热器是优选的，图7的替代方案与图6所示方案相比是更优选的。在有些情况下，甚至需要开发更短的换热器。
图8是Bishop一步方法中换热器的另一替代方案的断面图。内部低温匹配管320、322、324和326被结合在一起，并通过多个定中心器327将它们置于外管104内的中心位置。所述定中心器327具有定中心毂328。所述内管320、322、324和326被绘制成阴影以显示它们携带冷流体51。通过支柱330将所述定中心毂328置于外管104的中间，所述支柱不是与外管104固定不变地连接。热剂通过环形区域334。图8所示替代实施方案将考虑甚至比图7所示设计更短的换热器。当空间十分珍贵时，图7和8的替代实施方案是适合的，及可以增加换热面积的其它方案也是可以使用的。
图9是天然气的温度-压力相曲线。天然气是低分子烃的混合物。其组成约为85％的甲烷、10％的乙烷，余量成分主要是丙烷、丁烷和氮气。在气相和液相可能同时存在的流动情况下，下面所述的泵、管道和热交换问题可能是严重的。当流体从竖直方向离开时情况尤其如此。在向下的垂直流动中(如美国专利5511905中所示)，为了保持连续地流动，所述液体流速必须仅仅超过任何产生气相的上升速度。在两相流体的水平流动中，所述气体可能分层，阻止热交换，以及在极端情况下会产生气阻。另外气穴现象也是一个问题。
在本发明中，通过高压泵56或230将所述冷流体51转化为密相流体64，当所述流体通过换热器62或220时保持密相，及当其被贮存在未补偿盐洞时同样为密相，这样可以避免上述问题。所述密相存在于：当温度和压力足够高以致于分离相不会存在。在一种纯物质中，本发明同样适用，已知其被称作临界点。在混合物中，如天然气，密相存在于大面积的工况中。在图9中，只要温度和压力的流体工况位于两相包络曲线(图中阴影部分所示)之外，密相都将存在。本发明利用了密相特性，当从相曲线的临界冷凝压力350之上或临界冷凝温度352之右某一点开始时，随着温度和压力的增加不会出现相变化。这样当所述流体在换热器62或220内被加热而膨胀时，温度逐渐地增加而浓度相应地逐渐减小。其效果是在流动过程中浓度分层效应变得不再显著。因此，冷流体51的操作压力应使得流体64在换热器62或220中、下游管道和贮存装置中都处于密相。在一些天然气组成中，保持密相所需要的压力不同于图9实施例所示的约1200磅/平方英寸。
通过弗劳德数(F)比重分析来描述使流体处于密相的效果，该方法界定了分层或成层流动的流动区域：
F = V ( gD Δγ γ ) - ( 1 2 )
这里V是流速，g是重力加速度，D是管径，γ是流体浓度，及Δγ流体浓度的变化。如果F值大，涉及流体运动的控制方程的分层的项从该方程中退出。作为一个实际实施例，当夫劳德数从1增加到2时，在封闭系统内的两相流体一般失去所有的分层。在本发明中，夫劳德数的值成百地变化，以确保任何浓度变化的完全混合。在密相流动中，上式的参数Δγ/γ低时弗劳德数便会高。
弗劳德数的测量发生在高压泵系统56和230的下游及换热器62和220中。换句话说，Bishop一步方法中使用的弗劳德数应该足够高以防止在高压泵系统56和230的下游管道及换热器62和220中分层。典型地，大于10的弗劳德数将会防止分层。注意到传统的换热器通常不是在足以产生密相的压力和温度下进行，及相变化问题可以通过其他方式解决。
总之，通过本发明，冷流体51在压力作用下保持密相，不管是其离开高压泵系统56或230及其后通过换热器62或220，还是当其被贮存在未补偿的盐洞内。
图10是本发明另一实施方案的示意图。岸上装置310在贮存或运输冷流体51之前先使用传统的蒸发器系统260加热该冷流体。
