CN113063086B - 用于船舶发动机的天然气处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于船舶发动机的天然气处理系统，包括一用于储存天然气的储罐、一气化管路、一吸气管路和一再液化管路，所述的气化管路与所述的再液化管路上分别设置有一压缩机以及相应的换热器，当外部的发动机需要使用天然气燃料时，可以关闭再液化功能，当外部的发动机不需要天然气燃料时，若储罐内存在较少过量的天然气，可以只运行其中一个压缩机，提供较弱的再液化能力，降低运行能耗；当储罐内存在较多过量的天然气，可以串联运行两个压缩机，提供较强的再液化能力，保证储罐安全运行。从而能够更好的匹配外界环境温度的变化，使整个天然气处理系统尽可能低功耗的运行。

Description

用于船舶发动机的天然气处理系统
技术领域
本发明涉及一种天然气处理系统，更确切的说是一种用于船舶发动机的天然气处理系统。
背景技术
由于天然气具有经济环保的特点，因而在现代的船舶中被广泛使用，为了降低天然气所占用的空间，通常天然气需要加压冷却后以液态的形式存储在储罐中，当船舶发动机使用天然气燃料时，再将液态的天然气气化为气态使用。此外，由于存储天然气的储罐无法做到与外界完全隔热，因而储罐内的液态天然气会不断的吸收外界的热量而气化，当气化的天然气不断增加后，储罐内的压力也会随之逐渐升高，超过安全压力后还必须释放部分气态的天然气，这不仅不够安全，还会损失较多的天然气，因而天然气储罐还必须配备再液化系统，可以将储罐内的气态天然气重新液化。
然而现有技术中的船舶发动机的天然气的供气系统与再液化系统是独立运行的，而且船舶经常全球航行，其外界环境的温度差异也较大，例如，船舶在地球的赤道附近时，外界环境温度较高，储罐内的液态天然气的气化速度较快；而船舶处在地球的南背两极时，外界环境的温度较低，储罐内的液态天然气的气化速度较慢。储罐内的液态天然气的气化速度就是船舶天然气的再液化系统的负载，气化速度较快，再液化系统的负载也较大；气化速度较慢，再液化系统的负载也较小，导致现有技术中的再液化系统很少在其最佳效率状态下运行。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，从而提供一种包括天然气供气系统和天然气再液化系统，两者可以独立运行也可以联立运行，能够实现不同的再液化速度，从而能够更好的匹配外界环境温度的变化，使整个处理系统处于较高效率的工作状态下，达到节能减排的目的的用于船舶发动机的天然气处理系统。
本发明通过下述技术方案来解决现有技术中所存在的技术问题：
一种用于船舶发动机的天然气处理系统，包括一储罐和一气化管路，所述的储罐内储存有天然气，所述的气化管路包括一供气口，所述的气化管路上依次设置有增压泵、一气化器、一第一压缩机，所述的增压泵能够从所述的储罐内抽取液态天然气并使天然气能够在气化管路内流动，所述的气化器包括一第一流程和一第二流程，所述的第一流程用于流通传热介质，所述的第二流程用于流通天然气，天然气在流经所述的气化器的第二流程时能够通过所述的气化器吸收第一流程内的传热介质的热量并气化，所述的第一压缩机包括一第一吸气口和一第一排气口，所述的第一压缩机能够压缩其从第一吸气口吸入的气态天然气并将压缩后的气态天然气从其第一排气口排出；所述的用于船舶发动机的天然气处理系统还包括一吸气管路，所述的气化管路上还设置有一引射器，所述的引射器包括一引射入口、一引射出口和一引射口，所述的引射入口与所述的第一压缩机通过所述的气化管路流体连通，所述的引射出口与供气口流体连通，所述的引射口通过所述的吸气管路与所述的储罐顶部的气态空间流体连通。
作为本发明更优的技术方案，所述的吸气管路上设置有一单向阀使得所述的吸气管路内的天然气只能够从所述的储罐流向所述的引射口而不能从所述的引射口流向所述的储罐。
