CN103993985A - 用于供给液化天然气燃料的系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种LNG燃料供给系统，包括：燃料供给管路，其从LNG存储罐连接至发动机；泵，其设置在该燃料供给管路上，并且配置为通过压缩高压下从LNG存储罐中释放的LNG而将LNG改变成处于过冷液体状态的LNG；以及热交换器，其设置在发动机与泵之间的燃料供给管路上，并且配置为通过加热从泵供给的处于过冷液体状态的LNG而将处于过冷液体状态的LNG相变成处于超临界状态的LNG。

Description

用于供给液化天然气燃料的系统

技术领域

本申请基于2013年2月19日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0017684号并要求其优先权，其全部内容通过引用合并于此。本发明的实施例涉及一种用于供给液化天然气（LNG）燃料的系统。

背景技术

船舶是一种运输交通工具，用于航行跨越大洋，装载大量的矿材料、原油、天然气、数千个集装箱等。船舶是由钢铁制成的，并且当其由浮力而浮于水面上时通过螺旋桨的旋转而产生的推进力移动。

船舶通过驱动发动机而产生推进力。发动机通过使用汽油或柴油而使活塞移动，并且通过由活塞执行的往复运动而使曲轴旋转，从而使连接至曲轴的轴旋转以驱动螺旋桨。

然而，最近，液化天然气（LNG）船正使用驱动使用LNG作为燃料的发动机的LNG燃料供给方法。这种LNG燃料供给方法也已用于除LNG船之外的其他船舶中。

通常已知的是，LNG是清洁燃料并且LNG存储量大于石油储备。随着采矿技术和运输技术的发展，LNG消费量已激增。作为LNG主要成分的甲烷通常在1个大气压下以-162℃或更低的温度而保存在液体状态。液化甲烷的体积约为标准状态下气态甲烷体积的1/600，且液化甲烷的比重为0.42，约为原油比重的一半。

然而，用于驱动发动机的温度和压力等可能不同于存储在罐中的LNG的状态。因此，用于通过控制处于液体状态的所存储的LNG的温度和压力等而将LNG供给至发动机的技术的研究与开发还在继续。

发明内容

在实施例中的液化天然气（LNG）燃料供给系统通过由泵在高压下压缩LNG而将处于液体状态的LNG相变成处于过冷液体状态的LNG，从而使由泵而传递至LNG的能量集中地用于增加LNG的压力，而不是在LNG的压力增加至发动机所要求的压力时用于增加LNG的温度，从而减少用于驱动所述泵的电能的数量。

此外，通过使用从在包括锅炉的各种设备所产生的废热中很容易获得的多余能量作为热源，在实施例中的LNG燃料供给系统通过热交换器在发动机所要求的燃烧温度下对处于过冷液体状态的LNG进行加热，从而提高船舶的能量利用效率。

本发明的实施例提供了一种LNG燃料供给系统，包括：燃料供给管路，其从LNG存储罐连接至发动机；泵，其设置在所述燃料供给管路上，并且配置为通过以高压压缩从所述LNG存储罐中释放的LNG而将LNG改变成处于过冷液体状态的LNG；以及热交换器，其设置在所述发动机与所述泵之间的燃料供给管路上，并配置为通过加热而将处于过冷液体状态的LNG改变成处于超临界状态的LNG，且将所加热的LNG供给至所述发动机。

所述泵可将从所述LNG存储罐中释放的LNG相变成具有比临界压力更高的压力且比临界温度更低的温度的处于过冷液体状态的LNG。

所述泵可以包括在200bar至400bar下压缩从所述LNG存储罐中释放的LNG的高压泵。

所述泵还可以包括增压泵，其设置在所述LNG存储罐与高压泵之间的燃料供给管路上，并配置为对从所述LNG存储罐中释放的LNG进行加压且将加压的LNG供给至所述高压泵。

所述增压泵可以在1bar至25bar下对从所述LNG存储罐中释放的LNG进行加压。

所述热交换器可以对LNG进行加热，从而使LNG的温度达到第一预定温度，同时在200bar至400bar下保持从所述泵中释放的LNG的压力，并且所述第一预定温度是比临界温度相对更高的温度。

