CN117651677A - 用于对船舶的蒸发气体进行再液化的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于对船舶的蒸发气体进行再液化的系统和方法。本发明的用于对船舶的蒸发气体进行再液化的系统包括：压缩机，设置在船舶上且压缩从存储液化气体的存储罐产生的蒸发气体；再液化管线，从压缩机连接到存储罐，用于对压缩气体进行再液化且将其传输到存储罐；热交换器，设置在再液化管线上且接收和冷却压缩气体；第一制冷剂压缩单元，用于压缩在热交换器中冷却压缩气体之后排出的制冷剂；第二制冷剂压缩单元，用于额外地压缩在第一制冷剂压缩单元中压缩的制冷剂；以及制冷剂膨胀单元，膨胀和冷却通过第一制冷剂压缩单元和第二制冷剂压缩单元压缩的制冷剂且将其供应到热交换器，其中通过第一制冷剂压缩单元和第二制冷剂压缩单元压缩的制冷剂在热交换器中预冷却，且在制冷剂膨胀单元中膨胀冷却并作为冷却热源供应到热交换器，以及第一制冷剂压缩单元或第二制冷剂压缩单元由从制冷剂膨胀单元传输的制冷剂的膨胀能量驱动。

Description

用于对船舶的蒸发气体进行再液化的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于对从存储于船舶的存储罐中的液化气体产生的蒸发气体(boil-off gas；BOG)进行再液化且将再液化BOG返回到存储罐的系统和方法。
背景技术
天然气(natrual gas)含有甲烷(methane)作为主要组分，且作为一种在燃烧期间几乎不或不排出环境污染物的生态环境友好型燃料而一直受到关注。液化天然气(liquefied natural gas；LNG)是通过在常压下将天然气冷却到约-163℃来使其液化而获得的，且极适合于海上的长距离运输，这是因为其体积减小到气态天然气的体积的约1/600。因此，天然气主要以易于存储和运输的液化天然气的形式存储和运输。
由于天然气在常压下在约-163℃的低温下液化，因此LNG存储罐通常被隔热以将LNG维持处于液态。然而，即使LNG存储罐是隔热的，但这类存储罐阻挡外部热的能力是有限的。因此，由于外部热不断地传输到LNG存储罐，因此存储在LNG罐中的LNG在运输期间不断地自然蒸发，从而使得产生蒸发气体(BOG)。
LNG存储罐中的蒸发气体的连续产生增加LNG存储罐的内部压力。如果存储罐的内部压力超出预定安全压力，那么这可能引起紧急情形，例如存储罐的破裂(rupture)。因此，需要使用安全阀从存储罐排出蒸发气体。然而，蒸发气体是一种LNG损失，且为LNG的运输效率和燃料效率的重要问题。因此，采用各种方法来处理在LNG存储罐中产生的蒸发气体。
最近，已开发且投入使用一种在燃料需求场所(例如船舶的发动机)使用蒸发气体的方法、一种对蒸发气体进行再液化且将再液化蒸发气体返回到LNG存储罐的方法以及一种将这两种方法组合的方法。
发明内容
技术难题
在将用于对蒸发气体进行再液化的再液化循环应用于船舶时，本领域中通常使用的液化法包含例如使用SMR循环和C3MR循环的过程。丙烷预冷混合制冷剂循环(C3MR循环)为使用单一丙烷制冷剂冷却天然气且接着使用混合制冷剂对天然气进行液化和过冷的过程，且单一混合制冷剂循环(SMR循环)为使用由多种组分组成的混合制冷剂液化天然气的过程。
由于SMR循环和C3MR循环均采用混合制冷剂，且当混合制冷剂的组分随着液化过程的进行而由于制冷剂的泄漏改变时，可能存在液化效率恶化的问题，因此有必要通过不断地测量混合制冷剂的组分且补充不足的制冷剂组分来维持制冷剂的组分。
一种用于通过再液化循环对蒸发气体进行再液化的替代方法为使用氮气制冷剂的单一循环液化过程。
