CN106029491B - 蒸发气体处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种蒸发气体处理系统。根据本发明的蒸发气体处理系统包括：压缩机，压缩在船舶结构或浮式结构的液化天然气存储罐中产生的蒸发气体；热交换机，使用将被引入至压缩机中的蒸发气体通过使蒸发气体与已在压缩机中经压缩的蒸发气体之间进行热交换而冷却已在压缩机中经压缩的蒸发气体；膨胀构件，使在热交换机中被冷却的蒸发气体绝热地膨胀；气‑液分离机，将在膨胀构件中被绝热地膨胀的蒸发气体分离成气体及液体，并将液化天然气供应至液化天然气存储罐；以及旁通线路，将经受绝热膨胀的蒸发气体自膨胀构件的下游供应至气‑液分离机的下游。本发明的系统降低了初始安装成本并减小了装备尺寸，同时容许进行简单的维护及修理。

Description

蒸发气体处理系统
技术领域
本发明涉及一种蒸发气体处理系统，且更具体而言涉及一种包括以下的蒸发气体处理系统：压缩机，压缩在船舶结构或浮式结构的液化天然气存储罐中产生的蒸发气体；热交换机，通过与将被供应至所述压缩机的蒸发气体进行热交换而冷却所述经压缩的蒸发气体；膨胀单元，执行由所述热交换机冷却的所述蒸发气体的绝热膨胀；以及气-液分离机，执行经受由所述膨胀单元执行的绝热膨胀的所述蒸发气体的气/液分离，并将液化天然气供应至所述液化天然气存储罐，在其中构成旁通线路以使得经受绝热膨胀的所述蒸发气体能够自所述膨胀单元的下游侧而被供应至所述气-液分离机的下游侧，从而能够实现系统运作的多样化。
背景技术
液化天然气(Liquefied Natural Gas，以下称作“LNG”)是通过将主要由甲烷(methane)组成的天然气冷却至约-163℃而获得的无色透明液体，且其体积为天然气体积的约1/600。因此，天然气被液化为LNG以进行高效运输，且使用液化天然气船来进行LNG的海洋运输。
由于天然气的液化发生在环境压力下约-163℃的低温温度下，因此若LNG的温度在环境压力下升高至略高于-163℃，则LNG很有可能会蒸发。尽管设置于LNG船、LNG浮式生产储卸油装置、再气化船等的LNG存储罐设置有热绝缘结构，但在LNG存储罐中不可能完全防止热量至LNG的传递，且因此，在LNG于LNG存储罐中的存储期间，LNG在LNG存储罐中不断蒸发而产生蒸发气体(Boil-Off Gas，BOG)。
BOG是一种LNG损失且是LNG的运输效率中的一个重要因素，由于在LNG存储罐中过量积聚的蒸发气体可通过LNG存储罐中压力的过量增大而导致LNG存储罐受损，因此已进行各种研究来开发一种用于处理LNG存储罐中产生的BOG的方法。
近来，为处理BOG，使用了在将BOG进行再液化之后使所述BOG返回至存储罐的方法、使用BOG作为船舶能量源的方法等。此外，使用了利用气体燃烧单元(Gas CombustionUnit，GCU)来焚烧过量蒸发气体的方法。
气体燃烧单元不可避免地焚烧不用于船舶中的过量BOG以调控存储罐的压力，且具有浪费通过燃烧产生的BOG的化学能的问题。
当在LNG船的推进系统中将双燃料(Dual Fuel，DF)引擎应用于主推进设备时，在LNG存储罐中产生的蒸发气体可用作所述DF引擎的燃料。当在LNG存储罐中产生的蒸发气体的量超过在双燃料引擎中的船舶推进中使用的燃料的量时，蒸发气体被传送至气体燃烧器并由所述气体燃烧器焚烧以保护所述LNG存储罐。
发明内容
发明所要解决的问题
由于液化天然气处于低温状态下且对例如温度等环境变化极为敏感，因此在船舶航行期间在货舱中不断发生LNG的自发气化，从而产生大量的BOG(Boil Off Gas，蒸发气体)。由于存储罐中的过量BOG可通过存储罐中内部压力的增大而导致存储罐的爆炸，因此将BOG排放出并进行重新液化以进行存储，或通过燃烧而移除所述蒸发气体(BOG)。已知具有热绝缘结构的船舶在液化天然气的运输期间在存储罐中以约0.05体积％/天的量产生蒸发气体，且传统液化天然气船以每小时4吨(t)至6吨的量或每次航行约300吨的量将液化天然气气化为蒸发气体。
为了将存储罐中的蒸发气体再液化，自存储罐排放蒸发气体并使所述蒸发气体在再液化设备中经受冷却循环，在所述再液化设备中，蒸发气体在通过与低温状态下的制冷剂(例如，氮气、混合制冷剂等)进行热交换而再液化之后返回至存储罐。基于此种冷却循环的再液化设备以复杂的方式运作，此导致对整体系统的控制复杂且功率消耗大。
因此，对大量BOG进行液化需要复杂的再液化设备及大的能量消耗，且通过燃烧移除燃料会导致浪费燃料等。因此，需要一种能够高效地处理在存储罐中产生的蒸发气体的系统。
已构想本发明来解决现有技术中的此类问题，且本发明旨在提供一种用于高效地处理在船舶结构或浮式结构的LNG存储罐中产生的蒸发气体的系统。
解决问题的技术手段
根据本发明的一个方面，提供一种蒸发气体处理系统，所述蒸发气体处理系统包括：压缩机，压缩在船舶结构或浮式结构的液化天然气(LNG)存储罐中产生的蒸发气体；
热交换机，通过与将被供应至所述压缩机的蒸发气体进行热交换而冷却所述经压缩的蒸发气体；
膨胀单元，执行由所述热交换机冷却的所述蒸发气体的绝热膨胀；
气-液分离机，执行经受由所述膨胀单元执行的绝热膨胀的所述蒸发气体的气/液分离，并将液化天然气供应至所述液化天然气存储罐；以及
旁通线路，经受绝热膨胀的所述蒸发气体经由所述旁通线路而自所述膨胀单元的下游侧被供应至所述气-液分离机的下游侧。
所述蒸发气体处理系统还可包括：再循环线路，由所述气-液分离机分离的气相的所述蒸发气体经由所述再循环线路而被引入至所述蒸发气体流中，以自所述LNG存储罐供应至所述热交换机；以及冷却机，设置于所述再循环线路并利用由所述气-液分离机分离的所述蒸发气体额外地使由所述热交换机冷却的所述蒸发气体冷却。
