利用用于燃料的LNG以液化LPG蒸发气体的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201280026200.3 | 申请日 | 2012-05-30 | 公开(公告)号 | CN103608632B | 公开(公告)日 | 2016-03-16 |
| 申请人 | 瓦锡兰油气系统公司; | 发明人 | 卡尔·约根·鲁梅尔霍夫; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于 液化 LPG 蒸发 气 体(BOG)的方法和系统，所述系统包括LNG 燃料 供应系统和LPG货物系统，其中所述LNG燃料系统包括至少一个LNG燃料罐23、LNG燃料管线5和第二LNG燃料管线13，其中所述LPG货物系统包括至少一个LPG货物罐20、BOG管线1、至少一个再液化单元100和冷凝管线3；其中所述系统还包括：提供于LNG燃料罐23与第二LNG燃料管线13之间的LNG燃料管线5上的至少一个 汽化 器15、22，其中所述至少一个汽化器15、22与所述LPG货物系统进行热交换。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于液化LPG蒸发气体(BOG)的系统，所述系统包括LNG燃料供应系统和LPG货物系统，其中所述LNG燃料供应系统包括至少一个LNG燃料罐(23)、LNG燃料管线(5)和第二LNG燃料管线(13)，其中所述LPG货物系统包括至少一个LPG货物罐(20)、BOG管线(1)和配置有冷凝管线(3)的至少一个再液化单元(100)； |
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| 说明书全文 | 利用用于燃料的LNG以液化LPG蒸发气体的系统和方法技术领域[0001] 本发明涉及用于利用用于燃料的LNG以液化LPG蒸发气体(boil off)的系统和方法。 背景技术[0002] 当前技术 [0003] KR 20100102872公开了用在复杂船只或浮式生产储卸船上的同时接收LPG和LNG流的方法。KR 20100102872描述的发明解决了在压缩和液化之前如何利用LNG蒸发气体的低温来冷凝LPG蒸发气体以减少LPG再液化系统的复杂性。 [0005] US 5860294描述了用于冷凝来自惰性气体和气态烃的混合物的气态烃(特别是如在LPG/LEG船(LEG＝液化乙烯气)的储存罐中发现的)的方法。 [0007] 为了使US 5860294中的第二冷凝器发挥作用，主货物冷凝器必须正在运行并且在该交换器中必须发生部分冷凝。 [0008] 在本发明中，第二冷凝器(22)位于货物再液化系统的上游，其不依赖于主货物冷凝器的运行。 [0009] KR 20010077227描述了用于再液化LNG蒸发气体的方法，在其中所述LNG蒸发气体凭借运送至汽化器的部分LNG流被液化后输出到例如国家天然气分布网络。用LNG输出管线使蒸气气体冷凝物混合。没有冷凝物返回到储存罐中。 [0010] 液态LNG在这里用于在使组合的LNG和冷凝物流汽化之前通过蒸发气体到LNG中的热交换/吸收来控制LNG储存罐的压力。 [0013] WO 2011062505描述了回收来自LNG储存罐的蒸发气体的工艺，在其中LNG运送至在其中吸收LNG蒸发气体的再冷凝罐。 [0014] US 2795937描述了用于储存和运输液化气体的工艺和设备，在其中一个罐容纳液化天然气(LNG)，一个罐容纳较高沸点的液体。LNG用作船上的燃料，其在进入燃烧发动机之前通过在较高沸点液体的罐液体中热交换而被汽化并加热。