CN114729779A - 用于处理以液态和气态容纳在储存和/或运输气体的罐中的气体的系统 - Google Patents

用于处理以液态和气态容纳在储存和/或运输气体的罐中的气体的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于处理包含在罐(200)中的气体的系统(100)，包括至少一个气体消耗装置(300)、用于供应装置(300)的至少一个供应设备(110)和至少一个封闭的制冷剂流体(FR)回路(120)，供应设备(110)包括：第一热交换器(130)，配置成冷却制冷剂流体(FR)；压缩装置(140)，配置成压缩来自第一热交换器(130)的气体；冷却装置(160)，用于冷却来自罐(200)的液态气体；第二热交换器(170)，被配置为在取自罐(200)的液态气体和来自压缩装置(140)的一部分气态气体之间进行热交换，其特征在于，冷却装置(160)和第二热交换器(170)是分开的。

Description

用于处理以液态和气态容纳在储存和/或运输气体的罐中的 气体的系统
技术领域
本发明涉及船领域，其推进发动机被供应天然气，并且还能够容纳和/或运输液化天然气。
背景技术
因此，这种船通常包括装有液态天然气的罐。天然气在处于大气压时在低于-160℃的温度时是液态的。这些罐从未完美绝热，因此其中的天然气至少会部分蒸发。因此，这些罐既包含液态天然气，也包含气态天然气。这种气态形式的天然气也称为汽化气体(BOG)，并形成罐拱顶。必须控制罐拱顶中的压力，以免损坏罐。因此，以已知的方式，至少一部分以气态形式存在于罐中的天然气被用于供应船的推进发动机等。
然而，船的发动机对气态天然气的消耗是可变的，并且有必要安装额外的系统来处理蒸发的过量天然气。因此，在船上安装了再液化系统，其使得罐中存在的蒸发的天然气能够冷凝，以便使其以液态返回到该罐中。
发明内容
目前使用的再液化系统非常昂贵，本发明旨在通过提出一种用于处理气体的系统来解决这一缺点，该系统包括比现有系统更少的部件，或者包括更便宜的部件，从而能够降低实施这种系统的总成本，同时提供至少相等的性能。
因此，本发明的一个目的涉及一种用于处理容纳在罐中的气体的系统，该罐用于以液态和气态储存和/或运输气体，该处理系统包括至少一个气体消耗装置、用于供应所述至少一个气体消耗装置的至少一个设备和被配置为使制冷剂流体通过其中的至少一个闭合回路，用于供应所述至少一个气体消耗装置的设备至少包括：
-第一热交换器，被配置为冷却在闭合回路中流通的制冷剂流体；
-压缩装置，被配置为将离开第一热交换器的气态气体压缩到与所述至少一个气体消耗装置的要求相适应的压力，
-冷却装置，被配置成实现制冷剂流体和以液态在罐中抽取的气体之间的热交换，
-第二热交换器，被配置为在罐中抽取的液态气体和离开压缩装置且未被发送到所述至少一个气体消耗装置的气态气体部分之间实现热交换。
根据本发明，冷却装置和第二热交换器是分开的。换句话说，冷却装置和第二热交换器在物理上是分开的，并且彼此相距非零距离设置。此外，在冷却装置和第二热交换器之间没有直接热量传递。
根据本发明的气体处理系统能够处理罐中以气态存在的气体，这种以气态存在的气体是通过容纳在该罐中的液化气体的自然蒸发现象产生的。
根据本发明的一个特征，第一热交换器被配置成在以气态在罐中抽取的气体和在闭合回路中流通的制冷剂流体之间实现热交换。根据本发明的这个特征，第一热交换器布置在用于供应所述至少一个气体消耗装置的设备和闭合制冷剂流体回路之间的接口处。换句话说，第一热交换器包括至少一个第一通道和至少一个第二通道，所述第一通道适于使以气态在罐中抽取的气体通过，所述第二通道适于使闭合回路中的制冷剂流体通过。
根据本发明的一个实施例，冷却装置可以例如是第三热交换器，该第三热交换器被配置成实现制冷剂流体和以液态在罐中抽取的气体之间的热交换。在该第三热交换器中流通的以液态在罐中抽取的气体更特别地能够将热量释放给也在该第三热交换器中流通的制冷剂流体，使得以液态在罐中抽取的气体通过其穿过第三热交换器而被冷却。根据本发明，第二热交换器和第三热交换器是分开的，也就是说，在第二热交换器中流通的流体和在第三热交换器中流通的流体之间不发生直接热传递。
根据本发明的一个特征，至少一个膨胀装置布置在第二热交换器和罐之间。该膨胀装置能够通过穿过压缩装置而被压缩的气体的压力，从而使其返回到与罐中存在的气体的压力基本相同的压力，以这种方式能够使其返回到该罐中。
根据本发明的另一个特征，至少一个调节装置布置在压缩装置和罐之间。例如，该调节装置可以是开/关阀，也就是说，该阀能够采取打开位置或关闭位置，在打开位置，该阀允许气体在输送该气体的导管中流通，在关闭位置，该阀阻止气体在该导管中流通。