所述蒸发气体处理系统还可包括：第一分离阀，安置于所述气-液分离机的上游；以及第二分离阀，设置于所述旁通线路。
所述压缩机可为其中交替排列有压缩气缸及中间冷却机的多级压缩机，且经由所述多级压缩机的一部分而被压缩的所述蒸发气体可作为燃料而被供应至第一引擎。
经由所述多级压缩机的整体而被压缩的所述蒸发气体可作为燃料而被供应至第二引擎，且在供应至所述第一引擎及所述第二引擎之后剩余的所述蒸发气体可在经由所述热交换机及所述膨胀单元进行液化之后存储于所述LNG存储罐中。
所述第一引擎可为能够接收被压缩至5巴(bar)至20巴的压力的所述蒸发气体作为燃料的双燃料DF引擎，且所述第二引擎可为能够接收被压缩至150巴至400巴的压力的所述蒸发气体作为燃料的ME-GI引擎。
所述膨胀单元可包括膨胀阀(J-T阀)及膨胀机(expander)中的一个。
根据本发明的另一方面，提供一种蒸发气体处理系统，所述蒸发气体处理系统包括：燃料供应线路，在船舶结构或浮式结构的LNG存储罐中产生的蒸发气体经由所述燃料供应线路被压缩并供应至所述船舶结构或所述浮式结构的引擎；
液化线路，经由所述液化线路，所述经压缩的蒸发气体中的某些蒸发气体被分离、通过与在所述液化天然气存储罐中产生的将被压缩的蒸发气体进行热交换而被冷却、并通过绝热膨胀而被液化；
气-液分离机，执行经受绝热膨胀的所述蒸发气体的气-液分离，并将液化天然气供应至所述液化天然气存储罐；以及
旁通线路，自所述液化线路分支出并容许经受绝热膨胀的所述蒸发气体能够在绕过所述气-液分离机之后被供应至所述LNG存储罐。
所述蒸发气体处理系统还可包括：再循环线路，由所述气-液分离机分离的气相的所述蒸发气体经由所述再循环线路而被重新引入至所述燃料供应线路中；以及冷却机，安置于所述再循环线路与所述液化线路的交叉点处，并利用由所述气-液分离机分离的所述蒸发气体使通过与将在所述燃料供应线路中被压缩的蒸发气体进行热交换而冷却的所述蒸发气体额外地冷却。
发明的效果
根据本发明的系统可通过对在LNG存储罐中产生的蒸发气体进行压缩而供应所述蒸发气体作为引擎燃料同时使用蒸发气体自身的冷热来实现剩余蒸发气体的再液化，因此不需要单独的制冷剂系统，从而降低了初始安装成本并减小了装备尺寸，同时容许进行简单的维护及修理。
如此一来，根据本发明的系统不采用需要大的能量消耗来进行再液化的再液化设备，因此可降低用于再液化的运作成本并减少因在气体燃烧单元GCU等中进行用于再液化的燃烧而浪费的天然气的量，从而提高了经济可行性。
此外，根据本发明的系统设置有旁通线路，所述旁通线路用以容许蒸发气体绕过气-液分离机，使得闪蒸气体(flash gas)状态中的蒸发气体在利用存储罐中的冷热而液化之后可被重新引入至LNG存储罐中而无需经过气-液分离机，从而实现系统运作的多样化。
附图说明
图1是根据本发明的第一示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。
图2是根据本发明的第二示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。
图3是与燃料气体供应系统一起使用的、根据本发明的第一示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。
图4是根据本发明的第三示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。
图5是根据本发明的第四示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。
图6是根据本发明的第五示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。
图7是根据本发明的第六示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。
具体实施方式
通过附图及对本发明的以下示例性实施例的说明，本发明的上述及其他方面、优点及目标将变得显而易见。
以下，将参照附图详细阐述本发明的示例性实施例。在所有附图中，相同的组件将由相同的参考编号表示。
一般而言，国际海事组织(International Maritime Organization)调控船舶废气中氮氧化物(NOX)及硫氧化物(SOX)的排放，且近来也在尝试调控二氧化碳(CO2)的排放。具体而言，对氮氧化物(NOX)及硫氧化物(SOX)的调控问题在1997年由防止船舶造成海洋污染(MARPOL；The prevention of Maritime Pollution from Ships)协议提出。八年后，所述协议满足实行要求并在2005年5月开始生效，现在所述调控作为强制性规定而生效。
因此，为满足此类规定，已引入各种方法来减少氮氧化物(NOX)的排放。作为该些方法中的一种方法，已开发出并使用用于海洋结构(例如，LNG船)的高压天然气注入引擎，例如MEGI引擎。相较于输出同一功率电平的柴油引擎，所述ME-GI引擎作为能够减少污染物排放(例如，使二氧化碳排放量减少23％、氮化合物的排放量减少80％、且硫化合物的排放量减少95％以上)的下一代生态友好型引擎而备受关注。
此种MEGI引擎可设置于在将LNG存储于能够承受低温温度的存储罐中的同时运输LNG的船舶(例如，LNG船)中(本文中所用的用语“船舶”是包括海上工厂(例如，液化天然气再气化船(LNG RV)、液化天然气浮式生产储卸油装置(LNG FPSO)、液化天然气浮式存储再气化装置(LNG FSRU)等)以及LNG船等的概念)。在此种情形中，MEGI引擎使用天然气作为燃料且依引擎负荷而需要约150bara至400bara(绝对压力)的高压用于气体供应。
