CN113446512A - 船舶lpg预冷加注方法及船舶lpg预冷加注系统 - Google Patents

船舶lpg预冷加注方法及船舶lpg预冷加注系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种船舶LPG预冷加注方法，包括：向LPG储罐内通入干燥的氮气，对LPG储罐进行吹扫、干燥和惰化；向LPG储罐内通入液氮，对LPG储罐进行预冷，且向LPG储罐内通入液氮的质量的最小值M1为：
Figure DDA0003169771000000011
最大值M2为：
Figure DDA0003169771000000012
其中，Mi为LPG储罐各组成部分的质量；Ci为LPG储罐各组成部分的比热容；ΔT为LPG储罐在预冷过程中降低的温度；Qs为LPG储罐在预冷过程中，外界环境与LPG储罐之间的平均传热率；Δt为预冷的时间；r为液氮的汽化潜热；Cf为氮气的比热容；T为LPG储罐内的气体温度；Tb为液氮的饱和温度；LPG储罐内的温度达到预设值后，向LPG储罐内通入LPG。本发明还提供一种船舶LPG预冷加注系统。

Description

船舶LPG预冷加注方法及船舶LPG预冷加注系统
技术领域
本发明涉及船舶燃料供应技术领域，尤其是涉及一种船舶LPG预冷加注方法及船舶LPG预冷加注系统。
背景技术
根据国际海事组织(IMO)海上环境保护委员会(MEPC)《废气清洗系统导则(2015)》规定，从2020年1月1日起船舶燃油硫含量限值为0.5％，在硫排放限制区(SECA)硫含量限值为0.1％。故越来越多的船舶开始使用清洁燃料LPG(Liquefied Petroleum Gas，液化石油气)作为动力源，LPG储罐的加注是液化石油气供气的重要组成部分，对LPG储罐加注前的预冷是确保整个加注过程安全的重要保障措施。
LPG储罐中要储存-100℃的超低温LPG液体，冷却过程中储罐罐体材料会有不同程度的收缩变形，如果预冷过程控制不好，会造成储罐结构破坏，无法继续使用，严重的会导致LPG泄漏引发安全事故，因此储罐的预冷环节是一项非常危险、非常重要的工作。
目前船用LPG储罐主要采用LPG预冷的方式，首先LPG储罐通入常温氮气，对储罐进行吹扫、惰化和干燥，使加注管线及储罐内的水蒸气浓度和含氧量达到标准要求；然后加入LPG，使之经过汽化器汽化，用汽化后得到的BOG(Boil Off Gas，蒸发气)对加注管路和储罐进行氮气置换和预冷，同时通过调节汽化器的进口阀和旁路阀来调节BOG的流量和温度，将BOG温度控制在-60～0℃左右，使管线的温降速率控制在10℃/h；当储罐温度降至-50℃时，再直接通入LPG完成储罐加注。
上述的这种直接采用LPG冷却存在成本较高、浪费LPG燃料、检修更换操作麻烦、风险较大等缺点。同时，目前对于确定预冷过程中消耗的预冷液的量还未有简便通用的数值计算方法，需要做试验进行分析校核，此方法成本较高；或是采用数值模拟的方法，对储罐的温度场、速度场及流场进行建模，此方法建模复杂，需要消耗大量的时间。故如何确定预冷过程中消耗的预冷液的量成为一大难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种船舶LPG预冷加注方法及船舶LPG预冷加注系统，旨在解决上述背景技术存在的不足，使用液氮进行预冷，降低了预冷成本，同时明确液氮的使用量，解决了预冷过程中液氮准备量不足或备用量过多的问题。
本发明提供一种船舶LPG预冷加注方法，包括：
向LPG储罐内通入干燥的氮气，对所述LPG储罐进行吹扫、干燥和惰化；