所述第一预定温度可以是由所述发动机所要求的燃烧温度。

所述第一预定温度可以为40℃至60℃。

根据实施例中的LNG燃料供给系统，当通过使用所述泵而使存储在所述LNG存储罐中的处于液体状态的LNG增加至具有发动机所要求的压力时，处于液体状态的LNG相变至处于过冷液体状态的LNG，从而最大限度地防止所述泵的能量被浪费掉以增加LNG的温度，因而减少所述泵消耗的电能的数量。

此外，根据实施例中的LNG燃料供给系统，通过使用所述热交换器加热处于过冷液体状态的LNG，处于过冷液体状态的LNG相变至处于超临界状态的LNG，然后相变的LNG被供给至发动机，从而可以减少电能的使用率且改善在船舶中可以很容易获得的热能的使用率。

此外，根据实施例中的LNG燃料供给系统，通过减少电能的使用率并且增加热能的使用率，可以改善船舶的能量使用效率。

前述的发明内容仅是示例性的，且不旨在以任何方式限制。除了上述的示例性的方面、实施例以及特征之外，参照附图及下面的详细说明书，其他的方面、实施例以及特征将变得显而易见。

附图说明

对于本领域的普通技术人员来说，参照附图，通过详细描述其中的实施例，本发明的上述及其它特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1是根据本发明实施例的LNG燃料供给系统的概念图；

图2是根据本发明实施例的LNG燃料供给系统中LNG存储罐的剖视图；

图3是根据本发明实施例的用于描述LNG燃料供给系统中LNG相变的LNG相变曲线图；

图4是根据本发明另一实施例的用于描述LNG燃料供给系统中LNG相变的LNG相变曲线图；以及

图5是根据本发明另一实施例的用于描述LNG燃料供给系统中能量使用率的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的示范性实施例。

图1是示出了根据本发明实施例的LNG燃料供给系统的概念图，图2是根据本发明实施例的LNG燃料供给系统中LNG存储罐的剖视图。

如图1和2所示，根据本发明实施例的LNG燃料供给系统1包括LNG存储罐10、发动机20、泵30和热交换器40。

LNG存储罐10存储要被供给至发动机20的LNG。LNG存储罐10需要存储处于液体状态的LNG，并且在这种情况下，LNG存储罐10可以具有压力罐的形式。在下文中，在本说明书中，LNG可以用作包括处于超临界状态的天然气（NG）以及为方便起见处于液化状态的NG的意图。

如图2所示，LNG存储罐10包括外罐11、内罐12和绝热部13。具有形成LNG存储罐10外壁的结构的外罐11可以由钢形成，并且其横截面可以是多边形的形状。

内罐12设置在外罐11的内部，并且可以安装同时由支撑件14支撑至外罐11的内部。在这种情况下，支撑件14可以设置在内罐12的下端，并且可以设置在内罐12的侧表面上，以限制内罐12的左右流动。

内罐12可以由不锈钢形成，并且可以设计成承受5bar至10bar（例如6bar）的压力。由于内罐12的内部压力可能会根据存储在内罐12里面的LNG的蒸发及蒸发气体的产生而增加，所以内罐12设计成承受预定的压力。

挡板15可以设置在内罐12的内部。挡板15是格子形状的板，并且根据挡板15的安装，内罐12内部的压力是均匀分布的，从而可以防止内罐12的一部分集中地承受压力。

绝热部13设置在内罐12与外罐11之间，并且可以防止外部的热能被传递至内罐12。在这种情况下，绝热部13可以处于真空状态。当绝热部13形成在真空状态下时，与普通罐相比，LNG存储罐10可以更加有效地承受高压。例如，LNG存储罐10通过真空绝热部13可以承受5bar至20bar的压力。

如上所述，在本实施例中，使用的是包括设置在外罐11与内罐12之间的真空绝热部13的压力罐型LNG存储罐10，从而可以最小限度地产生蒸发气体，并且即使内部压力增加的话，也可以防止出现比如损坏LNG存储罐10这样的问题。

发动机20由于从LNG存储罐10供给的LNG而得以驱动，以产生推进力。在这种情况下，发动机20可以是MEGI发动机，也可以是双燃料发动机。

在发动机20是双燃料发动机的情况下，LNG或油可能被选择性地供给，并且LNG和油不可以被混合供给。原因是通过防止具有不同燃烧温度的两种材料被混合且供给而防止发动机20效率的恶化。

