CN110248866A - 用于在液化天然气燃料船中供应燃料的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在液化天然气燃料船中供应燃料的系统和方法，所述液化天然气燃料船应用使用液化天然气作为燃料的发动机，其中泵和再汽化设备用于在不借助于压缩机的情况下依照发动机的燃料供应条件供应液化天然气燃料。根据本发明的用于在液化天然气燃料船中供应燃料的系统包括：奥托循环发动机，使用液化天然气作为燃料且根据奥托循环操作；高压泵，用于压缩已从储存罐排放的液化天然气；汽化器，用于汽化已由高压泵压缩的液化天然气；膨胀阀，用于使已由汽化器汽化的天然气膨胀；以及气液分离器，用于从由膨胀阀形成的气液混合物中分离气体和液体，其中在气液分离器中分离的液体回收到储存罐中，在气液分离器中分离的气体作为用于奥托循环发动机的燃料供应，由此调节供应到奥托循环发动机的天然气燃料的甲烷值。

Description

用于在液化天然气燃料船中供应燃料的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于在液化天然气燃料船中供应燃料的系统和方法，所述液化天然气燃料船包含液化天然气燃料发动机，其能够对应于燃料供应条件供应液化天然气，这是因为所述发动机在不使用压缩机(compressor)的情况下使用泵和再汽化设备。
背景技术
一般来说，船舶通过驱动经由燃烧燃料产生动力的发动机来产生推进力。用于船的燃料油在燃烧期间经由产生大量的有毒物质而造成环境污染，所述燃料油例如柴油、重油、船用柴油(Marine Diesel Oil；MDO)以及其类似物。随着最近用于防止大气环境污染的世界性法规的加强，存在用于船舶的燃料由燃料油变化为天然气的趋势。由于硫含量低，天然气相对地对生态环境友好，硫在燃烧时产生含硫化合物和烟尘物质。对应于这种趋势，本领域中正研发配置成使用燃料油以及天然气的双燃料发动机。
另一方面，天然气在室温和常压下具有占据过大容积的气相，由此提供显著空间限制。因此，基于在约-163℃的极低温和常压下具有液相的液化天然气(LNG)的特性，具有极低温的LNG可在常压下以液相存储在覆盖有绝缘材料的特定储存罐中。
另外，使用液化天然气(Liquefied Natural Gas；LNG)作为燃料的液化燃料船(Liquefied Fueled Ship；LFS)已针对来自不同国家的船舶而经研发且由原则上批准(Approval In Principle；AIP)审批为绿色船舶(green-ship)，并且满足由于环保规定而转换为清洁能源的需要。本领域中已研发不仅将这类LFS应用于LNG运输船以将LNG作为货物运输并且还应用于包含集装箱船、油轮船舶以及其类似物的普通商船的技术。
能够由天然气供应燃料的发动机的实例包含MAN电子气体喷射(MAN ElectronicGas Injection；ME-GI)发动机和双燃料(Dual Fuel；DF)发动机。
ME-GI发动机采用由两个冲程构成的柴油循环(Diesel Cycle)，其中天然气在约300巴的高压下直接喷射到在活塞的上止点附近的燃烧室中。
柴油循环是恒定压力过程，其中上止点附近的燃料燃烧在恒定压力下发生，且允许在向上冲程期间仅用于燃烧的空气吸入到气缸中从而在高压缩比下以绝热方式压缩。在上止点处，由于在压缩冲程期间的绝热压缩，用于燃烧的空气达到显著高温，使得当燃料朝着以绝热方式压缩的燃烧空气喷射时由于空气的高温而发生燃料自燃。
在柴油循环中，用于燃料喷射的压力适当地调节以在上止点处维持用于燃料燃烧的恒定压力，以便阻止上止点处的用于燃烧的空气的压力由于燃料喷射导致的爆炸而进一步增大，所述空气已达到高压。
尽管随着燃料压缩比增大，柴油发动机具有较高燃烧效率，但考虑到爆炸压力，柴油发动机通常配置成在约15:1至约22:1的压缩比下压缩燃料。
此外，柴油发动机配置成在压缩冲程中仅压缩空气，且因此在活塞达到上止点之前由于提前点火而根本上不遭受爆震。
DF发动机采用由四个或两个冲程构成的奥托循环(Otto cycle)，其中具有约6.5巴或18巴的相对低压的天然气喷射到燃烧空气入口中，并且接着通过活塞向上移动压缩。
奥托循环是恒定容积过程，其中上止点附近的燃料燃烧在恒定容积下发生，且允许用于燃烧的燃料和空气的混合气体引入到气缸中并在向上冲程之前在其中经压缩。在气缸中，混合气体的温度在混合气体的绝热压缩期间升高且当混合气体达到过高温度时，提前点火可发生。因此，奥托循环的压缩比设置成低于柴油循环的压缩比。
由于奥托循环的压缩比设置成相对较低值，所以奥托循环需要在由上止点处的点火源爆炸燃料时达到高压，且因此燃料应尽可能快地点燃以提高发动机的效率。
另外，由于采用奥托循环的发动机允许用于燃烧的燃料和空气的混合气体在向上冲程之前引入到气缸中，所以发动机可由于燃料在由点火源点火之前的提前点火而遭受爆震。
由于爆震造成发动机的效率降低和对发动机的损害，所以对采用奥托循环的发动机来说防止爆震发生是至关重要的。
防止采用奥托循环的发动机所使用燃料的提前点火的能力，也就是说抗爆震能力，由用于液体燃料的辛烷值且由用于气体燃料的甲烷值调节。DF发动机要求具有80或大于80的甲烷值。