向所述LPG储罐内通入液氮，对所述LPG储罐进行预冷，且向所述LPG储罐内通入液氮的质量的最小值M1为：
Figure BDA0003169770980000021
最大值M2为：
Figure BDA0003169770980000022
其中，Mi为所述LPG储罐各组成部分的质量；Ci为所述LPG储罐各组成部分的比热容；ΔT为所述LPG储罐在预冷过程中降低的温度；Qs为所述LPG储罐在预冷过程中，外界环境与所述LPG储罐之间的平均传热率；Δt为预冷的时间；r为液氮的汽化潜热；Cf为氮气的比热容；T为所述LPG储罐内的气体温度；Tb为液氮的饱和温度；
所述LPG储罐内的温度达到预设值后，向所述LPG储罐内通入LPG。
进一步地，所述LPG储罐内的温度达到预设值后，向所述LPG储罐内通入LPG，具体包括：
所述LPG储罐内的温度达到预设值后，先向所述LPG储罐内通入一定量的LPG，置换排出所述LPG储罐内的低温氮气，并完成所述LPG储罐的深冷，再继续向所述LPG储罐内通入LPG直至达到所述LPG储罐的充装极限。
进一步地，在对所述LPG储罐进行预冷时，通入所述LPG储罐内的液氮的温度逐渐降低，从而使所述LPG储罐内的温度逐渐降低。
进一步地，在对所述LPG储罐进行预冷时，通入所述LPG储罐内的液氮的温度与所述LPG储罐内的温度之间的差值保持在15℃～25℃。
进一步地，所述预设值为-40℃～-60℃。
进一步地，在对所述LPG储罐进行预冷时，所述LPG储罐内温度降低的速率为5℃/h～10℃/h。
本发明还提供一种船舶LPG预冷加注系统，包括LPG储罐、LPG加注管路、液氮加注管路、氮气加注管路和透气头，所述LPG加注管路、所述液氮加注管路和所述氮气加注管路均与所述LPG储罐连通，所述透气头同时与所述LPG加注管路和所述氮气加注管路连通，所述液氮加注管路上设有调温器。
进一步地，所述液氮加注管路先连通至所述LPG加注管路上，再通过所述LPG加注管路与所述LPG储罐连通。
进一步地，所述LPG储罐上设有第一温度传感器，所述LPG加注管路上设有第二温度传感器和第一压力传感器，所述氮气加注管路上设有第三温度传感器和第二压力传感器。
进一步地，所述船舶LPG预冷加注系统还包括第一泄放管路和第二泄放管路，所述第一泄放管路的两端分别与所述LPG加注管路和所述透气头连通，所述第二泄放管路的两端分别与所述氮气加注管路和所述透气头连通，所述第一泄放管路上设有第一安全阀，所述第二泄放管路上设有第二安全阀。
本发明提供的船舶LPG预冷加注方法，通过使用液氮进行LPG储罐的逐级预冷，降低了预冷过程中消耗预冷液的成本，解决了LPG储罐材料直接承受低温受到过大的温度应力，而导致储罐材料发生冷性脆裂、储罐结构破坏的问题，同时可以更方便地进行LPG储罐的检修，安全性更好。同时，该船舶LPG预冷加注方法提出了预冷过程中消耗液氮量的计算方法，减少确定液氮备用量的计算时间，明确预冷过程最小液氮消耗量，解决预冷加注过程中液氮准备量不足的问题；明确预冷过程最大液氮消耗量，防止液氮备用量过多，而造成的成本增加。
附图说明
图1为本发明实施例中船舶LPG预冷加注系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明的说明书和权利要求书中所涉及的上、下、左、右、前、后、顶、底等(如果存在)方位词是以附图中的结构位于图中的位置以及结构相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的船舶LPG(Liquefied Petroleum Gas，液化石油气)预冷加注系统，包括LPG储罐1、LPG加注管路2、液氮加注管路3、氮气加注管路4和透气头5，LPG加注管路2、液氮加注管路3和氮气加注管路4均与LPG储罐1连通，透气头5同时与LPG加注管路2和氮气加注管路4连通，液氮加注管路3上设有调温器31。