根据本发明，第二热交换器包括至少一个第一通道和至少一个第二通道，所述第一通道适于使未被送至所述至少一个气体消耗装置的气态气体部分通过，所述第二通道适于使以液态在罐中抽取的气体通过，第二热交换器的第一通道和第二通道都连接至罐的底部。换句话说，离开第二热交换器的所有气体在通过第二热交换器后都返回到罐的底部。“罐的底部”是指罐的从罐的底壁和平行于该底壁的平面延伸的一部分，并且最大设置在罐总高度的20％，该总高度是沿着垂直于该罐的下底壁的直线在该罐的两个相对端之间的罐的测量的，其沿着该直线。参与限定“罐的底部”的平行于下底壁的平面可以有利地布置在罐的总高度的10％处。
根据本发明的一个特征，第二热交换器的第二通道适于被直接供应以液态在罐中抽取的气体。“直接”是指以液态在罐中抽取的气体被送到第二热交换器的第二通道，而没有压力或温度改变，除了与泵送本身相关的那些之外。
根据本发明的另一个特征，供给冷却装置的以液态在罐中抽取的气体在通过该冷却装置后直接返回罐中。如前所述，术语“直接返回”必须在这种意义上被理解：以液态在罐中抽取的气体被返回到罐中，而没有经历压力或温度的改变，除了在冷却装置中经历的那些之外。
替代地，第二热交换器的第二通道适于被供应通过穿过冷却装置而被冷却的气体。根据该替代方案，被冷却装置冷却的气体在返回到罐中之前通过穿过第二热交换器被加热。
因此，根据操作根据本发明的气体处理系统的第一操作模式，由压缩装置压缩的所有气体被所述至少一个气体消耗装置消耗。根据该第一操作模式，布置在压缩装置和第二热交换器之间的调节装置处于关闭位置，并且供给冷却装置的以液态抽取的气体在通过该冷却装置之后直接返回到罐中，也就是说不通过第二热交换器。换句话说，以液态在罐中抽取的气体通过其穿过冷却装置而被冷却，并且在与已经存在于该罐中的液态气体混合时，被冷却装置冷却的该气体导致罐中存在的液态气体的冷却，这倾向于限制上文提及的自然蒸发现象。
根据操作根据本发明的气体处理系统的第二操作模式，第二热交换器形成用于未被送至所述至少一个气体消耗装置的那部分气态气体的冷凝器。根据该第二操作模式，布置在压缩装置和第二热交换器之间的调节装置处于其打开位置，使得没有被送到所述至少一个气体消耗装置的那部分气态气体能够重新加入第二热交换器。因此，该未使用的部分在返回到罐之前被液化，在罐中，该部分与已经以液态存在的气体混合。假设在第二热交换器中实现的热交换不会使没有被送到所述至少一个气体消耗装置的那部分气态气体完全冷凝，这部分通过与罐中以液态存在的气体接触而有利地完成其冷凝。
根据本发明，以液态在罐中抽取以供给该冷却装置的气体在该冷却装置的入口处具有-163℃至-158℃(包含端点)的温度，在该冷却装置的出口处具有-177℃至-165℃(包含端点)的温度，并且离开冷却装置重新加入第二热交换器的气体在该第二热交换器的入口处具有-177℃至-165℃(包含端点)的温度，并且在第二热交换器的出口处具有-177℃至-150℃(包含端点)的温度。当根据本发明的气体处理系统在标称状态下运行时，也就是说在所述至少一个气体消耗装置具有最小消耗的情况下，这些值被更具体地验证。气体有利地在冷却装置的入口处具有-160℃的温度，在冷却装置的出口和第二热交换器的入口处具有-168℃的温度，在第二热交换器的出口处具有-152℃的温度。
就其本身而言，未被送到气体消耗装置的气体部分在该第二热交换器的入口处具有5℃至45℃(包含端点)的温度，并且在该第二热交换器的出口处具有-160℃至-152℃(包含端点)的温度。未被送到气体消耗装置的那部分气体有利地在第二热交换器的入口处具有43℃的温度，并且在该第二热交换器的出口处具有-158℃的温度。
根据本发明，闭合回路包括至少一个压缩构件、至少第一热交换器、至少一个膨胀构件和至少冷却装置。根据本发明，压缩构件、第一热交换器、膨胀构件和冷却装置根据闭合回路中制冷剂流体的流通方向按此顺序布置。
根据本发明的一个特征，第一热交换器包括：至少一个第一通道，其适于使以气态在罐中抽取的气体通过；至少一个第二通道，其适于使被压缩构件压缩的制冷剂流体通过；以及至少一个第三通道，其适于使膨胀的制冷剂流体通过。
有利地，至少一个第一附加导管布置在第一导管和闭合回路的压缩构件之间，第一导管在罐和压缩装置之间延伸，至少一个第二附加导管布置在压缩构件和所述至少一个气体消耗装置之间，至少一个调节阀布置在第一附加导管或第二附加导管上。根据本发明，该调节阀是开/关阀，其被配置成采取打开位置或关闭位置，在打开位置，调节阀允许离开第一热交换器的第一通道的气态气体经由该第一附加导管通过，在关闭位置，其阻止气体穿过第一附加导管。根据本发明，压缩构件、第一和第二附加导管以及调节阀因此形成压缩装置的冗余系统。因此，如果该压缩装置有故障，压缩构件能够接管，使得所述至少一个气体消耗装置的供应不会中断。
根据本发明的一个实施例，冷却装置和/或第二热交换器是板式热交换器。换句话说，这些交换器由板的堆叠形成，相关流体在这些板之间流通。这些板由导热材料制成，并且在这些板之间流通的流体具有温差，使得在同一板的相应相对侧上流通的流体之间能够实现热交换。
本发明还涉及一种用于运输液化气体的船，该船包括至少一个用于液化气体货物的罐、至少一个消耗液化气体的装置和至少一个根据本发明的气体处理系统。
本发明还涉及一种用于装载或卸载液化气体的系统，该系统结合了至少一个陆上装置和至少一个根据本发明的用于运输液化气体的船。
