KR20040095200A - 냉유체의 가열 및 저장 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20040095200A
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윌리암 엠. 비숍
마이클 엠. 맥콜
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컨벌젼 가스 임폴츠 엘피
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Abstract

미개발 가스는, 때때로 액화되어, 운송선박으로써 가스를 사용할 국가들로 보내어진다. 종래의 수급 터미날들은, 수송선박으로부터 하역된 액화천연가스 (LNG)를 저장하기 위해, 대규모의 극저온 저장탱크를 사용하고 있다. 본 발명은, 종래의 극저온 저장탱크의 필요를 없애는 대신, 제품을 저장하기 위해 비보정 암염공동(uncompensated salt cavern)을 이용한다. 본 발명은, 비숍 프로세스(Bishop Process) 열교환기라고 지칭되는 특별한 열교환기를 사용하여, 암염공동에 저장하기 전에 액화천연가스를 가열하거나, 또는 본 발명은, 고압의 작동 압력을 견딜 수 있도록 강화된 종래의 기화기 시스템을 이용할 수도 있다. 하나의 실시예에서는, 액화천연가스는, 열교환기와 비보정 암염공동에 이송되기 전에, 고압으로 펌프되고 응축상(dense phase) 천연가스로 변환된다.

Description

냉유체의 가열 및 저장 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR WARMING AND STORAGE OF COLD FLUIDS}
미국에서 사용되는 많은 양의 천연가스는 걸프만 연안에서 생산된다. 이러한 액화 천연가스를 가스정두(wellhead)로부터 시장에까지 운송하기 위해, 근해 및 육상에 광범위한 파이프라인 네트워크(pipeline network)가 있다. 다른 지역에서는 천연가스의 생산이 있음에도 불구하고, 때로는 시장까지 가스를 운송하기 위한 파이프라인이 없는 경우도 있다. 이 경우, 이미 생성된 시장이나 파이프라인 연결이 없기 때문에, 당 산업계에서는 이러한 종류의 천연가스를 미개발 가스(stranded gas)라고 칭하기도 한다. 결과적으로, 원유와 함께 생산되는 이러한 미개발 가스는때때로 플래어(flare)에서 소손된다. 이러한 현상은 때때로 “연소(flare-off)된다”라고 지칭된다.
미개발 가스를 좀더 효과적으로 사용하기 위해 다른 사업적 개념들이 개발되어 왔다. 그 중 하나의 개념은, 석유화학 플랜트(petrochemical plant)에서의 공급원료로서 가스를 사용하기 위해, 천연가스 공급원의 근처에 석유화학 플랜트를 건설하는 것이다.
다른 접근방법으로는, 천연가스를 공급원에서 또는 그 근처에서 액화하여, 최종 수급지까지 선박으로 액화 천연가스(LNG)를 운송하는 것이다. 액화 천연가스 수용시설(receiving facility)에서, 액화 천연가스가 수송선박으로부터 하역(offload)되어 육지에 위치한 극저온 저장탱크에 저장된다. 그 후 일정 시점에서, 저장된 액화 천연가스가 극저온 저장탱크로부터 통상의 기화 시스템까지 이송되어 가스화된다. 다음으로 가스는 파이프라인을 통해 시장으로 전달된다. 이러한 프로세스의 최초단계에서, 액화는 부피에 있어서 9∼10%의 액화 천연가스를 소비한다. 이러한 프로세스의 최종단계에서, 가스화는 부피에 있어서 2∼3%의 액화 천연가스를 추가적으로 소비한다. 출원인이 가진 최적의 지식으로는, 기화 시스템을 사용하는 그 어떤 종래의 액화 천연가스 시설도, 그 이후 공정에서 결과가스(resulting gas)를 암염 공동(salt cavern)에 저장하지 않는다. 그 대신, 기화장치를 가진 종래의 액화 천연가스 시설들은, 생성된 모든 결과가스를 시장까지 수송을 위한 파이프라인을 통해 이송하였다.
현재 전세계적으로 100개가 넘는 액화 천연가스 수송선박이 운행 중에 있으며, 더 많은 수송선박이 주문되어 있다. 액화 천연가스 수송선박은 액화 천연가스를 -250℉ 또는 그 이하 그리고 1 기압 근처 또는 그 이상의 극저온 액체로서 수송되도록 특별히 설계되어 있다. 더욱이, 이러한 선박들은 항상 액화 천연가스만을 운송하며, 대략 40 피트(feet)의 일정한 드래프트(draft)를 유지하기 위하여 가득 채우지 못한다. 현재 운행중인 액화 천연가스 수송선박들은 그 크기나 용량면에서 다양하지만, 일부는 대략 30억 평방 피트(Bcf)(대략 840,000 배럴) 또는 그 이상의 가스를 저장한다. 장래의 일부 선박은 더 큰 용량으로 만들어져 5 Bcf에 달하는 가스를 저장할 수도 있을 것이다. 액화 천연가스가 액체 상태로 수송되는 것은 공간을 적게 차지하기 때문이다.
전세계적으로 많은 액화 천연가스 시설들이 있다. 미국에는 두개의 액화 천연가스 수용시설(그 중 하나는 메사츄세츠의 에버렛에, 나머지 하나는 루이지애나의 레이크 찰스 남쪽에 위치하고 있다)이 현재 운영중에 있으며, 두개의 시설(그 중 하나는 메릴랜드의 코브 포인트에, 나머지 하나는 조지아의 엘바 아이랜드에 위치하고 있다)이 개조중에 있다. 또한 미국내에 추가적인 액화 천연가스 시설의 건설이 몇가지 다른 이유들로 발표된 바 있다.
미국내의 액화 천연가스 수용시설들은 일반적으로 오프-로딩 펌프(offloading pumps) 관련 장치, 극저온 저장탱크 및 액화 천연가스를 가스로 변환하기 위한 종래의 기화 시스템을 포함하고 있다. 이러한 가스에는 종래의 장치를 이용하여 파이프라인을 통해 시장까지 이송되기 전에 부취제(odorant)가 첨가된다. 액화 천연가스 터미널(LNG terminal)들은, 통상적으로 피크 셰이빙(peak shaving)를 위해 또는 기저 부하 시설(base load facility)로서 설계되어진다. 기저 부하 액화 천연가스 기화(base load LNG vaporization)는, 천연가스 공급 시스템용 계절적 또는 피크(peak) 상승 요구량을 위한 주기적 기화라기 보다는, 기저 부하를 위한 액화 천연가스의 거의 일정량의 기화를 요구하는 시스템에 적용되는 용어이다. 통상적인 기저 부하 액화 천연가스 시설에서는, 액화 천연가스 선박이 액화 천연가스를 하역하기 위해, 매 3∼5일마다 도착한다. 그러한 액화 천연가스는, 수송선박으로부터 액화 천연가스 저장탱크로 액체 상태(대략, -250℉)로서 펌프되고, 저압(대략 1 기압)에서 액체 상태로 저장된다. 선박으로부터 육지의 극저온 저장탱크까지 액화 천연가스를 펌프하는 데는, 통상적으로 12시간 또는 그 이상이 소요된다.
액화 천연가스 운송선박은, 그 축조에 대략 $100,000,000 이상이 소요된다. 따라서 액화 천연가스를 하역하는 것을 최대한 신속히 함으로써, 선박이 해상으로 복귀하여 다른 천연 액화 가스를 운송하도록 하는 것이 적절하다. 통상적인 미국의 액화 천연가스 기저 부하 시설은, 세 개 내지 네 개의 극저온 저장탱크를 가지고 있으며, 그 용량은 차이가 있지만, 대략 각각 250,000∼400,000 배럴정도이다. 현재의 액화 천연가스 선박의 다수가 대략 840,000 배럴의 용량을 가지고 있다. 따라서 하나의 액화 천연가스 선박으로부터 적하량 전체를 수용하는 데는 여러 개의 극저온 탱크가 소요된다. 이러한 탱크들은 다시 완전히 비워질 때까지 다른 선박으로부터 액화 천연가스를 수급 받을 수 없다.
종래의 기저 부하 액화 천연가스 터미널들은, 액화 천연가스를 극저온 탱크로부터 지속적으로 기화하여, 시장 수송용 파이프라인으로 펌핑 (pumping)한다. 따라서, 선박간의 휴지기(대략 3∼5일) 동안에는 해당 시설은, 액화 천연가스를 가스로 변환(이를 재가스화, 가스화 또는 기화라 한다.)하여, 다음 선적을 위한 공간을 마련하기 위해 극저온 탱크를 비운다. 액화 천연가스 수급 및 가스화 터미널은 하루에 10억 평방 피트(BCFD) 이상의 가스를 생산할 수도 있다. 종합하면, 운송 선박들은 매 수일마다 도착하지만, 기저 부하 시설에서의 액화 천연가스의 기화는 일반적으로 지속적인 것이다. 당업자에 널리 알려진 통상의 기화 시스템은, 액화 천연가스를 사용 가능한 가스로 가열하고 변환하는데 사용된다. 액화 천연가스는, 기화 시스템에서 대략 -250℉으로부터 가열되어, 파이프라인으로 이송될 수 있기 전에 액체 상태로부터 사용가능한 가스 상태로 변환된다. 불행하게도, 일부 가스는 기화 프로세스에서 가열원으로 사용된다. 따라서 액화 천연가스를 액체 상태에서 사용가능한 가스 상태로 변환하는 데에 좀더 경제적인 방법이 요구되고 있다.
액화 천연가스 극저온 저장탱크들은 제작 및 유지가 비싸다. 더욱이, 극저온 저장탱크들은 지상에 위치하여 테러리스트들의 목표물로서 이용될 위험을 안고 있기도 하다. 따라서 기저 부하(base load) 및 피크 셰이빙(peak shaving) 시설 모두를 위해 액화 천연가스를 수급받아 저장하는 새로운 방법이 요구되고 있다. 구체적으로는, 고가의 극저온 저장탱크의 수요를 없애기 위한 새로운 방법을 개발하는 것이 요구된다. 더욱 중요하게는, 대량의 가연성 물질을 저장하기 위한 좀 더 안전한 방법이 요구되는 것이다.
전세계적으로 다양한 형태의 암염층이 존재한다. 하지만, 모든 암염층이 아닌 일부의 암염층들만이 탄화수소의 공동 저장(cavern storage)에 적합하다. 예컨대, 일반적으로 돔(dome) 형태의 암염은 공동 저장에 적합하다. 미국에서는 300개가 넘는 암염 돔(salt dome)이 알려져 있으며, 그 중 다수가 근해 지역에 위치하고 있다. 암염 돔은, 멕시코, 북동 브라질 및 유럽을 포함하는 세계의 다른 지역에도 존재하는 것으로 알려져 있다. 암염 돔들은, 염의 고체층(solid formation)으로서, 중심부 온도가 대략 90℉ 또는 그 이상에 달한다. 가스정(well)이 암염 돔 내부에 용이하게 굴착되고, 담수(fresh water)가 가스정(well)을 통해 암염에 주입되면, 공동(cavern)이 형성된다. 탄화수소의 암염 공동 저장(salt cavern storage)은 오일 및 가스 산업계에서 잘 정립된 입증된 기술이다. 암염 공동들은 대량의 유체를 저장할 수 있다. 암염 공동들은 높은 방출 용량을 가지고 있으며, 가장 중요하게는, 이러한 암염 공동들은 매우 안전하다는 것이다. 예컨대, 미국의 전략 비축유 (Strategic Petroleum Reserve)로서, 현재 대략 600,000,000 배럴의 원유가 루이지애나와 텍사스, 즉 택사스의 브라이언 마운드의 암염 공동에 저장되어 있다.
