CN108138700B - 船舶 - Google Patents

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Abstract

船舶具备：推进用的主燃气发动机；积存LNG的储罐；设置有压缩机的第一供给管路，其将储罐内产生的BOG作为燃料气体引导至主燃气发动机；设置有膨胀装置的返送管路，其在比压缩机靠近下游侧从第一供给管路分叉并连接至储罐；发电用的副燃气发动机；第二供给管路，其从储罐内取出LNG，并将该LNG气化而成的VG引导至副燃气发动机；第一热交换器，其使流通于第一供给管路的比压缩机靠近上游侧部分的BOG与流通于返送管路的比膨胀装置靠近上游侧部分的BOG之间进行热交换；以及第二热交换器，其使在返送管路上从第一热交换器流出的BOG与流通于第二供给管路的LNG之间进行热交换，并使一部分或全部LNG气化。

Description

船舶
技术领域
本发明涉及包括推进用的燃气发动机的船舶。
背景技术
以往，已知有包括积存液化天然气的储罐和供给有储罐内产生的蒸发气体作为燃料气体的推进用的燃气发动机的船舶。上述船舶分为燃气发动机直接地旋转驱动推进用螺旋桨的机械推进式，和燃气发动机通过发电机以及马达来旋转驱动推进用螺旋桨的电气推进式。
例如，专利文献1中公开了一种如图6所示的机械推进式的船舶100。该船舶100中，储罐110内产生的蒸发气体通过供给管路120作为燃料气体引导至MEGI发动机（二冲程发动机）。供给管路120上设置有将蒸发气体压缩至15～40MPa高压的多级式的压缩机121。又，供给管路120在压缩机121内部分叉出分叉管路130，分叉管路130连接至DF发动机。DF发动机用于推进和发电。
此外，供给管路120在比压缩机121靠近下游侧分叉出返送管路140，该返送管路140连接至储罐110。返送管路140从上游侧依次设置有膨胀阀141以及气液分离器142。通过返送管路140向储罐110返送的高压高温的蒸发气体在热交换器160被流通于供给管路120的低压低温的蒸发气体冷却且至少一部分被液化，之后被膨胀阀141膨胀变成低压低温的气液二相状态。气液二相状态的蒸发气体被气液分离器142分离为气体组分与液体组分，并仅将液体组分返送至储罐110。另一方面，气体组分从气液分离器142通过再循环管路150引导至供给管路120，并与向热交换器160流入的蒸发气体汇合。
此外，图6所示船舶100中，由热交换器160冷却的蒸发气体在冷却器170被流通于再循环管路150的气体组分再次冷却。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2015-505941号公报。
发明内容
发明要解决的问题：
然而，图6所示船舶100中，通过返送管路140向储罐110返送的蒸发气体只能仅由流通于供给管路120以及再循环管路150的蒸发气体的冷能进行冷却。因此，流通于返送管路140的蒸发气体的再液化率（蒸发气体的返送量之中再液化量的比例）不高。
因此，本发明的目的在于提供一种能够改善通过返送管路向储罐返送的蒸发气体的再液化率的船舶。
解决问题的手段：
为解决所述问题，本发明的船舶，具备：旋转驱动推进用螺旋桨的主燃气发动机；积存液化天然气的储罐；设置有压缩机的第一供给管路，所述第一供给管路将所述储罐内产生的蒸发气体作为燃料气体引导至所述主燃气发动机；设置有膨胀装置的返送管路，所述返送管路在比所述压缩机靠近下游侧从所述第一供给管路分叉并连接至所述储罐；发电用的副燃气发动机；第二供给管路，所述第二供给管路从所述储罐内取出液化天然气，并将该液化天然气气化而成的气化气体作为燃料气体引导至所述副燃气发动机；第一热交换器，所述第一热交换器使流通于所述第一供给管路的比所述压缩机靠近上游侧部分的蒸发气体与流通于所述返送管路的比所述膨胀装置靠近上游侧部分的蒸发气体之间进行热交换；以及第二热交换器，所述第二热交换器使在所述返送管路上从所述第一热交换器流出的蒸发气体与流通于所述第二供给管路的液化天然气之间进行热交换，并使所述液化天然气的一部分或全部气化。