MEGI引擎可直接耦合至用于推进的推进器，且为此，所述MEGI引擎可为以低速旋转的二冲程引擎。亦即，MEGI引擎为低速二冲程高压天然气注入引擎。
此外，为了降低氮氧化物的排放量，已开发出使用柴油与天然气的混合物作为燃料的双燃料DF引擎(例如，双燃料柴油发电机DFDG；Dual Fuel Diesel Generator)并使用所述引擎进行推进或产生功率。双燃料DF引擎可焚烧油与天然气的混合物或仅使用选自油与天然气中的一个作为燃料。由于天然气中比油中含有更少的硫化合物，因此废气中的硫氧化物含量降低。
双燃料DF引擎不需要如在MEGI引擎中所需要的此类高压燃料气体，而需要被压缩至约数个至数十bara的压力的燃料气体。双燃料DF引擎通过使用驱动力来驱动功率发电机而获得电力，且使用所述电力来驱动推进电动机或操作多种设备或设施。
当供应天然气作为燃料时，没有必要针对MEGI引擎调整甲烷值，但有必要针对双燃料DF引擎调整甲烷值。
当LNG被加热时，具有相对低的液化温度的甲烷组分优先气化。因此，具有高甲烷含量的蒸发气体可作为燃料被供应至双燃料DF引擎。然而，由于LNG具有低于蒸发气体的甲烷含量，因此LNG的甲烷值低于双燃料引擎的必需甲烷值，且构成液化天然气的烃组分(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等)的比率依生产地点而有所变化。因此，液化天然气不适于在气化之后作为燃料供应至双燃料DF引擎。
为了调整甲烷值，通过强制性地气化并冷却液化天然气，可液化并移除具有高于甲烷的液化温度的重烃(HHC；heavy hydrocarbon)组分。在调整甲烷值之后，可依引擎的必需温度来额外地对甲烷值经调整的天然气进行加热。
接下来，将参照附图详细阐述本发明的示例性实施例。应理解，以下实施例可以各种方式进行修改且不限制本发明的范围。
图1是根据本发明的第一示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。
在图1中，根据本发明的蒸发气体处理系统被应用于LNG船，所述LNG船设置有能够使用天然气作为燃料的高压天然气注入引擎，亦即MEGI引擎。然而，应理解，根据本发明的蒸发气体处理系统不仅可应用于设置有液化气体存储罐的任意种类的船舶(例如，LNG船、LNG RV等)，而且可应用于海上工厂(例如LNG FPSO、LNG FSRU等)。
在根据第一示例性实施例的蒸发气体处理系统中，在存储液化气体的存储罐11中产生并自存储罐11排放的蒸发气体(NBOG)沿蒸发气体供应线路L1被递送至压缩机13、被压缩机13压缩、然后被供应至高压天然气注入引擎，例如MEGI引擎。当蒸发气体作为燃料被供应至高压天然气注入引擎(例如，MEGI引擎)时，所述蒸发气体被压缩机13压缩至约150bara至400bara的高压。
尽管存储罐设置有密封及热绝缘障壁以在低温状态下存储例如LNG等液化气体，但存储罐无法实现完全阻挡自外界的热传递。因此，液化气体的蒸发在存储罐11中持续发生，且蒸发气体经由蒸发气体排放线路L1自存储罐排放以将蒸发气体在存储罐内的压力维持在适当的水平。
每一存储罐11中设置有用于视需要自存储罐排放LNG的排放泵12。
压缩机13可包括至少一个压缩汽缸14及至少一个用以冷却蒸发气体的中间冷却机15，所述蒸发气体的温度在压缩期间升高。压缩机13可用以将蒸发气体压缩至例如约301bara。尽管压缩机13在图1中被说明为包括五个压缩汽缸14及五个中间冷却机15以进行多级压缩，但应理解，可视需要改变压缩汽缸的数目及中间冷却机的数目。此外，可对包括含有多个压缩汽缸的单个压缩机、多个彼此串联连接的压缩机等在内的压缩机进行各种修改。
由压缩机13压缩的蒸发气体经由蒸发气体供应线路L1而被供应至高压天然气注入引擎。此处，根据高压天然气注入引擎将使用的燃料量，经压缩蒸发气体的整体或其一部分可被供应至高压天然气注入引擎。
此外，根据本发明的第一实施例，假定自存储罐11排放并由压缩机13压缩的蒸发气体(即，自存储罐排放的蒸发气体整体)是第一气流，且蒸发处理系统可被配置成使得蒸发气体的第一气流被分成第二气流及第三气流，其中第二气流可作为燃料被供应至高压天然气注入引擎且第三气流可在再液化之后返回存储罐。
第二气流经由蒸发气体供应线路L1被供应至高压天然气注入引擎，且第三气流将经由蒸发气体返回线路L3返回至存储罐11。为使经压缩的蒸发气体的第三气流液化，蒸发气体返回线路L3设置有热交换机21。热交换机21执行经压缩的蒸发气体的第三气流与自存储罐11排放的蒸发气体的将被供应至压缩机13的第一气流的热交换。
由于蒸发气体的在压缩前的第一气流的流动速率高于第三气流的流动速率，因此经压缩的蒸发气体的第三气流可通过与蒸发气体的在压缩前的第一气流进行热交换而被液化。因此，在热交换机21中，由压缩机13压缩至高压的蒸发气体通过与在刚刚自存储罐11排放之后具有低温温度的蒸发气体进行热交换而被液化。
由热交换机21液化的蒸发气体(LBOG)在经过膨胀阀22时被减压，然后以气-液混合状态被供应至气-液分离机23。在经过膨胀阀22时，LBOG可被减压至近似大气压力。经液化的蒸发气体被气-液分离机23分成气体组分及液体组分，其中液体组分(亦即，LNG)经由蒸发气体返回线路L3被递送至存储罐11，且气体组分(亦即，蒸发气体)经由蒸发气体再循环线路L5而加入自存储罐11排放的将被供应至压缩机13的蒸发气体。更具体而言，蒸发气体再循环线路L5自气-液分离机23的上端延伸且在热交换机21的上游侧处连接至蒸发气体供应线路L1。