담수(fresh water)는, 돔 형태의 암염으로 주입될 때, 이를 용해하여 함수(brine)를 생성하고 지면으로 회귀한다. 담수가 암염 돔에 많이 주입될수록 공동이 더 커진다. 다수의 암염 돔의 꼭대기는 1500피트(feet)보다 얕은 깊이에서 종종 발견된다. 암염 공동은, 길이가 1500피트(feet)에 달하는 긴 공간(chamber)이며, 3,000,000∼15,000,000배럴에 달하는 용량을 가지고 있다. 가장 큰 것은 대략 4천만 배럴의 용량을 가지고 있다. 각각의 공동 자체는, 주위의 다른 누층 (formation)이나 다른 공동으로 어떠한 것도 유출되지 않도록, 암염층으로 완전히 둘러싸일 필요가 있다. 통상적으로, 복수개의 공동들이 하나의 암염 돔에 형성된다. 현재로는, 미국과 캐나다에만 1000개가 넘는 암염 공동들이 탄화수소를 저장하기 위해 사용되고 있다.
두 가지의 다른 종래기술들이 보정된(compensated) 암염 공동 저장(salt cavern storage) 및 비보정(uncompensated) 암염 공동 저장에 사용되고 있다. 보정된 공동에서는, 함수(brine)나 물이 암염 공동 바닥으로 펌프되어, 탄화수소나 다른 제품들을 공동 밖으로 옮긴다. 그 제품들은 함수(brine)의 상부에 뜬다. 제품들이 공동(cavern)으로 주입될 때, 함수(brine)는 강제적으로 밖으로 나오게 된다. 탄화수소는 보정된 암염 공동에서 사용하기 위한 이상 유체(ideal fluid)로서 함수와 혼합되지 않는다. 비보정 저장공동에서는, 어떠한 치환 액체도 사용되지 않는다. 비보정 암염 공동들은, 통상적으로 가스정들로부터 생산된 천연가스를 저장하기 위해 사용된다. 고압의 압축기들이 비보정 암염 공동들에 천연가스를 주입하기 위해 사용된다. 암염층의 변형으로 인해 공동이 막히는 것을 방지하기 위하여, 어떤 천연가스는 언제나 공동 안에 남겨져야 한다. 비보정 암염 공동에서 언제나 공동 내부에 남겨져야 하는 가스의 용적은, 때때로 당업계에서 "쿠션(cushion)"으로 지칭된다. 이 가스는 공동 내부에서 유지되기 위해 최소한의 저장 압력을 제공한다. 출원인의 지식 한도 내에서는, 현존하는 어떤 종래 액화 천연가스 수급시설도, 액화 천연가스를 유조선들로부터 가져와 기화하고, 다음으로 암염 공동에 결과가스를 저장하지는 않는다.
천연가스 저장을 위한 비보정 암염 공동은, 바람직하게는, 대략 +40℉에서 +140℉ 범위의 온도와 1500psig에서 4000psig의 압력에서 작동한다. 만약 극저온유체가 영하의 온도에서 공동으로 펌프된다면 암염의 온도에 의한 파쇄가 일어나고 암염 공동의 무결성(integrity)을 저하시키게 된다. 이러한 이유로, 저온의 액화 천연가스는 종래의 암염공동에 저장될 수 없다. 만일 암염 공동으로 펌프된 유체가 +140℉ 이상을 훨씬 넘으면 지층변형을 촉진하여 암염 공동의 용적을 감소시키게 된다.
본 발명은, 비숍 원스텝 프로세스(the Bishop One-Step Process)라고 불려진다. 이는 고가의 극저온 저장탱크의 필요성을 없앤다. 본 발명은, 액화 천연가스의 압력을 1 기압으로부터 대략 1200psig 이상으로 올리기 위해, 고압 펌핑 시스템을 사용한다. 이러한 압력증가는, 액화 천연가스의 상태를 극저온 액체로부터 응축된 상태의 천연가스(dense phase natural gas, DPNG)로 바꾸어준다. 또한, 본 발명은, 응축된 상태의 천연가스의 온도를 대략 -250℉으로부터 +40℉로 올리기 위해, 육지 또는 근해에 설치된 비숍 프로세스 열교환기(the Bishop Process heat exchanger)라 불리는 독특한 열교환기를 사용하여 가열된 응축 천연가스(DPNG)가 비보정 암염 공동에 저장될 수 있도록 한다. 추가적으로, 응축 천연가스(DPNG)는 누출되지 않는 지층(strata)이라면, 다른 종류의 암염층에도 저장될 수 있다. 이 모든 기술들이 종래의 지면 설치 극저온 저장탱크의 필요성을 없앤다. 지하 저장은, 전략 비축유를 위한 암염 공동 저장 시스템의 사용에 의하여 설명한 바와 같이, 종래 시스템들보다 훨씬 더 안전하다. 일단 본 발명을 이용하여, 액화 천연가스가 가열되고 액체상태에서 응축 천연가스(DPNG) 상태로 변환되면, 스로틀링(throttling) 밸브 또는 레귤레이터(regulator)를 통하여 시장 이송용 파이프라인으로 수송된다. 다른 실시예로는, 종래 기화 시스템 또한 비보정 암염 공동에 저장하기 전에 액화 천연가스를 가스화하는데 사용될 수 있다.
미국특허 제5,511,905호(이하, " '905 특허"라 함)는, 본건 특허출원의 양수인이 소유하고 있다. 윌리엄 엠 비숍(William M. Bishop)은 본건 출원과 '905 특허의 공동 발명자로 기재되어 있다. 이 종래기술 특허는, 보정된 암염 공동에서 열교환기를 이용하여 함수(brine)로 액화 천연가스를 가열(대략 90℉에서)하는 기술을 공개하고 있다. 이 선행특허는, 보정된(compensated) 암염 공동에서 응축 상태에서의 저장에 관한 것이다. '905 특허는, 비보정(uncompensated) 암염 공동에서의 사용은 공개하지 않고 있다. 지상 열교환기는 유조선(tanker)으로부터 하역된 냉유체가 파이프라인을 통하여 이송되기 위해 가열되는 곳에서 사용될 수 있다. 지상 열교환기를 통과하는 함수는 지하 공동보다는 함수 연못(brine pond)으로부터 펌프될 수 있다.
미국특허 제6,298,671호(이하 " '671 특허"라 함)는, 비피 아모코 코퍼레이션(BP Amoco Corporation)이 소유하고 있으며, 이것은 천연가스를 생산, 수송, 하역, 저장, 및 시장으로의 유통에 관한 방법에 관한 것이다. '671 특허는 원거리에 위치한 제1 지하누층, 즉 천연가스를 생산하는 가스정으로부터 천연가스를 생산하는 것이다. 천연가스는 액화하여 다른 지역으로 운송된다. 액화 천연가스는, 재가스화하여 종전에는 지하 누층(formation)으로부터 천연가스의 시장으로의 공급을 위한 생산 능력이 있는 가스정, 포집 시설(gathering facility) 및 공급관의 건설을 정당화할 정도로 충분한 양의 가스가 생산되었으나, 현재는 가스가 고갈되었거나 부분적으로 고갈된 지하 누층(formation)인 제2 지하 누층(formation)으로 주입된다. '671 특허는 재가스화한 천연가스를 대략 +32℉에서 +80℉의 온도와 약 200psig에서 약 2500psig의 압력으로 수화 레벨(hydrate formation level) 이상으로 고갈되거나 부분적으로 고갈된 천연가스정(natural gas field)으로 주입하는 것이다. '671 특허는 암염 공동에 관한 언급이 없다. '671 특허는 응축 상태나 그 중요성에 관한 언급 역시 없다. 더욱이, 암염 공동 저장에는 존재하지 않지만, 고갈 및 부분 고갈 가스 저장소의 주입 및 방출용량에는 일정한 한계가 있다. 또한, 고갈된 저장소와 주입된 가스 사이의 온도변동은 고갈된 저장소에서 암염 공동 저장에서는 존재하지 않는 여러가지 문제점을 발생시킨다. 이러한 모든 이유로 인해, 현대의 액화 천연가스 시설에서의 사용을 위하여, 암염 공동이 극저온 저장탱크나 고갈된 가스 저장소보다 선호된다.
본 발명은 a) 열교환기를 이용한, 액화 천연가스(liquefied natural gas, LNG)와 같은 냉유체(cold fluid)의 가열과, b) 비보정 암염 공동(uncompensated salt cavern)에의 결과유체(resulting fluid)의 저장에 관한 것이다. 또 다른 실시예에 있어서, 통상의 기화 시스템(vaporizer system) 또한 비보정 암염 공동에 유체를 저장하기 전에 사용될 수 있다.
도 1은, 선창의 열교환기, 암염 공동 및 파이프라인을 포함하는 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 장치의 개략도.
도 2는, 도 1에 도시된 열교환기의 확대 단면도. 흐름 화살표는 병렬 흐름 경로를 나타낸다. 지상 저장소 또는 연못들은 워먼트를 저장하기 위해 사용되는 것들이다.
도 3은, 대향류 경로를 나타내는 흐름 화살표를 제외하고는 도 2에 도시된 열교환기의 부분 단면도. 지상 저장소 또는 연못들은 워먼트를 저장하기 위해 사용되는 것들이다.
도 4는, 해저에 설치된 열교환기, 암염 공동 및 파이프라인을 포함하는 근해비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 장치의 개략도.
도 5는, 해저에 설치된 병렬 흐름 열교환기를 나타내는, 도 4에 도시된 장치의 일부분의 확대 단면도.
도 6은, 도 2의 라인 6-6을 따른 열교환기의 부분 단면도.
도 7은, 열교환기의 다른 일실시예의 단면도.
도 8은, 열교환기의 두번째 일실시예의 단면도.
도 9는, 천연가스의 온도-압력 상 다이어그램.
도 10은, 냉유체의 가스화 후에 극저온 저장탱크에 가지 않고 암염 공동에 저장하는 기화 시스템을 포함하는 다른 일실시예의 개략도.
본 발명의 개요
비숍 원스텝 프로세스는, 육지에 설치된 열교환기 또는 근해의 플랫폼 또는 해저에 설치된 열교환기를 사용하여 냉유체를 가열하고, 그 결과 생성된 응축 천연가스(DPNG)를 비보정 암염 공동에 저장한다. 또 다른 실시예로는, 종래의 액화 천연가스 기화 시스템 역시, 비보정 암염 공동에 저장하거나 파이프라인을 통해 이송하기 전에, 냉유체를 가스화하기 위해 사용될 수 있다.
