CN116950809A - 一种lng动力船燃气回收系统及其控制方法、船舶 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶动力技术领域，公开了一种LNG动力船燃气回收系统及其控制方法、船舶，所述LNG储罐的输出端与BOG回收系统的输入端相连接，用于将LNG储罐与外界热交换后内部产生的蒸发气进行回收；高压氮气吹扫系统，所述高压氮气吹扫系统与天然气供给系统的其中一个单向出口相连接，利用氮气吹扫天然气供给系统的管路内残余的天然气，形成氮气和天然气混合物。本发明的技术方案充分利用了LNG汽化过程的冷能，回收蒸发气与燃料供给管路内的多余天然气，减少了燃料浪费，实现对能量的充分利用，以提高系统的安全性和经济性。

Description

一种LNG动力船燃气回收系统及其控制方法、船舶

技术领域

本发明属于船舶动力技术领域，尤其涉及一种LNG动力船燃气回收系统及其控制方法、船舶。

背景技术

在船舶设计制造领域中，天然气发动机属于最重要的船用动力设备。由于船用天然气发动机运行过程中排放严重，世界各国及国际海事组织IMO纷纷提出法规限制船用天然气发动机的排放。为了满足日益严苛的法规，对现有天然气发动机这一船用设备进行改造，加装新的燃料供给系统并使用清洁燃料已成为研究热点。

在各种清洁燃料中，天然气具有储量丰富、高辛烷值、能量密度高和燃烧清洁等特点，因此作为船用燃料得到广泛应用。天然气在船舶通常以低温加压液化的LNG(LiquefiedNatural Gas，液化天然气)形式存储。对于以LNG为动力的船用天然气发动机，考虑到LNG储罐的低温绝热特性，不可避免地会与外界进行热交换，导致储罐内部LNG汽化产生蒸发气(Boil Off Gas，简称BOG)，使储罐内的压力升高。当储罐内压力大于安全压力时会开启安全阀释放天然气，防止罐内压力过大造成储罐变形甚至爆炸等危险。若将这部分蒸发气进行再液化回收，可以使其重新作为天然气发动机的燃料消耗。

天然气发动机停止运行后，为了保护燃料供给系统，通常需要排尽供给管路内残余的天然气。若将管路内残余的天然气直接排放至大气，不仅造成燃料浪费，而且严重污染船舶环境，影响船舶正常运行。

对天然气发动机这种船用设备加装燃料供给系统后，对蒸发气和天然气供给管路多余天然气的回收，不仅保证了船用天然气发动机运行的安全性，而且提高了船舶营运的经济性。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)当前针对蒸发气的处理通常采用以下方案，第一种：直接放空燃烧，这种方法不仅会对环境造成污染，而且会导致巨大的能源浪费；第二种：对蒸发气调压再利用，但在气温差异较大时无法提供稳定的蒸发气生成量；第三种：增加独立的再液化设备回收蒸发气，对蒸发气进行冷却液化，这种方法未能充分利用LNG的冷能，回收系统能耗高。

(2)对LNG动力船的燃气供给管路高压残余燃气的通常处理为：通过相关阀组将残余高压燃气排放至大气环境中，该处理方式会排放大量的天然气，污染环境且浪费燃料，还会影响船舶运行的安全性。

(3)现有技术的缺陷在于：

第一种：不考虑对燃气进行回收和对环境的影响，直接排放；

第二种：无法对燃气进行持续有效的利用；

第三种：对燃气回收的再液化过程需要耗费大量能源，回收系统未能充分利用LNG的冷能。

解决以上问题及缺陷的难度为：

LNG液化温度低，难以通过直接压缩进行液化，对LNG动力船的燃气再液化回收需要耗费大量能源，会提高LNG动力船的运营成本。对燃气的再液化过程中，利用LNG汽化过程与进行换热冷却，可以减少额外能源消耗。

解决以上问题及缺陷的意义为：

随着当前对天然气发动机排放的限制，采用LNG作为船用燃料逐渐成为一种趋势。但LNG汽化后产生的天然气是一种温室气体，需要对LNG动力船运营过程的多余燃气进行回收。利用LNG的冷能对蒸发气和管系内残余的燃气进行热交换，可以减少LNG在液化过程的能量消耗、提高系统的能量利用率，同时提升了船舶运营的安全性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种LNG动力船燃气回收系统及其控制方法、船舶。

