CN107614858A - 液化气运输船用燃料气体供给系统 - Google Patents

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Abstract

设置第1燃料气体供给管路(14)，所述第1燃料气体供给管路(14)将液货舱(11)内的蒸发气体(BOG)作为燃料气体经由高压气体压缩机(13)向主发动机(12)供给。设置第2燃料气体供给管路(21)，所述第2燃料气体供给管路(21)通过泵(22)吸取液货舱(11)内的液化气，并使用高压液泵(24)、气体加热器(25)生成高压气体。在液化气装载时的航行中，当燃料气体仅凭BOG就足够时，仅使用第1燃料气体供给管路(14)，当燃料气体仅凭BOG而不够时，则组合使用第2燃料气体供给管路(21)。在液化气空载时的航行中，当不进行喷淋作业时，仅使用第2燃料气体供给管路(21)。

Description

液化气运输船用燃料气体供给系统
技术领域
本发明涉及适用于液化气运输船的燃料气体供给系统，该液化气运输船搭载了能够进行气体燃烧的低速柴油机来作为主发动机。
背景技术
从降低环境负荷、改善能源消耗的观点出发，近年来，采用气体燃烧低速柴油机来作为LNG运输船的主发动机，利用在LNG液货舱内自然产生的蒸发气体(NATURAL BOG)来作为主发动机的燃料的构成被众所周知。但是，需要向气体燃烧低速柴油机供给具有30MPa左右的压力的燃料气体。因此，在将蒸发气体用于燃料的情况下，需要通过高压气体压缩机将该蒸发气体压缩到30MPa左右，但使用高压气体压缩机的方式会存在消耗电力较大这一问题。另一方面，作为以较低的消耗电力来生成高压燃料气体的方法，已知有如下的构成，用高压液泵对液化天然气进行加压，并对其进行加热而生成30MPa左右的高压气体(专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-177333号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在通过高压液泵使液货舱内的液化气成为高压气体的情况下，由于蒸发气体没有作为燃料被消耗，所以为了防止蒸发气体的产生所致的液货舱的压力上升，需要准备将蒸发气体强制燃烧的气体燃烧装置、用于使蒸发气体回到液态的再液化装置。但是，当使蒸发气体燃烧时，会增大环境负荷，还会使液化气运输船整体的能源效率降低。而且，进行再液化装置的运转，一般需要比进行高压气体压缩机的运转更大的能源。
本发明的目的在于，在液化气运输船中组合使用高压气体压缩机和高压液泵，与液化气运输船的航行状态相符地，使蒸发气体的处理、能源消耗最优化。
用于解决课题的技术方案
本发明的液化气运输船用燃料气体供给系统具备：低速柴油机，其被用作主发动机，并能够进行气体燃烧；舱，其贮藏液化气；高压气体压缩机，其对在舱内产生的蒸发气体进行压缩；高压液泵，其对来自舱内的液化气进行加压；第1燃料气体供给管路，其通过高压气体压缩机从舱向低速柴油机供给燃料气体；第2燃料气体供给管路，其通过高压液泵从舱向低速柴油机供给燃料气体；以及第1运转模式，其通过第1燃料气体供给管路以及第2燃料气体供给管路将燃料气体供给至低速柴油机，其特征在于，在第1运转模式下，基于舱的压力，对基于第1燃料气体供给管路的燃料气体的供给量进行控制，基于低速柴油机的燃料气体要求压力，对基于第2燃料气体供给管路的燃料气体的供给量进行控制。
