CN111853536B - 液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置，包括LNG储罐、LNG气化器、加热器和吸附罐，所述LNG储罐通过所述LNG气化器、加热器连接至船舶动力系统，所述吸附罐包括内置的吸附材料和调节模块，所述调节模块设置为按照不同压力调节模式实现对所述吸附罐的温度调节，所述吸附罐与所述LNG储罐和所述LNG气化器出口相连接，用于吸附或脱附闪蒸气，从而实现所述LNG储罐自增压及闪蒸气回收。本发明能够将LNG储罐内产生的BOG回收，并且将回收的BOG用于LNG储罐的增压和稳压调节，从而提升LNG动力船舶经济性和运行稳定性。

Description

液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置

技术领域

本发明涉及液化天然气低温储存技术领域，尤其涉及一种液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置。

背景技术

天然气(Natural Gas,NG)作为一种优质的洁净燃料，能够有效提升船舶经济性和清洁性，在船舶运输行业具有广阔应用前景。液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)动力船舶是以天然气作为燃料发展起来的新兴船舶，与传统的燃油作为燃料的船舶相比，LNG动力船舶在燃料供给系统上具有两个方面的特点：1)LNG储存温度低(在-160℃左右)、与外界环境温差大，不可避免会有环境热量漏入液罐，使LNG受热蒸发产生闪蒸气(Boil OffGas,BOG)；2)由于低温泵价格昂贵，并且增加功耗及安装维修难度，LNG供给系统多采用自增压方式提高储罐压力，实现向外供液。

由于LNG燃料供给系统的独特性，需要针对LNG低温储存产生的BOG以及船舶航行过程中的自增压供液提出有效解决方案。目前多采用的技术方案是，将储罐内产生的BOG作为燃料供给船舶发动机消耗掉；而当储罐压力不够时，又需要将LNG气化后返回储罐来增加罐内压力。但这种技术方案仍然存在以下两个方面的不足：

1)从节能减排的角度，不断将LNG气化来实现储罐自增压会造成优质LNG燃料和冷能的浪费，并且在船舶停泊及LNG充注过程中产生的BOG无法通过船舶发动机消耗，直接排放会造成能源浪费和环境问题；

2)从压力控制的角度，LNG气化自增压后会由于气液相平衡作用使气体迅速冷凝，罐内压力降低，而船舶航行过程中的晃荡会加剧压降，容易导致发动机因供气不足而急停；并且随着储罐内液位降低，自增压供给的气量不断减少，使LNG储罐内压力增加缓慢、发动机供气量降低，与船舶航行速率难以协同。

因此，本领域的技术人员致力于改进LNG供液技术方案。通过开发一种液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置，可将回收的BOG用于LNG储罐的自增压，能够有效解决上述不足，从而实现LNG动力船舶经济性和运行稳定性的提升。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何将储罐内产生的BOG进行回收，并用于LNG储罐的自增压和稳压调节，从而提升LNG动力船舶经济性和运行稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置，包括LNG储罐、LNG气化器、加热器和吸附罐，所述LNG储罐通过所述LNG气化器、加热器连接至船舶动力系统，所述吸附罐包括内置的吸附材料和调节模块，所述调节模块设置为按照不同压力调节模式实现对所述吸附罐的温度调节，所述吸附罐与所述LNG储罐和所述LNG气化器出口相连接，用于吸附或脱附闪蒸气，从而实现所述LNG储罐自增压及闪蒸气回收。

进一步地，所述吸附材料为成型活性炭纤维。

进一步地，所述调节模块包括进出口管、集液管、流体管、传热翅片和阻隔板，所述进出口管和集液管相连接，所述集液管包括底部集液管和顶部集液管，所述底部集液管和顶部集液管之间通过所述流体管连接，所述流体管沿所述吸附罐高度方向布置，穿过所述吸附材料和传热翅片，所述阻隔板设置在所述集液管内，以形成不同的流体路径。

进一步地，所述底部集液管通过内设的两个对称的所述阻隔板被分隔成底部集液管第一部分和底部集液管第二部分，所述顶部集液管通过内设的两个对称的所述阻隔板被分隔成顶部集液管第一部分和顶部集液管第二部分，顶部的所述阻隔板和底部的所述阻隔板为交错布置。

进一步地，所述流体管包括第一流体管、第二流体管、第三流体管、第四流体管，沿周向均匀布置，所述第一流体管连接在所述底部集液管第一部分和所述顶部集液管第二部分之间，所述第二流体管连接在所述底部集液管第一部分和所述顶部集液管第一部分之间，所述第三流体管连接在所述底部集液管第二部分和所述顶部集液管第一部分之间，所述第四流体管连接在所述底部集液管第二部分和所述顶部集液管第二部分之间。