尽管采用奥托循环的DF发动机相比于采用柴油循环的ME-GI发动机具有较低效率，但DF发动机能够使燃料在较低温度下燃烧以产生较少的由高温所产生的氮氧化物(NOx)，且因此满足对氮氧化物的规定，即IMO III级。
因此，需要基于LNG和每一发动机的特征配置的不同器件和发动机供应系统，以便根据每一发动机的需求供应存储于储存罐中的LNG。
发明内容
技术问题
图1是LNG运输船的常规燃料供应系统的示意图。
参看图1，常规燃料供应系统可包含：蒸发气体供应系统，其调适成将从储存罐(T)排放的蒸发气体供应到发动机(E1、E2)；再液化系统，其使供应到用于发动机(E1、E2)的燃料之后剩余的蒸发气体再液化；以及液化天然气供应系统，其调适成将LNG从储存罐(T)供应到发动机(E1、E2)。
蒸发气体供应系统包含多级压缩机(200)；LNG供应系统包含第一泵(610)、第二泵(620)、汽化器(700)、第一加热器(810)以及第二减压器(420)；且再液化系统包含第一热交换器(110)、第一减压器(410)以及气/液分离器(500)。
多级压缩机(200)压缩通过多个级从储存罐(T)排放的蒸发气体且包含多个压缩单元(210、220、230、240、250)以及多个冷却器(310、320、330、340、350)，每一冷却器安置于每一压缩单元的下游以与压缩单元交替。一般来说，使用包含五个压缩单元和五个冷却器的多级压缩机来通过五个级压缩蒸发气体。
另外，多级压缩机(200)可连接到一个或多个分支管线，其将通过压缩单元压缩的蒸发气体再供应到压缩单元以调节穿过多级压缩机(200)的蒸发气体的压力和流动速率。举例来说，如图1所示，分支管线可包含：第一分支管线(L1)，其分支第一压缩单元(210)的蒸发气体下游以供应第一压缩单元(210)的分支蒸发气体上游；以及第二分支管线(L2)，其分支第五压缩单元(250)的蒸发气体下游以供应压缩单元(240)的分支蒸发气体上游。
通过多级压缩机(200)的所有级压缩的蒸发气体传送到第一发动机(E1)，且通过多级压缩机(200)中的一些级压缩的蒸发气体由第三分支管线(L3)中途分支以传送到第二发动机(E2)。第一发动机(E1)可以是ME-GI发动机，且第二发动机(E2)可以是用于发电的DF发动机。
第一泵(610)安置于储存罐(T)内部以排放存储于储存罐(T)中的LNG，且第二泵(620)将由第一泵(610)从储存罐(T)排放的LNG加压至第一发动机(E1)所需的压力。
汽化器(700)强制性地汽化由第二泵(620)加压的LNG。由汽化器(700)强制性地汽化的天然气中的一些可供应到第一发动机(E1)且剩余的天然气可供应到第一加热器(810)。
第一加热器(810)将由汽化器(700)汽化的天然气加热到第二发动机(E2)所需的温度，且第二减压器(420)使由第一加热器(810)加热的天然气减压到第二发动机(E2)所需的压力。
尽管图1示出其中第一加热器(810)安置于汽化器(700)的下游并且第二减压器(420)安置于第一加热器(810)的下游的结构，但第一加热器(810)和第二减压器(420)的安装顺序可改变，使得第二减压器(420)安置于汽化器(700)的下游并且第一加热器(810)安置于第二减压器(420)的下游。
第一热交换器(110)使用从储存罐(T)排放的蒸发气体作为制冷剂经由蒸发气体间的热交换使蒸发气体冷却，所述蒸发气体已通过多级压缩机(200)的所有级压缩且沿第五分支管线(L5)分支。从储存罐(T)排放的蒸发气体中，未供应到第一发动机(E1)或第二发动机(E2)的过剩的蒸发气体供应到第一热交换器(110)以进行再液化。
第一减压器(410)使由多级压缩机(200)压缩且由第一热交换器(110)冷却之后沿第五分支管线(L5)流动的流体膨胀。由多级压缩机(200)进行压缩、由第一热交换器(110)冷却并且由第一减压器(410)膨胀的蒸发气体部分或全部再液化。
气/液分离器(500)使通过多级压缩机(200)、第一热交换器(110)以及第一减压器(410)再液化的液化天然气与呈气相的剩余蒸发气体分离。由气/液分离器(500)分离的液化天然气返回到储存罐(T)，且由气/液分离器(500)分离的蒸发气体与从储存罐(T)排放的蒸发气体合并以在第一热交换器(110)中用作制冷剂。
当第二发动机(E2)是采用例如DF发动机的奥托循环的发动机时，供应到第二发动机(E2)的天然气的甲烷值必须减小以防止爆震。此处，相比于由蒸发气体供应系统供应的自发地汽化的蒸发气体，由LNG供应系统强制性地汽化的天然气具有较低甲烷值。
根据LNG供应系统，安置在储存罐(T)的下部部分的液化天然气由安置在储存罐(T)的下部部分的第一泵(610)排放且随后由于其中高比重组分的高比率而强制性地汽化。
因此，需要调节在LNG供应系统中由再汽化设备(例如汽化器和其类似物)强制性地汽化的天然气的甲烷值，并且本发明旨在提供用于在液化天然气燃料船中供应燃料的系统和方法，其可满足奥托循环发动机所需的燃料气体的规格，例如作为用于发动机的燃料供应的天然气的甲烷值和其类似物。
技术解决方案
