加温和储存冷流体的方法和设备
相关申请
本发明要求享有2001年12月19日提交的美国临时专利申请60/342,157的优先权。
技术领域
本发明涉及a)使用热交换器对冷流体如液化天然气(LNG)加温，和b)在无盐水补充的盐洞中储存所产生的流体。在另一可选择的实施例中，可使用普通的蒸发系统在储存到无盐水补充的盐洞之前对冷流体加温。
背景技术
美国使用的大部分天然气是在沿墨西哥湾岸区生产的。在陆上和海上都设有众多的管线网，将天然气从井口传输到市场。世界的其他部分也生产天然气，但时常没有管线网不能将天然气输送到市场。在天然气工业，这种天然气通常称作“无法利用的”，因为没有现成的市场或没有管线连接。结果是，这种无法利用的气体，其通常是与原油一起生产的，常常是一炬冲天烧掉。这种情况有时称作“火炬”(flared off)。
为了更有效地利用这种无法利用的气体，已经开发出不同的商业理念。一个想法是在天然气源附近建设石化厂，利用天然气作为工厂的原料。由此，已经在全世界建没了多个氨和尿素厂。
另一种方法是在天然气源或其附近将天然气液化通过运输船将LNG运输到接收码头。通过LNG接收设施，从运输船卸下LNG，储存在岸上的低温罐中。某些地方，将LNG从低温储罐传送到普通的蒸发系统进行气化。然后气体通过管线输送到市场。在这个过程开始时，液化要消耗9-10％体积的LNG，过程结束时气化要消耗额外的2-3％体积的LNG。就申请人所知，目前尚没有普通的使用蒸发系统的LNG设施将产生的气体储存在盐洞中。普通的带有蒸发器的LNG设施将所有产生的气体输送到管线并通过管线传送到市场。
目前世界范围内已有超过100艘的LNG运输船在使用，更多艘已经定购。LNG运输船专门设计成可运输温度为-250°F或低于该温度和接近或稍大于大气压力的低温液体LNG。此外运输船可用LNG来行驶，可抵抗淹没以保持大约40英尺的恒定吃水深度。LNG运输船目前投入使用的尺寸和容量并不统一，一些船可容纳大约为30亿立方尺的气体(大约为840,000桶)或更多。将来一些船将具有更大的容量，容量可达50亿立方尺。LNG以液体形式运输的原因之一是因为占据较少的空间。
世界上已设有许多LNG设施。美国已有两个LNG接收站在运行(一个位于麻萨诸塞州的Everett，另一个位于路易斯安那州的Southof Lake Charies)。还有两个正在整修(一个位于马里兰州的Cove Point，另一个位于乔治亚州的Elba island)。美国还要建设的另外LNG设施已经由不同的有关方宣布。
美国的LNG接收设施一般包括卸下气体的泵和设备、低温储存罐和普通的蒸发系统，以将LNG转换成气体。在通过管线将气体输送到市场前，可使用传统的设备对气体添加臭味。LNG终端设备一般设计用于调峰，或作为基本负荷设备。基本负荷LNG气化是用于某系统的术语，该系统要求对基本负荷有几乎恒定LNG气化，不能对天然气分配系统的季节性的或峰值增量的要求进行周期性气化。在典型的基本负荷LNG设备，LNG运输船每隔3-5天到达，卸下LNG。LNG以液体形式(温度大约为-250°F)从船上泵到LNG储罐，在低压(大约一个大气压)下的以液体形式存放。一般要用12小时或更多的时间将LNG从运输船泵到岸上的低温储罐。
LNG运输船的建造价格在100,000,000美元以上。因此希望尽可能快地将LNG卸下，以便船只可回到海上装运另一批LNG。典型的美国LNG基本负荷设备具有3个或4个具有不同容量的低温存储罐，其容量范围在250,000到400,000桶之间。许多目前使用的LNG运输船具有大约840,000桶的容量。因此一条LNG运输船的全部装载量要由多个低温存储罐来容纳。在重新大部分清空之前这些罐不能存放另一条船的LNG。
传统的基本负荷LNG终端设备将从低温罐连续气化LNG，将其泵入管线输送到市场。所以，在两条船的间隔期间(3到5天)，设备要使LNG转换成气体(涉及重新气化，气化或蒸发)，使低温罐空出空间进行下一次装载。装载和气化LNG的终端设备每天可产生超过10亿立方尺的气体。总之，运输船每隔几天到达，但基本负荷设备的LNG气化一般是连续工作的。传统的气化系统，对所属领域的技术人员是已知的，用于加温和将LNG转变为使用的气体。在气化系统中对大约-250°F的LNG加温，使其在传输到管线之前从液相转变到可用的气体。不幸的是，在气化过程中一些气体要用作热源，或者如果使用环境温度地流体，就要求设置很大的热交换器。所以需要有更经济的方式来将LNG从冷液体转变到可使用的气体。
LNG低温储存罐的建造和保养维修成本是很高的。此外，低温罐设置在地面上可能成为恐怖分子的目标。因此基本负荷和调峰设备需要有新的方式来接收和存放LNG。具体地，需要开发一种新方法，消除建造昂贵的低温存储罐的必要。更重要的是，需要有更可靠的方式来存放巨量的可燃材料。
世界上存在许多不同类型的盐层构造。但不是所有的盐层构造而只是其中一部分适合作为存放碳氢化合物的洞穴。例如，上凸型盐洞通常适合用作洞穴存放。在美国已有超过300个盐穹(saltdome)，其中许多位于离岸的领海中。已知道盐穹也存在于世界上的其他地方，包括墨西哥，巴西的东北部和欧洲。盐穹是盐的固体形式，具有的中心温度为90°F或更高。可向盐穹钻井，可通过井将淡水注入盐中形成盐洞。盐洞存放碳氢化合物是一种已有技术，已在石油和天然气工业得到很好应用。盐洞能够存放大量的流体。盐洞具有很高的输出能力，最重要的一点是盐洞极为可靠。例如，美国战略石油储备计划现在已经在路易斯安那和德克萨斯州，如在德州的Bryan Mound的盐洞中储存了大约600,000,000桶原油。
