CN110446656B - 用于船舶的蒸发气体再液化系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于船舶的蒸发气体再液化系统和方法。用于船舶的蒸发气体再液化系统包括：第二压缩机，用于压缩蒸发气体中的一些；热交换器，用于通过使由第二压缩机压缩的蒸发气体经历与未传送到第二压缩机的作为制冷剂的剩余蒸发气体的热交换，以冷却由第二压缩机压缩的蒸发气体；第一压缩机，用于压缩用作热交换器中的制冷剂的蒸发气体；以及减压装置，用于使通过热交换器冷却的流体膨胀。

Description

用于船舶的蒸发气体再液化系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于使用作为制冷剂的蒸发气体来再液化产生于储罐中的蒸发气体的系统和方法。
背景技术
近年来，对例如液化天然气(Liquefied Natural Gas；LNG)的液化气的消耗在世界范围内快速增加。通过在低温温度下液化气体获得的液化气体的体积比气体小得多，且有利于提高存储和运输效率。另外，可认为例如LNG的液化气是在燃烧期间排放更少的空气污染物的对生态环境友好的燃料，因为在液化过程期间去除或减少了空气污染物。
液化天然气为通过将含有甲烷(methane)作为主要成分的天然气冷却到约-162℃来获得的无色且透明的液体，且体积为天然气的体积的约1/600。因此，天然气的液化允许天然气的高效传输。
然而，由于天然气在大气压力下在162℃的低温温度下液化，所以液化天然气对温度变化敏感且容易蒸发。尽管用于液化天然气的储罐是隔热的，但阻挡外部热量持续传递到储罐是有限度的。因此，在传输期间液化天然气在储罐中持续自然蒸发，导致蒸发气体(Boil-Off Gas；BOG)产生。其它低温液化气体也是这样，例如乙烷。
蒸发气体是一种损失且对传输效率极其重要。另外，如果蒸发气体在储罐中累积，那么罐的内部压力可能过度增大，在最坏的情况下对罐造成损害。因此，已研究用于处理产生于储罐中的蒸发气体的各种方法。近来，为了处理蒸发气体，已经提出使蒸发气体再液化并回到储罐的方法、将蒸发气体用作例如船舶的发动机的燃料消耗器的能量源的方法，以及类似方法。
用于再液化蒸发气体的方法的实例包含提供使用单独制冷剂的制冷循环以通过与制冷剂的热交换来再液化蒸发气体的过程，以及将蒸发气体自身用作制冷剂而不使用任何单独制冷剂的方法。特定来说，采用后者的系统称为部分再液化系统(Partial Re-liquefaction System；PRS)。
另一方面，在通常用于船舶的发动机当中，通过天然气供应燃料的发动机包含例如供应气体燃料的发动机，例如双燃料柴油发动机(Dual Fuel Diesel Engines,DFDE)、X-DF发动机以及ME-GI发动机。
DFDE由四个冲程构成且以奥托循环(Otto Cycle)运行，其中在约6.5巴的相对较低压力下的天然气通过燃烧空气入口注入且由向上移动的活塞来压缩。
X-DF发动机由两个冲程构成、通过约16巴下的天然气供应燃料且以奥托循环运行。
ME-GI发动机由两个冲程构成且以狄塞尔循环(Diesel Cycle)运行，其中在300巴下的高压天然气直接注入至活塞的上止点附近的燃烧室中。
发明内容
技术问题
图1为用于船舶的典型蒸发气体再液化系统的示意图。
参看图1，用于船舶的典型蒸发气体再液化系统包含热交换器100、第一压缩机210、第二压缩机220、减压器300以及气-液分离器400。
热交换器100通过与作为制冷剂的从储罐T排出的蒸发气体进行热交换来冷却由第一压缩机210和第二压缩机220压缩的蒸发气体。
第一压缩机210压缩从储罐T排出且已用作热交换器100中的制冷剂的蒸发气体，且将压缩的蒸发气体传送到气体消耗器C。气体消耗器C可为由在相对低的压力下的天然气提供燃料的X-DF发动机或DF发动机，或者可为气体燃烧单元(Gas Combustion Unit；GCU)。当气体消耗器C为X-DF发动机或DF发动机时，第一压缩机210将蒸发气体压缩到气体消耗器C所需的压力。
第二压缩机220压缩由第一压缩机210压缩的蒸发气体当中的超过气体消耗器C所需量的多余蒸发气体。在典型蒸发气体再液化系统中，第二压缩机220为在三个级中压缩蒸发气体的多级压缩机。由第二压缩机220压缩的蒸发气体传送到热交换器100，且通过与作为制冷剂的从储罐T排出的蒸发气体进行热交换来冷却。
