用於船舶推進用的至少一個燃氣發動機的液化天然氣燃料罐系統的製作方法

2023-05-27 09:18:36

專利名稱：用於船舶推進用的至少一個燃氣發動機的液化天然氣燃料罐系統的製作方法
用於船舶推進用的至少ー個燃氣發動機的液化天然氣燃料罐系統本發明涉及一種用於船舶推進用的至少ー個燃氣發動機的液化天然氣(LNG)燃料罐系統。更具體地，如在所附權利要求I的前序部分中所限定的那樣，該LNG燃料罐系統包括至少ー個LNG燃料罐和氣體容器，該LNG燃料罐將要藉助於LNG填充管路而從陸上的LNG加壓罐填充設施來裝填燃料。現今，重質燃料油(HFO)是用於船舶推進的最為常見的燃料。為了限制汙染，國際監管組織對HFO中的含硫量和排放到大氣中的氮氧化物和ニ氧化碳的排放量設定了極限值。硫和氮主要危害了當地環境，而ニ氧化碳的排放量則是全球問題。
在環境保護方面提出的主要步驟在於將甲烷用作用於船舶推進的燃料，由此，減少了硫、氮氧化物和ニ氧化碳的排放量。LNG的價格也已經低於HFO和柴油，因此，利用甲烷作為燃料既具有環境效益又具有經濟效益。到目前為止使用的原理是將商業液化甲烷+ (LNG)填充到船舶上的加壓容器罐中並將壓カ保持在表壓為通常的5-7巴(bar)。LNG隨後被蒸發並加熱到推進燃氣發動機所需的狀況。在挪威已經建造了約十二個帶有LNG燃料系統的船舶，並且已經建造了陸上LNG填充站用於供給這些船舶。陸上LNG罐和船舶LNG罐都是雙壁真空絕熱的壓カ容器。為了在LNG的毎次填充之間獲得較遠的航行距離，在船舶所有者中，存在對於利用稜柱狀的LNG罐的喜好，與壓カ容器相比，稜柱狀的LNG罐更好地利用了船體形狀。稜柱狀罐承載了處於大氣壓下的LNG。難題在於如何將LNG在不將甲烷氣體排放至大氣的情況下從加壓的陸上LNG罐裝載到僅僅能夠維持大氣壓的船舶罐。進ー步地，進入大氣罐的熱量遠高於真空絕熱的壓カ容器罐，並且將要將獨特的補救法用於處理增多的汽化。在聯合國監管組織的國際海事組織(IMO)出版物「用於承載散裝液化氣的船舶的構建和裝備的國際規程-IGC規程(International Code for the Constructionand Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk-IGC Code)」 (ISBN978-92-801-1277-1，1993版)中對用於承載散裝液化氣的船載罐進行了分類。大氣壓力LNG罐被分類為「A型獨立罐」並且在大氣壓下並以表壓0. 7bar作為安全閥最大許用設定值(MARVS)進行操作。由於存在從稜柱狀罐洩漏的風險(主要為彎曲應力)，因此需要A型獨立罐(簡稱為A型罐)具有完整的「ニ級屏障」以在洩漏的情況下容納LNG。在設計壓力高於由罐尺寸給定的特定極限值之上的情況下，將在液面下方不具有任何滲透的壓カ容器LNG罐分類為「C型獨立罐」。C型獨立罐類無需具有任何「ニ級屏障」(主要為薄膜應カ)。如果LNG壓カ容器罐在液面下具有滲透，則需要完整的「ニ級屏障」；參照IMO海上安全委員會MSC. 285(86)有關船舶中的天然氣-燃料發動機裝置的安全的臨時準則(Interim Guidelines on Safety for Natural Gas-Fuelled Engine Installations inShips)」。
在本公開文獻中，為了方便讀者，術語「A型罐」已經被術語「大氣壓カLNG罐」所