当淡水注入上凸型盐洞中，盐溶解形成盐水，盐水返回到地面。注入盐穹的淡水越多，形成的盐洞越大。常常可以发现许多盐穹顶部的深度小于1500英尺。盐洞是个细长的腔室，长度可达1500英尺，容积在3到15,000,000桶之间变化。最大的可容纳大约4千万桶。各盐洞完全被盐构造包围，所以不会泄漏到周围的地层或另外的盐洞。在一个盐穹中一般可形成多个盐洞。目前，在美国和加拿大有超过1000个盐洞用于储存碳氢化合物。
盐洞储存采用两种不同的传统技术，补充盐水的和无盐水补充的。在补充盐水的盐洞，盐水或水泵入盐洞的底部以置换碳氢化合物或其他产品，使之离开盐洞。产品浮在盐水的顶部。当产品注入盐洞中，盐水被顶出。碳氢化合物不会与盐水混合，使盐水成为理想的用于补充盐洞的流体。在无盐水补充的存储盐洞中，不使用置换流体。无盐水补充的盐洞一般用于存放井中产出的天然气。高压压力机用于将天然气注入到无盐水补充的盐洞中。盐洞中必须留一些天然气以防止盐滑移造成盐洞封闭。必须留在无盐水补充的盐洞中的气体体积在所涉及的工业有时被称作“软垫”。这样，气体提供了盐洞必须保有的最小储存压力。而且，就本申请人所知，目前的LNG接收设备都不是从罐中取出LNG，对其进行气化，然后将产生的气体存放在盐洞中。
储存天然气的无盐水补充的盐洞最好在温度大约+40°F到+140°F之间和压力为1500到4000磅/平方英寸(表压)的范围使用。如果温度在零度以下的低温流体泵入盐洞中，将发生盐的热开裂，破坏盐洞的整体性。出于这个原因，温度非常低的LNG不能存放在普通的盐洞中。如果流体高于140°F泵入盐洞，将促进位移和减小盐洞的体积。
本发明涉及到Bishop一步法。这种方法消除了设置昂贵的低温储罐的必要性。本发明使用高压泵系统来增加LNG的压力，从大约一个大气压到大约1200磅/平方英寸或更高。压力增加改变了LNG的状态，使其从低温液体变成致密相天然气(DPNG)。本发明还使用了独特的热交换器，称作Bishop法热交换器，可安装在岸上和海上以提高DPNG的温度，可从大约-250°F提高到大约+40°F，这样，温暖的DPNG就可以储存在无盐水补充的盐洞中。此外，DPNG还可以存放在其他类型的盐洞中，只要地质构造没有泄漏。所有这些技术消除了设置普通的安装到地面的低温储存罐的必要。地下储存比传统的系统更可靠，如战略石油储备所使用的盐洞存放系统已经证明的。一旦实施本发明，LNG加温，从液体转变为DPNG，还可通过节流阀或调节器输送到管线，再输送到市场。在可选择的实施例中，在存放到无盐水补充的盐洞之前，可用传统的蒸发系统来气化LNG。
美国专利No.5,511,905为本发明的受让人所有。William M.Bishop也是本申请和美国专利No.5,511,905的共同发明人。该现有技术专利公开了在补充盐水的盐洞中通过热交换器用盐水(大约为90°F)对LNG加温。该专利介绍了如何将致密相储存到补充盐水的盐洞中。美国专利No.5,511,905未介绍如何使用无盐水补充的盐洞。美国专利No.5,511,905公开了使用地面上的热交换器对冷流体进行加温。地面的热交换器对从罐卸下的冷流体进行加热以便通过管线传输。通过地面的热交换器的盐水可从盐水池泵入，而不是从地下洞穴泵送。
美国专利No.6,289,671由BP Amoco Corporation公司所有，该专利涉及生产、传输、卸下、储存和分配天然气到市场的方法。该专利介绍了天然气在远距离的第一地下构造的天然气田的生产。天然气进行液化并运输到另外的地方。LNG重新进行气化，并注入到能够储存天然气的第二地下构造中，该构造为耗尽或至少部分耗尽天然气的地下构造，从前进行过相当大量的天然气生产以调节由生产井、采集装置和分配管线组成的系统的结构，以从地下构造分配天然气到市场。该专利介绍了在氢氧化物形成水平以上的32°F到大约80°F温度下和大约200到大约2500psig的压力条件下，将重新气化的天然气注入到废弃或部分废弃的天然气田。该发明没有提到盐洞。该发明没有提到致密相或其重要性。此外，非表示盐洞储存的废弃和部分废弃的气体空间的注入和排出容量存在限制。此外，非表示盐洞储存的废弃空间和注入气体之间的温度差对废弃空间将带来问题。出于所有这些原因，盐洞要比低温储罐或废弃的气体空间更适合用于现代的LNG设备。
发明内容
Bishop一步法使用安装到岸上的热交换器和安装到海上平台或海底的热交换器对冷流体加温，并将得到的DPNG储存在无盐水补充的盐洞中。在另一可选择的实施例中，传统的LNG气化器系统也可以用来在储存到无盐水补充的盐洞或通过管线进行传输之前气化冷流体。
术语“冷流体”在本文中是指液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、液态氢、液氦、液态烯族烃、液态丙烷、液体丁烷、冷却的压缩天然气和其他的保持零度以下温度的流体，这样就可以液体形式而不是气体进行传输。
本发明的热交换器使用温暖的流体来提高冷流体的温度。该温暖的流体在热交换器中使用因此称作加温水，加温水可以是淡水或海水。也可使用其他的来自工业生产过程的加温水，这些加温水在工艺过程中用于冷却该工艺所用的液体。
为了得到具有水平流动结构的热交换器，比如Bishop一步法热交换器，重要的一点是冷流体的温度和压力要使流体保持致密相或临界相，所以在冷流体加温到希望温度的过程中不发生相变。这样可消除两相流具有的问题，如层化、空化和气阻。
致密相或临界相定义为当流体位于该流体的温度-压力相图的两相包络线外面时的状态(见图9)。在这种条件下，液体和气体没有明显的差别，加温时的密度改变是逐渐进行的没有相变发生。这样就使Bishop一步法热交换器减少或避免了层化、空化和气阻等气液两相流所带来的问题。
图1是用于Bishop一步法的设备的示意图，包括码头区的热交换器、盐洞和管线；
图2是图1热交换器的放大的截面图，流体箭头表示平行流动路径，表面容器或蓄水池用于存放加温水；
图3是图2的热交换器的截面图，除了现在流体箭头表示反向流动路径，表面容器或蓄水池用于存放加温水；
