CN108367800B - 包括发动机的轮船及再液化方法 - Google Patents

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Abstract

一种包括发动机的轮船及再液化方法。所述轮船包括：第一自行热交换器，用于热交换从储存槽排放的蒸发气体；多级压缩机，用于在多个级中压缩在从储存槽排放后通过第一自行热交换器的蒸发气体；第二自行热交换器，用于预冷却由多级压缩机压缩的蒸发气体；第一减压器，用于使由第二自行热交换器和第一自行热交换器冷却的流体的一部分膨胀；及第二减压器，用于使由第二自行热交换器和第一自行热交换器冷却的流体的其它部分膨胀；其中第一自行热交换器通过使用从储存槽排放的蒸发气体作为制冷剂冷却在由多级压缩机压缩之后通过第二自行热交换器的蒸发气体，第二自行热交换器通过使用由第一减压器膨胀的流体作为制冷剂冷却由多级压缩机压缩的蒸发气体。

Description

包括发动机的轮船及再液化方法
技术领域
本发明涉及一种包含发动机的轮船，且更确切地说涉及一种包含发动机的轮船及再液化方法，其中用作发动机中的燃料之后剩余的蒸发气体使用蒸发气体作为制冷剂再液化成液化天然气并返回到储存槽。
背景技术
一般来说，天然气液化并且以液化天然气(LNG；liquefied natural gas)的形式长距离运输。液化天然气通过在大气压下将天然气冷却到约-163℃的极低温度来获得，且与呈气相的天然气相比，因为液化天然气的体积大大减小，所以非常适合于由海路长距离运输。
即使当液化天然气储存槽绝缘时，完全阻挡外部热量也存在限制。因此，液化天然气通过热传递到储存槽中而在LNG储存槽中连续汽化。储存槽中汽化的液化天然气被称作蒸发气体(BOG；boil-off gas)。
如果储存槽中的压力归因于产生蒸发气体而超出预定安全压力，那么蒸发气体经由安全阀从储存槽排放。从储存槽排放的蒸发气体用作用于轮船的燃料，或再液化且返回到储存槽。
能够由天然气供应燃料的发动机的实例包含双燃料(Dual Fuel)发动机和ME-GI发动机。
双燃料发动机利用由四个冲程组成的奥托循环(Otto cycle)，其中处于约6.5巴的相对低压力的天然气注入到燃烧空气入口中且接着通过活塞向上移动而被压缩。
ME-GI发动机利用由两个冲程组成的狄塞尔循环(Diesel Cycle)，其中处于约300巴的高压力的天然气在活塞的上死点附近直接注入到燃烧腔室中。最近，对于ME-GI发动机的关注不断增加，ME-GI发动机具有较好的燃料效率和推进效率。
通常，蒸发气体再液化***采用冷却循环用于经由冷却再液化蒸发气体。通过与制冷剂热交换来执行蒸发气体的冷却，且此项技术中使用将蒸发气体自身用作制冷剂的部分再液化***(PRS；Partial Re-liquefaction System)。
图1是相关技术中应用于包含高压发动机的轮船的部分再液化***的示意图。
参看图1，在相关技术中应用于包含高压发动机的轮船的部分再液化***中，从储存槽100排放的蒸发气体经由第一阀610发送到自行热交换器410。从储存槽100排放且在自行热交换器410中经受与制冷剂的热交换的蒸发气体经受多级压缩机200的多级压缩，所述多级压缩机包含多个压缩缸210、220、230、240、250和多个冷却器310、320、330、340、350。随后，一些蒸发气体发送到高压发动机以用作燃料，且剩余蒸发气体发送到自行热交换器410以经由与从储存槽100排放的蒸发气体的热交换而冷却。
多级压缩之后由自行热交换器410冷却的蒸发气体由减压器720部分再液化，且由气液分离器500分离成经由再液化产生的液化天然气和气态蒸发气体。由气液分离器500分离的再液化天然气发送到储存槽100，且由气液分离器500分离的气态蒸发气体在通过第二阀620之后与从储存槽100排放的蒸发气体汇合，且随后发送到自行热交换器410。
