CN101952635A - 天然气供应方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在船上，液化天然气例如被存储在存储罐4、6、8和10的瓶2中。浸入泵16被用于将LNG传递到副存储容器22。LNG的压力被升高，并且其从副容器22被传递到强制蒸发器36，在强制蒸发器36中其被蒸发。每个浸入泵16的出口压力可相对较低，并且该装置可被间歇地或者连续地操作。

Description

天然气供应方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于供应天然气用于加热或发电目的的方法和装置。根据本发明的方法和装置特别适合用在适于存储和运输液化天然气(LNG)的船上，用于利用LNG的一部分对船的发动机或其它推进系统提供燃料。
背景技术
EP1291576A涉及一种装置，用于供应天然气燃料(其主要成分是甲烷)，以加热用于运输LNG的远洋油轮的锅炉。该装置包括：压缩机，其具有与至少一个LNG存储罐的空部空间连通的入口和与从压缩机伸到与锅炉关联的燃料燃烧器的导管连通的出口；和强制LNG蒸发器，其具有与所述罐的储液区域连通的入口和也与所述罐的储液区域连通或者与不同的导管连通的出口，该导管伸到与该导管关联的燃料燃烧器。
还已知的是，在远洋油轮或船的推进器中直接采用这样形成的蒸发天然气。特别地，可以买到三种类型的推进器。第一种，具有带有电子推进器的中速双燃料发动机。该系统在市场上已经是熟知的，其与之前使用的具有蒸汽涡轮推进器的锅炉系统进行比较。第二种，结合了再液化单元用于恢复自然蒸发的天然气的低速重油柴油发动机。第三种，估计是气体涡轮推进系统。这些推进系统的共同点是，自然蒸发的天然气被消耗用于推进或者被再液化，仅在紧急情况下被排放或者热力氧化。
被供应到中速双燃料发动机的燃料中的一些从保存的天然气中获得。天然气燃料的一部分由在船的存储罐中自然蒸发的气体组成。天然气燃料的其余部分被强制蒸发。由于天然气现在被直接供应到船的发动机，因此如果自然蒸发的天然气的量等于或小于发动机用于选择的船巡航速度时所需的量时，则不需要天然气再液化单元，或者不需要在热力氧化器中进行气体排放或燃烧。
WOA2006/077094涉及一种用于向船的发动机或其它推进单元供应天然气的改进的方法和装置。汽化的天然气的主气流来自液化天然气容器的空部空间。主气流与通过对来自容器中的LNG气流进行强制但部分蒸发而形成的次气流混合，并且将未蒸发天然气与蒸发的气流分开。如WO-A-2006/077094中解释的那样，该方法能够控制通过混合主、次气流形成的天然气的成分，从而满足发动机或其它推进单元的规格。
另一的可替代的推进器的低速直接推进装置，已知为被修改用于高压气体注入的低速柴油发动机，可买到，用于推进用于存储和运输LNG的远洋载船。该发动机是两冲程柴油机类型。该发动机是高效的，特别是与螺旋桨直接联接。在LNG载船上，用于推进的期望的功率可由单个发动机产生，该发动机具有与功率“应急返航”系统结合的单个螺旋桨，或者可由被安装为直接驱动两个螺旋桨的双发动机产生。具有高压气体注入系统的双低速柴油发动机的一个特殊优点在于，如果天然气燃料供应失效，有可能操作至少一个只具有重燃油的发动机，尽管由于环境原因这并不是完全期望的。具有高压气体注入的低速柴油发动机采用升高压力的天然气供应。为了达到高的操作效率，天然气典型地被压缩到200-300巴的压力范围。在较低负载时，所需的压力线性地减小到发动机负载的30％，这典型地要求150巴的压力。已经建议通过使压缩的汽化气体与强制蒸发的气体混合并且进一步将混合物压缩到相应推进系统要求的压力而形成升高的气体供应。
LNG可被放置到用于存储和运输LNG的远洋载船上，用于其它用途。例如，WO-A-2005/068847公开一些LNG能被用于从多级压缩机的级间和其初始级上游的汽化天然气中移除压缩热。