여기에서 "냉유체(cold fluid)"란 용어는, 액화 천연가스(LNG), 액화 석유가스(LPG), 액화 수소, 액화 헬륨(helium), 액화 올레핀(olefin), 액화 프로판(propane), 액화 부탄(butane), 냉각 압축 천연가스(chilled compressed natural gas) 및 영하의 온도에서 가스 상태가 아닌 액체 상태로 이송될 수 있는 기타 다른 유체를 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명의 열교환기는, 냉유체의 온도를 올릴 수 있는 따뜻한 유체를 사용한다. 열교환기에서 사용되는 이러한 따뜻한 유체는 이하에서 워먼트(warmant)로 지칭한다. 워먼트는 담수(flesh water) 또는 해수이다. 산업 공정에서 나오는 다른 워먼트들도, 그러한 공정에서 사용된 액체를 냉각하는 것이 바람직한 곳에서 사용될 수 있을 것이다.
비숍 원스텝 프로세스와 같이 수평 흐름 형상에서의 열교환을 달성하기 위해서는, 냉유체가 바람직한 온도로 가열되는 도중에 상기 냉유체에 어떠한 상(phase)변화도 일어나지 않도록, 상기 냉유체가 응축상 또는 임계점(dense or critical phase)으로 유지되는 온도 및 압력에 있도록 하는 것이 중요하다. 이것은, 성층(stratification), 케비테이션(cavitation), 증기 폐색(vapor lock)과 같은, 이상 유동(two-phase flow)과 관련된 문제점을 해결해 준다.
응축상 또는 임계점은, 유체의 압력-온도 상 다이어그램의 이상(two-phase) 포락(envelope)의 바깥쪽에 있는 유체의 상태로 정의된다(도9 참조). 이러한 상태에서는, 액체와 가스 사이의 차이가 없으며, 가열시 밀도변화는 상(phase)변화를 수반하지 않고 점진적으로 나타난다. 이것은, 비숍 원스텝 프로세스의 열교환기가, 이상 유동 (two-phase flow)과 관련된 문제점인, 성층(stratification), 케비테이션(cavitation), 증기 폐색(vapor lock)을 회피하거나 감소시킬 수 있도록 한다.
상세한 설명
도 1은, 다양한 지하 저장시설 및/또는 파이프라인으로 이송하기 위하여 냉유체를 응축상(dense phase) 유체로 변환시키는 선창의 열교환기를 포함하는 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 장치의 개략도이다(도 1은 실제 스케일에 맞추어 도시되지 않았음). 모든 육상시설은 일반적으로 도면번호 19로 나타내어진다. 해수(20)는, 지구(24)의 표면(22)의 전부는 아니지만 상당 부분을 차지하고 있다. 다양한 형태의 지층들(strata)과 누층들(formations)이 지구(24)의 표면(22) 아래에 형성되어 있다. 예컨대, 암염 돔(26)은 걸프 해안을 따라서 육지와 근해 모두에 형성되어 있다.
하나의 가스정(well, 32)은, 지구(24)의 표면(22)으로부터 암염 돔(26)에까지 뻗어 있다. 비보정 암염 공동(34)은, 당업자에게 널리 알려진 기술들을 이용하여 암염 돔(26)에서 세척된다. 또 다른 가스정(well, 36)은, 표면(22)으로부터 지구(24), 암염 돔(26)을 관통하여 제2 비보정 암염 공동(38)에까지 뻗어 있다. 육지(27)나 근해(28)의 다른 깊이에서 발생되는 암염 돔들 역시 적절할 수 있지만, 암염 돔(26)의 상부 표면(40)은 지구 표면(22)에서 대략 1500피트 아래에 위치하는 것이 바람직하다. 지구(24) 표면(22)에서 대략 2,500피트 아래에 위치되어 있는 통상의 공동(cavern, 34)은, 대략 2,000피트의 높이와 대략 200피트의 직경을 가지고 있다. 공동(34)의 크기와 용량은 다양하다. 암염 돔과 암염 공동들은 완전히 육지에, 완전히 근해에 또는 그 양쪽에 걸쳐 발생할 수 있다. 파이프라인(42)은 지구(24) 표면(22) 아래에 설치되어 있다.
선창(dock, 44)은 항구의 밑바닥(46)에 건설되어 있다(미도시). 냉유체 운송선박(48)은 선창(44)에 매여져 있다. 냉유체 운송선박(48)은, 일반적으로 냉유체(51)를 저장하는데 사용되는 복수개의 극저온 탱크(50)를 가지고 있다. 냉유체는 영하의 온도를 유지하는 액체상태로 극저온 탱크(50)로 운송된다. 저압펌프 시스템들(52)은, 냉유체(51)의 하역을 촉진하기 위해, 극저온 탱크(50) 또는 운송선박(48)에 위치되어 있다.
냉유체 운송선박(48)이 선창(44)에 매여진 다음에는, 호스들(hoses)과 플렉서블 로딩 암(flexible loading arm)을 포함하는 선창(44)의 다관절(articulated) 파이핑 시스템(54)이 운송선박(48)의 저압펌프 시스템(52)과 연결된다. 다관절(articulated) 파이핑 시스템(54)의 다른 한 쪽은 선창(44)이나 그 근처에 설치된 고압펌프 시스템(56)에 연결된다. LNG 업계에서 사용되는 다양한 형태의 펌프들로는 수직, 다단식 심정 터빈(multistaged deepwell turbines), 다단식 잠수 가능한 펌프 및 다단식 수평 펌프 등이 있다.
오프 로딩(off-loading) 프로세스가 시작되어야 할 시점에 있어서는, 저압펌프 시스템(52)과 고압펌프 시스템(56)이, 운송선박(48)의 극저온 탱크(50)로부터 호스, 플렉서블 로딩 암(flexible loading arm), 다관절 파이핑(54) 및 추가 파이핑(58)을 통하여, 본 발명에서 사용되는 열교환기(62)의 입구(60)에까지 냉유체(51)를 옮긴다. 냉유체(51)가 고압펌프 시스템(56)을 떠날 때는, 펌프에 의해 추가된 압력 때문에, 응축상 유체 (dense phase fluid, 64)로 변환된다. 응축상 (densephase)이라는 용어에 대해서는, 하기의 도 9에 관련된 부분에 더욱 자세히 서술되어 있다. 비숍 프로세스(Bishop Process) 열교환기(62)는, 하류 부분의 요구에 따라, 냉유체를 대략 +40℉ 이상으로 가열할 것이다. 이 열교환기는, 중력과 관련된 유동의 방향과 상관 없이 성층(stratification), 상변화(phase change), 케비테이션(cavitation), 증기 폐색(vapor lock) 등이 열교환 프로세스 중에 발생하지 않도록, 유체의 응축상 상태 및 유동에 대한 높은 프로드 수(Froude Number)를 이용한다. 이러한 상태들은 가열 공정에 필수적이며, 도 9와 관련하여 하기에 구체적으로 기술되어 있다. 냉유체(51)는, 열교환기(62)의 출구를 떠날 때에, 응축상 유체(dense phase fluid, 64)이다. 탄성 조인트(65) 또는 확장 조인트는, 열교환기 내부에서, 도 2에 도시된 극저온용 파이핑(61)의 팽창과 수축을 조절하기 위해, 열교환기(62) 출구(63)에 연결되어 있다.
파이핑(70)은, 하나의 가스정(well, 36)에 설치된 가스정두(wellhead, 72)와 열교환기(62)를 연결한다. 추가 파이핑(74)은, 가스정(36)에 설치된 다른 가스정두(76)와 열교환기(62)를 연결한다. 고압펌프 시스템(56)은, 탄력 조인트(65), 파이핑(70), 가스정두(72) 및 가스정(36)을 통하여, 응축상 유체(64)를 비보정 암염 공동(38)에까지 운송하기에 충분한 압력을 발생시킨다. 마찬가지로, 고압펌프 시스템(56)으로부터의 압력은, 탄력 조인트(65), 파이핑(70)(74), 가스정두(76) 및 가스정(32)을 통하여, 응축상 유체(64)를 비보정 암염 공동(34)에까지 운송하기에 충분할 것이다. 그에 따라, 응축상 유체(64)는, 가스정(32)(36)을 통하여, 비보정 암염 공동(34)(38)으로 저장을 위해 주입될 수 있다.
추가적으로, 응축상 유체(64)는, 열교환기(62)에서부터 파이핑(78)을 통하여, 스로틀링 밸브(throttling valve, 80), 또는 추가적인 지하 또는 표면 파이핑(84)을 통해 파이프라인(42)의 입구(86)에까지 연결되는 레귤레이터(regulator)로 운송될 수 있다. 다음으로, 응축상 유체(64)는 파이프라인(42)을 통해 시장까지 운송된다(파이프라인(42)는 지상에 있을 수도 있다).
만일, 추가 펌프들이 필요하다면, 본 개략도에 도시되지는 않았지만, 파이핑 시스템의 적절한 지점에 추가될 수도 있다. 또한, 냉유체(51)는, 내부 수로, 철도 또는 트럭 (미도시)을 이용하여 시설(19)까지 전달될 수도 있다.
도 2는, 비숍 프로세스 열교환기(62)의 확대 단면도이다(도 2는 스케일에 맞추어 도시되지 않았음). 열교환기(62)는, 도 2에서 도시된 바와 같이, 하나 또는 복수의 구획(section)들로 형성될 수 있다. 열교환기 구획들의 수는, 공간 구성 및 시설(19)의 전체적 영향범위(footprint), 냉유체(51)의 온도, 워먼트(warmant, 99)의 온도 및 기타 다른 요소에 따라 결정된다. 열교환기(62)는, 제1 구획(100)과 제2 구획(102)을 포함한다. 여기에서 사용되는 워먼트(warmant)란 용어는, 담수(19)(강물을 포함한다), 해수(20) 또는 기타 냉각, 즉 응축 과정에 요구되는 적절한 유체를 포함한다.
열교환기(62)의 제1 구획(100)은, 중앙 극저온용 파이프(61)와 외부 도관(104)을 포함한다(고 니켈강 파이프가 이러한 저온에 적절할 수 있다.) 내부 극저온용 도관(61)은, 복수개의 센트럴라이져(centralizer, 106, 108, 110)들에 의해 외부 도관(104)의 중심부 근처에 위치한다.
워먼트(99)는, 열교환기(62)의 제1 구획(100)의 환상(annular) 영역(101)을 통해 흐른다. 환상 영역(101)은, 외부 도관(104)의 내부 직경과 극저온용 파이프(61)의 외부 직경으로 한정된다.
열교환기(62)의 제2 구획(102)도, 마찬가지로 외부 도관(112)과 극저온용 파이프(61)에 의해 형성된다. 극저온용 파이프(61)는, 복수개의 센트럴라이져(114, 116, 118)에 의해, 대략 외부 도관(112)의 중심부에 위치하고 있다. 모든 센트럴라이져(106, 108, 110, 114, 116, 118)는, 일반적으로 도 6에 도시된 것과 같이 형성된다.