具体地，LPG加注管路2伸入至LPG储罐1内的底部，氮气加注管路4伸入至LPG储罐1内的顶部。LPG加注管路2用于向LPG储罐1内加注LPG，液氮加注管路3用于向LPG储罐1内加注液氮，氮气加注管路4用于向LPG储罐1内加注氮气，透气头5用于排出LPG储罐1、LPG加注管路2、液氮加注管路3和氮气加注管路4中的气体或液体。
进一步地，在本实施例中，液氮加注管路3先连通至LPG加注管路2上，再通过LPG加注管路2与LPG储罐1连通。
进一步地，LPG储罐1上设有第一温度传感器11，LPG加注管路2上设有第二温度传感器21和第一压力传感器22，氮气加注管路4上设有第三温度传感器41和第二压力传感器42。
进一步地，该船舶LPG预冷加注系统还包括第一泄放管路51和第二泄放管路52，第一泄放管路51的两端分别与LPG加注管路2和透气头5连通，第二泄放管路52的两端分别与氮气加注管路4和透气头5连通，第一泄放管路51上设有第一安全阀511，第二泄放管路52上设有第二安全阀521。当在加注液氮/LPG/氮气时，若第一压力传感器22和/或第二压力传感器42检测到管路超压，则打开第一安全阀511和/或第二安全阀521，将多余的液氮/LPG/氮气通过透气头5排出。
进一步地，LPG加注管路2上设有第一过滤器24，氮气加注管路4上设有第二过滤器43。第一过滤器24和第二过滤器43用于过滤通入LPG储罐1内的液氮/LPG/氮气中的杂质。
进一步地，LPG加注管路2与透气头5之间的管路上设有第一排空阀53，氮气加注管路4与透气头5之间的管路上设有第二排空阀54。
进一步地，液氮加注管路3上还设有液氮进口截止阀32。LPG加注管路2上还设有LPG进口截止阀23、加注液相气动阀25、加注液相手阀26、加注液相截止阀27和加注液相紧急切断阀28。氮气加注管路4上还设有加注气相气动阀44、加注气相手阀45、加注气相截止阀46和加注气相紧急切断阀47。
本发明实施例还提供一种船舶LPG预冷加注方法，该方法包括：
向LPG储罐1内通入干燥的氮气，对LPG储罐1进行吹扫、干燥和惰化；
向LPG储罐1内通入液氮，对LPG储罐1进行预冷，且向LPG储罐1内通入液氮的质量的最小值M1为：
Figure BDA0003169770980000061
最大值M2为：
Figure BDA0003169770980000062
其中，Mi为LPG储罐1各组成部分的质量；Ci为LPG储罐1各组成部分的比热容；ΔT为LPG储罐1在预冷过程中降低的温度；Qs为LPG储罐1在预冷过程中，外界环境与LPG储罐1之间的平均传热率；Δt为预冷的时间；r为液氮的汽化潜热；Cf为氮气的比热容；T为LPG储罐1内的气体温度；Tb为液氮的饱和温度；
LPG储罐1内的温度达到预设值后，向LPG储罐1内通入LPG。
进一步地，上述LPG储罐1内的温度达到预设值后，向LPG储罐1内通入LPG，具体包括：
LPG储罐1内的温度达到预设值后，先向LPG储罐1内通入一定量的LPG，置换排出LPG储罐1内的低温氮气，并完成LPG储罐1的深冷，再继续向LPG储罐1内通入LPG直至达到LPG储罐1的充装极限。
