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KR102804952B1 - 가압 가스로 탱크를 충전하기 위한 설비 및 방법 - Google Patents

가압 가스로 탱크를 충전하기 위한 설비 및 방법 Download PDF

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KR102804952B1
KR102804952B1 KR1020190144362A KR20190144362A KR102804952B1 KR 102804952 B1 KR102804952 B1 KR 102804952B1 KR 1020190144362 A KR1020190144362 A KR 1020190144362A KR 20190144362 A KR20190144362 A KR 20190144362A KR 102804952 B1 KR102804952 B1 KR 102804952B1
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KR
South Korea
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temperature
fluid
buffer storage
storage vessel
tank
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KR1020190144362A
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English (en)
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KR20200056932A (ko
Inventor
안 타오 티에
기욤 까르돈
Original Assignee
레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Publication date
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Abstract

액화 가스 공급원(2) 및 상류에서 하류로 직렬로 배열된, 하류 방향으로 공급원으로부터 나오는 유체를 변위시키기 위한 부재(4), 온도 조절 장치(5, 6, 7), 가열 장치(5, 6, 7)의 출구에 연결된 입구와 이송 회로(3)의 하류 단부에 연결된 출구를 포함하는 버퍼 저장 용기(8)를 포함하는 이송 회로(3)를 포함하고, 설비(1)가 최소한 온도 조절 장치(5, 6, 7)를 제어하도록 구성된 전자 데이터 처리 및 저장 부재(10)를 포함하고, 전자 데이터 처리 및 저장 부재(10)가 유체가 버퍼 저장 용기(8)로부터 회수되어 탱크를 충전(12)하는 동안 상대적으로 더 높은 제1 온도에서 유체를 버퍼 저장 용기(8)에 공급하고, 및 유체가 버퍼 저장 용기(8)로부터 회수되지 않아 탱크(12)를 충전하지 않을 때 상대적으로 더 낮은 제2 온도에서 유체를 버퍼 저장 용기(8)에 유체를 공급하도록 구성되는, 가압 가스로 탱크를 충전하는 설비 및 방법.

Description

가압 가스로 탱크를 충전하기 위한 설비 및 방법 {Installation and method for filling tanks with pressurized gas}
본 발명은 가압 가스로 탱크를 충전하기 위한 설비 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 보다 특히 액화 가스 공급원 및 공급원에 연결된 상류 단부 및 충전될 탱크에 연결되도록 의도된 하나 이상의 하류 단부를 포함하는 유체-이송 회로를 포함하고, 이 이송 회로가 상류에서 하류로 직렬로 배열된, 하류 방향으로 공급원으로부터 나오는 유체를 변위시키기 위한 부재, 유체의 온도가 두 개 이상의 별개의 온도 사이에서 조절되도록 구성된 온도 조절 장치, 가열 장치의 출구에 연결된 입구와 이송 회로의 하류 단부에 연결된 출구를 포함하는, 즉, 충전될 탱크로 공급되는 유체는 저장 용기를 통해 지나야 하는 버퍼 저장 용기를 포함하고, 설비가 최소한 온도 조절 장치를 제어하도록 구성된 전자 데이터 처리 및 저장 부재를 포함하는 설비를 포함하는, 가압 가스, 특히 가압 수소로 탱크를 충전하는 설비에 관한 것이다. 고용량 수소 차량 재충전 스테이션을 제공하기 위해서는 액체 수소의 공급이 필요하다. 액체 액화 가스의 공급은 또한 스테이션에 냉각 에너지 공급원을 제공한다. 다른 냉각 공급원도 스테이션에서 구할 수 있다. 차량을 충전하려면 수소는 일반적으로 -30 ℃ - -40 ℃로 (사전) 냉각되어야 한다.
차량 탱크를 충전하기 전에 수소의 사전 냉각이 매우 요구된다. 냉각되는 유량은 일반적으로 고압에서(100 - 1000 bar) 매우 가변적인 유량(0.5 - 3.6 ㎏/분)과 매우 가변적인 입구 온도(주변 온도, -20 ℃ ~ 40 ℃)이다. -40 ℃ 내지 -33 ℃ 범위에서 단지 몇 도의 차이로 미세한 온도 조절이 필요하다.