根据本发明的一个方面，液化天然气燃料船的燃料供应系统包含：奥托循环发动机，其由液化天然气供应燃料且采用奥托循环(Otto Cycle)；燃料供应泵，其从储存罐排放液化天然气；高压泵，其加压从储存罐排放的液化天然气；汽化器，其汽化由高压泵加压的液化天然气；膨胀阀，其以绝热方式使由汽化器汽化的天然气膨胀；以及气/液分离器，其将由膨胀阀形成的气液混合物分离为气体和液体，其中由气/液分离器分离的液体返回到储存罐且由气/液分离器分离的气体作为用于奥托循环发动机的燃料供应，从而调节供应到奥托循环发动机的天然气燃料的甲烷值。
优选地，燃料供应系统进一步包含：LNG冷却器，其在由高压泵加压以供应到汽化器的液化天然气与由气/液分离器分离以返回到储存罐的液体之间进行热交换，其中供应到汽化器的加压的液化天然气经加热且返回到储存罐的液体在LNG冷却器中冷却。
优选地，燃料供应系统进一步包含：燃料气体加热器，其加热由气/液分离器分离以作为燃料供应到奥托循环发动机的天然气，其中已穿过膨胀阀和燃料气体加热器的天然气燃料具有奥托循环发动机所需的温度。
优选地，奥托循环发动机包含：X-DF发动机，其提供为二冲程发动机(2-StrokeEngine)以用于推进船舶；以及双燃料柴油发电机(dual fuel diesel generator；DFDG)，其提供为四冲程发动机(4-Stroke Engine)以用于产生船舶的辅助动力，其中已穿过燃料气体加热器的天然气燃料经调节以具有X-DF发动机所需的温度和压力。
优选地，燃料供应系统进一步包含：减压阀，其减压供应到DFDG的天然气燃料，其中已穿过燃料气体加热器和减压阀的天然气燃料可经调节以具有DFDG所需的压力。
优选地，燃料供应系统进一步包含：LNG燃料管线，其提供液化天然气经由高压泵和汽化器从储存罐供应到发动机所通过的路径；以及蒸发气体燃料管线，其提供于储存罐中产生的蒸发气体作为用于发动机的燃料供应所通过的路径，其中蒸发气体燃料管线可包含压缩蒸发气体的压缩机和冷却由压缩机通过压缩加热的蒸发气体的中间冷却器。
优选地，燃料供应系统进一步包含：蒸发气体冷却器，其在压缩及冷却的蒸发气体与供应到汽化器的加压的液化天然气之间进行热交换，其中供应到汽化器的加压的液化天然气经加热，且蒸发气体在蒸发气体冷却器中冷却。
优选地，燃料供应系统进一步包含：蒸发气体膨胀阀，其使由蒸发气体冷却器冷却的蒸发气体膨胀到与供应到气/液分离器的气液混合物相同的压力。
优选地，燃料供应系统进一步包含：气体燃烧单元(Gas Combustion Unit；GCU)，其处理于储存罐中产生的蒸发气体。
优选地，燃料供应系统进一步包含：控制器，其根据奥托循环发动机的负荷的变化控制供应到高压泵、汽化器、膨胀阀以及气/液分离器的流体或从高压泵、汽化器、膨胀阀以及气/液分离器排放的流体的温度、压力以及流量。
根据本发明的另一方面，液化天然气燃料船的燃料供应方法包含：1)使用燃料供应泵从储存罐排放液化天然气，随后使用高压泵加压排放的液化天然气；2)使用汽化器汽化加压的液化天然气；3)使汽化的天然气膨胀；4)将由膨胀产生的气液混合物分离成气体和液体；以及5)将从气液混合物中分离的液体再供应到储存罐，同时将从气液混合物中分离的气体供应到由液化天然气供应燃料且采用奥托循环的奥托循环发动机，由此存储于储存罐中的液化天然气作为满足用于奥托循环发动机的温度、压力以及甲烷值的需求的燃料而供应。
优选地，燃料供应方法进一步包含：步骤1-1)，在步骤5)中再供应到储存罐的液体与于步骤2)中汽化加压的液化天然气之前与加压的液化天然气之间进行热交换，其中加压的液化天然气在由再供应到储存罐的液体加热之后汽化，且再供应到储存罐的液体在由加压的液化天然气冷却之后供应到储存罐。
优选地，燃料供应方法进一步包含：步骤5-1)，加热从气液混合物中分离以在步骤5)中供应到发动机的气体燃料；以及根据奥托循环发动机的负荷的变化控制所述步骤中的至少一个中的流体的压力、温度以及流量，其中已经过步骤5-1)的流体具有奥托循环发动机所需的压力、温度以及甲烷值。
优选地，燃料供应方法进一步包含：步骤5-2)减压加热的气体燃料，其中已经过步骤5-2)的流体具有奥托循环发动机所需的压力、温度以及甲烷值。
优选地，燃料供应方法进一步包含：从储存罐排放蒸发气体，接着使用压缩机压缩蒸发气体；以及供应作为燃料的压缩的蒸发气体到奥托循环发动机，其中压缩的蒸发气体具有奥托循环发动机所需的压力和温度。
优选地，燃料供应方法进一步包含：使压缩的蒸发气体膨胀，其中膨胀的蒸发气体传送到步骤4)以作为用于奥托循环发动机的燃料供应。
优选地，燃料供应方法进一步包含：通过压缩的蒸发气体与在步骤2)中供应到汽化器的加压的液化天然气之间的热交换而使压缩的蒸发气体冷却，其中压缩及冷却的蒸发气体作为燃料供应到奥托循环发动机。
有利作用
根据本发明的液化天然气燃料船的燃料供应系统和方法能够供应燃料同时满足奥托循环发动机所需的燃料气体的规格。
特定来说，相比于使用蒸发气体压缩机的常规系统，根据本发明的燃料供应系统和方法可减少使用高压泵和再汽化设备的操作成本，所述燃料供应系统和方法减少用于设备安装的面积和成本。此外，即使使用高压泵和再汽化设备，常规系统未能确保发动机所需的甲烷值或更多，然而根据本发明的燃料供应系统可确保发动机所需的甲烷值。
另外，根据本发明的燃料供应系统和方法经由再液化将过剩的蒸发气体再供应到储存罐，由此最小化由自发汽化所消耗的蒸发气体的量。