때때로 연못으로 언급되는 제1 지상 저장소(120)와 제2 지상 저장소(122)는, 열교환기(62) 근처의 육상(27)에 형성되어, 워먼트(99)를 저장하는데 사용된다. 파이핑(124)은, 제1 저장소(120)와 저압펌프(126)를 연결한다. 파이핑(128)은, 저장소(122)와 열교환기(62)의 제1 구획(100) 사이에 유체 전달이 가능하도록 하기 위해, 저압펌프(126)를 포트들(132)과 연결한다. 워먼트는, 흐름 화살표로 표시된 바와 같이, 환상 영역(101)을 지나, 포트(132)에서 열교환기(62)의 제1 구획(100)으로 방출된다. 추가 펌핑(134)은, 포트(132)와 제2 저장소(122)를 연결한다.
파이핑(136)은, 저압펌프(138)와 제1 저장소(120)를 연결한다. 파이핑(140)은, 열교환기(62)의 제2 구획(102)에 형성되어, 포트(142)와 저압펌프(138)를 연결한다. 워먼트는, 제1 저장소(120)로부터 펌프(138)를 통해, 극저온용 파이프(61)의 외경과 외부 도관 파이프(112)의 내경 사이의 환상 (annular) 영역(103)으로 펌프된다. 워먼트(99)는, 흐름 화살표로 표시된 바와 같이, 열교환기(62)의 제2 구획(102)의 환상 영역(103)을 통해 흘러가, 파이프(146)에 의해 제2 저장소(122)까지 연결된 포트(144)에서 방출된다. 냉유체(51)는, 차가운 액체상태로 열교환기(62)의 입구(60)로 들어가서, 따뜻한 응축상 유체(64)로 출구(63)를 빠져나온다. 극저온용 파이프(61)는, 극저온용 파이프(61)의 팽창 및 수축을 조절하기 위해, 탄성 조인트(65)에 연결되어 있다. 탄성 조인트(65)의 모든 하류 부분의 파이핑이 극저온용은 아니다.
도 2의 병렬 흐름 구성에서는, 열교환기(62)는, 워먼트를 제1 지상 저장소(120)로부터 제1 구획(100)을 통해 제2 저장소(122)로 보낸다. 마찬가지로, 추가 워먼트도, 제1 저장소(120)로부터 열교환기(62)의 제2 구획(102)을 통하여 제2 저장소(122)로 보내어진다. 시간이 지남에 따라, 제1 저장소(120)의 워먼트(99) 용적은 감소하고, 제2 저장소(122)의 워먼트(99) 용적은 증가할 것이다. 따라서, 워먼트(99)가 제2 저장소(122)로부터 제1 저장소(120)로 되돌려 보내어질 수 있도록, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 대향류 배열(counter-flow arrangement)로 이동할 필요가 있다. 또 다른 배열에서는, 대향류의 필요성를 회피하기 위해, 워먼트(99)는, 열교환기(62)의 제1 구획(100)을 통한 지속적인 병렬 흐름을 가능케 하면서, 파이핑(148)을 통해 제1 구획(100)으로부터 제1 저장소(120)로 복귀될 수 있다. 유사한 배열에 있어서, 제2 구획(102)으로부터 온 워먼트(99)는, 파이핑(150)을 통해 제2 저장소(122)로부터 펌프(138)로 전달될 수 있다. 이러한 방식에 있어서는, 워먼트(99)는, 열교환기(62)의 제2 구획(102)을 통하여 병렬 흐름으로 지속적으로 순환된다. 만약 강물이 워먼트(99)로 사용된다면, 지상 연못(120, 122)은 필요가 없어진다. 대신에, 파이핑(24)는 강물에 연결되고 다른 파이핑(136, 134, 146) 역시 마찬가지로 강물에 연결된다. 강물이 워먼트로 사용될 때는 언제나 그 근원으로 복귀되고, 따라서, 파이핑 역시 그에 따라 수정되어야 한다.
열교환기(62)의 결빙 상태를 피하는 것은 중요하다. 결빙(freeze-up)은 워먼트(99)의 흐름을 차단하고 열교환기(62)를 작동 불가 상태로 만든다. 아이싱 (icing)을 줄이거나 제거하는 것 또한 매우 중요하다. 아이싱은 열교환기(62)의 효율을 떨어뜨린다. 따라서 일반적으로 도면번호 63으로 표시되는 영역, 즉, 파이프(61)의 냉유체(51)가, 열교환기(62)의 제1 구획(100)의 환상(annular) 영역(101)에 있는 워먼트(99)를 제일 처음 만나게 되는 영역을 주의하여 설계하는 것이 필요하다. 여기서는, 포트(130)와 환상 영역(101)을 차단할 수 있는 파이프(61)에서의 워먼트(99)의 결빙을 막거나 줄이는 것이 필요하다. 대부분의 경우는 결빙이 문제되지 않도록 유속과 파이프 직경 비를 선택하는 것이 가능하다. 예컨대, 만약 응축상 천연가스가 가열 공정에서 네 배로 확장된다면, 열 평형이 워먼트 유속이 입구 응축상의 네 배로 될 것이 요구됨을 나타낸다. 두 개의 경로에서 마찰 손실의 균형을 맞추기 위해서는 두 파이프의 직경비(외구 파이프/내부 파이프)가 된다. 그러나, 열전달율은 직경들이 비슷해질수록 향상된다. 최적비는 대략 1.5이다. 여러 조건들이 극한인 경우, 이러한 영역(63)에서의 극저온용 파이프(61)의 관벽에 단열을 증가시켜 부분적 결빙을 방지하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 달성하는 또 하나의 방법은 파이프(61)의 관벽 두께를 늘이는 것이다. 이것은 가열 기능을 냉유체(51)가 이미 어느 정도 가열된 하류 부분까지 밀어 내리는 효과를 가지며, 따라서 결빙가능성을 줄여준다. 이것은 또한 열교환기의 길이를 증가시킬 수도 있다.
도 3은, 대향류 모드에서의 비숍 프로세스 열교환기(62)의 확대 단면도이다(도 3 역시 스케일에 맞추어 도시되지 않았음). 워먼트(99)는, 제2 저장소(122)로부터 파이핑(200), 펌프(202), 파이핑(204), 포트(144)를 거쳐, 흐름 화살표로 도시된 바와 같이, 열교환기(62)의 제2 구획(102)에 있는 환상 영역(103)으로 전달된다. 워먼트(99)는, 포트(142)를 통하여 환상 영역(103)을 빠져 나와, 파이핑(206)을 거쳐 제1 저장소(120)까지 이동한다. 저압펌프(138)는, 흐름 화살표로 도시된 바와 같이, 워먼트(99)를 제2 저장소(122)로부터 파이핑(150, 206)과 포트(132)를 통해, 열교환기(62)의 제1 구획(100)의 환상 영역(101)으로 이동시킨다. 워먼트(99)는, 제1 구획(100)의 환상 영역(102)을 출발하여, 포트(130)와 파이핑(210)을 통과하여, 제1 저장소(120)로 복귀한다. 이러한 대향류 회로는, 워먼트(99)의 대부분이 제2 저장소(122)로부터 제1 저장소(120)로 회귀할 때까지 계속된다.
또 다른 유동 배열에서는, 워먼트(99)가, 포트(142)를 통해 환상 영역(103)을 출발하여, 파이핑(212)을 통하여 제2 저장소(122)와의 연속적 루프를 만들면서, 제2 저장소(122)로 회귀한다. 마찬가지로, 워먼트(99)는, 파이핑(214)을 통해 제1 저장소(120)로부터 펌프(138)까지, 포트(132)를 통해 열교환기(62)의 제1 구획(100)의 환상 영역(101)으로 전달된다. 그런 다음, 워먼트는, 포트(130)와 파이핑(210)을 통해 제1 저장소(120)로 회귀한다.
열교환기(62)의 디자인과 지상 저장소의 개수는, 워먼트(99)의 주위 온도와 가능한 공간의 양을 포함한 요인들의 수에 의해 결정된다. 예컨대, 만약 워먼트(99)가 80℉ 이상의 평균 온도를 가진다면, 열교환기(62)는 단지 하나의 구획만이 필요할 수도 있다. 그러나, 만약 워먼트(99)가 80℉ 이하의 평균 온도를 가진다면, 도 2에서 도시된 2 구획 디자인(two-segment design)과 같이, 두, 세개의 구획이 필요할 수도 있다. 상대적으로 얕고 넓은 영역을 가진 지상 저장소들은, 햇볕이 좋은 날 동안에는 워먼트의 온도를 올리는 태양열 집적기로 작동하기 때문에, 이러한 목적에 바람직하다. 이러한 대체 배열(alternative arrangement)은, 제1 저장소(120)로부터의 그리고 제1 저장소(120)로의 지속적인 대향류 루프(counter-flow loop)를 구성한다. 또 다른 실시예로는, 만일 강물이 워먼트로 사용되는 경우에는 저장소가 필요하지 않다. 강물의 경우에는 간단히 강으로 복귀될 수 있다.
실시예 1
가상적 실시예는, 도 1에서 도시된 바와 같이, 단지 선창이나 그 근처에서 작동되는 비숍 원스텝 프로세스를 위한 폭 넓은 작동 계수를 주기 위해 디자인된 것이다. 시설(19)을 디자인하는 경우, 사용될 워먼트와 냉유체 종류를 포함하여 많은 요인들이 고려되어야만 한다. 프로세스 측정, 제어, 안전을 위한 종래의 장치들은, 이에 한정되지는 않지만, 필요에 따라 온도 및 압력 센서, 흐름 측정 센서(flow measurement sensor), 과압력 릴리프(overpressure relief), 레귤레이터(regulator) 및 밸브(valve)를 포함한다. 비보정 암염 공동의 종류, 크기, 온도 및 압력을 포함한 다양한 입력 파라미터(input parameter)들이 고려되어야만 한다. 파이프라인에 직접적으로 전달하기 위해서는, 파이프 구조, 압력, 길이, 유속 및 온도 같은 것을 포함한 다른 출력 파라미터(output parameter)들 역시 고려되어야만 한다. 결빙을 방지하기 위한 다른 디자인 파라미터(design parameter)들은, 열교환기의 각 구획의 입구 및 출구에서의 워먼트의 온도, 저장소 온도 및 최초 접촉 영역(63)에서의 온도를 포함한다. 또 다른 중요한 디자인 고려요소로는, 냉유체 운반 선박의 규모와 선박이 완전히 하역을 마치고 해상으로 돌아가야만 하는 시간 간격이 있다.
