船舶的燃氣供應配置以及在船舶燃氣供應配置中提供氣體的方法
2023-05-30 07:55:21
專利名稱：船舶的燃氣供應配置以及在船舶燃氣供應配置中提供氣體的方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1的前序部分所述的船舶的燃氣供應配置以及涉及一種按照權利要求8的前序部分所述的控制船舶燃氣供應配置中的氣壓的方法背景技術具有LNG(液化天然氣)油輪的推進系統通常利用貨物來供能。在油輪中存儲的燃氣通過使用隔熱罐來配置，在隔熱罐中形成缺量空間區段和液相區段。油輪中的壓力大致在大氣壓的大小，並且液化燃氣的溫度是大約負163℃。雖然油輪的隔熱極好，逐漸增加的LNG溫度造成形成所謂的天然汽化燃氣。天然汽化燃氣必須去除，以避免油輪中壓力的過度增加。天然汽化燃氣可在例如推進系統的油輪消耗裝置中利用。但是，天然汽化燃氣量不足以提供所有情況下所需的所有推進能量，因此船舶必須設置另外的裝置來得到額外的所謂汽化燃氣的燃氣。另外，燃氣作為推進能量源的使用對於燃氣的壓力大小和穩定性存在要求。
例如，在專利公報FR2722760中表示一種配置，其中液化燃氣供應到所謂的增壓沸騰蒸發器，其中液化燃氣蒸發成氣態形式，繼而與天然汽化燃氣相結合。
EP1348620A1表示一種燃氣供應設備，其中天然汽化燃氣導入壓縮機，壓縮機在燃氣經由供應管線將其供應消耗之前增加燃氣的壓力。供應天然汽化燃氣的能力通過供應管線處的壓力來控制。另外，該設備還包括增壓沸騰蒸發器，其中事先泵壓到較高壓力下的液化燃氣進行蒸發。在此配置中，增壓沸騰燃氣部分在天然汽化燃氣的壓力增加之後與天然汽化燃氣相結合。所提出的這種配置增加了將燃氣壓縮到給定壓力所需的操作。但是，它具有下面討論的某些問題。
增壓沸騰燃氣的供應量通過定位在蒸發器之前的開關閥控制，這種控制根據燃氣貨艙的壓力。泵的操作同樣通過開關閥根據燃氣貨艙的壓力來控制。燃氣貨艙和蒸發器之間的管線同樣具有將泵送的液化燃氣返回燃氣貨艙的分支。返回部分的數量根據蒸發器之前的燃氣管線的壓力來控制。此配置中的問題是將泵送液化燃氣返回貨艙。由於通過泵送和循環略微加熱的液化燃氣的加熱作用，這不是希望的。
由於蒸發器和壓縮機的出口側(供應管線)處的燃氣消耗變化，必須控制該過程，使得燃氣貨艙內和/或供應管線內的壓力將不升高太多並且使得可以供應所需量的燃氣。在所形成的天然汽化燃氣不足或者消耗量突然增加時，燃氣貨艙的缺量空間減小，並且增壓沸騰蒸發器和液化燃氣泵的操作啟動。在操作泵和蒸發器一會兒之後，該壓力將增加到足夠大小。接著該泵可關閉並且增壓沸騰蒸發器的閥也閉合。特別是由於蒸發器的操作是開關控制的，供應管線內的壓力變化不可避免地非常大。由於蒸發器通常設置尺寸成100％消耗，使得控制非常不準確，從而這種情況更加強化。因此，這種控制系統非常複雜，並且同樣在一定程度上不穩定。與此情況類似的配置表示在EP1291576A2。