最后，本发明涉及一种操作根据本发明的气体处理系统的方法，至少包括以下步骤：
-抽取罐中的气态气体，
-通过与制冷剂流体进行热交换来加热以气态在罐中抽取的气体，热交换在第一热交换器中进行，
-向至少一个气体消耗装置供应通过穿过第一热交换器被加热并被压缩装置压缩的气体的至少一部分，
-通过冷却装置冷却以液态在罐中抽取的气体，
-通过与被冷却装置冷却的气体进行热交换，冷凝通过穿过第一热交换器被加热的气体的另一部分，该另一部分气体没有被送到所述至少一个气体消耗装置，热交换在第二热交换器中进行。
本发明还涉及一种根据本发明的用于将液化气体装载到根据本发明的用于输出气体的船上或从船上将其卸载的方法。
附图说明
参考附图，一方面通过阅读下面的描述，另一方面通过以非限制性指示的方式给出的多个示例性实施例，本发明的其他特征、细节和优点将变得更加明显，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的气体处理系统；
图2示意性地示出了操作图1所示气体处理系统的第一操作模式；
图3示意性地示出了操作图1所示气体处理系统的第二操作模式；
图4示意性地示出了操作图1所示气体处理系统的第三操作模式；
图5示意性地示出了图1所示的气体处理系统，其中压缩装置有故障；
图6是甲烷油轮船罐和用于装载和/或卸载该罐的码头的示意性剖视图。
具体实施方式
在示出了根据本发明的气体处理系统的不同操作模式的图2至图5中，实线表示气体或制冷剂流体FR在其中流通的该气体处理系统100的导管，虚线表示气体或制冷剂流体FR都不在其中流通的该气体处理系统100的导管。术语“上游”和“下游”应根据气体或制冷剂流体FR在导管或相关物体中的流通方向来理解。
图1表示根据本发明的气体处理系统100，该气体以液态和气态容纳在罐200中。在说明书的剩余部分中，术语“罐拱顶201”是指罐200的一部分，其中存在气态的气体。在罐200的其余部分，气体以液态存在。“罐的底部”是指罐200的一部分，其从罐200的底壁202延伸到平行于该底壁202的平面，并且最大设置为罐200总高度的20％，该总高度是沿着垂直于罐200的底壁202的直线D在该罐200的两个相对末端之间测量的，且沿着该线D。参与限定“罐的底部”的平行于下底壁的平面可以有利地布置在罐体总高度的10％处。
根据本发明应用的一个例子，包含在罐200中的气体是天然气，该罐200有利地能够储存和/或运输该天然气。应当理解，这仅仅是一个实施例，在不脱离本发明的情况下，这种气体可以是不同的。这种天然气在大约-160℃的温度下是液态的，因此这种液态天然气的一部分自发蒸发，然后产生积聚在罐拱顶201中的气态天然气。此外，术语“处理系统100”和“气体处理系统100”不加区分地使用。
根据本发明的处理系统100包括至少一个气体消耗装置300、供应所述至少一个气体消耗装置300的至少一个用于设备110和至少一个闭合回路120，设备110适于使容纳在罐200中的气体通过，闭合回路120被配置成使制冷剂流体FR通过。“制冷剂流体FR”是指被配置成在改变状态时捕获和释放热量的流体。因此，当这种制冷剂流体FR从液态变成气态时，它捕获其环境中存在的热量，而当它从气态变成液态时，它向其环境释放热量。
如上所述，包含在罐200中的气体可以是天然气，也就是说主要由甲烷组成，其具有低于-160℃的液化温度。因此，根据本发明的制冷剂流体FR的组成特别适合于在低温下使用，也就是说特别是该制冷剂流体FR在这些低温下不会冻结。“低温”是指低于-50℃的温度。根据本发明的制冷剂流体FR也是无腐蚀性和无毒的。
用于供应所述至少一个气体消耗装置300的设备110包括：至少一个第一热交换器130，其被配置为加热以气态在罐拱顶201中抽取的气体；至少一个压缩装置140，其被配置为压缩气体，使得该气体可以被输送到所述至少一个气体消耗装置300；至少一个冷却装置160，用于冷却以液态在罐200中抽取的气体；以及至少一个第二热交换器170，其被配置成冷凝被压缩装置140压缩但未被输送到所述至少一个气体消耗装置300的气体的至少一部分，以便能够将未被输送到所述至少一个气体消耗装置300的这部分气体重新注入到罐200中。
根据本发明，第二热交换器170更具体地被配置成实现未被发送到气体消耗装置300的压缩气体部分和以液态在罐200中被抽取的气体部分之间的热交换。换句话说，第二热交换器170包括至少一个第一通道171和至少一个第二通道172，未被发送到所述至少一个气体消耗装置300的压缩气体部分能够在第一通道171中流通，以液态在罐200中抽取的气体能够在第二通道172中流通。因此，在第一通道171中流通的气态气体在向在第二通道172中流通的液态气体释放热量时被冷凝。换句话说，第二热交换器170相对于没有被送到所述至少一个气体消耗装置300的气态气体部分充当冷凝器。