替代在將LNG填充到大氣壓カLNG罐中的填充期間處理閃發氣體的難題已經根據ー種選擇通過瓦錫蘭(Wartsila)專利、即WO 2008/000898 Al 「用於燃氣驅動船舶的燃料系統(Fuel Systems for Gas Driven Vessel) 」 得以克服。瓦錫蘭的解決方案非常類似於在所有的現有LNG燃料船上所使用的系統，如以上已經概述過的那樣，但將LNG從大氣壓カLNG罐泵送到船載壓カ容器LNG罐中。為了控制大氣壓力LNG罐的壓力，蒸氣藉助於壓縮機被泵送到壓カ容器LNG罐中。由此，船舶上的將燃料供給至燃氣發動機的壓カ容器罐是LNG填充的並且是絕熱的。本發明所要解決的問題主要是由於三種情況造成的，即，陸上LNG壓カ罐、LNG燃料裝填、和保持時間。用於給船舶裝填LNG燃料的陸上存儲罐是按照今所有的真空絕熱壓力容器類型進行的。通常的設計壓カ為表壓約lObar。這些陸上LNG罐通常從同樣配備有壓力容器LNG罐的LNG卡車進行填充。陸上LNG存儲罐也可藉助於全部配備有被分類為「C型獨立罐」的壓カ容器罐的小型LNG運輸裝置來裝填。在向卡車/LNG運輸裝置進行填充、運輸期間，在向存儲罐填充期間，以及在存儲在陸上LNG罐中期間，熱量洩漏到LNG中。陸上LNG存儲罐中的LNG因此處於高於-163°C的溫度，並且因此，飽和壓カ大於大氣壓力。在以升高的壓カ從陸上LNG罐填充到船舶大氣壓力LNG罐的填充期間，LNG蒸發並且大氣壓カLNG罐的壓力升高。如果陸上LNG罐飽和壓カ適當地低於表壓0. 7bar,則船舶大氣壓カLNG罐可在無需向大氣釋放甲烷氣體的情況下進行填充。如果陸上LNG罐飽和壓カ接近表壓0. 7bar,則LNG從泵、管道系統、和罐獲得ー些熱量，而這些熱量會使得在LNG填充期間，釋壓閥打開並將甲烷釋放至大氣。如果陸上LNG罐飽和壓カ高於表壓0. 7bar，則大氣壓力LNG罐的釋壓閥打開，並且甲烷氣體被釋放至大氣。在陸上LNG罐中的表壓為所述I. 5bar下，大量的甲烷氣體被釋放至大氣。因此，已經設置了有用於處理閃發氣體的系統，並且該系統是本發明的主題。LNG罐遭受來自環境的輸入熱量的影響，該熱量又使得LNG蒸發，並且使得罐壓增大，直到釋壓閥打開為止。保持時間是直到釋壓閥打開為止的消逝時間。當雙壁真空絕熱壓カ容器罐的保持時間為「數月」吋，大氣壓力LNG罐的保持時間為「數日」。如果大氣壓カLNG罐的初始蒸氣壓カ約為大氣壓力，則保持時間通常略多於一周。如果大氣壓カLNG罐的初始蒸氣壓カ為表壓約0. 5bar，則保持時間通常為幾天。在超過以上持續時間的停租情況下，因此設置用於處理蒸發氣體的系統，該系統也是本發明的主題。為了滿足以上詳細說明的難題，本發明提出了一種用於船舶推進用的至少ー個燃氣發動機的LNG燃料罐系統，該LNG燃料罐系統包括氣體容器和至少ー個LNG燃料罐，該LNG燃料罐將要藉助於LNG填充管路從陸上LNG壓カ罐填充設施裝填燃料，其中，LNG燃料罐是船舶低壓受控的大氣壓力LNG罐，並且氣體容器是單壁非絕熱的壓カ容器，該單壁非絕熱的壓カ容器設置成用於分別在對LNG燃料罐裝填LNG燃料期間積聚閃發氣體，並在對LNG燃料罐洩壓期間積聚汽化氣體，並且燃氣發動機根據預定的氣體容器壓カ從氣體容器或LNG燃料罐被供給燃料。LNG燃料罐內的蒸氣壓カ可被控制成低於約0. 7bar的表壓。也可使用位於在LNG燃料罐與氣體容器之間延伸的吸入管路和壓縮管路中的壓縮機，使得在對LNG燃料罐裝填燃料和洩壓期間限制LNG燃料罐壓力。燃氣發動機可從氣體容器供給燃料，直到壓カ接近約5_6bar的表壓為止，此後，從LNG燃料罐來實現燃料供給。來自氣體容器的推進氣體可經由通過加熱器的氣體管路供
i ロ 來自LNG燃料罐的推進氣體可經由下述液體和蒸氣管路供給該液體和蒸氣管路具有配備有位於LNG燃料罐的下部部分附近的離心泵的大體上豎直的豎直立管，該LNG在蒸發器中被蒸發。來自蒸發器的蒸氣可經由止回閥經過蒸氣管路流到位於加熱器上遊的氣體管路中。

