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CN103189273A - 用于为船舶提供液化天然气燃料的方法和装置 - Google Patents

用于为船舶提供液化天然气燃料的方法和装置 Download PDF

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CN103189273A CN2011800411376A CN201180041137A CN103189273A CN 103189273 A CN103189273 A CN 103189273A CN 2011800411376 A CN2011800411376 A CN 2011800411376A CN 201180041137 A CN201180041137 A CN 201180041137A CN 103189273 A CN103189273 A CN 103189273A
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Abstract

一种用于提供液化天然气(LNG)作为燃料来推进具有液化气体货物罐(2,7)的船舶(1,6)的装置，所述装置包括LNG源(3,8)以及用于与较热介质(44)直接或间接热交换来蒸发和/或加热LNG的至少一个第一热交换器(41)。所述较热介质是来自货物罐(2,7)并且在该过程中被再液化的蒸发气体。

Description

用于为船舶提供液化天然气燃料的方法和装置
技术领域
本发明涉及在海上运输液化气体，更具体地涉及沸点温度高于-48℃的液化气体的运输。
背景技术
这种液化气体的示例是丙烷、丁烷、丙烯、氯乙烯、丁二烯、丁烯、氨等。
丙烷和丁烷的通用名称是液化石油气(LPG)。
本发明还可在一定程度上应用于沸点温度低至-105℃的气体，并且应用于诸如乙烯和乙烷的液化气体。
近几年来，船舶的船用燃料的品质吸引了人们的关注。
迄今已使用不同品质的重燃料油作为远洋航行船舶的常用燃料。
然而，出于环境方面的考虑，未来将限制这种燃料的使用。
作为重燃料油的备选方案，天然气(主要为甲烷)出现并且已应用于不同类型的船舶。
天然气是清洁燃料，并且几乎不会排放氮氧化物和颗粒并且与油相比减少了大约25%的CO2排放。
发明内容
本发明的一个目的是，使天然气成为对运输沸点温度高于-48℃的液化气体的船舶特别有用并且有利的燃料，并且在一定程度上也适用于运输沸点温度低至-105℃的液化气体的船舶。
作为船舶的燃料，天然气以液体状态被接纳(LNG=液化天然气)并且存储在可具有各种构造的独立船用罐中。
LNG的存储温度为大约-160℃。
然而，在发动机室中的发动机处燃烧之前，天然气的温度必须大约保持在室温。
相应地，在发动机中使用之前，LNG必须被蒸发和加热。
上述用于运输液化气体的船舶通常设置有用于蒸发气体(货物)再液化的功率消耗装置。
即使货物罐是隔热的，某些热量也将泄漏到所述货物罐中，并且某些货物将在航行和停泊期间蒸发。
为了将货物罐中的气压保持在容许水平，蒸汽必须在再液化设备中冷凝，并且以液体状态返回到货物罐。
本发明的基本构思是，将作为推进船舶的燃料的LNG的蒸发和/或加热的能量需求与货物罐的蒸发气体的冷凝同时释放出的能量相结合。
初始计算表明，推进船舶所需要的LNG量的蒸发和/或加热的能量需求与货物的蒸发量的再液化同时释放出的能量之间接近平衡。
相同的热交换原理通常也适用于货物罐几乎没有液体内容物但仍然保持蒸汽环境的冷状态的压舱航行。周围环境的热泄漏将倾向于增加货物罐的蒸汽压力，但是与LNG的热交换将使压力保持在低水平，而较低水平的压力有利于下一次停泊时货物的有效装载。
然而，如果计算出蒸发和/或部分加热LNG与再液化货物之间存在任何显著的能量差，那么货物罐的隔热厚度可以用作实现更好的能量平衡的参数。
LNG的蒸发和/或加热和液化货物的同步冷凝可以在一个或多个热交换器中进行，并且如果船舶应当布置成一次运输一种或多种不同液化气体货物，那么必须相应地设置热交换器的数量以便货物的隔离。
备选地，可以在每个货物罐的蒸汽空间中并且例如通过使LNG在蛇形管中循环来进行LNG与蒸发货物之间的热交换，而所述蛇形管可设置有用于改进性能的翼片。
还可应用间接热量输送系统，并因而将热能从货物的冷凝物输送到循环的第三介质(例如丙烷)，并且在热交换器中从第三介质输送能量来蒸发和/或加热LNG。
就有害物质到空气中的排放以及温室气体的排放来说，以LNG作为燃料并且用于液化气体运输的船型在环境方面非常有吸引力，并且预计将符合今后关于所述问题的所有条例和法规。
此外，与运输液化气体并且用燃油推进的船舶相比，本发明提供了下列明显的成本降低：