另一方面，从储存槽100排放且已经通过自行热交换器410的一些蒸发气体经受多级压缩当中的部分压缩过程(例如，通过五个压缩缸210、220、230、240、250和五个冷却器310、320、330、340、350当中的两个压缩缸210、220和两个冷却器310、320)，划分到第三阀630，且最后发送到发电机。因为发电机需要具有比高压发动机所需的压力低的压力的天然气，所以经受部分压缩过程的蒸发气体供应到发电机。
图2是相关技术中应用于包含高压发动机的轮船的部分再液化***的示意图。
参看图2，正如在应用于包含高压发动机的轮船的部分再液化***中，在相关技术中应用于包含低压发动机的轮船的部分再液化***中，从储存槽100排放的蒸发气体经由第一阀610发送到自行热交换器410。正如在图1中示出的部分再液化***中，已经从储存槽100排放且通过自行热交换器410的蒸发气体经受多级压缩机201、202的多级压缩，且随后发送到自行热交换器410以经由与从储存槽100排放的蒸发气体的热交换而冷却。
正如在图1中示出的部分再液化***中，多级压缩之后由自行热交换器410冷却的蒸发气体由减压器720部分再液化，且由气液分离器500分离成经由再液化产生的液化天然气和气态蒸发气体。由气液分离器500分离的再液化天然气发送到储存槽100，且由气液分离器500分离的气态蒸发气体在通过第二阀620之后与从储存槽100排放的蒸发气体汇合且随后发送到自行热交换器410。
此处，不同于图1中示出的部分再液化***，在相关技术中应用于所述包含所述低压发动机的轮船的部分再液化***中，经受多级压缩当中的部分压缩过程的蒸发气体经划分且发送到发电机和/或发动机，且经受全部多级压缩的所有蒸发气体发送到自行热交换器410。因为低压发动机需要具有与发电机所需的压力类似的压力的天然气，所以经受部分压缩过程的蒸发气体供应到低压发动机和发电机。
在相关技术中应用于包含高压发动机的轮船的部分再液化***中，因为经受全部多级压缩的一些蒸发气体发送到高压发动机，所以安装具有高压发动机所需的容量的单一多级压缩机200。
然而，在相关技术中应用于包含低压发动机的轮船的部分再液化***中，因为经受多级压缩当中的部分压缩过程的蒸发气体发送到发电机和/或发动机且经受全部多级压缩的蒸发气体并不发送到发动机，所以所有压缩级都不需要大容量压缩缸。
相应地，由具有相对大容量的第一多级压缩机201压缩的一些蒸发气体经划分且发送到发电机和发动机，且剩余的蒸发气体由具有相对小容量的第二多级压缩机201额外压缩并发送到自行热交换器410。
在相关技术中应用于包含低压发动机的轮船的部分再液化***中，压缩机的容量取决于发电机或发动机所需的压缩程度而优化以便防止与压缩机的容量相关联的制造成本的增加，且两个多级压缩机201、202的安装导致维护和检修麻烦的缺点。
发明内容
技术问题
本发明的实施例提供一种包括发动机的轮船，其中经受全部多级压缩的蒸发气体在发送到自行热交换器410之前经由与具有低温度和压力的蒸发气体的热交换而预冷却，这基于以下事实：具有相对低压力的一些蒸发气体经划分且发送到发电机(在低压发动机的情况下，发送到发电机和/或发动机)。
技术解决方案
根据本发明的一个方面，一种包含发动机的轮船包括：第一自行热交换器，其执行相对于从储存槽排放的蒸发气体的热交换；多级压缩机，其在多个级中压缩从储存槽排放且已经通过第一自行热交换器的蒸发气体；第二自行热交换器，其预冷却由多级压缩机压缩的蒸发气体；第一减压器，其使由第二自行热交换器和第一自行热交换器冷却的流体的一部分膨胀；以及第二减压器，其使由第二自行热交换器和第一自行热交换器冷却的流体的其它部分膨胀，其中第一自行热交换器使用从储存槽排放的蒸发气体作为制冷剂冷却由多级压缩机压缩且已经通过第二自行热交换器的蒸发气体，且第二自行热交换器使用由第一减压器膨胀的流体作为制冷剂冷却由多级压缩机压缩的蒸发气体。
已经通过第二减压器的流体可发送到储存槽。