使用一些存储的LNG向船的发动机(或其它推进单元，例如气体涡轮机)提供燃料对将天然气从船的存储罐供应天然气的设备提出特定要求，而船的存储罐传统上的设置不是最佳适于满足这些特定要求，特别是当罐在压舱航行期间只包含相对小量的LNG时。下面描述根据本发明的方法和装置解决的具体问题。
发明内容
根据本发明提供一种用于以升高的压力供应天然气的装置，该装置包括用于LNG的至少一个主存储容器、在所述主存储容器中的浸入泵，该浸入泵能够被放置为与供应管线连通，所述LNG的强制蒸发器位于所述供应管线中，其中在所述天然气供应管线中还放置有用于容纳LNG的至少一个副容器，该至少一个副容器能够被放置为与所述强制蒸发器连通，并且其中所述副容器具有与其关联的用于在压力下将LNG从所述副容纳容器传递到所述强制蒸发器的装置。根据本发明的装置的优选特征在下面的权利要求2至10中提出。
本发明还提供一种用于以升高的压力供应天然气的方法，包括：将LNG存储在至少一个主存储容器中；通过浸入泵将LNG从所述主存储容器沿其中具有LNG强制蒸发器的管线传递到用于容纳LNG的至少一个副容器；使所述LNG升压，并且将升压的LNG沿所述管线从所述副容纳容器传输到所述强制蒸发器；和在所述强制蒸发器中蒸发所述LNG。根据本发明的装置的优选特征在下面的权利要求12至17中提出。
根据本发明的方法和装置提供了如下所述的许多优点，特别是在将天然气供应到远洋LNG油轮的推进系统时：
在所述主存储容器或每个主存储容器中的浸入泵可为低压泵(例如输出压力的数值范围为3-4巴)；
根据本发明的方法和装置可被操作根据所选择的与副容器关联的升压装置在压力下间歇地或连续地将LNG从副容纳容器供应到强制蒸发器；
所述浸入泵或每个浸入泵可被间歇地操作，并且用于与气体供应要求相比减小的时间周期；
所述主存储罐或每个主存储罐可携带比传统的用于压舱航行的LNG少的LNG；
当浸入泵由于LNG水平太低而没有准备时，根据本发明的方法和装置可被用在用于LNG存储罐冷却的压舱航行的末尾；
根据本发明的方法和装置可被用于从级间的自然蒸发的LNG中移除压缩热和/或用于预冷用于自然蒸发的LNG的压缩机的上游或压缩机中的自然蒸发的LNG。
优选地，所述副容器或每个副容器具有高液位传感器和低液位传感器，所述传感器操作性地与入口阀关联，该设置使得只有当所述副容器中的LNG的水平降到所述低位传感器的水平以下时LNG才开始流入所述副容器，并且只有当所述副容器中的LNG的水平升高到所述高位传感器的水平时LNG才停止流入所述副容器。
天然气被典型地从强制蒸发器传递到能够产生用于推进船或载船的功率的至少一个发动机或涡轮机。所述副容器或每个副容器中的液体天然气被升高的压力依赖于所述发动机或涡轮机的操作压力。在一些相对低压的系统中，该压力可达到11巴。如果所述发动机或涡轮机或者每个发动机或涡轮机只要求间歇性地提供这种相对低压的天然气，通过将所述副容器或每个副容器隔离、升高所述副容器或每个副容器中的空部空间内的压力、并且随后将所述副容器或每个副容器放置为与强制蒸发器连通以使空部空间中的压力影响该传递，则LNG可从所述副容器或每个副容器被传递到强制蒸发器。该传递装置的优点在于不再需要机械泵。如果采用两个或更多个平行的这种系统，气体供应可为连续的。所述副容器或每个副容器典型地在被低压浸入泵再填充LNG之前被减压。
如果要求向强制蒸发器连续供应LNG，或者要求通过副容器的减压来消除任何加压气体损失，则至少一个二次泵可提供在所述副容器和强制蒸发器中间的管线中。二次泵或多个二次泵可被用于产生任何高达所谓300巴的升高压力。具有单个或多个缸的低温液体往复泵能够用于产生高压力，该高压力在蒸发的天然气被提供到具有高压气体注入的低速柴油发动机或者被提供到气体涡轮机的情况下是典型地需要的。这种设置的一个优点在于，其不需要高压气体压缩机来将蒸发的天然气的压力升高到注入压力，以用于具有高压气体注入的低速柴油发动机或者用在某些类型的气体涡轮机中。