US 2795937教导了该热交换防止了来自液体表面的任何蒸发气体，因此没有描述蒸发再液化系统。 [0015] US 3864918描述了在其中捕获来自LNG货物罐的蒸发气体并且将其分成两个组分流的方法。第一流被压缩、冷却并液化。第二流用作驱动船的燃料。 [0016] US 2006/0053806描述了用于在船用LNG运输船上供应蒸发气体作为燃料并压力控制货物罐的系统。 发明内容[0017] 现有的运输LPG(液化石油气)的船主要使用低速柴油发动机用于主推进并且使用多种类型的船用燃料油来为发动机供给燃料。然而，新的环境限制(现称为排放控制区)限制了硫、氮氧化物和颗粒物到环境的释放。在将来，还期望严格的全球排放限制。本行业已提出了满足新需求的几种选择，例如废气净化。另一种选择是使用清洁的贫(lean)燃烧燃料，如甲烷。对于为船舶工业特征的大的燃料消耗和高的航行范围需求，甲烷必须以其最有效的方式(即称为LNG(液化天然气)的液体状态)储存。 [0018] LNG燃料系统在本领域一般是公知的，标题为“A LNG fuel tank system for at least one gas engine used for ship propulsion”的挪威专利申请第20093272号中公开了一种示例性系统。 [0019] LPG载运船通常具有多至四个货物罐，其中所述货物罐在运载一种类型的货物时共有共同的蒸气气氛。构造LPG载运船使得它们可以同时运载两种不同的货物。这意味着甲板上的管道系统是成对的，以能够完成两个货物系统的隔离。LPG载运船可例如在三个罐中装载有丙烷并且在第四货物罐中装载有丁烷。装载有丙烷的三个罐具有相通的蒸气空间，但是与丁烷蒸气空间完全隔绝。每一个甲板管道系统与多个再液化单元连接，确保了货物罐压力不超过最大容许压力。再液化单元将蒸发气体压缩至足够压力，以使得气体可凭借海水冷凝。冷凝物返回到货物罐。在这种方式中，使货物罐压力维持较低。对于在最大3 环境温度条件下满载并且航行的VLGC(巨型气体载运船，载货能力通常为约82.000m)，液化蒸发气体的燃料油消耗(至发生器)为约1900kg/天。现在还没有避免这种燃料油消耗的解决方案。此外，由于LNG比船用柴油的密度小约50％的事实，所以LNG将需要两倍的储存体积以维持相同量的能量。重要的是，增加的燃料储存体积以船载货能力为代价。另一个问题涉及在例如北海盆地中运输LPG，在这里航行时间短，从而停泊时间是总往返行程持续时间重要贡献者，因此减少停泊时间是非常重要的。 [0020] 另一个运营成本问题是制冷压缩机的服务和维修，其因为任何旋转设备都具有基于运行时间的服务间隔。新建造的船通常具有五年的进坞间隔，同时，制冷压缩机具有约20000小时的服务间隔。因此，认为在航行时需要服务。因此，有利的是减少总运行时间，从而延长服务之间的时间以及优选具有与进坞间隔匹配的服务间隔。 [0021] 因此，本发明的一个目的是提供用于利用用于燃料的LNG以液化LPG蒸发气体(BOG)的系统和方法，其设法解决以上问题中的至少一个。 [0022] 为了应付以上问题，本发明公开了用于液化LPG蒸发气体(BOG)的系统，所述系统包括LNG燃料供应系统和LPG货物系统，其中所述LNG燃料系统包括至少一个LNG燃料罐23、LNG燃料管线5和第二LNG燃料管线13；其中所述LPG货物系统包括至少一个LPG货物罐20、BOG管线1、至少一个再液化单元100和冷凝管线3；其中所述系统还包括：提供于LNG燃料罐23与第二LNG燃料管线13之间的LNG燃料管线5上的至少一个汽化器15、22，其中至少一个汽化器15、22与LPG货物系统进行热交换。 [0023] 本发明还公开了在包括LNG燃料供应系统和LPG货物系统的系统中液化LPG蒸发气体(BOG)的方法，其中所述LNG燃料系统包括至少一个LNG燃料罐23、第一LNG燃料管线5和第二LNG燃料管线13，其中所述LPG货物系统包括至少一个LPG货物罐20、BOG管线1、至少一个再液化单元100和冷凝管线3；其中所述方法包括：提供定位在LNG燃料罐与第二LNG燃料管线13之间的第一LNG燃料管线上的至少一个汽化器22、15；通过使流自LNG燃料罐的LNG汽化冷凝BOG；以及将冷凝的BOG以规定路线运送至LPG货物罐。通常，汽化器 22、15的数目对应于可同时运输的货物的数目。这通常是两个。 附图说明 [0025] 图1是当前技术的再液化单元的概述图； [0026] 图2是根据本发明的系统的一个实施方案的概述图； [0027] 图3是根据本发明的系统的另一个实施方案的概述图； 具体实施方式[0028] LPG应理解为作为液体货物储存和运输的石油气的一系列不同品种或产品。在多种石油气中，丙烷和丁烷是主要的实例；丙烷通常包括0体积％至5体积％的任意浓度的乙烷；丙烷中的丁烷含量为0体积％至20体积％的任意浓度。主要由丙烷(通常为70体积％至98体积％)组成的该混合物称为商用丙烷，并且下文中称为丙烷。 [0029] 丁烷可以是正丁烷和异丁烷与不饱和烃的可能级分的任意混合物，并且在下文中称为丁烷。 [0030] 除了丙烷和丁烷外，LPG应最少包括以下品种： [0031] 氨、 [0032] 丁二烯、 [0033] 丁烷-丙烷混合物(任意混合物)、 [0034] 丁烯、 [0035] 乙醚、 [0036] 丙烯、 [0037] 氯乙烯。 [0038] 在低于环境的温度下储存和运输的LPG自然地持续释放一定量的蒸气。在货物罐中维持压力的正常方法是提取该蒸气，液化并将其以冷凝物返回到货物罐。再液化单元在下文中应理解为液化所述蒸气的制冷单元，前缀“再”指明液化来自液化气体的蒸气。 [0039] LPG在大于大气压的压力下或在低于环境的温度下或其组合以液体形式运输。本发明涉及在低于环境的温度下运输液化货物LPG的LPG载运船，称为全制冷式LPG载运船；在大于大气压的压力和低于环境的温度下运输液化货物LPG的LPG载运船。后者称为半制冷式/半加压式。 [0040] 货物类型是上述LPG品种或产品中的任意一种。 [0041] 冷凝物应理解为液化蒸发气体，其中蒸发气体是由于恒定的热漏失至货物罐中而从货物中排放出的蒸气。 [0042] 温热的货物是在当前货物罐压力下在高于LPG饱和温度的温度下装载的LPG。 [0043] 图1示出了与至少一个货物罐20连接的典型当前技术再液化单元100以供参考。未示出货物装载管线。来自货物罐20的蒸发气体经由蒸发气体管线1流至货物压缩机40，该货物压缩机通常是多级压缩机的第一级，在其中将蒸气压缩至中等压力。未通过图1所示的再液化单元处理的任意量的蒸气经由蒸发气体管线51流至并联的操作单元，未示出。 [0044] 从货物压缩机40经由管线46出来的蒸发气体进入在其中使蒸发气体接近于其饱和温度的经济器(economizer)43中。然后蒸发气体经由管线47从经济器43流至货物压缩机41，其中蒸发气体被压缩至对应于货物冷凝器42中可得到温度的始沸点压力。货物压缩机41通常是多级压缩机的第二级。偶尔需要多于两个的压缩级，并且它们通常与41串联。 [0045] 然后经压缩的蒸发气体经由管线48进入货物冷凝器42以凭借海水或通常高于海水温度的任何冷却介质冷凝。