NO335213B1

NO335213B1 - System og fremgangsmåte for å øke trykket i avkokingsgass i et LNG-drivstoffsystem

Info

Publication number: NO335213B1
Application number: NO20111201A
Authority: NO
Inventors: Carl Jørgen Rummelhoff
Original assignee: Wärtsilä Oil & Gas Systems As
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2014-10-20
Also published as: WO2013032340A1; NO20111201A1

Abstract

Et gasstilførselssystem til kombinasjons- eller gassmotorer, omfattende minst én LNG-lastetank (1), en første pumpe (2), en kompressor (30), en kryogenisk varmeveksler (16) og en høytrykkspumpe (10) som leverer gass til motorene. I henhold til den foreliggende oppfinnelsen omfatter systemet videre en ejektor (4) og en sugetank (6); ejektoren (4) er anordnet for å motta LNG-drivfluid fra den første pumpen, trekke kondensat fra den kryogeniske varmeveksleren (16) og slippe ut en blanding av drivfluidet og kondensatet til sugetanken (6); og sugetanken (6) er anordnet for å levere blandingen av LNG-drivfluidet og kondensatet til høytrykkspumpen (10).

Description

System og fremgangsmåte for å øke trykket i avkokingsgass i et LNG-drivstoffsystem

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et system og en fremgangsmåte for å øke trykket i avkokingsgass ("boil-off gas"; BOG) i et LNG (kondensert naturgass)-drivstoffsystem, nærmere bestemt å øke trykket i avkokingsgassen med en ejektor.

Det har vært foreslått flere fremgangsmåter for hvordan man kan drive et LNG-skip med gass istedenfor skipsdiesel eller liknende. Foreslåtte fremgangsmåter skiller mellom hovedsakelig to typer hovedmotor:

- mellomhastighetsmotorer, som krever et relativt lavt drivgasstrykk på ca.

500 kPa.

- lavhastighets dieselmotorer, som krever mellom 20 000 og 30 000 kPa drivgasstrykk.

Én slik fremgangsmåte er beskrevet i EP 1 990 272 Bl, der LNG blir pumpet fra lastetankene, varmevekslet med komprimert avkokingsgass, og deretter ytterligere komprimert til innsprøytingstrykk. Den komprimerte avkokingsgassen blir kondensert mot LNG-en og sendt tilbake til lastetankene. Når hovedmotoren går på skipsdiesel eller på lav hastighet, særlig på lastreiser, er det lite eller ingen LNG tilgjengelig for å fjerne varme som strømmer inn i lastoppbevaringssystemet.

NO20082158 og NO20093562 beskriver systemer og fremgangsmåter for gasstilførsel til gass- eller kombinasjonsmotorer, der gasstilførselssystemet er integrert med et rekondenseringsanlegg for å fjerne varme som strømmer inn i lastoppbevaringssystemet.

GB1440318A beskriver et system for et system som bruker en ejektor til å kontrollere damptrykket i LNG-lastetanker ved å pumpe LNG, fordampe den og lede den resulterende gassen som drivfluidet til en ejektor som suger fra damprommet, og dermed eliminerer behovet for kompressoroperasjoner for å vedlikeholde damptrykket. Systemet i GB1440318A er beregnet på kombinasjonskjeler brukt til hovedfremdriftsmaskineri og diskuterer ikke de tekniske problemene man støter på hvis hovedfremdriftsmaskineriet er lavhastighets dieselmotorer. Kombinasjonskjeler krever typisk et drivgasstrykk på under 200 kPa, mens en lavhastighets dieselmotor krever drivgasstrykk på mellom 20 000 og 30 000 kPa.