图4是用于海上Bishop一步法的设备的示意图，包括安装到海底的热交换器、盐洞、和管线；
图5是部分图4设备的放大截面图，显示了安装到海底的平行流动热交换器；
图6是沿图2的截面6-6的热交换器部分的截面图；
图7是热交换器的可选择实施例的截面图；
图8是热交换器的可选择的第二实施例的截面图；
图9是天然气的温度-压力相图；
图10是可选择实施例的示意图，包括了气化冷流体的蒸发系统，气体其后储存在盐洞中，而不是先去到低温储罐。
图1是用于Bishop一步法的设备的示意图，包括码头区的用于将冷流体转换为致密相流体的热交换器，以便输送到各种地下储存设施和/或管线(图1未按比例绘制)。整个岸上设施用数字19来整体地代表。海水20覆盖了大部分但不是全部的地球24表面22。地球24的表面22下形成了各种类型的地层和构造。例如，盐穹26是沿墨西哥湾岸区在陆上27和海上形成的常见构造。
井孔32从地面22穿过地球24延伸进入盐穹26。无盐水补充的盐洞34已经利用所属领域的技术人员都知道的技术在盐穹26中冲刷出来。另一口井36从地面22通过地球24和盐穹26延伸进入第二无盐水补充的盐洞38。盐穹26的上表面40最好位于地面22下大约1500英尺，虽然盐穹位于岸上27或海上28的其他深度也是可以的。典型的盐洞34可设置在地球24的地面22之下2500英尺，其高度为大约2000英尺，直径在大约200英尺。盐洞34的尺寸和容量可变化。盐穹和盐洞可完全设置在岸上27，海上28或其间的某个位置。管线42设置在地球24的表面22之下。
码头44建造在港口(未显示)的底部46，冷流体运输船48停靠在码头44。冷流体运输船48一般具有多个低温仓50，用于存放冷流体51。冷流体以具有零度以下温度的液体形式从低温仓50进行传输。低压泵系统52位于低温仓50中或运输船48，以帮助卸下冷流体51。
在冷流体运输船48停靠到码头44后，码头44上的铰接管路系统54，其包括软管和柔性的装载臂，连接到运输船48上的低压泵系统52。铰接的泵系统54的另一端连接到高压泵系统56，其安装在码头44或码头附近。LNG工业使用各种类型的泵，包括垂直、多级深井轮机、多级潜水和多级水平等类型。
当开始卸载操作时，低压泵系统52和高压泵系统56将冷流体51从运输船48的低温仓50通过软管、柔性的装载臂、铰接管路54和另外的管路58输送到本发明所用热交换器62的入口60。当冷流体51离开高压泵系统56时，由于泵的压力，流体已转变成为致密相流体64。术语“致密相流体”将在下面结合附图9进行更详细的讨论。Bishop法热交换器62对冷流体加温到大约+40°F或更高，这取决于下游的要求。该热交换器利用流体的致密相状态和流体的高弗劳德数来保证热交换过程不发生层化、相变、穴化和气阻，这与流体相对重力的方向无关。这些条件对于加温操作是基本的，下面将参考图9进行详细的讨论。当冷流体51离开热交换器62的出口63时成为致密相流体64。柔性接头65或膨胀接头连到热交换器62的出口63以配合热交换器62内的适合低温的管路61的膨胀和收缩，如图2的清楚显示。高镍钢适合用作管路61。
管路70连接热交换器62到井口72，其安装到井36。另外的管路74连接热交换器62到安装在井32的另一井口76。高压泵系统56有足够的压力传送致密相流体64通过柔性接头65、管路70、通过井口72和井36进入无盐水补充的盐洞38。类似地，高压泵系统56产生的压力足以传送致密相流体64通过柔性接头65、管路70和74，通过井口76和井32进入无盐水补充的盐洞34。致密相流体64因此可通过井32和36注入储存到无盐水补充的盐洞34和38。
此外，致密相流体64可从热交换器62通过管路78传输到节流阀80或调节器，节流阀通过另外的地下或地面管路84连接到管线42的入口86。致密相流体64然后通过管线42传送到市场(管线42也可以设置在地面上)。
如果需要另外的泵，可将泵设置在管路系统的适当位置，其未在示意图中显示。冷流体51也可以通过内陆的水路、火车或卡车(未显示)输送到设备19。
图2是Bishop法热交换器62的放大截面图(图2未按比例绘制)。热交换器62可由一部分或多个部分形成，如图2所示。热交换器62中的部分数量取决于设备19的空间结构和覆盖区、冷流体51的温度、加温水99的温度和其他因素。热交换器62包括第一部分100和第二部分102。术语“加温水”在本文中是指淡水19(包括河水)或海水20，或任何其他适当的流体，包括那些参与要求对流体进行冷却的工艺，如冷凝工艺，的流体。
热交换器62的第一部分100包括适应低温的中心管路61和外管道104。高镍钢管适合这种低温场合。内部的适合低温的管路61通过多个中心定位件106，108和110位于外管道104的中心或中心附近。
加温水99流过热交换器62的第一部分100的环形区101。环形区101由适合低温的管路61的外径和外管道104的内径形成。
热交换器62的第二部分102类似地由适合低温的管路61和外管道112形成。通过多个中心定位件114，116和118适合低温的管路61位于外管道112的中心或中心附近。所有的中心定位件106、108、110、114、116和118一般与图6所示相同地形成。
第一表面容器120，有时称作蓄水池，和第二表面容器122在岸上27形成，其靠近热交换器62并用于存放加温水99。管路124连接第一容器120到低压泵126。管路128连接低压泵126到端口130，以便容器122和热交换器62的第一部分100流体连通。加温水流过环形区101，如流体箭头所示，在端口132离开热交换器62的第一部分100，如流体箭头所示。另外的管路134连接端口132到第二容器122。