海水是迄今为止对于货物冷凝器42最常用的吸热器(heat sink)，但是水和冷源的混合物也是可以的。冷源可以是任意合适的二醇。 [0046] 温热的冷凝物(得到的来自货物冷凝器42的冷凝蒸发气体)离开货物冷凝器42，经由管线49流至经济器43。管线50由管线49分支，其中小部分流经液位控制阀44，为温热冷凝物的主要部分提供需要的级间冷却和过冷。通常，液体接收器安装在管线49上，未示出。待返回到一个或更多个货物罐20的剩余温热冷凝物由50分支的地方流经经济器43内侧的盘管52并且以过冷状态离开盘管52。现在过冷的冷凝物经由管线3流回到货物罐。冷凝物生产阀45调节返回到一个或更多个货物罐20的冷凝物流的量。来自其他并联运转的再液化单元的冷凝物连接到管线3中，未示出。 [0047] 图2阐明了两个迄今为止不同的、分开的系统LNG燃料气体供应系统(点线之上)和LPG货物系统。LNG燃料气体供应系统配置有一个或更多个连接的LNG燃料罐23。燃料气体供应系统还配置有控制压力增大热交换器24中待汽化的LNG的量的阀27，以确保燃料罐23中或多或少的恒定蒸气压，从而确保燃料管线5中足够的燃料气体供应压力。根据公知的原理，使LNG供应至汽化器25，其中使LNG汽化并且所得蒸气流至过热器26，在其中蒸气被加热至优选的燃料气体温度，然后经由管线13转移至主发动机。图2还示出蒸气管线8和阀28，如果需要燃料罐23中的压力降低，则其允许将蒸发的LNG运送至过热器26。然而，在大多数情况下，蒸气管线8中没有气流。 [0048] 发动机燃料气体注射压力取决于其是奥托(Otto)发动机还是柴油发动机，奥托发动机仅需要4巴的中等气体注射压力，而柴油发动机需要300至350巴的燃料气体注射压力。除了高压替代方案需要用于压力提升的专用泵之外，压力的这种显著差异对本发明具有有限的影响。未示出另外的泵系统，因为其对于本领域技术人员一般是已知的。 [0049] 对于需要较高燃料气体压力的柴油发动机，如上所述，需要另外的与燃料管线5连接的LNG燃料泵以在进入汽化器25之前将LNG压力提升至所需的压力。在该实施方案中，蒸气管线8传送至安全位置或者替代地传送至使用用户，在大多数情况下蒸气管线8中没有气流。 [0050] 如以上参照图1所公开的，图2的LPG货物系统配置有再液化单元100和至少一个LPG货物罐20、使蒸发气体流至再液化单元100的BOG管线1以及使冷凝物经由阀45返回到货物罐20的冷凝管线3。 [0051] 考虑到正常航行，运载丙烷的最大环境温度条件下的典型VLGC(巨型气体载运船)到货物罐系统中的热漏失为约425kW。所得的LPG蒸发速率平均为约3300至3800kg/小时。此外，VLGC上典型安装的推进电源为14MW，最大连续额定下的典型能量消耗为7500kJ/kWh，在该条件下需要的LNG量为约2120kg/小时。因此，对于所有的实践方面，LNG的制冷潜力消除了对负载航行期间运行再液化单元的需要，特别地对于低于最大设计的环境温度和/或最大持续额定下的速度的需要。事实上，在这些条件下，可完全排除再液化操作。 [0052] 因此，根据本发明的用于利用用于燃料的LNG以液化LPG蒸发气体的系统，包括提供于LNG燃料罐23与第二LNG燃料管线13之间的LNG燃料管线5上的至少一个汽化器15、22，其中所述至少一个汽化器15、22与LPG货物系统进行热交换，有效地将LNG燃料系统整合到LPG蒸发气体系统中。 [0053] 安装在直接供给至汽化器22的蒸发气体线上的专用鼓风机是明显的选择，但是在已安装有货物压缩机时以另外的设备为代价。因此，该解决方案可能不是优选的，所以未示出。