传统的LNG装置卸载LNG并将其以液体形式贮存在岸上的低温贮槽中。在传统的装置中，所述LNG然后快速流过传统的蒸发器系统以加热所述液体并将其转化成气体。所述气体被加臭并被转移到可将其运往市场的管道中。传统LNG蒸发器系统的简化流程图被显示在the Operating Section Report of the AGA LNG InformationBook，1981的图4.1中，该蒸发器在这里引作参考。象该文献第64页讨论的那样，各种蒸发器是已知的，包括加热蒸发器、积分热蒸发器、远程加热蒸发器、环境蒸发器和处理蒸发器。这些已知蒸发器的任何一种可用在图10的蒸发器系统260中，前提条件是该蒸发器具有快速卸载船48的能力，及该蒸发器能承受在下游要将所述流体注入未补偿盐洞所需的压力。
在图10的另一实施方案中，通过低压泵系统51将冷流体51从运输船48卸载，所述低压泵系统位于低温贮槽50或容器48。所述冷流体51流过铰接管道54后到达另一高压泵系统56，所述高压泵系统位于码头44或其附近。所述流体59然后通过附加管58到达传统蒸发器260的入口262。流体59从入口261通过蒸发器260到达出口264。不象实施例1和2，在该替代方案中当所述流体通过蒸发器时不需要为密相，也不需要高弗劳德数。虽然不是必需的，但是使用密相也是可以接受的。因此在该替代方案中所述流体被标示为不同的数字，即59。所述流体59通过非低温管70和井口72并通过井36到达未补偿盐洞38。同样地，流体59也可通过非低温管74、井口76、井32到达未补偿盐洞34。当所述未补偿盐洞34和38被装满时，井口76和72的阀(图中未示出)可以被关闭，从而贮存所述气体在未补偿的盐洞34和38中。
优选地，所述流体59的贮存压力高于管道压力。因此，从所述未补偿盐洞34和38转移流体59的方法是只需要打开井口76和72的阀(图中未示出)，从而使得气体320通过管道78、节流阀80(或调整器)和管道84到达管道42的入口86。所述气体在进入所述管道之前可能需要额外地加热。因此，井32和36被用来将流体59注入未补偿盐洞34和38中，而当所述流体被送往管道42时所述井又可作为贮存流体59的出口。图中流动箭头的双向指示显示了井32和36的双重特征。
实施例3
该理想的实施例仅仅设计成为替代方案以提供宽范围的操作参数，包括用于加热冷流体的蒸发器系统，然后将其贮存在未补偿盐洞和/或通过管道输送，如图10所示。不象传统的LNG装置，在图10的岸上装置310中没有使用低温贮槽。如上文所描述的，船48包含低温贮槽50。一以传统方式设计的蒸发器系统260被用在该方案中以替代同轴换热器62和220(在前述实施例中讨论的)。传统的蒸发器系统典型地在1000-1200磅/平方英寸的范围内操作。所述传统设计的蒸发器系统260需要被改造以承受与未补偿盐洞相对应的较高压力(典型地为1500-2500磅/平方英寸)。当设计所述装置310时许多因素必须被考虑到，包括冷流体的类型和将要使用的热剂的类型。用于过程测量、控制和保证安全的传统设备可根据需要被用在所述装置中，所述设备包括但是不限于温度和压力传感器、流量传感器、过压释放设备、调整器和阀。还必须考虑到各种输入参数，包括管道几何形状和长度、流速、温度和所述冷流体和热剂的比热。各种输出参数也必须被考虑到，包括未补偿盐洞的类型、尺寸、温度和压力。为了直接地输送到管道，其他输出参数必须被考虑，如管道几何形状、压力、长度、流速和温度。其他重要的设计因素包括所述冷流体输送船的尺寸和所述船必须被完全卸空并驶回大海的时间间隔。
为了达到期望的流速可能需要多个蒸发器系统260。用在该实施方案中的蒸发器系统必须被设计为能承受1500-2500磅/平方英寸的操作压力，从而承受地下注入所需要的较高压力。