尽管为便于说明将热交换机21说明为设置于蒸发气体返回线路L3，但由于蒸发气体的经过蒸发气体供应线路L1的第一气流与蒸发气体的经过蒸发气体返回线路L3的第三气流之间的热交换实际上发生在热交换机21中，因此热交换机21也设置于蒸发气体供应线路L1。
蒸发气体再循环线路L5也可设置有另一膨胀阀24，自气-液分离机23排放的气体组分可在经过膨胀阀24时通过所述膨胀阀24被减压。此外，蒸发气体再循环线路L5设置有冷却机25，冷却机25通过使蒸发气体的在由热交换机21液化之后被供应至气-液分离机23的第三气流与由气-液分离机23分离且经过蒸发气体再循环线路L5的气体组分进行热交换，而使所述第三气流进一步冷却。亦即，冷却机25进一步地将高压液体状态的蒸发气体冷却为低压低温气体状态的天然气。
此处，尽管为便于说明将冷却机25说明为设置于蒸发气体再循环线路L5，但由于蒸发气体的经过蒸发气体返回线路L3的第三气流与经过蒸发气体再循环线路L5的气体组分之间的热交换实际上发生在冷却机25中，因此冷却机25也设置于蒸发气体返回线路L3。
另一方面，当预期会因存储罐11内的蒸发气体超过高压天然气注入引擎的必需燃料而产生过量蒸发气体时，已被压缩或正在压缩机13中被逐步压缩的某些蒸发气体经由蒸发气体分支线路L7、L8被排放以供蒸发气体消耗侧利用。蒸发气体消耗侧的实例可包括可采用低于MEGI引擎的低压天然气作为燃料的气体燃烧单元GCU、双燃料发电机(DFDG)、气体轮机等。
在如上所述根据第一示例性实施例的蒸发气体处理系统及方法中，由于在LNG船运输货物(亦即，LNG)期间产生的蒸发气体可用作引擎燃料，或可在被再液化并返回存储罐之后存储于存储罐中，因此可减少或防止气体燃烧单元GCU等对蒸发气体的浪费，并可通过再液化来处理蒸发气体而无需安装使用例如氮气等单独制冷剂的单独再液化设备。
此外，由于如上所述根据第一示例性实施例的蒸发气体处理系统及方法不需要安装使用单独制冷剂的单独再液化设备(亦即，氮气制冷剂冷却循环、混合制冷剂冷却循环等)，因此不需要额外地安装用于供应并存储制冷剂的装备，从而使得能够降低整个系统的初始安装成本及运作成本。
图2是根据本发明的第二示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。
不同于根据第一示例性实施例的蒸发气体处理系统，根据第二示例性实施例的蒸发气体处理系统容许在MEGI引擎或双燃料发电机所需的蒸发气体的量高于在存储罐中自发产生的蒸发气体的量时通过强制性气化来使用液化天然气。以下，将更详细地阐述根据第二示例性实施例的蒸发气体处理系统不同于第一示例性实施例的蒸发气体处理系统的特征。
在根据第二示例性实施例的蒸发气体处理系统中，在存储液化气体的存储罐11中产生并自存储罐排放的蒸发气体(NBOG)在压缩机13的多级压缩期间经由蒸发气体供应线路L1被递送至压缩机、被压缩机13压缩、并被供应至高压天然气注入引擎(例如，MEGI引擎)、或被供应至双燃料引擎(双燃料发电机)而用作所述双燃料引擎的燃料，如在根据第一示例性实施例的蒸发气体处理系统中。
然而，在根据第二示例性实施例的蒸发气体处理系统中，当高压天然气注入引擎及双燃料发电机所需的蒸发气体的量高于在存储罐11中自发产生的蒸发气体的量时，建立强制性气化线路L11以使得存储于存储罐11中的液化天然气能够在通过强制性气化机31将液化天然气气化之后被供应至压缩机13。
通过如在第二示例性实施例中的强制性气化线路L11，即使在因存储于存储罐中的LNG的量少而产生少量蒸发气体时、或在各种引擎所需用来作为燃料的蒸发气体的量高于在存储罐中自发产生的蒸发气体的量时仍可实现稳定的燃料供应。
图3是与燃料气体供应系统一起使用的、根据本发明的蒸发气体处理系统的示意图。
在图3中，尽管根据图1中第一示例性实施例的蒸发气体处理系统被说明为耦合至燃料气体供应系统，但应理解，根据第二示例性实施例的蒸发气体处理系统也可与燃料气体供应系统一起使用。
参照图3，根据本发明的用于船舶的燃料气体供应系统包括高压天然气注入引擎(例如，MEGI引擎)作为主要引擎，并包括双燃料DF引擎(双燃料发电机；DFDG)作为辅助引擎。尽管主要引擎一般用作船舶航运的推进引擎而辅助引擎一般用作用于向安装于船舶内的各种装置及设施供应电力的电力产生引擎，但应理解，本发明不受主要引擎及辅助引擎的实用性的限制。燃料气体供应系统可包括多个主要引擎及多个辅助引擎。
根据本发明的用于船舶的燃料气体供应系统被构造成使得存储于存储罐11中的天然气(亦即，气体状态的BOG以及液体状态的LNG)可作为燃料气体被供应至引擎(亦即，对应于主要引擎的MEGI引擎及对应于辅助引擎的双燃料引擎)。
为了供应气体状态的BOG作为燃料气体，根据本发明的燃料气体供应系统包括：作为BOG供应线路的主要BOG供应线路L1，存储于存储罐11中的BOG经由所述主要BOG供应线路L1被供应至主要引擎；以及辅助BOG供应线路L8，自主要BOG供应线路L1分支出并供应BOG至辅助引擎。主要BOG供应线路L1与图1及图2中所示的BOG供应线路L1具有相同的构型，且为与相对于双燃料DF引擎的BOG供应线路(亦即，辅助BOG供应线路L8)区分开，在参照图3所作的说明中被称为主要BOG供应线路L1。
此外，为了供应液体状态的LNG作为燃料气体，根据本发明的燃料气体供应系统包括：主要LNG供应线路L23，存储于存储罐11中的LNG经由所述主要LNG供应线路L23而被供应至主要引擎；以及辅助LNG供应线路L24，自主要LNG供应线路L23分支出并供应LNG至辅助引擎。