本发明是这样实现的，一种LNG动力船燃气回收系统，包括LNG储罐、天然气供给系统，所述LNG储罐与天然气供给系统相连接，所述LNG动力船燃气回收系统还包括：BOG回收系统，所述LNG储罐的输出端与BOG回收系统的输入端相连接，用于将LNG储罐与外界热交换后内部产生的蒸发气进行回收；

高压氮气吹扫系统，所述高压氮气吹扫系统与天然气供给系统的其中一个单向出口相连接，利用氮气吹扫天然气供给系统的管路内残余的天然气，形成氮气和天然气混合物。

优选的，还包括：高压天然气回收系统，所述高压天然气回收系统与天然气供给系统的输出端相连接，所述高压天然气回收系统用于分离氮气和LNG，并将LNG液化回收。

优选的，所述BOG回收系统包括依次连接的第一单向阀、第一压缩机、第一换热器以及再液化设备，所述第一单向阀的入口与所述LNG储罐的内部相连通，所述第一单向阀的出口与所述第一压缩机的进口相连接，所述第一压缩机的出口与所述再液化设备的进口相连接，所述再液化设备的出口与所述LNG储罐的内部相连通。

优选的，所述天然气供给系统包括依次连接的燃料供给泵、第二单向阀、第二换热器、第三换热器、质量流量计、电加热器和减压阀，所述减压阀的出口与高压气轨的入口相连接。

优选的，连接所述电加热器与所述减压阀的管道上设置温度传感器；连接所述第三换热器与气缸冷却水单元的管道上设置流量调节阀。

优选的，所述高压氮气吹扫系统包括依次连接的高压氮气装置、过滤器和开关阀，所述开关阀的出口端与第二单向阀的出口端相连通。

优选的，所述高压天然气回收系统包括依次连接的高压气轨、电磁阀、深冷装置和气液分离器，所述电磁阀的出口端与再液化设备连接。

优选的，所述高压气轨内设置轨压传感器；连接所述电磁阀和所述深冷装置的管道上设置天然气传感器。

本发明提供一种适用于上述的LNG动力船燃气回收系统的控制方法，该控制方法包括：

S1、蒸发气通过第一压缩机加压，利用第一换热器进行换热冷却，经过再液化设备冷却液化，LNG回收进入LNG储罐；

S2、获取温度传感器的读数，用以调节流经流量调节阀的冷却水流量；获取质量流量计20读数，结合温度传感器的读数，计算电加热器的加热功率；

S3、天然气发动机停机时第二单向阀关闭，开启开关阀和电磁阀，高压氮气流经过滤器，过滤后的高压氮气进入供给管路；

S4、分析天然气发动机状态，根据天然气发动机停机或运行状态：天然气发动机停机时，分离气液混合物，进行天然气回收；天然气发动机运行时，依据压力限额进行天然气回收。

优选的，所述S4具体为：

S401：判断天然气发动机状态，天然气发动机停机时进入步骤S402，天然气发动机正常运行时进入步骤S403；

S402：电磁阀开启，高压氮气吹扫管路，管路内残余天然气经过深冷装置冷却形成氮气和LNG的气液混合物，气液分离器分离出LNG，天然气传感器读数再次低于设定阈值后关闭高压天然气回收系统；

S403：轨压传感器监测高压气轨压力，高压气轨压力大于安全压力时控制电磁阀的开启，高压气轨内多余天然气经深冷装置和气液分离器处理后回收。

本发明提供一种LNG动力船舶，包括船舶本体，所述船舶本体内设有天然气发动机，所述天然气发动机与权利要求1-8任一所述的LNG动力船燃气回收系统相连接。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：相对于现有的使用柴油燃料的天然气发动机，天然气发动机使用天然气能够减少氮氧化物和炭烟的排放，上述燃料回收系统及其控制方法，能够回收蒸发气和管路内残留的天然气，并且能够利用液化天然气LNG相变时的冷能，提高燃料利用率和系统的经济性，具体表现为：