當需要額外的燃料推進船舶時，可從氣體容器和蒸發器供給氣體。為了在需要時降低氣體溫度，立管可設置有延伸到氣體容器中的噴淋管路，該噴淋管路包括常閉閥。通過所附專利權利要求和以下詳細的描述將理解本發明的其它有利特徵。現在，將要參照示出了エ藝方案的圖I對本發明進行詳細討論。為了避免在LNG燃料裝填期間和在海上時將甲烷釋放至大氣，本發明涉及ー種用於處理閃發氣體和汽化氣體的LNG燃料罐系統。在這種情況下，壓縮機確保了大氣壓力LNG罐中的壓カ從不超過0. 7bar的表壓，並且將閃發/蒸發氣體輸送至僅含有氣體的壓カ容器罐。圖I示出了用於帶有兩個大氣壓カLNG罐的船舶的簡化工藝方案，這兩個大氣壓力LNG罐例如藉助於泵、蒸發器、加熱器、壓縮器和氣體容器例如將燃料氣體供給至ー個或若干個燃氣發動機。燃氣發動機可從氣體容器或任ー個大氣壓カLNG罐而被供給燃料。LNG燃料裝填LNG 填充LNG燃料裝填從未示出的陸上LNG填充站壓力容器發生，根據LNG供給者的經驗，該陸上LNG填充站壓力容器的可具有與2bar的表壓ー樣高的飽和壓力。LNG從陸上LNG填充站經過LNG填充管路I泵送。LNG在大氣壓力LNG罐4的入ロ處通過焦耳(J)-湯姆遜(T)閥2。J-T閥流量由大氣壓力LNG罐的蒸氣壓カ控制。蒸氣壓カ始終低於0. 7bar的表壓。LNG從J-T閥向下流至延伸到大氣壓力LNG罐4中的底部填充管路3。大氣壓LNG罐過壓控制當LNG流過J-T閥2吋，形成了特定量的閃發氣體。陸上LNG壓カ容器中的飽和壓カ越大，形成的閃發氣體就越多，並且大氣壓カLNG罐的壓カ趨於増大。以上概述的J-T閥控制不能限制大氣壓力LNG罐的壓力，但被完全關閉並由此中止了 LNG填充。壓縮機5經由吸入管路6和壓縮管路7將來自大氣壓カLNG罐的閃發氣體移除到單壁氣體容器8中，並由此限制了大氣壓力LNG罐的壓力。通過壓縮機5的氣流由大氣壓カLNG罐的蒸氣壓カ控制。如已經提到的那樣，大氣壓カLNG罐內的蒸氣壓カ始終低於0. 7bar的表壓。氣體容器氣體容器8的主要目的是在LNG填充期間用作氣體緩衝器。陸上LNG壓カ容器中的飽和壓力越高，所需的氣體容器就越多。為了在節省空間的同時確保足夠的緩衝能力，可使氣體容器的設計壓力高於IObar的表壓(用於甲板下方的壓縮天然氣(CNG)罐的先前要求極限值。由頂O海上安全委員會MSC. 285(86)有關船舶中的天然氣-燃料發動機裝置的安全的臨時準則(Interim Guidelines on Safety for Natural Gas-Fuelled EngineInstallations in Ships) 」規定)。將閃發氣體壓縮到上述20_25bar的表壓提高了氣體溫度，使得可將標準碳錳鋼用於氣體容器8。
氣體容器應該是不具有任何熱絕緣的標準單壁壓力容器。工作壓力的選擇基於閃發氣體量、所需的空間和壓縮機成本進行。常規操作來自氣體容器的燃料在LNG燃料裝填完成時,每個大氣壓力LNG罐的壓力接近大氣壓力(0_0· 5bar的表壓)並由此低於MARVS，而氣體容器接近其設計壓力。此時，實際的燃氣發動機直接從氣體容器供給燃料。處於所述25bar的表壓(僅為示例)的燃料氣體從氣體容器8經由氣體管路9流至氣體管路J-T閥10，在該氣體管路J-T閥10處，壓力降低至約5-7bar的表壓。燃料氣體進一步經由止回閥12流過氣體管路11、流過加熱器13並且此後流至用於燃氣發動機的調節單元。通過J-T閥10的流量由氣體管路11中的處於閥下遊的壓力控制。燃氣發動機被從氣體容器8供給燃料，直到壓力接近所述5_7bar的表壓為止。從氣體容器供給的燃料氣體優先於從大氣壓力LNG罐供給的燃料氣體。這樣，氣體容器可用於接收處於任何情況下的氣體，在所述任何情況下，大氣壓力LNG罐中的壓力接近MARVS。來自大氣壓力LNG罐的燃料當氣體容器壓力接近所述5_7bar的表壓時，將燃料氣體切換成被從大氣壓力LNG