根据上述结构，通过返送管路向储罐返送的高压高温的蒸发气体在第一热交换器被流通于第一供给管路的低压低温的蒸发气体冷却后，再在第二热交换器被流通于第二供给管路的液化天然气冷却。然后，被这样冷却的蒸发气体由膨胀装置进行膨胀，因此能够使向储罐返送的蒸发气体部分再液化。而且，第二热交换器不仅利用了液化天然气的显热还利用了其潜热来冷却蒸发气体，因此能够改善通过返送管路向储罐返送的蒸发气体的再液化率。
也可以是所述第二热交换器与所述第一热交换器形成为一体。根据该结构，能够使第一热交换器以及第二热交换器成为单一的单元，能过缩减设置空间。
也可以是所述第二供给管路上设置有将未被所述第二热交换器气化的液化天然气强制气化的强制气化器。根据该结构，即使在通过返送管路向储罐返送的蒸发气体的量较少的情况下，也能将足量的气化气体供给至副燃气发动机。
也可以是所述第二供给管路在所述第二热交换器与所述强制气化器之间设置有气液分离器；上述船舶还具备流通有被所述气液分离器分离出的气体组分的旁通管路，所述旁通管路上游端连接所述气液分离器，下游端在比所述强制气化器靠近下游侧连接所述第二供给管路。根据该结构，对强制气化器仅导入气液分离器分离出的液体组分，因此能够抑制强制气化器强制气化时使用的热量。
也可以是所述气液分离器为第一气液分离器；所述第二供给管路在比所述旁通管路的下游端的连接点靠近下游侧从上游侧依次设置有冷却器、第二气液分离器以及加热器。根据该结构，通过冷却器以及第二气液分离器的作用从气化气体中除去了大部分的重组分，因此能够将甲烷值较高的气化气体供给至副燃气发动机。又，在比第二气液分离器靠近下游侧设置有加热器，因此能够将适当温度的气化气体供给至副燃气发动机。
也可以是上述船舶还具备第三热交换器，所述第三热交换器使在所述气液分离器与所述加热器之间流通于所述第二供给管路的气化气体、和在所述返送管路上向所述第一热交换器流入或从所述第一热交换器流出的蒸发气体之间进行热交换。根据该结构，能够进一步冷却向储罐返送的蒸发气体，能够进一步改善蒸发气体的再液化率。尤其是，若通过第三热交换器冷却向第一热交换器流入的蒸发气体，则与冷却从第一热交换器流出的蒸发气体的情况相比，能够从蒸发气体夺取更多的热量。
也可以是所述第三热交换器至少与所述第一热交换器形成为一体。根据该结构，能够使第一热交换器以及第三热交换器或者第一至第三热交换器成为单一的单元，能够缩减设置空间。
发明效果：
根据本发明，能够改善通过返送管路向储罐返送的蒸发气体的再液化率。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施形态的船舶的概略结构图；
图2是流通于第一供给管路以及返送管路的蒸发气体的莫里尔图（Mollierdiagram；压焓图）；
图3是根据本发明的第二实施形态的船舶的概略结构图；
图4是根据本发明的第三实施形态的船舶的概略结构图；
图5是根据本发明的第四实施形态的船舶的概略结构图；
图6是以往的船舶的概略结构图。
具体实施方式
（第一实施形态）
图1示出了根据本发明的第一实施形态的船舶1A。该船舶1A包括推进用的主燃气发动机11和发电用（即船内电源用）的副燃气发动机13。图示例子中，设置有主燃气发动机11以及副燃气发动机13各一台，但也可以是设置多个主燃气发动机11，还可以是设置多个副燃气发动机13。