在液化气装载时的航行中，当低速柴油机的燃料消耗量超过蒸发气体产生量时，选择第1运转模式，通过第1燃料气体供给管路将蒸发气体作为燃料气体向低速柴油机供给，通过第2燃料气体供给管路将舱内的液化气作为不足部分的燃料气体向低速柴油机供给。另外，在液化气装载时的航行中，当低速柴油机的燃料消耗量为蒸发气体产生量以下时，选择仅通过第1燃料气体供给管路向低速柴油机供给燃料气体的第2运转模式，基于低速柴油机的燃料气体要求压力，控制来自高压气体压缩机的燃料气体的供给量。
在液化气空载时的航行中，当不进行喷淋作业(当向液货舱中纳入液化气时，为了防止因急剧的温度差导致的液货舱的破损，在液货舱内对残留在液货舱内的液化气进行喷雾，并通过液化气的气化热对液货舱进行预冷的作业)时，选择仅通过第2燃料气体供给管路将液货舱内的液化气作为燃料气体向低速柴油机供给的第3运转模式，基于低速柴油机的燃料气体要求压力，控制高压液泵的排出压力。另外，在液化气空载时的航行中，当进行喷淋作业时，根据低速柴油机的燃料消耗量与蒸发气体产生量的关系选择第1或者第2运转模式中的任一个。
而且，优选地，在高压气体压缩机的最终级设置使燃料气体从排出侧向吸入侧循环的第1循环管路，在第1运转模式中，优选地，为了将液货舱的压力维持在一定，对设置于第1循环管路的第1阀进行控制，控制被循环的燃料气体的量。另外，优选地，设置使液化气从高压液泵的排出侧向上游侧循环的第2循环管路，在第3运转模式下，优选地，当低速柴油机的负荷较低时，能够在以最小容量驱动高压液泵的同时，对设置于第2循环管路的第2阀进行控制，使液化气向上游侧循环。
另外，第2燃料气体供给管路具备设置于高压液泵的上游侧的抽吸筒和设置于高压液泵的下游侧的气体加热器。高压气体压缩机是具备低压级和最终级的多级压缩机，优选具备将剩余气体从低压级向蒸发气体处理装置送出的分支管路。
本发明的液化气运输船的特征在于，具备上述液化气运输船用燃料气体供给系统。
发明效果
根据本发明，在液化气运输船，能够组合使用高压气体压缩机以及高压液泵，与液化气运输船的航行状态相符地，使蒸发气体的处理和能源消耗最优化。
附图说明
图1是表示作为本发明的一个实施方式的燃料气体供给系统的构成的框图。
图2是表示本发明的一个实施方式中(a)液化气装载时、(b)液化气空载时(有喷淋作业)、(c)液化气空载时(无喷淋作业)的航行方式下的航行速度与使用燃料消耗量的关系的曲线。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示作为本发明的一个实施方式的燃料气体供给系统的构成的框图。
本实施方式的燃料气体供给系统10适用于对天然气等液化气进行运输的船舶，液化气(本实施方式中为LNG)被装载于设在船体内的液货舱11。主发动机12是能够进行气体燃烧的低速柴油机，能够通过包括高压气体压缩机13的第1燃料气体供给管路14将液货舱11内自然产生的蒸发气体(NATURAL BOG)供给到主发动机12。
在液货舱11内产生的蒸发气体通过第1燃料气体供给管路14的上游侧管路被向高压气体压缩机13输送，并在高压气体压缩机13被压缩。然后，被压缩的蒸发气体作为“高压气体”通过下游侧的第1燃料气体供给管路14被向主发动机12送出。高压气体压缩机13例如是多级压缩机，其具备上游侧的低压级13A和下游侧的最终级13B。例如，可以从低压级13A通过分支管路15将燃料气体作为压力相对较低的“低压气体”送出，能够将燃料气体供给到气体燃烧发电机用发动机。另外，也可以将主发动机12、发电机用发动机没有消耗完的剩余BOG作为燃料气体通过分支管路15供给到BOG处理装置(锅炉、气体燃烧装置、再液化装置)。另外，将剩余气体向BOG处理装置送出的管路也可以构成为从高压气体压缩机13的最终级13B的排出侧减压到BOG处理装置的要求压力后再供给。此外，在本实施方式中，将低压级到高压级记载为一个多级高压气体压缩机，但也可以构成为将低压级作为其他的压缩机，串联设置低压气体压缩机与高压气体压缩机。