特別是在具有燃氣發動機的燃氣操作船舶中，必須注意到以下的事實，雖然天然氣主要包括甲烷，它還可包括乙烷、丙烷和較重的碳氫化合物。在天然氣中還可發現少量的氮、氧、二氧化碳、硫化物以及水。液化過程需要從所產生的天然氣中去除某些例如水和二氧化碳的成分。在理想的情況下，有利的是在保留甲烷，這是由於它充分燃燒而不產生任何有害的副產品。在考慮到LNG船舶的貨艙中的情況時，明顯的是由於其沸點不同以及貨艙內的情況，除了甲烷之外，天然汽化燃氣包括至少氮。氮的存在減小發動機的性能，並且如果燃氣內的氮含量超過某種程度(例如22％)，原動機效率減小。所以，希望減小燃氣中氮的含量。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於船舶的燃氣供應配置，該配置解決了所述的問題和現有技術的其它問題，本發明的另一目的在於提供一種用於在具有液化燃氣貨艙的船舶的燃氣供應配置中控制燃氣壓力的方法，以便在供應管線儲提供恆定的壓力和用於船舶的耗能裝置的可靠燃氣供應。
本發明的目的在所披露的權利要求1和8中大致得以滿足，並且在其它權利要求中更加詳細地得以滿足。下面，將增壓參考一種貨艙來描述本發明。但是清楚的是船舶可設置多個貨艙，每個貨艙具有單獨的燃氣供應配置，或者多個貨艙可通過具有公用的燃氣供應配置而並行連接。
船舶的燃氣供應配置適用於在其具有缺量空間區段和液相區段的貨艙中運送液化燃氣，該配置利用燃氣作為燃料來為船舶提供能量，該配置包括第一燃氣供應管線，該管線設置成用於處理貨艙中形成的天然汽化燃氣；第二燃氣供應管線，該管線連接貨艙和燃氣主要供應管線，並且設置用於升高燃氣壓力並使其向前泵送的至少一個泵。第二燃氣供應管線設置具有缺量空間區段和液相區段的燃氣儲槽，並且該配置設置將貨艙的液相區段連接到燃氣儲槽的液相區段上的第二燃氣供應管線的第一導管區段，並且設置泵，另外該配置設置將儲槽的液相區段和貨艙連接的返回管線，返回管線設置控制閥，以便控制地將液化燃氣返回到貨艙。這使其可以控制和保持儲槽內的所需溫度，並因此實現將較重的碳氫化合物與從儲槽向前供應到消耗裝置的燃氣分開。因此，燃氣中的甲烷濃度增加，有利於燃氣發動機的操作。
按照本發明的實施例的第一燃氣供應管線連接貨艙的缺量空間區段和燃氣主要供應管線，並且設置用於控制液化燃氣貨艙和燃氣主要供應管線內的壓力的壓縮機。但是，在某些應用中，天然汽化燃氣的處理包括燃氣重新液化設備和回到貨艙的返回通道。
第二燃氣供應管線的第一導管區段和返回管線最好通過第一熱交換器裝置相互形成熱傳遞關係，使得來自於貨艙的液化燃氣可預先加熱並且返回燃氣冷卻。熱傳遞關係使其在儲槽中容易保持所需溫度。燃氣儲槽設置溫度測量裝置，該溫度測量裝置適用於作用在控制閥的操作上。回到貨艙內的返回燃氣的流速根據儲槽內的測量溫度進行控制。由於儲槽內的溫度保持在大約負100℃，從貨艙供應燃氣對於儲槽內的溫度具有增加的作用。
儲槽設置組合式溫度/壓力控制單元，通過該單元，燃氣可從儲槽的液相區段蒸發。儲槽的組合式溫度/壓力控制單元包括第二熱傳遞裝置，以便將熱量施加在儲槽內的液化燃氣上。第二熱傳遞裝置設置控制裝置，以響應儲槽內的燃氣壓力。儲槽設置表面水平控制配置，以便控制液相區段的表面水平。
在具有帶有缺量空間區段和液相區段的液化燃氣貨艙和燃氣消耗裝置的船舶的燃氣供應配置中提供燃氣的方法中，其中來自於貨艙的燃氣經由燃氣供應管線引導到消耗裝置，燃氣供應管線設置泵，以便升高液化燃氣的壓力並且使其向前泵送。燃氣供應管線的燃氣供應到具有缺量空間區段和液相區段的儲槽內，其中儲槽臨時存儲燃氣，並且燃氣從中引導到燃氣消耗裝置，並且儲槽內的溫度保持在所需大小，使得燃氣的所需一種或多種公知成分蒸發並且不蒸發的液化燃氣的至少一部分返回的貨艙。以此方式，儲槽內蒸發的燃氣的濃度增加。
