Установка и способ для перекачивания криогенных текучих сред
Установка для перекачивания криогенных текучих сред между первым пунктом и вторым пунктом включает средство для охлаждения установки, когда по ней не перекачиваются криогенные текучие среды. Первый трубопровод для перекачивания проходит между первым пунктом и вторым пунктом и имеет первый конец, заканчивающийся в первом пункте, и второй конец, заканчивающийся во втором пункте. Второй трубопровод для перекачивания проходит между первым пунктом и вторым пунктом и имеет первый конец, заканчивающийся в первом пункте, и второй конец, заканчивающийся во втором пункте. Труба соединяет по потоку текучей среды первый конец первого трубопровода с первым концом второго трубопровода. Входной трубопровод соединен по потоку текучей среды одним концом с трубой и приспособлен для того, чтобы его другой конец соединялся с насосом для перекачивания в первом пункте. Установка содержит вентиль во входном трубопроводе для открытия и закрытия входного трубопровода. Вход первого циркуляционного насоса во втором пункте соединен по потоку текучей среды с первым или вторым трубопроводом, а его выход соединен по потоку текучей среды с другим трубопроводом. Способ охлаждения установки для перекачивания включает циркуляцию сжатой криогенной текучей среды через замкнутый контур для того, чтобы обеспечивать охлаждение и поддержание температуры в первом и втором трубопроводах для перекачивания при температуре, при которой криогенная текучая среда остается в жидкой фазе. Использование изобретения позволит уменьшить тепловой поток в трубопроводы для перекачивания. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к установке и способу для перекачивания криогенных текучих сред и в одном аспекте относится к установке и способу для перекачивания таких криогенных текучих сред, как сжиженный природный газ (СПГ) между приемной/погрузочной станцией в море и импортным/экспортным оборудованием на берегу, причем установка включает средство для поддержания достаточно низкой температуры в трубопроводе для перекачивания для того, чтобы предотвратить превращение криогенной жидкости в газ и образование двухфазной текучей среды в трубопроводе для перекачивания в продолжение периодов простоя между последовательными выгрузками/погрузками.
Большие объемы природного газа (содержащего главным образом метан) добываются во многих отдаленных районах мира. Этот газ имеет существенное значение, если его можно экономично транспортировать на рынок. Если район добычи находится в рациональной близости к рынку и условия местности позволяют, газ можно транспортировать по погруженным и/или наземным трубопроводам. Однако если газ добывают в местностях, где прокладка трубопровода невозможна или экономически недопустима, для поставки газа на рынок должны быть использованы другие технологии.
По-видимому, наиболее часто используемые из этих технологий включают сжижение газа на участке добычи и последующее транспортирование сжиженного природного газа, или «СПГ», на рынок в специально сконструированных резервуарах для хранения на борту морских судов. Для образования СПГ природный газ сжимают и охлаждают до криогенных температур (например, -160°С) для того, чтобы преобразовать его в жидкую фазу, посредством этого существенно увеличивается количество газа, который можно перевозить в резервуарах для хранения. Как только судно прибывает к месту его назначения, СПГ выгружают по трубопроводу для перекачивания в резервуары для хранения на берегу, из которых СПГ может затем повторно испаряться, если необходимо, и транспортироваться к конечным потребителям по трубопроводам или тому подобному.
В типичном терминале СПГ резервуары для хранения могут быть расположены на расстоянии от 100 до 500 м от причалившего судна. Таким образом, обычными являются трубопроводы для перекачивания, имеющие длину полкилометра или больше, и в одном известном терминале в действительности используется трубопровод для перекачивания длиной около 3,5 километров для погрузки СПГ на транспортные суда.
Как для погрузки СПГ на судно, так и для выгрузки СПГ с него совершенно необходимо, чтобы трубопровод для перекачивания представлял собой такой трубопровод, который можно предварительно охлаждать до криогенных температур перед тем, как начинается операция погрузки/выгрузки, так чтобы можно было избежать напряжений и нагрузок от операции охлаждения в продолжение фактической операции по перекачиванию СПГ и чтобы избыточные количества СПГ не испарялись в трубопроводе для перекачивания и не переполняли установку для переработки выкипевшего газа на ранних стадиях погрузки/выгрузки. То есть перед началом операции погрузки/выгрузки трубопровод для перекачивания должен быть охлажден от температуры окружающей среды до криогенной температуры, примерно 110°К (-162°С), чтобы предотвратить образование избыточных количеств газа в трубопроводе для перекачивания.
По техническим причинам в настоящее время обычной практикой является охлаждение трубопровода для перекачивания до необходимой криогенной температуры перед началом его использования и затем поддержание в нем этой температуры все время после этого, не допуская повышения температуры в трубопроводе выше определенной низкой температуры. Таким образом, в трубопроводах для перекачивания СПГ осуществляется поддержание в трубопроводе для перекачивания определенной криогенной температуры, например около 110°К (-162°С), не только перед операцией перекачивания и в продолжение нее, но также в продолжение периодов простоя между операциями перекачивания, т.е. тех периодов времени, которые имеют место между завершением одной операции погрузки/выгрузки и началом другой.