管路136连接第一容器120到低压泵138。管路140连接低压泵138到端口142，端口在热交换器62的第二部分102上形成。加温水通过泵138从第一容器120泵到环形区，环形区103在适合低温的管路61的外径和外管道112的内径之间形成。加温水99流过热交换器62的第二部分102的环形区103，如流体箭头所示，在端口144离开，端口通过管路146连接到第二容器122。冷流体51以冷液体的形式进入热交换器62的入口60，已加温的致密相流体64离开出口63。适合低温的管路61连接到柔性的接头65以配合适合低温的管路61的膨胀和收缩。所有柔性接头65的下游管路不适合用于低温。
在图2的平行流动结构中，热交换器62从第一表面容器120传输加温水99通过第一部分100到达第二容器122。类似地，另外的加温水从第一容器120通过热交换器62的第二部分102传输到第二容器122。随着时间过去，第一容器120中的加温水99的体积将变小，而第二容器122中的加温水99的体积将增加。因此，有必要设置反向流动机构，如图3清楚地显示，这样加温水99可从第二容器122返回到第一容器120。在可选择的实施例中避免了反向流动的必要，加温水99可从第一部分100通过管路148，如虚线所示，返回第一容器120，允许继续平行流动通过热交换器62的第一部分100。在类似的设置中，来自第二部分102的加温水从第二容器122通过管路150，如虚线所示，传送到泵138。在这种形式中，加温水99以平行流通过热交换器62的第二部分102连续地循环。如果河水用作加温水99，表面水池120和122就没有必要设置。代之以管路124连接到河中，其与管路136、134和146的作用相同。当河水用作加温水99，其总要返回到其来源，管路要做相应改进。
很重要的一点是避免热交换器62冻结。冻结将阻塞加温水94的流动，并使得热交换器62不能工作。同样重要的一点是减少或消除结冰。结冰使得热交换器62效率降低。因此，有必要仔细设计数字63代表的区域，在这个区域管路61中的冷流体51首先遇到热交换器62的第一部分100的环形区101中的加温水99。所以有必要防止或减少管路61中的加温水99冻结，否则可能阻塞端口130和环形区101。在许多情况下，可以选择适当的流量和管路直径比，使得冻结问题不存在。例如，如果加温过程中致密相天然气膨胀4倍，热平衡显示出要求加温水流量是入口致密相流量的4倍。这样就要求外管/内管的直径比为2，以使两个路径的摩擦损失平衡。但是，若直径接近可改善热传输比。最佳比例大约为1.5。其中的条件是极端的，可以通过增加这个区域63的适合低温管路61管壁的热绝缘层来防止局部冻结。可采用的一个方法是简单地增加管路61的壁厚。其作用是将一些保温功能延伸到下游，使冷流体51总能加温到一定程度，这样可以使冻结减少。还可以增加热交换器的长度。
图3是具有反向流动模式的Bishop法热交换器62的放大截面图(图3未按比例绘制)。加温水99从第二容器122输送，通过管路200，泵202，管路204，端口144进入热交换器62的第二部分102的环形区103，如流体箭头所示。加温水99通过端口142离开环形区103，通过管路206输送到第一容器120。低压泵138将加温水99从第二容器122通过管路150、206和端口132传输到热交换器62的第一部分100的环形区101，如流体箭头所示。加温水99通过端口130和管路210离开第一部分100的环形区102，并返回到第一容器120。这个返回回路继续直到大部分的加温水99已经从第二容器122返回第一容器120。
在一可选择的流通设置中，加温水99通过端口142离开环形区103并通过管线212，如虚线所显示，输送回到第二容器122，形成从第二容器再回到第二容器122的连续回路。同样地，加温水99可从第一容器120通过管路214，如虚线所示，输送到泵138，通过管路206和端口132进入热交换器62的第一部分100的环形区101。然后加温水通过端口130和管路210返回第一容器120。
热交换器62的设计和表面容器的数量由多种因素来决定，包括可用空间大小和加温水99的环境温度。例如，如果加温水99的平均温度高于80°F，热交换器62只需要一个部分。但是如果加温水99的平均温度低于80°F，可能就需要两个或多个部分，如图2和图3所示的两部分设计。因此，希望表面容器比较浅和具有较大的表面积，因为这时容器可作为太阳能收集器，在有阳光的日子提升加温水99的温度。这种可选择的设置构成了连续的从第一容器120又回到第一容器120的反向流动回路。在可选择的设置中，如果河水用作加温水，就不需要容器。在河水的情况下，可简单地返回到河中。
示例1
该假设的示例只是用于给出在如图1所示的码头或其附近进行Bishop一步法的清楚的操作参数。当设计设备19，包括冷流体类型和使用的加温水时，必须考虑许多因素，传统的用于工艺测量、控制和安全的仪器可根据需要包括在设备中，包括但不限于：温度和压力传感器，流体测量传感器，过压减压阀、调节器和阀门。各种输入仪器也必须考虑到，包括：管路几何形状和长度、流动速率、温度和冷流体和加温水的比热。各种输出参数也必须考虑到，包括无盐水补充的盐洞的类型、尺寸、温度和压力。为了直接输入到管线，其他的输出参数也必须考虑到，比如管路几何形状、压力、长度、流量和温度。其他的防止冻结的设计参数包括在热交换器的各部分的入口和出口的加温水的温度，在容器中的温度，和在初始接触区63的温度。其他的主要设计考虑包括冷流体运输船的尺寸和船完全卸载和返回大海的时间间隔。