燃氣供應管線種的燃氣壓力通過控制儲槽的液相區段的溫度來控制。
本發明具有多種優點。首先，由於通過加熱液化燃氣來控制壓力的新型方式，壓力控制非常準確。採用本發明，還可以提供通過將重的碳氫化合物和燃氣分開來為燃氣發動機操作提供更加適合的燃氣。另外，本發明在到達貨艙的連接必須切斷的情況下提供一種用於消耗裝置的燃氣燃料的緩衝器。
下面，本發明將參考示意附圖進行描述，其中圖1表示按照本發明的燃氣供應配置的優選實施例。
具體實施例方式
圖1示意表示例如LNG油輪的船舶6的截面圖。船舶6適用於在其貨艙內運送液化燃氣。通常在油輪中具有多個貨艙，但是在圖1中只表示一個貨艙4，以便清楚表示。貨艙4進行填充，使得總是具有填充氣態燃氣的缺量空間區段4.1和填充液化燃氣的液相區段4.2。在存儲液化燃氣時，燃氣蒸發以改變其狀態，並且傳送到缺量空間區段4.1。所謂的天然汽化燃氣的蒸發燃氣可以在船舶6的消耗裝置5中利用。消耗裝置5最好是提供推進動力的燃氣發動機。在附圖1中，只表示一個消耗裝置5，但是清楚的是可以有多個這種裝置。
在此實施例中，船舶6設置燃氣供應配置1，該配置包括第一燃氣供應管線2和第二燃氣供應管線3。第一燃氣供應管線2從貨艙4的缺量空間區段4.1延伸到通向消耗裝置5的燃氣主要供應管線7。第一燃氣供應管線2適用於經由主要供應管線7將蒸發的汽化燃氣從貨艙4輸送到船舶6的消耗裝置5。貨艙4內的壓力保持略微過壓。第一燃氣供應管線2設置壓縮機2.1以便將汽化燃氣的壓力升高到消耗裝置5所使用的足夠大小。燃氣主要供應管線7的壓力大小必須保持在適當壓力下，但是在最大設計閾值之下。較低的閾值通常通過船舶的作為消耗裝置5的燃氣發動機的要求來確定。壓縮機2.1的能力通過利用設置在貨艙缺量空間內的測量裝置10來控制，使得貨艙內的壓力保持在某種設計閾值內。壓縮機2.1操作也取決於燃氣主要供應管線7內的壓力。燃氣主要供應管線7因此設置利用另一壓力測量裝置10.1，該裝置傳遞壓力值以用於壓縮機2.1的控制過程。只要燃氣主要供應管線7內的壓力不達到其較高閾值，壓縮機就保持操作。壓縮機可設置例如入口葉片控制器，該控制器使得該能力可以進行某種變化。在燃氣主要供應管線(裝置10.1測量)的壓力減小，同時裝置10所測量的貨艙內的壓力過低的情況下，必須提供另一種產生氣態燃氣的方式。
第一燃氣供應管線2的目的主要是保持貨艙4內的適當壓力大小，並且在某些應用種可以設想到用重新液化系統來代替它，並且利用該配置的第二燃氣供應管線3，如下面描述那樣。
所述可選擇的產生燃氣的方式通過設置在燃氣供應配置1內的第二燃氣供應管線3來實現。第二燃氣供應管線3配置成例如在天然汽化燃氣形成量不足時，將液化燃氣轉換出成氣態形式。第二供應管線3基本上是第一供應管線2的平行線，從貨艙4引導到主要供應管線7。因此，它設置液化燃氣泵3.1，以便將液化燃氣的壓力升高到略微大於主要供應管線7的壓力大小，並且用於將液化燃氣輸送到設置在第二燃氣供應管線3內的燃氣儲槽3.2內。泵3.1最好浸入貨艙4的液相區段4.2內，使其經由第二燃氣供應管線3的第一導管區段3.4泵送液化燃氣。第一導管區段3.4最好設置止回閥或自動控制閉合閥3.12，以便防止液化燃氣返回到貨艙4。至少泵3.1和閥3.12(如果不是止回閥)在設置在儲槽3.2內的表面水平控制配置8的控制下操作。