尽管使用氮气制冷剂的循环具有比使用混合制冷剂的循环更低的效率，但氮气制冷剂具有易于应用于船舶的优点，因为其由于惰性而具有高安全性，且当用作制冷剂时没有相变。
本发明提出一种系统，所述系统即使在待再液化的蒸发气体在利用单独制冷剂的再液化循环中从低流动速率变为高流动速率时仍可不受任何限制地构造设备，且可有效地调节再液化系统的负载。
技术解决方案
根据本发明的一个方面，一种用于船舶的蒸发气体再液化系统包含：压缩机，设置于船舶且压缩在存储液化气体的存储罐中产生的蒸发气体；
再液化管线，从压缩机延伸到存储罐且对压缩气体进行再液化以将再液化气体输送到存储罐；
热交换器，设置于再液化管线且接收和冷却压缩气体；
第一制冷剂压缩部分，压缩在冷却压缩气体之后从热交换器排出的制冷剂；
第二制冷剂压缩部分，进一步压缩在第一制冷剂压缩部分中压缩的制冷剂；以及
制冷剂膨胀部分，膨胀和冷却通过第一制冷剂压缩部分和第二制冷剂压缩部分压缩的制冷剂且将制冷剂供应到热交换器，
其中通过第一制冷剂压缩部分和第二制冷剂压缩部分压缩的制冷剂在热交换器中预冷却，在制冷剂膨胀部分中膨胀和冷却，且作为冷热源供应到热交换器，以及
其中第一制冷剂压缩部分或第二制冷剂压缩部分由从制冷剂膨胀部分输送的制冷剂的膨胀能量驱动。
四个流可在热交换器中进行热交换，四个流包含待从存储罐供应到压缩机的未压缩蒸发气体的流、通过压缩机的压缩气体的流、通过第一制冷剂压缩部分和第二制冷剂压缩部分压缩的制冷剂的流以及通过制冷剂膨胀部分膨胀和冷却的制冷剂的流。
第二制冷剂压缩部分可由从制冷剂膨胀部分输送的制冷剂的膨胀能量驱动以压缩制冷剂。
第一制冷剂压缩部分可由从制冷剂膨胀部分输送的制冷剂的膨胀能量驱动以压缩制冷剂。
蒸发气体再液化系统可更包含：制冷剂循环管线，第一制冷剂压缩部分和第二制冷剂压缩部分以及制冷剂膨胀部分设置于所述制冷剂循环管线，且供应到热交换器的制冷剂在所述制冷剂循环管线中循环；以及制冷剂库存部分，供应在制冷剂循环管线中循环的制冷剂。
蒸发气体再液化系统可更包含：制冷剂供应管线，从制冷剂库存部分延伸到制冷剂循环管线的第一制冷剂压缩部分的上游侧以将制冷剂补充到制冷剂循环管线；以及制冷剂排出管线，从制冷剂循环管线的第二制冷剂压缩部分的下游侧延伸到制冷剂库存部分以排出制冷剂循环管线的制冷剂。
再液化循环的负载(load)可通过以下进行调节：当待再液化的压缩气体的量增加时，通过制冷剂供应管线将制冷剂补充到制冷剂循环管线；以及当待再液化的压缩气体的量减少时，通过制冷剂排出管线从制冷剂循环管线排出制冷剂。
蒸发气体再液化系统可更包含：蒸发气体供应管线，从存储罐通过热交换器延伸到压缩机；以及预热器，在蒸发气体供应管线中在热交换器的上游分支以加热蒸发气体的全部或部分且在蒸发气体供应管线中将加热的蒸发气体供应到热交换器的上游侧。
在压缩机中压缩的蒸发气体可作为燃料供应到船舶的发动机或发电机，且未作为燃料供应的蒸发气体可通过再液化管线再液化。
根据本发明的另一方面，提供一种船舶的蒸发气体再液化方法，包括：在压缩机中压缩从车载存储罐产生的蒸发气体；以及通过在热交换器中与制冷剂进行热交换来冷却压缩气体以进行再液化，
其中在冷却压缩气体之后从热交换器排出的制冷剂通过第一制冷剂压缩部分和第二压缩部分压缩，在热交换器中预冷却，在制冷剂膨胀部分中膨胀和冷却，且作为冷热源循环回到热交换器，以及
其中第一制冷剂压缩部分或第二制冷剂压缩部分由从制冷剂膨胀部分输送的制冷剂的膨胀能量驱动。
四个流可在热交换器中进行热交换，四个流包含待从存储罐供应到压缩机的未压缩蒸发气体的流、通过压缩机的压缩气体的流、通过第一制冷剂压缩部分和第二制冷剂压缩部分压缩的制冷剂的流以及通过制冷剂膨胀部分膨胀和冷却的制冷剂的流。