假设有800,000桶的天然气(125,000立方米)储存在运输船48的低温仓50，压力大约为一个大气压，温度是-250°F或更低。低压泵系统52具有下列的操作参数：大约为22,000加仑/分钟(5000立方米/小时)，大约为600马力，可产生大约为60磅/平方英寸(表压)的压力(4巴)。由于要有大约为40磅/平方英寸的摩擦损失输送到高压泵系统56的入口，高压泵系统56一般可将LNG的压力提高到1860磅/平方英寸(120巴)或更高，使得冷流体51在离开高压泵系统56时处于致密相。高压泵系统56设有大约10个泵，各个泵在压力升高1860磅/平方英寸(120巴)下的名义泵流量是2200加仑/分钟(5000立方米/小时)，可产生大致为1900磅/平方英寸(123巴)的压力将LNG注入到无盐水补充的盐洞34和38。10个高压泵系统所需的全部功率近似为24,000马力。这代表了当无盐水补充的盐洞完全承压时，即当盐洞是充满时，所需的最大功率。平均注入流量可超过22000加仑/分钟(5000立方米/小时)。假定公称直径为13又3/8英寸的管路设置在注入井32和36，4个无盐水补充的盐洞大致具有的最小总容量为大约30亿立方英尺。LNG的体积在热交换过程中一般要膨胀到2到4倍，这取决于无盐水补充的盐洞的最后压力。如果需要更高的流量可以沿多个盐洞设置较大的注入井。
加温水99的泵124和138是高容量和低压力泵系统，在大约60磅/平方英寸(4巴)下的混合流量大约为44000加仑/分钟(10000立方米/小时)。加温水通过热交换器62的流量大约为通过适合低温管路61的LNG流量的大约2到4倍。加温水的流量取决于加温水的温度和热交换器的部分数(各个部分具有单独的加温水注入点)。为防止腐蚀和结垢可对加温水进行处理以改进热交换器62的效率。当致密相流体通过热交换器62时加温并进行膨胀。当进行膨胀时，通过热交换器的速度增加。
假设LNG的流量为22000加仑/分钟，热交换器62的适合低温的中心管路61的公称外径为大约13又3/8英寸，外管道104和112的公称外径大约为20英寸，热交换器62的整个长度应当足够长使得加温水的温度和其他因素能够使致密相流体64的温度达到大约40°F。这可能导致整个长度达到数千英尺或者达到约5000英尺。多个加温水注入点和平行流动管线可极大地减少此长度。取决于接收点和储存空间的距离，长度可能不是问题。取决于设备的尺寸和对多余量的需要，平行系统还是可以使用的。管路尺寸和长度可通过使LNG分开地流入单独的平行路径来大量减少。两个平行的热交换器62具有适合低温的中心管路61，其公称外径为大约8英寸，外管道104和112的公称外径是大约12英寸。使用平行的热交换器62是一种设计选择，其取决于所用的材料，建造的方便性和距存储点的距离。
另外，热交换器62不必是直线式的。为了节省空间或出于其他原因，热交换器62可采用任何其他路径，比如S形设计或螺旋形设计。热交换器62可有90°的直角弯和180°的转向以配合各种设计要求。
如果致密相流体64储存在无盐水补充的盐洞34中，首先需要确定盐洞34的最小操作压力。例如，如果无盐水补充的盐洞34具有的最大操作压力为大约2500磅/平方英寸，高压泵系统56将具有工作压力为2800磅/平方英寸或更高的压力。当然，在小于最大压力下工作也是可以的，只要压力超过大约1200磅/平方英寸能够保持流体为致密相。
如果冷流体51加热并直接传输到管线42，首先需要确定管线的工作压力。例如，如果管线在1000磅/平方英寸的压力下工作，根据温度-压力相图，高压泵系统56需要操作压力超过1200磅/平方英寸以保持流体64为致密相。为了将致密相流体64的压力减少到管线的操作压力，可以在进入管线42之前使流体通过节流阀80或调节器。在该点加热是必要的以防止形成双相流，即防止液体产生。相反地，热交换器可延长以提高温度，使后续进行的膨胀和冷却不会使流体失去致密相。
在致密相流体64已经注入无盐水补充的盐洞34和38之后，可储存到需要使用之时。致密相流体64可以超过管线工作压力很多的压力储存在无盐水补充的盐洞中。因此，将致密相流体从盐洞34和38输送所需要的只是在井口72和76打开阀门(图中未显示)，并允许致密相流体通过节流阀80或调节器，将操作压力减少到与管线相适应的压力。总之，井32用于充满和清空无盐水补充的盐洞34，如流动箭头所示。类似地，井36用于充满和清空无盐水补充的盐洞38，如流动箭头所示。
图4是用于Bishop一步法的设备的示意图，其中船只停泊在海上28(图4未按比例绘制)。该设备298位于海上28，设备299位于岸上27。海上设备298可相距陆地数英里，通过海底管线242连接到岸上的设备299。
海底的Bishop法热交换器220可位于平台226附近的海底222。在未显示的供选择的实施例中，热交换器220可固定在海水20表面21上的平台226。在另一未显示的供选择的实施例中，热交换器220可固定到平台226的支腿227之间(清楚显示于图5)。当固定到支腿227之间时，所有或部分的热交换器220可位于海水20的表面21下。停泊设施224固定到海底222，允许冷流体运输船48停泊在海上28。同样，平台226具有支腿227，可固定到海底222，为下面将介绍的设备和操作提供稳定装置。
在冷流体运输船40成功地固定到停泊设施228后，铰接管路、软管和柔性装载臂228连接到位于低温仓50或设在运输船48甲板上的低压泵系统52。铰接管路228的另一端连接到位于平台226的高压泵系统230。另外的适合低温的管路232连接高压泵系统230到海底热交换器220的入口234。
冷流体51通过高压泵系统230后转变为致密相流体64，然后通过热交换器220。流体64保持致密相通过热交换器220。热交换器220的出口236连接到柔性接头238或膨胀接头。热交换器220中适合低温的管路235连接到柔性接头238的一端，不适合低温的管路240连接到柔性接头238的另一端。这样就允许适合低温的管路235进行膨胀和收缩。海底管线242由不适合低温的管路组成。
海底管线242连接到井口76，井口连接到井32和无盐水补充的盐洞34。此外，通过井口76的未显示的开式阀，致密相流体64可从海底管线242传输通过井32，注入无盐水补充的盐洞34进行储存。