进一步地，所述进出口管包括进口管、出口管、再循环管、回气管、连通管，所述进口管连接在所述底部集液管第一部分上，所述出口管连接在所述底部集液管第二部分上，所述再循环管连接在所述顶部集液管第一部分上，所述回气管连接在所述顶部集液管第二部分上，所述连通管固定设置在所述吸附罐顶部中心处。

进一步地，还包括进口阀、出口阀、再循环阀、回气阀和连通阀，所述进口阀连接在所述LNG储罐液体区域和所述进口管之间，所述出口阀连接所述出口管和所述LNG气化器出口之间，所述再循环阀连接在所述LNG气化器出口和所述再循环管之间，所述回气阀连接在所述回气管和所述LNG储罐气体区域之间，所述连通阀连接在所述连通管和所述LNG储罐气体区域之间。

进一步地，所述进口阀、出口阀、再循环阀、回气阀和连通阀中的一个或多个为调节型阀门。

进一步地，所述吸附材料堆叠在所述吸附罐内，与所述连通管相应位置开设有中心孔，沿周向与所述流体管相应位置开设有通孔，用于穿过所述流体管。

进一步地，所述传热翅片数量为多个，沿所述吸附罐高度方向等间距布置，位于堆叠的所述吸附材料的间隙处，与所述吸附材料的中心孔和通孔的相应位置开设有中心孔和通孔。

本发明的有益效果在于：

1)能够将LNG储罐内产生的BOG回收，避免BOG排放到环境中造成能源浪费和温室效应，并且将回收的BOG用于LNG储罐的增压，保证船舶航行过程的供气稳定；

2)能够提升LNG储罐的自增压效率，通过将气化后的NG引入吸附罐后回到LNG储罐使储罐增压，同时还能使已吸附的BOG脱附进入LNG储罐，从而提升自增压效率；

3)提升LNG储罐稳压能力，通过吸附罐和LNG储罐压力连通，在LNG储罐发生翻滚、压力骤降等压力剧烈波动情形时，吸附罐可视作一个压力缓冲装置，通过吸附/脱附来抑制LNG储罐内的压力剧烈变化。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的LNG储罐吸附式自增压及BOG回收一体化装置的结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的带有内置调节模块的吸附罐的结构示意图。

其中，1-LNG储罐，2-LNG气化器，3-加热器，4-吸附罐，5-吸附材料，601-进口阀，602-出口阀，603-再循环阀，604-回气阀，605-连通阀，701-进口管，702-出口管，703-再循环管，704-回气管，705-连通管，801-底部集液管第一部分，802-底部集液管第二部分，803-顶部集液管第一部分，804-顶部集液管第二部分，901-第一流体管，902-第二流体管，903-第三流体管，904-第四流体管，10-传热翅片，11-阻隔板，12-船舶动力系统。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本发明提供了一种船舶用LNG储罐吸附式自增压及BOG回收一体化装置，装置由LNG储罐1、LNG气化器2、加热器3、吸附罐4、吸附材料5和吸附罐4外部连接阀门等组成。吸附罐4外部连接阀门由进口阀601、出口阀602、再循环阀603、回气阀604和连通阀605组成。吸附罐4和LNG储罐1之间压力连通，在LNG储罐1由于外部漏热产生BOG时，随着LNG储罐1压力的升高，一部分BOG进入吸附罐4被罐内填充的吸附材料5吸附，从而达到回收BOG的目的。当LNG储罐1压力不足时，吸附罐4内的BOG脱附一部分气体进入LNG储罐1，阻止LNG储罐1压力进一步降低，从而实现对BOG的回收和LNG储罐1的自增压。

如图2所示，吸附罐4内设置有调节模块，用于克服天然气吸附/脱附过程产生的热效应，并提升LNG储罐压力调节效率。该调节模块包括吸附罐4顶部和底部的进出口管、集液管、沿吸附罐4高度方向布置的流体管、多个传热翅片10以及集液管内布置的若干个阻隔板11，从而将天然气吸附/脱附产生的热量/冷量通过管内流体吸收。吸附罐进出口管外均设置有一个调节阀，通过温度调节来实现不同情形下的LNG储罐压力调节。进出口管包括进口管701、出口管702、再循环管703、回气管704和连通管705。LNG储罐1的气体区域通过连通阀605和连通管705与吸附罐4相连。集液管包括底部集液管和顶部集液管，底部集液管内通过两个对称的阻隔板11分隔成底部集液管第一部分801、底部集液管第二部分802，相应地顶部集液管通过两个对称的阻隔板11分隔成顶部集液管第一部分803和顶部集液管第二部分804，同时顶部的阻隔板位置与底部的阻隔板形成90°的交错布置，从而实现吸附罐4不同温度调节模式下进入罐内流体的流向控制，使得进入罐内的流体能够流经罐体所有部位，以实现充分的热交换。流体管沿吸附罐周向布置4根，即第一流体管901、第二流体管902、第三流体管903和第四流体管904。传热翅片10采用圆鳍片形式，沿周向方向开若干个圆孔插在流体管上，并沿吸附罐4高度方向等间距布置，以提升流体和吸附材料之间的热交换效率。