이용 가능한 냉류는 매우 다른 특성, 매우 낮은 온도 (액체 수소의 경우 -253 ℃, 또는 극저온 펌프의 출구 측에서 -193 ℃ 내지 -123 ℃ 범위); 설비에 따른 다양한 압력 및 유량을 갖는다.
예를 들어 WO2017186337A 또는 US5479966과 같은, 다양한 해결책이 알려져 있다.
그러나 이러한 해결책은 스테이션을 사용할 때 냉류 및 열류를 효과적으로 관리할 수 없게 한다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 종래 기술의 단점 전부 또는 일부를 완화시키는 것이다.
이를 위해, 본 발명에 따른 설비는, 상기 전문에 주어진 일반적인 정의에 따른 다른 측면에서, 전자 데이터 처리 및 저장 부재가 유체가 버퍼 저장 용기로부터 회수되어 탱크를 충전하는 동안 상대적으로 더 높은 제1 온도, 및 유체가 버퍼 저장 용기로부터 회수되지 않아 탱크를 충전하지 않을 때 상대적으로 더 낮은 제2 온도에서 유체를 버퍼 저장 용기에 공급하도록 구성되는 것을 본질적으로 특징으로 한다.
게다가, 본 발명의 실시양태는 다음 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다:
- 액체 변위 부재는 극저온 펌프를 포함하고,
- 온도 조절 장치는 하나가 유체를 가온하기 위한 교환기를 포함하는 두 개의 평행한 파이프를 가지는, 복제된 이송 회로의 일부를 포함하고, 온도 조절 부재의 하류의 유체 온도를 조절하기 위해 두 개의 평행한 파이프로의 공급원에서 나오는 유체의 분배를 지시하도록 구성된 밸브 세트를 포함하는 온도 조절 장치를 포함하고,
- 버퍼 저장 용기는 단열재를 포함하는 탱크이고,
- 이송 회로는 버퍼 저장 용기의 하류에 팽창 밸브, 유체의 온도를 조절하도록 구성된 열교환기 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명은 또한, 상기 또는 하기 특징 중 임의의 하나에 따른 설비를 사용하여, 가압 가스, 특히 가압 수소로 탱크를 충전하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 유체를 버퍼 저장 용기로부터 탱크로 이송과 동시에, 결정된 제1 온도에서 버퍼 저장 용기로의 유체의 이송의 제1 단계를 포함한다.
다른 가능한 특정 특징에 따르면:
- 상기 방법은 버퍼 저장 용기로부터 탱크로 유체를 이송한 후, 제1 온도보다 상대적으로 낮은 제2 온도에서 유체를 버퍼 저장 용기로 이송하는 제2 단계를 포함하고,
- 제1 온도는 230 K와 주변 온도 사이이며,
- 제2 온도는 50 내지 150 K에 포함되며,
- 유체를 버퍼 저장 용기로 이송하는 제1 단계 동안, 저장 시설에 공급되는 유체의 유량 및/또는 온도는 버퍼 저장 용기 내 압력 강하 및/또는 온도 강하를 방지하거나 버퍼 저장 용기 내의 압력 강하 및/또는 온도 강하를 결정된 값 미만으로 감소시키도록 제어된다.
본 발명은 또한 청구 범위의 범주 내에서 상기 또는 하기 특징의 임의의 조합을 포함하는 임의의 대안적인 장치 또는 방법에 관한 것일 수 있다.
다른 특정 특징 및 장점은 본 발명에 따른 설비의 구조 및 작동의 일례를 개략적으로 및 단순화된 형태로 도시하는 단일 도면을 참조하여, 주어진 다음의 설명을 읽으면 명백해질 것이다.
