CN117125241A - 一种多模式气体管控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式气体管控系统，包括压力管理系统、燃料供应控制系统、再液化控制系统、再燃烧控制系统、透气桅放空控制系统，所述压力管理系统用于航行压力模式、货舱压力控制模式的选择；所述燃料供应控制系统用于为发电主机、推进主机提供稳定压力的燃料用气；所述再液化控制系统通过降低货舱温度和压力降低BOG蒸发率，将货舱BOG深冷液化；所述再燃烧控制系统用于保护货舱压力；所述透气桅放空控制系统用于在气体无法燃烧的情况下，且船舶处于公海时将气体排放到大气中。本发明避免单位一模式的压力波动干扰，保障LNG运输船安全稳定运行。

Description

一种多模式气体管控系统

技术领域

本发明属于船舶及海洋工程的自动化系统技术领域，特别涉及一种多模式气体管控系统。

背景技术

目前气体管理系统可通过透气桅放气、气体燃烧单元(Gas CombustionUnit,GCU)燃烧、再液化等方式将LNG运输船货舱舱压控制在安全范围内；能够在货舱蒸发气(BoilOffGas,BOG)量充足或者不足的情况下对主机/发电机组进行燃气供给。目前LNG船舶采用单一的处理方式，气体利用率且存在不安全隐患。因此，研究一种多模式气体的管理系统具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多模式气体管控系统，避免单位一模式的压力波动干扰，保障LNG运输船安全稳定运行。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多模式气体管控系统，包括压力管理系统、燃料供应控制系统、再液化控制系统、再燃烧控制系统、透气桅放空控制系统，其中：

所述压力管理系统用于航行压力模式、货舱压力控制模式的选择；

所述燃料供应控制系统用于为发电主机、推进主机提供稳定压力的燃料用气；

所述再液化控制系统通过降低货舱温度和压力降低BOG蒸发率，将货舱BOG深冷液化；

所述再燃烧控制系统用于保护货舱压力；

所述透气桅放空控制系统用于在气体无法燃烧的情况下，且船舶处于公海时将气体排放到大气中。

进一步地，所述航行压力模式包括满载绝对压力模式、满载相对压力模式和压载相对压力模式，压力低于5kPa时选择满载相对压力模式；压力高于5kPa时选择，满载绝对压力模式；压载相对压力模式用于在返航/压载航行期间，只有货物小于设定物量时，货物蒸发率降低，且货舱压力有可能增加到106kPa abs以上，然而，仍有一些气体需要燃烧或排放，在这种情况下，使用压载相对压力模式控制货舱压力。

进一步地，所述货舱压力控制模式的控制过程具体包括：

当货舱压力达到33kPa时，打开前排气桅杆排放阀，并在低于31kPa时关闭前排气桅杆排放阀，通过前排气桅杆排放阀的控制来提供货舱保护，保持设置的恒定绝对压力值或相对压力值；

当货舱压力由于发动机气体消耗而降至4kPa以下时，将向位于船舶左舷的推进主机和发电主机发出切换至FO燃油模式的命令；

当货舱压力由于发动机气体消耗而降至3kPa以下时，将向位于船舶右舷的推进主机和发电主机发出切换至FO燃油模式的命令；

当货舱压力上升至5kPa时，FO燃油切换顺序被重置，操作员手动将发动机从FO燃油模式切换至程序控制模式；

当货舱压力降至3kPa以下时，启动FO燃油所有转换命令；

当货舱压力降至2kPa以下时，发出一个FO燃油增压命令，燃气主阀关闭，燃烧装置和LD压缩机以及强制汽化器立即停止；

当货舱压力降至0.3kPa以下时，启动紧急停机。

进一步地，所述燃料供应控制系统为发电主机、推进主机提供稳定压力的燃料用气，具体为：

当LNG船舶气体消耗量<＝自然蒸发气流量，采用一个LD压缩机维持燃气压力，若货舱中自然蒸发气流量大于设定阈值，启动2个LD压缩机并行运行；

当LNG船舶气体消耗量>自然蒸发气流量，通过FV强制汽化器为强制蒸发气补充燃气量，LD压缩机保持压力控制，强制汽化器的设定值为强制蒸发气流量，强制蒸发气流量＝推进主机需求量+发电主机需求量流量测量值；

