CN112413393A - 一种lng船液化天然气储存舱压力自动控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法及系统，所述方法包括以下步骤：根据LNG储存舱内的蒸发气体计算发动机所需的燃气供给量；根据所述燃气供给量将发动机的输出功率调整至最佳功率，LNG船在该最佳功率下航行；根据LNG储存舱内的舱压和LNG船的航速大小启动天然气焚烧装置或向发动机补充额外燃料。本发明能够根据LNG储存舱内的压力自动调节船舶航速，从而使LNG储存舱内的压力维持稳定，实现船舶在航行时无需人工干预的便捷、安全的自动控制。

Description

一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法及系统
技术领域
本发明涉及船舶建造技术领域，尤其涉及一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法及系统。
背景技术
船舶废气排放限制要求愈加严格，船舶采用天然气动力系统逐渐成为未来船舶动力的发展趋势。天然气由于其具有热值高、不含硫、燃烧清洁、排放较低等优点将成为未来绿色环保型船的首选燃料，同时能够使用天然气和燃油的双燃料发动机已经广泛应用。
由于船舶上需要的燃料量比较大，尤其是在远程航线中，天然气液化后的体积大约只有气态天然气的1/600，可以大大降低天然气储存成本，减少占用空间，储存效率高，采用液化天然气的存储方式成为首选，LNG一般采用特殊设计的低温存储舱来储存。
目前LNG船航行时，通常是通过发动机驱动螺旋桨旋转，这种船舶航行模式主要是控制螺旋桨转速的速度控制模式，也有一些电推进船舶的航行模式是功率控制模式。目前这种采用功率控制模式的船舶，都是通过人工实时检测LNG储存舱的压力，然后根据LNG储存舱的压力变化手动调节燃气供给量，从而调整发动机的输出功率，以改变船舶航速，目前这种手动人工调节的方式不仅效率低、无法使船舶完全实现自动安全航行，而且由于发动机的负荷是动态变化的，人工手动调整的燃气供给量也无法与发动机的负荷相适应，无法使机组中的发动机在最优点运行，整个系统运行效率很低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法及系统，用以解决上述背景技术中存在的问题。
一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，具体包括以下步骤：
S1，根据LNG储存舱内的蒸发气体计算发动机所需的燃气供给量；
S2，根据所述燃气供给量将发动机的输出功率调整至最佳功率，LNG船在该最佳功率下航行；
S3，根据LNG储存舱内的舱压和LNG船的航速大小启动天然气焚烧装置或向发动机补充额外燃料。
优选地，所述步骤S1中根据LNG储存舱内的蒸发气体计算发动机所需的燃气供给量的具体步骤为：
利用设置在LNG储存舱上的压力传感器检测LNG储存舱内的部分液化天然气因受热形成蒸发气体时舱内增加的压力值；
利用所述舱内增加的压力值计算LNG储存舱内的挥发气热量；
利用所述LNG储存舱内的挥发气热量计算需要提供给发动机的燃气供给量。
优选地，步骤S3中根据LNG储存舱内的舱压和LNG船的航速大小启动天然气焚烧装置或向发动机补充额外燃料的具体步骤为：
LNG船在最佳功率下航行设定时间后，判断LNG储存舱内的舱压是否降低至设定压力，若LNG储存舱内的舱压降低至设定压力，则判断LNG船当前的航速大小是否达到预设航速，若达到预设航速，则LNG船在预设航速下继续航行，若未达到预设航速，则向发动机补充额外燃料使LNG船在预设航速下航行；
若LNG储存舱内的舱压未降低至设定压力，则启动天然气焚烧装置，将LNG储存舱内生成的过剩蒸发气体燃烧掉。
优选地，向发动机补充的额外燃料是从燃油舱中获取的燃料，或将LNG储存舱内的液化天然气泵送至LNG船上的再气化单元，再气化单元将液化天然气转化为气态燃料。
优选地，所述过剩蒸发气体是指LNG储存舱内的部分液化天然气因受热形成的超过发动机所需的燃气供给量的多余的蒸发气体。