根据本发明，主要BOG供应线路L1设置有用于压缩BOG的压缩机13，且主要LNG供应线路L23设置有用于压缩LNG的高压泵43。
在存储液化气体的存储罐11中产生并经由蒸发气体排放阀41排放的蒸发气体(NBOG)经由主要蒸发气体供应线路L1被递送、在压缩机13中被压缩、并被供应至高压天然气注入引擎，例如MEGI引擎。蒸发气体在被压缩机13压缩至约150bara至400bara的高压之后被供应至高压天然气注入引擎。
尽管存储罐设置有密封及热绝缘障壁以在低温状态下存储例如LNG等液化气体，但存储罐无法实现完全阻挡自外界的热传递。因此，液化气体的蒸发在存储罐11中持续发生，且蒸发气体自存储罐11排放以将蒸发气体在存储罐内的压力维持在适当的水平。
压缩机13可包括至少一个压缩汽缸14及至少一个用以冷却蒸发气体的中间冷却机15，所述蒸发气体的温度在压缩期间升高。压缩机13可用以将蒸发气体压缩至例如约301bara。尽管压缩机13在图1中被说明为包括五个压缩汽缸14及五个中间冷却机15以用于多级压缩，但应理解，可视需要改变压缩汽缸的数目及中间冷却机的数目。此外，可对包括含有多个压缩汽缸的单个压缩机、多个彼此串联连接的压缩机等在内的压缩机进行各种修改。
由压缩机13压缩的BOG经由主要蒸发气体供应线路L1而被供应至高压天然气注入引擎。此处，根据高压天然气注入引擎将使用的燃料量，经压缩蒸发气体整体或其一部分可被供应至高压天然气注入引擎。
辅助BOG供应线路L8自主要BOG供应线路L1分支出，其中燃料气体经由辅助BOG供应线路L8而被供应至作为辅助引擎的双燃料DF引擎。更具体而言，辅助BOG供应线路L8自主要BOG供应线路L1分支出使得在压缩机13中的多级压缩期间可经由所述辅助BOG供应线路L8供应某些BOG。图1示出经受二级压缩的某些BOG经由辅助BOG供应线路L8被供应至辅助引擎。
由于被提供作为辅助引擎的双燃料DF引擎(例如，DFDG)相比于MEGI引擎需要较低压力，因此在压缩机13的后端被压缩至高压的BOG的划分需要在将BOG供应至辅助引擎之前将蒸发气体的压力降低，从而导致运作效率低下。
如上所述，由于具有相对低的液化温度的甲烷组分在LNG被加热时优先气化，因此具有高甲烷含量的蒸发气体可作为燃料被供应至双燃料DF引擎。因此，不需要安装用于在主要BOG供应线路及辅助BOG供应线路中调整甲烷值的装置。
另一方面，当预期会因存储罐11内的蒸发气体超过主要引擎及辅助引擎的必需燃料而产生过量蒸发气体时，蒸发气体可通过根据本发明的蒸发气体处理系统而返回至存储罐。
当在存储罐中产生过量蒸发气体时，已被压缩或正在压缩机13中被逐步压缩的某些蒸发气体经由蒸发气体分支线路L7被排放以供BOG消耗侧利用。蒸发气体消耗侧的实例可包括可采用低于MEGI引擎的低压天然气作为燃料的气体燃烧单元GCU、双燃料发电机、气体轮机等。蒸发气体分支线路L7优选地自辅助蒸发气体供应线路L8分支出，如图3所示。
经由蒸发气体返回线路L3对在压缩机13中被压缩并随后经由蒸发气体供应线路L1被供应至高压天然气注入引擎的至少某些蒸发气体进行处理的过程(亦即，通过再液化使至少某些蒸发气体返回至存储罐11的过程)相同于参照图1及图2所述的，因此本文中不再对此过程进行赘述。
主要液化天然气供应线路L23设置有：排放泵12，安置于每一存储罐11内部并自存储罐11排放LNG；以及高压泵43，用于将首先由排放泵12压缩的LNG压缩至MEGI引擎所需的压力。每一存储罐11中可设置有一个排放泵12。尽管图3中示出了单个高压泵43，但可使用多个彼此并联连接的高压泵。
如上所述，MEGI引擎所需的燃料气体的压力可为约150bara至约400bara(绝对压力)的高压。本文中所用的用语“高压”可被视为MEGI引擎所需的约150bara至约400bara(绝对压力)的压力。
经由排放泵12自存储液化气体的存储罐11排放的LNG经由主要LNG供应线路L23被供应至高压泵43。然后，由高压泵43将LNG压缩至高压并供应至在其中将LNG气化的气化机44。经气化的LNG作为燃料气体被供应至高压天然气注入引擎，例如MEGI引擎。由于MEGI引擎所需的压力处于超临界状态，因此被压缩至高压的LNG处于气-液混合状态。因此，由气化机44对被压缩至高压的LNG进行的气化应视为意指以下过程：将处于超临界状态的LNG的温度增大至MEGI引擎所要求的温度。
用于将燃料气体供应至被提供作为辅助引擎的双燃料DF引擎的辅助LNG供应线路L24自主要LNG供应线路L23分支出。更具体而言，辅助LNG供应线路L24自主要LNG供应线路L23分支出，以使得某些LNG能够在由高压泵43压缩之前经由所述辅助LNG供应线路L24被供应。
辅助LNG供应线路L24设置有气化机45、气-液分离机46及加热机47，以将作为燃料被供应的LNG的甲烷值及温度调整至双燃料DF引擎所需的值。
如上所述，由于LNG具有相对低的甲烷含量，因此LNG的甲烷值低于双燃料DF引擎的必需甲烷值，且构成LNG的烃组分(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等)的比率依生产地点而有所变化。因此，LNG不适于在气化之后作为燃料供应至双燃料DF引擎。
为了调整甲烷值，由气化机45对LNG加热以使LNG仅部分气化。被部分气化为气(亦即，天然气)-液(亦即，液化天然气)混合状态的燃料气体被供应至在其中燃料气体被分离成气体及液体的气-液分离机46。由于具有高热量的重烃(HHC)组分具有相对高的气化温度，因此在部分气化的燃料气体中保持处于液体状态的LNG的重烃组分的比率相对增加。由于具有高热量的重烃组分具有相对高的气化温度，因此液体组分(亦即，重烃组分)通过气-液分离机46自燃料气体分离，由此燃料气体可具有增加的甲烷值。