此外，致密相流体64可通过海底管线242传输到节流阀80或调节器，来减低压力，使致密相流体64通过管路84进入管线42的入口86，再传输到市场。
在足够数量的致密相流体64已经储存在盐洞34后，将井口76上未显示的阀门关闭，这样就隔离了无盐水补充的盐洞34中带压力的致密相流体64。为了从无盐水补充的盐洞34传输致密相流体64到管线42，打开井口76上未显示的另外阀门，允许无盐水补充的盐洞34中带压力的致密相流体通过节流阀80或调节器传输到管线42。
因为无盐水补充的盐洞34中的压力高过管线42中的压力，致密相流体进入市场所需做的是打开一个或多个井口76上未示出的阀门，使致密相流体64通过节流阀80。井32用于注入致密相流体64或从无盐水补充的盐洞34排出致密相流体，如流体箭头所示。
图5是图4的海上设备298和海底Bishop法热交换器220的放大图(图5未按比例绘制)。海底热交换器220包括第一部分250和第二部分252。适合低温的管路235通过多个中心定位件258、260、262和264位于外管道254和256的中心。这些用于海底热交换器220的中心定位件与表面固定热交换器62所用的中心定位件相同，如图6清楚的显示。中心定位件和外管道254和256之间允许有一定的滑动量以配合膨胀和收缩。
冷流体51离开冷流体运输船48上的低温仓50，由低压泵52通过铰接管路228泵到位于平台226的高压泵系统230。冷流体51然后通过管路232到达海底热交换器220的入口234。管路228、232和235必须是与冷流体51低温相容的。
海上热交换器220使用海水20作为加温水99。加温水进入平台226上的管路246并通过低压加温水泵244。加温水泵244也可以放到水下。管路248连接低压加温水泵244到热交换器220的第一部分250的入口端266。加温水99通过适合低温管路235外径和管路254内径之间的环形区268。加温水99然后从出口端270排出，如流体箭头所示。可放到水下的低压泵272将另外的加温水99泵入热交换器220的第二部分252。在另外的实施例中，泵272还可位于平台226。加温水通过入口端274进入环形区276，如流体箭头所示。环形区276位于适合低温管路235的外径和外管道256的内径之间。加温水99通过出口端278离开第二部分252，如流体箭头所示。
冷流体51在入口234进入热交换器，并以致密相流体64离开热交换器220的出口236。适合低温的管路235通过柔性接头238或膨胀接头连接到不适合低温的管路240。这使得海底管线242的其余部分用普通的碳钢制造，这种材料比适合低温的钢材便宜。热交换器220必须设计成可避免热交换器62内冻结及减少或避免结冰。前面讨论过的应用于热交换器62的类似设计可以用于热交换器220。
示例2
该假设的示例只是用于给出在如图4和5所示海上进行的Bishop一步法的清楚的操作参数。当设计设备298，299时，其包括冷流体类型和使用的加温水的温度，必须考虑许多因素，传统的用于工艺测量、控制和安全的仪器可根据需要包括在设备中，其包括但不限于：温度和压力传感器，流体测量传感器，过压减压阀、调节器和阀门。各种输入参数也必须考虑到，包括：管路几何形状和长度、流量、温度和冷流体和加温水的比热。各种输出参数也必须考虑到，包括无盐水补充的盐洞的类型、尺寸、温度和压力。为了直接输入到管线，其他的输出参数也必须考虑到，比如管路几何形状、压力、长度、流量和温度。其他的防止冻结的设计参数包括在热交换器各部分的入口和出口的加温水温度和在初始接触区235的温度。其他的重要设计考虑包括冷流体运输船的尺寸，船完全卸载和返回大海之间的时间间隔。
假设有800,000桶的天然气(125,000立方米)储存在运输船48的低温仓50，压力大约为一个大气压，温度是-250°F或更低。冷流体运输船48停靠在系船桩224或其他适当的停泊/锚固设施，比如单点停泊/锚固或多点锚固停泊缆。从运输船48流出的LNG通过低压泵系统52，通过软管、柔性装载臂和/或铰接管路228传送到平台226上的高压泵系统230。致密相流体64离开高压泵系统230的出口进入热交换器220。显示出热交换器220位于海底222，但是也能够位于其他地方，如前面所讨论的。热交换器220也可以有各种形状，如前面在示例1中所讨论的。
已经知道传统的LNG设备可设置由环境加热的蒸发器(见1981年的美国煤气协会LNG信息手册的操作部分报告的69页)。根据上面的操作部分报告，“大部分基本负荷(环境加热的)蒸发器使用海水或河水作为热源”。这些蒸发器有时称作开架(open rack)蒸发器。根据信息和理论，传统的开架蒸发器一般在1000到1200磅/平方英寸(表压)附近的压力下操作。这些开架蒸发器与用于Bishop一步法的热交换器62和220不同。
本发明所使用的热交换器与传统的开架蒸发器进行比较。
首先，Bishop一步法的热交换器容易与注入无盐水补充的盐洞所用高压配合。一般，传统的蒸发器系统的设计不在超过1200磅/平方英寸的工作压力下使用。
其次，各传统的开架蒸发器的输出容量基本上小于Bishop一步法所用热交换器的输出容量。根据信息和理论，多个开架蒸发器必须成组使用以得到希望的输出容量，这样的输出容量单个Bishop一步法热交换器就能实现。
第三，相信传统的开架蒸发器比Bishop一步法的热交换器更容易出现结冰和冻结问题。避免了这个问题的热交换器有时使用水-乙二醇混合物，这可能对环境造成损害。
第四，Bishop一步法使用的热交换器提供了到达无盐水补充的盐洞必须的路径或管线，此外还对流体加热。热交换器的长度可根据需要通过不同的设计来改变。
第五，Bishop一步法使用的热交换器很容易冲洗清洁，如用生物杀灭剂。当这样做时产生阻塞的机会很低。