传统蒸发器系统的被设计成可用于分层。不象实施例1和2，在该替代方案中当所述流体通过蒸发器时不需要为密相，也不需要高的弗劳德数。虽然不是必需的，但是使用密相也是可以接受的。
参照图10，使用低压泵系统52将LNG从船48抽出，通过软管或柔性臂54到达高压泵系统56。所述流体59通过蒸发器系统260并在那里被加热。然后所述流体59被注入未补偿盐洞。因为在实施例1和3中从船48卸载的速度和贮存压力是相同的，所以实施例1描述的泵和流速特性同样地适用于实施例3。根据申请人的知识，传统的LNG装置目前还没有在使用传统蒸发器后就将气体注入未补偿盐洞的。
图11是具有四个盐洞的柔性天然气贮存装置的流程图。该图未按比例绘制。所述柔性天然气贮存装置可具有一个大洞或几个独立的洞。图11所示四个洞仅仅是为了介绍本方案。
所述柔性天然气贮存装置一般以数字400表示。所述柔性天然气贮存装置400可接收来自管道天然气源412和/或LNG源414的流体。该方案提供的装置400相对于传统的天然气盐洞贮存装置具有高灵活性和经济性的优点，所述装置接收的气体仅仅来自管道。所述LNG源可以是冷流体运输船48(图中未示出)和/或传统的具有地面安装槽(surface mounted tanks)的LNG接收端。象上面所讨论的，地面安装槽虽然不是优选的，但是作为已有接收端的附加设备也是有利的。
所述管道天然气源412可以是用来输送天然气402的一个或几个管道，有时也被称作第一流体。通过管道416将所述管道天然气源412与传统的天然气压缩器418相连。所述天然气402从管道天然气源412流到压缩器418并在这里被压缩到盐洞压力。该压缩过程还将所述天然气的温度升至约200°F。所述压缩器418通过管道420与传统的换热器422相连。天然气402从所述压缩器流到所述换热器422并在这里被冷却到与前述盐洞匹配的温度，如前所述。优选地将来自管道源的气体的压力升高到贮存在盐洞中的密相水平，即使这不是必须的。然而，在高的水位下降(drawdown)的日子里，所述盐洞的压力会降到密相以下。
所述冷却的、压缩的天然气402通过管道424到达歧管428的入口426。所述歧管与支管430、432和434相连以将天然气分配到装置400的各个部件内。所述管道434连接入口和歧管到管道436。所述管道430连接入口和歧管到管道438。第二歧管440连接第一管道436、第二管道438和管道430、432和434。井442连接第一盐洞444与所述装置400。流体可以从装置400流入洞444，或者流体从洞444流入另一个洞或管道，如双向流动箭头所示。第二井446连接第二盐洞448与所述装置400。流体可以从装置400流入洞448，或者流体从洞448流入另一个洞或管道，如双向流动箭头所示。第三井450连接第三盐洞452与所述装置400。流体可以从装置400流入洞452，或者流体从洞452流入另一个洞或管道，如双向流动箭头所示。第四井454连接第四盐洞456与所述装置400。流体可以从装置400流入洞456，或者流体从洞456流入另一个洞或管道，如双向流动箭头所示。所述装置400包含至少一个盐洞，但是优选地包含2-5个盐洞。图中显示的四个盐洞仅仅是为了介绍本方案。
这些盐洞444、448、452、456中的每一个与所述装置中的其他盐洞及管道436和438流体相连。这种流体相连可以通过第一歧管428、第二歧管440、管道430、432和434及井442、446、450及454实现。不同的阀和其他控制机制(图中未示出)允许操作者控制装置400内流体的流动。
