CN112278161B

CN112278161B - Lng货船主动缓摇装置及缓摇系统和工作方法

Info

Publication number: CN112278161B
Application number: CN202011208610.2A
Authority: CN
Inventors: 蒋庆峰; 严思远; 宋肖; 沈九兵; 冯国增
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2040-11-03
Also published as: CN112278161A

Abstract

本发明公开了一种LNG货船主动缓摇装置，包括LNG低温储罐和底座，还包括舱裙、变频电机、压气机和气压阻尼单元，LNG低温储罐托放在舱裙之上，为活动连接，舱裙固定在底座上，变频电机为压气机的动力源，压气机为气压阻尼单元供气，LNG低温储罐与底座之间设若干气压阻尼单元。本发明提供的LNG货船主动缓摇装置通过测量模块将来浪侧测量模块所受升沉、横摇、纵摇三个自由度上的运动加速度转化为电信号后传输至控制模块，控制模块通过控制压气机输出相反的作用力作用于LNG低温储罐来达到主动缓震的目的。

Description

LNG货船主动缓摇装置及缓摇系统和工作方法

技术领域

本发明专利涉及一种LNG货船主动缓摇装置及应用该装置的缓摇系统及工作方法，特别是可以减少低温液化气LNG低温储罐船在航行过程中由于海水波动而导致LNG晃动而汽化的现象，属于LNG储运技术领域。

背景技术

天然气作为一种优质清洁燃料，在能源领域具有巨大的利用价值。近20年来，作为对管道天然气有益补充的液化天然气(LNG)产业链日益完善。天然气运输往往通过将天然气加压液化后储存，通过货船来海运。由于海洋环境多变，海浪冲击船身导致船体摇晃，LNG低温储罐内LNG液体随之起伏晃荡，当船体摇晃频率接近LNG低温储罐内LNG液体的固有频率时，液体晃荡加剧并冲击LNG低温储罐内壁，其自由表面也出现漩涡、翻卷、飞溅等现象。晃荡不仅会增加LNG液体对壁面的动力负载，而且还会导致LNG低温储罐内LNG部分汽化，罐内压力突然增高，安全阀起跳而造成LNG突然大流量泻放，损耗严重。严重时LNG低温储罐甚至会与船体发生碰撞，导致不必要的事故。

在恶劣海运条件下，LNG货船对相关缓震系统的安全性和效率提出更严格的要求。现有专利大都采用被动防晃结构，被动防晃结构分为两种：一种是在LNG低温储罐内部增加防晃结构，如专利CN 101883715 B，通过在LNG低温储罐内增加防晃舱壁，将LNG低温储罐内的空间分为多个空间来达到缓震目的；但某些特殊工况下需要对LNG低温储罐内部进行观察监测，内部防晃结构阻碍探测器对LNG低温储罐内及周壁的录摄，观察监测工作难度增加；另一种是在LNG低温储罐外部增加缓震结构，如专利CN107120520 A，通过在LNG低温储罐外部空间增加制荡系统和减摇系统来达到减震目的。被动防晃结构均侧重于缓冲LNG低温储罐与船体之间的相对位移以及削弱LNG低温储罐内部液面的来回晃荡，来起到缓冲保护作用。然而实际运输过程中，大型LNG货运船往往空间有限，且单个LNG低温储罐系统惯量大，LNG低温储罐外部空间增加过多缓震系统对货运船的空间提出了更高的要求，而且，被动防晃结构仅能减缓较大幅度的晃动，无法过滤较小幅度的晃动。因此，现有被动防晃系统结构复杂，建造和控制成本昂贵，防晃效果不尽人意。

发明内容

为解决现有技术中被动防晃系统结构复杂，成本高，防晃效果不佳的问题，本发明提供一种LNG货船主动缓摇装置，技术方案如下：

一种LNG货船主动缓摇装置，包括LNG低温储罐和底座，还包括舱裙、变频电机、压气机和气压阻尼单元，所述LNG低温储罐托放在所述舱裙之上，两者为活动连接，所述舱裙固定在所述底座上，所述变频电机为所述压气机的动力源，所述压气机为所述气压阻尼单元供气，所述LNG低温储罐与所述底座之间设若干所述气压阻尼单元。