优选地，在根据本发明的用于将天然气燃料供应到具有高压气体注入的低速柴油发动机或气体涡轮机的装置中，整个天然气燃料流流过所述管线，并且所有的自然汽化的LNG被重新液化。该重新液化的天然气可被发送到所述副容器或每个副容器，任何多余的天然气从副容器被返回到主存储容器或多个容器。可替代地，重新液化的天然气能够被直接发送到主存储容器。带有对自然汽化的LNG重新液化的该设置将消除在自然蒸发的天然气的量高于发动机针对所选的船巡航速度或发动机负载所需的量时由于排放或热氧化器中的燃烧导致的任何可能的气体浪费。
如果根据本发明的装置包括用于压缩自然蒸发的LNG的压缩机，则来自副容器或每个副容器的LNG的一部分可被供应用于从级间的自然蒸发的LNG移除压缩热和/或用于预冷自然蒸发的LNG。热交换器可被用于此目的，但预冷优选地通过将来自副容器或每个副容器的LNG与自然蒸发的LNG相混和而被进行。
强制蒸发的天然气典型地在强制蒸发器中被直接升温，或者通过经过热交换器的通路在强制蒸发器的下游被升温。强制蒸发器和热交换器可被来自发动机冷却系统的流或任何适合加热的介质(例如热水)加热。
附图说明
现在将通过示例的方式参照附图描述根据本发明的方法和装置，在附图中：
图1为用于从LNG存储容器的瓶供应天然气的第一装置示意性流程图；
图2为用于从LNG存储容器的瓶供应天然气的第二装置示意性流程图；和
图3为用于从LNG存储容器的瓶供应天然气的第三装置示意性流程图。
附图并不是按比例的。
具体实施例
附图中相似的部件由相同的附图标记指代。
参见附图的图1，其示出主LNG存储罐或容器的瓶(battery)2。主存储罐或容器位于远洋载船(未示出)上。图1描绘出四个基本相同的存储罐4、6、8和10。典型地，在实际中，瓶2还可包括多于四个的存储罐4、6、8和10。每个LNG存储罐4、6、8和10热绝缘从而减小其内含物LNG从周围环境吸收热量的速率。示出在图1中的每个LNG存储罐4、6、8和10包含LNG容积12。空部空间14自然在每个罐4、6、8和10的液体水平之上。由于NG在远低于环境温度的温度下沸腾，因此LNG从每个容积12连续蒸发到其上方的空部至间中。
每个罐4、6、8和10包括浸入在其内LNG的容积中的低温泵16。每个泵16可操作以将LNG从其所在的罐中泵浦到分布头18。头18与LNG管线20连通。典型地具有比每个罐4、6、8和10的容量小的容量的第二热绝缘LNG存储罐或筒22位于管线20中。筒22可被放置为通过打开位于筒22上游的阀24而与头18连通。筒因此能够被LNG充满。在一种设置中，筒22被提供具有低位传感器26和高位传感器28。当筒22中的LNG的水平落到低位传感器26的水平下方时，泵16可被致动，阀24被打开，且LNG被供应到筒22。当筒22中的LNG水平达到高位传感器28的水平时，泵16的操作可停止，阀24被再次关闭。
筒22被操作性地关联到蒸发器或升压线圈30。蒸发器或升压线圈30位于从筒22的紧接下游的LNG管线20延伸到筒22的空部空间的导管32中。流量控制阀34位于导管32中。蒸发器或升压线圈30还可被设置为与管线20独立但直接在筒22上。
阀34的位置可由筒22的空部空间中的压力传感器(未示出)控制，该设置使得其内的压力被蒸发器或升压线圈30中的LNG的受控蒸发保持在基本恒定的水平。典型地，该压力在绝对值为5至11巴的范围内。
在筒22的空部空间中的压力下，批量的LNG能够沿管线20从筒22到达强制LNG蒸发器和加热单元36。阀38定位在管线20中，并且当阀38被关闭时，将LNG蒸发器和加热单元36与筒22隔离。然而，当阀38打开时，LNG在其空部空间中的蒸发天然气的压力下从筒22流到强制LNG蒸发器和加热单元36。