所述LNG源414通过管道470与高压低温LNG泵56相连。所述LNG源414有时也被简称作“第二流体源”。所述LNG本身有时也被简称作“第二流体”。所述泵56将LNG的压力提高到上文图9所示的密相水平。管道472连接泵56与LNG换热器473。如果所述LNG源位于岸上(如图1所示)，则换热器473可是Bishop方法的换热器62，如果所述LNG源位于海上(如图4所示)，则换热器473可以是Bishop方法的换热器220。换热器473将所述第二流体加热到与盐洞相匹配的温度，如上文所述。管道474连接换热器473和任选的增压压缩器476。管道478连接任选的具有入口426的增压压缩器476。在这种方案中，所述LNG源414与管道436和438及盐洞444、448、452和456流体相连。同样地，管道天然气源与管道436和438以及盐洞444、448、452和456流体相连。管道436和438连接装置400与天然气的市场需求端(图中未示出)。
蒸发器260通过管道479与LNG泵56相连，所述蒸发器已经被改造以适于密相压力(典型地为1000磅/平方英寸或更高)。来自泵56的密相LNG在蒸发器260内被加热到与盐洞相匹配的温度，象上面所描述的那样。管道480连接蒸发器269与任选的增压压缩器482。管道484连接任选的增压压缩器482与入口426。在该方案中，LNG源414与所述盐洞及管道436和438流体相连。
在美国许多管线规定了输往消费者的天然气的Btu(英国热量单位)含量。这样确保天然气用户能预期地计划和运行他们的装置。例如，一些管线将1050Btu/标准立方英尺设为标准以输送气体。如果面包店师傅按照管线标准操作烘箱及实际输送的气体具有1100Btu/标准立方英尺，则面包的上部会被烤焦。对于从世界上的不同地方输送LNG来说这是一个挑战。例如，阿尔及利亚具有富天然气，其热值可以达到1200Btu/标准立方英尺。世界的其他地方，如特立尼达岛具有贫气，其热值会低至1140Btus/标准立方英尺。为了按照管线标准输送气体，LNG进口者有时不得不调整其Btu含量(单位热量含量)。为了降低所述气体的Btu含量可能需要将空气抽入管线中。抽送空气的成本会增加操作费用。
所述柔性天然气贮存装置400提供了一种简单而又成本低廉的办法来解决Btu波动的问题。一种办法是在同一盐洞中混合富气和贫气以达到管线所需要的Btu含量。另一种办法是把富气置于第一盐洞内及将贫气置于第二盐洞内。当需要将气体输送到管线时，可以先将一些富气与一些贫气在歧管或其他管道系统内混合，然后再将混合气输往管线以达到管线所需要的Btu含量。
因为所述柔性天然气贮存装置400可以连接多个天然气源，所以其相对于传统的单气源盐洞贮存装置和传统的LNG接收端都具有经济性的优点。在过去的20年间，在美国一些传统的LNG接收端由于低需求已经停止运行。这意味着已经投放的大量资金未能得到利用。而所述柔性天然气贮存装置400可以解决这种市场风险，这是基于该装置能够接收多个天然气源。当只有较少的LNG或没有LNG被进口到美国时，所述装置400仍然具有经济价值和活力，因为它能够接收来自管道源的天然气及用作天然气贮存装置。当大量的LNG被进口到美国时，所述装置400具有经济价值和活力，因为它能够主要用于接收、贮存和分配来自LNG源的天然气。根据申请人的知识，没有多源天然气盐洞贮存装置象柔性天然气贮存装置400这样。
实施例4
该理想的实施例被设计成提供宽范围的操作参数，以用于图11所示的柔性天然气贮存装置400。