所述轮船可进一步包含气液分离器，其安置在第二减压器的下游且使经由蒸发气体的再液化产生的液化天然气与气态蒸发气体彼此分离，其中由气液分离器分离的液化天然气发送到储存槽，且由气液分离器分离的气态蒸发气体发送到第一自行热交换器。
已经通过多级压缩机的一些蒸发气体可发送到高压发动机。
已经通过第一减压器和第二自行热交换器的蒸发气体可发送到发电机和低压发动机中的至少一个。
所述轮船可进一步包含加热器，其安置于当已经通过第一减压器和第二自行热交换器的蒸发气体发送到发电机时，已经通过第一减压器和第二自行热交换器的蒸发气体发送到发电机所沿的线路上。
根据本发明的另一方面，提供一种再液化方法，包括：步骤1执行相对于从储存槽排放的蒸发气体的多级压缩；步骤2经由热交换预冷却经受多级压缩的蒸发气体；步骤3经由与作为制冷剂的从储存槽排放的蒸发气体的热交换冷却步骤2中预冷却的流体；步骤4由第一减压器使步骤3中冷却的流体的一部分膨胀；步骤5使用步骤4中膨胀的流体作为制冷剂用于步骤2中的热交换；以及步骤6由第二减压器使步骤3中冷却的流体的其它部分膨胀和再液化。
所述再液化方法可进一步包含：步骤7使气态蒸发气体与经由步骤6中膨胀的蒸发气体的部分再液化产生的液化天然气彼此分离，以及步骤8将步骤7中分离的液化天然气发送到储存槽，且使步骤7中分离的气态蒸发气体气体与从储存槽排放的蒸发气体汇合以用作制冷剂用于步骤2中的热交换。
经受步骤1中的多级压缩的蒸发气体的一部分可发送到高压发动机。
由第一减压器膨胀且已经用作制冷剂用于步骤2中的热交换的流体可发送到发电机和低压发动机中的至少一个。
有利效果
根据本发明的实施例，包含发动机的轮船允许蒸发气体在经由预冷却过程而温度降低之后经受自行热交换器中的热交换，借此改进再液化效率，且通过即使在其中轮船包含低压发动机的结构中也提供一个多级压缩机而允许容易的维护和检修。
附图说明
图1是相关技术中应用于包含高压发动机的轮船的部分再液化***的示意图。
图2是相关技术中应用于包含低压发动机的轮船的部分再液化***的示意图。
图3是根据本发明的示范性实施例应用于包含高压发动机的轮船的部分再液化***的示意图。
图4是根据本发明的示范性实施例应用于包含低压发动机的轮船的部分再液化***的示意图。
图5是描绘取决于温度和压力的甲烷的相位变换曲线的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将详细参看附图来描述本发明的实施例。根据本发明包含发动机的轮船可应用于各种海上和陆路***。尽管借助实例在以下实施例中使用液化天然气，但应理解，本发明不限于此且可应用于各种液化气体。应理解，以下实施例可以不同方式修改且不限制本发明的范围。
在以下实施例中，流动穿过每一流路径的流体可呈气态、气-液混合态、液态，或超临界流体状态，这取决于***操作条件。
图3是根据本发明的示范性实施例应用于包含高压发动机的轮船的部分再液化***的示意图。
参看图3，根据此实施例的轮船包含第一自行热交换器410、多级压缩机200、第二自行热交换器420、第一减压器710和第二减压器720。
第一自行热交换器410执行由多级压缩机200压缩且已经由第二自行热交换器420预冷却的流体L1和作为制冷剂的从储存槽100排放的蒸发气体之间的热交换，以便冷却流体L1。在术语自行热交换器中，自行(Self-)意味着冷蒸发气体用作制冷剂用于与热蒸发气体的热交换。
多级压缩机200执行相对于从储存槽100排放且已经通过第一自行热交换器410的蒸发气体的多级压缩。多级压缩机200包含被配置成压缩蒸发气体的多个压缩缸210、220、230、240、250，以及多个冷却器310、320、330、340、350，所述多个冷却器分别安置在所述多个压缩缸210、220、230、240、250的下游且被配置成冷却由压缩缸210、220、230、240、250压缩且压力和温度已经增加的蒸发气体。在此实施例中，多级压缩机200包含五个压缩缸210、220、230、240、250和五个冷却器310、320、330、340、350，且蒸发气体在通过多级压缩机200时经受五个压缩级。然而，应理解，此实施例的提供仅为了说明，且本发明不限于此。