优选地，所述发动机为1台独立的发动机或多台并行运行的发动机；
当发动机为多台并行运行的发动机时，每台发动机的输出功率均根据其各自对应的外特性曲线调整至最佳功率。
优选地，所述发动机为双燃料发动机。
优选地，所述LNG储存舱为1个独立舱室或多个独立舱室的集成，LNG储存舱可采用A型LNG储存舱、B型LNG储存舱、C型LNG储存舱、薄膜型LNG储存舱中的一种。
一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制系统，包括LNG储存舱，所述LNG储存舱用于存储液化天然气，LNG储存舱上设置有用以检测其舱内压力的压力传感器；
燃料供给系统，所述燃料供给系统用于将LNG储存舱中蒸发形成的蒸发气体输送至发动机作为燃料；
发动机，所述发动机用于通过推进轴系驱动螺旋桨旋转；
天然气焚烧装置，所述天然气焚烧装置用于燃烧掉LNG储存舱内生成的过剩蒸发气体；
以及控制系统，所述控制系统与压力传感器、发动机和天然气焚烧装置电连接。
优选地，所述LNG储存舱内的液化天然气可泵送至LNG船上的再气化单元，再气化单元将液化天然气转化为气态燃料供给给发动机。
本发明的有益效果是：
1、本发明能够根据LNG储存舱内的压力自动调节船舶航速，从而使LNG储存舱内的压力维持稳定，实现船舶在航行时无需人工干预的便捷、安全的自动控制；同时也能够给多台发动机合理分配燃料，以使每台发动机都能运行至其最佳功率，从而提高整个动力系统的效率，提高LNG储存舱中生成的挥发气体的高效利用。
2、本发明可以广泛应用于各类型、各尺度的LNG动力船舶，尤其是LNG运输船，市场前景广阔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明方法的流程图。
图2是本发明系统的构成图。
图中标号的含义为：
1为LNG储存舱，2为燃料供给系统，3为发动机，4为控制系统，5为推进轴系，6为螺旋桨，7为燃气管路,8为天然气焚烧装置。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
本发明给出一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，该方法能够根据LNG储存舱内的压力自动调节船舶航速，从而使LNG储存舱内的压力维持稳定，实现船舶在航行时无需人工干预的便捷、安全的自动控制；同时也能够给多台发动机合理分配燃料，以使每台发动机都能运行至其最佳功率，从而提高整个动力系统的效率，提高LNG储存舱中生成的挥发气体的高效利用。
LNG储存舱1是装载有-163℃低温液化天然气(LNG)的存储舱，如果液化天然气周围温度略微增加并超过-163℃，则液化LNG可能被蒸发。例如，LNG船运输过程中，尽管LNG储存舱配置有热绝缘结构，也不可能完全防止热量经由储存舱进入LNG，从而在借由LNG运输船运输LNG期间，LNG会被不断地蒸发，并在LNG储存舱内生成蒸发气体(BOG)。
本发明的LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，具体包括以下步骤：
S1，根据LNG储存舱内的蒸发气体计算发动机所需的燃气供给量。
具体地，首先，利用设置在LNG储存舱1上的压力传感器检测LNG储存舱1内的部分液化天然气因受热形成蒸发气体时舱内增加的压力值；
然后，利用所述舱内增加的压力值计算LNG储存舱内的挥发气热量；
然后，利用所述LNG储存舱内的挥发气热量计算需要提供给发动机的燃气供给量。
S2，根据所述燃气供给量将发动机的输出功率调整至最佳功率，LNG船在该最佳功率下航行。
所述发动机3为1台独立的发动机或多台并行运行的发动机。
当发动机3为多台并行运行的发动机时，每台发动机的输出功率均根据其各自对应的外特性曲线调整至最佳功率。
发动机的外特性曲线是发动机运转时，发动机的功率、扭矩和耗油量(或燃气消耗量)这三个基本性能指标随着负荷变化而变化所生成的特性曲线。从发动机的外特性曲线上可以看到发动机所能输出的最大功率、最大扭矩以及它们相应的转速和燃料消耗量。本实施例中，所述发动机为双燃料发动机。