当柔性天然气贮存装置400的LNG源是在码头(具有地面Bishop方法的换热器)卸载的冷流体运输船48时，则前述实施例1是相关的。当柔性天然气贮存装置400的LNG源是停泊在海上装置(具有海上Bishop方法的换热器)的冷流体运输船48时，则前述实施例2是相关的。在优选的方案中，所述高压LNG泵将LNG的压力增加到盐洞内压力。所述Bishop方法的换热器然后将所述流体加热到与所述盐洞匹配的温度，典型地约为40°F。所述任选的增压压缩器是必要的以补偿由于管道摩擦造成的压力损，或者由于LNG泵和盐洞之间的距离和管道尺寸造成的压降。当蒸发器代替Bishop方法的换热器与LNG源一起使用时，前述实施例3是相关的。所述高压LNG泵将LNG的压力增加到洞内压力。所述蒸发器然后将所述流体加热到与所述盐洞匹配的温度，典型地约为40°F。所述任选的增压压缩器是必要的以补偿由于管道摩擦、管道尺寸、或蒸发器和盐洞之间的距离造成的压力损失。
虽然不是优选的，但是所述装置400可接收来自传统LNG接收端(例如目前工作中的路易斯安娜州查尔斯湖的南部)的地面安装贮槽的LNG。
当接收的天然气来自管道天然气源时，所述装置400将气体从所述管道压缩到盐洞并将所述气体的温度升至约200°F。所述气体然后在传统的换热器内被冷却到约140°F或更低温度并被注入到盐洞内。在该实施例中来自管道天然气源的气体的压力被升到密相压力，但是对于本发明来说这不是重要的。重要的是气体的压力需要被升至足以注入所述盐洞的水平。例如，所述装置400可连接到一个或多个天然气管道源。所述装置400具有阀、管道、控制和测量部件，从而既能接收来自管道的气体又能输送气体到所述管道。这种性能有时也被称作双向性能。
所述气体压缩器418可以是正位移或离心式压缩器，其容量和马力足以将来自管道天然气源412的气体压力从约1000磅/平方英寸增加到注入洞444、448、452和456所需要的压力或约2000磅/平方英寸。所述洞注入压力取决于洞的设计，但是气体注入洞的体积和速度由所述压缩器的结构和马力决定。对于该实施例，假定洞注入设计速度是每天注入300,000,000立方英尺气体，直到达到所述洞的最大操作压力。该注入速度将需要约25,000马力的压力。
从压缩器排出的压缩气体处于2000磅/平方英寸的压力和约200°F的温度下，在将压缩气体注入所述盐洞之前先将其送到传统的换热器422进行冷却。对于该实施例，传统的换热器422可以是翅扇式换热器，其设计可使得所述压缩器排出气从约200°F冷却至120°F以下以注入盐洞。在将这样得到的气体注入盐洞之前不再需要进行额外的处理。控制部件和阀将指引所述气体流向适宜的盐洞。如果在盐洞内混合管道天然气源的气体和来自第二气源的气体以用于BTU热量控制，可以直接将所述气体注入指定的盐洞内并进行洞内混合操作。
从所述盐洞向管道436、438进行排放是基于实施例1、2和3所述的正压差，除非对来自盐洞的排放气进行混合操作是在排放时进行而不是在盐洞内进行。在这种情况下，井排放物被控制以使其来自适宜的盐洞，从而使混合气流的比例适宜以获得期望的BTU含量。例如，如果期望流向管道的气流是每天600,000,000立方英尺天然气，那么每立方英尺不能超过1050BTUs。如果洞444贮存的气体具有1100BTUs/立方英尺及洞448贮存的气体具有1000BTUs/立方英尺，那么来自每一洞的排放物被控制在每天300,000,000立方英尺，在歧管430、428、434里混合并被排放到管道436、438，从而每天具有600,000,000立方英尺(每立方英尺为1050BTU)的天然气。
当从洞444、448、452、456进行排放时，通过洞与管道438、436的正压差每个洞可以向歧管排放超过500,000,000立方英尺/天的量，如前面所述。这样使得装置400流向管道的量可以高达20亿立方英尺/天，如果需要的话。在美国没有基于LNG液体罐的接收和贮存装置具有这样的能力，可以向管道系统以高达20亿立方英尺/天的速度输送天然气。在这种情况下假定管道能够接收如此高容量的气体。在所述井和管道之间是阀和控制设备，以根据需要控制压力、体积和流速，这些对于盐洞天然气贮存领域的技术人员是已知技术。