减压器300使由第二压缩机220压缩且已通过热交换器100冷却的流体膨胀。已经历由第一压缩机210和第二压缩机220压缩、通过热交换器100冷却以及通过减压器300膨胀的蒸发气体部分或全部再液化。
气-液分离器400安置于减压器300的下游以使再液化的液化天然气与气态蒸发气体彼此分离。气态蒸发气体可包含通过经由减压器300膨胀来产生的闪蒸气体和保持气态状态而没有再液化的蒸发气体。
通过气-液分离器400分离的液化天然气回到储罐T，且通过气-液分离器400分离的气态蒸发气体汇合将用作热交换器100中的制冷剂的从储罐T排出的蒸发气体。
在典型蒸发气体再液化系统中，在由第一压缩机210压缩的蒸发气体当中，经再液化而非传送到气体消耗器C的蒸发气体由压缩机220进一步压缩，随后传送到热交换器100。使用第二压缩机220进一步压缩蒸发气体的原因是为了补充压力不足，即，将由相对低的压力下的天然气供应燃料的X-DF发动机或DF发动机所需的水平下的蒸发气体的压力增大到再液化效率所需的水平。
第一压缩机210将蒸发气体压缩至气体消耗器C所需的压力，例如，对于X-DF发动机约为16巴，或对于DF发动机约为6.5巴。当流体处于超临界状态(就天然气而言，约47巴)时，热交换器100的热交换效率比流体未处于超临界状态时高得多。具体来说，当流体在150巴到400巴(更具体地说150巴到300巴)的压力下时达到最高热交换效率。
当气体消耗器C为需要约300巴压力下的天然气的ME-GI发动机时，可通过使用第一压缩机210将蒸发气体压缩到约300巴而无需使用第二压缩机220进一步压缩蒸发气体来确保足够的再液化效率。然而，当气体消耗器C为X-DF发动机或DF发动机时，由于发动机所需的压力水平低于再液化效率所需的压力水平，所以第二压缩机220补充压力不足以确保再液化效率。在典型蒸发气体再液化系统中，第二压缩机220将蒸发气体压缩到约150巴。
然而，在典型蒸发气体再液化系统中，由于使用油润滑式压缩机作为第一压缩机210，在通过第一压缩机210压缩时油与蒸发气体部分地混合，且接着流入热交换器100中，导致热交换器100堵塞或热交换效率降低。此外，由于与油混合的蒸发气体在经历再液化之后回到储罐，所以存储在储罐中的液化天然气的纯度降低。
如果将无油润滑式压缩机用作第一压缩机210，那么第一压缩机的维修间隔从2.5年(即，当将油润滑式压缩机用作第一压缩机时第一压缩机的维修间隔)缩短到一年，导致保养成本增加。由于具有这种蒸发气体再液化系统的船舶通常以2.5年的间隔停靠码头维修，所以几乎不可能使用每年都需要维修的无油润滑式压缩机作为第一压缩机。
已经设想本发明的实施例来解决现有技术中的这种问题，且本发明的一个方面是提供一种用于船舶的蒸发气体再液化系统，其配置成防止热交换器的流动路径被油堵塞。
技术解决方案
根据本发明的一个方面，一种用于船舶的蒸发气体再液化系统包含：第二压缩机，压缩蒸发气体的某一部分；热交换器，通过与未传送到第二压缩机的作为制冷剂的蒸发气体的其它部分进行热交换来冷却由第二压缩机压缩的蒸发气体；第一压缩机，压缩热交换器中的用作制冷剂的蒸发气体；以及减压器，使通过热交换器冷却的流体膨胀。
蒸发气体再液化系统可进一步包含气-液分离器，所述气-液分离器安置于减压器的下游以使再液化的液化天然气与气态蒸发气体彼此分离。
通过气-液分离器分离的气态蒸发气体可在汇合将传送到热交换器的蒸发气体之后用作热交换器中的制冷剂。
第一压缩机可为油润滑式压缩机。
第二压缩机可为无油润滑式压缩机。
第二压缩机可为在四个级中压缩蒸发气体的多级压缩机。
第二压缩机可将蒸发气体压缩到150巴的压力。
由第一压缩机压缩的蒸发气体可传送到气体消耗器，且第一压缩机可将蒸发气体压缩到气体消耗器所需的压力。
气体消耗器可包含选自ME-GI发动机、X-DF发动机、DF发动机以及气体燃烧单元中的至少一种。
根据本发明的另一方面，一种用于船舶的蒸发气体再液化方法包含:1)通过第二压缩机压缩蒸发气体的某一部分；2)通过与未传送到第二压缩机的于与油混合的蒸发气体在经历再液化之后回到储罐，所以存储在储罐中的液化天然气的纯度降低。
如果将无油润滑式压缩机用作第一压缩机210，那么第一压缩机的维修间隔从2.5年(即，当将油润滑式压缩机用作第一压缩机时第一压缩机的维修间隔)缩短到一年，导致保养成本增加。由于具有这种蒸发气体再液化系统的船舶通常以2.5年的间隔停靠码头维修，所以几乎不可能使用每年都需要维修的无油润滑式压缩机作为第一压缩机。