S3，根据LNG储存舱内的舱压和LNG船的航速大小启动天然气焚烧装置或向发动机补充额外燃料。
具体地，LNG船在最佳功率下航行设定时间后，判断LNG储存舱内的舱压是否降低至设定压力，若LNG储存舱内的舱压降低至设定压力，则判断LNG船当前的航速大小是否达到预设航速，若达到预设航速，则LNG船在预设航速下继续航行，若未达到预设航速，则向发动机补充额外燃料使LNG船在预设航速下航行。
向发动机补充的额外燃料是从燃油舱中获取的燃料，或将LNG储存舱内的液化天然气泵送至LNG船上的再气化单元，再气化单元将液化天然气转化为气态燃料。
若LNG储存舱1内的舱压未降低至设定压力，则启动天然气焚烧装置，将LNG储存舱1内生成的过剩蒸发气体燃烧掉。
所述过剩蒸发气体是指LNG储存舱内的部分液化天然气因受热形成的超过发动机所需的燃气供给量的多余的蒸发气体。
本实施例中，所述LNG储存舱1为1个独立舱室或多个独立舱室的集成，LNG储存舱1可采用A型LNG储存舱、B型LNG储存舱、C型LNG储存舱、薄膜型LNG储存舱中的一种。
一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制系统，包括LNG储存舱1，所述LNG储存舱1用于存储液化天然气，LNG储存舱1上设置有用以检测其舱内压力的压力传感器和用于检测舱内温度的温度传感器；
燃料供给系统2，所述燃料供给系统2用于通过燃气管路7将LNG储存舱1中蒸发形成的蒸发气体输送至发动机3作为燃料，所述燃气管路7伸至LNG储存舱1的上面部分；
发动机3，所述发动机3用于通过推进轴系5驱动螺旋桨6旋转，也可用于产生电能并将电能传输至电力马达，利用电力马达通过推进轴系驱动螺旋桨旋转；
天然气焚烧装置8，所述天然气焚烧装置8用于燃烧掉LNG储存舱1内生成的过剩蒸发气体；
以及控制系统4，所述控制系统4与压力传感器、发动机和天然气焚烧装置电连接。
优选地，所述LNG储存舱1内的液化天然气可泵送至LNG船上的再气化单元，再气化单元将液化天然气转化为气态燃料供给给发动机。
下面以17万立方的LNG运输船为例具体说明本发明的具体实施方式。
假设该LNG运输船上包括4个薄膜型LNG储存舱，LNG储存舱的标准挥发率(BOR)为0.11％；LNG储存舱设计温度为零下163℃，设计压力为105kPa。
船上安装有2台双燃料推进主机(每台功率为13265kW)、4台发电机(每台功率为2880kW)。
燃料供给系统配置2台气体压缩机及加热器，挥发气通过燃料供给系统输送至发动机作为燃料；船上安装自动控制系统4(IAS)，自动控制系统4(IAS)包括舱压控制系统、燃气管理系统、功率管理系统等功能模块。
LNG储存舱中的液化天然气受热气化，舱压控制系统测量LNG储存舱内的压力值为115kPa，计算得到当前LNG储存舱压力与设定值的压力差值为10kPa。
燃气管理系统基于挥发气典型成分获得挥发气热值约为40000kJ/kg，密度为0.737kg/Nm3，进而计算得到由于舱压升高导致的燃气供给量增加至4830Nm3/h，燃气管理系统控制燃气供给系统将这些燃气输送至发动机(包括推进主机和发电机)作为燃料进行消耗。
功率管理系统根据发动机获得的燃气负荷对燃气供给量进行分配，计算得到推进主机及发电机需要的功率，再根据船舶航速的设定，选择是否需要补充燃气或燃油，进而实现在船舶基于舱压自动控制的模式下航行。
根据该船日常用电需求，船舶正常航行时，需要运行2台发电机(每台发电机约85％负荷)，其总燃气消耗率为1250Nm3/h(每台约625Nm3/h)，因此计算得到推进主机获得总的燃气负荷为3580Nm3/h，即每台约1790Nm3/h，推算出该燃气负荷对应的每台推进主机输出功率为9550kW，2台推进主机输出功率共计19100kW。
该船采用双机双桨驱动，即每台推进主机驱动1个螺旋桨使船舶航行。根据推进主机总输出功率(即19100kW)，该船所能达到的航速约为18.5节。因此，如果船舶自动化系统中设定船舶航行模式为舱压自动控制，则船舶则自动调节航速达到18.5节；船舶航速将随着舱压变化自动调整，舱压始终保持稳定在设计压力下。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，根据LNG储存舱内的蒸发气体计算发动机所需的燃气供给量；