-降低了用于再液化的制冷模块-包括关联的管以及电缆系统的数量，因为制冷模块现在基本将仅用于通过与LNG的蒸发和/或加热的热交换来再液化的备用装置。
-在有载航海中降低了(或没有)用于运转再液化设备的能量成本。
LNG作为推进燃料的发动机将通常为2冲程型或4冲程型。
两种类型的燃气发动机具有将燃气供应到发动机的不同供应系统。
2冲程燃气发动机通常设计成接收处于超临界流体状态的燃气，而LNG作为燃料时压力在大约200-300巴的范围内并且温度在环境温度(20-40℃)下。
甲板上通常将安装一个高压泵以便将处于超临界状态的LNG供应到发动机室，并且将LNG从LNG存储罐吸入/供应到泵。
LNG通过泵的温度上升估计在15-20℃的范围内，而从大约-140℃到大致环境温度的剩余温升将根据本发明差不多实际上通过甲板上的热交换器从货物的再液化的热量输送和/或通过货物罐的蒸汽空间中的热量输送来提供。
必须由其他热源-例如蒸汽、乙二醇/水混合物或类似物质来提供达到环境温度的最终热量。
4冲程燃气发动机通常设计成接收压力在大约3-6巴的范围内并且处于环境温度(20-40℃)的气体。
对于4冲程发动机，LNG将首先被蒸发，并随后从大约-160℃的存储温度加热到大致环境温度。
同样对于4冲程发动机，并且根据本发明，使LNG蒸发并且为气体加热的能量将差不多实际上在甲板上的热交换器中通过货物的再液化的热量输送和/或备选地通过货物罐的蒸汽空间中的装置的热量输送来提供。
类似于用于2冲程发动机的系统，必须由其他热源-例如蒸汽、乙二醇/水混合物或类似物质来独立提供达到环境温度的最终热量。
根据具体情况LNG存储罐的类型和位置可能不同，而典型位置在附图1和图2示出。
如果所有货物罐都设置有用于蒸汽空间中的热交换的装置，当靠LNG来运转轮船时不需要额外设备来操纵蒸汽货物。
如果热交换器安装在货物罐外面，可能需要额外安装从货物罐吸入蒸发气体的(优选地是变速的)压缩机。
本发明在独立权利要求1和9中被限定。
附图说明
为了描绘本发明，将通过参照所附简图中示出的非限制性实施方式来描述本发明，其中：
图1是适用于本发明的第一船舶的剖视图；
图2是适用于本发明的第二船舶的剖视图；
图3到8是示出了本发明的不同优选实施方式的流程图。
具体实施方式
图1示出了用于运输液化气体的典型半制冷型船舶。
象征性地示出了两个压力容器型的货物罐(柱状)，但是对于半制冷型的各种船舶工程来说压力容器罐(球形、双叶等)的数量和类型可能有所不同。
1是典型的半制冷型船舶。2是用于上述的LPG以及其他液化货物的典型货物罐。3是LNG作为燃料的存储罐。4是使用LNG作为能量源的主发动机。5是容纳用于再液化装置的设备以及其他货物设备的甲板室。
图2示出了用于运输液化气体的典型全制冷型船舶。
象征性地示出了三个方形货物罐，但是对于各种全制冷型的船舶工程来说货物罐的数量可能有所不同。
6是典型的全制冷型船舶。7是用于上述LPG以及其他液化货物的典型货物罐。8是LNG作为燃料的存储罐。9是使用LNG作为能量源的主发动机。10是容纳用于再液化装置的设备以及其他货物设备的甲板室。
图3示出了用于全制冷型的液化气体运输器的典型流程图，所述运输器具有2冲程型主发动机，并且液化货物与燃气在货物罐的蒸汽空间中进行直接热交换。
11是三个全制冷型货物罐。12是用于作为燃料的LNG并且具有用于供应LNG的一体化装置(如图所示的潜水泵或类似设备)的存储罐。13是货物罐的蒸汽空间中的热交换器。14是用于LNG的高压泵。15是用于超临界LNG并且用于通过蒸汽(或类似物质)作为加热介质来达到环境温度的热交换器。43是到发动机的燃料的温度控制阀。
图4示出了用于全制冷型的液化气体运输器的典型流程图，所述运输器具有4冲程型主发动机，并且液化货物与燃气在货物罐的蒸汽空间中进行直接热交换。
16是三个全制冷型货物罐。17是用于作为燃料的LNG并且具有用于供应LNG的一体化装置(如图所示的潜水泵或类似设备)的存储罐。18是货物罐的蒸汽空间中的热交换器。19是用于蒸发LNG并且用于通过蒸汽(或类似物质)作为加热介质来达到环境温度的热交换器。43是到发动机的燃料的温度控制阀。
图5示出了用于全制冷型的液化气体运输器的典型流程图，所述运输器具有2冲程型主发动机，并且液化货物与超临界燃气在甲板上的热交换器中进行热交换。
20是用于作为燃料的LNG并且具有用于供应LNG的一体化装置(如图所示的潜水泵或类似设备)的存储罐。21是用于LNG的高压泵。22是安装在甲板上的热交换器，而两个独立热交换器被示出以表明可以同时操纵两种独立货物。23是用于从货物罐吸入蒸发货物并且以足够压力输送通过热交换器以使冷凝物返回到货物罐的压缩机。24是用于超临界LNG并且用于通过蒸汽(或类似物质)作为加热介质来达到环境温度的热交换器。43是到发动机的燃料的温度控制阀。45是具有到货物罐(未示出)的支路的蒸汽集管。46是具有到货物罐(未示出)的支路的冷凝物集管。