作为本发明更优的技术方案，所述的气化器还包括一第三流程，所述的第三流程也用于流通天然气，所述的用于船舶发动机的天然气处理系统还包括一再液化管路，所述的再液化管路包括一进入端和一排出端，所述的进入端流体连通所述的引射器的引射出口，所述的再液化管路上依次设置有一换热器、一第二压缩机、所述的气化器和一节流阀，所述的第二压缩机包括一第二吸气口和一第二排气口，所述的第二吸气口与所述的换热器相连接，所述的第二排气口与所述的气化器的第三流程的一端相连接，所述的气化器的第三流程的另一端与所述的节流阀相连接，流经所述的第三流程的天然气能够通过所述的气化器与流经所述的气化器的第一流程内的传热介质或/和第二流程内的天然气传递热量。
作为本发明更优的技术方案，流通在所述的气化器的第一流程内的传热介质是空气或水。
作为本发明更优的技术方案，所述的气化器为水浴式热交换器，流通在所述的气化器的第一流程内的传热介质是水。
作为本发明更优的技术方案，所述的用于船舶发动机的天然气处理系统包括一控制器，所述的气化管路上还设置有一第一截止阀，所述的第一截止阀布置在所述的引射出口与供气口之间，所述的控制器能够通过控制所述的第一截止阀控制所述的引射出口与所述的供气口之间的流体连通或断开。
作为本发明更优的技术方案，所述的储罐内部布置有一压力传感器，所述的压力传感器能够探测到所述的储罐内的压力值，所述的再液化管路上还设置有一第二截止阀，所述的第二截止阀布置在所述的再液化管路的进入端和所述的换热器之间，所述的控制器能够读取所述的压力传感器的所探测到的压力值，所述的控制器能够根据其读取到的压力值控制所述的第二截止阀进而控制所述的再液化管路的连通或者断开。
作为本发明更优的技术方案，所述的气化管路上还设置有一第三截止阀，所述的第三截止阀布置在所述的第一压缩机的第一排气口和所述的引射器的引射入口之间，所述的控制器能够根据其读取到的压力值控制所述的第三截止阀进而控制所述的第一压缩机的第一排气口与所述的引射入口之间的流体连通或断开。
作为本发明更优的技术方案，所述的储罐内部布置有一喷雾器，所述的再液化管路的排出端与所述的喷雾器相连接。
本发明的用于船舶发动机的天然气处理系统的优点是：包括天然气供气系统和天然气再液化系统，两者可以独立运行也可以联立运行，能够实现不同的再液化速度，从而能够更好的匹配外界环境温度的变化，使整个处理系统处于较高效率的工作状态下，达到节能减排的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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他的附图。
图1为本发明的用于船舶发动机的天然气处理系统的结构示意图；
其中：
1、储罐；11、压力表；12、喷雾器；
2、气化管路；
21、增压泵；22、气化器；
23、第一压缩机；231、第一吸气口；232、第一排气口；
24、引射器；241、引射入口；242、引射出口；243、引射口；
25、第一截止阀；26、第三截止阀；29、供气口；
3、吸气管路；31、单向阀；
4、再液化管路；41、进入端；42、排出端；43、换热器；
44、第二压缩机；441、第二吸气口；442、第二排气口；
45、节流阀；46、第二截止阀；
5、控制器。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明的用于船舶发动机的天然气处理系统的优点是：包括天然气供气系统和天然气再液化系统，两者可以独立运行也可以联立运行，能够实现不同的再液化速度，从而能够更好的匹配外界环境温度的变化，使整个处理系统处于较高效率的工作状态下，达到节能减排的目的。
如图1所示，一种用于船舶发动机的天然气处理系统，包括一储罐1、一气化管路2、一吸气管路3和一再液化管路4，该储罐1内储存有天然气。
