CN110088521B - 用于运输液化气的船舶和船舶的操作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种用于运输液化气的船舶,其包括:‑船体;‑在所述船体中布置的用于存储液化气的至少一个货物储存舱;‑推进船只的至少一个发动机;‑至少一个压缩机,其具有连接到所述至少一个货物储存舱的蒸气空间以用于在第一压力下接收蒸发气体的压缩机入口和用于在超过所述第一压力的第二压力下将加压蒸发气体供应到所述至少一个发动机的压缩机出口;以及‑用于回收蒸发气体的蒸发气体(BOG)回收系统,所述BOG回收系统包括:‑冷却区段,其具有连接到所述压缩机出口的冷却区段入口,以再冷凝至少一部分所述加压蒸发气体;和‑BOG储存舱,其具有连接到所述冷却区段出口的BOG储存舱入口,用于存储再冷凝的所述加压蒸发气体。
Description
背景技术
本公开涉及用于运输液化气的船舶。船舶设置有用于处置蒸发气体的系统。本公开还涉及操作船舶的方法。
液化气可通常为或包括液化天然气(LNG)。液化气可冷却到低温温度,因此它可作为液体并且在降低的压力下存储。LNG可在约大气压下储存,通常约1巴,例如当气体已经冷却到约-163℃时。
一般来说,天然气(NG)在液化设备中变为液体(也被称为液化天然气或LNG),通过设置有用于LNG的储存舱的LNG运输船(船舶)在长距离上运输,并且通过在地面上传递浮动储存和再气化单元(FSRU)或卸荷终端再气化以供应到消耗方。
因为存储液化天然气用于在环境压力下在大约-163℃的低温温度下运输,甚至当在储存舱中LNG的温度在环境压力下稍微高于-163℃,LNG很可能汽化。尽管LNG运输船的LNG储存舱为热绝缘的,但是因为热量从外面持续传输到在LNG储存舱中的LNG,所以在通过LNG运输船运输LNG期间,LNG不断地汽化并且在LNG储存舱中产生蒸发气体(BOG)。
如果如上文所描述在LNG储存舱中产生蒸发气体,那么LNG储存舱的压力将增加并且可超过安全阈值水平。
常规地,如果LNG储存舱的压力增加超出设定压力,那么蒸发气体被排放到LNG储存舱外并且用作用于推进LNG运输船的燃料,以便将LNG储存舱的压力维持在安全水平。然而,由通过燃烧在LNG储存舱产生的蒸发气体在锅炉中产生的蒸汽驱动的汽轮机推进系统具有低推进效率的问题。这实际上意指在实践中,蒸汽设备可使用比刚才可用的蒸发气体更多的天然气。
双燃料柴油电力推进系统,其使用在LNG储存舱中产生的蒸发气体作为在压缩蒸发气体后的柴油发动机的燃料,具有比汽轮机推进系统更高的推进效率。
然而,高效的现代推进系统,如双燃料柴油电力推进系统,在LNG储存舱中产生的蒸发气体(BOG)的量超过推进系统的容量或电流需求的情况下存在问题。通常,当船舶以低于某一阈值的速度航行时,即当船舶以相对低的速度移动时,BOG的量超过柴油推进系统的容量。
通常需要额外的装置,如气体燃烧单元(GCU)来消耗过剩的蒸发气体。在LNG货物现货价格低的情况下,此特定问题更加严重,因为LNG运输船将希望在降低的速度下航行以节省运输燃料。
另一方面,存在另一种将LNG储存舱的压力维持在安全水平的方法。如果LNG储存舱的压力增加超出设定压力,那么蒸发气体被排放到LNG储存舱外并且在再液化设备中再液化,并且然后返回到LNG储存舱。
US8959930公开一种用于处理在用于以低温液态运输LNG的LNG运输船的LNG储存舱中产生的蒸发气体的方法和设备。LNG运输船具有蒸发气体再液化设备,其中在LNG运输船航程期间产生的蒸发气体总量中,对应于再液化设备的处理容量的蒸发气体的量从LNG储存舱排放并通过再液化设备再液化。
US8959930的再液化方法可通过将一部分蒸发气体再液化并将其储存在LNG储存舱中而不是排放和燃烧来将从LNG储存舱排放的蒸发气体量维持在恒定水平,并且可以防止浪费的蒸发气体并且节省能源。
Deawoo的US2010139316同样公开一种系统,其中在加压之后,一部分蒸发气体用制冷剂冷却,并且在液体分离器中在约3巴下存储。这是使用单独的制冷循环的再液化方法。
然而,再液化设备需要大量装置,具有相当大的功率需求并且操作相对复杂,因此增加了资本支出和运营支出。再液化系统实际上热效率非常低,通常大约18%到20%。此外,再液化装置相对占空间并且重,这对于在船舶上应用是一个显著的缺点,因为它限制货物或其它装置的可用空间并且对船舶的整体燃料效率产生负面影响。举例来说,由于上述问题,对现有LNG运输船的改造被认为是不经济的。
EP2706282A1公开一种用于再液化在液化气舱内产生的蒸发气体的蒸发气体处理器具。在压缩之后,一部分蒸发气体经由返回线直接返回到主低温储存舱。返回管线装配有压力保持装置,所述压力保持装置被配置成维持蒸发气体再液化所需的压力。在返回线中,蒸发气体与在主储存舱中的液化气直接进行热交换,并且其后直接返回到舱中。EP2896810A1提供一种用于船舶的液化气处理系统,其包含许多存储液化天然气的储存舱,以及使用存储在储存舱中的液化天然气作为燃料的发动机。来自储存舱的蒸发气体在约150至400绝压巴下压缩,并且分支成第二物流和第三物流。第二流作为燃料供应到发动机。第三物流通过与离开储存舱的蒸发气体交换热量在热交换器中冷却,而不采用使用单独的制冷剂的再液化器具。由此冷却的第三物流被减压,并且减压的第三物流处于气体-液体混合状态,并且其气体和液体组分返回到储存舱。
如上文所指示,可优化操作实践以在一定程度上减少LNG货物的蒸发气体。但这是LNG行业的一个普遍问题,其中机器的潜在效率尚未实现。
因此,明确确定需要将使得能够进一步减少气体损失量并且经常传送到气体燃烧单元的选项。
发明内容
本公开提供一种用于运输液化气的A船舶,其包括:
-船体;
-在船体中布置的用于存储液化气的至少一个货物储存舱;