吸附罐4内的吸附材料5采用具有高吸附性能的成型活性炭纤维，制作为圆柱形堆叠在吸附罐4内。该圆柱形活性炭纤维中心处开设圆孔，使进入吸附罐4的BOG气体能够均匀地被不同高度位置处的吸附材料5吸收。该圆柱形活性炭纤维沿周向也开设圆孔，用于插入流体管。该圆鳍形传热翅片5位于堆叠的吸附材料5间隙处。

通过与流体管道连通的外部连接阀门的开闭控制吸附罐4内的流体流向，实现不同模式下的温度调节。通过与吸附罐4外部连接阀门的开闭，实现船舶停泊状态下的BOG回收和自增压功能的切换。

为满足LNG动力船舶航行和停泊状态下的BOG回收和自增压需求，该装置能够实现的吸附罐对LNG储罐的压力调节，其压力调节模式一共有以下4种：

1)第一种压力调节模式：LNG从LNG储罐1流经吸附罐4后进入LNG气化主回路，用于维持吸附罐4的低温环境，使罐内吸附材料5能持续吸收LNG储罐1内产生的BOG；

2)第二种压力调节模式：将NG从LNG气化主回路引入吸附罐4后回到LNG储罐1，使吸附罐4温度升高，吸附罐4内BOG脱附进入LNG储罐1，实现自增压过程；

3)第三种压力调节模式：LNG从LNG储罐1进入吸附罐4后再回到LNG储罐1，一方面将吸附罐4冷却，提升吸附罐4的吸附能力，一方面LNG气化后回到LNG储罐1实现自增压过程；

4)第四种压力调节模式：通过LNG储罐1和吸附罐4之间的压力连通，将LNG储罐1内产生的BOG通过吸附材料5吸收，吸附罐4由于BOG的不断吸附而温度升高；

上述四种模式中，第一种压力调节模式和第二种压力调节模式用于船舶航行状态下，第三种压力调节模式和第四种压力调节模式在船舶航行、停泊状态下均可使用。通过四种压力调节模式的切换，可以实现LNG动力船舶的燃料储罐自增压过程以及充注、航行和停泊状态下的BOG回收。同时通过四种模式下吸附罐4温度的调节，实现BOG在吸附罐4内的吸附/脱附循环。

下面对具体的四种模式下的工作方式进行说明：

1)在第一种压力调节模式下，通过利用LNG的冷能维持吸附罐的低温，实现LNG动力船舶航行过程中的BOG回收。如图1和图2中实线箭头所示，具体工作方式为：打开进口阀601、出口阀602和连通阀605，关闭再循环阀603和回气阀604，使LNG储罐1内的低温LNG由于自身压力作用流入吸附罐4，然后进入LNG气化主回路的加热器3加热后供给船舶动力系统12。在吸附罐4内，LNG吸收由于BOG吸附产生的热量并气化，同时维持吸附罐4的低温环境，提升吸附罐4内吸附材料5的吸附能力。在该过程中，LNG经进口阀601、进口管701、底部集液管第一部分801进入吸附罐4，然后流经第一流体管901、第二流体管902分别进入顶部集液管第二部分804、顶部集液管第一部分803，然后再分别流经第四流体管904、第三流体管903汇总进入底部集液管第二部分802，经出口管702、出口阀602流出。

2)在第二种压力调节模式下，通过利用LNG气化器2出口的NG，加热吸附罐4使BOG脱附来实现LNG动力船舶航行过程中的LNG储罐1的自增压。如图1和图2中点划线箭头所示，具体工作方式为：打开再循环阀603、回气阀604和连通阀605，关闭进口阀601和出口阀602，使温度较高的NG气体进入吸附罐4加热吸附材料5，从而使已吸附的BOG从吸附材料5上脱附，并由于压差作用进入LNG储罐1；同时NG被冷却后也进入LNG储罐1，共同使LNG储罐1增压。在该过程中，NG经再循环阀603、再循环管703、顶部集液管第一部分803进入吸附罐4，然后流经第二流体管902、第三流体管903分别进入底部集液管第一部分801、底部集液管第二部分802，然后再分别流经第一流体管901、第四流体管904汇总进入顶部集液管第二部分804，经回气管704、回气阀604流出。