此外，尽管在船舶的航行期间施加到船舶的发动机的负荷不断变化，但根据本发明的燃料供应系统和方法可供应燃料气体，同时满足对应于发动机负荷的变化的燃料气体的流量、温度以及压力的要求。
特定来说，根据本发明的燃料供应系统和方法可通过控制高压泵的流体以及设备的温度和压力来有效地处理发动机负荷的变化，并且可保持发动机燃料的恒定温度和压力。
附图说明
图1是LNG运输船的常规燃料供应系统的示意图。
图2是根据本发明的一个示范性实施例的液化天然气燃料船的燃料供应系统的示意图。
具体实施方式
本发明的上文和其它方面、特征以及优点根据结合附图对以下实施例的详细描述将变得显而易见。
下文将参考附图详细描述本发明的示范性实施例。应注意，在整个说明书和附图中，相似附图标号将表示相似组件。
虽然将借助于以下实施例中的实例来描述液化天然气，但应理解，本发明可应用于各种类型的液化气并且以下实施例可以不同方式修改且不限制本发明的范围。
另外，根据系统操作情况，以下实施例中的每一管线中的流体可呈液相、呈气/液混合相、呈气相或呈超临界流体相。
此外，尽管在以下实施例中经调适成运输作为货物的LNG的液化天然气运输船(LNG Carrier)借助于实例描述为船舶，但本发明的实施例可不仅应用于包含其中调适成存储LNG的储存罐的商船，并且还应用于包含LNG燃料发动机且能够通过驱动发动机产生推进力或动力的任何类型的船舶。
图2是根据本发明的一个示范性实施例的液化天然气燃料船的燃料供应系统的示意图。在下文，将参看图2描述根据本发明的一个示范性实施例的用于在液化天然气燃料船中供应燃料的系统和方法。
参看图2，根据这一实施例的燃料供应系统包含：储存罐(10)，其调适成在其中储存液化天然气；以及LNG燃料管线(LL)，存储于储存罐(10)中的LNG沿所述LNG燃料管线(LL)供应到发动机(ME、GE)。
根据这一实施例，调适成在其中储存LNG的储存罐(10)可以是设计成存储在常压下具有极低温度的LNG的膜(Membrane)式储存罐或设计成存储在相对较高压力下具有极低温度的LNG的C型储存罐，且可根据储存罐的安装位置和容量来从这些储存罐中选择。优选地，根据这一实施例的储存罐(10)是膜式储存罐。
在这一实施例中，沿LNG燃料管线(LL)接收LNG燃料的发动机可以是奥托循环发动机(ME、GE)。
在这一实施例中，奥托循环发动机可包含：超长冲程双燃料(eXtra long strokeDual Fuel；X-DF)发动机(ME)，其充当2冲程双燃料主发动机(2-stroke Dual Fuel MainEngine；2冲程DFME)且对应于船舶的主要推进发动机；以及用于发电的辅助发动机(GE)，其充当4冲程双燃料柴油发电机(4-stroke Dual Fuel Diesel Generator；4冲程DFDG)发动机，其中X-DF发动机(ME)和发电发动机(GE)由具有不同规格的不同类型的天然气供应燃料。
举例来说，根据这一实施例，X-DF发动机(ME)需要具有约18巴的压力、约0℃至60℃的温度以及约80或大于80的甲烷值(Methane Number)的天然气燃料，且发电发动机(GE)需要具有约5巴的压力、约0℃到60℃的温度以及约80或大于80的甲烷值的天然气燃料。
因此，为了将LNG供应到发动机(ME、GE)同时满足发动机(ME、GE)的燃料气体的这些需求，有必要加热、汽化以及加压具有极低温度并在常压下以液相存储的LNG，同时调节LNG的甲烷值。
为了允许储存于储存罐(10)中的LNG作为满足用于奥托循环发动机(ME、GE)的压力、温度以及甲烷值的需求的燃料气体而供应到奥托循环发动机(ME、GE)，根据这一实施例的LNG燃料管线(LL)具备有：燃料供应泵(11)，其从储存罐(10)排放LNG；高压泵(20)，其对由燃料供应泵(11)从储存罐排放的LNG加压；汽化器(30)，其汽化由高压泵(20)加压的LNG；膨胀阀(40)，其以绝热方式使由汽化器(30)汽化的天然气膨胀；以及气/液分离器(50)，其使由膨胀阀(40)使天然气膨胀而产生的气液混合物分离成气体和液体。
根据这一实施例，燃料供应泵(11)可安置于储存罐(10)的内部，优选地，在储存罐(10)的底部表面附近的储存罐(10)的内部的下部部分。也就是说，燃料供应泵(11)抽吸存储在储存罐(10)的最下部部分的LNG以将LNG供应到高压泵(20)。
另外，燃料供应泵(11)将存储于储存罐(10)中的LNG从储存罐(10)的内部输送到高压泵(20)，且LNG的排放压力和流量可基于储存罐(10)的尺寸、连接燃料供应泵(11)到高压泵(20)的导管的压降、待供应到发动机(ME、GE)的燃料气体的量以及其类似物来确定。
根据这一实施例，高压泵(20)可将具有极低温度且由燃料供应泵(11)排放的LNG加压到高压。当LNG由高压泵(20)加压到高压时，LNG的温度升高。优选地，即使LNG温度的升高，LNG仍保持呈液相。
举例来说，高压泵(20)可将从储存罐(10)排放且具有约1.2巴的压力和约-163℃的温度的LNG加压到约300巴的压力。此处，由高压泵(20)加压的LNG呈具有约300巴的压力和-154℃的温度的液相。