在本发明的应用的一个特定例子中，在第二热交换器170的第二通道172中流通的以液态在罐200中抽取的气体可以在重新加入第二热交换器170之前被冷却装置160冷却，从而使分别在第二热交换器170的第一通道171和第二通道172中流通的流体之间的温差最大化，因此改善了这些流体之间的热交换以及由此产生的冷凝。根据本发明的该应用实例，以液态在罐200中抽取以供给冷却装置160的气体在该冷却装置160的入口401处具有-163℃和-158℃之间(包含端点)的温度，并且在该冷却装置160的出口402处具有-177℃和-165℃之间(包含端点)的温度。离开冷却装置160重新加入第二热交换器170的气体在该第二热交换器170的入口403处的温度在-177℃和-165℃之间(包含端点)，在该第二热交换器170的出口404处的温度在-177℃和-150℃之间(包含端点)。气体有利地在冷却装置160的入口401处具有-160℃的温度，在冷却装置160的出口402处和第二热交换器170的第二通道172的入口403处具有-168℃的温度，在第二热交换器170的第二通道172的出口404处具有-152℃的温度。
此外，未被送到气体消耗装置300的那部分气体在第二热交换器170的第一通道171的入口405处的温度在5℃和45℃之间(包含端点)，在第二热交换器170的第一通道171的出口406处的温度在-172℃和-150℃之间(包含端点)。未被送到气体消耗装置300的那部分气体有利地在第二热交换器170的第一通道171的入口405处具有43℃的温度，并且在该第二热交换器170的第一通道171的出口406处具有-158℃的温度。
供应设备110还包括设置在压缩装置140和罐200之间的至少一个膨胀装置150。该膨胀装置150被配置成膨胀由压缩装置140压缩的未被发送到气体消耗装置300的气体部分，也就是说，将这部分气体的压力降低到基本上等于以液态存在于罐200中的气体的压力，以便使未被发送到气体消耗装置300的这部分气体能够返回到罐200中。根据所示的示例，该膨胀装置150布置在第二热交换器170和罐200之间。该膨胀装置150更具体地布置在第二热交换器170的第一通道171的出口406和罐200之间。
根据附图中所示的本发明的一个实施例，冷却装置160由第三热交换器161形成，该第三热交换器161适于实现以液态在罐200中抽取的气体和旨在通过闭合回路120的制冷剂流体FR之间的热交换。换句话说，应当理解，该第三热交换器161布置在闭合回路120和用于供应所述至少一个气体消耗装置300的设备110之间的接口处，并且其包括至少一个第一通道162和至少一个第二通道163，第一通道162适于使以液态在罐200中抽取的气体通过，第二通道163适于使制冷剂流体FR通过。例如，该第三热交换器161可以是板式交换器，也就是说，由多个板的堆叠形成的交换器，根据所示的示例，以液态在罐200中抽取的气体和制冷剂流体在这些板之间流通。这些板包括导热材料，该导热材料能够在这些板的相应相对侧上流通的两种流体之间传递热量。
第二热交换器170也可以有利地是板式交换器，也就是说由板的堆叠形成的交换器，液态气体和未被气体消耗装置300消耗的气态压缩气体在这些板之间流通。
为了确保向第三热交换器161供应液化气提，泵164布置在罐200中，该泵164通过第一管道165连接到第三热交换器161的第一通道162。此外，第二管道166使得第三热交换器161的第一通道162能够连接到第二热交换器170，并且第三管道167本身将第二热交换器170连接到罐200的底部。
此外，第四管道168布置在第二管道166和罐200之间，至少一个第一调节构件192布置在该第四管道168上，第五管道169布置在第一管道165和第二管道166之间，该第五管道169配备有至少一个第二调节构件193。例如，第一调节构件192和第二调节构件193是两个开/关阀，也就是说，被配置成采取打开位置或关闭位置的阀，在打开位置，它们分别允许气体在第四管道168和第五管道169中流通，在关闭位置，它们阻止气体在这些管道中流通。应当理解，这些阀是彼此独立可控的。
就其本身而言，供应设备110包括：至少一个第一导管111，其承载布置在罐拱顶201和压缩装置140之间的第一热交换器130；至少一个第二导管112，其布置在第一导管111和压缩装置140之间，并配备有类似于上述第一和第二调节构件16、17的第三调节构件194；至少一个第三导管113，其布置在压缩装置140和所述至少一个气体消耗装置300之间；至少一个第四导管114，其布置在第三导管113和第二热交换器170的第一通道171之间；以及至少一个第五导管115，其布置在第二热交换器170的第二通道171和罐200之间。该第五导管115更具体地布置在第二热交换器170的第二通道171和罐200的底部之间。如上所述，根据所示的例子，第五导管115承载膨胀装置150。
如将在下文中更全面描述的，第二导管112使得第一热交换器130能够被绕过，也就是说，该第二导管112使得至少压缩装置140能够被供应，即使在闭合回路120故障或有意停止的情况下。