第六，Bishop一步法使用的热交换器的结构非常简单，可采用许多种材料制造，并可以在现场安装。
第七，Bishop一步法中使用的热交换器可兼容很大范围的冷流体，而无需改变设计，如LNG、乙烯、丙烷等。
第八，Bishop一步法使用的海上热交换器占用很少的空间，(因为可以放到海底)，这对于设置到平台很有优越性。其重量的影响也可忽略。
第九，根据上面所有的特征，Bishop一步法使用的热交换器在资金和操作方面的成本很低。
第十，传统的开架蒸发器由作为岸上LNG设备一部分的低温储存罐提供LNG。Bishop一步法使用的热交换器由冷流体运输船甲板上的低温仓提供LNG。Bishop一步法不要求低温存储罐作为岸上设备的一部分。
认识到开架蒸发器存在的一些性能问题，Osaka Gas公司开发了一种称作SUPERORV的新蒸发器，其使用海水作为加温水。SUPERORV的图纸和传统的开架蒸发器在OSAKA Gas的网站给出(网址为www.osakagas.cojp)。上述与Bishop一步法使用的热交换器的差别同样适用于SUPERORV。
图6是热交换器的第一部分沿图2的截面6-6的截面图(图6未按比例绘制)。同轴的热交换器62包括中心管路61，由适合低温和高压的材料制造，而另外的管道104是由不适合低温和高压的材料制造。这样就允许外管道104根据需要采用塑料、纤维玻璃或其他高抵抗腐蚀或结垢的材料，以便传输加温水99，如淡水19或海水20。中心管路61的外径和外管道104的内径之间的环形区101需要定期进行化学处理防止结垢。中心管路61一般具有防止结垢的性能。
中心管路61将设置传统的中心定位件108以保持位于外管道104的中心。这样具有两个作用。位于中心可使加温水更均匀，因此减少了冷点和应力的产生。或许最重要的是，受到支承的中心定位允许内管路61可随温度很大地改变，进行膨胀和收缩。中心定位件108具有围绕管路61的套管107和多个与外管道104的内表面接触的支腿109。支腿109不永久连接到外管道104，允许内管路61和外管道104独立移动。这样的自由移动对于本发明的操作是很重要的。为了进一步使图1的表面固定的热交换器62膨胀和收缩，出口63连接到柔性接头65，该接头连接到不适合低温的管路70。同样地，在图4和图5的海底热交换器220中，出口236连接到柔性接头238，该接头也连接到不适合低温的管路240。用于本发明的所有中心定位件应当允许适合低温的内管路独立于外管道移动(膨胀、收缩和延伸)，不会造成内外管路很大的磨损和不必要的磨损。在图6、7和8中，为了清楚起见用平行影线画出通过适合低温管路的冷流体51。
图7是Bishop一步法所使用的热交换器的可选择实施例的截面图。在图7的可选择的实施例中，中心的适合低温的管路300通过中心定位件304中心定位于适合低温的中间管路302的内侧。中间管路302通过中心定位件305中心定位于外管道104的内侧。中心定位件305具有中心套管302，通过多个支腿306保持在适当位置。环形区308在中间管路302的外径和外管道104的内径之间形成。加温水99通过环形区308。支腿306不是永久连接到外管道104的内侧，允许适合低温的管路独立于外管道104膨胀和收缩。加温水99通过中心管300。冷流体51通过中心管路300的外径和中心定位件套管302的内径之间的环形区309。环形区309中的冷流体51在图7中为了清楚起见用平行影线绘出。图7中的设计具有更大的热交换器区域，因此，具有图7设计的热交换器的长度能够比图6的设计短。在热交换器最好比较短的的情况下，图7的设计比图6的设计更适合。在某些情况下，有必要开发更短的热交换器。
图8是Bishop一步法所使用的热交换器的可选择的第二实施例的截面图。内部的适合低温的管路320、322、324和326成束地保持并通过多个中心定位件327中心定位于外管道104的内侧。中心定位件327具有中心套管328，内部管路320、322、324和326用平行影线绘出，表示可携带冷流体51。中心套管328通过支腿330位于外管道104的中间，支腿不是永久连接到外管道104。加温水99通过环形区334。图8的可选择实施例允许热交换器的长度比图7所示设计更短。当空间成为主要问题时，如图7和图8所示的不同设计是很适合的。其他的设计也可利用来增加热界面的区域。
图9是天然气的温度-压力相图。天然气是低分子量的碳氢化合物的混合体。其成分为大约85％的甲烷、10％的乙烷，平衡余量主要为丙烷、丁烷和氮气。在气体和液相共存的流动状态下，如下面的介绍，泵、管路和热交换的问题将很严重。在偏离垂直流动的情况下尤其严重。在如美国专利No.5,511,905公开的向下垂直流动的情况下，液体流速必须仅超过所形成气相的上升流速，以便保持不间断的流动。在两相流接近水平流动的情况下，气体可分层，阻止进行热交换，在极端情况下，造成气阻。气穴也可能成为问题。
在本发明中，避免这些问题是通过保证冷流体51被高压泵系统56或230转变为致密相流体64和在下列情况下保持致密相，a)当通过热交换器62或220，b)当储存在无盐水补充的盐洞中时。在温度和压力足够高时致密相存在而单相不存在。本发明也适用于纯物质，在纯物质的情况下，这称作临界点。在混合物的情况下，比如天然气，致密相在很宽的条件下存在。在图9中，只要流体的温度和压力位于两相区(图中的影线区)之外致密相就存在。本发明利用了致密相的特征，所以当从相图上临界凝结压力350以上的一点或临界凝析温度352的右边一点开始温度或压力增加不存在相变。当流体在热交换器62或220中加温并进行膨胀时允许随着对应密度逐渐增加温度逐渐增加。这个结果是流动过程，其中密度层化作用变得不重要。因此冷流体51的操作压力应当使流体64在热交换器62或220中、下游的管路中和存放处是致密相。对于某些天然气成分，保持致密相将要求压力不同于图9示例中所显示的大约1200磅/平方英寸。