本实施形态中，船舶1A是液化天然气（以下称为LNG）搬运船，积存LNG的多个储罐15作为货物储罐（cargo tank）配备于船舶1A。但是，船舶1A也可以是配备有积存LNG的一个或多个储罐15作为燃料储罐的LNG燃料船。
储罐15内液相（即LNG）的温度约为-160℃。储罐15内气相（即蒸发气体）的压力理想是略高于大气压（0.1MPa）的低压。
储罐15内，LNG因自然热输入气化并产生蒸发气体（以下称为BOG）。对主燃气发动机11，通过第一供给管路2从所有或一部分储罐15导入该储罐15内产生的BOG作为燃料气体。另一方面，所有或一部分储罐15内的LNG通过第二供给管路4从储罐15内取出，并在流通于第二供给管路4的中途气化。LNG气化而成的气化气体（以下称为VG）通过第二供给管路4作为燃料气体引导至副燃气发动机13。
此外，第二供给管路4与第一供给管路2通过补给管路7连接，LNG在流通于第二供给管路4的中途气化而成的VG通过补给管路7也引导至主燃气发动机11。即，向主燃气发动机11供给的燃料气体为BOG及/或VG。补给管路7上设置有压力控制阀71（也可以是流量控制阀）以及逆止阀72。另外，虽然省略了图示，但也可以是从压缩机21的中间至第二供给管路4连接有其他补给管路，不仅将VG还将BOG作为燃料气体供给至副燃气发动机13。
本实施形态中，船舶1A为机械推进式，主燃气发动机11直接旋转驱动推进用螺旋桨12。但是，也可以是船舶1A为电气推进式，且主燃气发动机11通过发电机以及马达来旋转驱动推进用螺旋桨12。
主燃气发动机11是燃料气体喷射压为例如20～35MPa左右高压的狄塞尔循环方式的二冲程发动机。但是，主燃气发动机11是燃料气体喷射压为例如1～2MPa左右中压的奥托循环方式的二冲程发动机亦可。或者，在电气推进的情况下，主燃气发动机11是燃料气体喷射压为例如0.5～1MPa左右低压的奥托循环方式的四冲程发动机亦可。又，主燃气发动机11可以是仅燃烧燃料气体的气体专烧发动机，也可以是燃烧燃料气体和燃料油中的一方或双方的二元燃料发动机（也可以是在二元燃料发动机的情况下，燃烧燃料气体时为奥托循环，燃烧燃料油时为迪塞尔循环）。
副燃气发动机13是燃料气体喷射压为例如0.5～1MPa左右低压的奥托循环方式的四冲程发动机，且与发电机14连接。副燃气发动机13可以是仅燃烧燃料气体的气体专烧发动机，也可以是燃烧燃料气体和燃料油中的一方或双方的二元燃料发动机。
本实施形态中，第一供给管路2从所有的储罐15向主燃气发动机11引导BOG。但是，也可以是第一供给管路2从储罐15中的一个或几个向主燃气发动机11引导BOG。具体而言，第一供给管路2包括与储罐15个数相同的分叉路2a以及一根共同路2b。各分叉路2a从共同路2b的上游端延伸至对应的储罐15内部，共同路2b的下游端连接主燃气发动机11。共同路2b上设置有压缩机21。
本实施形态中，压缩机21将BOG压缩至超临界状态，换言之压缩至高于图2中的超临界压Ps（饱和液体线L1与饱和蒸气线L2的交点）的压力。例如，从压缩机21吐出的BOG的压力在20～35MPa左右，温度在35～55℃左右。
从第一供给管路2的共同路2b的比压缩机21靠下游侧分叉出返送管路3。返送管路3在本实施形态中连接所有的储罐15。但是，也可以是返送管路3连接储罐15中的一个或几个。具体而言，返送管路3包括与储罐15个数相同的分叉路3a以及一根共同路3b。共同路3b的上游端连接第一供给管路2的共同路2b，各分叉路3a从共同路3b的下游端延伸至对应的储罐15内部。各分叉路3a的梢端可以位于气相也可以位于液相。各分叉路3a上设置有膨胀装置32（例如，类似实现绝热膨胀变化的焦耳—汤姆逊阀的膨胀阀、膨胀涡轮、喷射器（ejector）等）。另一方面，共同路3b上设置有流量控制阀31。但是，也可以是共同路3b上代替流量控制阀31地设置有压力控制阀，还可以既不设置流量控制阀也不设置压力控制阀。