В зависимости от требований эти периоды простоя могут быть относительно продолжительными по времени. Например, на некоторых терминалах каждую неделю могут появляться только одно или два транспортных судна с СПГ. Поскольку операция погрузки/выгрузки обычно завершается в пределах примерно двенадцати часов, конкретный трубопровод для перекачивания может активно использоваться только от примерно двенадцати до примерно двадцати четырех часов в продолжение одной недели. Таким образом, в трубопроводе для перекачивания должна поддерживаться криогенная температура в течение целой недели, даже если трубопровод будет использоваться только спорадически на короткое время и останется в простое остальное время.
Как будет понятно специалистам в этой области техники, необходимо избегать повторного нагрева трубопровода для перекачивания в продолжение этих периодов простоя, поскольку трубопровод должен будет «повторно охлаждаться» перед каждой операцией перекачивания. На это будет потрачено много времени, что в результате приведет к существенным задержкам погрузки/выгрузки транспортного судна, что, в свою очередь, значительно повысит затраты на транспортирование СПГ. Кроме того, любой повторный нагрев и охлаждение трубопровода вызывают напряжения в трубопроводе, которые могут вызвать ранние повреждения установки для перекачивания.
Согласно известному уровню техники в установках для перекачивания СПГ этого типа трубопровод для перекачивания сначала охлаждается, и в нем поддерживаются криогенные температуры путем установки двух параллельных трубопроводов, которые проходят между резервуаром для хранения на берегу и оборудованием морского причала для транспортного судна с СПГ. В продолжение операции перекачивания (например, выгрузки) два параллельных трубопровода работают в унисон, причем оба они подают СПГ из транспортного судна в резервуар для хранения на берегу. После завершения операции выгрузки два трубопровода соединяются вместе по потоку текучей среды на оборудовании морского причала, чтобы образовать замкнутый трубопровод, имеющий как вход, так и выход в находящемся на берегу резервуаре для хранения. Циркуляционные насосы, обычно установленные внутри резервуара для хранения на берегу, откачивают СПГ из резервуара, сжимают его и подают его через вход замкнутого трубопровода. СПГ проходит из резервуара для хранения в оборудование причала через один из параллельных трубопроводов и возвращается в резервуар через другой трубопровод.
Передача тепла в трубопроводы и мощность, потребляемая циркуляционными насосами, приводят к подъему температуры в параллельных трубопроводах, тем самым нагревая СПГ в трубопроводах. Это в свою очередь приводит в результате к частичному превращению СПГ в газ, таким образом создавая нежелательный двухфазный поток по меньшей мере в частях трубопроводов, что в свою очередь налагает жесткие ограничения на конструкцию и эксплуатацию трубопроводов для перекачивания. Для облегчения решения этой проблемы оба параллельных трубопровода обычно изолируются, чтобы свести к минимуму передачу тепла в трубопроводы. В то время как снабженные массивной изоляцией трубопроводы работают относительно хорошо, когда имеют место относительно короткие расстояния перекачивания, они имеют значительные недостатки, когда используются для перекачивания СПГ на большие расстояния. Например, в терминале, где трубопровод для перекачивания имел длину примерно 3,5 км, расходы, требуемые для поддержания необходимой криогенной температуры, были примерно в 3 раза выше, чем требуемые в других типичных терминалах СПГ, имеющих более короткие трубопроводы для перекачивания (например, от 100 до 500 м). Такие высокие расходы являются неэкономичными, что делает охлаждение трубопровода для перекачивания в продолжение периодов простоя непрактичным из-за относительно большой длины трубопровода.
Недавно были предложены установки для перекачивания для использования в терминалах СПГ, где транспортное судно причаливает в море на значительно больших расстояниях (например, до 6 км), чем принято в настоящее время. Например, в описании к патенту США 6012292, выданном 11 января 2000 г., описана установка для перекачивания, в которой трубопровод для перекачивания сконструирован путем размещения трубопровода возврата внутрь основного трубопровода для перекачивания, посредством чего значительно улучшаются изоляционные характеристики трубопроводов, что, в свою очередь, существенно уменьшает величину двухфазного потока в более длинном трубопроводе. Однако при этом все еще сохраняется потребность дальнейшего уменьшения степени испарения СПГ в трубопроводе для перекачивания, особенно когда длины этих трубопроводов продолжают увеличиваться.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатка, связанного с дальнейшим уменьшением степени испарения СПГ в трубопроводе для перекачивания при увеличении длины таких трубопроводов.