当发电主机或推进主机的气体供应跳闸时，当发电主机或推进主机的气体供应跳闸时，主机过压阀运行，并将气体返回货舱，此时的LD压缩机或FV强制汽化器将减少到最小流量。

进一步地，所述再液化控制系统通过降低货舱温度和压力降低BOG蒸发率，将货舱BOG深冷液化，具体包括：

1)预冷检查，喷淋泵准备运行，打开LNG出口阀到100％，以每秒0.5％速度打开LNG旁通阀到100％，关闭LNG入口阀，无LNG流经再液化系统；

2)手动运行一台喷淋泵，用于冷却液货管路；

3)当再液化预冷温度达到设定值，再液化装置发送准备好信号到气体管理系统；

4)气体管理系统收到准备好信号，以每秒0.5％速度打开入口阀到100％；

5)当LNG入口阀打开到100％时，以每秒0.5％速度关闭LNG旁通阀；

6)当不再需要过冷时，以每秒0.5％速度打开LNG旁通阀到100％，关闭LNG入进口阀。

进一步地，所述再燃烧控制系统通过2个LD压缩机与独立管线运行保护货舱的压力控制，具体为：当货舱压力及自然蒸发气大于阈值，一个LD压缩机向推进主机和发电主机进气，另一个LD压缩机向GCU进气。

进一步地，所述透气桅放空控制系统包括货舱保护模式、通风禁止模式、通风模式下的通风控制模式和手动通风控制模式，其控制优先级为：货舱保护模式.>通风禁止模式>通风模式下的通风控制模式>手动通风控制模式下。

进一步地，所述货舱保护模式为：当货舱压力超过阈值时，排气控制阀将在全流量下打开，直到蒸汽总管上的压力降至设定值以下，阀门关闭，该模式下其他模式被禁止。

进一步地，所述通风禁止模式为：当从驾驶室设置通风禁止命令时，通风阀将保持关闭，此时通风模式下的通风控制模式和手动通风控制模式禁止。

进一步地，所述通风模式下的通风控制模式为：IAS根据货舱压力，控制通风控制阀的开启，无论是否向发动机供给BOG，该模式下手动通风控制模式下禁止，包括：

在压载相对压力模式下，当货舱压力高于货舱压力控制器设定值加1kPa时，排气阀打开；当货舱压力低于货舱压力控制器设定值减去1kPa时，排气阀关闭；

在满载绝对压力模式或满载相对压力模式模式下，当货舱压力低于货舱压力控制器的设定值时，排气阀关闭；当货舱压力达到货舱压力控制器的设定点值时，排气阀打开，并警报警告操作员排气阀将打开以及在设定值低于排气阀开度的情况下停止强制汽化器；

所述手动通风控制模式为：操作员手动设置通风控制阀的开度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1)具备压载相对压力、满载相对压力、满载绝对压力三种航行压力模式，避免单位一模式的压力波动干扰，通过最优压力模式选择，保证LNG船舶在各工况下稳定压力控制；

2)区别当前通过压缩机将货舱顶部的BOG再液化控制方式，本系统通过对货舱底部的LNG进行深冷后回舱，通过降低货舱液态天然气的温度抑制BOG的产生，实现货舱压力保护。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为实施例中多模式气体管控系统的示意图。

图2为实施例中压力管理系统的示意图。

图3为实施例中燃料供应控制系统的示意图。

图4为实施例中再液化控制系统的示意图。

图5为实施例中再燃烧控制系统的示意图。

图6为实施例中透气桅放空控制系统的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，结合图1，所述多模式气体管控系统包括压力管理系统、燃料供应控制系统、再液化控制系统、再燃烧控制系统、透气桅放空控制系统；