此外，根据这一实施例的高压泵(20)可以是活塞(Piston)型且可配置成通过控制其转动的比率调节LNG的流量。
根据这一实施例，汽化器(30)充当用于使用热源加热已由高压泵(20)加压到高压的LNG的热交换器，以允许加压的LNG通过汽化器(30)中的热能来部分地或全部汽化为气相。
举例来说，汽化器(30)将加压的LNG加热到约-50℃的温度，且由汽化器(30)汽化的天然气可具有约300巴的压力和-50℃的温度。
用于加热汽化器(30)中的加压LNG的热源可以是蒸汽(Steam)或乙二醇液(GlycolWater)。乙二醇液可通过使用从海水或船舶上的燃烧装置回收的废热加热而获得。应理解，根据本发明的汽化器(30)的热源不限于此。
根据这一实施例，膨胀阀(40)可以是焦耳-汤姆森阀(Joule-Thomson Valve)，其调适成以绝热方式使已穿过汽化器(30)的高压天然气膨胀。当穿过膨胀阀(40)时，高压天然气可通过膨胀冷却。此处，随着在流体通过膨胀阀(40)之前和之后膨胀程度的差异增大，流体的温度的降低更加显著。
根据这一实施例，膨胀阀(40)可配置成以绝热方式使高压天然气膨胀到约17巴的压力。
举例来说，为了将作为燃料气体的LNG供应到奥托循环发动机，确切地说X-DF发动机(ME)，膨胀阀(40)可使已穿过汽化器(30)的高压天然气膨胀到约17巴的压力，且已穿过膨胀阀(40)的天然气可具有约17巴的压力和-102.5℃的温度且在由膨胀冷却时形成气液混合物。
此外，为了将作为燃料气体的LNG供应到奥托循环发动机，确切地说发电发动机(GE)，膨胀阀(40)可使已穿过汽化器(30)的高压天然气膨胀到约7巴的压力，且已穿过膨胀阀(40)的天然气可具有约7巴的压力和-122.5℃的温度。
根据这一实施例，气/液分离器(50)将形成于膨胀阀(40)中的气液混合物分离成气体和液体，其中从混合物中分离的液体组分沿着从气/液分离器(50)的下部部分连接到储存罐(10)的内部的LNG回收管线(RL)返回到储存罐(10)，且从混合物中分离的气体组分作为燃料通过连接到气/液分离器(50)的上部部分的LNG燃料管线(LL)供应到奥托循环发动机(ME)、奥托循环发动机(GE)。
在这一实施例中，气/液分离器(50)用作用于控制供应到发动机(ME、GE)的燃料气体的甲烷值的构件。
在本文中，甲烷值是指抗爆震性的数值，爆震是指在发动机的气缸中活塞的向上冲程期间由于异常提前的自发点火而导致的空气燃料混合物压缩和爆炸的现象。强烈的噪音和冲击伴有爆震现象，从而导致发动机的使用寿命和输出以及发动机输出的劣化。因此，供应到发动机的燃料受控制以具有发动机所需的甲烷值。
燃料的甲烷值随着燃料碳数的减小或氢气/碳比率的增大而增大，并且较高的甲烷值指示较高的抗爆震性。
根据这一实施例，由气/液分离器(50)从气液混合物中分离的作为燃料供应到发动机(ME、GE)的气体组分主要包含由甲烷(CH4)且可包含痕量的较重的碳氢化合物，且由气/液分离器(50)从气液混合物中分离的返回到储存罐(10)的液体组分主要包含较重的碳氢化合物，例如乙烷、丙烷、丁烷以及其类似物。
因此，由于根据这一实施例的气/液分离器(50)使得具有低碳数的甲烷作为燃料主要供应，所以具有高甲烷值的燃料气体可供应到发动机(ME、GE)。
根据这一实施例，操作燃料供应系统，使得供应到气/液分离器(50)的气液混合物、由气/液分离器(50)分离且排放到LNG燃料管线(LL)的气体组分以及由气/液分离器(50)分离且排放到LNG回收管线(RL)的液体组分具有如表1中列出的组分。
示出于表1中的流体的组成基于流体是由燃料供应泵(11)以500千克/小时的流动速率供应的且具有约1.2巴的压力和-163℃的温度的LNG的假设而由HYSYS模拟获得。如表1所示出，由气/液分离器(50)分离且排放的气体组分具有高浓度的甲烷和低分量的重烃，且由气/液分离器(50)分离且排放的液体组分具有高分量的重烃。
表1仅示出主要组分且省略可以痕量包含的正丁烷、异戊烷、氮(N2)、二氧化碳(CO2)以及其类似物的分量。因此，应注意，示出于表1中的组分的分量的总和可能不一定是1.0000。
[表1]
气液混合物(入口) 气体组分(出口) 液体组分(出口)
甲烷 0.8709 0.9943 0.6196
乙烷 0.0854 0.0056 0.2479
丙烷 0.0311 0.0001 0.0944
异丁烷 0.0116 0.0000 0.0351
由于甲烷值由供应到发动机的燃料气体的组分确定且LNG主要由甲烷以及痕量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氮、二氧化碳以及其类似物构成，所以供应到发动机的燃料气体的组分可根据燃料供应系统的特征而改变且因此甲烷值也改变。
根据这一实施例，存储在储存罐(10)的最下部部分的LNG由燃料供应泵(11)输送以汽化且作为燃料供应。因此，由于LNG比通过自发汽化于储存罐(10)中产生的蒸发气体具有更高甲烷值并且具有高摩尔分数的较重碳氢化合物组分，例如乙烷、丙烷以及其类似物，所以根据这一实施例的燃料供应系统可供应更合适的燃料。此外，当通过使用高压泵(20)和汽化器(30)汽化具有液相的天然气将汽化天然气供应到需要中或低压燃料的奥托循环发动机而不是需要相对高压发动机的柴油循环发动机时，根据这一实施例的燃料供应系统可在使用气/液分离器(50)调节天然气的甲烷值之后将天然气供应到发动机。