Поставленная задача достигается посредством установки для перекачивания криогенных текучих сред между первым пунктом и вторым пунктом, включающей средство для охлаждения установки, когда по ней не перекачиваются криогенные текучие среды, содержащей первый трубопровод для перекачивания, проходящий между первым пунктом и вторым пунктом, причем первый трубопровод для перекачивания имеет первый конец, который заканчивается в первом пункте, и второй конец, который заканчивается во втором пункте, второй трубопровод для перекачивания, проходящий между первым пунктом и вторым пунктом, причем второй трубопровод для перекачивания имеет первый конец, который заканчивается в первом пункте, и второй конец, который заканчивается во втором пункте, трубу, соединяющую по потоку текучей среды первый конец первого трубопровода для перекачивания с первым концом второго трубопровода для перекачивания, входной трубопровод, соединенный по потоку текучей среды одним концом с трубой и приспособленный для того, чтобы его другой конец соединялся с насосом для перекачивания в первом пункте, вентиль во входном трубопроводе для открытия и закрытия входного трубопровода, первый циркуляционный насос во втором пункте, имеющий вход, соединенный по потоку текучей среды с одним первым или вторым трубопроводом для перекачивания, и имеющий выход, соединенный по потоку текучей среды с другим первым или вторым трубопроводом для перекачивания, посредством чего циркулирующая криогенная текучая среда циркулирует при помощи первого циркуляционного насоса через замкнутый контур, образованный первым трубопроводом для перекачивания и вторым трубопроводом для перекачивания, трубой и первым насосом, чтобы посредством этого осуществлять охлаждение трубопроводов для перекачивания, когда установка не используется.
Установка содержит теплообменник, соединенный по потоку текучей среды между выходным отверстием первого циркуляционного насоса и другим первым или вторым трубопроводом для перекачивания для охлаждения циркулирующей криогенной текучей среды после того, как она пройдет через первый циркуляционный насос.
Установка включает первый пункт, содержащий первый резервуар для хранения криогенных текучих сред, и второй пункт, содержащий второй резервуар для хранения криогенных текучих сред.
Установка включает первый циркуляционный насос, содержащий насос, создающий высокое противодавление и низкий расход.
Установка включает теплообменник, расположенный внутри второго резервуара в контакте с криогенной текучей средой, которая в нем хранится.
Установка включает второй циркуляционный насос во втором пункте, имеющий вход, приспособленный для приема криогенной текучей среды из второго резервуара, и имеющий выход, соединенный по потоку с одним первым или вторым трубопроводом для перекачивания, посредством чего циркулирующая криогенная текучая среда циркулирует при помощи второго циркуляционного насоса через открытый контур, образованный первым трубопроводом для перекачивания и вторым трубопроводом для перекачивания, трубой и вторым насосом для того, чтобы посредством этого осуществлять дополнительное охлаждение трубопроводов для перекачивания перед началом операции перекачивания.
Установка содержит первый вентиль в первом трубопроводе для перекачивания для открытия и закрытия потока через второй конец первого трубопровода для перекачивания для того, чтобы обеспечить возможность прохода криогенных текучих сред из первого трубопровода для перекачивания во второй резервуар, когда первый вентиль открыт, и вентиль во втором трубопроводе для перекачивания для открытия и закрытия потока через второй конец второго трубопровода для перекачивания, для того, чтобы обеспечить возможность прохода криогенных текучих сред из второго трубопровода для перекачивания во второй резервуар, когда вентиль открыт.
Поставленная задача достигается также посредством способа охлаждения установки для перекачивания, которая используется для перекачивания криогенных текучих сред между первым пунктом и вторым пунктом, когда установка не используется, причем установка содержит два трубопровода для перекачивания, которые проходят между первым пунктом и вторым пунктом, включающий следующие стадии: соединение вместе по потоку текучей среды соответствующих концов первого и второго трубопроводов для перекачивания для образования замкнутого контура, когда установка не используется, осуществление циркуляции сжатой криогенной текучей среды через замкнутый контур для того, чтобы обеспечивать охлаждение и поддержание температуры в первом и втором трубопроводах для перекачивания при температуре, при которой криогенная текучая среда остается в жидкой фазе.
Предпочтительно, криогенную текучую среду сжимают и осуществляют ее циркуляцию путем прохода криогенной текучей среды через насос, создающий высокое противодавление и низкий расход в указанном замкнутом контуре.
Способ дополнительно включает стадию охлаждения сжатой криогенной текучей среды после прохождения ее через насос.
Предпочтительно, первым пунктом является первый резервуар для хранения криогенной текучей среды и вторым пунктом является второй резервуар для хранения криогенной текучей среды, при этом сжатую криогенную текучую среду охлаждают путем прохода через теплообменник, расположенный внутри второго резервуара. При этом криогенной текучей средой является сжиженный природный газ.
Способ дополнительно включает следующие стадии: прекращение циркуляции через замкнутый контур и осуществление циркуляции криогенной текучей среды из второго резервуара через первый и второй трубопроводы для перекачивания при высоком расходе и низком давлении.