所述压力管理系统，用于航行压力模式、压力控制模式的选择；

所述燃料供应控制系统，用于为发电主机、推进主机提供稳定压力的燃料用气；

所述再液化控制系统，用于货舱部分BOG液化，通过降低货舱温度和压力降低BOG蒸发率；

所述再燃烧控制系统，用于货舱BOG的燃烧处理；

所述透气桅放空控制系统，用于在气体无法燃烧的情况下排放到大气中(但仅当船舶处于公海时)。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，所述的压力管理系统，用于航行压力模式、压力控制模式的选择；

所述的航行压力模式，包括满载绝对压力模式、满载相对压力模式、压载相对压力模式，满载绝对压力模式和满载相对压力模式，用于船舶货物装载时货舱的压力控制，满载相对压力建议压力低于5kPa的情况下选择，满载绝对压力建议压力高于5kPa的情况下选择，压载相对压力模式，用于在返航/压载航行期间，只有有限的货物时，货物蒸发率降低，货舱压力可能增加到106kPa abs以上，然而，仍有一些气体需要燃烧或排放，在这种情况下，使用相对于大气的相对压力来控制货舱压力。

所述的货舱压力控制模式，根据选择的航行压力模式、货舱压力实际值选择气体处理模式，正常范围内选择燃料供应处理，再燃烧控制系统、透气桅放空控制系统，具体步骤如下：

当货舱压力达到33kPa时，打开前排气桅杆排放阀，并在低于31kPa时关闭前排气桅杆排放阀，通过前排气桅杆排放阀的控制来提供货舱保护，保持手动设置的恒定绝对或相对压力值。

当货舱压力由于发动机气体消耗而降至4kPa以下时，将向#2ME(推进主机共有1ME、2ME)、#3和#4GE(发电主机共有1GE、2GE、3GE、4GE)发出切换至FO燃油模式的命令，其中1GE、4GE发电主机规格为AC6.6KV、3相60HZ、3690kW，2GE、3GE发电主机规格为AC6.6KV、3相60HZ、2770kW，1GE、2GE、1ME位于船舶右舷，3GE、4GE、2ME位于船舶左舷。

当货舱压力由于发动机气体消耗而降至3kPa以下时，将向#1ME、#1和#2GE发出切换至FO燃油模式的命令。

当货舱压力上升至5kPa时，FO燃油切换顺序被重置，以允许操作员手动将发动机从FO燃油模式切换至程序控制模式。

当货舱压力降至3kPa以下时，启动货舱保护系统以启动FO燃油所有转换命令。

当货舱压力降至2kPa以下时，发出一个FO燃油增压命令，燃气主阀关闭，GCU(再燃烧装置)和LD压缩机以及FV(强制汽化器)立即停止。

当货舱压力降至0.3kPa以下时，启动紧急停机。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，所述的燃料供应控制系统，用于为LNG船舶发电机、推进主机提供稳定的燃气供应，包括天然气需求量计算、LD压缩机燃料供应、1台LD压缩机+FV(强制汽化器)燃料供应、过压阀的控制。具步骤如下：

1)天燃气需求流量计算

LNG船舶上天然气用户是正常航行中的燃气GE(发电主机)和ME(推进主机)，GCU再燃烧装置仅用于在货舱压力高时进行临时处理。

使用以下公式计算天燃气的需求：

天然气总需求流量(kg/h)＝ME需求量+GE需求量

建议的FBOG流量(kg/h)＝天然气总需求流量-NBOG流量测量值

2)LD压缩机燃料供应

当LNG船舶气体消耗量<＝NBOG(自然蒸发气)，则无需FV(强制汽化器)并联运行，即一个LD压缩机的容量足以为整个LNG船舶用户提供气体，使用一个LD来维持燃气压力。