在一种设置(未示出)中，强制(或强制施压)蒸发器是这样的类型：其采用蒸汽加热，或者热水，或者热水-乙二醇混合加热，以提高流过蒸发腔室的流体的温度，从而将筒22供应的LNG蒸发。可采用一套热交换管，以影响从蒸汽、热水、或热水-乙二醇至LNG的热传递。强制蒸发器还典型地被提供具有旁通线，其从蒸发腔室的紧挨上游延伸到蒸发器的紧挨下游的静态混合腔室。旁通线可被用于控制蒸发器下游的气体的温度。该气体典型地与来自主存储罐4、6、8和10的自然汽化气体混合。汽化气体流出罐，进入与第二天然气管线40连通的第二头部39。多级压缩机42位于管线40中。压缩机42被操作以将汽化天然气的压力升高到接近筒22的空部空间中保持的压力。被压缩的汽化天然气与强制蒸发的天然气混合，优选通过在热交换器中与蒸汽或诸如热水或热水-乙二醇混合物的其它加热介质间接热交换，该混合物典型地被升高到接近环境温度。通常，筒22具有相对低的容量，用于推进目的的大部分天然气来自于压缩机42。并且，如果压缩机42是多级类型，则优选由来自筒22的LNG流提供被压缩天然气的预冷和级间冷却。该LNG流流过阀44，到达热交换器或多个热交换器(未示出)，在热交换器或多个热交换器中，LNG流从压缩机42的压缩级中或每对连续的压缩级之间的汽化天然气移除压缩热。导致的蒸发天然气可与汽化气体混合。并且，来自筒22的一些LNG可以与压缩级42下游的汽化气体预先混合，从而提供对汽化气体的预冷。
来自强制LNG蒸发和加热单元36的被加热天然气沿管线20被供应到用于远洋载船的推进装置46的一个或多个发动机或气体涡轮机。图1所示的装置能够将来自罐4、6、8和10的汽化天然气的基础负载提供到推进装置46。该基础负载被供应的速率依赖于罐的瓶所携带的LNG的量。当这些罐被完全装满时该基础负载大于当罐在压舱航行期间携带LNG时的基础负载，在罐在压舱航行期间携带LNG的情况下，罐典型地只填充其最大容量的3％或更少的LNG。强制蒸发器可被采用周期性地增强供应到推进装置46的发动机的天然气的速率。该能力当在中压(也就是5至10巴的范围)下操作双燃料发动机时是有利的。然而，也有可能采用具有足够容量的筒22，从而使在罐4、6、8和10一旦被卸载其主要LNG负载时保持罐4、6、8和10中的LNG的量的需要最小化。该最小化的压舱的量包括在船卸载后所保留的未被泵浦的LNG剩余物。在此情况下，压缩机42被周期性关闭。通过差不多采用存储罐的瓶2，压缩机42可被操作，即每2.5天使用0.5天。在关闭周期之后的启动时，压缩机42的排放压力可能对于包括不使用来自筒22的LNG的DFDE发动机的推进系统46来说太低，从而降低压缩机42上游的BOG的温度。
图1所示的装置的优点之一在于，浸入泵16只需要是相对低压的类型。这种泵通常已经安装在罐中，用于喷射和脱模目的，因此不需要在罐中安装另外的高压燃料浸入泵。典型地，泵16在3-4巴的压力下将LNG供应到筒22。由于泵通常具有比船的推进器所要求的容量高很多的流动容量，泵16进一步只需要间歇地操作，以保持筒22被LNG填充。结果是，天然气供应系统的首要和操作成本能够被保持较低。另外，泵16的任何机械磨损由于受限的运行时间而减小。因为泵16只能在干燥甲板中维修，因此这是很有利的。
图1所示的装置的另一特征为浸入泵16可被用于通过阀48将一些LNG传递回罐4、6、8和10。该测量帮助减少罐4、6、8和10中的温差层。泵16的另一功能是在压舱航行期间通过喷射保持这些罐的冷却。图1所示的装置的进一步的特征为在具有多余自然汽化的LNG的情况下，多余的蒸汽能够通过位于与第二头部39连通的导管54中的阀52被紧急排放到排放桅杆50或热氧化单元(未示出)。