-推进船舶的至少一个发动机;
-至少一个压缩机,其具有连接到至少一个货物储存舱的蒸气空间用于在货舱压力下接收蒸发气体的压缩机入口和用于在超过第一压力的第二压力下将加压蒸发气体供应到至少一个发动机的压缩机出口;和
-用于回收蒸发气体的蒸发气体(BOG)回收系统,BOG回收系统包括:
-冷却区段,其具有连接到压缩机出口的冷却区段入口,以再冷凝至少一部分加压蒸发气体;和
-至少一个回收舱,其具有连接到冷却区段出口的回收舱入口,用于存储再冷凝的加压蒸发气体。
在一个实施例中,BOG回收系统包括布置在冷却区段出口与回收舱入口之间的第一泵。
在另一个实施例中,冷却区段包括具有再冷凝器入口和再冷凝器出口的再冷凝器,用于提供再冷凝的加压蒸发气体。
在一个实施例中,冷却系统包括预冷却器区段,其具有连接到压缩机出口的预冷却器入口和将预冷却的加压蒸发气体提供到再冷凝器入口的预冷却器出口。
在另一个实施例中,第一泵连接到再冷凝器出口,并且第一泵具有第一泵出口,用于提供再冷凝的加压蒸发气体。第一泵可为流体泵。在第一泵的出口处的压力可在约5巴到25巴的范围内。
在一个实施例中,第一泵连接到再冷凝器出口,并且第一泵具有第一泵出口,用于将再冷凝的加压蒸发气体在第四压力——第四压力超过第三压力——下提供到第二预冷却器入口以用于再冷凝的加压蒸发气体与加压蒸发气体热交换。
在一个实施例中,第一泵出口连接到第二预冷却器入口,用于再冷凝的加压蒸发气体与加压蒸发气体的热交换和最小化再冷凝的气体的过冷。
在一个实施例中,第二预冷却器出口连接到回收舱入口。
冷却区段可包括再冷凝器热交换器,用于加压蒸发气体与在至少一个货物储存舱中存储的一部分液化气进行热交换。再冷凝器热交换器可布置在再冷凝器内。再冷凝器可设置有喷射集管以将液化气从至少一个货物储存舱喷射到再冷凝器中。
回收舱可设置有连接到至少一个货物储存舱的第一喷射集管,第一喷射集管适于将液化气喷射到回收舱中。
冷却区段可设置有连接到至少一个货物储存舱的第二喷射集管,第二喷射集管适于将液化气喷射到冷却区段中。
在一个实施例中,回收舱具有连接到至少一个发动机的第一出口,用于将从回收舱汽化的蒸发气体提供到发动机。
在另一个实施例中,回收舱具有连接到第二泵的第二出口,用于将再冷凝的加压蒸发气体泵送到至少一个货物储存舱。
在又另一个实施例中,经由喷射集管,输送泵可供应强制汽化器。这将以适当速率汽化回收的液体以满足燃料气体需求。
根据另一个方面,本公开提供一种用于运输液化气的方法,其包括:
-在船舶中运输液化气,船舶包括:
-船体,
-在船体中布置的用于存储液化气的至少一个货物储存舱,
-推进船舶的至少一个发动机;
-在第一压力下在至少一个压缩机的压缩机入口处接收蒸发气体,压缩机入口连接到至少一个货物储存舱的蒸气空间;
-使用压缩机以在超过第一压力的第二压力下将加压蒸发气体供应到至少一个发动机;
-将至少一部分加压蒸发气体转移到蒸发气体(BOG)回收系统,用于回收蒸发气体;
-在BOG回收系统的冷却区段中再冷凝至少一部分加压蒸发气体以提供再冷凝的加压蒸发气体;
-将再冷凝的加压蒸发气体存储在至少一个回收舱中。
方法可包括将从至少一个回收舱汽化的蒸发气体直接提供到至少一个发动机的步骤。
液化气可包括液化天然气(LNG)。
附图说明
参考附图,根据以下详细描述,本公开的这些和其它特征、方面和优点将显而易见,其中在整个附图中相同的标号表示相同的部件。在附图中:
图1示出配备有汽轮机推进系统的传统LNG运输船的蒸发气体供应和需求(y轴)对速度(x轴)的例示性图;
图2示出另一种配备有双燃料柴油电力(DFDE)推进系统的传统LNG运输船的蒸发气体供应和需求(y轴)对速度(x轴)的例示性图;
图3示出本公开的能量回收系统的实施例的图;
图4示出设置有本公开的能量回收系统的LNG运输船的实施例的侧视图;
图5示出设置有本公开的能量回收系统的LNG运输船的实施例的俯视图;
图6示出图4的LNG运输船的中剖视图;
图7示出沿图5的LNG运输船的线A-A的剖视图;
图8示出与本公开的能量回收系统的相应实施例的应用比较,传统LNG运输船的许多航程的航程长度(y轴;表示每个航程行驶的距离)对平均速度(x轴)的例示性图;
图9示出本公开的系统的回收BOG的能力的影响(纵轴上以%计)对回收舱的总体积相对于货舱的总体积的比率(在横轴上以%计)的例示性图;和
图10示出指示与设置有本公开的能量回收系统比较,传统LNG运输船的残余料体积(y轴)对压舱航程持续时间(x轴)的例示性图。
具体实施方式
以下提供本公开的系统和方法的实际应用的示例性概述。
高效LNG船舶操作的决定因素是平衡来自推进设备的燃料气体需求与通过货物容纳系统产生的BOG量。BOG的供应超过需求的任何时,然后必须采用如蒸汽倾倒或GCU操作的浪费做法来平衡燃烧剩余气体的情况,而不是按照IGC规则第7章的要求排出到大气中。
较旧一代的LNG运输船利用蒸汽推进设备,其具有许多优点,但是热效率低,其中效率约为25%。现代船舶采用柴油设备,其具有更高的热效率,通常在40%与50%之间。
图1示出配备有汽轮机推进系统的传统LNG运输船的蒸发气体供应和需求(y轴,以每海里燃料油等效公吨表示[吨FOE/NM])对速度(x轴,以节表示)的图。用于液化气的储存舱的总体积为大约138,000m3。需求曲线10指示推进系统以某一速度推进船舶的燃料需求。供应曲线12和14指示满载船舶(即其中储存舱为装满的)的可用蒸发气体的例示性蒸发速率(BOR)分别为每天0.13%和每天0.24%。本文每天0.24%意指每天汽化货物(即,液化气)的总体积的0.24%。
如由供应曲线14指示,历史LNG运输船为在高速下操作的高动力船舶,其运载时间依赖性货物。这些早期船舶的效率曲线导致船舶在高速下编程,通常速度约为18.5节或更高,因为只有在这些速度下才达到平衡,即发动机燃料需求超出BOG的可用供应。