进一步，所述气压阻尼单元包括活塞连杆、气缸、弹性连接结构和聚氨酯泡沫层所述活塞连杆一端与所述气缸连接，另一端与所述弹性连接结构连接，所述弹性连接结构上设有所述聚氨酯泡沫层，所述气缸的缸体与所述底座连接，所述聚氨酯泡沫层与所述LNG低温储罐接触。

进一步，所述的LNG低温储罐为球形LNG低温储罐。

进一步，所述活塞连杆的材料采用耐低温、热膨胀系数低的奥氏体钢，所述弹性连接结构采用间隔中空的结构设计，中空深度为所述弹性连接结构总厚度的一半。

本发明还提供一种使用上述LNG货船主动缓摇装置的缓摇系统，还包括测量模块、控制模块和LNG货船，所述底座固定在所述LNG货船上，所述测量模块包括若干个加速度传感器，所述加速度传感器设置在所述LNG货船的吃水线附近，所述控制模块包括集成电路板、电信号放大器和控制芯片，所述集成电路板上集成有电信号放大器和所述控制芯片，所述集成电路板的输入端与所述加速度传感器相连，输出端与所述变频电机连接。

进一步，所述控制模块设置于所述LNG货船的驾驶舱内，所述压气机和所述变频电机集中安装在压气机箱里，所述压气机箱安置在所述LNG货船的船甲板或者机房之内。

进一步，所述加速度传感器为浮式加速度传感器，外形为球形，由内向外分别设置质量块、压电晶体以及壳体，所述的压电晶体采用8个壳型压电晶体单元相对拼合而成。

本发明还提供上述缓摇系统的工作方法，具体内容和步骤如下：

所述LNG货船航行过程中，海浪冲击位于所述LNG货船吃水线附近的所述加速度传感器，所述加速度传感器的测量信号传输至所述控制模块，所述控制模块接收到信号后通过所述控制芯片计算海浪在升沉、横摇、纵摇多个自由度上对所述LNG低温储罐可能产生的加速度，优化信噪比后将其转化为电信号通过所述电信号放大器放大输出，然后控制所述变频电机的转速与正反转方向，带动所述压气机产生不同的输出压力以控制各个所述气压阻尼单元的压力，使得各个所述气压阻尼单元对所述LNG低温储罐在不同方向上产生抵消海浪对所述LNG低温储罐的力。

本发明的优点和有益效果是：

区别于公路运输中道路状况的不确定，货船在海运过程中，波浪作用于船舶存在晃荡延迟，即可通过来浪侧波浪的高低、大小等运动，预判其可能对货船在升沉、横摇、纵摇等多自由度上的加速度产生的幅度和载荷。本发明提供的LNG货船主动缓摇系统通过测量模块将来浪侧测量模块所受升沉、横摇、纵摇三个自由度上的运动加速度转化为电信号后传输至控制模块，降噪后放大并输出相反的作用力作用于LNG低温储罐来达到主动缓震的目的。

附图说明

图1为本发明实施中LNG货船主动缓摇装置剖面图；

图2为本发明实施中底座的示意图；

图3为本发明实施中缓摇系统的模块连接图；

图4为本发明实施中气压阻尼单元三维图；

图5为本发明实施中气压阻尼单元剖面图；

图6为本发明实施例中气压阻尼单元爆炸图；

图7为本发明实施例中缓摇系统整体布局图；

图8为本发明实施例中缓摇系统爆炸图；

图9为本发明实施例中弹性连接结构空载工况示意图；

图10为本发明实施例中弹性连接结构负载工况示意图；

图11为本发明实施例中加速度传感器结构示意图；

图中：1为测量模块、2为控制模块、3为执行模块、4为LNG低温储罐、5为舱裙、6为底座、6.1为圆孔槽、7为驾驶舱、8为LNG货船、1.1为加速度传感器、1.1.1为壳体、1.1.2为压电晶体、1.1.3为质量块、2.1为集成电路板、2.2为电信号放大器、2.3为控制芯片、3.1为压气机箱、3.1.1为变频电机、3.1.2为压气机、3.2为气压阻尼单元、3.2.1为活塞连杆、3.2.2为接嘴、3.2.3为气缸、3.2.4为弹性连接结构、3.2.5为聚氨酯泡沫层。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明所述的技术方案作进一步的详细描述。