В обычной операции выгрузки криогенная текучая среда перекачивается из первого резервуара во второй резервуар через оба трубопровода для перекачивания, как это делается в установках для перекачивания этого типа согласно известному уровню техники. Однако в продолжение периодов простоя, когда криогенная текучая среда, например СПГ, не выгружается, но в трубопроводе должна поддерживаться криогенная температура, согласно настоящему изобретению соответствующие концы обоих трубопроводов для перекачивания соединяются вместе по потоку текучей среды для того, чтобы образовать замкнутый контур, когда установка не используется, и криогенная жидкость (например СПГ) циркулирует под давлением для поддержания в трубопроводах температуры, при которой циркулирующая криогенная текучая среда остается в одной фазе, т.е. жидкостью.
Замкнутый контур образуется путем соединения вместе по потоку текучей среды соответствующих концов двух трубопроводов для перекачивания в первом резервуаре посредством трубы. Другие концы трубопроводов для перекачивания соединяются вместе по потоку текучей среды во втором резервуаре, который включает первый насос, создающий высокое противодавление и низкий расход, и теплообменник. Первый циркуляционный насос сжимает СПГ до относительно высокого давления (например, 10 бар) перед проходом сжатого СПГ через теплообменник, который, в свою очередь, охлаждает сжатый СПГ. Теплообменник расположен внутри второго резервуара для хранения в контакте с СПГ, который в нем хранится и в свою очередь действует как холодильный агент для теплообменника.
Циркуляция охлажденного СПГ продолжается в замкнутом контуре в продолжение большей части периода простоя, в котором установка не используется и никакие операции по перекачиванию не производятся. В течение короткого периода времени (например, 2-3 часов), перед тем, как должна начаться операция по перекачиванию (например, с прибытием следующего транспортного судна с СПГ), циркуляция СПГ внутри замкнутого контура может быть выключена, и начинается охлаждение при помощи второго насоса, создающего низкое противодавление и высокий расход, для дальнейшего понижения температуры трубопроводов для перекачивания перед началом операции по перекачиванию.
Преимущества настоящего изобретения являются значительными. Путем поддержания циркулирующего СПГ в трубопроводах для перекачивания под высоким давлением (например, около 10 бар или выше) в продолжение периодов простоя в трубопроводах может сохраняться температура, которая значительно выше номинальной температуры в точке начала кипения СПГ (например, 110°К (-162°С)), что обычно считается необходимым для традиционных трубопроводов для перекачивания, которые эксплуатируются при значительно более низком давлении (например, 1 бар). Путем уменьшения разницы температур между температурой в трубопроводе и в окружающей среде достигается уменьшение теплового потока в трубопроводы для перекачивания.
Действительная конструкция, эксплуатация и очевидные преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны с помощью чертежей, не обязательно выполненных в масштабе, на которых одинаковые номера обозначают одинаковые элементы и на которых:
Фиг.1 (известный уровень техники) представляет собой схематическую иллюстрацию типичной установки с трубопроводами для перекачивания согласно известному уровню техники для того, чтобы перекачивать криогенные текучие среды в продолжение операции перекачивания;
Фиг.2 (известный уровень техники) представляет собой схематическую иллюстрацию типичной установки с трубопроводами для перекачивания согласно известному уровню техники на фиг.1 в продолжение периода простоя;
Фиг.3 представляет собой схематическую иллюстрацию установки с трубопроводами для перекачивания согласно настоящему изобретению в продолжение операции перекачивания СПГ;
Фиг.4 представляет собой схематическую иллюстрацию трубопровода для перекачивания согласно настоящему изобретению в продолжение периода простоя, т.е. периода между двумя последовательными операциями выгрузки/погрузки; и
Фиг.5 представляет собой график температура-давление с границами фаз типичного состава СПГ, на котором показано сравнение давлений и температур СПГ, когда он циркулирует в типичной установке с трубопроводами для перекачивания согласно известному уровню техники, с давлениями и температурами СПГ того же состава, который циркулирует в установке с трубопроводами для перекачивания согласно настоящему изобретению.
На фиг.1 схематически показана типичная установка 10 для перекачивания согласно известному уровню техники для того, чтобы перекачивать криогенную текучую среду (например, сжиженный природный газ «СПГ») из первого пункта (например, резервуара 11 для хранения на борту танкера (танкер не показан на фигурах)) во второй пункт (например, резервуар 12 для хранения на берегу в терминале СПГ). Как понятно из уровня техники, резервуар 11 может представлять собой один или несколько таких резервуаров на морском транспортном судне, которое, в свою очередь, причалено к конструкции для погрузки/выгрузки, которая расположена на некотором расстоянии в море. Как только судно причалит надлежащим образом, установка 10 для перекачивания соединяется с ним, и начинается операция по перекачиванию (например, операция выгрузки, показанная на фигурах).