该气化管路2包括一供气口29，该供气口29与外部的使用天然气燃料的发动机相连接，当发动机需要使用天然气时，气化管路2内产生的气态天然气可以经该供气口29排放至发动机中，其具体实现方案如下：该气化管路2上依次设置有增压泵21、一气化器22、一第一压缩机23和一引射器24，该增压泵21能够从该储罐1内抽取液态天然气并使天然气能够在气化管路2内流动，该气化器22包括一第一流程、一第二流程和一第三流程，该第一流程用于流通传热介质，该传热介质可以是空气或水，该第二流程和该第三流程用于流通天然气，流经该第三流程的天然气能够通过该气化器22与流经该气化器22的第一流程内的传热介质或/ 和第二流程内的天然气传递热量，优选该传热介质为水，优选该气化器22为水浴式热交换器，因为相较于空气，水有更好的传递速度和比热容，这使得第一流程内的水能够更好的与第二流程及第三流程内的天然气之间传递热量，而且还可以避免第二流程及第三流程内的天然气的温度剧烈波动；
该增压泵21泵出的液态天然气在流经该气化器22的第二流程时能够通过该气化器22 吸收第一流程内的传热介质的热量并气化，通常可以将该气化器22的传热功率设计得更大一些，使液态天然气不仅能够吸热气化，还能够进一步达到过热状态，这可以避免气态的天然气中存在小液滴，该第一压缩机23包括一第一吸气口231和一第一排气口232，该气化器22 的第二流程内排出的气态天然气接着再流入该第一吸气口231，该第一压缩机23能够压缩其从第一吸气口231吸入的气态天然气并将其压缩为高温高压状态后从其第一排气口232高速排出，值得一提的是，本发明中所称的高温、高压等状态并不表明绝对的高温或者高压，而是指在整个天然气处理系统中处于相对的高温或者高压状态，不再赘述；该引射器24包括一引射入口241、一引射出口242和一引射口243，该引射入口241与该第一压缩机23通过该气化管路2流体连通，该引射出口242与供气口29流体连通，该引射口243通过该吸气管路 3与该储罐1顶部的气态空间流体连通，从该第一压缩机23的第一排气口232高速排出的高温高压的气态天然气在高速流经该引射器24时，可以将储罐1内的低温低压状态的气态天然气抽出并与高温高压的气态天然气混合后一起从该引射器24的引射出口242排出，因而设置该引射器24不仅可以降低该第一压缩机23排出的天然气的温度和压力，还可以提高该气化管路2供给外部发动机的供气量，该吸气管路3上设置有一单向阀31使得该吸气管路3内的天然气只能够从该储罐1流向该引射口243而不能从该引射口243流向该储罐1，发动机使用天然气的量会随着发动机负载的变化而发生波动，设置该单向阀31后，可以避免该第一压缩机23将高温高压的气态天然气重新送回该储罐1中。
该再液化管路4包括一进入端41和一排出端42，该进入端41流体连通该引射器24的引射出口242，该再液化管路4上依次设置有一换热器43、一第二压缩机44、该气化器22和一节流阀45，该第二压缩机44包括一第二吸气口441和一第二排气口442，该第二吸气口441与该换热器43相连接，该第二排气口442与该气化器22的第三流程的一端相连接，该气化器22的第三流程的另一端与该节流阀45相连接。这一设计，使得该第一压缩机23的第一排气口232所排放出的部分高温高压的气态天然气能够进入到该再液化管路4中，并在该换热器43中释放热量降低温度和压力后再被该第二压缩机44压缩并升温升压，然后进入到该气化器22的第三流程中，在该气化器22中，第二流程中的低温的天然气与该第三流程中的高温的天然气直接传递热量或者通过该第一流程中的传热介质间接传递热量。
该用于船舶发动机的天然气处理系统包括一控制器5，该气化管路2上还设置有一第一截止阀25，该第一截止阀25布置在该引射出口242与供气口29之间，该控制器5能够通过控制该第一截止阀25控制该引射出口242与该供气口29之间的流体连通或断开。当发动机不再需要天然气燃料时，发动机可以发送停止传送天然气燃料信号给该控制器5，该控制器5 即可关闭该第一截止阀25，以免发生泄露现象。