如由供应曲线12指示,改进的隔热已意指在现代蒸汽动力船舶上的船体和容纳系统特性很好地匹配。船舶可在降至12节的速度下操作,而不引入额外的低效率和浪费。尽管如此,与柴油发动机比较,它们保持固有热效率低。
图2示出配备有双燃料柴油电力(DFDE)推进系统的更现代的LNG运输船的蒸发气体供应和需求(y轴,以每海里燃料油等效公吨表示[吨FOE/NM])对速度(x轴,以节表示)的例示性图。液化气的储存舱的总体积为大约例如174,000m3。需求曲线20指示推进系统以某一速度推进船舶的燃料需求。供应曲线22、24、26和28指示满载船舶(即其中储存舱为装满的)的可用蒸发气体的例示性蒸发速率(BOR)分别为每天0.13%、每天0.11%、每天0.08%和每天0.05%。收支平衡速度分别为大约18、15、13和9节。
如由图2指示,在现代船舶中安装DFDE和ME-GI推进设备已重新引入不匹配,因为这些发动机比汽轮机更省油。这继而意指,当船舶在较低速度下操作时,气体燃烧单元(GCU)常规地维持来自货舱的蒸发气体的流动。
在GCU中的气体燃烧不执行有用的任务,释放有害的排放物(如CO2)并且表示损失可以其它方式递送到客户的LNG。典型的租用协议的商业结构使得轮船操作员没有动力改变这种行为,并且所有损失都由船舶承租人以失去销售机会的形式承担。
船舶速度的编程取决于许多变量,并且船舶操作员需要根据卖方和买方的要求在用于不同的货物的不同速度下使用船舶。这尤其适用于现货租用市场中的船舶,因为这些船舶通常很多。在长期市场中安排船队的挑战大大增加船舶速度更灵活的商船的利益。
存在通过残余料管理的测量,其可在压载航程上获取,以减少BOG量,如仅在一个货舱中保持残余料,然而这些选项在满载航路期间不可用。
对于增加隔热或再液化装置的不匹配问题,可能有解决方案,其中增加隔热是LNG运输船新构造的被动方法,将最小化排放和损失。
然而,LNG运输船通常设计寿命为几十年,意指目前采用的船舶将在未来许多年内保持服务。如果目前的趋势继续,那么在这些合同有效期内在GCU中可能消耗的LNG量确实非常显著。这些中的许多船都配备有省油发动机,如DFDE、TFDE或XDF配置。
这有效地意指通过更高效的动力设备提供的节省未完全实现。
现有LNG运输船船队的分析已量化,例如每个装配有柴油-电力推进设备的八种船舶的选择在一年的过程中已燃烧大约100,000m3的在机船上气体燃烧单元(GCU)中的LNG以控制货舱压力。换句话说,这是显著体积的损失货物,同时导致排出约122,000公吨的CO2。
如上文关于图1和2所解释,可用的蒸发燃料气体和这些轮船在灵活的贸易概况中需要的推进的不匹配使此行为是必要的。
鉴于现有船舶和租用协议的剩余服务年限,LNG运输船新构造的选项可能不经济。另一方面,在改造现有船舶的情况下,再液化和增加隔热都会带来重大挑战。
本公开旨在捕获BOG并且以某种方式将捕获的BOG保持在船上以供以后在船上消耗。举例来说,这将应用到被捕获的满载航路上的过量BOG,并且然后在随后的压载航路中使用。此处,满载航路意指具有装满储存舱的航路,而压载航路为具有几乎空的储存舱的返回航路。
此方法将有效地减少BOR,并且由此提高在满载条件下DFDE船舶和类似地相对省油的船舶的编程的灵活性。
有时当来自容纳系统的BOG超过发动机的需求时,本公开的系统在满载航路期间捕获过量的BOG。捕获的过量BOG在比在主货舱中允许的压力更高的压力下作为液体存储。
图3示出根据本公开用于捕获过量蒸发气体的系统30的实施例。系统30还可被称作过量能量回收系统(EERS)。
在基本实施例中,系统30包括回收舱32。系统还可包括再冷凝器34和泵36。系统包括互连组件的各种管线,如将系统的一端连接到货舱50的管线42,和将系统的相对端连接到机房燃料供应的管线44,其通向船舶的消耗方,如发动机52和/或GCU 54。
在一个改进的实施例中,一个或多个以下装置的件可包括在系统30中:
-预冷却器38;
-流体输送泵36、40;
-一个或多个气体阀单元58、60、62、64、66;
-一个或多个低温流体阀单元70、72、74;
-EERS控制系统80。
在一个实际实施例中,一个或多个回收舱32可为所谓的C型舱。这些舱也被称为“低温压力船舶”,因为它们在相对于大气压的增加的压力下储存液化气。它们与船舶的船体无关,并且不是维持船体强度和轮船完整性所必需的。这与通常为被称作A型或B型的隔膜舱或类似储存舱的主储存舱50不同,并且被设计用于在大气压(约1巴)下存储液化气。
预制的真空隔离低温C型舱可用于宽范围的尺寸(例如至多500m3)。最大可允许工作压力可为至多约20巴。预计在未来几年可用舱尺寸将显著增大(1,000-10,000m3)。
系统30可连接到用于液化气的典型运输船舶的现有装置。这类船舶将通常包括一个或多个货物储存舱50。储存舱50通常大约在大气压下存储液化气82。如上文所解释,液化气可缓慢汽化,由此导致在蒸气空间84中压力增加。蒸气集管86可设置在蒸气空间中以从蒸气空间移出蒸发气体88以控制在蒸气空间84中的压力。
船舶可通常设置有气体压缩机90以压缩蒸发气体并且将气体的压力增加到预定增加的压力。在增加的压力下,加压的BOG可适合由发动机52作为燃料使用。因此,在第一压力P1下提供BOG。第一压力P1通常稍微超过大气压。在一个实际实施例中,预定增加的压力P2可在2巴与10巴之间。
管线92将压缩机90连接到主消耗方,如发动机52和GCU 54。阀64、66分别控制加压的BOG递送到GCU 54的发动机52。
本公开的系统通过经由管线42从燃料气体压缩机90的排放端获取BOG来实现合适增加的BOG的压力。阀58控制转移到BOG回收系统30的加压的BOG的量。