根据主燃气发动机11的负荷，会有主燃气发动机11使用的BOG的量少于储罐15内产生的BOG的量的情况。返送管路3是用于将该过剩的BOG（BOG产生量与BOG使用量的差量）返送至储罐15的管路。
第二供给管路4在本实施形态中从所有的储罐15中取出LNG。但是，也可以是第二供给管路4从储罐15中的一个或几个取出LNG。具体而言，第二供给管路4包括与储罐15个数相同的分叉路4a以及一根共同路4b。各储罐15内配置有泵41。各分叉路4a从共同路4b的上游端延伸至对应的储罐15内的泵41，共同路4b的下游端连接副燃气发动机13。
此外，本实施形态中为了冷却通过返送管路3返送至储罐15的BOG，设置有第一热交换器61以及第二热交换器62。第一热交换器61使流通于第一供给管路2的共同路2b上的比压缩机21靠近上游侧部分的BOG、与流通于返送管路3的共同路3b（即，比膨胀装置32靠近上游侧部分）的BOG之间进行热交换。第二热交换器62使在返送管路3的共同路3b上从第一热交换器61流出的BOG与流通于第二供给管路4的共同路4b的LNG之间进行热交换，并使一部分或全部LNG气化。
换言之，通过返送管路3向储罐15返送的高压高温的BOG在第一热交换器61被流通于第一供给管路2的共同路2b的低压低温的BOG冷却后，再在第二热交换器62被流通于第二供给管路4的共同路4b的LNG冷却。
第二供给管路4的共同路4b从上游侧依次设置有第一气液分离器42、强制气化器43、冷却器51、第二气液分离器52以及加热器53。此外，共同路4b上连接有绕过强制气化器43的旁通管路5。上述补给管路7的上游端在冷却器51与第二气液分离器52之间连接第二供给管路4。但是，也可以是补给管路7的上游端在第二气液分离器52与加热器53之间连接第二供给管路4。另一方面，补给管路7的下游端在第一热交换器61与压缩机21之间连接第一供给管路2。
第一气液分离器42将从第二热交换器62流出的气液二相状态的LNG分离为气体组分和液体组分。第一气液分离器42上连接有旁通管路5的上游端，旁通管路5的下游端在强制气化器43与冷却器51之间连接第二供给管路4。换言之，冷却器51在第二供给管路4上位于比旁通管路5下游端的连接点靠近下游侧。旁通管路5内流通有第一气液分离器42分离出的气体组分。
强制气化器43将第一气液分离器42分离出的液体组分、即未被第二热交换器62气化的LNG强制气化并生成VG。从强制气化器43流出的VG与来自旁通管路5的气体组分汇合后流入冷却器51。
冷却器51通过冷却VG，生成以甲烷以外的成分为主成分的液体组分。生成的液体组分由第二气液分离器52收集。藉此，从VG中除去了大部分的重组分（例如乙烷、丙烷、丁烷等），因此能够将甲烷值较高的VG供给至副燃气发动机13。由第二气液分离器52收集到的液体组分通过引流管路（drain line）54返送至一个或多个储罐15。此外，通过第二气液分离器52的VG被加热器53加热。藉此，能够将适当温度的VG供给至副燃气发动机13。例如，冷却器51将VG冷却至-140～-100℃，加热器53以使副燃气发动机13入口的VG温度为5～50℃的形式加热VG。
接着，参照图1及图2说明流通于第一供给管路2以及返送管路3的BOG的状态变化。