再液化循环的负载可通过以下进行调节：当待再液化的压缩气体的量增加时，将制冷剂从制冷剂库存部分补充到第一制冷剂压缩部分的上游侧；以及当待再液化的压缩气体的量减少时，将制冷剂从第二制冷剂压缩部分的下游侧排出到制冷剂库存部分。
有利效果
根据本发明的蒸发气体再液化系统即使在待再液化的蒸发气体在采用单独制冷剂的再液化循环中从低流动速率变为高流动速率时仍能够不受任何限制地构造设备，且可设计为低容量，同时在需要大容量制冷剂循环时，通过并行地构造设备单元或通过个别地增加每一设备单元的大小来替换每一设备单元而实现容量的增加。对于每一设备单元，可任选地考虑船舶所需的冗余(redundancy)，由此实现成本减少。另外，可通过利用制冷剂膨胀部分的制冷剂膨胀能量来减少制冷剂压缩的功耗。
另外，根据再液化系统的冷热需求，可通过补充或排出制冷剂来有效地调节再液化循环的负载。
附图说明
图1为根据本发明的第一实施例的船舶的蒸发气体再液化系统的示意图。
图2为根据本发明的第二实施例的船舶的蒸发气体再液化系统的示意图。
具体实施方式
为了完全地了解本发明的操作优点和通过实践本发明实现的目标，应参考附图，所述附图示出本发明的示范性实施例和其描述。
在下文中，本发明的示范性实施例将参考附图在其特征和效果方面进行详细描述。应注意，在整个说明书和附图中，相同组件将由相同附图标号表示。
如本文中所使用，术语“船舶”可指具备用于存储液化气体的存储罐的任何类型的船舶。举例来说，船舶可包含自航船舶，例如LNG运输船(LNG Carrier)、LNG加油船舶、液氢运输船和LNG再气化船舶(regasification vessel；RV)，以及非自航浮式海上结构，例如LNG浮式生产储存和卸载(floating production storage and offloading；FPSO)单元和LNG浮式储存再气化单元(floating storage regasification unit；FSRU)。
另外，本发明的实施例可应用于任何类型的液化气体的再液化循环，所述液化气体可液化到低温以进行运输且可在存储状态下产生蒸发气体。举例来说，这类液化气体可包含液化石化气体，例如液化天然气(LNG)、液化乙烷气(liquefied ethane gas；LEG)、液化石油气(liquefied petroleum gas；LPG)、液化乙烯气(liquefied ethylene gas)、液化丙烯气(liquefied propylene gas)等。在以下实施例中，借助于实例，本发明将描述为使用作为典型液化气体的LNG。
图1为根据本发明的第一实施例的船舶的蒸发气体再液化系统的示意图，且图2为根据本发明的第二实施例的船舶的蒸发气体再液化系统的示意图。
根据本发明的实施例的再液化系统压缩和冷却从存储在船舶的存储罐(T)中的液化气体产生的蒸发气体以进行再液化且将再液化气体返回到存储罐，并且包含压缩蒸发气体的压缩机(100)和冷却已压缩蒸发气体的热交换器(200)。尽管未在附图中示出，但再液化系统可更包含对通过热交换器冷却的蒸发气体进行解压的解压器(未示出)、将在解压器中解压的蒸发气体分离的气液分离器(未示出)等。
压缩机(100)压缩沿着蒸发气体供应管线(GL)从存储罐输送的蒸发气体，使得蒸发气体可压缩到船舶的发动机或发电机(未示出)的燃料供应压力。举例来说，蒸发气体可用DF发动机压缩到5.5巴，用X-DF发动机压缩到15巴，且用ME-GI发动机压缩到300巴。已压缩蒸发气体可作为燃料供应给船舶的发动机或发电机(未示出)，且未作为燃料供应的蒸发气体可沿着再液化管线(RL)引入到热交换器(200)中，使得蒸发气体可在热交换器(200)中冷却和再液化。
在穿过热交换器(200)时由热交换器冷却的蒸发气体可在解压器中通过绝热膨胀或等熵膨胀进一步冷却，且可在气液分离器中经历气液分离以返回到存储罐。