现在参见图2，其中示出图1所示装置的可替代装置，用于将中压(上限达到10巴)的强制蒸发LNG提供到推进系统46的发动机(或涡轮机)。图1所示的装置的一个缺点是，当筒22中的液体水平降到低位传感器26的液体水平以下时，基本上期望关闭阀38(为了将强制蒸发和加热单元36与筒22隔离)，以释放筒中的压力，并且重新填充筒22，直到LNG的体积已经升高到高位传感器28的水平为止。在图2所示的装置中，机械低温泵60代替建立压力的蒸发器或线圈30。泵60可以是例如以离心地、往复地或以任何其它主动移动的类型方式适于泵浦或压缩低温液体的任何类型。该泵60可操作以将LNG连续地提供到图2所示的装置的强制蒸发和加热单元36，并且用于冷却在压缩机42的上游和级之间的汽化气体。导管32和流量控制阀34保持与定位在泵60的下游连通到导管32的入口连通，以便在低发动机负载和因此具有低的天然气消耗的情况下维持最小的泵流动。泵60能够在任何多余的LNG通过导管32被返回到筒22的情况下以恒定的速率操作。在其它方面，图2所示的装置的配置和操作与图1所示相同。
图3所示的装置旨在在高压下，典型地较佳在11巴以上，并且达到在200至300巴之间的临界压力，将天然气供应到推进系统46。在临界压力下，当天然气通过形成加热和蒸发单元的一部分的强制蒸发器时，不会发生相变。在该申请文件的上下文环境下，术语“蒸发”包括将临界液体从其返回副容器或筒22且在该第一温度下和在筒的操作压力下为液体的第一温度，加热到比第一温度高的第二温度，使得天然气在该第二温度下和在副容器或筒22的操作温度下返回副容器或筒时为气体。泵60典型地为单个或多个缸的低温液体往复泵，其能够将天然气的压力升高到期望的临界压力。在大多数其它方面，图3所示的装置的配置和操作与图2所示的相同。然而，另一重要的区别是，在图3所示的装置的操作中，从主存储罐的瓶2自然汽化的气体不仅被压缩，而且在代替压缩机42的液化器70中被液化(但其仍包括压缩机)。
液化器70可为EP A 1132698中公开的类型。其典型地采用两级压缩机，因此可能需要压缩机的级间冷却。然而，仍然优选的是使用来自筒的LNG对压缩机42上游的汽化气体进行预冷，优选通过将LNG与汽化气体进行混合。可替代地，来自液化器70的一些液体可用于此目的。因此，图3的装置可省略阀44和其所在的管。管72从液化器70延伸到副容器或筒22和定位在管72中的流量控制阀74。结果是，所有的汽化气体返回到筒22。液体的这种连续返回到筒22是，液体流入筒22的总速率典型地大于液体被从筒22抽取的总速率。多余的液体因此通过另一管78从筒22返回到主存储罐或容器的瓶2，其中另一管78中布置有流量控制阀80，用于调节LNG返回到罐的瓶2的速率，因此调节筒22中的液位。可替代地，重新液化的天然气能够从液化器70被直接送到主存储罐的瓶2。
进一步，在图3所示的装置正常操作中，从主存储罐的瓶2散发的自然汽化的气体基本上被液化器70全部液化。因此，图3中示出的装置没有与图2中装置中将压缩的汽化气体传递到蒸发和加热单元36用于与强制蒸发的LNG混合的线所对应的线。
图3示出的装置能够被操作，以连续地供应高压气体，用于通过形成为远洋载船的推进单元46的一部分的高压注射器注入到低速柴油发动机或多个发动机中。
图中示出的每个装置可包括多个这种筒22来代替单个筒22。在图2和图3所示的装置中，如果多个平行的筒代替其中所示的单个筒22，则每个这种增加的筒具有其自己的专用泵60。
图2或图3示出的装置的另一优点为，筒22和泵60能够容易接近用于维修。进一步，泵60可被预先准备好用于使用。
当自然蒸发的天然气的量高于发动机针对所选的船巡航速度或发动机负载所需的量时，图3中所示的装置是有利的。通过排放或在热氧化器中燃烧，其避免了对气体的任何可能的浪费。当在典型的正常船速下巡航而不再设计速度(最大连续速度)下巡航时，这种浪费可能是显著的。
图3所示的装置还有利的是，其通过液体泵浦避免使用高能量消耗的任何非常高压气体压缩机器。

Claims (20)