图6示出了用于全制冷或半制冷型的液化气体运输器的典型流程图，所述运输器具有4冲程型主发动机，并且液化货物与LNG在甲板上的热交换器中热交换。
25是用于作为燃料的LNG并且具有用于供应LNG的一体化装置(如图所示的潜水泵或类似设备)的存储罐。26是安装在甲板上的热交换器，而两个独立热交换器被示出以表明可以同时操纵两种独立货物。27是用于从货物罐吸入蒸发货物并且以足够压力输送通过热交换器以使冷凝物返回到货物罐的压缩机。28是用于蒸发LNG并且用于通过蒸汽(或类似物质)作为加热介质来达到环境温度的热交换器。43是到发动机的燃料的温度控制阀。45是具有到货物罐(未示出)的支路的蒸汽集管。46是具有到货物罐(未示出)的支路的冷凝物集管。
图7示出了用于全制冷型的液化气体运输器的典型流程图，所述运输器具有2冲程或4冲程型主发动机，并且首先在货物罐的蒸汽空间中在蒸发货物与循环低温流体之间进行间接热交换，并且其次在甲板上的另一个热交换器中循环低温流体与作为燃料的LNG之间进行间接热交换。
29是三个全制冷型货物罐。30是用于作为燃料的LNG并且具有用于供应LNG的一体化装置(如图所示的潜水泵或类似设备)的存储罐。31是在货物罐的蒸汽空间中并且布置成间接加热循环低温流体的热交换器。32是用于低温流体(丙烷或类似物质)来间接输送热量的循环泵。33是用于LNG的高压泵(2冲程主发动机的情形)。34是甲板上的热交换器，所述热交换器用于在循环低温流体与作为燃料的LNG之间热交换。35是用于超临界LNG(2冲程)或蒸发LNG(4冲程)并且用于通过蒸汽(或类似物质)作为加热介质来达到环境温度的热交换器。43是到发动机的燃气的温度控制阀。44是低温流体的闭合环路。
图8示出了用于全制冷或半制冷型的液化气体运输器的典型流程图，所述运输器具有2冲程或4冲程型主发动机，并且首先在甲板上的热交换器中在蒸发货物与循环低温流体之间进行间接热交换，并且其次在甲板上的另一个热交换器中循环低温流体与作为燃料的LNG之间进行间接热交换。
36是用于作为燃料的LNG并且具有用于供应LNG的一体化装置(如图所示的潜水泵或类似设备)的存储罐。37是安装在甲板上的热交换器，而两个独立热交换器被示出以表明可以同时操纵两种独立货物。38是用于从货物罐吸入蒸发货物并且以足够压力输送通过热交换器以使冷凝物返回到货物罐的压缩机。39是用于低温流体(丙烷或类似物质)来间接输送热量的循环泵。40是用于LNG的高压泵(2冲程主发动机的情形)。41是甲板上的热交换器，所述热交换器用于在循环低温流体与作为燃料的LNG之间热交换。42是用于蒸发LNG并且用于通过蒸汽(或类似物质)作为加热介质来达到环境温度的热交换器。43是到发动机的燃气的温度控制阀。44是低温流体的闭合环路。45是具有到货物罐(未示出)的支路的蒸汽集管。46是具有到货物罐(未示出)的支路的冷凝物集管。
过程描述
在2冲程发动机的情形中，并且参阅图3，LNG燃料(12)被输送到高压升压泵(13)，所述高压升压泵(13)将压力提升为高于临界压力。在该压力下，液体没有蒸发，并且通过在安装在罐体的蒸汽空间中的热交换器(13)中使货物冷凝来连续加热LNG。最后，LNG燃料在超临界热交换器(15)中被加热到超过临界温度，达到发动机所需的温度。这是通过温度控制阀(43)调节的，所述温度控制阀(43)调节供应到热交换器的热量。
备选地，并且参阅图5，甲板(22)上的热交换器中可以发生货物的冷凝。压缩机(23)从蒸汽集管(45)抽吸货物并且使其通过冷凝物集管(46)返回到货物罐中。
在4冲程发动机的情形中，并且参阅图4，LNG燃料(17)在没有升压的情况下并且平行于热交换器(18)输送，LNG在所述热交换器(18)处被以恒温蒸发。在普通气体加热器(19)中将燃气进一步加热到发动机所需的温度。这是通过温度控制阀(43)调节的，所述温度控制阀(43)调节供应到热交换器的热量。
备选地，并且参阅图6，甲板(26)上的热交换器中可以发生货物的冷凝。压缩机(27)从蒸汽集管(45)抽吸货物并且使其通过冷凝物集管(46)返回到货物罐。
备选地，对于两种情形并且参阅图7，在货物罐(37)中发生货物的冷凝并且通过循环低温加热介质(44)来将热量输送到甲板上的单个蒸发器/燃料加热器(34)。
备选地，对于两种情形并且参阅图8，甲板上的热交换器中发生货物(37)的冷凝以及燃料(41)的蒸发/加热。类似于图6，压缩机(37)从蒸汽集管(45)抽吸货物并且使其通过冷凝物集管(46)返回到货物罐中。