第一，LNG在汽化过程中需要吸收大量热量，天然气回收系统利用LNG的冷能对蒸发气进行冷却，减少回收系统能量消耗。

第二，LNG与缸套冷却水系统换热，液化天然气LNG吸热汽化成气态燃料，节省加热LNG需要的电能。

第三，天然气回收系统回收了LNG储罐的蒸发气和供给管路内残留高压天然气，减少燃料浪费和保护环境。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种LNG动力船燃气回收系统的连接示意图；

1、LNG储罐；2、燃料供给泵；3、第一单向阀；4、第二单向阀；5、开关阀；6、高压氮气装置；7、过滤器；8、再液化设备；9、第一压缩机；10、第一换热器；11、膨胀阀；12、第二压缩机；13、第二换热器；14、气液分离器；15、深冷装置；16、天然气传感器；17、第三换热器；18、调节流量控制阀；19、气缸冷却水单元；20、质量流量计；21、电加热器；22、温度传感器；23、减压阀；24、轨压传感器；25、高压气轨；26、电磁阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统的LNG动力船由于储罐的低温绝热特性，不可避免地会与外界进行热交换，导致储罐内部LNG汽化产生蒸发气(Boil Off Gas，简称BOG)，使储罐内的压力升高。不考虑对燃气进行回收和对环境的影响，直接排放；无法对燃气进行持续有效的利用；对燃气回收的再液化过程需要耗费大量能源，回收系统未能充分利用LNG的冷能，基于上述缺陷，液化天然气(liquefied natural gas)，简称LNG，液化温度低，难以通过直接压缩进行液化，对LNG动力船的燃气再液化回收需要耗费大量能源，会提高LNG动力船的运营成本，因此，对蒸发气和天然气供给管路多余天然气的回收，不仅保证了天然气发动机运行的安全性，提高了船舶营运的经济性，能够对蒸发气及燃料供给管路内多余天然气进行回收，同时能够对LNG相变的冷能进行充分利用，提高能量利用率，节省燃料消耗。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了本发明是这样实现的，下面结合附图举例对本发明进行进一步详细描述：

结合图1，实施例一公开了一种天然气供给系统及其控制方法包括：LNG储罐1、BOG回收系统、天然气供给系统、高压氮气吹扫系统和高压天然气回收系统，其中，LNG储罐1用于存放液态天然气，LNG储罐1内天然气压力为1MPa为例，进行本实施例的具体说明；

BOG回收系统，用于将LNG储罐1与外界热交换后内部产生的蒸发气进行回收；

天然气供给系统，用于将天然气输送至天然气发动机；

高压氮气吹扫系统，利用氮气吹扫天然气供给系统的管路内残余的天然气，形成氮气和天然气混合物；

高压天然气回收系统，用于分离氮气和LNG，并将LNG液化回收。

结合附图1所示，所述LNG储罐1与再液化设备8的出口端相直接连通，LNG储罐1通过第一压缩机9与再液化设备8的进口端相连通，需要进一步指出的是，连接第一压缩机9与LNG储罐1的管道上设有第一单向阀3，在液化设备8的进口端与第一压缩机9之间的管道上设有第一换热器10，其中，

第一单向阀3的作用为：防止蒸发气回流到LNG储罐1内，从而降低蒸发气的回收损耗，提高蒸发气的回收效率。

第一换热器10的作用为：与蒸发气进行热交换，降低蒸发气的温度。

进一步，为了可以循环使用与蒸发气换热的换热工质，还需要进一步对换热工质进行冷却，使换热工质的压力和温度恢复成与蒸发气换热前的状态：

具体的，第一换热器10、第二压缩机12、第二换热器13和膨胀阀11相连接，组成换热循环子系统。在本实例中，换热循环子系统中的换热工质为丙烷。液态丙烷通过第一换热器10与蒸发气进行换热，液态丙烷吸热汽化。汽化后的丙烷经过第二压缩机12的加压液化升温，经过压缩的丙烷进入第二换热器13，释放从蒸发气吸收的热量。降温后的丙烷进入膨胀阀11降压，压力和温度恢复成与蒸发气换热前的状态，从而该子系统能够实现良好的换热循环。