1.一种用于以升高的压力供应天然气的装置，所述装置包括用于LNG的至少一个主存储容器、在所述主存储容器中的浸入泵，该浸入泵能够被放置为与供应管线连通，所述LNG的强制蒸发器位于所述供应管线中，其中在所述天然气供应管线中还放置有用于容纳LNG的至少一个副容器，其能够被放置为与所述强制蒸发器连通，并且其中所述副容器具有与其关联的用于在压力下将LNG从所述副容纳容器传递到所述强制蒸发器的装置。
2.如权利要求1所述的装置，另外包括用于压缩来自所述主存储容器的自然蒸发的LNG的压缩机，以及用于将具有来自所述副容器或每个副容器的LNG的所述压缩机上游的所述自然蒸发的LNG预冷的装置。
3.如权利要求2所述的装置，另外包括用于将来自所述副容器或每个副容器的LNG与所述自然蒸发的LNG预混合的混合器。
4.如权利要求2或3所述的装置，其中所述压缩机为多级压缩机，并且具有热交换器用于从其一对级中间的自然蒸发的LNG移除压缩热，该热交换器具有能够被放置为与所述副容器或每个副容器连通的冷却通道。
5.如前面任一项权利要求所述的装置，其中所述副容器或每个副容器具有高液位传感器和低液位传感器，所述传感器操作性地与入口阀关联，该设置使得只有当所述副容器中的LNG的水平降到所述低位传感器的水平以下时才开始LNG到所述副容器的流动，并且只有当所述副容器中的LNG的水平升高到所述高位传感器的水平时LNG才停止流动。
6.如前面任一项权利要求所述的装置，其中用于在压力下传输所述LNG的所述装置包括与所述副容纳容器关联的热交换器或升压线圈。
7.如权利要求1-5任一项所述的装置，其中用于传递所述LNG的所述装置包括至少一个二次泵。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述二次泵为具有一个或多个缸的往复泵。
9.如权利要求7或8所述的装置，其中具有多个平行的副容器，每个副容器具有其自己的二次泵。
10.如权利要求7至9任一项所述的装置，另外包括用于将来自所述主存储容器的自然蒸发的LNG液化的液化器，所述液化器具有用于LNG的出口，其能够被放置为与所述副容纳容器或所述主存储容器连通。
11.如前面任一项权利要所述的装置，其中所述装置被设置为将天然气供应到远洋LNG油轮上的推进系统。
12.一种用于以升高的压力供应天然气的方法，包括：将LNG存储在至少一个主存储容器中；通过浸入泵将LNG从所述主存储容器沿其中放置有LNG强制蒸发器的管线传递到用于容纳LNG的至少一个副容器；使所述LNG升压，并且将升压的LNG沿所述管线从所述副容纳容器传输到所述强制蒸发器；以及在所述强制蒸发器中蒸发所述LNG。
13.如权利要求12所述的方法，其中LNG从所述副容纳容器被连续地供应到所述强制蒸发器。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述LNG从所述副容纳容器被间歇地供应到所述强制蒸发器。
15.如权利要求12至14任一项所述的方法，其中LNG在所述副容纳容器的空部空间中的蒸汽压力下从所述副容纳容器被传递到所述强制蒸发器。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述蒸汽压力的绝对值高达11巴。
17.如权利要求13或14所述的方法，其中所述LNG被至少一个二次泵从所述副容纳容器传递到所述强制蒸发器。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述二次泵将所述LNG的压力升高到300巴的压力。
19.如权利要求17或18任一项所述的方法，另外包括将来自所述主存储罐的自然蒸发的LNG液化，并且将这样形成的液体传递到所述副容器，或者将这样形成的液体返回到所述主存储容器。
20.如权利要求12-19任一项所述的方法，其中所述蒸发的LNG被从强制蒸发器供应到远洋LNG油轮的所述推进系统。
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