Claims (15)

1. 一种用于蒸发和/或加热用作船舶(1,6)的燃料的第一液化气体的方法，所述船舶(1,6)具有至少一个含有第二液化气体的货物罐(2,7)，所述第一液化气体具有比所述第二液化气体更低的沸点，
其中从所述货物罐蒸发的汽体在与所述第一液化气体进行热交换并蒸发和/或加热所述第一液化气体的同时被冷凝。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述第一液化气体是LNG。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述第二液化气体具有高于-105℃的沸点。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述第二液化气体的沸点高于-48℃。
5. 如权利要求1所述的方法，其中所述第二液化气体是LPG。
6. 如权利要求1所述的方法，其中作为燃料的LNG与货物蒸发汽体之间的热交换是通过货物罐(16)的上部的蒸汽空间中的热交换来实现的。
7. 如权利要求1所述的方法，其中作为燃料的LNG与货物蒸发汽体之间的热交换是在独立安装的热交换器(22,26)中实现的。
8. 如权利要求1所述的方法，其中作为燃料的LNG与货物蒸发汽体之间的热交换通过在包括第二热交换器(31,37)的闭合环路(44)中循环低温介质来间接实现。
9. 一种用于提供液化天然气(LNG)作为燃料来推进船舶(1,6)的装置，所述船舶(1,6)具有用于液化气体的货物罐(29)，所述装置包括LNG源(30)以及用于通过较热介质(44)来直接或间接地蒸发和/或加热LNG的至少一个第一热交换器(34)，其中所述较热介质是来自货物罐(2,7)并且在该过程中被再液化的蒸发气体。
10. 如权利要求9所述的装置，包括仅用于没有通过LNG的蒸发而冷凝的货物蒸发气体的再液化的备用模块。
11. 如权利要求9所述的装置，其中所述第一热交换器(18,31)定位在货物罐(16,31)的上部的蒸汽空间中。
12. 如权利要求9所述的装置，其中所述第一热交换器是独立安装的热交换器(22,26)。
13. 如权利要求9所述的装置，包括闭合环路(44)，用于作为燃料的LNG与货物蒸发气体之间的热交换的低温介质在所述闭合环路(44)中循环。
14. 如权利要求9所述的装置，其中优选地为变速型的吸入压缩机(23)设置成输送货物蒸发气体到所述第一热交换器(26)。
15. 如权利要求14所述的装置，其中所述吸入压缩机(23)还用于将货物蒸发气体再液化的备用系统。
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