800,000배럴의 액화천연가스 (125,000 평방미터)가 대략 1기압, -250℉ 이하의 온도로 수송선박(48)에 있는 극저온 탱크(50)에 저장되어 있다고 가정해 보자. 저압펌프(52)는 다음과 같은 작동 파라미터를 가진다: 약 60psig의 압력을 생산하기 위해 대략 22,000gpm(5000m3/hr), 대략 600마력. 마찰 손실 때문에 대략 40psig가 고압펌프 시스템(56)의 취입구로 전달된다. 고압펌프(56)는, 일반적으로 액화천연가스의 압력을 약 1860psig(120bars)까지 올릴 것이며, 이에 따라 냉유체(51)는, 고압펌프 시스템(56)을 떠난 후에는 응축상(dense phase)으로 될 것이다. 고압펌프 시스템(56)에는 대략 10개의 펌프가 있으며, 각각은 1860psig(120bars)의 압력증가에서 2,200gpm(500m3/hr)의 공칭 펌핑 속도(nominal pumping rate)를 가져, 비보정 암염 공동(34, 38)으로 대략 1900psig(123bars)로 주입이 가능하다. 10개의 고압펌프 시스템을 위해 필요한 총 마력은 대략 24,000마력(hp)이다. 이것은 비보정 암염 공동이 완전히 찼을 때 필요한 최대 동력을 나타낸다. 평균 채우는 속도는 대략22,000gpm(5000m3/hr)보다 클 수 있다. 주입정(32, 36)에 있어서, 13 3/8˝ 공칭 직경 파이프(nominal diameter pipe)와 대략 30억 평방 피트의 최소 총용적을 가지는 4개의 비보정 암염 공동을 가정해보자. 액화천연가스의 용적은, 일반적으로 열교환기 과정에서 비보정 암염 공동에서의 최종 압력에 따라 2∼4 요인로 확장된다. 만약 더 놓은 유속이 필요하다면, 더 많은 공동에 따라 더 큰 주입정(injection well)도 가능하다.
워먼트(99)를 위한 펌프(124, 138)는, 대략 60psig(4bars)에서 약 44,000gpm(10,000m3/hr)의 유속을 가진 고압, 저압펌프 시스템이다. 열교환기(62)를 통한 워먼트의 유속은, 극저온용 튜빙(61)을 통한 액화천연가스의 유속의 대략 2 내지 4배가 된다. 워먼트의 유속은, 열교환기의 구획의 수와 워먼트의 온도에 따라 달라진다(각 구획은 별개의 워먼트 주입점을 가지고 있다). 워먼트는, 열교환기(62)의 효율을 증대시키기 위한 마모나 부식 방지물로 취급될 수도 있다. 응축상 유체(64)가 열교환기(62)를 통과함에 따라 유체는 가열되고 팽창한다. 유체가 팽창함에 따라 교환기를 통과하는 유속은 빨라진다.
22,000gpm의 액화천연가스 유속을 가정할 때, 열교환기(62)는, 대략 13 3/8인치의 공칭 외경(nominal outside diameter)을 가진 극저온용 중앙 파이프(61)와, 대략 20인치의 공칭 외경을 가진 외부 도관(104, 112)을 가질 수 있다. 열교환기(62)의 전체 길이는, 워먼트의 온도와 다른 요인들에 의하여 응축상 유체(64)가 약 40℉에 도달할 수 있을 만큼 충분히 길다. 이것은 결과적으로 수천 피트의 총 길이가 될 수도 있다. 다수의 워먼트 주입점과 병행 흐름선들은, 이러한 길이를 상당히 감소시킬 수 있다. 수급점으로부터 저장 공간에까지의 거리에 따라 길이가 문제가 되지 않을 수 있다. 시설의 규모와 여분의 필요에 따라, 병행 시스템 역시 사용될 수 있다. 파이프 사이즈와 길이는, 액화천연가스의 흐름을 개별적인 평행 경로로 나눔으로써, 상당히 감소될 수 있다. 두개의 평행 열교환기들(62)은, 약 8인치의 공칭 외경을 가진 극저온용 중앙 파이프(61)와, 약 12인치의 공칭 외경을 가진 외부 도관 (104, 112)을 가질 수도 있다. 평행 열교환기(62)의 사용은, 재료의 이용가능성, 시공의 용이함 및 저장소까지의 거리 등에 따른 디자인적 선택사항이다.
추가로, 열교환기(62)는 직선일 필요가 없다. 열교환기(62)는, 공간 확보나 다른 어떤 이유에 의해서, S 자 형태의 디자인이나 나사 모양의 디자인 같은 경로를 선택할 수도 있다. 열교환기(62)는, 다양한 디자인적 요구를 위해 90°의 엘보(elbow)나 180°의 선회(turn)를 가질 수도 있다.
만일, 응축상 유체(64)가 비보정 암염 공동(34)에 저장된다면, 먼저 암염 공동(34)의 최소 작동 압력을 결정할 필요가 있다. 예컨대, 가설로서, 만약 비보정 암염 공동(34)이 약 2,5000psig의 최소 작동 압력을 가졌다면, 고압펌프 시스템(56)은 2,800psig 이상의 펌핑 능력을 가졌을 수도 있을 것이다. 물론, 응축상을 유지하기 위해, 압력이 대략 1,200 psig를 초과한다면, 최대보다 작은 압력에서도 작동이 가능하다.
만일 냉유체(51)가 가열되고 직접적으로 파이프라인(42)으로 전달된다면, 먼저 파이프라인의 작동 압력을 결정할 필요가 있다. 예컨대, 파이프라인이1,000psig에서 작동한다면, 고압펌프시스템(56)은, 온도-압력 상 다이어그램에 따라 유체(64)의 응축상을 유지하기 위해 1,200psig 이상의 압력에서 작동할 필요가 있을 수도 있다. 응축상 유체(64)의 압력을 파이프라인 작동 압력으로까지 감소시키기 위해서, 응축상 유체(64)는, 파이프라인(42)에 들어가기 전에 스로틀링 밸브(80)나 레귤레이터를 통과한다. 이상(two-phase) 흐름의 형성, 즉 액체가 기화하는 것을 막기 위해서 이 시점에서 가열이 필요할 수도 있다. 반대로, 열교환기는, 그 다음에 일어나는 팽창이나 냉각이 유체를 응축상으로부터 벗어나지 않도록, 온도를 증가시키기 위해 연장될 수도 있다.
응축상 유체(64)가 비보정 암염 공동(34, 38)으로 주입된 후에는, 필요할 때까지 저장될 수 있다. 응축상 유체(64)는, 파이프라인의 작동 압력을 훨씬 초과하는 압력에서, 비보정 암염 공동에 저장될 수도 있다. 따라서, 암염 공동(34, 38)으로부터 응축상 유체를 이송시키는 데 필요한 모든 것은, 가스정두(72, 76)에 있는 개방 밸브 (미도시)를 개방하고, 응축상 유체가 스로틀링 밸브(80) 또는 작동 압력을 파이프라인과 양립하는 압력으로 감소시키는 레귤레이터를 통과하도록 하는 것이다.
도 4는, 선박이 앞바다(28)에 정박되어 있을 때 비숍 원스텝 프로세스에 사용되는 장치의 개략도이다(도 4는 스케일에 맞추어 도시 되지 않았음). 시설(298)은 앞바다(28)에, 다른 시설(299)은 육지(27)에 위치해 있다. 근해 시설(298)은, 육지로부터 수 마일 떨어져 있을 수 있으며, 해저 파이프라인(242)에 의해 육지 시설(299)에 연결된다.
해저 비숍 프로세스 열교환기(220)는, 플랫폼(226) 근처의 해저면(222)에 위치할 수도 있다. 다른 실시예(미도시)로는, 열교환기(220)가 해수(20) 표면(21) 위의 플랫폼(226)에 설치될 수도 있다. 또 다른 실시예(미도시)로는, 열교환기(220)가 플랫폼(226)의 다리들(227) 사이에 설치될 수도 있다(도 5에 잘 도시되어 있음). 다리들(227) 사이에 설치되어 있는 경우, 열교환기(220) 모두 또는 일부는 해수(220) 표면(21) 아래에 있을 수 있다. 정박 장치(224)는, 해저면에 고정되어 있으며, 냉유체 수송 선박(48)이 근해(28)에 묶여질 수 있도록 한다. 마찬가지로, 플랫폼(226)은, 해저면(222)에 고정된 다리들(227)을 가지고 있어서, 장치들과 아래에 기술된 작동을 위한 안정된 시설을 제공한다.
냉유체 수송선박(48)이 성공적으로 정박장치(224)에 고정된 다음에는, 다관절 파이핑, 호스 및 탄성 로딩 암(228)들이, 수송 선박의 갑판이나 극저온 탱크(50)에 위치한 저압펌프 시스템(52)에 연결된다. 다관절 파이핑(228)의 일단은, 플랫폼(226)에 위치한 고압펌프 시스템(230)에 연결된다.
냉유체(51)가 고압펌프 시스템(230)을 통과한 후에는, 냉유체는 응축상 유체(64)로 변환되고, 그 다음으로 열교환기(220)를 통과한다. 유체(64)는, 열교환기(220)를 통과하는 동안 응축상을 유지한다. 열교환기(220)의 출구(236)는, 탄성 조인트(238) 또는 팽창 조인트에 연결된다. 열교환기(220) 내부의 극저온용 파이핑(235)은, 탄성 조인트(238)의 일단에 연결되고, 비극저온용 파이핑(240)은, 탄성 조인트(238)의 다른 일단에 연결된다. 이것은, 극저온용 파이핑(235)의 팽창과 수축을 가능케하기 위해서이다. 해저 파이프라인(242)은, 비극저온용 파이핑으로 만들어진다.
해저 파이프라인(242)은, 가스정(32)과 비보정 암염 공동(34)에 연결된 가스정두(76)에 연결된다. 다시, 가스정두(76)에 있는 밸브(미도시)를 개방함으로써, 응축상 유체(64)는, 해저 파이프라인(242)으로부터 가스정(32)을 통해 운송되어, 비보정 암염 공동(34)에 저장을 위해 주입될 수 있다.
추가로, 응축상 유체(64)는, 압력을 줄여주고, 시장(market)까지의 이송을 위한 파이프라인(42)의 입구(86)에까지, 응축상 유체(64)가 파이핑(84)을 통과하여 지나갈 수 있도록 하는 스로틀링 밸브(80)나 레귤레이터로, 해저 파이프라인(242)을 통하여 이송될 수 있다.
충분한 양의 응축상 유체(64)가 암염 공동(34)에 저장된 후에는, 가스정두(76)의 밸브(미도시)는 닫혀질 수 있다. 이것은, 응축상 유체(64)를 비보정 암염 공동의 압력으로 고립시킨다. 비보정 암염 공동(34)으로부터 응축상 유체(64)를 파이프라인(42)까지 이송시키기 위해, 가스정두(76)의 밸브들(미도시)이 개방되어, 비보정 암염 공동(34)의 압력 아래 있는 응축상 유체를 스로틀링 밸브(80)나 레귤레이터, 파이프(84)를 통하여 파이프라인(42)까지 이동시킨다.
비보정 암염 공동에서의 압력이 파이프라인(42)의 압력보다 높기 때문에, 응축상 유체를 시장에까지 보내는데 필요한 모든 것은, 가스정두(76)에 있는 하나 또는 그 이상의 밸브(미도시)를 개방하여, 응축상 유체(64)가 스로틀링 밸브(80)를 통과하도록 하는 것 뿐이다. 가스정(32)은, 흐름 화살표에 의해 도시되는 바와 같이, 비보정 암염 공동(34)으로부터 응축상 유체를 주입하고 내보내기 위해 사용된다.