泵至少在其較低閾值8.1時啟動，並且泵運轉直到表面升高到其較高閾值8.2。最好是表面閾值選擇成使得儲槽最低填充20％，而最高填充80％。泵3.1的輸出最好選擇成使得在填充過程中表面的上升速度相對低。以此方式，儲槽3.2的填充對於儲槽3.2的缺量空間區段3.3內的燃氣壓力具有最小影響。上升表面對於壓力的影響可至少部分通過適當控制儲槽溫度控制單元來補償，該單元將在下面描述。由於燃氣的性能，即氣態形式的燃氣容積大約是液態形式的燃氣容積的600倍，泵3.1的輸出可以此方式選擇，而不損害燃氣形成能力。通常貨艙4設置所謂的噴射泵，並且泵3.1可以是分開的泵或噴射泵。
在儲槽3.2內形成氣態燃氣部分通過將缺量空間區段3.3布置在儲槽內來實現，即考慮到液化燃氣的表面較高閾值8.2不過高。但是，燃氣蒸發以及同時缺量空間區段3.3內壓力大小通過蒸發儲槽3.2內的液相區段3.7的燃氣來控制。實際上該配置設置組合式溫度/壓力控制單元3.6，這意味著壓力通過利用熱量來間接控制。該單元包括與儲槽相結合設置的壓力傳感器9，根據壓力傳感器的測量值控制液相區段3.7的溫度。換言之，液化燃氣的一部分被加熱或者至少部分蒸發。控制原理取決於溫度越高、燃氣蒸發越大的事實。這樣，當然根據消耗，在液相區段3.7被加熱時，氣態燃氣形成以及壓力增加。
液相區段3.7中液化燃氣的加熱通過加熱裝置來實現。按照本發明的優選實施例的第二熱傳遞裝置包括其中液化燃氣經由管3.10流入和流出的外部熱交換器3.9。液化燃氣通過熱交換器3.9的另一側3.8內流動的例如乙二醇和水的混合物的熱傳遞介質加熱。循環泵(未示出)可有助於液化燃氣的流動，但是管道可以設置尺寸，從而可以根據密度差別出現自由循環。熱傳遞速度以及液化燃氣的加熱和蒸發通過閥9.1控制，該閥控制液化燃氣流入熱交換器3.9。熱傳遞介質可以是例如乙二醇和水的混合物或蒸汽，但特別是任何適當的熱源，也可以利用電加熱器。
來自於儲槽的燃氣經由第二燃氣供應管線3的第二導管區段3.5引導到燃氣主要供應管線7。在汽化燃氣的輸出(第一燃氣供應管線2)不足以滿足消耗要求時，主要供應管線7以及貨艙4的缺量空間區段內的壓力適當增加。隨後來自於儲槽3.2的缺量空間3.3的燃氣將允許流過第二導管區段3.5進入燃氣主要供應管線7。這在缺量空間3.3內造成通過傳感器9檢測的略微的壓力降。測量值傳遞到控制裝置(出於清楚原因未示出)，控制裝置發送指令到閥9.1，以便啟動開啟運動。因此，繼而允許液化燃氣從燃氣儲槽3.2流入其中液化燃氣的溫度升高的熱交換器3.9中，它還可以至少部分蒸發。由於液化燃氣溫度升高，它將開始流回儲槽3.4。以此方式，燃氣蒸發增加，並且補償缺量空間區段3.3內的壓力降。在使用其它類型的加熱裝置時，其輸出功率將通過壓力傳感器9來控制。
這種壓力控制配置非常穩定並且容易調節，以便將供應管線壓力保持在所需閾值內。另外，儲槽3.2例如在必須切斷貨艙4和船舶燃氣供應的情況下提供緩衝。例如，在埠排放貨艙4時，有利的是具有某些緩衝容積，因此儲槽3.2可設置尺寸，以便具有與經由燃氣主要供應管線7供應至少四個小時的燃氣消耗量相對應的容積。