进一步地，在对LPG储罐1进行预冷时，通入LPG储罐1内的液氮的温度逐渐降低，从而使LPG储罐1内的温度逐渐降低，即使LPG储罐1逐级预冷。
进一步地，在对LPG储罐1进行预冷时，通入LPG储罐1内的液氮的温度与LPG储罐1内的温度之间的差值保持在15℃～25℃，以防止通入LPG储罐1内的液氮的温度与LPG储罐1内的温度之间的差值过大而导致LPG储罐1直接承受低温受到过大的温度应力，防止LPG储罐1材料发生冷性脆裂，LPG储罐1结构发生破坏。
优选地，通入LPG储罐1内的液氮的温度与LPG储罐1内的温度之间的差值保持在20℃。具体地，液氮在通入LPG储罐1内时，可以通过调温器31调整液氮的温度。例如：当LPG储罐1内的初始温度为25℃时，在向LPG储罐1内通入液氮进行预冷时，保持液氮的温度与LPG储罐1内的温度之间的差值在20℃。在第一阶段，通入LPG储罐1内的液氮的温度保持在5℃，此时液氮的温度与LPG储罐1内的温度之间的差值为20℃；第二阶段，LPG储罐1内的温度下降到15℃，此时控制通入LPG储罐1内的液氮的温度保持在-5℃；第三阶段，LPG储罐1内的温度下降到5℃，此时控制通入LPG储罐1内的液氮的温度保持在-15℃…，以此类推，直到LPG储罐1内的温度达到预设值。
进一步地，预设值为-40℃～-60℃。
优选地，预设值为-50℃。
进一步地，在对LPG储罐1进行预冷时，LPG储罐1内温度降低的速率为5℃/h～10℃/h。
优选地，在对LPG储罐1进行预冷时，LPG储罐1内温度降低的速率为5℃/h。
进一步地，在对LPG储罐1进行预冷时，向LPG储罐1内通入液氮的流量可视LPG储罐1的体积大小而定。
具体地，计算预冷过程消耗液氮量是基于能量守恒定律，将LPG储罐1、LPG储罐1内的流体及其所处环境作为一个系统，系统内总能量不变，主要考虑LPG储罐1系统的总放热量、LPG储罐1温度达到稳态时环境传给LPG储罐1的漏热量、液氮的物理性质、预冷时间等影响因素，建立预冷过程消耗液氮量数学模型。预冷过程中的液氮消耗量根据显热的利用程度存在两种极限情况：当液氮消耗量最小时，预冷过程既利用了液氮的汽化潜热，又完全利用汽化后氮气的显热，即任何时刻逃逸气体的温度与LPG储罐1内壁温度相等；当液氮消耗量最大时，LPG储罐1系统各部分间传热不好，预冷过程只利用了液氮的汽化潜热。根据建立的预冷过程消耗液氮量数学模型分别计算最小消耗量M1和最大消耗量M2，实际预冷过程中液氮的消耗量在两者之间。
以下具体说明向LPG储罐1内通入液氮的质量的最小值M1和最大值M2的计算过程：
1、根据能量守恒定律，系统放出的总能量Qr等于系统吸收的总能量Qf，即：Qr＝Qf；
2、系统放出的总能量Qr等于LPG储罐1降温到工作温度放出的热量Q1与环境的漏热量Q2之和，即：Qr＝Q1+2；
3、LPG储罐1降温到工作温度放出的热量Q1等于LPG储罐1各组成部分(包括储罐内罐、绝热层材料、垫木、管路及罐内气体等)放出的能量总和，根据热量计算公式，得：Q1＝∑Mi*Ci*ΔT；
其中：Mi为LPG储罐1各组成部分的质量(单位为kg)，Ci为LPG储罐1各组成部分的比热容(单位为kJ/(kg·℃)，ΔT为LPG储罐1在预冷过程中降低的温度(单位为℃)；
4、环境的漏热量Q2等于LPG储罐1在预冷过程中，外界环境与LPG储罐1之间的平均传热率Qs与预冷时间Δt的乘积，即：Q2＝Qs*Δt；
5、系统吸收的总能量Qf为预冷液氮提供的能量，包括液氮的汽化吸收潜热量Q3与汽化后低温氮气将LPG储罐1冷却至工作温度时的显热量Q4，即：Qf＝Q3+Q4；