蒸发气回收的工作过程：

LNG储罐1中的蒸发气达到安全压力时，BOG回收系统启动，第一单向阀3打开，蒸发气沿管线依次经过第一单向阀3、第一压缩机9、第一换热器10、再液化设备8。蒸发气经第一压缩机9加压，高压蒸发气在第一换热器10中与换热介质丙烷进行换热，高压蒸发气经过再液化设备8冷却液化成LNG，从而回收蒸发气。

天然气供给系统中，液态LNG的汽化总体过程：

燃料供给泵2将液化天然气LNG从LNG储罐1中泵出，液化天然气LNG经过第二换热器13和第三换热器17，液化天然气LNG与两个换热器进行热交换，LNG被完全汽化成高压天然气。

在液态LNG的汽化总体过程中，为了进一步提高LNG的汽化率，在第三换热器17的位置配备了气缸冷却水单元19，天然气发动机正常工作时，气缸冷却水单元19提供缸套水，缸套水在第三换热器17中加热LNG，LNG完全汽化。

为了进一步使汽化后LNG压力值维持在特定的范围内，利用调节流量控制阀18以控制流经第三换热器11的缸套冷却水的流量，进而控制供给管路内天然气温度，减压阀23降低高压天然气压力，使高压气轨25的压力维持在0.5-0.7MPa之间。

天然气发动机启动时：

由于缸套冷却水的热量受换热的频率以及外部环境的影响，水温并不稳定，在天然气发动机启动前以及发动起刚启动时，无法单独持续作为换热的媒介存在，因此，天然气供给系统还包括质量流量计20、电加热器21和温度传感器22。当天然气发动机刚刚启动时，缸套冷却水温度较低无法满足加热需求，控制流量调节阀18开度最大；温度传感器22测量电加热器21出口段温度，质量流量计20用来测量流经供给管路的天然气质量流量。通过温度传感器22读数、天然气目标温度和质量流量计16的读数，确定电加热器21的加热功率，电加热器21加热天然气供给系统内的天然气，温度传感器22提供一个反馈信号用于控制。

当天然气发动机启动后，天然气发动机正常运转时：

缸套冷却水温度逐渐升高，第三换热器17提供的热量增加，同步降低电加热器21功率，使天然气供给系统出口天然气温度能够满足要求；缸套冷却水继续升温，第三换热器17提供的热量满足LNG加热需求时，关闭电加热器21，调整流量控制阀18的开度，从而动态维持天然气供给系统提供的天然气温度。

当天然气发动机停机时：

在本实例中，高压氮气吹扫系统包括高压氮气装置7、过滤器6和开关阀5，天然气发动机停机时，第二单向阀4关闭，开关阀5和电磁阀26开启，高压氮气装置7提供高压氮气(1MPa)，高压氮气经过滤器6除去杂质和水分后进入供给管路进行吹扫。

高压天然气回收系统包括轨压传感器24、高压气轨25、电磁阀26、天然气传感器16、深冷装置15、气液分离器14。天然气发动机停机时，高压氮气吹扫系统启动，管路内残余天然气经高压氮气吹扫形成混合物，经深冷装置15冷却后，形成氮气和LNG的气液混合物，混合物进入气液分离器14分离，被分离出的LNG进入再液化设备8，被分离的气体经船舶烟道排出；天然气发动机正常运行时，轨压传感器24实时监测高压气轨25内天然气压力，当轨压传感器24测得的压力值大于设定安全值时，开启电磁阀26，多余的天然气通过回收系统加压液化、气液分离处理；经气液分离器14分离的LNG进入再液化设备8，再液化设备8对LNG进行冷却降压，LNG进入LNG储罐1回收；天然气传感器16监测回收管路内的天然气浓度，当浓度再次低于设定阈值时，关闭高压天然气回收系统。

实施例二：

一种LNG动力船舶，包括船舶本体，所述船舶本体内设有天然气发动机，所述天然气发动机与实施例一的LNG动力船燃气回收系统相连接。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。

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，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LNG动力船燃气回收系统，包括LNG储罐(1)、天然气供给系统，所述LNG储罐(1)与天然气供给系统相连接，其特征在于，所述LNG动力船燃气回收系统还包括：