实施例一、一种LNG货船主动缓摇装置

如图1和图3所示，一种LNG货船主动缓摇装置，包括LNG低温储罐4和底座6，还包括舱裙5、变频电机3.1.1、压气机3.1.2和气压阻尼单元3.2，所述LNG低温储罐4托放在所述舱裙5之上，两者为活动连接，所述舱裙5固定在所述底座6上，所述变频电机3.1.1为所述压气机3.1.2的动力源，所述变频电机3.1.1与所述压气机3.1.2通过联轴杆连接，所述压气机3.1.2为所述气压阻尼单元3.2供气，所述LNG低温储罐4与所述底座6之间设若干所述气压阻尼单元3.2。所述压气机3.1.2以及所述变频电机3.1.1的数量与所述气压阻尼单元3.2的数量相对应，每一个所述气压阻尼单元3.2均有单独的一个所述压气机3.1.2供气，为满足多自由度波浪补偿的需要，其数量依所述LNG低温储罐4的容积大小与载货量核算而定。

所述LNG低温储罐4为球形LNG低温储罐。如图2所示，所述底座6上部设有方形槽，底部内表面为与所述LNG低温储罐4相配的球形面，所述球形面上均布设有若干圆孔槽6.1，所述气压阻尼单元3.2安装在所述圆孔槽6.1，通过焊接固定。所述气压阻尼单元3.2是以网状分布在所述LNG低温储罐4的底部，所述气压阻尼单元3.2所提供的是指向所述LNG低温储罐4球心的向心力。

如图4、图5和图6所示，所述气压阻尼单元3.2包括活塞连杆3.2.1、接嘴3.2.2、气缸3.2.3、弹性连接结构3.2.4和聚氨酯泡沫层3.2.5所述活塞连杆3.2.1一端与所述气缸3.2.3连接，另一端与所述弹性连接结构3.2.4连接，所述弹性连接结构3.2.4上设有所述聚氨酯泡沫层3.2.5，所述气缸3.2.3的缸体与所述底座6连接，所述聚氨酯泡沫层3.2.5与所述LNG低温储罐4接触。所述压气机3.1.2出气口通过塑料软管与所述气压阻尼单元3.2的所述接嘴3.2.2相连。所述聚氨酯泡沫层3.2.5、所述弹性连接结构3.2.4和所述活塞连杆3.2.1通过焊接组装在一起，所述聚氨酯泡沫层3.2.5与所述LNG低温储罐4底部可以近似为点接触。

如图9和图10所示，所述活塞连杆3.2.1的材料采用耐低温、热膨胀系数低的奥氏体钢，所述的弹性连接结构3.2.4采用间隔中空的结构设计，中空深度为所述弹性连接结构3.2.4总厚度的一半，其宽度根据所述LNG低温储罐4的大小以及低温负载时的变形量的大小来设定。间隔中空的结构设计不仅可吸收由于所述LNG低温储罐4空载与满载的温度交替变化导致所述LNG低温储罐4外表面的收缩和挠曲形变，也可在所述气压阻尼单元3.2负载时，对所述LNG低温储罐4外壁有更好的贴合度和支撑作用。