在某些特殊情况下，货舱中有大量多余的NBOG(自然蒸发气)，可以启动2个LD压缩机高速并行运行，以快速消耗NBOG(自然蒸发气)。同步后，两台LD压缩使用一个通用负载控制。

3)1台LD压缩机+FV(强制汽化器)燃料供应

当LNG船舶气体消耗量>NBOG(自然蒸发气)，即NBOG(自然蒸发气)不足以满足燃气量，则需要FV(强制汽化器)作为FBOG(强制蒸发气)开始补充燃气量，在此模式下，LD压缩机保持压力控制，FV(强制汽化器)将处于流量控制，以补充缺少的燃气，建议的FBOG流量作为FV强制汽化器的流量设定值。

4)过压阀的控制

当GE(发电主机)或ME(推进主机)的气体供应跳闸时，气体流量将迅速减少至无流量，这将导致燃气管道压力升高。在这种情况下，主机过压阀将运行，并将气体返回货舱，以降低燃气管道压力。LD压缩机或FV强制汽化器控制器将减少到最小流量。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图4，所述的再液化控制系统，对货舱底部的LNG进行深冷后回舱，通过降低货舱液态天然气的温度抑制BOG的产生，实现货舱压力保护，包括预冷、再液化过程中的阀、泵的控制；再液化控制步骤如下：

1)预冷检查，喷淋泵已经准备运行，打开LNG出口阀到100％，以每秒0.5％速度慢慢打开LNG旁通阀到100％，关闭LNG入口阀，无LNG流经再液化系统。

2)手动运行任何一台喷淋泵(三台中的任何一台)，用于冷却液货管路。

3)当再液化预冷温度达到设定值(-160℃)，再液化装置发送“LSC READY”(准备好信号)到气体管理系统。

4)气体管理系统收到“LSC READY”(准备好)信号后，以每秒0.5％速度慢慢打开入口阀到100％。

5)当LNG入口阀打开到100％时，以每秒0.5％速度关闭LNG旁通阀。

6)当不再需要过冷时，以每秒0.5％速度慢慢打开LNG旁通阀到100％，关闭LNG入进口阀。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图5，所述的再燃烧控制系统，通过2个LD压缩机与独立管线运行，保证燃料供应的同时，保护了货舱的压力控制。

当货舱压力高且NBOG(自然蒸发气)巨大，例如推进主机/发电主机消耗的气体小于货舱中产生的NBOG(自然蒸发气)，则应将强制蒸发器置于备用状态或停止，以保持燃气管道压力在正确值。

由于LD压缩机控制燃气压力，因此无法再将货舱压力保持在正确的水平。当主机消耗量低于NBOG(自然蒸发气)，货舱中的气体开始积聚，货舱中的压力将开始增加。一旦达到预先选择的压力水平，就会发出警报，警告操作员启动GCU(再燃烧装置)。

操作员可以启动另一个LD压缩机单独向GCU(再燃烧装置)供气，即两个LD压缩机可以同时工作，一个LD压缩机向ME(推进主机)和GE(发电主机)进气，另一个LD压缩机向GCU进气。

LD压缩机的压力控制器，用于出口压力控制，同时限制GCU的负载，GCU的压力控制器，用于货舱压力的控制。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图6，所述的透气桅排放控制系统，通过货舱保护、通风禁止、通风模式下的通风控制、手动通风控制实现货舱压力控制，控制等级：货舱保护>通风禁止>通风模式下的通风控制>手动通风，控制步骤如下：

步骤1：货舱保护模式

在液货舱保护模式下，当货舱压力超过设定值33kPa(正常航行模式)或68kPa(STS模式)时，排气控制阀将在全流量(100％)下打开。阀门将保持打开状态，直到蒸汽总管上的压力降至31kPa或66kPa以下，此时阀门将关闭。在货舱保护模式下，手动通风抑制和通风模式下的通风控制被禁用，阀门的手动操作不可用。