도 5는, 도 4의 근해 시설(298)과 해저 비숍 프로세스 열교환기(220)를 확대한 것이다(도 5는 스케일대로 도시되지 않았음). 해저 열교환기(220)는, 제1 구획(250)과 제2 구획(252)을 포함한다. 극저온용 파이핑(235)은, 복수개의 센트럴라이져(258, 260, 262, 264)에 의해, 외부 도관들(254, 256)의 중간에 위치해 있다. 해저 열교환기(220)에 사용되는 이들 센트럴라이져들은, 도 6에 더 잘 도시된 바와 같이, 열교환기(62)에 설치된 표면에 사용되는 센트럴라이져들과 같다. 팽창과 수축을 용인하기 위해, 외부 도관들(254, 246)과 센트럴라이져 사이에 어느 정도의 편차가 허용되어야 한다.
냉유체(51)는, 냉유체 운반 석박(48)의 극저온 저장탱크(50)를 떠나, 저압펌프(52)에 의해 펌프되어, 다관절 파이핑(228)을 통과하여, 플랫폼(226)에 위치한 고압펌프 시스템(230)에까지 이송된다. 다음으로 냉유체(51)는, 파이핑(232)을 통과하여, 해저 열교환기(220)의 입구(234)로 이동된다. 이때 파이핑들(228, 232, 235)은, 반드시 냉유체(51)를 견딜 수 있는 극저온용이어야 한다.
근해 열교환기(220)는 워먼트(99)로서 해수(20)를 이용한다. 워먼트는, 플랫폼(226)의 파이핑(246)에 들어가서, 저압 워먼트 펌프(244)를 통과한다. 워먼트 펌프(244) 역시 잠수용일 수 있다. 파이핑(248)은, 저압 워먼트 펌프(244)를 열교환기(220) 제 1구획(250)의 입구부(266)에 연결한다. 워먼트(99)는, 극저온용 파이프(235)의 외경과 파이프(254)의 내경 사이의 환상 영역(268)을 통과한다. 다음으로, 워먼트(99)는, 흐름 화살표로 표시되는 바와 같이 출구부(270)로 방출된다. 잠수가능한 저압펌프(272)는, 열교환기(220)의 제 2구획(252)으로 추가 워먼트(272)를 펌프한다. 다른 실시예로는, 펌프(272)는, 플랫폼(226)에 위치할 수도 있다. 워먼트는, 흐름 화살표에 의해 표시되는 바와 같이, 환상 영역(276)으로 입구부(235)를 통해 들어간다. 환상 영역(276)은, 극저온용 파이프(235)의 외경과 외부 도관(256)의 내경 사이에 있다. 워먼트(99)는, 흐름 화살표에 의해 표시된 바와 같이, 출구부(278)를 통해 제 2구획(252)을 빠져나간다.
냉유체(51)는, 응축상 유체(64)로 입구부(234)에서 열교환기를 들어가서, 응축상 유체로 열교환기(220)의 출구부(236)를 빠져 나온다. 극저온용 파이프(235)는, 탄성 조인트(238)나 팽창 조인트에 의해, 비극저온용 파이프(240)에 연결된다. 해저 파이프라인(242)의 잔여부는, 극저온용강보다 저렴한 일반적인 탄소강으로 건조될 수 있다. 열교환기(220)는, 열교환기(62) 내의 결빙을 막고, 아이싱 (icing)을 줄이거나 막을 수 있도록 설계되어야 한다. 앞서 열교환기(62)에 적용된다고 검토된 유사한 설계 고려요소들 역시, 본 열교환기(220)에도 적용된다.
실시예 2
본 가정적 실시예는, 단지 도 4 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 근해에서 작동되는 비숍 원스텝(one-step) 프로세스를 위한 폭 넓은 작동 파라미터를 제공하기 위해 디자인된 것이다. 사용될 냉유체의 종류 및 워먼트의 온도 등을 포함하여 시설들(298, 299)을 설계하는 데는, 수 많은 요인들이 고려되어야만 한다. 프로세스 측정, 제어, 안전을 위한 종래의 장치들은, 이에 한정되지는 않지만, 필요에 따라서 온도 및 압력 센서, 흐름 측정 센서, 과압 릴리프 , 레귤레이터 및 밸브를 포함한다. 비보정 암염 공동의 종류, 크기, 온도 및 압력을 포함한 다양한 입력 파라미터들이 고려되어야만 한다. 파이프라인에 직접적으로 전달하기 위해서는, 파이프 구조, 압력, 길이, 유속 및 온도 같은 것을 포함한 다른 출력 파라미터들 역시 고려되어야만 한다. 결빙을 방지하기 위한 다른 디자인 파라미터들은, 열교환기의 각 구획의 입구 및 출구에서의 워먼트의 온도, 저장소 온도 및 최초 접촉 영역(235)에서의 온도를 포함한다. 또 다른 중요한 디자인 고려요소로는, 냉유체 운반 선박의 규모와 선박이 완전히 하역을 마치고 해상으로 돌아가야만 하는 시간 간격이 있다.
800,000배럴의 액화천연가스(125,000평방미터)가, 대략 1기압, -250℉ 이하의 온도로, 수송선박(48)에 있는 극저온 탱크(50)에 저장되어 있다고 가정해 보자. 냉유체 운송선박(48)은, 계선주 (dolphin)나 단일 또는 복수점 앵커와 같은 다른 적절한 정박장치에 정박된다. 액화천연가스는, 선박(48)으로부터 저압펌프 시스템(52), 호스, 탄성 로딩 암 또는 다관절 파이핑(228)을 통하여, 플랫폼(226)의 고압펌프 시스템(230)으로 흘러간다. 응축상 유체(64)는, 고압펌프 시스템(23)의 출구를 떠나 열교환기(220)로 들어간다. 열교환기는, 해저면(222)상에 도시되나, 앞서 기술한 바와 같이 다른 곳에 위치될 수도 있다. 또한 열교환기(220)는, 앞서 실시예 1에서 기술된 바와 같이 다양한 형태가 가능하다.
대기온도로 가열된 기화기들은, 종래 액화천연가스 시설들에서 알려져 있다. (참조: 오퍼레이팅 섹션 리포트 오브 에이지에이 엘엔지 인포메이션 북(Operating Section Report of the AGA LNG Information Book, 1981)의 페이지 69). 상기한 작동 구획 리포트에 따르면, 대부분의 기저하중(대기온도로 가열된) 기화기들은, 열원으로 해수 또는 강물을 이용한다. 때로는 개가식(open rack) 기화기라고도 불린다. 종래의 개가식 기화기(open rack vaporizer)들은, 일반적으로 1,000∼1,2000 psig 근처의 압력에서 작동한다. 이러한 개가식 기화기(open rack vaporizer)들은, 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기(62, 220)와는 다르다.
본 발명에서 사용되는 열교환기들과 종래의 개가식 기화기(open rack vaporizer)들을 비교하면 다음과 같다.
첫째, 비숍 원스텝 프로세스에서의 열교환기들은, 비보정 암염 공동으로의 주입에 적절한 고압을 용이하게 조절한다. 통상적으로, 종래 기화기 시스템들은, 1,200psig를 초과하는 작동 압력을 위해서는 설계되지 않는다.
둘째, 종래 개가식 기화기(open rack vaporizer) 각각의 방출 용량은, 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기들의 방출용량에 비해 현저하게 적다. 출원인이 아는 범위 내에서는, 몇몇의 개가식 기화기들은, 하나의 비숍 원스텝 프로세스 열교환기에 의해 달성되는 요구 방출용량을 달성하기 위해서는, 뱅크 (bank)에서 사용되어야만 한다.
세째, 종래 개가식 기화기는, 비숍 원스텝 프로세스의 열교환기들보다 아이싱 형성과 결빙 문제에 훨씬 취약하다고 믿어지고 있다. 이러한 문제를 피하기 위해 기화기들은, 때때로 환경 문제를 야기하는 물-글리콜계 혼합물들을 사용한다.
넷째, 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기는, 유체를 가열하는 이외에도, 비보정 암염 공동이나 파이프라인까지 필요한 경로를 제공한다. 열교환기의 길이는, 필요한 만큼의 대체 설계들을 이용함에 의해 달라진다.
다섯째, 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기는, 살균제로 용이하게 세척할 수 있다. 이러한 살균을 할 때, 막힐 가능성은 거의 없다.
여섯째, 비숍 원스텝 열교환기에 사용되는 열교환기의 건조는, 극히 용이하며, 현장에서도 가능하다.
일곱째, 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기는, 디자인의 변경 없이, 액화천연가스, 에틸렌, 프로판 등의 다양한 냉유체에 이용될 수 있다.
여덟째, 근해 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기는, 플랫폼에 매우 유리하게 공간을 거의 차지 하지 않는다(해저면에도 설치될 수 있기 때문이다).
아홉째, 상기 모든 특색에 사용되는 비숍 원스텝 프로세스의 열교환기는, 자본 및 작동 모두에 있어서 비용이 극히 저렴하다.
열번째, 종래 개가식 기화기들은, 액화천연가스 시설 기반의 토지의 일부분에 있는 극저온 저장탱크들로부터 액화천연가스를 공급 받는다. 이에 비해, 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기들은, 냉유체 운송선박 갑판의 극저온 탱크들로부터 액화천연가스를 공급 받는다. 비숍 원스텝 프로세스는, 육지 시설의 일부로서의 극저온 저장탱크를 요하지 않는다.
개가식 기화기와 관련된 성능상의 문제점 중 일부를 인식하여, 오사카 가스 (the Osaka Gas)는 워먼트로 해수를 이용하는 수퍼 오알브이(SUPERORV)라 불리는 새로운 기화기를 개발하였다. 수퍼 오알브이와 종래 개가식 기화기는, 오사카 가스 웹사이트(www.osakagas.co.jp)에 도시되어 있다. 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기 사이의 상기 열거된 특징들은, 수퍼 오알브이에도 마찬가지로 적용될 수 있다고 믿어진다.
도 6은, 도 2의 6-6 선을 따른 열교환기의 제1 구획의 단면도이다(도 6은 스케일에 따라 도시 되지 않았음). 동축(coaxial) 열교환기(62)는, 저온, 고압에 적절한 재질로 된 중앙 파이프(61)를 포함하는 반면, 외부 도관(104)은, 해당 서비스를 위해 적절하지 않은 재질일 수 있다. 이는, 외부 도관(104)이, 담수(19)나 해수(20) 같은 워먼트(99)를 운송하기 위해 필요한 플라스틱, 섬유유리 또는 다른 항부식 물질로 형성될 필요가 있기 때문이다. 중앙 파이프(61) 외경과 외부 도관(104) 내경 사이의 환상 영역(101)은, 부패에 대한 주기적 화학 처리가 필요할 수도 있다. 중앙 파이프(61)는, 일반적으로 항부식(corrosion resistant) 특질을 가진다.