在高压气体压缩机13，在最终级13B的排出侧，设置用于使燃料气体向最终级13B的吸入侧回流的第1循环管路16。在第1循环管路16设置用于控制被回流的气体流量的第1阀16V，第1阀16V的开度由第1控制器17控制。另外，在最终级13B的排出侧设置压力传感器18，测量向主发动机12供给的燃料气体在排出侧的压力值PV1。另一方面，在第1燃料气体供给管路14的上游侧设置用于测量液货舱11内的蒸发气体的圧力PV2的压力传感器19。此外，在船体内设置有多个液货舱11，在本实施方式中，在多个液货舱11的共通管上的1个点进行压力PV2的测量。但是，也可以在多处对压力进行测量并将其平均值作为压力PV2。
向第1控制器17输入这些测量到的压力值PV1、PV2，并且从主机控制器20输入主发动机12的燃料气体要求压力SP1以及由操作人员设定的液货舱11内的压力设定值SP2等。如后所述，第1控制器17基于这些值对第1循环管路16的第1阀16V的开度进行调整，控制从第1燃料气体供给管路14向主发动机12供给的蒸发气体的供给量。
在本实施方式的燃料气体供给系统10中，进一步具备第2燃料气体供给管路21。第2燃料气体供给管路21具备配置在液货舱11内部底部附近的泵22，根据后述的运转模式，通过泵22汲取液货舱11内的液化气。在第2燃料气体供给管路21，被汲取的液化气暂时贮存于抽吸筒23。而且，在抽吸筒23的下游侧连接有高压液泵24，抽吸筒23内的液化气被加压并向气体加热器25送出。在气体加热器25，通过高压液泵24加压的液化气被加热、气化，作为高压气体向主发动机12供给。另外，即使在没有使用第1燃料气体供给管路14的情况下，为了将液化气用于气体燃烧发电机用发动机的燃料，也可以在气体加热器25的下游设置将燃料气体向气体燃烧发电机用发动机供给的管路，或者可以从抽吸筒23之前，使用于将气体供给到气体燃烧发电机用发动机的管路分支。
通过马达26驱动高压液泵24，马达26通过逆变器27由第2控制器28进行驱动控制。在高压液泵24的下游侧，设置用于将液化气向抽吸筒23回流的第2循环管路29，在第2循环管路29设置用于控制被回流的液化气流量的第2阀29V。从主机控制器20向第2控制器28输入燃料气体要求压力SP1，并且输入利用设置在第2燃料气体供给管路21的高压液泵24与气体加热器25之间的压力传感器30所测量到的压力值PV3。如后所述，根据运转模式、运转状态，第2控制器28进行第2阀29V的开度调整，并且对马达26的驱动进行控制。另外，也可以使马达26为液压驱动马达，在该情况下，通过液压驱动源而不是逆变器27对液压驱动马达的驱动进行控制。另外，在本实施方式中，第2循环管路29被引导至抽吸筒23，但也可以被向液货舱11进行引导。
此外，在抽吸筒23设置用于使筒内的蒸发气体向第1燃料气体供给管路14的上游侧(液货舱11侧)回流的第3循环管路31，在第3循环管路31设置第3阀31V。另外，在第2燃料气体供给管路21的刚出液货舱11的部位设置用于将泵的负荷保持为一定的第4阀21V，并且在紧接着其下游侧设置用于调整向高压液泵24供给的液化气的供给圧力的分支管路32，分支管路32具备第5阀32V。
另外，在即便不设置抽吸筒23也能充分确保高压液泵24的NPSH(有效汽蚀余量)、设置代替对在液货舱11与高压液泵24之间气化的气体进行排气的抽吸筒23的部件的情况下，也可不必设置抽吸筒23，在该情况下，不设置第3循环管路31，第2循环管路29被引导至液货舱11。
此外，在本实施方式中，通过分支管路15向BOG处理装置(锅炉、气体燃烧装置、再液化装置)供给剩余BOG是通过利用第3控制器33调整设置在分支管路15的第6阀15V的开度来进行控制的。向第3控制器33输入液货舱压力值PV2和由操作人员设定的压力设定值SP2，基于这些值来调整第6阀15V的开度，并将剩余BOG向BOG处理装置供给。