步骤2：手动通风抑制模式

在手动通风禁止模式下，当从驾驶室设置通风禁止命令时，通风阀将保持关闭。在此模式下，无法手动操作阀门。液货舱保护将超越手动通风禁止。

步骤3：通风模式下的通风控制

在通风模式下的通风控制中，IAS根据货舱压力(绝对压力或压力表，根据操作员的选择)控制通风控制阀的开启，无论是否向发动机供给BOG。

在此模式下，无法手动操作排气阀。

当排气阀处于上述控制之下时，位置控制器的模式设置为自动位置(P-AUTO)。

在压载模式下，当货舱压力高于货舱压力控制器设定值(SP)加1kPa，即SP+1kPa时，排气阀打开。

当货舱压力低于货舱压力控制器设定值(SP)减去1kPa，即SP–1kPa时，排气阀关闭。

在满载模式下，当货舱压力低于货舱压力控制器的设定点(SP)时，排气阀关闭。

当货舱压力达到货舱压力控制器的设定点(SP)时，警报警告操作员排气阀将打开。

警报还警告操作员在设定值低于排气阀开度(SP)的情况下停止强制汽化器(如果在使用中)。

步骤4：手动通风模式

在手动通风模式下，操作员可以从界面手动设置通风控制阀的开度(位置％)。

需要指出的，专利在于提出的控制策略，对于燃料供应控制系统、液化控制系统、再燃烧控制系统、透气桅放空控制系统的工艺连接为现有技术或者本领域技术人员根据控制方法容易得到的，在此本专利不再累述本。

Claims (10)

1.一种多模式气体管控系统，其特征在于，包括压力管理系统、燃料供应控制系统、再液化控制系统、再燃烧控制系统、透气桅放空控制系统，其中：

所述压力管理系统用于航行压力模式、货舱压力控制模式的选择；

所述燃料供应控制系统用于为发电主机、推进主机提供稳定压力的燃料用气；

所述再液化控制系统通过降低货舱温度和压力降低BOG蒸发率，将货舱BOG深冷液化；

所述再燃烧控制系统用于保护货舱压力；

所述透气桅放空控制系统用于在气体无法燃烧的情况下，且船舶处于公海时将气体排放到大气中。

2.根据权利要求1所述的多模式气体管控系统，其特征在于，所述航行压力模式包括满载绝对压力模式、满载相对压力模式和压载相对压力模式，压力低于5kPa时选择满载相对压力模式；压力高于5kPa时选择，满载绝对压力模式；压载相对压力模式用于在返航/压载航行期间，只有货物小于设定物量时，货物蒸发率降低，且货舱压力有可能增加到106kPaabs以上，然而，仍有气体需要燃烧或排放，在这种情况下，使用压载相对压力模式控制货舱压力。

3.根据权利要求1所述的多模式气体管控系统，其特征在于，所述货舱压力控制模式的控制过程具体包括：

当货舱压力达到33kPa时，打开前排气桅杆排放阀，并在低于31kPa时关闭前排气桅杆排放阀，通过前排气桅杆排放阀的控制来提供货舱保护，保持设置的恒定绝对压力值或相对压力值；