설비(1)는 액화 가스의 공급원(2) (예를 들어, 절연된 진공 탱크) 및 공급원(2)에 연결된 상류 단부 및 충전될 탱크(12)에 연결되도록 의도된 하나 이상의 하류 단부를 포함하는 유체 이송 회로(3)를 포함한다(여러 개의 별개의 탱크를 충전하기 위해 여러 하류 단부가 있는 것을 이해할 수 있다).
이송 회로(3)는 상류에서 하류로 직렬로 배열되어, 공급원으로부터 나오는 유체를 하류 방향(예를 들어 펌프)으로 변위시키기 위한 부재(4), 두 개 이상의 별개의 온도 사이의 유체의 온도의 조절이 가능하도록 구성된 온도 조절 장치(5, 6, 7), 및 버퍼 저장 용기(8)를 포함한다.
나타난 바와 같이, 하류에서, 이송 회로(3)는 또한 팽창 밸브(7) 및 탱크(12)로 이송하기 전에 온도를 조절하기 위한 열교환기(5)를 포함할 수 있다.
버퍼 저장 용기(8)는 가열 장치(5, 6, 7)의 출구에 연결된 입구 및 이송 회로(3)의 하류 단부에 연결된 출구를 포함한다. 즉, 충전될 탱크(12)에 공급된 유체는 버퍼 저장 용기(8)를 통과해야한다(대안적으로, 다수의 버퍼 저장 용기가 병렬로 고안될 수 있다). 버퍼 저장 용기(8)는, 예를 들어 단열을 포함하는 탱크(예를 들어, 유형 I 또는 유형 II 탱크)이다.
설비의 모든 또는 일부 부재(밸브, 펌프 등)는 적어도 온도 조절 장치(5, 6, 7)를 특히 제어하도록 구성된 전자 데이터 처리 및 저장 부재(10)에 의해 제어될 수 있다.
나타난 바와 같이, 온도 조절 장치는 바람직하게는 하나가 유체를 가온하기 위한 교환기(5)를 포함하는 두 개의 평행한 파이프를 가지는, 복제된 이송 회로의 일부를 포함하고, 온도 조절 장치의 하류의 유체 온도를 조절하기 위해 공급원에서 나오는 유체의 두 개의 평행한 파이프로의 분배를 지시하도록 구성된 밸브 세트를 포함하는 온도 조절 장치를 포함한다. 두 개의 평행한 레그들 중 하나 또는 둘 모두 사이에 공급원(2)으로부터 회수된 액체를 분배함으로써, 저온(모든 흐름이 따뜻한 교환기(5)를 피할 때)과 고온(모든 흐름이 따뜻한 교환기(5)를 통과할 때) 사이에서 유체의 온도를 제어하고 변화시키는 것이 가능하다. 이 두 온도 사이에는 달성할 수 있는 하나 또는 여러 개의 중간 온도가 있다.
하나의 유리한 특징에 따르면, 전자 데이터 처리 및 저장 부재(10)는 탱크(12)를 충전하기 위해 버퍼 저장 용기(8)로부터 유체가 회수되는 동안 상대적으로 더 높은 제1 온도에서 버퍼 저장 용기(8)에 유체를 공급하고, 및 유체가 버퍼 저장 용기(8)로부터 회수되어 탱크(12)를 충전하지 않을 때 상대적으로 더 낮은 제2 온도에서 버퍼 저장 용기(8)에 유체를 공급하도록 구성될 수 있다.
따라서, 설비의 구조는 상대적으로 간단할 수 있고 액체 수소 공급원, 극저온 펌프(4), 소형 대기 가열기(5), 간단한 조절 시스템을 갖는 하나 또는 그 이상의 버퍼 저장 용기(8)를 통해 단지 하나의 저장 설비(2)를 포함할 수 있다.
액체 수소는 극저온 온도에서 공급원(2)으로부터 버퍼 저장 용기(8)를 향해 직접 펌핑될 수 있다.
버퍼 저장 용기(8)는 탱크(12)에 상대적으로 차가운 수소를 공급할 준비를 하기 위해 열적으로 절연되고 저온을 유지하는 것이 바람직하다.