或者，蒸气至汽化器22的自由流动也是可以的，然而，对于该组合应考虑回送泵(return pump)。 [0054] 根据本发明的第一实施方案，至少一个汽化器22是BOG冷凝器，其适合于通过使通过压力经由管线5自燃料罐23流出的LNG汽化来冷凝BOG。冷凝物经由管线2传送回货物罐20。反过来看，LNG凭借蒸发气体被汽化，根据蒸发和燃料消耗的量，LNG可被部分汽化、完全汽化或完全汽化并过热。所得产物离开22，进入使任何剩余的LNG汽化的汽化器25。来自汽化器25的蒸气流到蒸气被加热至优选的燃料气体温度的过热器26。在LNG蒸发和燃料消耗的量使得离开至少一个汽化器22的蒸气过热的情况下，可省略汽化器25和过热器二者。在LNG蒸发和燃料消耗的量使得离开至少一个汽化器22的蒸气被完全汽化的情况下，可省略汽化器25。 [0055] 在上述实施方案中，自燃料罐23流出的所有LNG通过汽化器22。然而，在一些情况(例如，没有足够气体蒸发或没有蒸发气体)下，控制通过汽化器的LNG的流可能是有利的。根据本发明的一个实施方案，分别在汽化器22前面和与其并联地设置两个阀29、30，使得当在BOG管线1中没有BOG时，阀29打开并且阀30关闭，反之亦然。阀29、30将流至汽化器22、15的LNG的量调节为BOG管线1中存在的可用BOG和当前LNG消耗的量。该实施方案确保了离开汽化器22、15的所得产物被完全汽化，使蒸气转移至蒸气被加热至优选的燃料气体温度的过热器26。通过已知原理进行调节，未示出。使汽化器22、15中不需要的任何过量的LNG直接转移至汽化器25，在这里过量的LNG被汽化后转移至过热器26。阀29、30可同样很好地用三路通替代，未示出。因此，阀布置29、30代表提供相同功能性的任何替代阀布置。 [0056] 在再液化100单元中的货物压缩机40、41周围布置管道系统使得其以单级压缩方式运行。以单级压缩方式布置货物压缩机40、41对于本领域技术人员是显而易见的并且所提议的是几种可能的解决方案之一。在单级压缩方式中，容量较高并且通常仅需要运行一个压缩机，因此使得总压缩机运行时间总体减少。然后，来自LPG货物罐20的蒸发气体在管线1中直接流至货物压缩机40、41，在所述货物压缩机中使蒸发气体的压力适度提升。在管线48或49上的方便位置处，蒸发气体经由管线61分支并流至汽化器22，在所述汽化器中使蒸发气体冷凝并经由管线2返回到货物罐20。阀71和72调节应进行蒸发气体分支的位置。 [0057] 在本发明的又一个实施方案中，至少一个汽化器15是冷凝物过冷器(sub cooler)，其提供于再液化单元100与货物罐20之间的冷凝管线3上，冷凝物过冷器15适合于通过使来自燃料罐23的LNG汽化来使LPG冷凝物过冷。参照BOG冷凝器22，如上述的实施方案中可单独使用冷凝物过冷器。 [0058] 在本发明的一个优选实施方案中，如以下更详细公开的，提供汽化器15和汽化器22二者，增加了操作灵活性以及当可用时对LNG中过量的制冷剂容量的利用。在该实施方案中，提供阀16和17以能够绕开或通过汽化器15。 [0059] 根据本发明的一个示例性实施方案，从LPG货物罐20中排出的蒸发气体在管线1中直接流至货物压缩机40、41，在所述货物压缩机中使蒸发气体的压力适度提升。在再液化100单元中的货物压缩机40、41周围布置管道系统使得其以单级压缩方式运行。来自货物压缩机40、41的经适度压缩的蒸发气体经由管线2流至汽化器22，在所述汽化器中使蒸发气体冷凝并返回到货物罐20。 [0060] 在汽化器22中，BOG通过使通过压力经由管线5流自燃料罐23的LNG汽化而被冷凝。经冷凝的BOG经由管线2传送回到货物罐20。