上述方案虽然能够同时实现供气和再液化，但是事实上，在供气时，发动机消耗的天然气的速度远大于储罐1内的液态天然气的速度，该天然气处理系统已经通过引射器24将该储罐1内的气态天然气抽走，该储罐1内能够维持在安全压力下，因而在该天然气处理系统通过该供气口29向外部发动机提供天然气时，再液化系统并不需要运行，为了解决这一技术问题，本发明的储罐1内部还布置有一压力表11，该压力表11能够探测到该储罐1内的压力值，该再液化管路4上还设置有一第二截止阀46，该第二截止阀46布置在该再液化管路4 的进入端41和该换热器43之间，该控制器5能够控制该第二截止阀46进而控制该再液化管路4的连通或者断开。当该发动机需要天然气燃料时，可以关闭该第二截止阀46，当该储罐 1内的压力低于一第一预设压力值、不需要再液化时，也可以关闭该第二截止阀46；当储罐 1内的压力高于该第一预设压力值时、需要再液化时，可以打开该第二截止阀46。储罐1上通常还安装有安全阀，当储罐1内的压力高于安全阀的释放压力时，该安全阀即可打开并向外界释放天然气；因而该第一预设压力值应该比安全阀的释放压力低，从而可以避免安全阀在向外释放天然气前打开该第二截止阀46并启动该第二压缩机44；但是也不能过低，过低的第一预设压力值可能导致该第二压缩机44频繁的启动和暂停。
该气化管路2上还设置有一第三截止阀26，该第三截止阀26布置在该第一压缩机23的第一排气口232和该引射器24的引射入口241之间，该控制器5能够根据其读取到的压力值控制该第三截止阀26进而控制该第一压缩机23的第一排气口232与该引射入口241之间的流体连通或断开。
当该储罐1内的天然气的压力低于第二预设压力值但高于第一预设压力值时，可以关闭该第三截止阀26和该第一压缩机23，此时该引射器24不再有引射作用，此时该引射器24 的引射出口242和该引射口243仍然能够流体连通，该储罐1内与该第二压缩机44的第二吸气口441之间存在一定的压力差，在该压力差的作用下，该储罐1内的低温的气态天然气会经该引射器24进入到该换热器43，在该换热器43内吸收外界的热量后升温后再进入到该第二压缩机44中，这一设计可以避免低温的气态天然气进入到该第二压缩机44中，因而该第二压缩机44可以不必使用成本较高的低温压缩机，这有利于降低成本。气态天然气在该第二压缩机44中被压缩为高温高压状态后再进入到该气化器22的第三流程中，此时该气化器22 的第二流程中并无天然气流过，但是此时该第三流程中的气态天然气可以向该第一流程中的传热介质释放热量并液化，最后被该节流阀45节流为低温状态，最后经该再液化管路4的排出端42排出。很显然，该第二预设压力值应该比该第一预设压力值高，但是仍然低于该储罐 1的安全阀的释放压力。这一设计在该储罐1内的液化天然气的气化速度较小时能够关闭该第一压缩机23和该第三截止阀26，仅靠该第二压缩机44压缩储罐1内的气态天然气，虽然升温和升压作用弱于同时运行该第一压缩机23和该第二压缩机44，但是仍然能够提供足够的再液化能力，而且所耗费的能量明显较小，有利于降低该用于船舶发动机的天然气处理系统的运行成本；
当该储罐1内的天然气的压力高于第二预设压力值时，说明此时该储罐1内的液化天然气的气化速度较快，此时可以打开该第三截止阀26和该第一压缩机23，此时该第一压缩机 23和该第二压缩机44通过该气化管路2和该再液化管路4组成串联结构，最终该第二压缩机44的第二排气口442的压力会较高，再经过该节流阀45的节流后，可以生成更低温度的液态天然气，因而具有更强的再液化能力，在此种模式下，由于该气化器22的第二流程中有低温的液态天然气经过且第三流程中有高温的气态天然气经过，因而第二流程与第四流程可以直接或者间接的发生热传递，为了使这种热传递能够顺利进行，可以采用水浴式换热器，因为水的热阻较气体小，更容易传热，而且水的比热容更大，能够吸收更多的热量。