在第一步骤中,转移的加压的蒸发气体在被泵送到回收舱32之前通过热交换被来自主储存舱50的LNG 100(至少部分)再冷凝。
再冷凝器34将在第三压力P3下操作。在实践中,在再冷凝器34内的第三压力为约燃料气体压缩机压力,即在压缩机90的出口处的预定出口压力P2。在一个实际实施例中,第三压力P3将充分低于第二压力P2,以允许BOG从压缩机出口到再冷凝器34的某一流动。
回收舱32将在储存压力P5下操作。储存压力可选择在约2巴到25巴的范围内。在一个实际实施例中,储存压力P5可选择在6巴到15巴的范围内。
BOG储存压力P5将通过液体输送泵40实现。因此,再冷凝转移的加压的BOG并且随后将压力增加到泵压力P4。泵压力P4充分超过预定储存压力P5以达到选择的储存压力。一个或多个回收舱32存储在所述储存压力P5下至少部分呈液体形式的BOG。
将从货舱50移出冷却LNG 100。在一个实施例中,LNG 100可提供到在再冷凝器34中布置的热交换器102。可提供阀74以控制到热交换器102的LNG的量。冷却LNG 100将经由管线124返回到主货物舱,这将导致在货舱50中散装液体货物82的温度稍微提高。
在一个改进的实施例中,系统30包含预冷却BOG 42的热交换器38。用再冷凝的BOG106预冷却BOG可确保对于需要的储存条件最小化排到在再冷凝器中的液体货物的热量的量。
冷却LNG 100的第一部分可经由阀72转移到在再冷凝器34中布置的喷射集管104,以将所述转移的冷却LNG的第一部分喷射到再冷凝器34中。在再冷凝器34的下端收集液化气(包含再冷凝的蒸发气体)。
泵40将液化气106从再冷凝器泵送到预冷却器38。转移的BOG 42与在预冷却器38中的液化气106交换热量。随后,将预冷却的BOG 108引导到再冷凝器34以如上文所描述再冷凝。在与转移的BOG热交换并且温度稍微提高之后,将液化气110引导到回收舱32以在增加的压力下存储。
在又另一个实施例中,系统30可包含阀70,以将冷却LNG100的第二部分120转移到在BOG回收舱32中布置的喷射集管122。本文阀70可控制LNG120到喷射集管的流动。将LNG直接喷射到回收舱32中可允许降低存储在回收舱32中的液化的蒸发气体的温度,并且由此也减少存储的液体的压力。
在一个实施例中,回收舱32可经由气体管线126联接到再冷凝器34。在管线126中的阀60允许释放从回收舱32汽化的BOG并且将其返回到再冷凝器以再冷凝。此实施例使得能够控制并且降低在回收舱32中的压力。
在回收舱32中在高于大气压下存储的再冷凝的BOG可用于,例如:
-在压载航路上将燃料提供到发动机52。此处,阀62和64控制汽化的BOG 44从回收舱32到发动机52的流动;
-与散装液体货物82混合并且排放到消耗方。此处,泵36控制液化的加压的BOG130的排放。举例来说,可将液化的加压的BOG 130引导到货舱50用于与主货物82混合。举例来说,可将液化的加压的BOG 130引导到在主货舱50中的流体入口52;和
-在压载航路上喷射冷却货物舱50。此处,可将液化的加压的BOG 130引导到在货舱50中的喷射轨52,以喷射到蒸气空间84中。
图4到7示出具有船体142、甲板144、前端146和后端148的例示性传统LNG运输船140。在一个实施例中,本公开的系统30可装配在传统LNG运输船142的甲板144上。一个或多个C型储存舱32可在串联(如在图5中的舱32A、32B)和/或相邻(在图5中的舱32C、32D)布置。BOG储存舱可布置在左舷侧和/或右舷侧上(分别用于左和右的航海术语,朝向船舶的前端看)。
如图4和5所指示,与货舱50的总体积的储存容量相比,系统30的储存容量可相对有限。如下文阐明,即使相对有限的(再冷凝和压缩)蒸发气体的储存体积可已经显著减小或甚至消除蒸发气体的浪费。
本公开的概念为捕获有限量的过量BOG用于随后使用。分析的目的为识别一系列容量的系统将对在GCU中的整体消耗的影响。
图8示出本公开的系统的影响的例示性图,表示航程长度(Y轴,以海里为单位的满载航程距离表示)对速度(x轴,以节表示)的标绘。回收有限量的BOG的能力将根据其长度和速度不同地影响航路。其中速度高于约17.5节的航路将需要GCU,如由操作线180指示。线181表示船体最佳,即用于推进船舶(如DFDE动力船舶)所需的燃料的估计。许多斑点182指示在某一时间段期间LNG运输船的相应实际航程。在航程长度对速度的标绘上,线184、186和188分别指示总BOG储存体积分别为500、1000和2000m3,构成本公开系统的操作范围。此处,对于绘制在相应线184、186和188右侧的所有点182,包含500、1000和2000m3的组合BOG储存的本公开的系统,将允许捕获所有过剩的BOG用于稍后再使用。因此,本公开的系统将有效地消除绘制在特定线184-188右侧的所有航程的BOG。对于绘制在相应线左侧的航程,系统将仍然允许每次航程捕获过量BOG的相当大的一部分。
图9示出本公开的系统回收BOG的能力的例示性分析,其基于将被完全捕获的航路(线190)和此机会大小表示的LNG回收的体积(线192)的百分比进行。纵轴指示回收的总BOG体积的百分比。横轴指示回收舱32的总体积对货舱50的总体积的比率,表示为百分比。
然后,可将此信息用于计算每个机会大小的成本效益图。图9指示回收舱的相对有限的储存容量可已经在回收BOG和避免损失中提供显著益处。本公开的系统可提供显著益处,其中总回收舱体积在总货物体积的约0.5%到5%的范围内。
早期关于稳定性和重量考虑的计算指示,在设计设计限制内,在现有船舶上至少可装配至多1,500到2,000m3的BOG的总额外储存。这可通常很好地落在其中本公开的系统为有利的范围内,例如与总储存体积比较在0.5%到3%范围内。在一个优选的实施例中,总回收舱体积可在总货物体积约1%到2%的范围内,以优化投入对价值。BOG储存舱32的最小储存体积可为至少50m3。