在发动机20中，根据通过LNG的燃烧而使得气缸内的活塞（未示出）往复运动，连接至活塞的曲轴可以旋转，并且连接至曲轴的轴（未示出）可以旋转。因此，当发动机20被驱动时，连接至轴的推进器（未示出）最终旋转，从而船舶向前或向后移动。

理所当然的是，在本实施例中，发动机20可以是用于驱动推进器的发动机20，而且可以是用于产生电力的发动机20或用于产生其他动力的发动机。即，在本实施例中，发动机20的类型没有特别的限定。然而，发动机20可以是通过燃烧LNG而产生驱动力的内燃机。

传递LNG的燃料供给管路21可安装在LNG存储罐10与发动机20之间，泵30、热交换器40等设置在燃料供给管路21上，从而LNG可以被供给至发动机20。

在这种情况下，燃料供给阀（未示出）安装在燃料供给管路21上，从而可以根据燃料供给阀的打开与关闭来调节LNG的供给量。

泵30包括增压泵31和高压泵32。在下文中，将参照图3和4详细描述本发明。

图3是根据本发明实施例的用于描述LNG燃料供给系统中LNG相变的LNG相变曲线图，图4是根据本发明另一实施例的用于描述LNG燃料供给系统中LNG相变的LNG相变曲线图。

增压泵31可以设置在LNG存储罐10与高压泵32之间的燃料供给管路21内或者在LNG存储罐10中，并且供给足够量的LNG至高压泵32，以防止高压泵32的穴化（cavitation）。此外，增压泵31可能会从LNG存储罐10中取出LNG并用几个bar至几十个bar的压力对LNG进行加压，并且通过增压泵31的LNG可能会在1bar至25bar的压力下得以加压。

参照图3和4，存储在LNG存储罐10中的LNG处于状态B1或C1，这是液体状态。在这种情况下，增压泵31可能通过对从LNG存储罐10中释放的LNG进行加压而将LNG的状态改变至状态B2或C2，并且由增压泵31加压的LNG可能仍然处于液体状态。

高压泵32在高压下压缩从LNG存储罐10释放的LNG，以通过后面将要描述的热交换器40将LNG供给至发动机20。LNG在约10bar的压力下从LNG存储罐10中释放，然后由增压泵31进行第一次加压，高压泵32二次压缩由增压泵31所加压的液体状态的LNG，以将压缩的LNG供给至后面将要描述的热交换器40。

在这种情况下，高压泵32压缩LNG至发动机20所要求的压力，例如200bar至400bar，以将压缩的LNG供给至发动机20，从而使发动机20能够通过LNG而产生驱动力。

参照图3，根据本发明实施例的高压泵32在高压下压缩从增压泵31释放的处于液体状态B2的LNG，以这样的方式，也就是高压泵32将LNG相变，从而LNG变成具有比在通常的LNG相变曲线A中表示的临界点A1更高温度和更高压力的超临界状态B3。

然而，在这种情况下，高压泵32需要被驱动很长一段时间，以便将处于液体状态B2的LNG改变至超临界状态B3，从而可能会增加来自外部的热量渗透。

此外，根据本实施例的高压泵32同时压缩LNG和增加LNG的温度，从而在高压泵32中注入的电能可用于增加LNG的压力，并且还可以用于增加LNG的温度，从而可以增加所使用的电能的数量。即，由于有必要接收来自高压泵32的用于增加压力的能量和用于增加温度的能量以使得LNG从液体状态B2相变至超临界状态B3，所以需要供给至高压泵32的所消耗的电能的数量显著增加，从而存在高压泵32的效率显著降低的问题。

与此同时，参照图4，根据本发明另一实施例的高压泵32在高压下压缩液体状态LNG，以将LNG从液体状态改变至过冷液体状态。在这里，LNG的过冷液体状态指的是LNG的压力高于临界压力，并且LNG的温度低于临界温度。

特别地，高压泵32压缩从增压泵31中释放的处于液体状态C2的LNG，以具有高达200bar至400bar的高压，以这样的方式，也就是LNG的温度变得低于在通常的LNG相变曲线A中表示的临界点A1的温度（临界温度），从而将LNG相变至过冷液体状态C3。在这里，处于过冷液体状态C3的LNG的温度可能是-140℃至-60℃，这比临界温度相对更低。