3)在第三种压力调节模式下，通过利用LNG的冷能冷却吸附罐，使吸附罐的吸附能力增加，实现LNG动力船舶航行/停泊状态下的储罐自增压过程。如图1和图2中虚线箭头所示，具体工作方式为：打开进口阀601、回气阀604和连通阀605，关闭出口阀602、再循环阀603，使LNG储罐1内的低温LNG由于自身压力作用流入吸附罐4，将吸附罐4冷却的同时自身气化后回流进入LNG储罐1的气体区域。由于天然气低温工况下的吸附放热量要大于气化潜热，所以在热平衡和相平衡作用下能实现LNG储罐1的不断增压。在该过程中，LNG经进口阀601、进口管701、底部集液管第一部分801进入吸附罐4，其中一路经第一流体管901、顶部集液管第二部分804、回气管704流出，另一路依次经第二流体管902、顶部集液管第一部分803、第三流体管903、底部集液管第二部分802、第四流体管904、顶部集液管第二部分804、回气管704流出。

4)在第四种压力调节模式下，仅连通阀605开启，进口阀601、出口阀602、再循环阀603、回气阀604均关闭，利用LNG储罐1和吸附罐4之间的压力连通，将吸附罐4作为压力缓冲装置，实现对LNG储罐1的稳压作用，防止LNG发生翻滚造成的压力骤升、以及晃荡海况下LNG储罐1内的压力骤降。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置，其特征在于，包括LNG储罐、LNG气化器、加热器和吸附罐，所述LNG储罐通过所述LNG气化器、所述加热器连接至船舶动力系统，所述吸附罐包括内置的吸附材料和调节模块，所述调节模块设置为按照不同压力调节模式实现对所述吸附罐的温度调节，所述吸附罐与所述LNG储罐和所述LNG气化器出口相连接，用于吸附或脱附闪蒸气，从而实现所述LNG储罐自增压及闪蒸气回收；

所述吸附材料为成型活性炭纤维；

所述调节模块包括进出口管、集液管、流体管、传热翅片和阻隔板，所述进出口管和所述集液管相连接，所述集液管包括底部集液管和顶部集液管，所述底部集液管和所述顶部集液管之间通过所述流体管连接，所述流体管沿所述吸附罐高度方向布置，穿过所述吸附材料和传热翅片，所述阻隔板设置在所述集液管内，以形成不同的流体路径；

所述底部集液管通过内设的两个对称的所述阻隔板被分隔成底部集液管第一部分和底部集液管第二部分，所述顶部集液管通过内设的两个对称的所述阻隔板被分隔成顶部集液管第一部分和顶部集液管第二部分，顶部的所述阻隔板和底部的所述阻隔板为交错布置；

所述流体管包括第一流体管、第二流体管、第三流体管、第四流体管，沿周向均匀布置，所述第一流体管连接在所述底部集液管第一部分和所述顶部集液管第二部分之间，所述第二流体管连接在所述底部集液管第一部分和所述顶部集液管第一部分之间，所述第三流体管连接在所述底部集液管第二部分和所述顶部集液管第一部分之间，所述第四流体管连接在所述底部集液管第二部分和所述顶部集液管第二部分之间。

2.如权利要求1所述的液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置，其特征在于，所述进出口管包括进口管、出口管、再循环管、回气管、连通管，所述进口管连接在所述底部集液管第一部分上，所述出口管连接在所述底部集液管第二部分上，所述再循环管连接在所述顶部集液管第一部分上，所述回气管连接在所述顶部集液管第二部分上，所述连通管固定设置在所述吸附罐顶部中心处。

3.如权利要求2所述的液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置，其特征在于，还包括进口阀、出口阀、再循环阀、回气阀和连通阀，所述进口阀连接在所述LNG储罐液体区域和所述进口管之间，所述出口阀连接所述出口管和所述LNG气化器出口之间，所述再循环阀连接在所述LNG气化器出口和所述再循环管之间，所述回气阀连接在所述回气管和所述LNG储罐气体区域之间，所述连通阀连接在所述连通管和所述LNG储罐气体区域之间。

4.如权利要求3所述的液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置，其特征在于，所述进口阀、所述出口阀、所述再循环阀、所述回气阀和所述连通阀中的一个或多个为调节型阀门。

5.如权利要求4所述的液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置，其特征在于，所述吸附材料堆叠在所述吸附罐内，与所述连通管相应位置开设有中心孔，沿周向与所述流体管相应位置开设有通孔，用于穿过所述流体管。

6.如权利要求5所述的液化天然气储罐吸附式自增压及闪蒸气回收一体化装置，其特征在于，所述传热翅片数量为多个，沿所述吸附罐高度方向等间距布置，位于堆叠的所述吸附材料的间隙处，与所述吸附材料的中心孔和通孔的相应位置开设有中心孔和通孔。

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