当启动已经中断的再液化系统，且将温度在-130℃至-100℃范围内的低温蒸发气体从存储罐引入到在启动开始时处于室温下的热交换器中或引入到尚未充分冷却(cool-down)的热交换器中时，显著的热应力(thermal stress)可能会施加到热交换器，从而对热交换器造成装置损坏。为了解决这个问题，根据本发明的实施例，在热交换器(200)的上游从蒸发气体供应管线(GL)分支一条管线以加热蒸发气体的全部或部分且在蒸发气体供应管线(GL)中将加热的蒸发气体供应到热交换器的上游侧，并且将用于加热蒸发气体的预热器(pre-heater)(300)设置于分支管线以最小化热交换器上的热应力，同时防止装置损坏。
甚至在再液化系统的正常操作时，如果存在通过由于存储罐条件的变化导致蒸发气体的温度变化而对热交换器产生热应力的问题，那么从存储罐供应到压缩机的蒸发气体的全部或部分可视需要通过预热器(300)引入到热交换器中。
制冷剂循环具有制冷剂循环以在热交换器(100)中冷却蒸发气体的配置，且根据本发明的实施例的热交换器使用在制冷剂循环(CLa、CLb)中循环的制冷剂来冷却已压缩蒸发气体(RL)且冷却作为冷热源从存储罐引入到压缩机中的未压缩蒸发气体(GL)。
在制冷剂循环管线(CLa、CLb)中循环时供应到热交换器的制冷剂可为例如氮气(N2)。
制冷剂循环包含：制冷剂循环管线(CLa、CLb)，制冷剂在所述制冷剂循环管线中循环；第一制冷剂压缩部分和第二制冷剂压缩部分(400a、450a、400b、450b)，设置于制冷剂循环管线以进行压缩且进一步压缩在冷却蒸发气体之后从热交换器排出的制冷剂；以及制冷剂膨胀部分(500a、500b)，膨胀和冷却在第一制冷剂压缩部分和第二制冷剂压缩部分中压缩之后通过热交换器冷却的制冷剂且将已膨胀且已冷却的制冷剂供应到热交换器中的冷热源。由于在第一制冷剂压缩部分和第二制冷剂压缩部分中压缩的制冷剂通过热交换器预冷却且接着在制冷剂膨胀部分中膨胀和冷却以作为热交换器的制冷剂进行循环，因此包含以下各者的四个流在热交换器中进行热交换：来自压缩机的压缩气体的流、待引入到压缩机中的未压缩蒸发气体的流、在膨胀冷却部分中膨胀和冷却的制冷剂的流以及在第一制冷剂压缩部分和第二制冷剂压缩部分中压缩的制冷剂的流。
在一些实施例中，制冷剂膨胀部分轴向地连接到第一制冷剂压缩部分或第二制冷剂压缩部分，使得制冷剂的膨胀能量可用于压缩制冷剂。
在图1中所示出的第一实施例中，进一步压缩在第一制冷剂压缩部分(400a)中压缩的制冷剂的第二制冷剂压缩部分(450a)通过从制冷剂膨胀部分(500a)接收制冷剂的膨胀能量来驱动。剩余的第一制冷剂压缩部分(400a)可通过从外部源接收能量(即，电力)来驱动。任选地，第一制冷剂压缩部分(400a)可包含多个压缩机(410a)、压缩机(420b)。
因而，通过由外部电力驱动的第一制冷剂压缩部分(400a)和由制冷剂膨胀部分的制冷剂膨胀能量驱动的第二制冷剂压缩部分(450a)的个别配置，蒸发气体再液化系统可设计为低容量，同时在需要大容量制冷剂循环时，通过并行地构造设备单元或通过个别地增加每一设备单元的大小来替换每一设备单元而实现容量的增加。对于每一设备单元，可任选地考虑船舶所需的冗余(redundancy)，由此实现成本减少。另外，可通过利用制冷剂膨胀部分的制冷剂膨胀能量来减少制冷剂压缩的功耗。