所述至少一个气体消耗装置300可以例如是船的发动机，特别是推进发动机，根据本发明的气体处理系统100用于该船。替代地，该气体消耗装置300可以是相关船的发电机的发动机。根据本发明的一个应用实例，处理系统100的供应设备110可以被配置为向至少两个气体消耗装置300供应气体。应当理解，这些仅仅是实施例，并不限制本发明。
制冷剂流体FR闭合回路120依次包括至少一个压缩构件121、第一热交换器130、膨胀构件122和根据所示示例由第三热交换器161形成的冷却装置160。因此，第一热交换器130布置在制冷剂流体FR闭合回路120和气体消耗装置300的供应设备110之间的接口处。换句话说，第一热交换器130包括至少一个第一通道131和至少一个第二通道132，第一通道131适于使以气态在罐拱顶201中抽取的气体通过，第二通道132适于使制冷剂流体FR通过。因此，在第一热交换器130中，在第一通道131和第二通道132之间可以实现热交换，使得气体在其中被加热并且制冷剂流体FR被冷却。根据图中所示实施例的第一热交换器130有利地包括第三通道133，该第三通道133也适于使制冷剂流体FR通过。在该第三通道133中流通的制冷剂流体FR更具体地从在第二通道132中流通的制冷剂流体FR获取热量。应当理解，这仅仅是一个实施例，并且在不脱离本发明的情况下，第一热交换器130可以不包括该第三通道133。
闭合回路120因此包括布置在第一热交换器130的压缩构件121和第二通道132之间的至少一个第一管件123、布置在第一热交换器130的第二通道132和膨胀构件122之间的至少一个第二管件124、布置在第三热交换器161的膨胀构件122和第二通道163之间的至少一个第三管件125、布置在第三热交换器161的第二通道163和第一热交换器130的第三通道133之间的至少一个第四管件126以及布置在第一热交换器130的第三通道133和压缩构件121之间的至少一个第五管件127。
当根据本发明的气体处理系统100投入操作时，制冷剂流体FR借助于第一管件123以气态和高压力(即压力在18巴和36巴之间(包含端点))离开压缩构件121，以重新加入第一热交换器130，更具体地是该第一热交换器130的第二通道132，在该第二通道132中，它将热量释放给随后在该第一热交换器130的第一通道131中流通的气体，并且可选地，释放给在该第一热交换器130的第三通道133中流通的制冷剂流体FR。制冷剂流体FR然后经由第二管件124以液态和高压力离开第一热交换器130，以重新加入膨胀构件122，在膨胀构件122中制冷剂流体的压力降低。然后，制冷剂流体FR以液态和低压力(也就是说，压力在1.2巴和2.5巴之间，包含端点)离开膨胀构件122，并经过第三导管125重新加入第三热交换器161的第二通道163，在第二通道163中，制冷剂流体FR从在第三热交换器161的第一通道162中流通的液态天然气中获取热量，如上所述。因此，制冷剂流体FR以两相或气态和低压力离开第三热交换器161，并经由第四管件126重新加入第一热交换器130的第三通道133。在该第三通道133中，两相状态的制冷剂流体FR从在该第一热交换器130的第二通道132中流通的制冷剂流体FR中获取热量。这种热量的捕获使得可仍然在冷却装置160的出口处存在于回路中的液态气体能够蒸发，结果是压缩构件121仅被供应气态的制冷剂流体FR。因此，制冷剂流体FR以气态离开第一热交换器130的第三通道133，并且由于第五管件127，重新加入压缩构件121。换句话说，应该理解的是，在闭合回路中流通的制冷剂流体FR经历至少两次状态变化，与相关船运输的气体交换热量。
根据这里未示出的一个变型实施例，第一热交换器不包括第三通道，而是仅包括第一通道和第二通道，在罐中以气态抽取的气体在第一通道中流通，处于气态和高压的制冷剂流体在第二通道中流通。根据该变型，气液分离器可以布置在冷却装置和压缩构件之间，以确保只有气态的制冷剂流体被输送到该压缩构件。事实上，液态制冷剂流体会有损坏该压缩构件的风险，然后使其不能使用。
如上所述，重要的是将罐拱顶201中存在的气态气体从该罐拱顶201中排出，以防止可能损坏相关罐200的过压。此外，根据本发明的气体处理系统100的供应设备110配备有压缩装置140的冗余系统，其用于供应所述至少一个气体消耗装置300。根据图中所示的示例，压缩装置140的这种冗余部分地由于压缩构件121而产生。因此，至少一个第一附加导管180布置在供应设备110的第一导管111和压缩构件121之间，并且至少一个第二附加导管181布置在压缩构件121和供应设备110的第三导管113之间，至少一个调节阀190布置在第一附加导管180上。该冗余系统的操作将在下文中参考图5更详细地描述。
现在将参照图2至图4进行更详细地描述，图2示出了供应设备110的第一操作模式，图3示出了供应设备110的第二操作模式，图4示出了供应设备110的第三操作模式。
因此，图2示出了第一、即所谓的“平衡”操作模式，在该第一操作模式下，供应装置110所用于的船的至少一个气体消耗装置300意图消耗掉罐拱顶201中以气态存在的所有气体。