6、液氮的汽化吸收潜热量Q3等于液氮的平均通入质量流量Mf与液氮的汽化潜热r和预冷时间Δt的乘积，即：Q3＝Mf*r*Δt；
7、低温氮气将LPG储罐1冷却至工作温度时的显热量Q4等于液氮的平均通入质量流量Mf与氮气的平均比热容Cf及LPG储罐1内气体温度T与液氮饱和温度Tb差值的乘积，即：Q4＝Mf*Cf*(T-Tb)；
8、液氮的总消耗量M为液氮的平均通入质量流量Mf与预冷时间Δt的乘积，即：M＝Mf*Δt；
最终求得液氮的总消耗量M为：
Figure BDA0003169770980000091
当液氮消耗量最少时，此时预冷过程既利用了液氮的汽化潜热，又完全利用汽化后氮气的显热，即任何时刻逃逸气体的温度与LPG储罐1内壁温度相等，此时计算时可认为罐内气体温度T为最终罐内预冷温度，预冷液氮的冷量被完全利用，即最小值
Figure BDA0003169770980000092
当液氮消耗量最大时，储罐系统各部分间传热不好，预冷过程只利用了液氮的汽化潜热，完全没有利用气化后低温氮气的显热，此时液氮的总消耗量可简化为
Figure BDA0003169770980000093
实际预冷加注过程中液氮消耗量在最小消耗量M1和最大消耗量M2之间。
以下结合该船舶LPG预冷加注方法和船舶LPG预冷加注系统，具体说明LPG预冷加注的过程：
LPG预冷加注的过程主要包括：常温氮气吹扫、惰化和干燥，液氮逐级预冷LPG储罐1，LPG深度预冷并完成加注。
1、先从氮气加注管路4向LPG储罐1内通入常温氮气，与LPG储罐1内的空气进行充分置换，打开第一排空阀53，使空气和氮气从透气头5排到大气，最终使氮气加注管路4及LPG储罐1内的水蒸气浓度和含氧量达到标准要求；停止通入常温氮气，完成LPG储罐1的干燥、惰化；
2、向LPG储罐1内通入液氮对LPG储罐1进行预冷，液氮经过调温器31，从液氮加注管路3进入LPG储罐1，通过控制液氮流量从而控制LPG储罐1内温度下降的速率，稳定LPG储罐1的温降在5℃/h，对LPG储罐1进行逐级预冷；同时利用低温氮气与常温氮气的密度差，打开第二排空阀54，将常温氮气从LPG储罐1挤出，从透气头5排到大气；当LPG储罐1内温度达到-50℃时，停止通入液氮，完成LPG储罐1的初步预冷；
3、打开LPG进口截止阀23，从LPG加注管路2向LPG储罐1内通入LPG，置换LPG储罐1内的低温氮气，将低温氮气从LPG储罐1内挤出，从透气头5排到大气，使LPG储罐1内的温度达到-70℃，完成LPG储罐1的深冷；继续通入LPG，直到达到LPG储罐1的充装极限，完成加注过程。
本实施例提供的船舶LPG预冷加注方法的优点在于：
1、通过使用液氮进行LPG储罐1的预冷，相较于传统的直接使用LPG进行预冷的方法，降低了预冷过程中消耗预冷液的成本；
2、通过使用液氮对LPG储罐1进行逐级预冷，解决了LPG储罐1材料直接承受低温受到过大的温度应力，而导致LPG储罐1材料发生冷性脆裂、LPG储罐1结构破坏的问题，同时可以更方便地进行LPG储罐1的检修，安全性更好；
3、该船舶LPG预冷加注方法提出了预冷过程中消耗液氮量的计算方法，减少确定液氮备用量的计算时间，明确预冷过程最小液氮消耗量，解决预冷加注过程中液氮准备量不足的问题；明确预冷过程最大液氮消耗量，防止液氮备用量过多，而造成的成本增加。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种船舶LPG预冷加注方法，其特征在于，包括：
向LPG储罐(1)内通入干燥的氮气，对所述LPG储罐(1)进行吹扫、干燥和惰化；