在图2中所示出的根据第二实施例的蒸发气体再液化系统中，在制冷剂膨胀部分(500b)中膨胀和冷却之后排出且在热交换器中用作冷热源的制冷剂引入到通过从制冷剂膨胀部分接收制冷剂膨胀能量而驱动的第一制冷剂压缩部分(400b)中，通过由外部能量驱动的第二制冷剂压缩部分(450b)进一步压缩，且接着引入到热交换器(200)中以进行预冷却。预冷却的制冷剂在制冷剂膨胀部分(500b)中膨胀和冷却且作为冷热源循环回到热交换器(200)。根据第二实施例的蒸发气体再液化系统不同于根据第一实施例的蒸发气体再液化系统，不同之处在于，制冷剂膨胀部分(500b)将制冷剂的膨胀能量传输到第一制冷剂压缩部分(400b)。类似于第一实施例，根据第二实施例的蒸发气体再液化系统可设计为低容量，同时在需要大容量制冷剂循环时，通过并行地构造设备单元或通过个别地增加每一设备单元的大小来替换每一设备单元而实现容量的增加。
在本发明的实施例中，蒸发气体再液化系统具备：制冷剂库存部分(RS)，供应在制冷剂循环管线(CLa、CLb)中循环的制冷剂；制冷剂供应管线(SLa、SLb)，从制冷剂库存部分延伸到制冷剂循环管线的第一制冷剂压缩部分(400a)、第一制冷剂压缩部分(400b)的上游侧以将制冷剂补充到制冷剂循环管线；以及制冷剂排出管线(ELa、ELb)，从制冷剂循环管线的第二制冷剂压缩部分(450a)、第二制冷剂压缩部分(450b)的下游侧延伸到制冷剂库存部分以排出制冷剂循环管线的制冷剂。
通过从制冷剂库存补充制冷剂或将制冷剂中的一些排出到制冷剂库存以改变制冷剂的流动速率，可调节制冷剂循环管线中的冷热量和再液化循环的负载。
更具体地，当通过增加待通过再液化管线(RL)再液化的压缩气体的量而增加对再液化循环的冷热的需求时，制冷剂循环管线中的制冷剂可通过制冷剂供应管线(SLa、SLb)补充到第一制冷剂压缩单元的上游侧(低压部分)以增加质量流动速率。相反，当通过减少待再液化的压缩气体的量而减少对再液化循环的冷热的需求时，可通过制冷剂排出管线(ELa、ELb)将制冷剂循环管线中的制冷剂中的一些从第二制冷剂压缩部分的下游侧(高压部分)排出到制冷剂库存部分以减小质量流动速率而调节再液化循环的负载(load)。
尽管一些实施例已在本文中公开，但应理解，如对于本领域的普通技术人员将显而易见，本发明不限于此且可在不脱离本发明的技术精神的情况下以各种修改或变化形式实施。

Claims (12)

1.一种用于船舶的蒸发气体再液化系统，包括：
压缩机，设置于所述船舶且压缩在存储液化气体的存储罐中产生的蒸发气体；
再液化管线，从所述压缩机延伸到所述存储罐且对压缩气体进行再液化以将所述再液化气体输送到所述存储罐；
热交换器，设置于所述再液化管线且接收和冷却所述压缩气体；
第一制冷剂压缩部分，压缩在冷却所述压缩气体之后从所述热交换器排出的制冷剂；
第二制冷剂压缩部分，进一步压缩在所述第一制冷剂压缩部分中压缩的所述制冷剂；以及
制冷剂膨胀部分，膨胀和冷却通过所述第一制冷剂压缩部分和所述第二制冷剂压缩部分压缩的所述制冷剂且将所述制冷剂供应到所述热交换器，
其中通过所述第一制冷剂压缩部分和所述第二制冷剂压缩部分压缩的所述制冷剂在所述热交换器中预冷却，在所述制冷剂膨胀部分中膨胀和冷却，且作为冷热源供应到所述热交换器，以及
其中所述第一制冷剂压缩部分或所述第二制冷剂压缩部分由从所述制冷剂膨胀部分输送的所述制冷剂的膨胀能量驱动。
2.根据权利要求1所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中四个流在所述热交换器中进行热交换，所述四个流包括待从所述存储罐供应到所述压缩机的未压缩蒸发气体的流、通过所述压缩机的所述压缩气体的流、通过所述第一制冷剂压缩部分和所述第二制冷剂压缩部分压缩的所述制冷剂的流以及通过所述制冷剂膨胀部分膨胀和冷却的所述制冷剂的流。
3.根据权利要求2所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中所述第二制冷剂压缩部分由从所述制冷剂膨胀部分输送的所述制冷剂的膨胀能量驱动以压缩所述制冷剂。