本公开的系统可提供关于在压载航路上残余料的保留的额外益处。在例示性货物循环的以下描述之后,这将参考图10阐明,以解释残余料的含义和功能。
典型的货物循环开始于在“无气体”条件下的舱50,意指舱充满空气,这允许对舱和泵进行检查和维护。
在LNG可再引入到舱50之前,通常将其“惰化”以消除爆炸性氛围所带来的风险。惰性气体设备在空气中燃烧柴油以生产气体的混合物(通常小于5%O2和约13%CO2加N2)。将其吹入舱中直到氧气水平下降低于4%。惰性气体组合物的实例在表1中提供:
接下来,船舶进入港口以“充气”和“冷却”。
如果已使用惰性气体完成舱惰化,那么在开始装载之前,通常将货舱吹扫干燥并冷却。惰性气体含有14%CO2,其在-60℃下冻结并且可堵塞阀、过滤器、喷嘴或导致货物泵损坏。
LNG经由到主蒸发器的喷射线供应船舶,所述主汽化器将液体蒸发成气体。然后在气体加热器中使其升温到约20℃(68℉),并且然后吹入舱50中以置换“惰性气体”。这继续直到所有易于冻结的气体已从舱中移出。
现在将船舶充气并且船舶为暖的。舱仍然在环境温度下并且充满甲烷。
下一阶段为冷却。将LNG经由喷射集管和喷射嘴喷射到舱中,其气化并且开始冷却舱。将过量气体再次吹到岸上以再液化或在火炬烟囱处燃烧。当在每个舱中的温度传感器的平均温度指示-130℃(-200℉)或更低的温度时,通常认为货舱的冷却完成。现在,舱准备好散装装载。
散装装载开始并且将液体LNG从储存舱岸泵送到船舶舱中。通过压缩机将置换的气体吹到岸上。装载继续直到舱50通常为约98.5%满(以允许货物的热膨胀/收缩)。
现在船舶可进行到卸货港,被称作满载航路。在航路期间,可使用各种蒸发管理策略,如上文所解释。
一旦在卸货港中,货物使用船舶的货物泵泵送到岸上。在50排空时,蒸气空间84由来自岸上的气体或通过气化在货物汽化器中的一些货物填充。船舶可尽可能泵送出,或一些货物可作为“残余料”保留在船上。
传统的做法是在排放之后将总体货物体积的一小部分,例如约5%到10%保持在船上。这被称作残余料并且这用于冷却在装载之前没有残余料的剩余的舱。残余料可跨所有舱分布或在一个或多个货舱中合并。保留的残余料体积将基于船舶的压载航程长度和/或速度和比燃料消耗。根据航程长度,可通常跨所有货舱分布残余料(即LNG)。首先为了避免需要喷射并且因为总残余料体积可超过单个舱的较低填充限制。指定低填充限制以避免晃动损坏。
可使用残余料逐渐进行冷却货舱。人们可旨在实现例如约-130℃或更低的货舱温度。如上所述,可应用与冷却相同的标准。
可对具有Moss型货舱的船舶冷却大约花费约20小时,并且对设置有隔膜型货舱的船舶冷却大约花费约10到12小时。因此,运载残余料允许冷却以在船舶到达港口之前完成,得到显著的时间节省。船舶到达准备好散装装载条件。
如果所有货物被泵送到岸上,那么在压载通道上,舱将升温,使船舶返回到充气和暖状态。然后船舶可再次冷却用于使用岸上供应的LNG装载。
本公开系统30也能够提供在压载航路上残余料的储存,这将潜在地允许在完成排放时保留显著减少量的残余料。然后允许主货舱在压载航路的过程上升温,并且在安排的装载日期之前2或3天开始舱的喷射。
这允许在压载中蒸发体积大大降低,因为热量仅进入小得多的回收舱32,而不是大体积的主货舱50中的一个。此外,回收舱32的较高压力等级可用以使内容物的压力缓慢上升,由此避免任何蒸发气体。
在压载中操作LNG运输船的关键参数为存在于装载港口的船舶为冷的,即具有预冷却的货物舱。如上文所描述,通过保留减少量的LNG(被称为残余料),货舱大体上保持为冷的。
目前的残余料管理策略在减少残余料量方面已经非常成功,但未完全消除具有残余料的要求。需要的残余料的量通常为船舶LNG容量特异性的。对于压载航路的每天持续时间,需要的残余料的量可为例如在大约50到100m3的范围内。这些度量可不同,并且通常为LNG货物体积特异性的。
在一个实际实施例中,对于具有总存储容量为大约178,000m3的现代DFDE/TFDE动力LNG运输船,保留总量为约900m3的LNG将足以执行货舱50从环境温度的冷却。将此残余料储存在本公开的系统的回收舱32中,绝缘到与主货舱50大致相同的标准,可将每日蒸发速率降低到约2m3每天或更少。当允许系统30使用回收舱32的全压力范围时,也可在压载航路上基本上完全避免BOG损失。
图10示出指示典型LNG运输船的目前残余料体积要求200(纵轴,以m3LNG表示)对压载航路的持续时间(横轴,以天表示)的例示性图。使用本公开的系统,可用的残余料体积210可在整个压载航路中基本上不变。这意味着存在交叉点220和对应的压载航路的阈值持续时间230。对于持续时间超过阈值230的航路,使用本公开的系统保持预定的残余料体积将是有利的。
举例来说,对于大LNG运输船,如总货物体积大约为约150,000到190,000m3的隔膜舱运输船,如果将保持残余料在回收舱32中而不是保持在主货舱50(中的一个)中,那么持续时间比阈值多例如10天的压载航程将需要较少的残余料。当船舶需要到达冷时,这对于超过所述阈值持续时间(如10天)的航路引入额外的选项。对于压载航路的燃料量的管理可与到达冷需要的分开,并且根据航程长度和燃料油和LNG的相对价格可提供用于压载航路的燃料成本和CO2的节省。
在2016年船队数据的检查揭示,超过一半的压载航路大于阈值持续时间,并且因此可能候选此方法。
在卸货港处保留的残余料可含有有较重的烃,主要为乙烷、丙烷和丁烷。残余料可包括高达6%的较重的烃。残余料的较轻级分(主要为甲烷)将首先汽化,由此富集剩余的具有较重组分的残余料。在较长的压载航路上,可达到其中散装的剩余残余料包括较重级分的位置。