Siden lavhastighets dieselmotorer krever høyt drivgasstrykk, blir det vanligvis anordnet en høytrykkspumpe i systemet for å gi det nødvendige gasstrykket. For å unngå pumpekavitasjoner er det viktig å sikre at høytrykkspumpen har den påkrevde NPSH ("Net Positive Suction Height", netto positiv sugehøyde) under alle driftsmoduser, og særlig ved ballastreise, der det er vanlig å ha en frittstrømmende sirkulasjon av avkokingsgassen for å unngå resirkulering gjennom avkokingsgasskompressoren for ikke å komme inn i kompressorens pumpeområde. Avkokingshastigheter er betydelig lavere ved ballastreise enn lastreise, så det kan være mest praktisk å la kompressoren være av og lede avkokingsgassen direkte til rekondenseringsanlegget ved hjelp av prinsippene for fri strøm (naturlig sirkulasjon). Særlig ved tøffe sjøforhold i kombinasjon med ballastreise viser erfaring at pumpekavitasjoner er en utfordring på kjente installasjoner som følge av utilstrekkelig NPSH.

Denne oppfinnelsen beskriver et system og en fremgangsmåte for å sikre at høytrykkspumpen har påkrevd NPSH ("Net Positive Suction Height", netto positiv sugehøyde) under alle driftsmoduser, og særlig ved ballastreise, der det er vanlig å ha en frittstrømmende sirkulasjon av avkokingsgassen for å unngå resirkulering gjennom kompressoren. Særlig ved tøffe sjøforhold i kombinasjon med ballastreise viser erfaring at pumpekavitasjoner er en utfordring på tilsvarende installasjoner som følge av utilstrekkelig NPSH.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe et system og en fremgangsmåte for å sikre at høytrykkspumpen har påkrevd NPSH ("Net Positive Suction Height", netto positiv sugehøyde) under alle driftsmoduser.

For å løse de ovennevnte problemene beskriver den foreliggende oppfinnelsen et gasstilførselssystem for kombinasjons- eller gassmotorer, omfattende minst én LNG-lastetank 1, en første pumpe 2, en kompressor 30, en kryogenisk varmeveksler 16 og en høytrykkspumpe 10 som leverer gass til motorene, der systemet videre omfatter en ejektor 4 og en sugetank 6; ejektoren 4 er anordnet for å motta LNG-drivfluid fra den første pumpen, trekke kondensat fra den kryogeniske varmeveksleren 16 og slippe ut en blanding av drivfluidet og kondensatet til sugetanken 6; og sugetanken 6 er anordnet for å levere blandingen av LNG-drivfluidet og kondensatet til høytrykkspumpen 10.

Den foreliggende oppfinnelsen beskriver også en fremgangsmåte for å levere gass til kombinasjons- eller gassmotorer i et system omfattende minst én LNG-lastetank 1, en første pumpe 2, en kompressor 30, en kryogenisk varmeveksler 16 og en høytrykkspumpe 10 som leverer gass til motorene, der fremgangsmåten omfatter å tilveiebringe en sugetank (6) oppstrøms av høytrykkspumpen (10); tilveiebringe en ejektor (4) mellom den første pumpen (2) og sugetanken (6); pumpe, ved hjelp av den første pumpen (2), LNG-drivfluid til ejektoren (4); trekke, ved hjelp av LNG-drivfluid mottatt av ejektoren (4), kondensat fra den kryogeniske varmeveksleren (16); slippe ut, med ejektoren (4), en blanding av drivfluidet og kondensatet til sugetanken (6); og levere fra sugetanken (6) blandingen av LNG-drivfluidet og kondensatet til høytrykkspumpen (10).

Andre gunstige utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelsen skal forstås av de uselvstendige patentkravene og den detaljerte beskrivelsen i det følgende, med henvisning til de endrede figurene; der: Fig. 1 er en skjematisk oversikt over en rekondenseringsenhet av kjent teknikk; Fig. 2 er en skjematisk oversikt over én utførelsesform av et system i henhold til den foreliggende oppfinnelsen; og Fig. 3 er en skjematisk oversikt over en annen utførelsesform av et system i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Figur 1 illustrerer et typisk kjent lastoppbevaringssystem i et LNG-skip med minst én lastetank 1. Lasteledninger er ikke vist. Som følge av naturlig varmelekkasje inn i lastoppbevaringssystemet fordamper en viss mengde av lasten, kjent som avkokingsgass (boil-off gas). Avkokingsgassen strømmer via ledning 14 til en avkokingsgasskompressor 30. Avkokingsgasskompressoren 30 kan være av enkelttrinns- eller flertrinnstypen. Komprimert avkokingsgass forlater avkokingsgasskompressoren via ledning 15 og går inn i kjøler 31. Valg