已经设想本发明的实施例来解决现有技术中的这种问题，且本发明的一个方面是提供一种用于船舶的蒸发气体再液化系统，其配置成防止热交换器的流动路径被油堵塞。
技术解决方案
根据本发明的一个方面，一种用于船舶的蒸发气体再液化系统包含：第二压缩机，压缩蒸发气体的某一部分；热交换器，通过与未传送到第二压缩机的作为制冷剂的蒸发气体的其它部分进行热交换来冷却由第二压缩机压缩的蒸发气体；第一压缩机，压缩热交换器中的用作制冷剂的蒸发气体；以及减压器，使通过热交换器冷却的流体膨胀。
蒸发气体再液化系统可进一步包含气-液分离器，所述气-液分离器安置于减压器的下游以使再液化的液化天然气与气态蒸发气体彼此分离。
通过气-液分离器分离的气态蒸发气体可在汇合将传送到热交换器的蒸发气体之后用作热交换器中的制冷剂。
第一压缩机可为油润滑式压缩机。
第二压缩机可为无油润滑式压缩机。
第二压缩机可为在四个级中压缩蒸发气体的多级压缩机。
第二压缩机可将蒸发气体压缩到150巴的压力。
由第一压缩机压缩的蒸发气体可传送到气体消耗器，且第一压缩机可将蒸发气体压缩到气体消耗器所需的压力。
气体消耗器可包含选自ME-GI发动机、X-DF发动机、DF发动机以及气体燃烧单元中的至少一种。
根据本发明的另一方面，一种用于船舶的蒸发气体再液化方法包含:1)通过第二压缩机压缩蒸发气体的某一部分；2)通过与未传送到第二压缩机的作为制冷剂的蒸发气体的其它部分进行热交换来冷却在步骤1)中压缩的蒸发气体；3)通过第一压缩机将在步骤2)中用作用于热交换的制冷剂的蒸发气体压缩到气体消耗器所需的压力，且通过第一压缩机将压缩的蒸发气体传送到气体消耗器；以及4)使在步骤2)中冷却的流体膨胀，其中第一压缩机为油润滑式压缩机且第二压缩机为无油润滑式压缩机。
有利影响
根据本发明，有可能通过采用油润滑式压缩机作为第一压缩机来确保维修效率并降低保养成本。另外，有可能通过采用无油润滑式压缩机作为第二压缩机来防止热交换器被油堵塞或热交换效率降低。
此外，根据本发明，有可能防止与油混合的蒸发气体再液化并回到储罐，并确保与相关技术中相同水平的热交换效率和再液化效率。
附图说明
图1为用于船舶的典型蒸发气体再液化系统的示意图。
图2为根据本发明的示范性实施例的用于船舶的蒸发气体再液化系统的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。根据本发明的用于船舶的蒸发气体再液化系统可用于各种应用中，例如配备有由天然气供应燃料的发动机的船舶、包含液化气储罐的船舶以及类似物。应理解，本发明可以不同方式体现且不限于以下实施例。
根据本发明的用于处理蒸发气体的系统可应用于具有能够存储低温液体货物或液化气体的储罐的所有类型的船只和海上结构，包含诸如LNG运输船、液化乙烷气体(Liquefied Ethane Gas)运输船以及LNG RV的船舶，以及例如LNG FPSO和LNG FSRU的海上结构。然而，在以下实施例中，为描述方便起见，将使用液化天然气(代表性低温液体货物)作为实例来描述本发明。
此外，根据本发明的每一行中的流体可为液相、气/液混合相、气相以及超临界流体相中的任何一种。
图2为根据本发明的示范性实施例的用于船舶的蒸发气体再液化系统的示意图。
参看图2，根据这一实施例的用于船舶的蒸发气体再液化系统包含热交换器100、第一压缩机210、第二压缩机220以及减压器300。
尽管用密封且隔热的屏障来存储低温状态下的液化气体，例如液化天然气，但根据这一实施例的船舶中的储罐T不能完全阻挡来自外部的热量。因此，液化气体在储罐T中持续蒸发。由于储罐T的内部压力随着液化气体在储罐中继续蒸发而增大，所以蒸发气体从储罐T中排出以防止因蒸发气体引起的储罐内部压力过度增大，并保持适当的内部压力水平。
从储罐T排出的蒸发气体的某一部分传送到第二压缩机220，且剩余部分传送到热交换器100。
在这一实施例中，热交换器100通过与作为制冷剂的从储罐T排出的蒸发气体进行热交换来冷却由第二压缩机220压缩的蒸发气体。
在这一实施例中，第一压缩机210为油润滑式压缩机，且用于压缩从储罐T排出且已用作热交换器100中的制冷剂的蒸发气体，且将压缩的蒸发气体传送到气体消耗器C。这里，气体消耗器C可为选自ME-GI发动机、X-DF发动机、DF发动机以及气体燃烧单元中的至少一种。第一压缩机210可将蒸发气体压缩到气体消耗器C所需的压力。