鉴于液化天然气中的烃组分的比率及引擎的必需甲烷值，气化机45的加热温度可被调整以获得适当的甲烷值。气化机45的加热温度可被确定为处于摄氏-80至-120度范围内。由气-液分离机46自燃料气体分离的液体组分经由液体组分返回线路L25返回至存储罐11。蒸发气体处理系统的蒸发气体返回线路L3与燃料气体供应系统的液体组分返回线路L25可汇合并随后延伸至存储罐11。
甲烷值经调整的燃料气体经由辅助LNG供应线路L24供应至加热机47，且所述燃料气体被加热至辅助引擎的必需温度并被作为燃料供应至辅助引擎。举例而言，当辅助引擎是双燃料柴油发电机DFDG时，双燃料柴油发电机的必需甲烷值通常为80或高于80。举例而言，一般LNG(通常，甲烷：89.6％，氮气：0.6％)在重烃组分的分离之前具有71.3的甲烷值及48,872.8kJ/kg的低热值LHV(lower heating value)(在饱和蒸气中在1标准大气压下)。在通过将一般LNG压缩至7bara的压力并加热至摄氏-120度的温度而移除重烃组分时，液化天然气的甲烷值增加至95.5，且在此种情形中，液化天然气具有49,265.6kJ/kg的低热值。
根据本实施例，提供两种路径来将燃料气体供应至引擎(主要引擎及辅助引擎)。亦即，燃料气体可在由压缩机13或高压泵43压缩之后被供应至引擎。
具体而言，由于使用例如LNG船、LNG RV等船舶来将LNG自生产地点运输至消耗地点，因此船舶在前往消耗地点时以其中存储罐完全载满LNG的满载(Laden)状态航行，而在卸载LNG之后返回生产地点时以其中存储罐几乎为空的压载(Ballast)状态航行。在满载状态下，大量的LNG产生较大量的蒸发气体，而在压载状态下，少量的LNG产生较少量的蒸发气体。
尽管蒸发气体的量依存储罐容量、外部温度等条件而存在某些差异，但当LNG存储罐具有约130,000m3至350,000m3的容量时，蒸发气体的量在满载状态下为约3吨/小时至4吨/小时，而在压载状态下为约0.3吨/小时至0.4吨/小时。此外，用于引擎的燃料气体的必需量对于MEGI引擎而言可为约1吨/小时至4吨/小时(平均约1.5吨/小时)，而对于双燃料DF引擎(DFDG)而言可为约0.5吨/小时。近年来，随着存储罐的热绝缘性能增强，汽化率BOR(Boil Off Rate)已逐渐降低，因此在存储罐中产生的BOG的量也降低。
因此，根据本实施例的设置有压缩机线路(即，图3中的L1及L8)以及高压泵线路(即，图3中的L23及L24)的燃料气体供应系统优选地在其中产生大量蒸发气体的满载状态下经由压缩机线路供应燃料气体至引擎，而在其中产生少量蒸发气体的压载状态下经由高压泵线路供应燃料气体至引擎。
通常，通过压缩机将气体(BOG)压缩至MEGI引擎所需的150bara至400bara(绝对压力)的压力的必需能量显著大于通过泵压缩液体(LNG)的必需能量，且用于压缩气体的压缩机非常昂贵且占据大的体积。因此，仅使用泵线路而不使用压缩机线路可被视为是经济的。举例而言，通过驱动多级压缩机中的一组压缩机来供应燃料至ME-GI引擎会消耗2MW的功率，而在使用高压泵时仅消耗100kW的功率。然而，当在满载状态下仅经由高压泵线路将燃料气体供应至引擎时，需要用于使BOG重新液化的再液化设备以处理在存储罐中不断产生的BOG。考虑到再液化设备的能量消耗，通过采用压缩机线路及泵线路两者以在满载状态下经由压缩机线路供应燃料气体至引擎而在压载状态下经由高压泵线路供应燃料气体至引擎可为有利的。
当在存储罐中产生的蒸发气体小于ME-GI引擎在压载状态下的必需燃料时，以下做法可为高效的：多级压缩机不将蒸发气体压缩至ME-GI引擎的必需高压，且蒸发气体的一部分在多级压缩期间被强制性地经由BOG分支线路L7自压缩机排放然后作为燃料供应至双燃料引擎。亦即，当蒸发气体在仅经过5级压缩机的第一级压缩汽缸及第二级压缩汽缸之后被供应至双燃料引擎时，剩余的三个压缩汽缸空转。举例而言，通过驱动整个5级压缩机来压缩蒸发气体需要2MW的功率，然而仅使用第一级压缩汽缸及第二级压缩汽缸而使剩余三个压缩汽缸空转需要600kW的功率，且经由高压泵来供应燃料至ME-GI引擎需要100kW的功率。因此，当BOG的量小于ME-GI引擎在压载状态下所需的燃料量时，使双燃料DF引擎消耗所有的蒸发气体并经由高压泵供应LNG作为燃料在能量效率方面是有利的。
然而，若有必要，则即使在BOG的量小于ME-GI引擎所需的燃料的量时，仍可在经由压缩机将BOG作为燃料供应至ME-GI引擎的同时通过强制性地气化视需要供应足够多的LNG。另一方面，由于在压载状态下产生少量的BOG，因此BOG可被收集直至存储罐达到预定压力，使得所收集的蒸发气体可间歇地作为燃料被供应至双燃料DF引擎或ME-GI引擎，而非每当产生蒸发气体时便消耗所述蒸发气体。
此外，包括难以在海上进行修复或更换的设施的船舶在紧急情形中需要包括备用设施(即，冗余设计)。即，有必要将船只设计成具有主设施及能够与主设施执行相同功能的多余设施，使得多余设施在主设施正常运作时处于待用状态而在主设施故障时执行主设施的功能。需要冗余设计的设施可包括旋转装置，例如压缩机、泵等。
如上所述，船舶配备有两份各种设施以满足冗余要求，多余的一份设施在正常状态下不使用。使用两个压缩机线路的燃料气体供应系统可具有用于安装压缩机的成本高及空间大且在使用压缩机期间能量消耗高的问题，而使用两个高压泵线路的燃料气体供应系统可具有用于处理(即，再液化)蒸发气体的能量消耗高的问题。相反，根据本发明的具有单个压缩机线路及单个高压泵线路两者的燃料气体供应系统可使得船舶在即使一个供应线路存在问题时仍能够经由另一个供应线路来正常地执行航运，且可在使用较少昂贵压缩机的同时依所产生的蒸发气体的量而恰当地选择最佳燃料气体供应方法，从而实现不仅降低初始构造成本而且降低运作成本的额外效果。