根据该第一操作模式，气体以气态在罐拱顶201中被抽取，并通过第一导管111重新加入第一热交换器130，更具体地，重新加入该第一热交换器130的第一通道131。如上所述，在第一热交换器的第一通道131中流通的气体适于从在该第二热交换器130的第二通道132中流通的制冷剂流体FR中获取热量。换句话说，第一热交换器130的第一通道131的入口134处的气体温度低于第一热交换器130的第一通道131的出口135处的气体温度。具体地，气体以-140℃和-90℃之间(包含端点)的温度，例如等于-120℃时，重新进入第一热交换器130的第一通道131的入口134，并且该气体以-30℃和40℃之间(包含端点)的温度，例如等于20℃时，离开该第一热交换器130的第一通道131。以这种方式加热的气体此后重新进入压缩装置140，在该压缩装置中其压力增加，直到其达到适于供应所述至少一种消耗气体装置300的压力。加热的气体然后重新加入第三导管113到气体消耗装置300。换句话说，应当理解，供应设备110的第一导管111也形成第一热交换器130的第一通道131。
所有以气态抽取的气体被所述至少一个气体消耗装置300消耗，第二热交换器170的第一通道171是空的，并且在该第二热交换器170中不进行热交换。
制冷剂流体FR闭合回路120的功能如上所述。其结果是，被冷却装置160冷却的气体被重新注入到罐200中，而没有经受任何压力或温度变化，除了在第三热交换器161中经受的压力或温度变化之外——也就是说，在经过第四管道168时。因此，使罐200中以液态存在的气体有利地与被冷却装置160冷却的气体接触，使得罐中以液态存在的气体的温度降低，从而限制了蒸发现象，蒸发现象产生罐拱顶201中以气态存在的气体，并且倾向于增加该罐200中的压力。
在某些条件下，气体消耗装置300不足以消耗在罐拱顶201中抽取、加热和压缩的所有气体。这是例如图3所示的供应设备110的第二操作模式的情况。根据该第二操作模式，只有一部分压缩和加热的气体被送到气体消耗装置300。就其本身而言，不能被气体消耗装置300消耗的那部分气体被引导至第四导管114，例如由于布置在该第四导管114上的调节装置191，并且重新加入第二热交换器170。替代地，调节装置191可以布置在第三导管113上，相对于第三和第四导管113、114中的气体流通方向，在第四导管114的上游。根据本发明，调节装置191例如可以是开/关阀，也就是说，被配置为允许或阻止气体通过布置有其的导管的阀。
未被气体消耗装置300消耗的被加热和压缩的气体部分更具体地重新加入第二热交换器170的第一通道171，在第一通道171中，该气体部分将热量释放给通过穿过冷却装置160而被冷却的气体，冷却装置160在这里由第三热交换器161形成，该气体部分然后在该第二热交换器170的第二通道172中流通。换句话说，根据该第二操作模式，在未被气体消耗装置300消耗的气体部分和被冷却装置160冷却的气体之间实现热交换。如上所述，在第二热交换器170中流通的所有气体然后分别经由第三管道167(在气体在第二热交换器170的第二通道172中流通的情况下)和经由第五导管115(在气体在该第二热交换器170的第一通道171中流通的情况下)返回到罐200的底部。应该理解的是，这仅仅是一个实施例，第三管道167和第五导管115可以在重新连接到罐200的底部之前连接，也就是说，在第二热交换器170的第一通道171中流通的气体和在该第二热交换器170的第二通道172中流通的气体可以混合，然后一起送到罐200的底部。
从前面的描述中可以清楚地看出，根据本发明的气体处理系统100的闭合回路120可以被认为类似于热泵，在热泵中热量通过在冷却装置160中流通的制冷剂流体FR被储存，这些热量随后被转移到在第一热交换器130中流通的以气态在罐200中抽取的气体。换句话说，根据本发明的气体处理系统100能够实现热传递，从而能够加热气态气体，以使其温度符合所述至少一个气体消耗装置300的要求，同时冷却液态气体，这又能够冷凝过量气态气体，也就是说不能被所述至少一个气体消耗装置300消耗的气态气体，或者能够冷却罐200中以液态存在的气体，以便限制导致罐拱顶201中产生气态气体的蒸发现象。
图4示出了根据本发明的气体处理系统100的第三操作模式，其中压缩构件121停止。例如，当罐200中以液态存在的气体的温度足够低以使得未被气体消耗装置300消耗并且在第二热交换器170中流通的气体能够冷凝、而该液态气体没有预先被冷却装置160冷却时，可以选择这种类型的操作模式。