탱크(12)를 충전하는 단계 동안, 펌프(4)는 유체가 회수되는 동안 버퍼 저장 용기(8)의 압력 및 온도를 유지하기 위해 히터(5)에 의해 가열된 펌핑된 수소를 공급할 수 있다.
두 충전 작동 사이에, 버퍼 저장 용기(8)는 상대적으로 더 차가운 유체로 다시 한번 충전될 수 있다. 이 충전 단계 동안, 펌프(4)는 버퍼 저장 용기(8)의 충전에서 단열 가열을 보상하기 위해, 히터(5)를 피하는 경로를 통해 더 차가운 수소를 공급할 수 있다.
이 작동 모드는 줄-톰슨(Joule-Thomson) 효과를 보상하기 위해 버퍼 저장 용기(8)를 이송 회로의 하류 단부(예를 들어 200 - 230 K)에서 필요한 온도보다 낮은 거의 일정한 온도에서 유지할 수 있게 한다.
탱크(12)를 충전하는 동안, 출구 온도 조절기(5)는, 적절한 경우, 전달되는 유체의 온도를 정밀하게 조절할 수 있다.
상기 구조는 간단하고 효과적인 방식으로 펌프(4)의 출구에서 냉각 에너지를 사용할 수 있게 한다. 실제로 이 효과를 달성하기 위해 특별한 교환기가 필요하지 않으며, 제어 밸브의 임의의 복잡한 제어가 필요하지 않다.
펌핑된 액체 수소의 모든 냉각 용량이 사용될 수 있다. 전력 소비는 존재할 수 있는 임의의 히터(11)(예를 들어 전기 히터)에서 최소로 유지되는데, 이는 예를 들어 수 섭씨 온도까지 최대 가온을 제공할 뿐이다.
상기 구조 및 그 작동은 또한 펌프(4)의 전달 속도가 충전 전달 속도로부터 분리되도록 한다. 이것은 상대적으로 저출력 펌프(4) 및 가스가 공급되는 충전 스테이션으로부터 잘 알려진 고압 버퍼 저장 용기(8)로부터 충전 속도의 간단한 제어를 사용하는 것을 가능하게 한다.
버퍼 저장 용기(8)가 유체가 회수되는 단계 동안 가온된 수소로 충전된다는 사실은 버퍼 저장 용기(8)의 용량을 최대화하고 그 내부의 압력 강하를 최소화할 수 있게 한다.
버퍼 저장 용기(8)는 열적으로 절연되고, 상대적으로 낮은 온도, 예를 들어 200 내지 230 K에서 유지되거나 유지될 수 있다. 버퍼 저장 용기(8)는 열 손실을 최소화하기 위해 열적으로 절연되는 것이 바람직하다. 이 온도에서 단열하는 방법은 잘 알려져 있다. 또한 극저온을 견딜 수 있어야 한다.
바람직하게는, 버퍼 저장 용기가 제조되는 금속(또는 다른 재료)의 열 용량은 압력/온도 변화를 제한하기 위해, 그 안에 함유된 가스의 열 용량의 두 배 이상 높다. 단열재의 두께는 시스템의 총 열 용량(가스+버퍼 저장 용기)에 따라 계산 될 수 있다.
이를 통해 예를 들어 두께 10 ㎝ 미만의 폼 단열재로 대기 상태에서 12 시간 후 압력 변동을 30 bar로, 온도 변동을 10 ℃로 제한할 수 있다.
이 저장 설비(8)는 바람직하게는 유형 I 또는 유형 II이다.
탱크(12)의 충전 동안, 수소는 저온에서 버퍼 저장 용기(8)로부터 회수되고 하류 충전 조절 밸브(9)(예를 들어 줄-톰슨 타입)에서 팽창될 수 있다. 버퍼 저장 용기(8)의 온도는 이러한 팽창이 수소를 -33 ℃ 이상으로 가열하지 않도록 등급화될 수 있다. 이 온도는 예를 들어 200 K 내지 230 K로 구성될 수 있다. 이 단계 동안, 버퍼 저장 용기(8)를 떠나는 수소는 이어서 적절한 경우 충전될 탱크(12)에 연결된 충전 노즐을 향한 가스의 온도의 미세 조절을 허용하는 조절기(5)로 통과할 수 있다.