如图3所示，当根据本发明的实施例将蒸发气体处理系统与燃料气体供应系统相结合时，在LNG船运输货物(即，LNG)期间产生的蒸发气体可用作引擎的燃料或经由再液化再次存储于存储罐中，从而使得可降低或消除气体燃烧单元GCU等对蒸发气体的浪费并可通过再液化来处理蒸发气体而无需使用例如氮气等单独制冷剂的再液化设备。
根据本发明，尽管在当前趋势下随着存储罐的容量增加而所产生的蒸发气体的量增加，且随着引擎的性能提高而引擎的必需燃料减少，但在用作引擎的燃料之后剩余的蒸发气体可被重新液化并返回至存储罐，从而防止蒸发气体的浪费。
具体而言，对于根据本发明的用于处理蒸发气体的系统及方法而言，没有必要安装使用单独制冷剂的再液化设备(即，氮气制冷剂冷却循环或混合制冷剂冷却循环)。因此，不需要用于供应及存储制冷剂的额外设施，从而降低了整个系统的初始安装成本及运作成本。
图4是根据本发明的第三示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图，且图5是根据本发明的第四示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图。图6是根据本发明的第五示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图，且图7是根据本发明的第六示例性实施例的蒸发气体处理系统的示意图，其中冷却机设置于根据第五示例性实施例的蒸发气体处理系统的再循环线路(RL)。
应理解，以下阐述的蒸发气体处理系统不仅可应用于设置有液化气体存储罐的任意种类的船舶(例如，LNG船、LNG RV等)，而且可应用于海上工厂(例如LNG FPSO、LNG FSRU等)。
参照图4，根据第三示例性实施例的蒸发气体处理系统包括：燃料供应线路L1，在船舶结构或浮式结构的LNG存储罐T中产生的蒸发气体经由所述燃料供应线路被压缩并供应至所述船舶结构或浮式结构的引擎；以及液化线路L2，经由所述液化线路，经压缩的蒸发气体中的某些蒸发气体被供应、通过与在LNG存储罐T中产生的将经受压缩的蒸发气体进行热交换而被冷却、并随后通过绝热膨胀而被液化。
尽管LNG存储罐T设置有密封及热绝缘障壁以在低温状态下存储例如液化天然气等液化气体，但LNG存储罐无法实现完全阻挡自外界的热传递。因此，液化气体的蒸发在存储罐中持续发生，且蒸发气体经由蒸发气体排放线路L1自存储罐排放以将蒸发气体在存储罐内的压力维持在适当的水平。所排放的蒸发气体(NBOG)被沿燃料供应线路L1递送、被压缩机压缩、且随后被供应至高压天然气注入引擎E1、E2。
为了压缩将被供应至引擎的蒸发气体，燃料供应线路L1设置有压缩机100。压缩机100可被实现为其中交替排列有压缩汽缸及中间冷却机的多级压缩机。在附图中，示出了包括交替排列的五个压缩汽缸及五个中间冷却机的多级压缩机100。
根据本实施例的船舶结构或浮式结构设置有：第一引擎E1，接收经过多级压缩机100的一部分的经压缩蒸发气体作为燃料；以及第二引擎E2，接收经过整个多级压缩机100的经压缩蒸发气体作为燃料。
第一引擎E1可为能够接收处于5巴至20巴下的经压缩蒸发气体作为燃料的双燃料DF引擎，且第二引擎E2可为能够接收处于150巴至400巴下的经压缩蒸发气体作为燃料的ME-GI引擎。
根据引擎所需的燃料量及在存储罐中产生的蒸发气体的量，经压缩蒸发气体整体可被供应至引擎。然而，在实施例中，由于在存储罐中产生的蒸发气体的量可大于引擎所需的燃料量，因此设置液化线路L2以处理蒸发气体，使得蒸发气体可作为燃料被供应至第一引擎及第二引擎E2，且剩余的蒸发气体可通过由热交换机200及膨胀单元300执行的液化而存储于LNG存储罐T中。
热交换机200安置于液化线路L2与燃料供应线路L1之间的交叉点处，以通过使由压缩机100压缩的蒸发气体与将被供应至压缩机100的蒸发气体进行热交换而冷却所述由压缩机100压缩的蒸发气体。在热交换机200中，由压缩机100压缩至高压的蒸发气体通过与在刚刚自LNG存储罐T排放之后具有低温温度的蒸发气体进行热交换而被液化。因此，根据实施例，在LNG存储罐T中产生的蒸发气体可在液化天然气存储罐中通过冷热液化，而无需使用单独的制冷剂系统。
液化线路L2设置有：膨胀单元300，执行由热交换机200冷却的蒸发气体的绝热膨胀；以及气-液分离机400，执行在膨胀单元300中经绝热膨胀的蒸发气体的气/液分离，并将LNG供应至液化天然气存储罐T。由热交换机200冷却的经液化蒸发气体(LBOG)在经过膨胀单元300时被减压，随后以气-液混合状态被供应至气-液分离机400。
膨胀单元300可为例如膨胀阀(J-T阀)或膨胀机(expander)。在经过膨胀单元300时，LBOG可被减压至近似大气压力。
在减压后处于气-液混合状态的LBOG被气-液分离机400分为气体组分及液体组分，其中液体组分(亦即，液化天然气)经由返回线路L3被递送至LNG存储罐T，且气体组分(亦即，蒸发气体)经由再循环线路RL而加入自存储罐排放的将被供应至热交换机200及压缩机100的蒸发气体。再循环线路RL可进一步设置有能够执行由气-液分离机400分离的蒸发气体进行减压的膨胀阀V4。返回线路L3也可设置有用于打开或关闭返回线路的分离阀V3。
在此实施例中，旁通线路BL可自液化线路L2分支出以使得经受绝热膨胀的所述蒸发气体能够自膨胀单元300的下游侧被供应至气-液分离机400的下游侧，从而能够实现系统运作的多样化。为此，液化线路L2设置有位于气-液分离机400的上游的第一分离阀V1，且旁通线路BL设置有第二分离阀V2。