在这一实施例中，第二压缩机220压缩从储罐T排出的蒸发气体的某一部分且将压缩的蒸发气体传送到热交换器100。设置第二压缩机220以提高热交换器100的热交换效率且从而提高再液化效率，且可将蒸发气体压缩到约150巴。此外，第二压缩机220为无油润滑式压缩机且可为在四个级中压缩蒸发气体的多级压缩机。
在这一实施例中，减压器300使由第二压缩机220压缩且已通过热交换器100冷却的流体膨胀。减压器300可为多个且平行布置。此外，隔离阀(Isolation Valve)可安置在减压器300的上游和下游，以在减压器300出现故障或需要保养时隔离减压器300。
已经历由第二压缩机220压缩、通过热交换器100冷却以及通过减压器300膨胀的蒸发气体部分或全部再液化。

Claims (9)

1.一种用于船舶的蒸发气体再液化系统，包括：
第二压缩机，压缩待再液化的蒸发气体；
第一压缩机，将待供应至气体消耗器的所述蒸发气体压缩至所述气体消耗器所需的压力；
热交换器，通过与待供应至所述第一压缩机的所述蒸发气体进行热交换来冷却由所述第二压缩机压缩的所述蒸发气体，其中待供应至所述第一压缩机的所述蒸发气体提供于所述第一压缩机的上游以作为制冷剂；以及
减压器，使通过所述热交换器冷却的流体膨胀，
其中从储罐排出的所述蒸发气体被分成两股，包括待再液化的蒸发气体流与在所述第二压缩机和所述热交换器上游的待提供至所述气体消耗器的蒸发气体流，
待再液化的所述蒸发气体流流入所述第二压缩机，待提供至所述气体消耗器的所述蒸发气体流流入所述热交换器，且
待再液化的所述蒸发气体经所述第二压缩机、所述热交换器和所述减压器再液化，并以再液化状态回收至所述储罐。
2.根据权利要求1所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，进一步包括：
气-液分离器，安置于所述减压器的下游以使再液化的液化天然气与气态蒸发气体彼此分离。
3.根据权利要求2所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中通过所述气-液分离器分离的所述气态蒸发气体在汇合将传送到所述热交换器的所述蒸发气体之后用作所述热交换器中的所述制冷剂。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中所述第一压缩机为油润滑式压缩机。
5.根据权利要求1至３中任一项所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中所述第二压缩机为无油润滑式压缩机。
6.根据权利要求1至３中任一项所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中所述第二压缩机为在四个级中压缩所述蒸发气体的多级压缩机。
7.根据权利要求1至３中任一项所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中所述第二压缩机将所述蒸发气体压缩到150巴的压力。
8.根据权利要求1所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中所述气体消耗器包括选自ME-GI发动机、X-DF发动机以及DF发动机中的至少一种。
9.一种用于船舶的蒸发气体再液化方法，包括：
1）将从储罐中排出的所述蒸发气体分成两股，包括待再液化的蒸发气体流和待供应至气体消耗器的蒸发气体流；
2）通过第二压缩机压缩所述待再液化的蒸发气体流，
3）通过与作为制冷剂的且在压缩前待供应至所述气体消耗器的所述蒸发气体流进行热交换来冷却在步骤2）中压缩的所述蒸发气体；
4）通过第一压缩机将在步骤3）中用作用于热交换的所述制冷剂的所述蒸发气体压缩到所述气体消耗器所需的压力，且通过所述第一压缩机将压缩的所述蒸发气体传送到所述气体消耗器；以及
5）使在步骤4）中冷却的流体膨胀，
其中所述第一压缩机为油润滑式压缩机且所述第二压缩机为无油润滑式压缩机，且
待再液化的所述蒸发气体经步骤2)、步骤3)和步骤5)再液化，并以再液化状态回收至所述储罐。
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