이 충전 단계 동안, 펌프(4)는 동시에 압력 및 온도의 저하를 최소화하기 위해 버퍼 저장 용기(8)의 충전에 기여할 수 있다.
이를 위해, 펌프(4)를 떠나는 유체는 버퍼 저장 용기(8)에 들어가기 전에 주변 히터(5)에 의해 완전히 가온될 수 있다.
해당 밸브(6)는 완전히 닫힌 상태로 유지될 수 있다.
상대적으로 따뜻한 수소의 이러한 허용은 버퍼 저장 용기(8)에서 단열 팽창에 의해 온도 및 압력의 저하를 최소화할 수 있게 한다.
이러한 작동 모드에서, 버퍼 저장 용기(8)의 압력 및 온도는 버퍼 저장 용기(들)(8)의 열 관성으로 인해 및 상대적으로 따뜻한 수소의 첨가로 인해, 펌프의 출력이 충전 전달 출력보다 훨씬 작더라도 탱크(12)를 충전하는 동안 거의 변하지 않는다.
열교환기(11)는 잠열 또는 현열을 이용하여 -33 ℃ 내지 -45 ℃ 범위의 온도에서 전기 히터 또는 냉각 에너지 저장 장치일 수 있다.
버퍼 저장 용기(8)를 충전하는 단계(탱크(12)의 충전 외부) 동안에, 펌프(4)는 "반-저온" 수소를 저장 용기(8)에 공급할 수 있다. 따라서, 버퍼 저장 용기(8)의 온도가 높은 임계치(예를 들어 220 - 230 K)에 도달하면, 공급원(2)로부터의 액체 수소는 버퍼 저장 용기(8)의 압력(예를 들어 400 내지 900 bar에 포함된 압력)까지 펌핑될 수 있다.
펌프(4)를 떠나는 이 극저온 수소(예를 들어, 80 내지 50 K의 온도)는 이를 가압하기 위해 버퍼 저장 용기(8) 내로 직접 향할 수 있다. 이 충전 온도에서, 저장 용기(8)는 (저장 용기(8)의 금속 질량에 따라 충전 사이클 당 0.5 내지 5 K) 정도 온도가 점차 떨어질 수 있다. 버퍼 저장 용기(8)의 온도가 낮은 임계치(예를 들어 약 200 K)에 도달하면, 버퍼 저장 용기(8)의 과도한 냉각을 피하기 위해 펌프(4)로부터의 고압 수소가 대기 가열기(5)를 통과하도록 지시될 수 있다.
펌핑된 수소로부터 프리고리(frigories)를 입력하지 않고 사용하지 않는 단계 동안, 열 손실은 버퍼 저장 용기(8) 내의 압력 및 온도의 상승을 유발할 수 있다.
버퍼 저장 용기(8)의 높은 열 관성은 이들 온도 변화를 부분적으로 부드럽게하는 것을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, (예를 들어 폼 유형의) 간단한 절연은 200 내지 230 K의 온도에서 버퍼 저장 용기(8) 100 l 당 50-100 W 정도로 손실을 감소시키기에 충분할 수 있다. 단열재의 품질(예: 단열재의 두께)은 압력 및 온도 상승이 지정된 대기 시간 동안 제한을 유지하도록 등급화될 수 있다. 예를 들어, 12 시간 정도의 대기 시간에 대한 기대는 일반적으로 50 bar 미만 및 20 K 미만이다. 압력 및 온도 설정점은 또한 이러한 증가를 설명하기 위해 마진을 포함할 수 있다.
버퍼 저장 용기(8)는 최대 작동 압력보다 30 내지 50 bar 낮은 압력 설정점을 가질 수 있다.