在这种情况下，高压泵32将处于液体状态C2的LNG改变至处于过冷液体状态C3，从而使高压泵32不需要被驱动很长一段时间，从而同时减少操作时间并且使来自外部的热量渗透最小化。此外，在从液体状态C2相变至过冷液体状态C3的LNG中，与图3的实施例相比，用于增加温度所需的能量最小化或省略，需要供给至高压泵32的所消耗的电能的数量与图3所示的实施例相比可能会显著降低。因此，根据参照图4所描述的实施例的高压泵32的效率可以确保比根据参照图3所描述的实施例的高压泵32的效率更高。

因此，在本实施例中，通过使用泵30对存储在LNG存储罐10中的处于液体状态C1的LNG进行加压以具有发动机20所要求的压力，处于液体状态C1的LNG相变至处于过冷液体状态C3的LNG，从而减少泵30所消耗的电能的数量。

热交换器40对LNG进行加热，并且将加热的LNG供给至发动机。在这种情况下，在本发明实施例中的热交换器40仅增加LNG的温度，不会使LNG相变，但是根据本发明另一实施例的热交换器40将处于过冷液体状态C3的LNG相变至超临界状态C4。

热交换器40可以设置在发动机20与泵30之间的燃料供给管路21上，并且可能会对LNG加热同时在200bar至400bar的压力下保持从泵30中释放的LNG。

根据本实施例的热交换器对处于超临界状态B3的LNG加热，仅增加LNG的温度，然后将LNG供给至发动机20，从而热交换器40不使LNG相变。

与此同时，根据另一实施例的热交换器40可能通过对处于过冷液体状态C3的LNG加热使处于过冷液体状态C3的LNG相变至处于超临界状态C4的LNG。

特别地，根据另一实施例的热交换器40可能通过对处于过冷液体状态C3的LNG加热以具有第一预定温度而使得从泵30中释放的处于过冷液体状态C3的LNG相变至处于超临界状态C4的LNG，例如，第一预定温度比在通常的LNG相变曲线A中所示的临界点A1的温度相对更高，并且将相变的LNG供给至发动机20。在这里，第一预定温度可以是-60℃或更高，这比在200bar至400bar的压力下临界点A1的温度相对更高，但优选的是40℃至60℃，这是发动机20所要求的燃烧温度。然而，处于超临界状态C4的温度可能会根据发动机20所要求的温度而改变。

热交换器40可以使用发动机的废气、船舶内锅炉或发电机的余热作为热源，用于对处于过冷液体状态C3的LNG加热，并且进一步使用特定的化学材料对处于过冷液体状态C3的LNG加热，以使得化学材料释放热量且处于过冷液体状态C3的LNG接收热量，从而使处于过冷液体状态C3的LNG相变至处于超临界状态C4的LNG。

在这种情况下，化学材料运行单独的循环，以由蒸汽等通过接收热量而被加热，然后将所接收的热量供给至处于过冷液体状态C3的LNG，从而使处于过冷液体状态C3的LNG可以平滑地相变至处于超临界状态C4的LNG。所述化学材料可以是乙二醇水等。

再次参照图4，当热交换器40将处于过冷液体状态C3的LNG改变至处于超临界状态C4的LNG时，LNG不通过气液共存（相变曲线A的下部）的状态。气液共存的状态指的是潜热部分，并且潜热部分中的LNG需要吸收大量的热用于相变，从而使热交换器40可以增加需要供给至LNG的热能的量。然而，在本实施例中，LNG通过在上部方向上绕过相变曲线A而具有发动机10所要求的温度和压力，以使得LNG不通过潜热部分，从而防止热能被过度地消耗。

图5是根据本发明另一实施例的用于描述在LNG燃料供给系统中能量使用率的曲线图。

再次参照图3和4，本实施例中由热交换器40的LNG温度的上升宽度小于另一实施例中由热交换器40的LNG温度的上升宽度。因此，本实施例中热交换器40所要求的热能的数量可以低于另一实施例中热交换器40所要求的热能的数量。

然而，如图5所示，在实施例P1中，由于高压泵32在将LNG从液体状态B2相变至超临界状态B3的过程中需要大量的电能，所以所使用的电能的数量不得不比所使用的热能的数量相对更大。在这种情况下，尽管热能是通过余热比如船舶的发动机废气而很容易获得的能量，但是电能是仅在发电机通过使用燃料而被驱动时可获得的能量。因此，与另一实施例相比，在本实施例中，即使所使用的热能的数量很小，但是所使用的电能的量是相对大的，就获得电能和热能的容易性方面来说，本实施例是低效的。