由于LNG在运输过程中以-162℃的低温液体形式存在，连接所述气压阻尼单元3.2与所述LNG低温储罐4除了具备抵抗弯曲载荷和升沉、横摇、纵摇等晃荡冲击载荷的高强度和高韧性，还需具备可靠的耐低温深冷性能。由于执行系统没有为LNG提供制冷设备，环境热量以及所述气压阻尼单元3.2产生的热量会渗入所述LNG罐体4而引起LNG汽化，故连接所述气压阻尼单元3.2和所述LNG低温储罐4必须具有优良的低温绝热技术，降低漏热，减少LNG的蒸发汽化。

实施例二、一种包括LNG货船主动缓摇装置的缓摇系统

如图3、图7和图8所示，一种使用上述LNG货船主动缓摇装置的缓摇系统，还包括测量模块1、控制模块2和LNG货船8，所述底座6固定在所述LNG货船8上，所述测量模块1包括若干个加速度传感器1.1，所述加速度传感器1.1设置在所述LNG货船8的吃水线附近，所述控制模块2包括集成电路板2.1、电信号放大器2.2和控制芯片2.3，所述集成电路板2.1上集成有电信号放大器2.2和所述控制芯片2.3，所述集成电路板2.1的输入端与所述加速度传感器1.1相连，输出端与所述变频电机3.1.1连接，所述变频电机3.1.1、所述压气机3.1.2和所述气压阻尼单元3.2共同组成了执行模块3。

如图7和图8所示，所述LNG货船8上设有驾驶舱7，所述LNG货船8的甲板上设有压气机箱3.1，所述控制模块2设置于所述LNG货船8的所述驾驶舱7内，所述压气机3.1.2和所述变频电机3.1.1集中安装在所述压气机箱3.1里，所述压气机箱3.1安置在所述LNG货船8的船甲板或者机房之内。

如图11所示，所述加速度传感器1.1为浮式加速度传感器，外形为球形，由内向外分别设置质量块1.1.3、压电晶体1.1.2以及壳体1.1.1，所述的压电晶体1.1.2采用8个壳型压电晶体单元相对拼合而成。以达到能感受海浪各个方向加速度变化的目的，并将其转化为电信号传输给所述控制模块2作进一步处理。

实施例三、一种包括LNG货船主动缓摇装置的缓摇系统的工作方法

所述LNG货船8航行过程中，海浪冲击位于所述LNG货船8吃水线附近的所述加速度传感器1.1，在升沉、横摇、纵摇多个自由度上作用于所述加速度传感器1.1上所述质量块1.1.3，质量块1.1.3挤压所述压电晶体1.1.2引起形变，可以测量出海浪在各个方向对船体的冲击力，所述加速度传感器1.1的测量信号传输至所述控制模块2，所述控制模块2接收到信号后通过所述控制芯片2.3计算海浪在升沉、横摇、纵摇多个自由度上对所述LNG低温储罐4可能产生的加速度，得到海浪、船体、LNG三相耦合的强非线性关系，优化信噪比后将其转化为电信号通过所述电信号放大器2.2放大，并通过所述集成电路板2.1输出端输出至所述变频电机3.1.1，所述变频电机3.1.1根据电信号确定转动方向与转速，以此控制所述压气机3.1.2以输出不同的气体压力，输出气体压力通过软管传至所述气压阻尼单元3.2，使得各个所述气压阻尼单元3.2对所述LNG低温储罐4在不同方向上产生抵消海浪对所述LNG低温储罐4的力，从而达到缓震的效果。

所述气压阻尼单元3.2所填充的气体为空气或者其它惰性气体，由于所装气体需要被压缩，考虑在海上的晃荡特点，所选气体应具有安全系数高、不易泄露的特性，以提高整个系统的安全性。