向所述LPG储罐(1)内通入液氮，对所述LPG储罐(1)进行预冷，且向所述LPG储罐(1)内通入液氮的质量的最小值M1为：
Figure FDA0003169770970000011
最大值M2为：
Figure FDA0003169770970000012
其中，Mi为所述LPG储罐(1)各组成部分的质量；Ci为所述LPG储罐(1)各组成部分的比热容；ΔT为所述LPG储罐(1)在预冷过程中降低的温度；Qs为所述LPG储罐(1)在预冷过程中，外界环境与所述LPG储罐(1)之间的平均传热率；Δt为预冷的时间；r为液氮的汽化潜热；Cf为氮气的比热容；T为所述LPG储罐(1)内的气体温度；Tb为液氮的饱和温度；
所述LPG储罐(1)内的温度达到预设值后，向所述LPG储罐(1)内通入LPG。
2.如权利要求1所述的船舶LPG预冷加注方法，其特征在于，所述LPG储罐(1)内的温度达到预设值后，向所述LPG储罐(1)内通入LPG，具体包括：
所述LPG储罐(1)内的温度达到预设值后，先向所述LPG储罐(1)内通入一定量的LPG，置换排出所述LPG储罐(1)内的低温氮气，并完成所述LPG储罐(1)的深冷，再继续向所述LPG储罐(1)内通入LPG直至达到所述LPG储罐(1)的充装极限。
3.如权利要求1所述的船舶LPG预冷加注方法，其特征在于，在对所述LPG储罐(1)进行预冷时，通入所述LPG储罐(1)内的液氮的温度逐渐降低，从而使所述LPG储罐(1)内的温度逐渐降低。
4.如权利要求2所述的船舶LPG预冷加注方法，其特征在于，在对所述LPG储罐(1)进行预冷时，通入所述LPG储罐(1)内的液氮的温度与所述LPG储罐(1)内的温度之间的差值保持在15℃～25℃。
5.如权利要求1所述的船舶LPG预冷加注方法，其特征在于，所述预设值为-40℃～-60℃。
6.如权利要求1所述的船舶LPG预冷加注方法，其特征在于，在对所述LPG储罐(1)进行预冷时，所述LPG储罐(1)内温度降低的速率为5℃/h～10℃/h。
7.一种船舶LPG预冷加注系统，其特征在于，包括LPG储罐(1)、LPG加注管路(2)、液氮加注管路(3)、氮气加注管路(4)和透气头(5)，所述LPG加注管路(2)、所述液氮加注管路(3)和所述氮气加注管路(4)均与所述LPG储罐(1)连通，所述透气头(5)同时与所述LPG加注管路(2)和所述氮气加注管路(4)连通，所述液氮加注管路(3)上设有调温器(31)。
8.如权利要求7所述的船舶LPG预冷加注系统，其特征在于，所述液氮加注管路(3)先连通至所述LPG加注管路(2)上，再通过所述LPG加注管路(2)与所述LPG储罐(1)连通。
9.如权利要求7所述的船舶LPG预冷加注系统，其特征在于，所述LPG储罐(1)上设有第一温度传感器(11)，所述LPG加注管路(2)上设有第二温度传感器(21)和第一压力传感器(22)，所述氮气加注管路(4)上设有第三温度传感器(41)和第二压力传感器(42)。
10.如权利要求7所述的船舶LPG预冷加注系统，其特征在于，所述船舶LPG预冷加注系统还包括第一泄放管路(51)和第二泄放管路(52)，所述第一泄放管路(51)的两端分别与所述LPG加注管路(2)和所述透气头(5)连通，所述第二泄放管路(52)的两端分别与所述氮气加注管路(4)和所述透气头(5)连通，所述第一泄放管路(51)上设有第一安全阀(511)，所述第二泄放管路(52)上设有第二安全阀(521)。
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