罐4供給。LNG藉助於處於大氣壓力LNG罐4的底部處的離心泵14被通過豎直泵立管15並通過液體管路16向上泵送至控制閥17。通過控制閥17的流量由液體管路16中的處於閥下遊的壓力控制，其中，液體管路16中的處於閥下遊的壓力被保持在約5-7bar的表壓。LNG在蒸發器18中被進一步蒸發，並且蒸氣經由止回閥20流動通過蒸氣管路19進入到氣體管路11中。蒸氣流過加熱器13並在此後流至用於燃氣發動機的調節單元。蒸發器18和加熱器13藉助於燃氣發動機的冷卻系統或船舶上的其它可利用的加熱系統加熱。大氣壓力LNG罐壓力真空控制當燃氣發動機消耗燃料時，大氣壓力LNG罐4的LNG液面降低，從而趨於降低罐空隙的壓力。然而，對於大氣壓力LNG罐4而言，由於輸入熱量而增大的壓力基本上高於由於LNG消耗而導致的壓降。由此，不存在空隙壓力在常規操作期間降至低於大氣壓力的危險。大氣壓LNG罐過壓控制輸入熱量使得大氣壓力LNG罐的空隙壓力增大，除非汽化容積被壓縮機5移除並被聚集在氣體容器8中。然而，與「LNG填充情況」相比，「LNG輸入熱量情況」對於氣體處理系統而言是更為不苛刻的要求。因此，所提出的氣體處理罐系統允許大氣壓力LNG罐具有比「標準」的30釐米薄的絕熱層。推進操作
在特定情況下，燃氣發動機在較短或較長的時期內需要額外的燃料供給。當蒸發器可能不能夠提供這種過量的燃料氣體時，氣體容器在這種情況下提供所需的燃料氣體量。來自大氣壓力LNG罐的選擇方案從屬於本發明的處理方案主要意在解決與從陸上加壓罐將LNG裝載到船舶大氣壓力LNG罐中相關而引起的問題。處理方案可容易地同樣適於從陸上大氣壓力LNG罐來填充LNG。蒸氣回流管21隨後被簡單地增設在大氣壓力LNG罐頂部與LNG裝填站24之間。該蒸氣回流管應在填充期間連接於氣相的陸上大氣壓力LNG罐。在這種情況下，在LNG填充期間處理氣體的要求被稍微放寬(根據蒸氣回流管路中的壓降)。噴淋管路噴淋管路22從液體管路17分叉並經由常閉閥23連接於氣體容器8。該噴淋管路將要在氣體容器中的氣體溫度需要被降低的情況下使用。
所要理解的是，除了大氣壓力LNG罐和氣體容器之外的諸如J-T閥之類的大多數部件可由提供相同或等效功能的其它任何適當的裝置所替代。
權利要求
1.ー種液化天然氣燃料罐系統，所述液化天然氣燃料罐系統用於船舶推進用的至少ー個燃氣發動機，所述液化天然氣燃料罐系統包括氣體容器(8)和至少ー個液化天然氣燃料罐(4)，所述液化天然氣燃料罐藉助於液化天然氣填充管路(I)從陸上液化天然氣壓カ罐填充設施裝填燃料，其特徵在於，所述液化天然氣燃料罐(4)是船舶低壓受控型的大氣壓力液化天然氣罐，並且所述氣體容器(8)是單壁非絕熱壓力容器，所述單壁非絕熱壓カ容器設置成分別在對所述液化天然氣燃料罐裝填液化天然氣期間積聚閃發氣體，並在對所述液化天然氣燃料罐洩壓期間積聚汽化氣體，並且所述燃氣發動機根據預定的氣體容器壓カ從所述氣體容器(8)或所述液化天然氣燃料罐(4)被供給燃料。
2.根據權利要求I所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在於，所述液化天然氣燃料罐利用設置在所述液化天然氣填充管路(I)中的焦耳-湯姆遜閥(2)被進行壓カ控制。
3.根據權利要求I和2所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在於，所述液化天然氣燃料罐(4)內的蒸氣壓カ被控制成低於約0. 7bar的表壓。