首先，低压低温的饱和状态（点A）的BOG通过第一供给管路2从储罐15流入第一热交换器61，并通过将流通于返送管路3的高压高温的BOG冷却而达到过热（super heat）（点A→点B）。之后，BOG被压缩机21压缩至超临界状态（点B→点C）。从第一供给管路2流入返送管路3的BOG被第一热交换器61冷却（点C→点D），之后被第二热交换器62冷却（点D→点E）。另外，BOG通过第一热交换器61的冷却或第二热交换器62的冷却而液化。从第二热交换器62流出的液体状态的BOG通过被膨胀装置32膨胀变为低压低温的气液二相状态（点E→点F）。藉此，使BOG部分再液化。
如以上说明，本实施形态的船舶1A中，被第一热交换器61以及第二热交换器62冷却的BOG由膨胀装置32进行膨胀，因此能够使向储罐15返送的BOG部分再液化。而且，第二热交换器62不仅利用了LNG的显热还利用了其潜热来冷却BOG，因此能够改善通过返送管路3向储罐15返送的BOG的再液化率。
此外，本实施形态中，在主燃气发动机11处于停止中的情况下，仅通过驱动压缩机21即可使BOG部分再液化。这是因为，发电用的副燃气发动机13始终运转，第二供给管路4内始终流通有LNG。因此，合理地利用发电用的第二供给管路4作为冷热源，能够以较少的电力使BOG部分再液化。
（第二实施形态）
接着，参照图3说明根据本发明的第二实施形态的船舶1B。另外，在本实施形态以及后述的第三及第四实施形态中，对与第一实施形态相同的构成要素标以同一符号并省略重复的说明。
第一实施形态中第一热交换器61与第二热交换器62分开地进行设置，而在本实施形态中第二热交换器62与第一热交换器61形成为一体。因此，能够使第一热交换器61以及第二热交换器62成为单一的单元6，能够缩减设置空间。
（第三实施形态）
接着，参照图4说明根据本发明的第三实施形态的船舶1C。本实施形态中，作为用于冷却通过返送管路3向储罐15返送的BOG的结构，除第一热交换器61以及第二热交换器62以外，还设置有第三热交换器63。
第三热交换器63使在第二气液分离器52与加热器53之间流通于第二供给管路4的VG、和在返送管路3上向第一热交换器61流入的BOG之间进行热交换。根据该结构，能够进一步冷却向储罐15返送的BOG，能够进一步改善BOG的再液化率。
不过，也可以是第三热交换器63使在第二气液分离器52与加热器53之间流通于第二供给管路4的VG、和在返送管路3上从第一热交换器61流出的BOG之间进行热交换。但是，若如图4所示那样通过第三热交换器63使BOG在第一热交换器61的上游侧进行冷却，则与在第一热交换器61的下游侧进行冷却的情况相比，能够从BOG夺走更多的热量。
另外，虽然省略了图示，但也可以是在第三热交换器63的上游侧以清水、海水等预先冷却流通于返送管路3的蒸发气体。
（第四实施形态）
接着，参照图5说明根据本发明的第四实施形态的船舶1D。本实施形态中，第三热交换器63与第一热交换器61以及第二热交换器62形成为一体。根据该结构，能够使第一至第三热交换器61～63成为单一的单元6，能够缩减设置空间。但是，虽然省略了图示，但也可以是第三热交换器63仅与第一热交换器61形成为一体。该结构也能够使第一热交换器61以及第三热交换器63成为单一的单元，能够缩减设置空间。
（其他实施形态）
本发明不只限定于上述第一至第四实施形态，在不偏离本发明的要旨的范围内可有多种变形。
例如，也可以是压缩机21将BOG压缩至低于超临界压Ps的压力。此时，通过返送管路3向储罐15返送的BOG被第一热交换器61冷却变为气液二相状态。但是，若如上述实施形态那样将BOG压缩至超临界状态，则与将BOG压缩至低于超临界压Ps的压力的情况相比，能够提高BOG的再液化率。