水浴式气化器内的水通常与外界的水源(海水或者河水)保持连通，由一驱动泵驱动，不断的将外界的水送入水浴式换热器中，再将水浴式换热器内的水不断排出，从而使水浴式气化器内的水的水温与外界的水的温度保持基本一致。用于船舶发动机的天然气处理系统在此种模式下运行时，由于该气化器22的第二流程内的液态天然气需要不断的吸热并气化而第三流程内的气态天然气能够不断的释放热量并液化，因而水浴式换热器内的水的温度能够大致保持稳定，因而可以关闭水浴式换热器的驱动泵以降低运行成本；也可以在水浴式换热器的水中设置温度传感器检测水的温度，通过控制器5来读取温度传感器所检测到的水温，当水温在预设温度附近时，通过控制器5关闭驱动泵从而降低运行成本；当温度过高或者过低时才打开驱动泵，使外界的水能够进入到水浴式换热器内同时将水浴换热换热器内的水排出，从而使水浴式换热器内的水的温度保持稳定。
该储罐1内部布置有一喷雾器12，该再液化管路4的排出端42与该喷雾器12相连接。该再液化管路4的排出端42排出的低温液态天然气通过该喷雾器12后可以形成大量的低温的小液滴，从而可以快速有吸收该储罐1内的气态天然气的热量，使其再液化。
综上所述，本发明所公开的用于船舶发动机的天然气处理系统具有以下优点：
一、当发动机需要天然气燃料时，该控制器5可以打开该第一截止阀25和该第三截止阀 26、关闭该第二截止阀46，利用引射作用抽走该储罐1内的气态天然气，使该储罐1维持在较低的压力下，此时未运行该第二压缩机44，有利于降低运行成本；
二、当发动机不需要天然气燃料时，可以关闭该第一截止阀25，以免发生泄露现象，此时若该储罐1内的压力低于第一预设压力值时，说明此时储罐1内的气态天然气的量较少，不需要运行再液化系统，此时整个用于船舶发动机的天然气处理系统牌关闭状态；说明本发明所公开的用于船舶发动机的天然气处理系统能够选择性的运行或者暂停再液化系统，避免再液化系统一直运行，这也有利于降低运行成本；
三、当发动机不需要天然气燃料且该该储罐1内的压力高于第一预设压力值时，说明此时储罐1内存在过量的气态天然气，需要运行再液化系统，使气态天然气重新液化；此时若该储罐1内的压力值低于第二预设压力值，说明该储罐1内存在轻微过量的气态天然气，则关闭该第一压缩机23和该第三截止阀26，仅依靠该第二压缩机44提供较弱的再液化能力、降低再液化的运行成本；此时若该储罐1内的压力值高于第二预设压力值时，说明该储罐1 内存在较多过量的气态天然气，则打开该第一压缩机23和该第三截止阀26，依靠该第一压缩机23和该第二压缩机44提供较强的再液化能力，保证该储罐1的安全运行；说明本发明所公开的用于船舶发动机的天然气处理系统能够根据再液化的需求强弱选择合适的运行方案，在满足再液化需求的前提下，能够使该使用于船舶发动机的天然气处理系统尽可能的运行在更低功耗下，这也有利于降低运行成本。
以上仅仅是本发明的部分实施方式的设计思路，在系统允许的情况下，本发明可以扩展为同时外接更多的功能模块，从而最大限度扩展其功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于船舶发动机的天然气处理系统，包括一储罐（1）和一气化管路（2），所述的储罐（1）内储存有天然气，所述的气化管路（2）包括一供气口（29），所述的气化管路（2）上依次设置有增压泵（21）、一气化器（22）、一第一压缩机（23），所述的增压泵（21）能够从所述的储罐（1）内抽取液态天然气并使天然气能够在气化管路（2）内流动，所述的气化器（22）包括一第一流程和一第二流程，所述的第一流程用于流通传热介质，所述的第二流程用于流通天然气，天然气在流经所述的气化器（22）的第二流程时能够通过所述的气化器（22）吸收第一流程内的传热介质的热量并气化，所述的第一压缩机（23）包括一第一吸气口（231）和一第一排气口（232），所述的第一压缩机（23）能够压缩其从第一吸气口（231）吸入的气态天然气并将压缩后的气态天然气从其第一排气口（232）排出；所述的用于船舶