接下来，参考图1、图2，对使用了本实施方式的燃料气体供给系统10的第1、第2燃料气体供给管路14、21在第1-第3运转模式下向主发动机12供给燃料气体的方式进行说明。
图2的(a)～图2的(c)分别为表示以下关系的曲线：(a)液化气装载时的航行速度与使用燃料消耗量的关系；(b)在液化气空载时的航行中，进行喷淋作业时的航行速度与使用燃料消耗量的关系；(c)在液化气空载时的航行中，不进行喷淋作业时的航行速度与使用燃料消耗量的关系。此外，在图2的(a)～图2的(c)中，横轴是船的航行速度，纵轴是燃料消耗量。
在图2的(a)～图2的(c)中，曲线S是表示船速与燃料消耗量(燃料气体供给量/单位时间)的关系的曲线，燃料消耗量大致与船速的3次方成比例。图2的(a)的直线L(NATURALBOG)是液货舱11内的液化气(天然气)自然蒸发而成为蒸发气体的每单位时间的量。
即，在图2的(a)中，当仅利用蒸发气体、并且将蒸发气体全部作为主发动机12以及气体燃烧发电机用发动机的燃料使用时，能够得到对应于曲线S和直线L的交点P的船速。另一方面，在比运转点P靠高速侧的区域，曲线S与直线L的差是需要追加的燃料量；在比运转点P靠低速侧的区域，直线L与曲线S的差是剩余蒸发气体。
在本实施方式中，在装载有液化气的状态下当在比运转点P(NATURAL BOG100％的速度)靠高速侧的区域(高速运转区域)航行时，选择第1运转模式(混合模式)。在第1运转模式下，通过第1燃料气体供给管路14将利用高压气体压缩机13压缩后的蒸发气体向主发动机12供给，并且通过第2燃料气体供给管路21供给不足部分的燃料。即，在第1运转模式下，泵22、高压液泵24以及气体加热器25被驱动并从液货舱11内的液化气生成高压气体，将该高压气体与利用高压气体压缩机13压缩的蒸发气体一起向主发动机12供给。
在第1运转模式下，第1控制器17控制高压气体压缩机13的第1阀16V，以使液货舱11侧的测定压力值PV2成为操作人员所设定的压力SP2。而且，第2控制器28监测高压液泵24的排出侧压力值PV3并对高压液泵24的驱动进行控制，以使第2燃料气体供给管路21的排出压力成为主发动机12的燃料气体要求压力SP1。
另外，在装载有液化气的状态下当在运转点P、或者在比运转点P靠低速侧的区域(减速运转区域)航行时，选择第2运转模式(压缩机模式)，仅使用利用高压气体压缩机13的第1燃料气体供给管路14。即，仅使用蒸发气体来进行主发动机12的运转，在存在剩余气体的情况下，通过分支管路15将气体向BOG处理装置(锅炉、气体燃烧装置、再液化装置)供给。
在第2运转模式下，第1控制器17监测排出侧的压力值PV1并对高压气体压缩机13的第1阀16V进行控制，以使第1燃料气体供给管路14的排出压力成为主发动机12的燃料气体要求压力SP1。
在图2的(b)，表示在液化气空载时的航行中当进行喷淋作业时的航行方式。在图2的(b)中，直线Ls为在喷淋作业产生的每单位时间的蒸发气体的量，其根据喷淋作业所使用的液体的量而上下变化。曲线S与直线Ls的交点Ps为基于喷淋作业的蒸发气体产生量与船速平衡的点。与图2的(a)时同样，在比运转点Ps靠高速侧的区域，选择第1运转模式(混合模式)；在运转点Ps或者比运转点Ps靠低速侧的区域，选择第2运转模式(压缩机模式)。即，根据低速柴油机的燃料消耗量与蒸发气体产生量的关系选择第1或第2运转模式中的任一个。
另外，当喷淋作业所产生的蒸发气体量超过主发动机12以及发电机用发动机的消耗量时，与图2的(a)时同样，通过分支管路15将剩余蒸发气体向BOG处理装置(锅炉、气体燃烧装置、再液化装置)供给。此外，虽然是在液化气空载时的航行，但为了将液化气用作液货舱冷却用的喷淋液、另外用作主发动机的燃料，也贮藏一些液化气，并非使整个液货舱11完全空置。