此现象尤其影响TFDE和DFDE船舶,因为这些较重的组分不能被TFDE/DFDE发动机消耗,并且这些从在燃料气体压缩机吸气中的BOG流中移出并返回到货舱。蒸汽船舶锅炉能够消耗这些较重的级分,但是在TFDE/DFDE船舶上,朝向较长压载航路的末尾剩余的残余料的体积具有非常高百分比含量的重级分并且有效地变为‘死残余料’。在2016年船队数据的检查揭示,在单次压载航路上重级分的量可超过450m3。
这些较重的级分将不提供任何冷却效果或燃料来源,并且因此仅可通过GCU处理。保留小得多的量的残余料意指较重组分的体积减少,因此不出现显著体积的较重组分的积累。
EERS回收舱32的较高压力等级具有额外的益处,因为可允许回收舱32的压力上升,由此意指在此操作模式中不存在来自舱的流并且不进行富集。
本公开的系统和方法可至少部分避免如上文所描述的LNG货物的损失。本公开的系统可改装到现有船舶。此外,由于有限数量的组件,系统相对便宜并且鲁棒。
通过相加并且外推到申请人租用的整个船队,并且考虑每个船舶的剩余租用期进行加权,相关租用期内整个船队的潜在奖励是估计的大量LNG的回收。这将显著降低相关CO2排出并且相对于其中LNG将作为蒸发气体损失的“不进行任何动作”的情形节省损失的LNG销售。
衍生自使用BOG回收舱32和系统30的益处将取决于HFO和气体的相对价格、航程长度和航程速度。特别有利的航程是持续时间长但是距离很短的那些航程,包含锚泊或漂流的时间段。
使用回收舱32可去除允许恶劣天气所需的燃料的应急量,去除允许死残余料的需要,去除在低载荷(速度)或漂移时GCU操作的需要,并且去除操作员体验确定残余料保留量的因素。
在2016年到8月底船队的检查指示,基于目规则,在持续时间超过阈值的25个压载航路中的24个,可已经通过本公开的系统进行节省。此操作模式可每年每个船舶的卸货量增加,例如至少8,000m3的LNG,并且可每年每个船舶传送到GCU的体积减少,例如至少1,700m3的LNG。
本公开提供包括应用过量能量回收系统(EERS)的方法和系统,其适用于使用TFDE(三燃料柴油电力)、DFDE(双燃料柴油电力)和XDF(X型双燃料)推进系统的现代LNG运输船。设计旨在当不需要时采集和存储过量气体,并且当需要时将其释放到推进设备,由此消除浪费能源并且还避免另外使用燃料油。
在比发动机消耗所有BOG的速度低的速度下,本公开的EERS系统减少了在满载航路上的不必要消耗。
此外,本公开的系统30允许在较长的压载航路上残余料量显著减少,由此允许独立于保持货物储存舱(即容纳系统)冷的要求来设定航程速度。当装载港口和卸货完成的日期可能不固定时,此功能具有特定益处。
本公开的系统和方法提供例如以下优点和特征:
具有改进燃料效率和操作速度灵活性的较清洁动力运送;
最大化LNG输出-转向最低的可能操作成本;
最小化有害排出并且遵守当今严格和预期的未来法规。减少NOx、SOx、CO2和颗粒物质;
易于实施和交易,因为系统可改装到现有船舶系统提供经济有效的解决方案;
最小化石油馏分燃料的消耗;
为船舶操作员递送船舶性能和竞争性优点的阶跃变化。
EERS未引入任何新技术。
以现有货物管道布置最小修改设计EERS管线布局。与EERS相关联管线将将尽可能遵循现有管道路线。
EERS旨在当不需要时采集和存储过量气体,并且当需要时将其释放到设备,由此消除浪费能源,释放有害的排放物并且还避免另外使用燃料油。
EERS设施应利用在货舱中现有燃料气体压缩机和LNG喷射泵。EERS应被设计成在相关现有装置的设计参数范围内操作。
EERS管线长度应尽可能短,以最大化CAPEX、服务维护、重量和管线蒸发。
应设计EERS系统使得其受益于LNG运输船现有的船舶公用设施和控制系统。
EERS应被设计成使用用于发动机室机器的现有的LNG气体装卸装置。
EERS将安装在货物区域中,并且因此安装在危险区域,如图4-7所示。装置将被设计用于区1,并且保护技术和认证将与在货物区域中的现有装置一致。
EERS材料、机器、装置和装备应使用符合IGC 2016规范和IACS要求的正常造船和海洋工程质量。
管线设计材料304L和316L与现有EERS系统材料兼容,并且符合Maritime DEC标准。出于成本核算的目的,已考虑316L材料。
EERS系统可被设计成能够在满载航路期间处理来自容纳系统的50%的蒸发气体流动速率。作为最高情况,可获取0.128%的合同BOR。在实践中,EERS系统30可被设计成管理回收的LNG储存容量在500m3与2,000m3之间,例如约1,000m3的再冷凝BOG。
对两个主要的C型LNG舱隔热系统、真空珍珠岩和PU泡沫进行swot分析,以用作用于系统30的回收舱32。根据研究结果,推断,真空隔热舱为受欢迎的,此结论由优异的蒸发性能驱动。排名练习揭示,在两个容纳系统的相对优点中几乎没有整体差异,其中一些领域的优势被另一方面较低的相对性能所抵消。
轮船的运动与在C型舱中液体的自由表面的相互作用可导致在C型舱内的大波浪的积聚,其可用相当大的力冲击C型舱的端部。发生的可能性和任何影响的大小为支撑轮船的舱C舱尺寸和大小的函数。可通过在回收舱32内安装制荡舱壁以减小自由表面的跨度来缓解此现象。
DNV分类注释31.13基于相较于船舶的大小的C型舱的大小提供晃动分析要求的指导。此指导陈述,如果C型舱小于轮船长度的约16%,既不需要晃动分析,也不需要制荡舱壁。
提议的布置(参见图4-7)在LBP为274m的船舶上使用长度为例如24m的回收舱32,使回收舱大约为轮船长度的8%到9%,并且认为远在范围外的需要晃动分析工作。
在一个实际实施例中,本公开的系统30具有用于每个回收舱32的输送泵36,以将冷凝的BOG输送到货舱50或LNG汽化器。这些泵36可为类似于LNGC货舱扫舱泵的电驱动离心低温辅助泵。典型的设计容量可为大约50m3/hr。