來自於燃氣儲槽3.2的燃氣供應根據所測量的燃氣流速來控制。根據主要燃氣供應管線7內以及貨艙4的缺量空間區段存在的壓力，預先確定目標流速值。以此方式，根據燃氣主要供應管線7和貨艙4內的壓力測量值直接控制第一供應管線2。第二燃氣供應管線3根據基於壓力的燃氣流速的預定目標流速來控制。實際測量流速與目標值比較。對於每對燃氣主要供應管線壓力和貨艙壓力來說，通過經驗確定目標燃氣流速值，並接著存儲在該配置的控制系統(未示出)中。因此形成目標數值，例如兩維表格，其中對於通過第二供應線3的第二導管區段的增壓汽化燃氣來說，壓力的每個組合具有某個目標流速。第二導管區段3.5因此設置流動計量裝置3.42和控制閥3.41。例如在燃氣主要供應管線7的壓力低，同時貨艙壓力低時，燃氣目標流速增加，並且閥3.41更加開啟，直到裝置3.42測量的實際流速大致等於目標數值為止。以此方式，不存在兩種並行的控制系統，並且壓力控制非常穩定。
儲槽3.2還設置返回管道3.14，返回管道從儲槽的液相區段引導到貨艙4。返回管道3.14設置閥3.15，以便控制液化燃氣的流動。閥3.15響應儲槽3.2內的溫度，該溫度通過結合燃氣儲槽3.2設置的溫度測量裝置11來測量。在溫度過高的情況下，閥3.15開啟，並且來自於儲槽3.2的液相區段的燃氣將流回到貨艙4。在需要時，通過經由第一導管區段3.4從貨艙進行供應來補償返回流動。由於貨艙內的溫度大約是負163℃，供應到儲槽3.2的液體將降低儲槽內的溫度。為了預先加熱供應到儲槽的液化燃氣並冷卻燃氣的返回部分。通過第一熱交換器裝置3.16，流動相互之間是熱傳遞關係。通過保持適當的溫度，如上所述在儲槽3.2中的大約負100℃，可有助於分離燃氣中所含成分，使得燃氣中的一種或多種公知成分蒸發，並且燃氣的某些部分返回到貨艙4。特別是，較重的碳氫化合物可與燃氣分離，使得向前供應的燃氣中的甲烷百分比增加。這種配置有利於作為消耗裝置5的燃氣發動機的操作。
在燃氣發動機的應用中，有利的是確定所產生燃氣的氮含量。因此，按照本發明，該配置設置定位在燃氣供應管線7處的燃氣密度測量裝置12。這形成確定通過第二燃氣供應管線3供應的燃氣中氮含量的簡單和可靠的方式。現在，由於從儲槽3.2提供的燃氣主要包括甲烷和氮，可以確定燃氣中氮的含量。由於知道氮的密度和天然氣的密度並且測量燃氣密度，氮的百分比可通過以下公式來確定氮百分比＝(測量的燃氣密度-甲烷密度)/(氮密度-甲烷密度)此信息可例如用來確定消耗裝置5中使用的燃氣量。
在儲槽3.2填充過程中，由於上升的表面高度，缺量空間3.3內的壓力部分增加，這通過壓力傳感器9記錄，該信息也傳遞到溫度控制單元3.6。
圖1的控制關係以虛線示意表示，以便簡明目的。但是清楚的是控制系統可通過多種方式實現，使用集中式和分布式控制配置。
本發明不局限於所示的實施例，相反可以設想在所附權利要求的範圍內的本發明的多種變型。
權利要求
1.一種船舶(6)的燃氣供應配置(1)，適用於在具有缺量空間區段(4.1)和液相區段(4.2)的貨艙(4)中運送液化燃氣，該配置利用燃氣作為燃料來為船舶提供能量，該配置包括第一燃氣供應管線(2)，該管線設置成處理貨艙內形成的天然汽化燃氣；第二燃氣供應管線(3)，該供應管線連接貨艙(4)和燃氣主要供應管線(7)，並且設置用於升高燃氣壓力並使其向前泵送的至少一個泵(3.1)；其特徵在於第二燃氣供應管線(3)設置具有缺量空間區段(3.3)和液相區段(3.7)的燃氣儲槽(3.2)，該配置設置連接貨艙(4)的液相區段和燃氣儲槽(3.2)的液相區段的第二供應管線(3)的第一導管區段(3.4)，並設置泵(3.1)，並且該配置另外設置返回管線(3.14)，返回管線連接儲槽(3.2)的液相區段和貨艙(4)，並設置控制閥(3.15)，以便控制地將液化燃氣返回到貨艙(4)。