通过旁通线路BL，经受绝热膨胀的LBOG可由气-液分离机400以两相(two phase)状态分离成气体组分及液体组分，或可经由旁通线路BL通过返回线路L3被供应至LNG存储罐T而不经过气-液分离机400，然后通过至存储罐的热传递而被额外地液化。
当预期会因LNG存储罐T内的蒸发气体超过引擎的必需燃料及再液化容量而产生过量蒸发气体时，已被压缩或正在压缩机100中被逐步压缩的某些蒸发气体被排放至蒸发气体消耗侧G。蒸发气体消耗侧G的实例可包括气体燃烧单元GCU、双燃料发电机、气体轮机等。
参照图5，根据第四示例性实施例的蒸发气体处理系统还在根据第三示例性实施例的蒸发气体处理系统的再循环线路RL中包括冷却机500，以使得由热交换机200冷却的蒸发气体能够利用由气-液分离机400分离的蒸发气体在绝热膨胀之前被额外地冷却。除冷却机500安置于再循环线路与液化线路L2之间的交叉点处以通过与由气-液分离机400分离且处于低压低温气体状态的天然气进行热交换而实现对已经过热交换机200且处于高压液体状态的蒸发气体的额外冷却以外，根据本实施例的蒸发气体处理系统类似于上述实施例中所述的。本文中不再对其予以赘述。
参照图6，不同于第三示例性实施例，根据第五示例性实施例的蒸发气体处理系统仅设置有在压缩机的压缩期间接收蒸发气体的第一引擎E1a，且用于容许经由压缩机100a的整体而被压缩的蒸发气体的再液化。此系统可增大蒸发气体的再液化量。不同于其中设置有多个接收不同压力下的气体的引擎的第一示例性实施例及第二示例性实施例，根据本实施例的蒸发气体处理系统设置有用以接收恒定压力下的气体的引擎E1a，且经由压缩机100a的整体而被压缩的蒸发气体经受再液化而非被供应至引擎。本文中也不再对其予以赘述。
参照图7，根据第六示例性实施例的蒸发气体处理系统还在根据第五示例性实施例的蒸发气体处理系统的再循环线路RLa中包括冷却机500a，以使得由热交换机200a冷却的蒸发气体能够利用由气-液分离机400a分离的蒸发气体在绝热膨胀之前被额外地冷却。本文中也不再对其予以赘述。
对所属领域的技术人员显而易见的是：本发明并非仅限于上述实施例，且在不背离本发明的范围的条件下可作出各种修改或变型。因此，应理解，所述实施例的此类修改或变型落于本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种蒸发气体处理系统，其特征在于包括：
压缩机，其压缩在船舶结构或浮式结构的液化天然气存储罐中产生的蒸发气体；
热交换机，其通过与将被供应至所述压缩机的蒸发气体进行热交换而冷却由所述压缩机压缩的所述蒸发气体；
膨胀单元，其执行由所述热交换机冷却的所述蒸发气体的绝热膨胀；
气-液分离机，其执行经受由所述膨胀单元执行的绝热膨胀的所述蒸发气体的气/液分离，并将液化天然气供应至所述液化天然气存储罐；
旁通线路，经受绝热膨胀的所述蒸发气体经由所述旁通线路而自所述膨胀单元的下游侧被供应至所述气-液分离机的下游侧；
再循环线路，由所述气-液分离机分离的气相的所述蒸发气体经由所述再循环线路而被引入至所述蒸发气体的流中，以自所述液化天然气存储罐供应至所述热交换机；以及
冷却机，设置于所述再循环线路并利用由所述气-液分离机分离的所述蒸发气体额外地使由所述热交换机冷却的所述蒸发气体冷却。
2.根据权利要求1所述的蒸发气体处理系统，其特征在于还包括：
第一分离阀，安置于所述气-液分离机的上游；以及
第二分离阀，设置于所述旁通线路。
3.根据权利要求1所述的蒸发气体处理系统，其特征在于，所述压缩机是其中交替排列有压缩气缸及中间冷却机的多级压缩机，且经由所述多级压缩机的一部分而被压缩的所述蒸发气体作为燃料而被供应至第一引擎。
4.根据权利要求3所述的蒸发气体处理系统，其特征在于，经由所述多级压缩机的整体而被压缩的所述蒸发气体作为燃料而被供应至第二引擎，且在供应至所述第一引擎及所述第二引擎之后剩余的所述蒸发气体在经由所述热交换机及所述膨胀单元进行液化之后存储于所述液化天然气存储罐中。
5.根据权利要求4所述的蒸发气体处理系统，其特征在于，所述第一引擎是能够接收被压缩至5巴至20巴的压力的所述蒸发气体作为燃料的双燃料引擎，且所述第二引擎是能够接收被压缩至150巴至400巴的压力的所述蒸发气体作为燃料的ME-GI引擎。
6.根据权利要求1所述的蒸发气体处理系统，其特征在于，所述膨胀单元为膨胀阀或膨胀机。
7.一种蒸发气体处理系统，其特征在于包括：
燃料供应线路，在船舶结构或浮式结构的液化天然气存储罐中产生的蒸发气体经由所述燃料供应线路被压缩并供应至所述船舶结构或所述浮式结构的引擎；
液化线路，经由所述液化线路，经压缩的所述蒸发气体中的某些蒸发气体被分离、通过与在所述液化天然气存储罐中产生的将被压缩的蒸发气体进行热交换而被冷却、并通过绝热膨胀而被液化；
气-液分离机，执行经受绝热膨胀的所述蒸发气体的气-液分离，并将液化天然气供应至所述液化天然气存储罐；
旁通线路，自所述液化线路分支出并容许经受绝热膨胀的所述蒸发气体能够在绕过所述气-液分离机之后被供应至所述液化天然气存储罐；
再循环线路，由所述气-液分离机分离的气相的所述蒸发气体经由所述再循环线路而被重新引入至所述燃料供应线路中；以及
冷却机，安置于所述再循环线路与所述液化线路之间的交叉点处，并利用由所述气-液分离机分离的所述蒸发气体使通过与将在所述燃料供应线路中被压缩的蒸发气体进行热交换而冷却的所述蒸发气体额外地冷却。
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