EERS系统30将优选地需要与船舶的现有液体和蒸汽管道系统接合,主要是货物蒸汽集管、喷射集管和发动机室燃料气体供应系统。参见图3。
储存舱的安全阀可需要到立管杆的管,如其它货物系统安全阀所提供的那样。
包括在系统30中的管道可对于低温介质(一些液体和一些气态)具有不同的大小。管线可定位在主甲板上。管道大小可保持尽可能接近LNGC接合管道大小。不锈钢等级304L和316L为合适,其中316L为用于此服务的优选的材料。
例示性热力学评估。
在非常低的温度下运输LNG导致热量从相对温暖的环境进入冷液体。此热量流入通过移出以蒸发气体(BOG)形式的蒸气热力学上平衡,并且由此由于汽化的潜热而冷却。在舱50中的蒸汽通常为过热的,例如大约-130℃,但是确切的温度将取决于BOG移出流动速率,其中较低的流动速率导致较温暖的气体温度。
BOG可通过蒸汽锅炉或柴油发动机用作燃料气体。在配备有再液化设备的船舶中,BOG可再冷凝,将热量排到制冷剂循环中。
由于非常低的温度,制冷剂循环需要高功率的原动机,因为可用循环的热效率通常约为15%。制冷剂还需要将热量在大约为冷却效果的6倍下排到高温水槽,通常是冷却淡水。此热量最终必须排到海水中,导致大量的热交换器和冷却水流动。
本公开的系统30的核心通过允许BOG的一部分的压力在单独的接收器32中上升并且利用其所代表的焓的上升来有效地捕获热输入的一部分。
系统30可能无法吸收所有的热输入,而剩余的热量将需要在散热器中吸收。散热器可通过散装液体货物82形成。
优选的概念为使用LNG间接冷却BOG。间接冷却意指系统30仅需要具有将冷凝的BOG存储在再冷凝器34中容量,参见图3。
在满载条件下LNG船舶的操作主要涉及将货舱蒸气压保持在边界内,并且这大体上导致在满载航路的过程中货物温度小的上升。
使用本公开的系统增加BOG的压力可不吸收其含有的所有能量,并且对液体货物82的一些排热可为必需的。
检查可用记录,装载的货物的平均温度为-159.56℃,卸货的货物的平均温度为-159.5℃,适度上升0.06℃。航程具体数据指示在满载航路的过程中最高温度上升0.3℃。
存在在高于-159℃的温度下递送的货物,其中最高报告温度为约-158.2℃。
只有一个终点,其实际上指定迪拜(Dubai)的最高到达温度为-159℃,其它终点指定最大舱压力为1,100到1,200毫巴,其等同于-159.1℃到-159.4℃的温度范围。
经验证据为终点偏好较低的温度和压力,但是未确定行地建立这些是规定而不是偏好。
回收1,000m3BOG,即使用具有总储存为约1,000m3的回收舱32的本公开的系统30,可对散装货物温度的温度具有影响,如在表2中指示:
表2。
容纳系统操作压力范围在低压与高压报警点之间大约为150毫巴,并且容纳系统的这些技术限制等同于可允许的最高1.5℃温度范围(即存储在(一个或多个)主储存舱(50)中的液化气的最大允许的温度增加)。
在船舶32中存储热能的核心原理是保持在比容纳系统50更高的压力下在热力学上是可行的。
在6绝压巴下操作和存储的系统需要的1.3℃的温度升高在可用1.5℃的限制内。
在约6绝压巴下再冷凝器34的操作和在增加的压力(例如约8到11绝压巴或更高)下储存在(一个或多个)回收舱32中,允许对于1,000m3目标回收的体积(即,BOG储存舱32的容量)散装货物82的温度增加限制到约1.1℃,这允许到可用的1.5℃更大的余量。这作为热力学基础上的推荐选项提供。
来自冷却过程的热量的消散表示整个货物体积的温度的适度增加速率。散装液体货物温度的增加与目前实践偏差,但是处于船舶和容纳系统的技术操作参数内。
系统30大小可设定为50%的BOG流,同时保持现有机器的容量,不管选择哪种回收和储存压力选项。因此系统30提供相对简单并且便宜的解决方案以改造现有船舶。
本公开的一个或多个BOG储存舱32可独立于主低温储存舱50装载LNG。液化气(通常LNG)可例如从油槽汽车或LNG油舱船舶输送到BOG储存舱32,而不需要主货舱50含有气体或是冷的。
BOG储存舱32可经由阀(在图3中和泵36上指示)与货物系统50隔离。因此,即使主货物系统50无气体,BOG储存舱32可装入LNG。这在空载航程上提供显著优点。包含BOG储存舱32的系统30为主动系统,并且因此可用作来自LNG的气体源(例如到发动机52的汽化气体44)。系统30还可从货物系统50接收气体或液体。
计算指示,本公开的系统为可用的最佳选项,其提供解决在满载条件下容纳系统与推进设备之间的不平衡的可行选项。
本公开的系统30和替代地再液化为提供在压载航路上减少残余料量的解决方案的仅有的选项。然而,本公开的系统30具有优于再液化的显著优点,因为它不需要机器操作和燃料消耗。
而且,本公开的系统30在前期资本支出(CAPEX)和运营成本(OPEX)方面有利地与可用的任何其它选项相当。
举例来说,使用Turbo Brayton循环的再液化系统在capex和opex中都显著更昂贵(由于再液化循环的能量消耗)。
本公开的系统30可仅需要有限的投入。运营指出也可相对有限。与再液化比较,本公开的系统构建和操作可便宜的至少2倍,但是可能至少3到4倍。本公开的系统可相对容易地改装到现有LNG运输船。
在整个说明书中使用的缩写可包含以下表3中的一个或多个:
BOG | 蒸发气体 |
BOR | 蒸发速率 |
CNG | 压缩天然气 |
DCS | 分布式控制系统 |
DFDE | 双燃料柴油电力 |
EERS | 过量能量回收系统 |
GCU | 气体燃烧单元 |
HFO | 重燃料油 |
IACS | 国际船级社协会 |
IGC | 国际散装运载液化气体轮船构造和装置规则 |
IGF | 国际使用气体或其它低闪点燃料的轮船的安全规则 |
LBP | 在垂线之间的长度 |
LNG | 液化天然气 |