图2的(c)是对应于在液化气空载时的航行中当不进行喷淋作业时的航行方式的曲线。在该航行方式下，选择第3运转模式(泵模式)，仅通过第2燃料气体供给管路向主发动机12供给燃料气体。即，使用泵22、高压液泵24以及气体加热器25从液货舱11内的液化气生成高压气体并向主发动机12供给。而且，不使用第1燃料气体供给管路14，关闭高压气体压缩机13。
在第3运转模式下，与第1运转模式时同样，第2控制器28监测高压液泵24的排出侧压力值PV3并对高压液泵24的驱动进行控制，以使第2燃料气体供给管路21的排出压力成为主发动机12的燃料气体要求压力SP1。另外，在第3运转模式下，在需要以比高压液泵24可运转的最小容量(马达26的最小转速)时的燃料气体供给量低的供给量将燃料气体向主发动机12供给的情况下，第2控制器28以可运转的最小容量驱动高压液泵24，并且打开第2阀29V，通过第2循环管路29使从高压液泵24排出的剩余的燃料回流到抽吸筒23。
此外，将船的巡航速度设定在运转点P、或者比之略低的速度，由于船舶在大部分的时间以巡航速度航行，因此例如在图2的(a)的运转点P附近运转。即，在液化气装载时，大致仅驱动高压气体压缩机13，蒸发气体的大部分作为主发动机12的燃料被消耗。并且，仅在需要进行在高速运转区域中的运转的情况下，才驱动高压液泵24，从液化气直接生成高压气体。另外，由于在液化气空载时的航行中大部分的时间都没有进行喷淋作业，因此大部分都是图2的(c)的航行方式，不运转高压气体压缩机13，而是通过高压液泵24来进行燃料气体的供给。另一方面，在进行喷淋作业而产生蒸发气体的情况下，驱动高压气体压缩机13，蒸发气体大致全部作为主发动机12的燃料而被利用。
如上所述，根据本实施方式，能够组合使用高压气体压缩机以及高压液泵，与液化气运输船的航行状态相符地，使蒸发气体的处理、能源消耗最优化。
另外，在本实施方式中，在同时驱动第1燃料气体供给管路的高压气体压缩机和第2燃料气体供给管路的高压液泵的第1运转模式下，控制来自高压气体压缩机的排出量，以使液货舱的压力成为一定值，仅控制来自高压液泵的排出量，以使压力成为主发动机的要求压力，因此控制对象参数在高压气体压缩机和高压液泵不同，以高压气体压缩机排出量为优先进行供给(蒸发气体的消耗为优先)，防止对二者进行的控制互相干扰。而且，利用高压液泵仅供给不足的部分。
此外，主发动机可以是专门燃烧气体的低速柴油机，也可以是气体与燃料油的二元燃料燃烧低速柴油机，在该情况下，例如，也可以在高速运转区域中将油用作追加燃料。而且，本实施方式中将运输以甲烷为主要成分的LNG的液化气运输船作为对象进行了记载，但也能够适用于运输除LNG以外的货物的液化气运输船。根据使用的燃料气体(例如乙烷)的性状不同，低速柴油机所要求的发动机入口的气体压力各不一样，存在需要比将LNG作为燃料来使用的情况高的压力的情况(例如40MPa～60MPa)，但与以甲烷为主要成分的实施方式同样，也能够适用。
符号说明
10燃料气体供给系统
11液货舱
12主发动机
13高压气体压缩机
13A低压级
13B最终级
14第1燃料气体供给管路
16第1循环管路
16V第1阀
17第1控制器
18、19、30压力传感器
20主机控制器
21第2燃料气体供给管路
22泵
23抽吸筒
24高压液泵
25气体加热器
28第2控制器
29第2循环管路
29V第2阀

Claims (10)

1.一种液化气运输船用燃料气体供给系统，其特征在于，具备：
低速柴油机，其被用作主发动机，并能够进行气体燃烧；