av kjølemedium kan avhenge av kompressorens utløpstemperatur. Ulike skisser er kjent for fagpersonen, og det blir ikke ytterligere beskrevet her. Avkjølt og komprimert avkokingsgass forlater avkokingsgasskompressoren etter kjøler 31 via ledning 32 og går inn i en kryogenisk varmeveksler 16. Den kryogeniske varmeveksleren er typisk en flerstrømsveksler der strømmene er koblet til en sløyfe med sirkulerende kuldemedium. Dette blir ikke ytterligere illustrert her, siden slike systemer er kjent for fagpersonen.

Én driftsmodus for LNG-skipet er at fremdriftsmaskineriet og hjelpemotorer (ikke vist) går på skipsdiesel olje eller tilsvarende. Denne modusen illustrerer teknikkens nåværende stand og er illustrert i figur 1. I denne modusen forlater kondensatet den kryogeniske varmeveksleren 16 via ledning 17 til separator 18. Ventil 25 er helt åpen, og pumpe 8 i kombinasjon med ventil 34 styrer væskenivået i separator 18 ved kjente styringsprinsipper, og væsken blir pumpet tilbake til den minst ene lastetanken 1 via ledning 33. Hvis det kommer ikke-kondenserbare gasser inn i separator 18, blir de sluppet ut via ledning 21 til et sikkert sted.

Kondensat skal forstås som kondensert avkokingsgass, der avkokingsgass er damp som strømmer ut fra lasten som følge av en konstant varmelekkasje inn i lastetankene.

Fig. 2 er en skjematisk oversikt over et system i henhold til den foreliggende oppfinnelsen der LNG-lastesystemet i fig. 1 er integrert med et tilførselssystem for LNG-drivgass, der tilførselssystemet for LNG-drivgass blir tilveiebrakt med en sugetank 6, en ejektor 4, en høytrykkspumpe 10 og ytterligere ventiler 12, 19, 26, 39, 40. Pumpen 2, heretter omtalt som en drivfluidpumpe, pumper LNG via ledning 3 inn i ejektoren 4, der LNG som drivfluid trekker kondensatet via ventil 19 inn i ejektoren 4, hvoretter ejektoren 4 slipper ut en blanding av drivfluid (LNG) og kondensat ved et trykk over kondenseringstrykket i varmeveksleren 16 og sendes via ledning 5 til sugetank 6. Siden trykket i 5 er over kondenseringstrykket i varmeveksleren 16, kan sugetanken 6 plasseres høyere oppe enn separatoren 18, slik at det tilveiebringes en økt trykkhøyde mellom væskeoverflaten og innløpsflensen på høytrykkspumpen 10, hvorved det sikres at det opprettholdes en tilstrekkelig NPSH til enhver tid for høytrykkspumpen 10.

Denne anordningen eliminerer dermed drift av pumpe 8, og problemet med pumpekavitasjoner blir eliminert.

Høytrykkspumpen 10 suger så fra sugetank 6 via ledning 7 og løfter væsken i trykk (væsken er blandingen av LNG og kondensat) og komprimerer den til typisk 30 000 kPa. Væske som strømmer fra høytrykkspumpen 10, går så typisk inn i en serie med varmevekslere for å bli varmet opp og overført til fremdriftsmaskineriet og/eller hjelpemotorene. Dette prinsippet er godt dokumentert i f.eks. NO20093562 og utelates følgelig fra denne beskrivelsen.