反过来看，LNG凭借蒸发气体被汽化，根据存在的蒸发和通用燃料消耗的量，LNG可被部分汽化、完全汽化或完全汽化并过热。所得产物离开汽化器22并进入汽化器25，在所述汽化器中使任何剩余的LNG汽化。来自汽化器25的蒸气经由管线12转移至过热器(super heater)26，在所述过热器中使蒸气加热至优选的燃料气体温度。在LNG蒸发和燃料消耗的量使得离开至少一个汽化器22的蒸气过热的情况下，可省略汽化器25和过热器二者。在LNG蒸发气体和燃料消耗的量使得离开至少一个汽化器22的蒸气被完全汽化的情况下，可省略汽化器25。 [0061] 在上述实施方案中，流自燃料罐23的所有LNG通过汽化器22。然而，在一些情况(例如，没有足够气体蒸发或没有蒸发气体)下，控制通过汽化器的LNG的流可能是有利的。根据本发明的一个实施方案，分别在汽化器22前面和与其并联地提供两个阀29、30，使得当在BOG管线1中没有BOG时阀29打开并且阀30关闭，反之亦然。两个阀29、30还将流至汽化器22、15的LNG的量调节为BOG管线1中存在的可用BOG和当前LNG消耗的量。流至汽化器22、15的LNG被完全汽化，蒸气转移至过热器26，在所述过热器中蒸气被加热至优选的燃料气体温度。使汽化器22、15中不需要的任何过量的LNG直接转移至汽化器25，在所述汽化器中过量的LNG被汽化后转移至过热器26。两个阀29、30可用提供相同功能性的任何三路通代替。 [0062] 以上所公开的示例性实施方案主要涉及在负载航行期间当LNG燃料消耗较高时系统的使用。然而，在装载期间，蒸发气体速率为其最大值，LNG燃料消耗为低端的，因此，可用于液化BOG的LNG的量有限。因此，必须将再液化单元100投入运行。 [0063] 在这些条件下，自然应考虑在作为液化单元预冷器的22中利用最佳装载期间可用的减少量的LNG。然而，由于例如在压缩机入口处(特别是当装载较温热货物时)的烟雾问题，所以这不是最佳的解决方案。 [0064] 代替使蒸发气体预冷，使冷凝物过冷减少了货物罐20中的闪蒸气体生成，因此通过不必使闪蒸气体再循环回到货物压缩机增加了系统性能。 [0065] 在装载期间，所有的蒸发气体经由管线1直接运送至，在所述再液化单元中使蒸发气体冷凝并经由管线3返回再液化单元。冷凝物过冷器15位于线3上，使用LNG作为冷却剂。使冷凝物的温度降低至优选不低于-50℃后使其返回到货物罐。冷凝物温度取决于货物的类型，对于较温热的货物类型其可以较高。 [0066] 如前所述，构造LPG运输船使得它们可同时运载两种不同的货物，所述两种货物可以是丙烷和丁烷。然后使汽化器22、15以串联顺序运行使得首先LNG在至少一个汽化器22中凭借丙烷汽化，然后汽化的LNG经由管线74流至运行丁烷的并联单元上的管线80。所得较温热的汽化LNG经由管线5返回到燃料气体系统。图3示出了这样的布置，基于其可使系统的一个罐装载有丁烷并且三个罐装载有丙烷。通常，安装四个再液化单元100，但是在航行期间通常两个是备用的，特别是当根据本发明使用LNG作为燃料时。如由图可看出的，汽化器22的并联运行也是可以的。图3未示出备用的再液化单元。 [0067] 虽然附图和以上描述中已详细阐明和描述了本发明，但是这样的阐明和描述应认为是说明性或示例性的，而不是限制性的，并且不旨在将本发明限制为所公开的实施方案。互异从属权利要求中所引述的某些特征的仅有事实不表明这些特征的组合不能被有利地使用。权利要求中的附图标记不应解释为限制本发明。 |
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