Типичная установка 10 для перекачивания согласно известному уровню техники содержит два параллельных трубопровода: 13 (например, трубопровод возврата) и 14 (например, основной трубопровод для перекачивания), причем оба они проходят между резервуаром 11 в море и резервуаром 12 на берегу. Эти трубопроводы могут быть отдельными трубопроводами либо один трубопровод может находиться внутри другого, смотри Патент США 6012292, выданный 11 января 2000 г. Первые концы каждого трубопровода 13, 14, которые находятся внутри резервуара 11, соединены вместе по потоку текучей среды трубой 15, которая, в свою очередь, имеет входной трубопровод 16, соединенный с ней по потоку текучей среды. Вентиль 17 расположен во входном трубопроводе 16 для того, чтобы регулировать поток, проходящий через него. Другие концы трубопроводов 13 и 14 находятся внутри резервуара 12 на берегу. Первый циркуляционный насос 18, создающий низкое противодавление и высокий расход, соединен с одним из трубопроводов (например, трубопроводом 14) выше по потоку, чем вентиль 19, посредством трубопровода 20, в котором, в свою очередь, имеется вентиль 21 для целей, описанных ниже.
Когда должна быть выполнена операция перекачивания (например, выгрузка резервуара 11), судно причаливает к конструкции в море, и входной трубопровод 16 установки 10 для перекачивания соединяется посредством соединения 22 или тому подобного с выходом насоса 23 для перекачивания. Вентили 17 и 19 открываются, и вентиль 21 закрывается, и насос 23 для перекачивания начинает перекачивать СПГ из резервуара 11 в резервуар 12 через оба трубопровода 13, 14. Таким образом, оба трубопровода 13 и 14 действуют в унисон, т.е. по обоим подается СПГ в одном направлении из резервуара 11 на транспортном судне в резервуар 12 на берегу.
Однако перед началом операции выгрузки установку 10 для перекачивания нужно охладить от температуры окружающей среды до криогенной температуры, примерно 110ºК, и нужно поддерживать в ней эту температуру в продолжение периодов простоя, когда не выполняется операция перекачивания. Обычной практикой является охлаждение установки для перекачивания перед началом ее использования и затем поддержание в ней этой температуры все время после этого. Таким образом, в установке 10 должна поддерживаться эта низкая температура, даже если установка может использоваться только в течение коротких периодов (например, 12-24 часа) в течение любой одной недели. Погрузка СПГ в транспортное судно аналогична по компоновке, за исключением того, что действует комплект насосов для погрузки (не показан) в находящемся на берегу резервуаре 12, и СПГ проходит по обоим трубопроводам 13, 14 по направлению к резервуару 11 на судне.
Для того, чтобы производить начальное охлаждение установки 10 и/или чтобы поддерживать в установке криогенную температуру, соединение 22 на входном трубопроводе 16 отсоединяется от насоса 23 для перекачивания на транспортном судне (фиг.2), вентили 17 и 19 закрываются, и вентиль 21 открывается. Циркуляционный насос(ы) 18, обычно установленный внутри резервуара 12 для хранения, откачивает СПГ из резервуара 12, сжимает и подает его в один конец трубопровода 14. Этот СПГ циркулирует в открытом контуре, образованном трубопроводом 14, соединительной трубой 15 и трубопроводом 13 возврата, и поступает обратно в исходный резервуар 12, где он выходит в резервуар через открытый конец трубопровода 13.
Когда СПГ проходит по всей длине этого контура, свойственная этому передача тепла в трубопроводы для перекачивания и энергия, которая сообщается СПГ циркуляционным насосом 18, вызывают нагрев СПГ, тем самым приводя к частичному превращению СПГ в газ, когда он циркулирует через установку 10 для перекачивания. В связи с этим частичным превращением в газ создается поток двухфазной текучей среды (т.е. жидкости и газа) по меньшей мере в некоторых частях установки для перекачивания. Это налагает жесткие ограничения на конструкцию установки для перекачивания и ее эксплуатацию. Для того, чтобы предотвратить избыточное превращение в газ, СПГ обычно циркулирует при относительно высоких расходах в продолжение периодов простоя в работе трубопровода для перекачивания.
При массивной изоляции трубопроводов для перекачивания установка 10, описанная выше, работает хорошо, пока длина трубопроводов относительно невелика, например 1-2 км или меньше. Для более длинных трубопроводов для перекачивания расходы СПГ должны быть увеличены еще больше, что требует более мощных насосов и приводит в результате к чрезмерному кипению в циркуляционных трубопроводах. Например, в известном терминале, чтобы поддерживать трубопроводы для перекачивания длиной 3,5 км при требуемой криогенной температуре, расходы должны быть примерно в три раза больше, чем требуемые в других типичных терминалах, имеющих более короткие трубопроводы для перекачивания. Это является по крайней мере очень неэкономичным и может стать технически невозможным, если длина трубопроводов для перекачивания будет увеличиваться.
В идеальной установке для перекачивания совсем не должно быть кипения (т.е. превращения в газ), при этом СПГ, который проходит через нее в продолжение периодов простоя, должен всегда быть в одной фазе (т.е. жидкостью). Это является преимуществом настоящего изобретения, по которому СПГ, используемый для охлаждения установки для перекачивания, циркулирует в замкнутом контуре под высоким давлением, например 10 бар, и переохлаждается до нормальной температуры СПГ в резервуаре для хранения на берегу, пока он продолжает в нем циркулировать.