2.如權利要求1所述的燃氣供應配置(1)，其特徵在於，第二燃氣供應管線(3)的第一導管區段(3.4)和返回管線(3.14)通過第一熱交換器裝置(3.16)相互形成熱傳遞關係。
3.如權利要求1所述的燃氣供應配置(1)，其特徵在於，燃氣儲槽(3.2)設置適用於作用於控制閥(3.15)操作的溫度測量裝置(11)。
4.如權利要求1所述的燃氣供應配置(1)，其特徵在於，儲槽(3.2)設置組合式溫度/壓力控制單元(3.6)。
5.如權利要求3所述的燃氣供應配置(1)，其特徵在於，儲槽(3.2)的組合式溫度/壓力控裝置(3.6)包括用於將熱量施加在儲槽(3.2)內的液化燃氣上的第二熱傳遞裝置(3.9、3.9』)。
6.如權利要求1所述的燃氣供應配置(1)，其特徵在於，儲槽(3.2)設置用於控制液相區段(3.7)的表面水平的表面水平控制配置(8)。
7.如權利要求2所述的燃氣供應配置(1)，其特徵在於，第二熱傳遞裝置(3.9)設置響應儲槽(3.2)內的燃氣壓力的控制裝置(9、9.1)。
8.一種在具有帶有缺量空間區段(4.1)和液相區段(4.2)的液化燃氣貨艙(4)和燃氣消耗裝置(5)的船舶(6)的燃氣供應配置中提供燃氣的方法，在該配置中，燃氣經由燃氣供應管線(3)引導到消耗裝置(5)，該管線連接貨艙(4)的液相區段(4.2)和燃氣消耗裝置(5)，燃氣供應管線(3)設置泵(3.1)，以便升高液化燃氣的壓力並且使其向前泵送，其特徵在於，在燃氣供應管線中，燃氣供應到具有缺量空間區段(4.1)和液相區段(4.2)的儲槽(3.2)內，其中儲槽(3.2)臨時存儲燃氣，並且燃氣從中引導到燃氣消耗裝置(5)，並且儲槽(3.2)內的溫度保持在所需大小，使得燃氣的所需一種或多種公知成分蒸發，並且不蒸發的液化燃氣的至少一部分返回的貨艙(4)。
9.如權利要求11所述的控制燃氣壓力的方法，其特徵在於，燃氣供應管線(3)中的燃氣壓力通過控制儲槽(3.2)的液相區段(3.7)的溫度(9、9.1、3.6)來控制。
全文摘要
一種船舶(6)的燃氣供應配置(1)，適用於在具有缺量空間區段(4.1)和液相區段(4.2)的貨艙(4)中運送液化燃氣，該配置利用燃氣作為燃料來為船舶提供能量，該配置包括第一燃氣供應管線(2)，該管線設置成處理貨艙內形成的天然汽化燃氣；第二燃氣供應管線(3)，該供應管線連接貨艙(4)和燃氣主要供應管線(7)，並且設置用於升高燃氣壓力並使其向前泵送的至少一個泵(3.1)；其中第二燃氣供應管線(3)設置具有缺量空間區段(3.3)和液相區段(3.7)的燃氣儲槽(3.2)，該配置設置連接貨艙(4)的液相區段和燃氣儲槽(3.2)的液相區段的第二供應管線(3)的第一導管區段(3.4)，並設置泵(3.1)，並且該配置另外設置返回管線(3.14)，返回管線連接儲槽(3.2)的液相區段和貨艙(4)，並設置控制閥(3.15)，以便控制地將液化燃氣返回到貨艙(4)。
文檔編號F17C9/02GK1898127SQ200480038080
公開日2007年1月17日 申請日期2004年2月25日 優先權日2003年12月18日
發明者S·卡斯森, T·馬蘭恩 申請人:瓦特西拉芬蘭有限公司