LNGC | 液化天然气运输船 |
MARPOL | 国际防止轮船造成污染公约 |
ME-GI | 主发动机-气体喷射 |
PRS | 部分再液化系统 |
TFDE | 三燃料柴油电力 |
表3。
本公开不限于上文所描述的实施例,其中可在所附权利要求书的范围内设想许多修改。举例来说,可组合相应实施例的特征。
Claims (17)
1.一种用于运输液化气的船舶,其包括:
船体;
在所述船体中布置的用于存储液化气的至少一个货物储存舱(50);
推进所述船舶的至少一个发动机(52);
至少一个压缩机(90),其具有连接到所述至少一个货物储存舱的蒸气空间(84)以用于在第一压力(P1)下接收蒸发气体(88)的压缩机入口和用于在超过所述第一压力的第二压力(P2)下将加压蒸发气体(92)供应到所述至少一个发动机的压缩机出口;和
用于回收蒸发气体的蒸发气体(BOG)回收系统(30),所述BOG回收系统包括:
冷却区段,其具有连接到所述压缩机出口以再冷凝至少一部分所述加压蒸发气体的冷却区段入口和用于提供再冷凝的加压蒸发气体的冷却区段出口;和
至少一个回收舱(32),所述回收舱(32)为布置在所述船体上的独立于所述至少一个货物储存舱(50)的单独接收器,具有连接到所述冷却区段出口的回收舱入口和连接到所述至少一个发动机(52)的第一出口,所述回收舱(32)用于存储所述再冷凝的加压蒸发气体,其用于存储所述再冷凝的加压蒸发气体的总体积为所述至少一个货物储存舱(50)的总体积的0.5%到5%,和所述回收舱(32)在2巴到25巴的储存压力下操作。
2.根据权利要求1所述的船舶,其中至少一个回收舱(32)的长度小于船舶长度的16%。
3.根据权利要求2所述的船舶,其中至少一个回收舱(32)的长度为船舶长度的8-9%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的船舶,所述BOG回收系统包括布置在所述冷却区段出口与所述回收舱入口之间的第一泵(40)。
5.根据权利要求1-3任一项所述的船舶,所述冷却区段包括具有再冷凝器入口和再冷凝器出口的再冷凝器(34),用于提供所述再冷凝的加压蒸发气体。
6.根据权利要求5所述的船舶,所述冷却区段包括预冷却器区段(38),其具有连接到所述压缩机出口的预冷却器入口和将预冷却的加压蒸发气体提供到所述再冷凝器入口的预冷却器出口。
7.根据权利要求5所述的船舶,所述再冷凝器(34)适于在与所述第二压力(P2)基本上相同或比其低的第三压力(P3)下操作。
8.根据权利要求4所述的船舶,所述第一泵(40)连接到所述再冷凝器出口,并且所述第一泵具有第一泵出口,用于在第四压力(P4)下将所述再冷凝的加压蒸发气体提供到第二预冷却器入口以用于所述再冷凝的加压蒸发气体(106)与所述加压蒸发气体(42)的热交换,所述第四压力超过所述第三压力(P3)。
9.根据权利要求8所述的船舶,第二预冷却器出口连接到所述回收舱入口。
10.根据权利要求1-3任一项所述的船舶,所述冷却区段包括再冷凝器热交换器(102),用于所述加压蒸发气体与存储在所述至少一个货物储存舱(50)中的一部分所述液化气(100)进行热交换。
11.根据权利要求10所述的船舶,所述再冷凝器热交换器(102)布置在所述再冷凝器(34)内。
12.根据权利要求5所述的船舶,所述再冷凝器(34)设置有喷射集管(104)以将液化气从所述至少一个货物储存舱(50)喷射到所述再冷凝器(34)中。
13.根据权利要求1-3任一项所述的船舶,所述回收舱(32)设置有连接到所述至少一个货物储存舱(50)的第一喷射集管(122),所述第一喷射集管适于将液化气(120)喷射到所述回收舱(32)中,和/或所述冷却区段设置有连接到所述至少一个货物储存舱(50)的第二喷射集管(104),所述第二喷射集管(104)适于将液化气(100)喷射到所述冷却区段中。
14.根据权利要求1-3任一项所述的船舶,所述回收舱(32)具有连接到第二泵(36)的第二出口,用于将所述再冷凝的加压蒸发气体泵送到所述至少一个货物储存舱(50),和/或所述液化气为液化天然气LNG,和/或所述回收舱(32)为C型低温储存舱。
15.一种用于运输液化气的方法,其包括:
在船舶中运输液化气,所述船舶包括:
船体,
在所述船体中布置的用于存储液化气的至少一个货物储存舱(50),
推进所述船舶的至少一个发动机(52);
在第一压力(P1)下在至少一个压缩机(90)的压缩机入口处接收蒸发气体(88),所述压缩机入口连接到所述至少一个货物储存舱的蒸气空间(84),
使用所述压缩机以在超过所述第一压力的第二压力(P2)下将加压蒸发气体(92)供应到所述至少一个发动机;
将至少一部分所述加压蒸发气体(92)转移到蒸发气体(BOG)回收系统(30),用于回收蒸发气体;
在所述BOG回收系统的冷却区段中再冷凝至少一部分所述加压蒸发气体以提供再冷凝的加压蒸发气体;
将所述再冷凝的加压蒸发气体存储在至少一个回收舱(32)中,所述回收舱(32)为布置在所述船体上的独立于所述至少一个货物储存舱(50)的单独接收器,具有连接到所述冷却区段出口的回收舱入口和连接到所述至少一个发动机(52)的第一出口,所述回收舱(32)用于存储所述再冷凝的加压蒸发气体的总体积为所述至少一个货物储存舱(50)的总体积的0.5%到5%,和所述回收舱(32)在2巴到25巴的储存压力下操作;和
将汽化的蒸发气体(44)从所述至少一个回收舱(32)提供到所述至少一个发动机(52)。
16.根据权利要求15所述的方法,其中至少一个回收舱(32)的长度小于船舶长度的16%。
17.根据权利要求16所述的方法,其中至少一个回收舱(32)的长度为船舶长度的8-9%。
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