4.根據任一前述權利要求所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在幹，位於在所述液化天然氣燃料罐(4)與所述氣體容器(8)之間延伸的吸入管路(6)和壓縮管路(7)中的壓縮機(5)被用來在對所述液化天然氣燃料罐裝填燃料和洩壓期間限制所述液化天然氣燃料罐的壓力。
5.根據任一前述權利要求所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在於，所述燃氣發動機從所述氣體容器(8)被供給燃料，直到壓カ接近約5-7bar的表壓，此後從所述液化天然氣燃料罐(4)實現燃料供給。
6.根據權利要求5所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在於，來自所述氣體容器(8)的推進氣體經由通過加熱器(13)的氣體管路(11)供給。
7.根據權利要求6所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在於，所述氣流壓カ利用設置在所述加熱器(13)的上遊的焦耳-湯姆遜閥(10)降低。
8.根據權利要求5所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在幹，來自所述液化天然氣燃料罐(4)的推進氣體經由液體管路(16)和蒸氣管路(19)供給，所述液體管路(16)和所述蒸氣管路(19)具有配備有離心泵(14)的主要豎直的豎直立管(15)，所述離心泵(14)位於所述液化天然氣燃料罐的下部部分附近，所述液化天然氣在蒸發器(18)中蒸發。
9.根據權利要求8所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在於，來自所述蒸發器(18)的蒸氣經由止回閥(20)流動通過所述蒸氣管路(19)進入到位於所述加熱器(13)上遊的所述氣體管路(11)中。
10.根據任一前述權利要求所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在幹，當需要額外的燃料來用於所述船舶的推進時，推進氣體從所述氣體容器(8)和所述蒸發器(18)供給。
11.根據任一前述權利要求所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在於，所述立管(15)設置有延伸到所述氣體容器(8)中的噴淋管路(22)，以便在需要時降低所述氣體溫度，所述噴淋管路(22)包括常閉閥(23)。
12.根據任一前述權利要求所述的液化天然氣燃料罐系統，其特徵在幹，為了同樣能夠從大氣壓カ液化天然氣罐填充，在所述液化天然氣燃料罐(4)的頂部與液化天然氣陸上填充設施之間增設有蒸氣回流管(21)。
全文摘要
一種用於船舶推進用的至少一個燃氣發動機的LNG燃料罐系統包括氣體容器(8)和至少一個LNG燃料罐(4)，該LNG燃料罐藉助於LNG填充管路(1)從陸上LNG壓力罐填充設施裝填燃料。根據本發明，LNG燃料罐(4)是船舶低壓受控型大氣壓力LNG罐，並且氣體容器(8)是單壁非絕熱的壓力容器，該單壁非絕熱的壓力容器設置成用於分別在對LNG燃料罐裝填LNG燃料期間積聚閃發氣體並在對LNG燃料罐洩壓期間積聚汽化氣體，並且燃氣發動機根據預定的氣體容器壓力從氣體容器(8)或LNG燃料罐(4)被供給燃料。
文檔編號B63H21/38GK102656084SQ201080048461
公開日2012年9月5日 申請日期2010年11月2日 優先權日2009年11月2日
發明者約翰尼·尼隆德 申請人:海威氣體系統公司