又，也可以是在第二供给管路4的比冷却器51靠近上游侧，省略第一气液分离器42以及旁通管路5而仅设置有强制气化器43。但是，若如所述第一至第四实施形态那样设置有第一气液分离器42以及旁通管路5，由于强制气化器43仅导入第一气液分离器42分离出的液体组分，因此能够抑制强制气化器43强制气化时使用的热量。
此外，也可以是在省略第一气液分离器42以及旁通管路5的情况下，还省略强制气化器43。但是，若如所述第一至第四实施形态那样设置有强制气化器43，那么即使在通过返送管路3向储罐15返送的BOG的量较少的情况下，也能将足量的VG供给至副燃气发动机13。
又，第二供给管路4上并非必须设置有冷却器51、第二气液分离器52以及加热器53。
又，主燃气发动机11以及副燃气发动机13中的一方或双方并非必须是往复式发动机，也可以是燃气涡轮发动机。
符号说明：
1A，1B　船舶；
11 主燃气发动机；
12　 推进用螺旋桨；
13　 副燃气发动机；
15　 储罐；
2　 第一供给管路；
21　 压缩机；
3　 返送管路；
32　 膨胀装置；
4　 第二供给管路；
42　 第一气液分离器；
43　 强制气化器；
5　 旁通管路；
51　 冷却器；
52　 第二气液分离器；
53　 加热器；
61　 第一热交换器；
62　 第二热交换器；
63　 第三热交换器。

Claims (6)

1.一种船舶，其特征在于，具备：
旋转驱动推进用螺旋桨的主燃气发动机；
积存液化天然气的储罐；
设置有压缩机的第一供给管路，所述第一供给管路将所述储罐内产生的蒸发气体作为燃料气体引导至所述主燃气发动机；
设置有膨胀装置的返送管路，所述返送管路在比所述压缩机靠近下游侧从所述第一供给管路分叉并连接至所述储罐；
发电用的副燃气发动机；
第二供给管路，所述第二供给管路从所述储罐内取出液化天然气，并将该液化天然气气化而成的气化气体作为燃料气体引导至所述副燃气发动机；
第一热交换器，所述第一热交换器使流通于所述第一供给管路的比所述压缩机靠近上游侧部分的蒸发气体与流通于所述返送管路的比所述膨胀装置靠近上游侧部分的蒸发气体之间进行热交换；以及
第二热交换器，所述第二热交换器使在所述返送管路上从所述第一热交换器流出的蒸发气体与流通于所述第二供给管路的液化天然气之间进行热交换，并使所述液化天然气的一部分或全部气化；
所述第二供给管路上设置有将未被所述第二热交换器气化的液化天然气强制气化的强制气化器。
2.根据权利要求1所述的船舶，其特征在于，
所述第二热交换器与所述第一热交换器形成为一体。
3.根据权利要求1或2所述的船舶，其特征在于，
所述第二供给管路在所述第二热交换器与所述强制气化器之间设置有气液分离器；
所述船舶还具备流通有被所述气液分离器分离出的气体组分的旁通管路，所述旁通管路上游端连接所述气液分离器，下游端在比所述强制气化器靠近下游侧连接所述第二供给管路。
4.根据权利要求3所述的船舶，其特征在于，
所述气液分离器为第一气液分离器；
所述第二供给管路在比所述旁通管路的下游端的连接点靠近下游侧从上游侧依次设置有冷却器、第二气液分离器以及加热器。
5.根据权利要求4所述的船舶，其特征在于，
所述船舶还具备第三热交换器，所述第三热交换器使在所述第二气液分离器与所述加热器之间流通于所述第二供给管路的气化气体、和在所述返送管路上向所述第一热交换器流入或从所述第一热交换器流出的蒸发气体之间进行热交换。
6.根据权利要求5所述的船舶，其特征在于，
所述第三热交换器至少与所述第一热交换器形成为一体。
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