将流体限制在致密相的效果可通过分析密度弗劳德数F来说明，弗劳德数说明了分层或层化流体的流动状态：
F = v ( gD Δγ γ ) - ( 1 2 ) ]]>
其中v是流体速度，g是重力加速度，D是管路直径，γ是流体密度，Δγ是流体密度改变量。如果F很大，流体运动的控制方程中涉及分层的项对方程就失去意义。在一实际示例中，当弗劳德数上升到1至2的范围，封闭体系内的两相流一般会失去所有的分层。在本发明中，弗劳德的数值范围在数百，可保证任何密度改变的完全混合。通过作为致密相流体上述方程中的项Δγ/γ很小的事实可确定这些大数值。
在高压泵系统56和230的下游和在热交换器62和220进行弗劳德数的测量。换句话，Bishop一步法的弗劳德数应当足够高以防止高压泵系统56和230的下游和热交换器62和220出现分层。一般地，弗劳德数超过10就可防止分层。注意到传统的热交换器不是在压力和温度足够高产生致密相的状态下工作，是通过其他方式来避免相变问题。
总之，使用本发明，冷流体51通过压力可在离开高压泵系统56或230时保持致密相，因此，当其通过热交换器62或220时以及当存储在无盐水补充的盐洞中可保持为致密相。
图10是本发明的另一可选择的实施例的示意图。岸上的设备310使用传统的蒸发系统260在储存或运输之前加温冷流体51。
传统的LNG设备卸下LNG，在岸上的低温罐以液体形式储存。在传统的设备中，LNG然后流过传统的蒸发系统对液体加温，并将其转变为气体。这些气体加有臭味并传送到管线，再将气体传输到市场。传统的LNG蒸发系统的简化流程图在1981年出版的美国煤气公司LNG信息手册的操作部分报告的图4.1中示出，其内容在本文中参考引用。根据这份文献的64页所作讨论，已经知道有各种类型的蒸发器，包括加热蒸发器，整体加热蒸发器，远距离加热蒸发器，环境蒸发器和工艺蒸发器。这些已知的蒸发器都可用于图10的蒸发器系统260，只要具有快速卸载运输船48的能力，和能够耐受下游注入无盐水补充的盐洞所需的压力。
在图10所示的另一可选择的实施例中，通过位于低温仓50或船48上的低压泵系统52，冷流体51从运输船48卸下。冷流体51通过铰接管路54到达另一高压泵系统56，其位于码头44或码头附近。流体59然后通过另外的管路58到达传统的蒸发器260的入口262。流体59从入口261通过蒸发器260到达出口264。与示例1和2不同，在这个供选择的实施例中，流体通过蒸发器时没有必要是致密相，也不要求具有高弗劳德数。尽管不要求，使用致密相也是可接受的。因此，在这个供选择的实施例中，流体具有不同的标记，如59。流体59通过不适合低温的管路70和井口72，通过井36到无盐水补充的盐洞38。类似地，流体59可通过不适合低温的管路74，井口76，井32到达无盐水补充的盐洞34。当无盐水补充的盐洞34和38充满时，井口76和72上的未显示的阀门可关闭，将气体储存在无盐水补充的盐洞34和38中。
一般地，流体59将在超过管线的压力下存放。因此，从无盐水补充的盐洞34，38输出流体59所要作的是打开井口76和72上未显示的阀门，使气体320通过管线78、节流阀80或调节器、管线84到达管线42的入口86。在进入管线之前气体可能还需要另外加热。因此，井32和36用于将流体59注入无盐水补充的盐洞34和38，当传输到管线42时，还用作储存的流体59的出口。图中的两个方向的流动箭头表示井32和36的双重性。
示例3
该假设的示例只是用于给出可供选择的实施例的操作参数，该实施例包括加温冷流体的蒸发器系统，流体后来储存在无盐水补充的盐洞中和/或通过管线传输，如图10所示。不同于传统的LNG设备，在图10的岸上设备310不包括低温罐。(船只48，如前面提到的，包括低温仓50)。传统设计的蒸发系统260用于此供选择的实施例中，代替前面示例中所讨论的同轴热交换器62和220。(传统的蒸发系统通常的工作范围为1000-1200磅/平方英寸)。传统设计的蒸发系统260需要进行改进以适应无盐水补充的盐洞应用的高压(一般在1500到2500磅/平方英寸的范围)。当设计设备310时，要考虑到许多参数，包括冷流体的类型和所使用的加温水。用于工艺测量、控制和安全的传统仪器在需要时包括在设备中，其包括但不限于，温度和压力传感器、流体测量传感器、过压卸压阀、调节器和阀门。各种输入参数必须考虑到，包括管路几何形状和长度，流量、温度、冷流体和加温水的比热。各种输出参数也必须考虑到，包括无盐水补充的盐洞的类型、尺寸、温度和压力。为了直接传输到管线，其他的输出参数必须考虑，比如管路几何形状、压力、长度、流量和温度。其他的重要设计要点包括冷流体运输船的尺寸，船全部卸下和返回海上之间的时间间隔。
要设置多个蒸发系统260以满足要求的流量。供选择的实施例所采用的蒸发系统必须设计成可承受范围在1500到2500磅/平方英寸的操作压力，承受地下注入所需的较高压力。
传统的蒸发器系统的设计成可在分层时工作。与示例1和2不同，在这个可选择的实施例中，没有必要使流体通过蒸发器时为致密相，也不需要高弗劳德数。尽管没有要求，但使用致密相也是可接受的。
参考图10，从船48通过低压泵系统2将LNG泵出，穿过软管或柔性装载臂54到达高压泵系统56。流体59通过蒸发系统260进行加温。流体59然后注入到无盐水补充的盐洞中。因为船48的卸载速率和存储压力是类似的，示例1中介绍的泵和流量特性可应用于示例3。
该过程与传统的LNG设备相比具有许多优点。在此供选择的实施例中，没有必要设置低温存储罐。流体59存储在无盐水补充的盐洞中，与表面固定的传统低温存储罐相比可靠许多。就本申请人所知，目前尚没有使用传统蒸发器的传统LNG设备将气体注入到无盐水补充的盐洞中。