发动机的天然气处理系统还包括一吸气管路（3），所述的气化管路（2）上还设置有一引射器（24），所述的引射器（24）包括一引射入口（241）、一引射出口（242）和一引射口（243），所述的引射入口（241）与所述的第一压缩机（23）通过所述的气化管路（2）流体连通，所述的引射出口（242）与供气口（29）流体连通，所述的引射口（243）通过所述的吸气管路（3）与所述的储罐（1）顶部的气态空间流体连通；其特征在于：所述的气化器（22）还包括一第三流程，所述的第三流程也用于流通天然气，所述的用于船舶发动机的天然气处理系统还包括一再液化管路（4），所述的再液化管路（4）包括一进入端（41）和一排出端（42），所述的进入端（41）流体连通所述的引射器（24）的引射出口（242），所述的再液化管路（4）上依次设置有一换热器（43）、一第二压缩机（44）、所述的气化器（22）和一节流阀（45），所述的第二压缩机（44）包括一第二吸气口（441）和一第二排气口（442），所述的第二吸气口（441）与所述的换热器（43）相连接，所述的第二排气口（442）与所述的气化器（22）的第三流程的一端相连接，所述的气化器（22）的第三流程的另一端与所述的节流阀（45）相连接，流经所述的第三流程的天然气能够通过所述的气化器（22）与流经所述的气化器（22）的第一流程内的传热介质或/和第二流程内的天然气传递热量。
2.根据权利要求1所述的用于船舶发动机的天然气处理系统，其特征在于：所述的吸气管路（3）上设置有一单向阀（31）使得所述的吸气管路（3）内的天然气只能够从所述的储罐（1）流向所述的引射口（243）而不能从所述的引射口（243）流向所述的储罐（1）。
3.根据权利要求1所述的用于船舶发动机的天然气处理系统，其特征在于：流通在所述的气化器（22）的第一流程内的传热介质是空气或水。
4.根据权利要求3所述的用于船舶发动机的天然气处理系统，其特征在于：所述的气化器（22）为水浴式热交换器，流通在所述的气化器（22）的第一流程内的传热介质是水。
5.根据权利要求1所述的用于船舶发动机的天然气处理系统，其特征在于：所述的用于船舶发动机的天然气处理系统包括一控制器（5），所述的气化管路（2）上还设置有一第一截止阀（25），所述的第一截止阀（25）布置在所述的引射出口（242）与供气口（29）之间，所述的控制器（5）能够通过控制所述的第一截止阀（25）控制所述的引射出口（242）与所述的供气口（29）之间的流体连通或断开。
6.根据权利要求5所述的用于船舶发动机的天然气处理系统，其特征在于：所述的储罐（1）内部布置有一压力表（11），所述的压力表（11）能够探测到所述的储罐（1）内的压力值，所述的再液化管路（4）上还设置有一第二截止阀（46），所述的第二截止阀（46）布置在所述的再液化管路（4）的进入端（41）和所述的换热器（43）之间，所述的控制器（5）能够读取所述的压力表（11）的所探测到的压力值，所述的控制器（5）能够根据其读取到的压力值控制所述的第二截止阀（46）进而控制所述的再液化管路（4）的连通或者断开。
7.根据权利要求6所述的用于船舶发动机的天然气处理系统，其特征在于：所述的气化管路（2）上还设置有一第三截止阀（26），所述的第三截止阀（26）布置在所述的第一压缩机（23）的第一排气口（232）和所述的引射器（24）的引射入口（241）之间，所述的控制器（5）能够根据其读取到的压力值控制所述的第三截止阀（26）进而控制所述的第一压缩机（23）的第一排气口（232）与所述的引射入口（241）之间的流体连通或断开。
8.根据权利要求1所述的用于船舶发动机的天然气处理系统，其特征在于：所述的储罐（1）内部布置有一喷雾器（12），所述的再液化管路（4）的排出端（42）与所述的喷雾器（12）相连接。
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