마찬가지로, 상기 버퍼액 저장 용기(8)는 줄-톰슨 효과로 충전하기 위해 필요한 온도보다 10 내지 20 K 미만의 온도 설정점을 가질 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 버퍼 저장 용기(8)는 상이한 압력 레벨(예를 들어, 400 내지 700 bar의 압력에 대한 것 및 800 내지 900 bar의 압력에 대한 것)에서 계단식으로 사용되는 몇몇 저장 용기를 포함할 수 있다. 이로 인해 줄-톰슨 효과를 제한할 수 있다.
본 발명은 탱크가 특히 액체 및/또는 가스 형태, 특히 초임계 형태의 가압 수소로 충전될 수 있게 한다.

Claims (10)

  1. 액화 가스 공급원(2) 및 공급원(2)에 연결된 상류 단부 및 충전될 탱크(12)에 연결되도록 의도된 하나 이상의 하류 단부를 포함하는 유체-이송 회로(3)를 포함하고, 이 이송 회로(3)가 상류에서 하류로 직렬로 배열된, 하류 방향으로 공급원으로부터 나오는 액체를 변위시키기 위한 부재(4), 유체의 온도가 두 개 이상의 다른 온도 사이에서 조절되도록 구성된 온도 조절 장치, 온도 조절 장치의 출구에 연결된 입구와 이송 회로(3)의 하류 단부에 연결된 출구를 포함하는, 즉, 충전될 탱크(12)로 공급되는 유체는 버퍼 저장 용기(8)를 통해 지나야 하는 버퍼 저장 용기(8)를 포함하고, 설비(1)가 최소한 온도 조절 장치를 제어하도록 구성된 전자 데이터 처리 및 저장 부재(10)를 포함하고, 전자 데이터 처리 및 저장 부재(10)가 유체가 버퍼 저장 용기(8)로부터 회수되어 탱크(12)를 충전하는 동안 상대적으로 더 높은 제1 온도에서 유체를 버퍼 저장 용기(8)에 공급하고 및 유체가 버퍼 저장 용기(8)로부터 회수되지 않아 탱크(12)를 충전하지 않을 때 상대적으로 더 낮은 제2 온도에서 유체를 버퍼 저장 용기(8)에 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가압 유체로 탱크를 충전하는 설비.
  2. 제1항에 있어서, 액체 변위 부재(4)가 극저온 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 온도 조절 장치는 두 개의 평행한 파이프를 가지는 복제된 이송 회로(3)의 일부를 포함하고, 두 개의 평행한 파이프 중 하나는 유체를 가온하기 위한 교환기(5)를 포함하며, 온도 조절 장치의 하류의 유체 온도를 조절하기 위해 공급원에서 나오는 유체의 두 개의 평행한 파이프로의 분배를 지시하도록 구성된 밸브 세트(6, 7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 버퍼 저장 용기(8)가 열적 단열을 포함하는 탱크인 것을 특징으로 하는 설비.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이송 회로(3)가 버퍼 저장 용기(8)의 하류에, 확장 밸브(9), 유체의 온도를 조절하도록 구성된 열 교환기(11) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  6. 유체를 버퍼 저장 용기(8)로부터 탱크(12)로 이송함과 동시에, 결정된 제1 온도에서 버퍼 저장 용기(8)로 유체를 이송하는 제1 단계를 포함하는, 제1항 또는 제2항에 따른 설비를 사용하여, 가압 유체로 탱크를 충전하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 버퍼 저장 용기(8)로부터 탱크(12)로 유체를 이송한 후, 제1 온도보다 상대적으로 낮은 제2 온도에서 버퍼 저장 용기(8)로 유체를 이송하는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제1 온도가 230 K와 설비 주변의 대기 온도 사이를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 제2 온도가 50 내지 150 K를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 유체를 버퍼 저장 용기(8)로 이송하는 제1 단계 동안, 저장 시설에 공급되는 유체의 유량 및 온도 중 적어도 하나는, 버퍼 저장 용기(8) 내의 압력 강하 및 온도 강하 중 적어도 하나를 방지하기 위해 제어되고, 또는 버퍼 저장 용기(8) 내의 압력 강하 및 온도 강하 중 적어도 하나를 결정된 값 미만으로 감소시키기 위해 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
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