与此同时，在另一实施例P2中，高压泵32使LNG从液体状态C2相变至过冷液体状态C3，然后热交换器40使处于过冷液体状态C3的LNG相变至超临界状态C4，从而可以大大减少高压泵32所要求的电能的量。因此，可以看出，所使用的电能的量显著地小于所使用的热能的量。在这种情况下，在实施例P2中所要求的热能可能大于在实施例P1中所要求的热能，但热能是通过如上所述的船舶余热而很容易获得的能量，从而可以看出，就能量使用率来说，与实施例P1相比，实施例P2是非常有效的。

因此，在本实施例中，通过使用余热比如产生于船舶的锅炉与发电机的废热作为热源，热交换器40使LNG从过冷液体状态C3相变至超临界状态C4，通过减少用于驱动发电机等的燃料的使用，并且通过减少泵30所要求的电能的使用率及增加热能的使用率来利用余热，从而可以实现环境友好型的系统。

在本实施例中，通过使用泵30对处于液体状态C1的LNG加压至由发动机20所要求的压力，存储在LNG存储罐10中的处于液体状态C1的LNG相变至处于过冷液体状态C3的LNG，以使得由泵30传递至LNG的能量可能会集中地用于增加LNG的压力，而不是增加LNG的温度，从而减少用于驱动泵30的电能的数量。

此外，在本实施例中，处于过冷液体状态C3的LNG通过使用热交换器40而被加热，相变至处于超临界状态C4的LNG，然后供给至发动机20，从而可以减少电能的使用率，增加在船舶中很容易获得的热能的使用率。

因此，在本实施例中，通过减少电能的使用率而增加热能的使用率可以改善船舶的能量使用效率。

虽然已经示出了本发明并对其中的某些实施例进行了描述，但是本领域技术人员要理解的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

如上所述，本实施例已在附图和说明书中公开。本文所使用的特定术语是为了说明的目的，并且不限制在权利要求书中所限定的本发明的范围。因此，本领域技术人员要理解的是，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可以进行各种修改及另一等效的示例。因此，本发明的唯一技术保护范围将由所附权利要求的技术精神来限定。

Claims (8)

1.一种LNG燃料供给系统，包括：

燃料供给管路，其从LNG存储罐连接至发动机；

泵，其设置在所述燃料供给管路上，并且配置为通过以高压压缩LNG而将从所述LNG存储罐中释放的LNG改变成处于过冷液体状态的LNG；以及

热交换器，其设置在所述发动机与泵之间的燃料供给管路上，并配置为通过加热而将从所述泵供给的处于过冷液体状态的LNG改变成处于超临界状态的LNG，且将所加热的LNG供给至所述发动机。

2.根据权利要求1所述的LNG燃料供给系统，其中，所述泵将从所述LNG存储罐中释放的LNG相变成具有比临界压力更高的压力且比临界温度更低的温度的处于过冷液体状态的LNG。

3.根据权利要求1所述的LNG燃料供给系统，其中，所述泵包括在200bar至400bar下压缩从所述LNG存储罐中释放的LNG的高压泵。

4.根据权利要求3所述的LNG燃料供给系统，其中，所述泵还包括增压泵，其设置在所述LNG存储罐与高压泵之间的燃料供给管路上，并配置为对从所述LNG存储罐中释放的LNG进行加压且将加压的LNG供给至所述高压泵。

5.根据权利要求4所述的LNG燃料供给系统，其中，所述增压泵在1bar至25bar下对从所述LNG存储罐中释放的LNG进行加压。

6.根据权利要求3所述的LNG燃料供给系统，其中，所述热交换器对LNG进行加热，从而使LNG的温度达到第一预定温度，同时在200bar至400bar下保持从所述泵中释放的LNG的压力，并且所述第一预定温度是比临界温度相对更高的温度。

7.根据权利要求6所述的LNG燃料供给系统，其中，所述第一预定温度是由所述发动机所要求的燃烧温度。

8.根据权利要求6所述的LNG燃料供给系统，其中，所述第一预定温度为40℃至60℃。