此外，可使用脱水设备来降低或除去所述气体中的水分，该脱水设备可以被加入到所述盐洞中，这对于盐洞天然气贮存领域的技术员同样是已知的。
因此，所述柔性天然气贮存装置能够接收任一流体，以及从贮存设备向管道排放混合流体的速度远远高于传统的基于LNG液体罐的接收和贮存站。

Claims (26)

1.一种柔性天然气贮存装置，包括：
至少一个人造盐洞；
第一流体的管道源；
至少一个高压压缩器以压缩所述第一流体；
至少一个换热器，在所述第一流体被置于盐洞贮存之前，该换热器将来自所述压缩器的第一流体冷却到与所述盐洞匹配的温度；
第二流体源；
至少一个高压低温泵以增加所述第二流体的压力而使其成为密相；及
至少一个毕晓普方法的换热器，在所述第二流体被置于盐洞贮存之前，该换热器将第二流体加热到与所述盐洞匹配的温度。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第二流体源是液化天然气运输船。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述第二流体源是传统的液化天然气接收站。
4.如权利要求1所述的装置，还包括：
第一盐洞，以接收经过压缩和冷却的第一流体；
第二盐洞，以接收经过加压和加热的第二流体；及
第三盐洞，以接收部分来自所述第一盐洞的经过压缩和冷却的第一流体与部分来自第二盐洞的经过加压和加热的第二流体，从而在该第三盐洞内调整所得到的混合流体的单位热量含量。
5.如权利要求1所述的装置，还包括至少一个高压蒸发器，在所述第二流体被置于盐洞贮存之前，该蒸发器将来自高压液化天然气泵的第二流体加热到与所述盐洞匹配的温度。
6.如权利要求5所述的装置，还包括至少一个增压压缩器，在所述第二流体被置于盐洞贮存之前，该增压压缩器压缩来自所述蒸发器的第二流体。
7.如权利要求1所述的装置，还包括至少一个增压压缩器，在所述第二流体被置于盐洞贮存之前，该增压压缩器压缩来自所述毕晓普方法的换热器的第二流体。
8.一种柔性天然气贮存装置，包括：
至少一个人造盐洞；
第一流体的管道源；
至少一个高压压缩器以压缩所述第一流体；
至少一个换热器，在所述第一流体被置于所述盐洞用于贮存之前，该换热器将来自所述压缩器的第一流体冷却到与所述盐洞匹配的温度；
第二流体源；
至少一个高压低温泵，以增加所述第二流体的压力而使其成为密相；及
至少一个高压蒸发器，在所述第二流体被置于盐洞贮存之前，该蒸发器将第二流体加热到与所述盐洞匹配的温度。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述第二流体源是液化天然气运输船。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述第二流体源是传统的液化天然气接收站。
11.如权利要求8所述的装置，还包括：
第一盐洞，以接收经过压缩和冷却的第一流体；
第二盐洞，以接收经过加压和加热的第二流体；及
第三盐洞，以接收部分来自所述第一盐洞的经过压缩和冷却的第一流体与部分来自第二盐洞的第二流体，从而在该第三盐洞调整所得到的混合流体的单位热量含量。
12.如权利要求8所述的装置，还包括至少一个毕晓普方法的换热器，在所述第二流体被置于盐洞贮存之前，该换热器将来自液化天然气泵的第二流体加热到与所述盐洞匹配的温度。
13.如权利要求8所述的装置，还包括至少一个增压压缩器，在所述第二流体被置于盐洞贮存之前，该增压压缩器压缩来自毕晓普方法的换热器的第二流体。