根据这一实施例，如图2所示，由气/液分离器(50)分离的气体组分可作为燃料供应到发动机(ME、GE)，且安置于气/液分离器(50)的下游的LNG燃料管线(LL)可进一步具备有燃料气体加热器(60)，其将由气/液分离器(50)分离以供应到发动机(ME、GE)的燃料气体加热到发动机(ME、GE)所需的温度。
在这一实施例中，供应到发动机(ME、GE)的燃料气体可由燃料气体加热器(60)加热到约45℃。
此外，尽管根据这一实施例的LNG燃料管线(LL)经示出为在图2中从储存罐(10)延伸到奥托循环发动机，但应理解，LNG燃料管线(LL)可在X-DF发动机(ME)和发电发动机(GE)的上游以及燃料气体加热器(60)的下游分支以连接到发动机中的每一个，并且可供应满足每一发动机的燃料需求的燃料气体。然而，应注意，根据本发明的分支点并不限于此。
在这一实施例中，如图2所示，LNG燃料管线(LL)从储存罐(10)延伸且连接到X-DF发动机(ME)，且燃料气体分支管线(LB)从X-DF发动机(ME)的上游的LNG燃料管线(LL)分支以将LNG供应到发电发动机(GE)。燃料气体分支管线(LB)可进一步具备有减压阀(70)，其减小从LNG燃料管线(LL)引入到燃料气体分支管线(LB)的燃料气体的压力以便满足发电发动机(GE)的燃料需求。
也就是说，在沿着LNG燃料管线(LL)加压、汽化以及膨胀之后，存储于储存罐(10)中的LNG供应到发动机(ME、GE)。此处，LNG燃料管线(LL)从储存罐(10)延伸到奥托循环发动机(ME、GE)以允许LNG燃料仅供应到X-DF发动机(ME)。此外，当燃料气体同时供应到X-DF发动机(ME)和发电发动机(GE)时，可通过控制高压泵(20)、汽化器(30)、膨胀阀(40)来调节供应到X-DF发动机(ME)的燃料气体的压力和温度以满足X-DF发动机(ME)的燃料需求，并且可使用减压阀(70)来调节供应到发电发动机(GE)的燃料气体的压力以满足发电发动机(GE)的燃料需求。
根据这一实施例，通过LNG燃料管线(LL)供应到X-DF发动机(ME)的燃料气体可具有约17巴的压力和约45℃的温度，且在从LNG燃料管线(LL)分支到燃料气体分支管线(LB)且通过减压阀(70)减压之后供应到发电发动机(GE)的燃料气体可具有约6.5巴的压力和约45℃的温度。
另外，当LNG作为燃料沿着LNG燃料管线(LL)供应到发电发动机(GE)时，压缩及汽化的天然气可由膨胀阀(40)膨胀到约7巴。
此外，根据这一实施例，如图2所示，LNG燃料供应管线(LL)可进一步具备有安置于高压泵(20)与汽化器(30)之间的LNG冷却器(31)，以在由高压泵(20)加压的LNG与由气/液分离器(50)分离以沿着LNG回收管线(RL)返回到储存罐(10)的液体组分之间进行热交换。
举例来说，在LNG冷却器(31)中，热交换发生于由高压泵(20)加压到约300巴的压力和约-154℃的温度的LNG与由气/液分离器(50)分离以沿着LNG回收管线(RL)返回到储存罐(10)且具有约-122.5℃的液体组分之间，使得加压的LNG在供应到汽化器(40)之前预加热且液体组分在返回到储存罐(10)之前冷却。在热交换之后从LNG冷却器(31)排放并供应到汽化器(40)的加压的LNG可具有约300巴的压力和-149.3℃的温度，且在热交换之后从LNG冷却器排放且供应到储存罐(10)的液体组分可具有约-140℃到-152℃的温度。
因此，根据这一实施例，由气/液分离器(50)分离以返回到储存罐(10)的液体组分可在返回到储存罐(10)之前冷却到较低温度，由此最小化于储存罐(10)中产生的蒸发气体(Boil-Off Gas；BOG)的量。
根据本发明的一个实施例的燃料供应系统可进一步包含：蒸发气体燃料管线(GL)，通过自发汽化而在储存罐(10)中产生的蒸发气体沿着所述蒸发气体燃料管线(GL)供应到奥托循环发动机(ME、GE)，以及LNG燃料管线(LL)，使用高压泵(20)和汽化器(30)使LNG沿着所述LNG燃料管线(LL)供应到发动机(ME、GE)。
在这一实施例中，蒸发气体燃料管线(GL)可从储存罐(10)延伸到LNG燃料管线(LL)，优选为燃料气体加热器(60)的下游，如图2所示。
蒸发气体燃料管线(GL)可进一步包含从蒸发气体燃料管线(GL)分支且连接到LNG燃料管线(LL)的气/液分离器(50)的蒸发气体分支管线(GB1)。蒸发气体分支管线(GB1)可具备有蒸发气体膨胀阀(41)，其以绝热方式使供应到气/液分离器(50)的流体膨胀。
蒸发气体燃料管线(GL)可具备有压缩从储存罐(10)排放的蒸发气体的多级压缩机(MC)和使由多级压缩机(MC)压缩的蒸发气体冷却的蒸发气体冷却器(32)。
多级压缩机(MC)可包含：多个压缩单元，其调适成经由多个级压缩蒸发气体；多个中间冷却器，所述每一中间冷却器安置于每一压缩单元的下游以使经压缩以具有升高的温度的蒸发气体冷却。