중앙 파이프(61)는, 외부 도관(104)의 중심부를 유지하기 위해, 종래의 센트럴라이져(108)를 장착할 것이다. 이것은 두 가지 기능을 수행한다. 센트럴라이징(centralizing)은, 가열을 고르게 하여 냉점과 응력의 발생을 최소화한다. 가장 중요하게는, 지지되고 중앙집중화된 위치 지정(supported centralized position)이, 내부 파이프(61)가 온도상의 큰 변화를 수반하며 팽창하고 수축하는 것을 가능케 한다. 센트럴라이져(108)는, 외부 도관(104)의 내면과 닿아 있는 복수개의 다리들(109)과, 파이프(61)를 둘러 싸고 있는 허브(107)을 가진다. 다리들(109)는, 외부 도관(104)에 지속적으로 부착되지는 않으며, 외부 도관(104)과 내부 파이프(61)의 독립적 움직임을 가능케 한다. 이러한 자유로운 움직임은, 본 발명의 작동에 있어서 중요하다. 도 1의 지면 부착 열교환기(61)에서의 팽창과 수축을 추가로 허용하기 위해서, 출구(63)는, 비극저온용 파이핑(70)에 연결되는 탄성 조인트(65)와 연결된다. 도 4, 5의 해저 열교환기(220)도 마찬가지로, 출구(236)는, 비극저온용 파이핑(240)에 연결되는 탄성 조인트(238)와 연결된다. 본 발명에 사용되는 모든 센트럴라이져들은, 심각한 마모나 마멸을 야기하지 않고, 외부 도관과 독립적으로 극저온용 내부 파이프의 움직임(팽창, 수축, 길이 확장)을 허용하여야만 한다. 극저온용 파이핑을 통과하는 냉유체(51)는, 도 6, 7, 8에 음영으로 표시되어 있다.
도 7은, 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기의 또 다른 실시예의 단면도이다. 도 7의 다른 실시예에서는, 중앙 극저온용 파이프(300)가, 센트럴라이져들(304)에 의해, 중간 극저온용 파이프(302) 내부의 중앙에 위치하고 있다. 중간 파이프(302)는, 센트럴라이져들(305)에 의해, 외부 도관(104) 내부의 중앙에 위치하고 있다. 센트럴라이져(305)는, 복수개의 다리들(306)에 의해 위치를 유지하는 센트럴라이져 허브(302)를 가지고 있다. 환상 영역(308)은, 중간 파이프(302)의 외경과 외부 도관(104)의 내경 사이에 구획지워진다. 워먼트(99)는, 환상 영역(308)을 통과한다. 다리들(306)은, 극저온용 파이프들이 외부 도관(104)과 독립적으로 팽창 및 수축하도록, 외부 도관(104)의 내부에 지속적으로 부착되지는 않는다. 워먼트(99)는, 또한 중앙 파이프(300)을 통과한다. 냉유체(51)는, 중앙 파이프(300)의 외경과 센트럴라이져 허브(302)의 내경 사이의 환상 영역(309)을 통과한다. 환상 영역(309)의 냉유체(51)는, 도 7에 분명하게 음영으로 도시되어 있다. 도 7의 대체 디자인은, 더 큰 열교환 영역을 가지기 때문에, 도 7의 대체 디자인을 이용하는 열교환기의 길이는, 도 6의 디자인보다 짧을 수 있다. 상대적으로 짧은 열교환기가 바람직한 환경에서는, 도 7의 대체 디자인이 도 6의 디자인보다 더욱 적절할 수 있다. 어떤 경우에는 더 짧은 열교환기를 개발할 필요도 있다.
도 8은, 비숍 원스텝 프로세스에서 사용되는 열교환기의 또 다른 실시예의 단면도이다. 내부 극저온용 파이프들(320, 322, 324, 326)은 다발로 묶이어 있으며, 복수개의 센트럴라이져(327)에 의해 외부 도관(104) 내부의 중앙에 위치하고 있다. 센트럴라이져들(327)은, 센트럴라이져 허브(328)를 가진다. 내부 파이프들(320, 322, 324, 326)은, 냉유체(51)를 운반하는 것을 표시하기 위해, 음영으로 도시되어 있다. 센트럴라이져 허브(328)는, 외부 도관(104)에 비영속적으로 부착된 다리들(330)에 의해, 외부 도관(104)의 중간에 위치한다. 워먼트(99)는, 환상영역(334)을 통과한다. 도 8의 다른 실시예는, 도 7에서 보여지는 디자인보다 더 짧은 길이의 열교환기를 허용하여야만 한다. 공간이 여의치 않으면, 도 7, 도 8과 같은 대체 디자인들이 적절하며, 열접촉 면적을 증가시키는데 적절한 다른 디자인이 사용될 수 있다.
도 9는, 천연가스에 대한 열-압력 상 다이어그램이다. 천연가스는, 저분자량의 탄화수소 화합물이다. 천연가스의 성분비는, 대략 85% 메탄 (methane), 10% 에탄 (ethane)과 주로 프로판 (propane), 부탄 (butane), 및 질소 (nitrogen)가 나머지 부분을 차지하고 있다. 기체와 액체 상이 공존하는 조건의 흐름 상태에서는, 하기에 논의될 펌프, 파이핑, 및 열교환기 문제들은 심각할 수 있다. 이것은, 특히 수직 방향으로 출발하는 흐름의 경우 더욱 더 그렇다. 미국특허 제5,511,905호에서 도시된 수직하 방향(downward vertical)의 흐름의 경우, 비간섭 흐름을 유지하기위해서는, 액체 속도가 만들어진 어떤 기체상의 오름 속도를 초과하기만 하여야 한다. 이상유체(two-phase fluid)를 가진 수평 흐름에 근접하는 경우들은, 가스가 열교환을 막으며 층을 형성할 수 있으며, 더욱 극한 경우에는 증기 폐색 (vapor lock)을 야기한다. 케비테이션(cavitation) 역시 문제가 될 수 있다.
본 발명에서는, 냉유체(51)가 고압펌프 시스템(56, 230)에 의해 응축상 유체(64)로 변환되고, a) 응축상 유체(61)가 열교환기(62, 220)를 통과하고, b) 그것이 비보정 암염 공동에 저장될 때 응축상 유체 상태로 유지됨에 의해, 이러한 문제점들을 피할 수 있다. 온도와 압력이 별개의 상(phase)들이 존재할 수 없을 정도로 충분히 높은 경우에 응축상 (dense phase)이 존재한다. 본 발명이 적용될 수 있는 바와 같이, 순물질의 경우, 이것은 임계점 (critical point)으로 알려져 있다. 천연가스와 같은 혼합물에서는, 응축상은 좀 더 넓은 범위의 조건에서 존재한다. 도 9에서는, 온도와 압력의 유체 조건들이 이상 포락선(two-phase envelope, 음영으로 표시된 부분) 바깥에 놓여 있는 경우 응축상이 존재한다. 본 발명은, 응축상 특성을 이용하여, 상 다이어그램에서 크리콘덴바(cricondenbar, 350) 위로부터 또는 크리콘덴떰(cricondentherm, 352) 오른쪽으로의 온도 또는 압력의 증가에 따른 상변화가 없도록 한다. 이는, 유체가 열교환기(62, 220)에서 가열 및 팽창되는 동안, 점진적 온도 증가와 이에 대응되는 점진적 밀도 감소를 허용한다. 이는, 밀도의 성층현상 효과가 중요하지 않게 되는 흐름 프로세스에서의 결과이다. 따라서, 냉유체(51)를 위한 작동 압력은, 유체(64)를 열교환기(62, 220)내와 하류 파이핑 및 저장의 경우 응축상에 두어어야만 한다. 어떤 천연가스 배합의 경우, 응축상을 유지하기 위해, 도 9의 실시예에서 도시된 대략 1,200psig와 다른 압력을 요구할 수도 있다.
유체를 응축상에 제한하는 효과는, 성층화된 흐름 영역의 흐름을 정의하는 농도 프로드 수 F의 분석에 의해 설명된다:
여기에서 V는 유속이고, g는 중력에 의한 가속도, D는 파이프 직경, 그리고 γ는 유체 밀도이고, Δγ는 유체 밀도의 변화이다. 만일 F가 크다면, 유체 운동을 지배하는 방정식에서, 성층화에 관련된 부분은 방정식에서 떨어져 나갈 것이다. 실례에서, 포함된 시스템에서의 이상 흐름은, 일반적으로 프로드 수가 1에서 2 사의의 범위에서 오를 때, 모든 성층화를 잃는다. 본 발명에서, 프로드 수 값이 수 백의 범위가 되며, 이는 임의의 밀도 변화의 완전한 조합을 보장한다. 이러한 높은 값은, 응축상 흐름에서, 상기 방정식의 Δγ/γ가 작다는 사실에 의해 보장된다.
프로드 수의 측정은, 고압펌프 시스템의 하류 및 열교환기(62, 220)에서 일어난다. 다시 말해, 비숍 원스텝 프로세스를 이용하는 경우, 프로드 수는, 고압펌프 시스템(56, 230)의 하류 파이핑 및 열교환기(62, 220)에서의 계층을 방지하기에 충분히 커야 한다. 통상적으로 10을 초과하는 프로드 수는, 성층화를 방지할 것이다. 종래 열교환기들은, 응축상을 발생시킬 만큼 충분히 높은 압력과 온도에서는 일반적으로 작동하지 않으며, 상변화 문제는 다른 수단에 의해 피할 수 있음을 명심해야 한다.
종합하면, 본 발명을 이용하면, 냉유체(51)는, 고압펌프 시스템(56, 230)을 떠나 열교환기(62, 220)를 통과하여 비보정 암염 공동에 저장되는 동안, 응축상을 유지한다.
도 10은, 본 발명의 다른 실시예의 개략적 다이어그램이다. 근해 시설(310)은, 저장이나 운송전에 냉유체(51)를 가열하기 위해, 종래의 기화 시스템(260)을 사용한다.
종래의 액화천연가스 시설들은, 액화천연가스를 액체 상태로 하역하고, 이를 육지의 극저온 저장탱크에 저장한다. 종래의 시설에서는, 액화천연가스가 액체를 가열하기 위해, 종래의 기화기 시스템을 통과하여 이를 가스 상태로 변환한다. 가스는, 부취제를 첨가하고 시장에까지 가스를 보내줄 파이프라인까지 이송된다. 종래 액화천연가스 기화기 시스템의 단순화된 흐름 다이어그램이, 참고도서로 포함된 오퍼레이팅 섹션 리포트 오브 에이지에이 엘엔지 인포메이션 북 (Operating Section Report of the AGA LNG Information Book, 1981)의 도 4.1에 도시되어 있다. 본 문서 64 페이지에 언급된 바와 같이, 가열 기화기, 집적 가열 기화기, 원거리 가열 기화기, 주변 기화기 및 프로세스 기화기 등의 다양한 형태의 기화기들이 알려져 있다. 알려진 기화기들 중 어떤 것도, 선박(48)을 빨리 하역할 용량을 가지고 있고 비보정 암염공동으로의 하방 주입에 필요한 압력을 견딜 수 있다면, 도 10의 기화기 시스템(260)에 사용될 수 있다.
도 10의 다른 실시예에서는, 냉유체(51)가 선박(48)이나 극저온 저장탱크(50)에 위치한 저압펌프 시스템(52)에 의해, 운송 선박(48)으로부터 하역된다. 냉유체(51)는, 선창(44)이나 그 주위에 위치한 다른 고압펌프 시스템(56)까지 가기 위해, 다관절 파이핑(54)을 통과한다.