根据该第三操作模式，闭合回路120因此停止，也就是说，该闭合回路120中的制冷剂流体FR的流通停止。这种操作模式具有经济优势，特别是因为压缩构件121的停止。如图所示，在该第三操作模式中，由供应设备110的第二导管112承载的第三调节构件194处于其打开位置，使得重新加入供应设备110的第一导管111的以气态在罐拱顶201中抽取的气体被改道至第一热交换器130上游的第二导管112，从而绕过该第一热交换器130。在该第二导管112中流通的气态气体此后重新加入压缩装置140，以达到与气体消耗装置300的要求相适应的压力。以类似于上文参考第二操作模式所述的方式，由压缩装置140压缩的气体的一部分可被引导至第二热交换器170，以便在其中冷凝，从而返回罐200。闭合回路120停止，第二热交换器170的第二通道172被直接供应以液态在罐200中抽取的气体，也就是说，该气体以液态在罐200中抽取，例如通过上述的泵164，之后该气体通过第五管道169，以便重新加入第二热交换器170的第二通道172。在该第三操作模式中，第二调节构件193因此处于其打开位置，以允许液化气体在第五管道169中流通。因此，在重新加入第二热交换器170之前，以液态在罐200中抽取的气体除了与泵送本身相关的压力或温度变化之外，没有经历气体压力或温度变化。在第二热交换器170中实现的热交换与上文参照第二操作模式描述的相同。
就其本身而言，图5示出了根据本发明的气体处理系统100，其中压缩装置140出现故障。如上所述，根据本发明的系统100配备有部分地由压缩构件121、第一附加导管180和第二附加导管181形成的冗余系统。如上文详细描述的，在压缩装置140失效的情况下，由压缩构件121将气体压缩到与气体消耗装置300的要求相适应的压力，结果是压缩构件121不再可用于压缩在闭合回路120中流通的制冷剂流体。换句话说，在压缩装置140发生故障的情况下，闭合回路120停止，也就是说，在第一热交换器130或冷却装置160中不进行热交换。
如图所示，在压缩装置140失效的情况下，第三调节构件194打开，使得以气态在罐拱顶201中抽取的气体能够重新加入第二导管112。调节阀190打开，以便允许以气态离开第二导管112的气体通过它。因此，压缩构件121接管压缩装置140，以确保所述至少一个气体消耗装置300的供应，至少在该压缩装置140被修理的时间内。如果气体消耗装置300没有消耗掉以气态在罐拱顶201中出后去并被压缩构件121压缩的所有气体，则调节装置191打开，以使该压缩气体能够重新加入第二热交换器170。如上所述，在压缩装置140失效的情况下，闭合回路120停止。如上文参照第三操作模式所述，第二调节构件193打开，以便向第二热交换器170的第二通道172供应以液态在罐200中抽取的气体，从而使得在该第二热交换器170的第一通道171中流通的压缩气体在其返回到罐200中之前能够冷凝。
这种冗余系统有利地节省了额外的压缩装置。布置在第一附加导管180上的调节阀190例如是开/关阀，也就是说被配置为采取打开位置或关闭位置的阀。应当理解，这仅仅是本发明的一个实施例，在不脱离本发明的情况下，可以设想任何其他冗余系统。
最后，图6是船15的剖面图，示出了安装在船15的双船体16中的天然气储罐200，该罐200由至少一个初级密封膜、设置在初级密封膜和船15的双船体16之间的次级密封膜、以及分别设置在初级密封膜和次级密封膜之间以及次级密封膜和双船体16之间的两个绝热屏障的组合形成。
布置在船15的顶部甲板上的装载和/或卸载管道17可以通过适当的连接器连接到海运或港口码头18，以便将液态天然气货物从罐200输送出或输送到罐200。
通过阅读前面的描述可以清楚地看出，本发明提出了一种简单的气体处理系统，该系统比目前市场上的气体处理系统成本更低，其能够供应船的气体消耗装置，同时参与调节容纳所述气体的罐中的压力。
然而，本发明不应限于这里描述和示出的装置和配置，并且它同样包括任何等同的装置或配置以及这些装置的任何操作技术组合。特别地，每个交换器的通过次数、制冷剂流体的类型和气体消耗装置的类型可以在不损害本发明的情况下进行修改，只要它们提供了本文中描述的功能。

Claims (15)

1.一种气体处理系统(100)，用于处理容纳在罐(200)中的气体，所述罐用于以液态和气态储存和/或运输气体，所述处理系统(100)包括至少一个气体消耗装置(300)、用于供应所述至少一个气体消耗装置(300)的至少一个供应设备(110)和被配置为使制冷剂流体(FR)通过的至少一个闭合回路(120)，用于供应所述至少一个气体消耗装置(300)的所述供应设备(110)至少包括：
第一热交换器(130)，被配置成实现以气态在所述罐(200)中抽取的气体和在所述闭合回路(120)中流通的制冷剂流体(FR)之间的热交换，以冷却在所述闭合回路(120)中流通的制冷剂流体(FR),
压缩装置(140)，被配置为将离开所述第一热交换器(130)的气态气体压缩到与所述至少一个气体消耗装置(300)的要求相适应的压力，
冷却装置(160)，被配置成实现制冷剂流体(FR)和以液态在所述罐(200)中抽取的气体之间的热交换，
第二热交换器(170)，被配置为实现在所述罐(200)中抽取的液态气体和离开所述压缩装置(140)且未被发送到所述至少一个气体消耗装置(300)的气态气体部分之间的热交换，
其特征在于，所述冷却装置(160)和所述第二热交换器(170)是分开的，所述闭合回路(120)包括根据所述闭合回路(120)中的制冷剂流体(FR)的流通方向顺序布置的至少一个压缩构件(121)、第一热交换器(130)、膨胀构件(122)和冷却装置(160)。