S2，根据所述燃气供给量将发动机的输出功率调整至最佳功率，LNG船在该最佳功率下航行；
S3，根据LNG储存舱内的舱压和LNG船的航速大小启动天然气焚烧装置或向发动机补充额外燃料。
2.根据权利要求1所述的LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，其特征在于，所述步骤S1中根据LNG储存舱内的蒸发气体计算发动机所需的燃气供给量的具体步骤为：
利用设置在LNG储存舱上的压力传感器检测LNG储存舱内的部分液化天然气因受热形成蒸发气体时舱内增加的压力值；
利用所述舱内增加的压力值计算LNG储存舱内蒸发的天然气蒸发量；
利用所述LNG储存舱内蒸发的天然气蒸发量计算需要提供给发动机的燃气供给量。
3.根据权利要求2所述的LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，其特征在于，步骤S3中根据LNG储存舱内的舱压和LNG船的航速大小启动天然气焚烧装置或向发动机补充额外燃料的具体步骤为：
LNG船在最佳功率下航行设定时间后，判断LNG储存舱内的舱压是否降低至设定压力，若LNG储存舱内的舱压降低至设定压力，则判断LNG船当前的航速大小是否达到预设航速，若达到预设航速，则LNG船在预设航速下继续航行，若未达到预设航速，则向发动机补充额外燃料使LNG船在预设航速下航行；
若LNG储存舱内的舱压未降低至设定压力，则启动天然气焚烧装置，将LNG储存舱内生成的过剩蒸发气体燃烧掉。
4.根据权利要求3所述的LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，其特征在于，向发动机补充的额外燃料是从燃油舱中获取的燃料，或将LNG储存舱内的液化天然气泵送至LNG船上的再气化单元，再气化单元将液化天然气转化为气态燃料。
5.根据权利要求3所述的LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，其特征在于，所述过剩蒸发气体是指LNG储存舱内的部分液化天然气因受热形成的超过发动机所需的燃气供给量的多余的蒸发气体。
6.根据权利要求1所述的LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，其特征在于，所述发动机为1台独立的发动机或多台并行运行的发动机；
当发动机为多台并行运行的发动机时，每台发动机的输出功率均根据其各自对应的外特性曲线调整至最佳功率。
7.根据权利要求6所述的LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，其特征在于，所述发动机为双燃料发动机。
8.根据权利要求1所述的LNG船液化天然气储存舱压力自动控制方法，其特征在于，所述LNG储存舱为1个独立舱室或多个独立舱室的集成，LNG储存舱可采用A型LNG储存舱、B型LNG储存舱、C型LNG储存舱、薄膜型LNG储存舱中的一种。
9.一种LNG船液化天然气储存舱压力自动控制系统，其特征在于，包括LNG储存舱，所述LNG储存舱用于存储液化天然气，LNG储存舱上设置有用以检测其舱内压力的压力传感器；
燃料供给系统，所述燃料供给系统用于将LNG储存舱中蒸发形成的蒸发气体输送至发动机作为燃料；
发动机，所述发动机用于通过推进轴系驱动螺旋桨旋转；
天然气焚烧装置，所述天然气焚烧装置用于燃烧掉LNG储存舱内生成的过剩蒸发气体；
以及控制系统，所述控制系统与压力传感器、发动机和天然气焚烧装置电连接。
10.根据权利要求9所述的LNG船液化天然气储存舱压力自动控制系统，其特征在于，所述LNG储存舱内的液化天然气可泵送至LNG船上的再气化单元，再气化单元将液化天然气转化为气态燃料供给给发动机。
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