14.如权利要求13所述的装置，还包括至少一个增压压缩器，在所述第二流体被置于盐洞贮存之前，该增压压缩器压缩来自所述蒸发器的第二流体。
15.一种贮存天然气的方法，包括：
压缩来自天然气管道源的第一流体；
将经过压缩的第一流体冷却到与盐洞匹配的温度；
将经过冷却、压缩的第一流体注入至少一个盐洞；
将来自液化天然气源的第二流体压缩成密相；
在毕晓普方法的换热器内将第二流体加热到与盐洞匹配的温度；
将所述第二流体注入所述盐洞；及
将来自所述盐洞的第二流体和经过冷却、压缩的第一流体释放到管道以传输给市场。
16.如权利要求15所述的方法，还包括：
将经过冷却、压缩的第一流体注入第一盐洞；
将第二流体注入第二盐洞；及
在第三盐洞内混合部分来自所述第一盐洞的第一流体与部分来自所述第二盐洞的第二流体，以调整在第三盐洞内所得到的混合流体的单位热量含量。
17.如权利要求15所述的方法，还包括蒸发加压的液化天然气以将其温度提高到与所述盐洞匹配的温度。
18.一种贮存天然气的方法，包括：
压缩来自管道的第一流体及增压使其成为密相；
将第一流体冷却到与盐洞匹配的温度；
将所述第一流体注入至少一个盐洞；
将第二流体压缩成密相；
在毕晓普方法的换热器内将第二流体加热到与盐洞匹配的温度；
将所述第二流体注入所述盐洞；及
将来自所述盐洞的第一流体和第二流体释放到管道以传输给市场。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
将第一流体注入第一盐洞；
将第二流体注入第二盐洞；及
在第三盐洞内混合部分来自所述第一盐洞的第一流体与部分来自所述第二盐洞的第二流体，以调整在第三盐洞内所得到的混合流体的单位热量含量。
20.如权利要求18所述的方法，还包括蒸发所述第二流体，以将其温度提高到与所述盐洞匹配的温度。
21.一种贮存天然气的方法，包括：
压缩来自天然气管道源的第一流体；
将经过压缩的第一流体冷却到与盐洞匹配的温度；
将经过冷却、压缩的第一流体注入至少一个盐洞；
将第二流体压缩成密相；
蒸发所述第二流体以将其温度提高到与所述盐洞匹配的温度；
将所述第二流体注入所述盐洞；及
将来自所述盐洞的第二流体和经过冷却、压缩的第一流体释放到管道以传输给市场。
22.如权利要求21所述的方法，还包括：
将经过冷却、压缩的第一流体注入第一盐洞；
将第二流体注入第二盐洞；及
在第三盐洞内混合来自所述第一盐洞的经过冷却、压缩的第一流体与来自所述第二盐洞的第二流体，以调整在第三盐洞内所得到的混合流体的单位热量含量。
23.如权利要求15所述的方法，还包括：
在毕晓普方法的换热器内将第二流体加热到与盐洞匹配的温度；及
将所述第二流体注入所述盐洞。
24.一种贮存天然气的方法，包括：
压缩来自管道的第一流体及增压使其成为密相；
将所述第一流体冷却到与盐洞匹配的温度；
将经过冷却的第一流体注入至少一个盐洞；
将第二流体压缩成密相；
蒸发所述第二流体以将其温度提高到与所述盐洞匹配的温度；
将所述第二流体注入所述盐洞；及
将来自所述盐洞的第二流体和经过冷却、压缩的第一流体释放到管道以传输给市场。
25.如权利要求24所述的方法，还包括：
将经过冷却的第一流体注入第一盐洞；
将第二流体注入第二盐洞；及
在第三盐洞内混合部分来自所述第一盐洞的第一流体与部分来自所述第二盐洞的第二流体，以调整在第三盐洞内所得到的混合流体的单位热量含量。
26.如权利要求15所述的方法，还包括：
在毕晓普方法的换热器内将第二流体加热到与盐洞匹配的温度；及
将所述第二流体注入盐洞。
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