На фиг.5 графически показано чем настоящее изобретение отличается от установок для перекачивания согласно известному уровню техники. Обычно можно предположить, что СПГ на дне резервуара 12 для хранения, где расположен циркуляционный насос(ы) 18, находится под давлением, близким к атмосферному (наихудшее условие для конструкции установки) и при температуре примерно -162°С (111ºК); тем самым он находится на линии 30 точек начала кипения (фиг.5) этого конкретного состава СПГ при давлении, близком к атмосферному. Обычно, согласно известному уровню техники, циркуляционный насос(ы) 18 откачивает СПГ из резервуара 12 у его входа (точка «А» на графике фиг.5) и сжимает его до точки «В» (т.е. выхода насоса 18). Он слегка охлаждается до точки «С» (т.е. поверхности СПГ в резервуаре 12) перед тем, как он будет циркулировать в открытом контуре, показанном на фиг.2, чтобы вернуться в резервуар 12 в точке «D» (т.е. там, где возвращающаяся текучая среда СПГ входит в резервуар 12), где он имеет давление и температуру, которые находятся внутри двухфазного (т.е. жидкость и газ) участка, ниже линии 30 точек начала кипения.
Несмотря на то, что насос(ы) 18 сжимает СПГ достаточно для того, чтобы создать требуемый расход через установку 10 для перекачивания, этого сжатия СПГ недостаточно для того, чтобы предотвратить образование двухфазной текучей среды в контуре.
На фиг.3 и 4 изображена установка 40 для перекачивания согласно настоящему изобретению, которая содержит два параллельных трубопровода 43 (например, трубопровод возврата) и 44 (например, основной трубопровод для перекачивания), из которых оба проходят между первым пунктом (например, резервуаром 41 на судне в море или тому подобном) и вторым пунктом (например, резервуаром 42 на берегу). Кроме того, эти трубопроводы могут быть отдельными трубопроводами либо один трубопровод может находиться внутри другого, смотри патент США 6012292, выданный 11 января 2000 г. Первые концы каждого из трубопроводов 43, 44, которые находятся внутри резервуара 41, соединены вместе по потоку текучей среды трубой 45, которая, в свою очередь, имеет входной трубопровод 46, соединенный с ней по потоку текучей среды. Вентиль 47 расположен во входном трубопроводе 46, чтобы регулировать поток через него. Другие концы трубопроводов 43 и 44 находятся внутри резервуара 42 в море и регулируются вентилями 50, 51, соответственно.
Вход первого циркуляционного насоса 55, создающего высокое давление и низкий расход, соединен с одним из трубопроводов для перекачивания (например, трубопроводом 43 возврата) выше по потоку, чем вентиль 50, посредством трубопровода 54, который имеет вентиль 56 для регулирования расхода. Вентиль 56 может действовать как «дроссельный» вентиль, чтобы регулировать противодавление насоса 55, либо отдельный обратный клапан (не показан) может быть расположен выше по потоку, чем насос 55. Выход насоса 55 соединен с другим трубопроводом для перекачивания (например, основным трубопроводом 44 для перекачивания) посредством трубопровода 57, который, в свою очередь, имеет теплообменник 58 и вентиль 58а для регулирования расхода. Второй циркуляционный насос 60, создающий низкое противодавление и высокий расход, имеет вход внутри резервуара 42, и его выход соединен с основным трубопроводом 44 для перекачивания посредством трубопровода 63 и вентиля 64.
Для выгрузки СПГ из резервуара 41 установка 40 для перекачивания соединена посредством соединения 52 с насосом 53 для перекачивания внутри резервуара 41. При открытых вентилях 47, 51, 50 и закрытых вентилях 56, 58а и 64 насос 53 включается, чтобы обеспечить откачивание СПГ из резервуара 41 через оба трубопровода 43 и 44 в резервуар 42. В продолжение этой операции циркуляционные насосы 55 и 60 не работают. Как только операция выгрузки закончится, установка 40 для перекачивания отсоединяется от судна и предпочтительно охлаждается в то время, пока ожидается другое судно.
Несмотря на то, что операция выгрузки согласно настоящему изобретению аналогична описанной традиционной операции выгрузки, охлаждение установки 40 в продолжение интервала простоя, т.е. в продолжение периода простоя между двумя последовательными операциями выгрузки/погрузки, является совершенно отличным, поскольку согласно настоящему изобретению большую часть времени СПГ циркулирует по трубопроводам для перекачивания в компоновке замкнутого контура под высоким давлением. На фиг.4 показано, как это осуществляется путем закрытия вентилей 47, 50, 51 и 64, открытия вентилей 58а и 56 и включения насоса 55, создающего высокое противодавление и низкий расход. В зависимости от конструкции трубопровода для перекачивания, например длины трубопровода, диаметра трубопровода и конструктивных температурных параметров, противодавление и расход определяются таким образом, чтобы, когда СПГ в установке с замкнутым контуром поступает в насос 55 в точке Е (фиг.5), она была бы достаточно выше кривой 30 точек начала кипения и оставалось выше кривой 30 во время циркуляции в замкнутом контуре.