I den eksemplariske driftsmodusen for LNG-skipet beskrevet med henvisning til fig. 1 går fremdriftsmaskineriet og hjelpemotorene på skipsdieselolje eller tilsvarende. Når den samme driftsmodusen anvendes på systemet i figur 2, gjelder det følgende: en treveisventil 26 er åpen mot separatoren 18. Væske strømmer fra separator 18 via ledning 20, gjennom ventil 25, løftes deretter i trykk av pumpe 8, så via ledning 33 tilbake til den minst ene lastetanken 1.

Igjen med henvisning til fig. 2, i henhold til en annen eksemplarisk utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen, har sugetanken 6, siden hastigheten på tilførselen av kondensat eller LNG kan endre seg som følge av driftsproblemer, typisk en lang nok retensjonstid til å sikre stabil brennverdi av den kombinerte blandingen av LNG og kondensert avkokingsgass. Dette innebærer at høytrykkspumpen 10 kan mate gassmotoren en stund uten at drivfluid pumpen 2 er i drift.

Avkokingshastigheten ved lastreise avhenger av flere faktorer, som varmeisolerende tykkelse, omgivelsestemperaturer, lastsammensetning og sjøgang. For situasjoner der avkokingshastigheten er høyere enn drivstoffbehovet, blir overskytende kondensat sendt tilbake til lastetank 1. Denne modusen er beskrevet i NO20093562. For moduser der drivstoffbehovet er høyere enn avkokingshastigheten, tilføres ekstra drivstoff fra lastetanken via drivfluid pumpe 2 gjennom ledning 3 til ejektor 4. Kondensatet strømmer enten via ledning 20 eller 27 til ejektor 4. Mengden drivfluid tilført via ledning 3 balanseres for å sikre at det resulterende fluidet sluppet ut fra ejektoren 4 har tilstrekkelig trykkhøyde til å komme inn i sugetank 6. Høytrykkspumpe 10 suger fra denne tanken via ledning 7, mens eventuell overskytende væske som går inn i 6, strømmer via ledning 33 tilbake til lastetank 1.

Ved ballastreise er mengden avkokingsgass betydelig mindre enn ved lastreise, og for ikke å kaste bort energi gjennom resirkulering av en del av avkokingsgassen gjennom avkokingsgasskompressoren 30 er det lagt til rette for fri strøm av avkokingsgass ved å åpne resirkuleringsventilen 37 helt, slik at avkokingsgassen kan strømme fritt fra den minst ene lastetanken 1 til den kryogeniske varmeveksleren 16.

Fri strøm er ikke lett å sette i gang, og dens veksthastighet er bestemt av kondenseringshastigheten til enhver tid i den kryogeniske varmeveksleren 16. Allmenn erfaring tilsier at fri strøm kan behøve flere timer på å nå påkrevd strømningshastighet.

Én mulig fremgangsmåte for å sette i gang den frie strømmen ville være å åpne ventil 22 og la dampen fra tanken strømme gjennom systemet og så til et oksideringsmiddel eller til en luftemast. Dette er ikke noen god løsning, siden både oksideringsmiddel og luftemast innebærer utslipp av drivhusgasser til atmosfæren.

I henhold til en eksemplarisk utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen settes den frie strømmen i gang ved å pumpe LNG med drivfluidpumpe 2 og sende den via ledning 3 til ejektoren 4 som drivfluidet. Ejektoren 4 genererer en innsuging via ledningene 27, 17 eller via ledning 20 for å motta innløpsfluid fra henholdsvis separator 18 eller kuldeboksen 16. I begge tilfeller er ventil 25 lukket.

Separatoren 18 brukes typisk når det er store mengder ikke-kondenserbare gasser (nitrogen) til stede som må luftes ut fra kondensatet. Strømningslinjen fra den kryogeniske varmeveksleren 16 vil så være på ledning 17 via treveisventilen 26, nå åpen til separator 18. Kondensat blir trukket fra separator 18 via ledning 20 til ejektoren 4. Ventil 19 regulerer strømmen på grunnlag av kjente prinsipper. Før og under igangsetting blir kontrollalgoritmen for nivåregulering av 18 forbikoblet.