根据这一实施例，多级压缩机(MC)是用于处理于储存罐(10)中产生的蒸发气体的构件，并且当高压泵(20)或汽化器(30)存在故障的问题时可充当用于将蒸发气体直接地供应到发电发动机(GE)或通过气/液分离器(50)的构件。
根据这一实施例的多级压缩机(MC)可以是包含两个压缩单元和两个中间冷却器以通过两个级压缩蒸发气体的两级压缩机或包含一个压缩单元和一个中间冷却器以通过一个级压缩蒸发气体的单级压缩机。
在根据这一实施例的蒸发气体冷却器(32)中，热交换发生于由多级压缩机(MC)压缩的蒸发气体与由在LNG燃料管线(LL)中的高压泵(20)加压的LNG之间，使得由多级压缩机(MC)压缩的蒸发气体通过由高压泵(20)加压的LNG的冷热量冷却。
也就是说，由高压泵(20)加压的LNG在加热之后从而从蒸发气体冷却器(32)排放，且由多级压缩机(MC)压缩的蒸发气体在冷却之后从而从蒸发气体冷却器(32)排放。
优选地，蒸发气体冷却器(32)安置于LNG冷却器(31)的下游。也就是说，由高压泵(20)加压的LNG可在通过与由气/液分离器(50)分离以返回到储存罐(10)的再液化天然气的热交换而由LNG冷却器(31)初次加热、且接着通过与由多级压缩机(MC)压缩的蒸发气体的热交换而由蒸发气体冷却器(32)二级加热之后供应到汽化器(30)。
另外，根据这一实施例的燃料供应系统可进一步包含冷却器旁路管线(GB)，压缩的蒸发气体在绕过蒸发气体冷却器(32)之后沿着所述冷却器旁路管线(GB)传送到蒸发气体冷却器(32)的下游。优选地，通过自发汽化于储存罐(10)中产生的蒸发气体由多级压缩机(MC)压缩并且接着在沿着冷却器旁路管线(GB)绕过蒸发气体冷却器(32)之后供应到燃料气体加热器(60)的下游。此外，在高压泵(20)的操作期间产生的蒸发气体可由多级压缩机(MC)压缩、由蒸发气体冷却器(32)冷却、由蒸发气体膨胀阀(41)膨胀且接着沿着蒸发气体分支管线(GB1)供应到气/液分离器(50)。
蒸发气体膨胀阀(41)可使蒸发气体膨胀到与LNG燃料管线(LL)的膨胀阀(40)相同的压力。此外，由蒸发气体冷却器(32)冷却的蒸发气体可冷却到沿着LNG燃料管线(LL)供应到气/液分离器(50)的LNG的温度，也就是说，在这一实施例中冷却到约-50℃。
也就是说，沿着蒸发气体分支管线(GB1)供应到气/液分离器(50)的蒸发气体和沿着LNG燃料管线(LL)供应到气/液分离器(50)的LNG具有相同的压力和相同的温度以防止气/液分离的性能劣化。
此外，尽管附图中未示出，但根据这一实施例的燃料供应系统可具备有气体燃烧单元(GCU)作为用于处理于储存罐(10)中产生的蒸发气体的构件，而不是蒸发气体燃料管线(GL)。也就是说，于储存罐(10)中产生的蒸发气体可燃尽而不是用作用于奥托循环发动机的燃料。
如上文所描述，根据本发明的LNG燃料船的燃料供应系统和方法涉及用于将燃料气体供应到LFS的发动机的系统和方法，所述LFS确切地说为应用例如低压2冲程双燃料主发动机(2SDFME)和双燃料柴油发电机(DFDG)发动机的奥托循环发动机的船舶。根据本发明，燃料供应系统可使用以下来供应燃料同时满足用于低压奥托循环发动机的燃料气体情况：调适成将呈液相的LNG加压到高压的高压泵(20)、调适成汽化加压的LNG的汽化器(30)、调适成以绝热方式使汽化的天然气膨胀的膨胀阀(40)以及调适成将由膨胀形成的气液混合物分离成气体和液体的气/液分离器(50)。另外，相比于使用蒸发气体压缩机的常规系统，根据本发明的燃料供应系统和方法采用高压泵，从而实现缩减操作成本，确切地说能源成本、安装面积以及设备成本。
此外，当将燃料供应到低压奥托循环发动机时，根据本发明的燃料供应系统和方法可使用高压泵(20)和汽化器(30)控制燃料的甲烷值并且允许汽化天然气中的一些通过再液化来再供应到储存罐(10)，由此最小化通过自发汽化于储存罐(10)中产生的蒸发气体的量。
此外，尽管施加至船舶发动机的负荷在航行期间常常改变，但根据本发明的燃料供应系统和方法可通过理由控制器(未示出)控制高压泵(20)的流量和构成系统的器件中的每一个的温度和压力来供应燃料气体同时对应于发动机负荷变化而满足燃料气体的流量、温度以及压力的需求。
尽管本文中已描述一些实施例，但应理解，这些实施例仅出于说明目的提供且并不以任何方式解释为限制本发明，且本领域的技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改、改变、更改以及等效实施例。

Claims (17)

1.一种液化天然气燃料船的燃料供应系统，包括：
奥托循环发动机，由液化天然气供应燃料且采用奥托循环；
高压泵，加压从储存罐排放的液化天然气；
汽化器，汽化由所述高压泵加压的所述液化天然气；
膨胀阀，使由所述汽化器汽化的天然气膨胀；以及
气/液分离器，将由所述膨胀阀形成的气液混合物分离成气体和液体，
其中由所述气/液分离器分离的所述液体返回到所述储存罐，且由所述气/液分离器分离的所述气体作为用于所述奥托循环发动机的燃料供应，从而调节供应到所述奥托循环发动机的天然气燃料的甲烷值。
2.根据权利要求1所述的液化天然气燃料船的燃料供应系统，进一步包括：