На фиг.4 показано, что в установке 40 для перекачивания с циркуляцией в замкнутом контуре согласно настоящему изобретению первый циркуляционный насос 55 сначала сжимает СПГ из резервуара 42 до высокого давления, например до 10 бар абс., причем точка начала кипения при 10 бар составляет приблизительно -126°С. Это означает, что пока жидкость является более холодной, чем -126°С, не происходит превращения ее в газ до тех пор, пока СПГ остается под этим или под более высоким давлением. После циркуляции в течение некоторого времени достигаются условия равновесия в замкнутом контуре, и жидкий СПГ возвращается на вход насоса 55 в резервуаре 42 при давлении и температуре, представленных точкой Е на графике фиг.5, т.е. 5 бар и -140°С. (Точка Е на фиг.5 выбрана только для иллюстрации сущности настоящего изобретения). Состояние СПГ и положение действительных точек на графике определяются конкретным применением. СПГ теперь сжимается до относительно высокого давления (например, 10 бар) на выходе насоса 55 (точка F). Однако этот подъем давления СПГ также дает в результате подъем его температуры (например, -136°С).
На фиг.4 показано, что этот сжатый и нагретый СПГ затем проходит через теплообменник 58, чтобы посредством этого охладить его до точки G (например, -150°С) перед тем, как СПГ войдет в трубопровод 44 и пройдет через замкнутый циркуляционный контур. После того, как СПГ завершит цикл прохода через замкнутый контур, он возвращается на поверхность СПГ в резервуаре 42 при температуре и давлении, представленными точкой Н на графике фиг.5, которая достаточно выше кривой 30 точек начала кипения. Когда возвращающийся СПГ контактирует с СПГ в резервуаре 42 для хранения, он снова слегка охлаждается, за счет СПГ в резервуаре, до точки Е (фиг.5) перед тем, как он снова поступит на вход насоса 55 в схеме замкнутого циркуляционного контура.
При надлежащей конструкции для конкретного применения переохлажденный сжатый СПГ продолжает (а) проходить по циркуляционному контуру, (b) терять давление из-за трения в трубопроводе и других причин, (c) получать тепло в связи с процессами передачи природного тепла и (d) возвращаться на вход насоса 55 в виде однофазной жидкости. Эти отличия приводят в результате к нескольким значительным преимуществам. Во-первых, передача тепла в трубопроводы для перекачивания уменьшится, поскольку будет меньше перепад температур между температурой окружающей среды и высокой (криогенной) температурой в трубопроводах для перекачивания; т.е. трубопроводы будут эксплуатироваться при более высокой температуре (например, -140°С вместо -160°С при обычной эксплуатации в открытом контуре).
Во-вторых, будет иметь место режим только однофазного потока в установке для перекачивания, поскольку переохлажденный СПГ имеет большую емкость для абсорбции газа перед достижением его точки начала кипения. В-третьих, меньшие затраты мощности насоса требуются в связи с режимом однофазного потока и уменьшенной передачей тепла в трубопроводы, что существенно уменьшает испарение СПГ внутри установки. В установке с замкнутым контуром согласно настоящему изобретению по существу весь выкипевший пар образуется в теплообменнике внутри резервуара в продолжение периодов простоя, а не в трубопроводах для перекачивания, как в обычных установках.
Первый циркуляционный насос 55 продолжает сжимать СПГ и осуществлять его циркуляцию в замкнутом контуре после того, как он пройдет через теплообменник 58. Эта циркуляция продолжается в течение большей части периода простоя между операциями перекачивания, чтобы поддерживать трубопроводы для перекачивания охлажденными и чтобы производить циркуляцию СПГ в одной фазе, т.е. в виде жидкости. В течение короткого периода времени (например, от двух до трех часов) перед следующей операцией перекачивания температуру установки 40 для перекачивания дополнительно понижают до эксплуатационной температуры, обычно используемой в традиционных операциях. Это дополнительное охлаждение осуществляется путем выключения первого циркуляционного насоса 55, закрытия вентилей 56, 58а, открытия вентилей 50 и 64 и включения второго циркуляционного насоса 60, создающего низкое противодавление и высокий расход. Насос 60 подает СПГ через открытый контур обычным способом при относительно низком давлении (например, 1 бар) и высоком расходе, обеспечивая охлаждение трубопроводов до требуемой температуры при подготовке к следующей операции перекачивания.