Forbikobling av separatoren er en typisk løsning når mengden nitrogen i avkokingsgassen er lav, slik at fullstendig kondensering oppnås. Ventil 26 åpner seg nå til ledning 27 og leder kondensat fra den kryogeniske varmeveksleren 16 via ledning 17, 27 og 20 til ejektoren 4. Strømmen kontrolleres av ventil 19. Forbikobling av separatoren er en foretrukket igangsettingsmodus.

Nar systemet under igangsetting ikke har nådd tilstrekkelig lave temperaturer, vil det forekomme en viss grad av koking. Denne dampen blir resirkulert via ledning 11 tilbake til innløpssiden på avkokingsgasskompressoren 30.

En annen alternativ utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen beskrives med henvisning til figur 3. Ved lastreise er det fra tid til annen ønskelig å bruke LNG pumpet fra lastetanken 1 istedenfor avkokingsgass som drivstoff, f.eks. hvis LNG-en har en brennverdi som er høyere enn akseptable verdier for rørledningsnettet på mottakssiden, som på et landanlegg. Det er vanlig å injisere nitrogen i den fordampede LNG-en på mottakssiden for å redusere brennverdien. For å minimere mengden påkrevd injisert nitrogen på landsiden er det dermed ønskelig å resirkulere så mye som mulig av det fordampede nitrogenet tilbake til den minst ene lastetanken 1. Den installerte rekondenseringsenheten er dessuten ikke nødvendigvis i stand til å kondensere avkokingsgassen helt, så det er ikke uvanlig at en viss mengde nitrogen må slippes ut via ledning 21. Det er også et uønsket metantap forbundet med nitrogenutslippet via ledning 21.

For å fange, resirkulere og utnytte deler av nitrogen-/metantapene sluppet ut i 21, er det i systemet i figur 2 videre tilveiebrakt en ledning 49 med en reguleringsventil 50, en andre ejektor 46, og en treveisventil 47. Alternativt kan funksjonaliteten til treveisventilen 47 tilveiebringes med andre midler, som to vanlige ventiler. Drivfluid for den andre ejektoren 46 tilføres av drivfluidpumpen 2 via ledning 3 gjennom ventil 47, så via ledning 48 til ejektoren 46. Ikke-kondenserte gasser separert i 18 strømmer via ledning 21, ventil 22 er lukket, og gassene strømmer via ledning 49 til ejektor 46. Ventil 50 sørger for riktig trykk i separator 18. Den resulterende blandingen av drivfluid (LNG) og gass fra ledning 49 slippes ut fra ejektoren via ledning 45 og kommer inn i separator 6. Gasser (eventuelle) separert i separator 6 strømmer via ledning 51 og blander seg med den kondenserte avkokingsgassen i strøm 33 før de vender tilbake til den minst ene lastetanken 1.

Selv om oppfinnelsen har blitt illustrert og beskrevet i detalj i tegningene og i den foregående beskrivelsen, skal disse tegningene og denne beskrivelsen ses på som illustrerende eller eksemplariske og ikke begrensende, og de er ikke ment å begrense oppfinnelsen til de beskrevne utførelsesformene. Bare det at visse trekk nevnes i gjensidig forskjellige uselvstendige patentkrav, betyr ikke at en kombinasjon av disse trekkene ikke med fordel kan brukes. Ethvert henvisningstegn i kravene skal ikke tolkes som en begrensning i omfanget av oppfinnelsen.

Claims

1. Gasstilførselssystem for kombinasjons- eller gassmotorer, omfattende minst én LNG-lastetank (1), en første pumpe (2), en kompressor (30), en kryogenisk varmeveksler (16) og en høytrykkspumpe (10) som leverer gass til motorene,karakterisert vedat systemet videre omfatter en ejektor (4) og en sugetank (6); ejektoren (4) er anordnet for å motta LNG-drivfluid fra den første pumpen, trekke kondensat fra den kryogeniske varmeveksleren (16) og slippe ut en blanding av drivfluidet og kondensatet til sugetanken (6); og sugetanken (6) er anordnet for å levere blandingen av LNG-drivfluidet og kondensatet til høytrykkspumpen (10).