液化天然气冷却器，在由所述高压泵加压以供应到所述汽化器的所述液化天然气与由所述气/液分离器分离以返回到所述储存罐的所述液体之间进行热交换，
其中待供应到所述汽化器的加压的所述液化天然气经加热，且待返回到所述储存罐的所述液体在所述液化天然气冷却器中冷却。
3.根据权利要求1所述的液化天然气燃料船的燃料供应系统，进一步包括：
燃料气体加热器，加热由所述气/液分离器分离以作为燃料供应到所述奥托循环发动机的所述天然气燃料，
其中已穿过所述膨胀阀和所述燃料气体加热器的所述天然气燃料具有所述奥托循环发动机所需的温度。
4.根据权利要求3所述的液化天然气燃料船的燃料供应系统，其中所述奥托循环发动机包括：
X-DF发动机，提供为二冲程发动机以用于推进船舶；以及
双燃料柴油发电机，提供为四冲程发动机以用于产生所述船舶的辅助动力，
其中已穿过所述燃料气体加热器的所述天然气燃料经调节以具有所述X-DF发动机所需的温度和压力。
5.根据权利要求4所述的液化天然气燃料船的燃料供应系统，进一步包括：
减压阀，减压供应到所述双燃料柴油发电机的所述天然气燃料，
其中已穿过所述燃料气体加热器和所述减压阀的所述天然气燃料经调节以具有所述双燃料柴油发电机所需的压力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的液化天然气燃料船的燃料供应系统，进一步包括：
液化天然气燃料管线，提供所述液化天然气经由所述高压泵和所述汽化器从所述储存罐供应到所述发动机所通过的路径；以及
蒸发气体燃料管线，提供于所述储存罐中产生的蒸发气体作为用于所述发动机的燃料供应所通过的路径，
其中所述蒸发气体燃料管线包括压缩所述蒸发气体的压缩单元和冷却由所述压缩单元通过压缩而加热的所述蒸发气体的中间冷却器。
7.根据权利要求6所述的液化天然气燃料船的燃料供应系统，进一步包括：
蒸发气体冷却器，在经压缩及冷却的所述蒸发气体与待供应到所述汽化器的经加压的所述液化天然气之间进行热交换，
其中待供应到所述汽化器的经加压的所述液化天然气被加热，且所述蒸发气体在所述蒸发气体冷却器中冷却。
8.根据权利要求7所述的液化天然气燃料船的燃料供应系统，进一步包括：
蒸发气体膨胀阀，使由所述蒸发气体冷却器冷却的所述蒸发气体膨胀到与供应到所述气/液分离器的所述气液混合物相同的压力。
9.根据权利要求6所述的液化天然气燃料船的燃料供应系统，进一步包括：
控制器，根据所述奥托循环发动机的负荷变化控制供应到所述高压泵、所述汽化器、所述膨胀阀以及所述气/液分离器的流体的温度、压力以及流量或控制从所述高压泵、所述汽化器、所述膨胀阀以及所述气/液分离器排放的流体的温度、压力以及流量。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的液化天然气燃料船的燃料供应系统，进一步包括：
气体燃烧单元，处理于所述储存罐中产生的蒸发气体。
11.一种液化天然气燃料船的燃料供应方法，包括：
1)使用高压泵对从储存罐排放的液化天然气加压；
2)使用汽化器将加压的所述液化天然气汽化成天然气；
3)使汽化的所述天然气膨胀；
4)膨胀形成的气液混合物分离成气体和液体；以及
5)气液分离的所述液体再供应到所述储存罐，且气液分离的所述气体作为燃料供应到奥托循环发动机，
由此存储于所述储存罐中的所述液化天然气作为满足用于所述奥托循环发动机的温度、压力以及甲烷值的需求的燃料而供应。
12.根据权利要求11所述的液化天然气燃料船的燃料供应方法，进一步包括：
(1-1)在于步骤2)中汽化经加压的所述液化天然气之前，在步骤5)中待再供应到所述储存罐的所述液体与经加压的所述液化天然气热交换，
其中经加压的所述液化天然气在由待再供应到所述储存罐的所述液体加热之后汽化，且待返回到所述储存罐的所述液体在由经加压的所述液化天然气冷却之后供应到所述储存罐。
13.根据权利要求12所述的液化天然气燃料船的燃料供应方法，进一步包括：
5-1)加热经分离以在步骤5)中供应到所述发动机的所述气体燃料，
其中已经过步骤5-1)的流体具有所述奥托循环发动机所需的压力、温度以及甲烷值。
14.根据权利要求13所述的液化天然气燃料船的燃料供应方法，进一步包括：
5-2)减压加热的所述气体燃料，
其中已经通过步骤5-2)的流体具有所述奥托循环发动机所需的压力、温度以及甲烷值。
15.根据权利要求11所述的液化天然气燃料船的燃料供应方法，进一步包括：
蒸发气体从所述储存罐排放且由压缩机压缩；以及
压缩的所述蒸发气体作为燃料供应到所述奥托循环发动机，
其中所述压缩的蒸发气体具有所述奥托循环发动机所需的压力和温度。
16.根据权利要求15所述的液化天然气燃料船的燃料供应方法，进一步包括：
使经压缩的所述蒸发气体膨胀，
其中在步骤4)中经膨胀的所述蒸发气体传送到所述气液分离步骤以作为用于所述奥托循环发动机的燃料供应。
17.根据权利要求15或16所述的液化天然气燃料船的燃料供应方法，进一步包括：
经压缩的所述蒸发气体通过在步骤2)中待供应到所述汽化器的经加压的所述液化天然气与经压缩的所述蒸发气体之间的热交换而冷却，
其中经压缩及冷却的所述蒸发气体作为燃料供应到所述奥托循环发动机。
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