BOG回收系统，所述LNG储罐(1)的输出端与BOG回收系统的输入端相连接，用于将LNG储罐(1)与外界热交换后内部产生的蒸发气进行回收；

高压氮气吹扫系统，所述高压氮气吹扫系统与天然气供给系统的其中一个单向出口相连接，利用氮气吹扫天然气供给系统的管路内残余的天然气，形成氮气和天然气混合物；

高压天然气回收系统，所述高压天然气回收系统与天然气供给系统的输出端相连接，所述高压天然气回收系统用于分离氮气和LNG，并将LNG液化回收。

2.根据权利要求1所述的LNG动力船燃气回收系统，其特征在于，所述BOG回收系统包括依次连接的第一单向阀(3)、第一压缩机(9)、第一换热器(10)以及再液化设备(8)，所述第一单向阀(3)的入口与所述LNG储罐(1)的内部相连通，所述第一单向阀(3)的出口与所述第一压缩机(9)的进口相连接，所述第一压缩机(9)的出口与所述再液化设备(8)的进口相连接，所述再液化设备(8)的出口与所述LNG储罐(1)的内部相连通。

3.根据权利要求2所述的LNG动力船燃气回收系统，其特征在于，所述天然气供给系统包括依次连接的燃料供给泵(2)、第二单向阀(4)、第二换热器(13)、第三换热器(17)、质量流量计(20)、电加热器(21)和减压阀(23)，所述减压阀(23)的出口与高压气轨(25)的入口相连接。

4.根据权利要求3所述的LNG动力船燃气回收系统，其特征在于，连接所述电加热器(21)与所述减压阀(23)的管道上设置温度传感器(22)；连接所述第三换热器(17)与气缸冷却水单元(19)的管道上设置流量调节阀(18)。

5.根据权利要求3所述的LNG动力船燃气回收系统，其特征在于，所述高压氮气吹扫系统包括依次连接的高压氮气装置(7)、过滤器(6)和开关阀(5)，所述开关阀(5)的出口端与第二单向阀(4)的出口端相连通。

6.根据权利要求5所述的LNG动力船燃气回收系统，其特征在于，所述高压天然气回收系统包括依次连接的高压气轨(25)、电磁阀(26)、深冷装置(15)和气液分离器(14)，所述电磁阀(26)的出口端与再液化设备(8)连接。

7.根据权利要求6所述的LNG动力船燃气回收系统，其特征在于，所述高压气轨(26)内设置轨压传感器(24)；连接所述电磁阀(26)和所述深冷装置(15)的管道上设置天然气传感器(16)。

8.一种适用于根据权利要求7所述的LNG动力船燃气回收系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

S1、蒸发气通过第一压缩机(9)加压，利用第一换热器(10)进行换热冷却，经过再液化设备(8)冷却液化，LNG回收进入LNG储罐(1)；

S2、获取温度传感器(22)的读数，用以调节流经流量调节阀(18)的冷却水流量；获取质量流量计(20)读数，结合温度传感器(22)的读数，计算电加热器(21)的加热功率；

S3、天然气发动机停机时第二单向阀(4)关闭，开启开关阀(5)和电磁阀(26)，高压氮气流经过滤器(6)，过滤后的高压氮气进入供给管路；

S4、分析天然气发动机状态，根据天然气发动机停机或运行状态：天然气发动机停机时，分离气液混合物，进行天然气回收；天然气发动机运行时，依据压力限额进行天然气回收。

9.根据权利要求8所述的LNG动力船燃气回收系统控制方法，其特征在于，所述S4具体为：

S401：判断天然气发动机状态，天然气发动机停机时进入步骤S402，天然气发动机正常运行时进入步骤S403；

S402：电磁阀(26)开启，高压氮气吹扫管路，管路内残余天然气经过深冷装置(15)冷却形成氮气和LNG的气液混合物，气液分离器(14)分离出LNG，天然气传感器读数(16)再次低于设定阈值后关闭高压天然气回收系统；

S403：轨压传感器(24)监测高压气轨(25)压力，高压气轨(25)压力大于安全压力时控制电磁阀(26)的开启，高压气轨(25)内多余天然气经深冷装置(15)和气液分离器(14)处理后回收。

10.一种LNG动力船舶，包括船舶本体，所述船舶本体内设有天然气发动机，其特征在于，所述天然气发动机与权利要求1-8任一所述的LNG动力船燃气回收系统相连接。