2. System i henhold til krav 1, hvori trykket i sugetanken (6) er høyere enn kondenseringstrykket i varmeveksleren (16).

3. System i henhold til krav 1, hvori sugetanken (6) er anordnet for å ha en lang nok retensjonstid til å sikre stabil brennverdi av den kombinerte blandingen av LNG og kondensert avkokingsgass.

4. System i henhold til krav 1, hvori fri strøm av avkokingsgass fra den minst ene lastetanken (1) til den kryogeniske varmeveksleren (16) tilveiebringes ved å åpne en ventil (37) som forbikobler kompressoren (30).

5. System i henhold til krav 1, hvori det er anordnet en separator (18) mellom den kryogeniske varmeveksleren (16) og ejektoren (4).

6. System i henhold til krav 5, hvori systemet videre omfatter en andre injektor (46) anordnet for å motta drivfluid fra den første pumpen (2), trekke ikke-kondensert gass fra separatoren (18) og slippe ut en blanding av LNG-drivfluid og den ikke-kondenserte gassen til sugetanken (6); og en ledning (51) anordnet for å lede separert gass fra sugetanken (6) til den minst ene lastetanken (1).

7. System i henhold til krav 1, hvori den første pumpen (2) er en drivfluidpumpe.

8. Fremgangsmåte for å levere gass til kombinasjons- eller gassmotorer i et system omfattende minst én LNG-lastetank (1), en første pumpe (2), en kompressor (30), en kryogenisk varmeveksler (16) og en høytrykkspumpe (10) som leverer gass til motorene,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: å tilveiebringe en sugetank (6) oppstrøms av høytrykkspumpen (10); å tilveiebringe en ejektor (4) mellom den første pumpen (2) og sugetanken (6); å pumpe, ved hjelp av den første pumpen (2), LNG-drivfluid til ejektoren (4); å trekke, ved hjelp av LNG-drivfluid mottatt av ejektoren (4), kondensat fra den kryogeniske varmeveksleren (16); å slippe ut, ved hjelp av ejektoren (4), en blanding av drivfluidet og kondensatet til sugetanken (6); og å levere fra sugetanken (6) blandingen av LNG-drivfluidet og kondensatet til høytrykkspumpen (10).

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, hvori ejektoren (4) slipper ut blandingen av drivfluidet og kondensatet ved et høyere trykk enn kondenseringstrykket i varmeveksleren (16).

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, hvori fri strøm av avkokingsgass fra den minst ene lastetanken (1) til den kryogeniske varmeveksleren (16) blir satt i gang ved å åpne en ventil (37) som forbikobler kompressoren (30); pumpe LNG med drivfluidpumpen (2) til ejektoren (4) som drivfluidet; og generere en innsuging med ejektoren (4) for å motta fluid fra separatoren (18) eller den kryogeniske varmeveksleren (16).

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, hvori høytrykkspumpen (10) mater gassmotoren en stund uten at den første pumpen (2) er i drift, ved hjelp av den kombinerte blandingen av LNG og kondensert avkokingsgass tilbakeholdt i sugetanken (6).

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, hvori fremgangsmåten videre omfatter å tilveiebringe en separator (18) mellom den kryogeniske varmeveksleren (16) og ejektoren (4).

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, hvori fremgangsmåten videre omfatter å tilveiebringe en andre injektor (46) mellom den første pumpen (2) og sugetanken (2), der den andre injektoren (46) er anordnet for å motta drivfluid fra den første pumpen (2), trekke ikke-kondensert gass fra separatoren (18) og slippe ut en blanding av LNG-drivfluid og den ikke-kondenserte gassen til sugetanken (6); og å tilveiebringe en ledning (51) mellom sugetanken (6) og den minst ene lastetanken (1) anordnet slik at den leder separert gass fra sugetanken (6) til den minst ene lastetanken.

14. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, hvori den første pumpen (2) er en drivfluidpumpe.