1. Установка для перекачивания криогенных текучих сред между первым пунктом и вторым пунктом, включающая средство для охлаждения установки, когда по ней не перекачиваются криогенные текучие среды, содержащая первый трубопровод для перекачивания, проходящий между первым пунктом и вторым пунктом, причем первый трубопровод для перекачивания имеет первый конец, который заканчивается в первом пункте, и второй конец, который заканчивается во втором пункте, второй трубопровод для перекачивания, проходящий между первым пунктом и вторым пунктом, причем второй трубопровод для перекачивания имеет первый конец, который заканчивается в первом пункте, и второй конец, который заканчивается во втором пункте, трубу, соединяющую по потоку текучей среды первый конец первого трубопровода для перекачивания с первым концом второго трубопровода для перекачивания, входной трубопровод, соединенный по потоку текучей среды одним концом с трубой и приспособленный для того, чтобы его другой конец соединялся с насосом для перекачивания в первом пункте, вентиль во входном трубопроводе для открытия и закрытия входного трубопровода, первый циркуляционный насос во втором пункте, имеющий вход, соединенный по потоку текучей среды с одним первым или вторым трубопроводом для перекачивания, и имеющий выход, соединенный по потоку текучей среды с другим первым или вторым трубопроводом для перекачивания, посредством чего циркулирующая криогенная текучая среда циркулирует при помощи первого циркуляционного насоса через замкнутый контур, образованный первым трубопроводом для перекачивания и вторым трубопроводом для перекачивания, трубой и первым насосом, чтобы посредством этого осуществлять охлаждение трубопроводов для перекачивания, когда установка не используется.
2. Установка по п.1, содержащая теплообменник, соединенный по потоку текучей среды между выходным отверстием первого циркуляционного насоса и другим первым или вторым, трубопроводом для перекачивания для охлаждения циркулирующей криогенной текучей среды после того, как она пройдет через первый циркуляционный насос.
3. Установка по п.2, в которой первый пункт содержит первый резервуар для хранения криогенных текучих сред, и второй пункт содержит второй резервуар для хранения криогенных текучих сред.
4. Установка по п.1, в которой первый циркуляционный насос содержит насос, создающий высокое противодавление и низкий расход.
5. Установка по п.3, в которой теплообменник расположен внутри второго резервуара в контакте с криогенной текучей средой, которая в нем хранится.
6. Установка по п.3, содержащая второй циркуляционный насос во втором пункте, имеющий вход, приспособленный для приема криогенной текучей среды из второго резервуара, и имеющий выход, соединенный по потоку с одним первым или вторым трубопроводом для перекачивания, посредством чего циркулирующая криогенная текучая среда циркулирует при помощи второго циркуляционного насоса через открытый контур, образованный первым трубопроводом для перекачивания и вторым трубопроводом для перекачивания, трубой и вторым насосом для того, чтобы посредством этого осуществлять дополнительное охлаждение трубопроводов для перекачивания перед началом операции перекачивания.
7. Установка по п.6, содержащая первый вентиль в первом трубопроводе для перекачивания для открытия и закрытия потока через второй конец первого трубопровода для перекачивания для того, чтобы обеспечить возможность прохода криогенных текучих сред из первого трубопровода для перекачивания во второй резервуар, когда первый вентиль открыт, и вентиль во втором трубопроводе для перекачивания для открытия и закрытия потока через второй конец второго трубопровода для перекачивания, для того, чтобы обеспечить возможность прохода криогенных текучих сред из второго трубопровода для перекачивания во второй резервуар, когда вентиль открыт.
8. Способ охлаждения установки для перекачивания, которая используется для перекачивания криогенных текучих сред между первым пунктом и вторым пунктом, когда установка не используется, причем установка содержит два трубопровода для перекачивания, которые проходят между первым пунктом и вторым пунктом, включающий следующие стадии: соединение вместе по потоку текучей среды соответствующих концов первого и второго трубопроводов для перекачивания для образования замкнутого контура, когда установка не используется, осуществление циркуляции сжатой криогенной текучей среды через замкнутый контур для того, чтобы обеспечивать охлаждение и поддержание температуры в первом и втором трубопроводах для перекачивания при температуре, при которой криогенная текучая среда остается в жидкой фазе.
9. Способ по п.8, в котором криогенную текучую среду сжимают и осуществляют ее циркуляцию путем прохода криогенной текучей среды через насос, создающий высокое противодавление и низкий расход в указанном замкнутом контуре.
10. Способ по п.9, который дополнительно включает стадию охлаждения сжатой криогенной текучей среды после прохождения ее через насос.
11. Способ по п.10, в котором первым пунктом является первый резервуар для хранения криогенной текучей среды и вторым пунктом является второй резервуар для хранения криогенной текучей среды, при этом сжатую криогенную текучую среду охлаждают путем прохода через теплообменник, расположенный внутри второго резервуара.
12. Способ по п.11, в котором криогенной текучей средой является сжиженный природный газ.
13. Способ по п.12, который дополнительно включает следующие стадии: прекращение циркуляции через замкнутый контур, и осуществление циркуляции криогенной текучей среды из второго резервуара через первый и второй трубопроводы для перекачивания при высоком расходе и низком давлении.