当货舱压力由于发动机气体消耗而降至4kPa以下时，将向位于船舶左舷的推进主机和发电主机发出切换至FO燃油模式的命令；

当货舱压力由于发动机气体消耗而降至3kPa以下时，将向位于船舶右舷的推进主机和发电主机发出切换至FO燃油模式的命令；

当货舱压力上升至5kPa时，FO燃油切换顺序被重置，操作员手动将发动机从FO燃油模式切换至程序控制模式；

当货舱压力降至3kPa以下时，启动FO燃油所有转换命令；

当货舱压力降至2kPa以下时，发出一个FO燃油增压命令，燃气主阀关闭，燃烧装置和LD压缩机以及强制汽化器立即停止；

当货舱压力降至0.3kPa以下时，启动紧急停机。

4.根据权利要求1所述的多模式气体管控系统，其特征在于，所述燃料供应控制系统为发电主机、推进主机提供稳定压力的燃料用气，具体为：

当LNG船舶气体消耗量<＝自然蒸发气流量，采用一个LD压缩机维持燃气压力，若货舱中自然蒸发气流量大于设定阈值，启动2个LD压缩机并行运行；

当LNG船舶气体消耗量>自然蒸发气流量，通过FV强制汽化器为强制蒸发气补充燃气量，LD压缩机保持压力控制，强制汽化器的设定值为强制蒸发气流量，强制蒸发气流量＝推进主机需求量+发电主机需求量；

当发电主机或推进主机的气体供应跳闸时，当发电主机或推进主机的气体供应跳闸时，主机过压阀运行，并将气体返回货舱，此时的LD压缩机或FV强制汽化器将减少到最小流量。

5.根据权利要求1所述的多模式气体管控系统，其特征在于，所述再液化控制系统通过降低货舱温度和压力降低BOG蒸发率，将货舱BOG深冷液化，具体包括：

1)预冷检查，喷淋泵准备运行，打开LNG出口阀到100％，以每秒0.5％速度打开LNG旁通阀到100％，关闭LNG入口阀，无LNG流经再液化系统；

2)手动运行一台喷淋泵，用于冷却液货管路；

3)当再液化预冷温度达到设定值，再液化装置发送准备好信号到气体管理系统；

4)气体管理系统收到准备好信号，以每秒0.5％速度打开入口阀到100％；

5)当LNG入口阀打开到100％时，以每秒0.5％速度关闭LNG旁通阀；

6)当不再需要过冷时，以每秒0.5％速度打开LNG旁通阀到100％，关闭LNG入进口阀。

6.根据权利要求1所述的多模式气体管控系统，其特征在于，所述再燃烧控制系统通过2个LD压缩机与独立管线运行保护货舱的压力控制，具体为：当货舱压力及自然蒸发气大于阈值，一个LD压缩机向推进主机和发电主机进气，另一个LD压缩机向GCU进气。

7.根据权利要求2所述的多模式气体管控系统，其特征在于，所述透气桅放空控制系统包括货舱保护模式、通风禁止模式、通风模式下的通风控制模式和手动通风控制模式，其控制优先级为：货舱保护模式.>通风禁止模式>通风模式下的通风控制模式>手动通风控制模式下。

8.根据权利要求7所述的多模式气体管控系统，其特征在于，所述货舱保护模式为：当货舱压力超过阈值时，排气控制阀将在全流量下打开，直到蒸汽总管上的压力降至设定值以下，阀门关闭，该模式下其他模式被禁止。

9.根据权利要求7所述的多模式气体管控系统，其特征在于，所述通风禁止模式为：当从驾驶室设置通风禁止命令时，通风阀将保持关闭，此时通风模式下的通风控制模式和手动通风控制模式禁止。

10.根据权利要求7所述的多模式气体管控系统，其特征在于，所述通风模式下的通风控制模式为：IAS根据货舱压力，控制通风控制阀的开启，无论是否向发动机供给BOG，该模式下手动通风控制模式下禁止，包括：

在压载相对压力模式下，当货舱压力高于货舱压力控制器设定值加1kPa时，排气阀打开；当货舱压力低于货舱压力控制器设定值减去1kPa时，排气阀关闭；

在满载绝对压力模式或满载相对压力模式模式下，当货舱压力低于货舱压力控制器的设定值时，排气阀关闭；当货舱压力达到货舱压力控制器的设定点值时，排气阀打开，并警报警告操作员排气阀将打开以及在设定值低于排气阀开度的情况下停止强制汽化器；

所述手动通风控制模式为：操作员手动设置通风控制阀的开度。