다음으로, 유체(59)는, 추가 파이핑(58)을 통과하여 종래 기화기(260)의 입구(262)에 이른다. 유체(59)는, 기화기를 통하여, 입구(261)로부터 출구(264)에 다다른다. 예 1, 2와 달리, 액체가 기화기를 통과하는 동안, 유체가 응축상이 유지되게 할 필요도 없으며, 높은 프로드 수가 요구되지도 않는다. 요구되지는 않지만, 응축상의 사용은 가능하다. 따라서 본 실시예에서의 유체는, 다른 숫자, 59로 지정되어 있다. 유체(59)는, 비극저온 파이핑(70)과 가스정두(72)를 통과하여, 비보정 암염공동(38)에 다다른다. 마찬가지로, 유체(59)는, 비보정 암염공동(34)까지 비극저온용 파이핑(74), 가스정두(76) 및 가스정(32)을 통과할 수 있다. 비보정 암염 공동(34, 38)이 가득 차 있는 경우에는, 가스정두(72, 76)에 있는 밸브들(미도시)은, 비보정 암염 공동(34, 38)에 가스를 저장하기 위해 닫힐 수 있다.
통상적으로 유체(59)는, 파이프라인 압력을 초과하는 압력으로 저장된다. 따라서, 비보정 암염공동(34, 38)으로부터 유체(59)를 이송하기 위해 필요한 것은, 가스가 파이핑(78), 스로틀링 밸브(80)나 레귤레이터를 통과하여 파이프라인(42)의 입구(86)까지 가도록, 가스정두(72, 76)의 밸브들(미도시)을 개방하는 것 뿐이다. 가스가 파이프라인에 들어가기 전에 어느 정도 추가 가열이 필요할 수도 있다. 따라서, 가스정(32, 36)은, 비보정 암염공동(34, 38)으로 유체를 주입하는 데 사용될 수 있으며, 또한 가스정은, 유체가 파이프라인(42)으로 이송될 때 저장된 유체(59)의 출구로도 사용된다. 도면의 흐름 화살표들은, 가스정(32, 36)의 이중 작용을 나타내는 양 방향으로 되어 있다.
실시예 3
본 가설적인 실시예는, 도 10에 도시되는 바와 같이, 단지 냉유체의 가열과 그 이후의 비보정 암염공동에서의 저장을 위한 기화기 시스템 및/또는 파이프라인을 통한 운송을 포함하는 또 다른 실시예를 위한 폭 넓은 작동 파라미터를 제공하기 위해 디자인된 것이다. 종래 액화천연가스 시설들과 달리, 도 10의 육지 시설(310)에는 극저온 탱크가 사용되지 않는다(앞서 기술한 바와 같이, 선박(48)에는 극저온 탱크가 있다). 종래 디자인된 기화기 시스템(260)은, 이전 실시예에서 기술된 동축 열교환기(62, 220) 대신 본 실시예에서 사용된다(종래 기화기 시스템은 통상적으로 1,000∼1,200psig 범위에서 작동한다). 종래기술로 디자인된 기화기 시스템(260)은, 비보정 암염 공동과 연계된 고압(통상적으로 1,500∼2,500psig의 범위)을 수용하기 위해 변경이 필요하다. 냉유체와 사용될 워먼트의 종류를 포함하여, 시설(310) 설계에 수많은 요인들이 고려되어야 한다. 프로세스 측정, 제어, 안전을 위한 종래의 장치들은, 이에 한정되지는 않지만, 필요에 따라서 온도 및 압력 센서, 흐름 측정 센서, 과압 릴리프 , 레귤레이터 및 밸브를 포함한다. 비보정 암염 공동의 종류, 크기, 온도 및 압력을 포함한 다양한 입력 파라미터들이 고려되어야만 한다. 파이프라인에 직접적으로 전달하기 위해서는, 파이프 구조, 압력, 길이, 유속 및 온도 같은 것을 포함한 다른 출력 파라미터들 역시 고려되어야만 한다. 결빙을 방지하기 위한 다른 디자인 파라미터들은, 열교환기의 각 구획의 입구 및 출구에서의 워먼트의 온도, 저장소 온도 및 최초 접촉 영역(63)에서의 온도를 포함한다. 또 다른 중요한 디자인 고려요소로는, 냉유체 운반 선박의 규모와 선박이 완전히 하역을 마치고 해상으로 돌아가야만 하는 시간 간격이 있다.
복수의 기화기 시스템(260)들은, 소정의 유속에 다다를 필요가 있을 수 있다. 본 실시예에 사용되는 기화기 시스템들은, 지하 주입에 필요한 고압을 견디기 위해, 1,500∼2,500psig 범위의 작동 압력을 견디도록 설계되어야만 한다.
종래의 기화기 시스템은, 성층화 기능을 가지도록 설계된다. 예 1, 2와 달리, 본 실시예에서는, 기화기를 통과하는 동안 유체를 응축상으로 유지할 필요가 없으며, 또한 높은 프로드 수가 요구되지도 않는다. 요구되지는 않지만, 응축상의 사용도 가능하다.
도 10과 관련하여, 액화천연가스는, 저압펌프 시스템(52)을 사용하여, 선박(48)으로부터 펌프되어 호스나 탄성 로딩 암(54)을 통과하여 고압펌프 시스템(56)에 다다른다. 유체(59)는, 기화기 시스템(260)을 통과하면서 가열된다. 유체(59)는, 다음으로 비보정 암염 공동에 주입된다. 선박으로부터의 하역 속도와 저장 압력이 비슷하기 때문에, 실시예 1에서 기술된 펌프 및 유속 특성들은, 실시예 3에도 적용될 수 있다.
이러한 프로세스는, 종래 액화천연가스 시설들에 비해 몇 가지 강점을 가진다. 본 실시예에서 극저온 저장탱크는 불필요하다. 유체(59),는 종래의 극저온 저장탱크보다 훨씬 더 안전한 비보정 암염 공동에 저장된다. 출원인의 지식 범위내에서는, 현재 비보정 암염공동으로 가스를 주입하는 종래 기화기들을 사용하는 종래 액화천연가스 시설은 없다.

Claims (10)

  1. 극저온 유체(cryogenic liquid)를 운반하는 적어도 하나의 운송선박을 정박시키는 시설;
    운송선박으로부터 극저온 유체를 하역(offload)하기에 충분한 압력과 용적을 가진 제1 단계 펌핑 시스템(first stage pumping system);
    극저온 유체를 응축상 유체(dense phase fluid)로 변환하기 위해 극저온 유체의 압력을 높이고, 응축상 유체를 연장된 관식(tubular)의 열교환기를 통과시켜, 비보정 암염공동(uncompensated salt cavern)으로 응축상 유체를 이송시키기 위해 충분한 압력과 용적을 제공하는 제2 단계 펌핑 시스템(second stage pumping system);
    해수(seawater), 담수(fresh water) 또는 산업 프로세스들(industrial processes)에서 사용되는 워먼트(warmant)로부터 선택된 워먼트를 이용하여, 응축상 유체를 비보정 암염공동에 사용한 온도로 가열하는 열교환기(heat exchanger); 및
    적어도 하나의 극저온용 내부 도관(cryogenically compatible inner conduit)과 비극저온용 외부 도관(non-cryogenically compatible outer conduit)을 가지는 열교환기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 처리 시설(fluid handling facility).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 운송선박을 정박 시키기 위한 시설은, 선창(dock), 근해 플랫폼(offshore platform), 계선주(dolphin), 단일점 정박/도킹 라인(single point mooring/docking line) 및 복수 앵커 정박/도킹 라인(multiple anchored mooring/docking line)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유체 처리 시설.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는,일단 동축 지상 장착 디자인(single stage coaxial land mounted design), 일단 동축 해저 장착 디자인(single stage coaxial subsea mounted design), 다단 동축 지상 장착 디자인(multi-stage coaxial land mounted design) 및 다단 동축 해저 장착 디자인(multi-stage coaxial subsea mounted design)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유체 처리 시설.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는, 작동시 10을 초과하는 프로드 수(Froude Number)를 가지는 것을 특징으로 하는 유체 처리 시설.
  5. 정박/도킹 시설(mooring/docking facility)에 극저온 유체를 수송하는 운송선박을 정박하는 단계;
    운송선박으로부터 극저온 유체를 하역(offload)하는 단계;
    유체를 응축상 유체로 변환하기에 충분한 압력에서 극저온 유체를 펌핑하여, 해수, 담수 및 산업 프로세스들에서의 워먼트들로 구성되는 그룹 중에서 선택된 워먼트를 사용하여, 응축상 유체가 비보정 암염공동에 사용 가능한 온도까지 가열되는 열교환기를 통과하는 단계;
    가열된 응축상 유체를 비보정 암염공동으로 이송시키는 단계; 및
    가열된 응축상 유체를 비보정 암염공동으로부터 파이프라인(pipeline)을 통하여 시장(market)으로 방출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체를 비보정 암염공동(uncompensated salt cavern)에 저장하고, 그로부터 방출하여, 파이프라인을 통해 시장에 공급하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정박/도킹 시설은, 선창, 근해 플랫폼, 계선주, 단일점 정박/도킹 라인 및 복수 앵커 정박/도킹 라인로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 유체를 비보정 암염공동에 저장하고, 그로부터 방출하여, 파이프라인을 통해 시장에 공급하는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열교환기는, 일단 동축 지상 장착 디자인, 일단 동축 해저 장착 디자인, 다단 동축 지상 장착 디자인 및 다단 동축 해저 장착 디자인으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 유체를 비보정 암염공동에 저장하고, 그로부터 방출하여, 파이프라인을 통해 시장에 공급하는 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 열교환기는, 작동시 10을 초과하는 프로드 수(Froude Number)를 가지는 것을 특징으로 하는, 유체를 비보정 암염공동에 저장하고, 그로부터 방출하여, 파이프라인을 통해 시장에 공급하는 방법.
  9. 적어도 하나의 액화천연가스 선박을 위한 정박/도킹 시설;
    액화천연가스 선박으로부터 액화천연가스를 제2 단계 펌핑 시스템으로 운송하는 제1 단계 펌핑 시스템;
    제2 단계 펌핑 시스템의 압력에 견디도록 충분히 보강된 종래 기화기 시스템을 통하여, 액화천연가스를 비보정 암염공동에 운송하기에 충분한 압력을 제공하는 제2 단계 펌핑 시스템; 및
    해수, 담수 및 산업 프로세스들에서 사용되는 워먼트로부터 선택된 워먼트를 이용하여, 천연액화가스를 비보정 암염공동에 사용 가능한 온도로 가열하는 종래 기화기 시스템;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스 터미날(LNG terminal).
  10. 정박/도킹 시설에 극저온 유체를 수송하는 운송선박을 정박하는 단계;
    운송선박으로부터 펌핑 시스템까지 극저온 유체를 운송하는 단계;
    유체를 비보정 암염공동에 사용 가능한 온도로 가열된 유체로 변환시키는, 펌핑 시스템의 압력에 견디도록 충분히 보강된 종래의 기화기 시스템을 통하여, 극저온 유체를 펌핑하는 단계;
    가열된 유체를 비보정 암염공동으로 이송시키는 단계; 및
    가열된 유체를 비보정 암염공동으로부터 파이프라인으로 통하여 시장으로 방출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유체를 비보정 암염공동에 저장하고, 그로부터 방출하여, 파이프라인을 통해 시장에 공급하는 방법.
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