2.根据权利要求1所述的气体处理系统(100)，其中，至少一个膨胀装置(150)布置在所述第二热交换器(170)和所述罐(200)之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的气体处理系统(100)，其中，至少一个调节装置(191)布置在所述压缩装置(140)与所述第二热交换器(170)之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的气体处理系统(100)，其中，所述第二热交换器(170)包括至少一个第一通道(171)和至少一个第二通道(172)，所述第一通道适于使未被送至所述至少一个气体消耗装置(300)的气态气体部分通过，所述第二通道适于使以液态在所述罐(200)中抽取的气体通过，并且其中，所述第二热交换器(170)的第一通道(171)和第二通道(172)都连接至所述罐(200)的底部。
5.根据权利要求4所述的气体处理系统(100)，其中，所述第二热交换器(170)的第二通道(172)适于被直接供应以液态在所述罐(200)中抽取的气体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的气体处理系统(100)，其中，供给所述冷却装置(160)的以液态在所述罐(200)中抽取的气体在通过所述冷却装置(160)后直接返回所述罐(200)中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的气体处理系统(100)，其中，以液态在所述罐(200)中抽取以供给所述冷却装置(160)的气体在所述冷却装置(160)的入口处具有-163℃至-158℃的温度，在所述冷却装置(160)的出口处具有-177℃至-165℃的温度，并且其中，离开所述冷却装置(160)以重新加入所述第二热交换器(170)的气体在所述第二热交换器(170)的入口处具有-177℃至-165℃的温度，在所述第二热交换器(170)的出口处具有-177℃至-150℃的温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的气体处理系统(100)，其中，未被送到所述气体消耗装置(300)的气体部分在所述第二热交换器(170)的入口处具有5℃至45℃的温度，并且在所述第二热交换器(170)的出口处具有-177℃至-150℃的温度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的气体处理系统(100)，其中，所述第一热交换器包括(130)：至少一个第一通道(131)，适于使以气态在所述罐中(200)抽取的气体通过；至少一个第二通道(132)，适于使被所述压缩构件(121)压缩的制冷剂流体(FR)通过；以及至少一个第三通道(133)，适于使膨胀的制冷剂流体(FR)通过。
10.根据前述权利要求中任一项所述的气体处理系统(100)，包括：
至少一个第一附加导管(180)，布置在所述第一导管(111)和所述闭合回路(120)的压缩构件(121)之间，所述第一导管(111)在所述罐(200)和所述压缩装置(140)之间延伸；和
至少一个第二附加导管(181)，布置在所述压缩构件(121)和所述至少一个气体消耗装置(300)之间；并且
其中，至少一个调节阀(190)布置在所述第一附加导管(180)或所述第二附加导管(181)上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的气体处理系统(100)，其中，所述冷却装置(160)和/或所述第二热交换器(170)是板式热交换器。
12.一种用于运输液化气体的船，包括用于液化气体货物的至少一个罐(200)和至少一个根据前述权利要求中任一项所述的气体处理系统(100)。
13.一种用于装载或卸载液态气体的系统，其结合了至少一个陆上装置和至少一个根据权利要求12所述的用于运输液化气体的船(15)。
14.一种操作根据权利要求1至11中任一项所述的气体处理系统(100)的方法，至少包括以下步骤：
抽取所述罐(200)中的气态气体，
通过与制冷剂流体(FR)进行热交换来加热以气态在所述罐(200)中抽取的气体，热交换在所述第一热交换器(130)中进行，
向至少一个气体消耗装置(300)供应通过穿过所述第一热交换器(130)被加热并被所述压缩装置(140)压缩的气体的至少一部分，
通过所述冷却装置(160)冷却以液态在所述罐(200)中抽取的气体，
通过与被所述冷却装置(160)冷却的气体进行热交换，冷凝通过穿过第一热交换器(130)被加热的气体的没有被送到所述至少一个气体消耗装置(300)的另一部分，热交换在所述第二热交换器(170)中进行。
15.一种用于向/从根据权利要求12所述的用于运输气体的船(15)装载或卸载液化气体的方法。
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