舱，其贮藏液化气；
高压气体压缩机，其对在所述舱内产生的蒸发气体进行压缩；
高压液泵，其对来自所述舱内的液化气进行加压；
第1燃料气体供给管路，其通过所述高压气体压缩机从所述舱向所述低速柴油机供给燃料气体；
第2燃料气体供给管路，其通过所述高压液泵从所述舱向所述低速柴油机供给燃料气体；以及
第1运转模式，其通过所述第1燃料气体供给管路以及所述第2燃料气体供给管路将燃料气体供给至所述低速柴油机，
在所述第1运转模式下，基于所述舱的压力，对基于所述第1燃料气体供给管路的燃料气体的供给量进行控制，基于所述低速柴油机的燃料气体要求压力，对基于所述第2燃料气体供给管路的燃料气体的供给量进行控制。
2.根据权利要求1所述的液化气运输船用燃料气体供给系统，其特征在于，
在液化气装载时的航行中，当所述低速柴油机的燃料消耗量比蒸发气体产生量多时，选择所述第1运转模式，通过所述第1燃料气体供给管路将蒸发气体作为燃料气体向所述低速柴油机供给，通过所述第2燃料气体供给管路将所述舱内的液化气作为不足部分的燃料气体向所述低速柴油机供给。
3.根据权利要求1或2所述的液化气运输船用燃料气体供给系统，其特征在于，
在液化气装载时的航行中，当所述低速柴油机的燃料消耗量为蒸发气体产生量以下时，选择仅通过所述第1燃料气体供给管路向所述低速柴油机供给燃料气体的第2运转模式，基于所述低速柴油机的燃料气体要求压力，控制来自所述高压气体压缩机的燃料气体的供给量。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的液化气运输船用燃料气体供给系统，其特征在于，
在液化气空载时的航行中，当不进行喷淋作业时，选择仅通过所述第2燃料气体供给管路将所述舱内的液化气作为燃料气体向所述低速柴油机供给的第3运转模式，基于所述低速柴油机的燃料气体要求压力，控制所述高压液泵的排出压力。
5.根据权利要求3所述的液化气运输船用燃料气体供给系统，其特征在于，
在液化气空载时的航行中，当进行喷淋作业时，根据所述低速柴油机的燃料消耗量与蒸发气体产生量的关系选择所述第1运转模式或者第2运转模式中的任一个。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的液化气运输船用燃料气体供给系统，其特征在于，
在所述高压气体压缩机的最终级设置使燃料气体从排出侧向吸入侧循环的第1循环管路，在所述第1运转模式下，为了将所述舱的压力维持在一定，对设置于所述第1循环管路的第1阀进行控制，控制被循环的燃料气体的量。
7.根据权利要求4所述的液化气运输船用燃料气体供给系统，其特征在于，
设置使液化气从所述高压液泵的排出侧向上游侧循环的第2循环管路，在所述第3运转模式下，能够在以可运转的最小容量驱动所述高压液泵的同时，对设置于所述第2循环管路的第2阀进行控制，使液化气向所述上游侧循环。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的液化气运输船用燃料气体供给系统，其特征在于，
所述第2燃料气体供给管路具备设置于所述高压液泵的上游侧的抽吸筒和设置于高压液泵的下游侧的气体加热器。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的液化气运输船用燃料气体供给系统，其特征在于，
所述高压气体压缩机是具备低压级和最终级的多级压缩机，具备将剩余气体从所述低压级向蒸发气体处理装置送出的分支管路。
10.一种液化气运输船，其特征在于，
具备权利要求1-9中任一项所述的液化气运输船用燃料气体供给系统。
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