4.根据权利要求2所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中所述第一制冷剂压缩部分由从所述制冷剂膨胀部分输送的所述制冷剂的膨胀能量驱动以压缩所述制冷剂。
5.根据权利要求3或4所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，更包括：
制冷剂循环管线，所述第一制冷剂压缩部分和所述第二制冷剂压缩部分以及所述制冷剂膨胀部分设置于所述制冷剂循环管线，且供应到所述热交换器的所述制冷剂在所述制冷剂循环管线中循环；以及
制冷剂库存部分，供应在所述制冷剂循环管线中循环的所述制冷剂。
6.根据权利要求5所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，更包括：
制冷剂供应管线，从所述制冷剂库存部分延伸到所述制冷剂循环管线的所述第一制冷剂压缩部分的上游侧以将所述制冷剂补充到所述制冷剂循环管线；以及
制冷剂排出管线，从所述制冷剂循环管线的所述第二制冷剂压缩部分的下游侧延伸到所述制冷剂库存部分以排出所述制冷剂循环管线的所述制冷剂。
7.根据权利要求6所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中再液化循环的负载通过以下进行调节：
当待再液化的所述压缩气体的量增加时，通过所述制冷剂供应管线将所述制冷剂补充到所述制冷剂循环管线；以及
当待再液化的所述压缩气体的量减少时，通过所述制冷剂排出管线从所述制冷剂循环管线排出所述制冷剂。
8.根据权利要求6所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，更包括：
蒸发气体供应管线，从所述存储罐通过所述热交换器延伸到所述压缩机；以及
预热器，在所述蒸发气体供应管线中在所述热交换器的上游分支以加热所述蒸发气体的全部或部分且在所述蒸发气体供应管线中将所述加热的蒸发气体供应到所述热交换器的上游侧。
9.根据权利要求6所述的用于船舶的蒸发气体再液化系统，其中在所述压缩机中压缩的所述蒸发气体作为燃料供应到所述船舶的发动机或发电机，且未作为燃料供应的所述蒸发气体通过所述再液化管线再液化。
10.一种船舶的蒸发气体再液化方法，包括：
在压缩机中压缩从车载存储罐产生的蒸发气体；以及
通过在热交换器中与制冷剂进行热交换来冷却压缩气体以进行再液化，
其中在冷却所述压缩气体之后从所述热交换器排出的所述制冷剂通过第一制冷剂压缩部分和第二压缩部分压缩，在所述热交换器中预冷却，在制冷剂膨胀部分中膨胀和冷却，且作为冷热源循环回到所述热交换器，以及
其中所述第一制冷剂压缩部分或所述第二制冷剂压缩部分由从所述制冷剂膨胀部分输送的所述制冷剂的膨胀能量驱动。
11.根据权利要求10所述的船舶的蒸发气体再液化方法，其中四个流在所述热交换器中进行热交换，所述四个流包括待从所述存储罐供应到所述压缩机的未压缩蒸发气体的流、通过所述压缩机的所述压缩气体的流、通过所述第一制冷剂压缩部分和所述第二制冷剂压缩部分压缩的所述制冷剂的流以及通过所述制冷剂膨胀部分膨胀和冷却的所述制冷剂的流。
12.根据权利要求10或11所述的船舶的蒸发气体再液化方法，其中再液化循环的负载通过以下进行调节：
当待再液化的所述压缩气体的量增加时，将所述制冷剂从制冷剂库存部分补充到所述第一制冷剂压缩部分的上游侧；以及
当待再液化的所述压缩气体的量减少时，将所述制冷剂从所述第二制冷剂压缩部分的下游侧排出到所述制冷剂库存部分。
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