本测量方法能够高分辨率、精确测量来浪方向的起伏运动以及其加速度，计算预测所述LNG低温储罐4的起伏运动，并输出相反作用力补偿其运动加速度。本系统可靠性高，安全性好，且兼顾所述LNG货船8的空间、航行海况等限制条件，结构简单，易于加工。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的改变和变形。凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种LNG货船主动缓摇装置，包括LNG低温储罐(4)和底座(6)，其特征在于：还包括舱裙(5)、变频电机(3.1.1)、压气机(3.1.2)、气压阻尼单元(3.2)和缓摇系统，所述LNG低温储罐(4)托放在所述舱裙(5)之上，两者为活动连接，所述舱裙(5)固定在所述底座(6)上，所述变频电机(3.1.1)为所述压气机(3.1.2)的动力源，所述压气机(3.1.2)为所述气压阻尼单元(3.2)供气，所述LNG低温储罐(4)与所述底座(6)之间设置有若干所述气压阻尼单元(3.2)；所述缓摇系统包括测量模块(1)、控制模块(2)和LNG货船(8)，所述底座(6)固定在所述LNG货船(8)上，所述测量模块(1)包括若干个加速度传感器(1.1)，所述加速度传感器(1.1)设置在所述LNG货船(8)的吃水线附近，所述控制模块(2)包括集成电路板(2.1)、电信号放大器(2.2)和控制芯片(2.3)，所述集成电路板(2.1)上集成有电信号放大器(2.2)和所述控制芯片(2.3)，所述集成电路板(2.1)的输入端与所述加速度传感器(1.1)相连，输出端与所述变频电机(3.1.1)连接。

2.根据权利要求1所述的LNG货船主动缓摇装置，其特征在于：所述气压阻尼单元(3.2)包括活塞连杆(3.2.1)、气缸(3.2.3)、弹性连接结构(3.2.4)和聚氨酯泡沫层(3.2.5)，所述活塞连杆(3.2.1)一端与所述气缸(3.2.3)连接，另一端与所述弹性连接结构(3.2.4)连接，所述弹性连接结构(3.2.4)上设有所述聚氨酯泡沫层(3.2.5)，所述气缸(3.2.3)的缸体与所述底座(6)连接，所述聚氨酯泡沫层(3.2.5)与所述LNG低温储罐(4)接触。

3.根据权利要求1所述的LNG货船主动缓摇装置，其特征在于：所述的LNG低温储罐(4)为球形LNG低温储罐。

4.根据权利要求2所述的LNG货船主动缓摇装置，其特征在于：所述活塞连杆(3.2.1)的材料采用耐低温、热膨胀系数低的奥氏体钢，所述的弹性连接结构(3.2.4)采用间隔中空的结构设计，中空深度为所述弹性连接结构(3.2.4)总厚度的一半。

5.根据权利要求1所述的LNG货船主动缓摇装置，其特征在于：所述控制模块(2)设置于所述LNG货船(8)的驾驶舱(7)内，所述压气机(3.1.2)和所述变频电机(3.1.1)集中安装在压气机箱(3.1)里，所述压气机箱(3.1)安置在所述LNG货船(8)的船甲板或者机房之内。

6.根据权利要求1所述的LNG货船主动缓摇装置，其特征在于：所述加速度传感器(1.1)为浮式加速度传感器，外形为球形，由内向外分别设置质量块(1.1.3)、压电晶体(1.1.2)以及壳体(1.1.1)，所述的压电晶体(1.1.2)采用8个壳型压电晶体单元相对拼合而成。

7.一种根据权利要求1至6任意一项所述的LNG货船主动缓摇装置的工作方法，其特征在于：所述LNG货船(8)航行过程中，海浪冲击位于所述LNG货船(8)吃水线附近的所述加速度传感器(1.1)，所述加速度传感器(1.1)的测量信号传输至所述控制模块(2)，所述控制模块(2)接收到信号后通过所述控制芯片(2.3)计算海浪在升沉、横摇、纵摇多个自由度上对所述LNG低温储罐(4)可能产生的加速度，优化信噪比后将其转化为电信号通过所述电信号放大器(2.2)放大输出，然后控制所述变频电机(3.1.1)的转速与正反转方向，带动所述压气机(3.1.2)产生不同的输出压力以控制各个所述气压阻尼单元(3.2)的压力，使得各个所述气压阻尼单元(3.2)对所述LNG低温储罐(4)在不同方向上产生抵消海浪对所述LNG低温储罐(4)的力。