第二自行热交换器420经由与作为制冷剂的已经由第一减压器710膨胀的流体L2的热交换冷却已经由多级压缩机200压缩的一些流体L1。
已经由多级压缩机200压缩到高于或等于高压发动机所需的压力的蒸发气体由第一减压器710减压以发送到发电机，且通过由第一减压器710减压而压力和温度均减小的流体L2在第二自行热交换器420中利用。
因为已经由多级压缩机200压缩的蒸发气体在第一自行热交换器410中冷却之前在第二自行热交换器420中预冷却，所以根据此实施例的轮船可展现就总体再液化效率和再液化量而言改进的性质。
为了增加第一自行热交换器410和第二自行热交换器420的热交换效率，蒸发气体优选地由多级压缩机200压缩到高于高压发动机所需的压力的压力。在此情况下，所述轮船进一步包含减压器(未图示)，其在高压发动机的上游，用以在蒸发气体供应到高压发动机之前将蒸发气体减压到高压发动机所需的压力。
第一减压器710使从由多级压缩机200压缩且已经通过第二自行热交换器420和第一自行热交换器410的流体L1分叉的流体L2膨胀到发电机所需的压力。
第二减压器720使由多级压缩机200压缩且已经通过第二自行热交换器420和第一自行热交换器410中没有被输送到第一减压器710的其余流体膨胀和再液化。
第一减压器710和第二减压器720中的每一个可以是膨胀装置或膨胀阀。
根据此实施例的轮船可进一步包含气液分离器500，其使气态蒸发气体与由经由多级压缩机200的压缩、第二自行热交换器420和第一自行热交换器410的冷却以及第二减压器720的膨胀进行的蒸发气体的部分再液化产生的液化天然气分离。由气液分离器500分离的液化天然气可发送到储存槽100，且由气液分离器500分离的气态蒸发气体可发送到蒸发气体从储存槽100发送到第一自行热交换器410所沿的线路。
根据此实施例的轮船可进一步包含以下中的至少一个：第一阀610，其按需要阻挡从储存槽100排放的蒸发气体；以及加热器800，其加热经由第一减压器710和第二自行热交换器420发送到发电机的蒸发气体。第一阀610可通常维持在打开状态，且可在储存槽100维护或检修时关闭。
在其中所述轮船包含气液分离器500的结构中，所述轮船可进一步包含第二阀620，其控制由气液分离器500分离且发送到第一自行热交换器410的气态蒸发气体的流量。
根据此实施例的流体流将在下文中描述。应注意，下文中描述的蒸发气体的温度和压力为近似的理论值，且可取决于蒸发气体的温度、发动机所需的压力、多级压缩机的设计、轮船的速度等而改变。
图4是根据本发明的示范性实施例应用于包含低压发动机的轮船的部分再液化***的示意图。
图4中示出的应用于包含低压发动机的轮船的部分再液化***不同于图3中示出的应用于包含高压发动机的轮船的部分再液化***，不同之处在于：经受多级压缩机200的多级压缩的一些蒸发气体在已经通过第一减压器710和第一自行热交换器420之后发送到发电机和/或发动机，且以下描述将聚焦于部分再液化***的不同配置。将省略与上文描述的包含高压发动机的轮船的部件相同的部件的细节的描述。
包含在图3中示出的部分再液化***应用到的轮船中的高压发动机与包含在图4中示出的部分再液化***应用到的轮船中的低压发动机之间的区别是基于使用具有临界压力或大于临界压力的压力的天然气作为发动机的燃料。也就是说，使用具有临界压力或大于临界压力的压力的天然气作为燃料的发动机被称作高压发动机，且使用具有小于临界压力的压力的天然气作为燃料的发动机被称作低压发动机。
在本发明中，高压发动机可以是由处于约150巴到400巴的压力的蒸发气体供应燃料的ME-GI发动机，且低压发动机可以是由处于约16巴的压力的蒸发气体供应燃料的X-DF发动机，或由处于约6巴到10巴的压力的蒸发气体供应燃料的DF发动机。或者，低压发动机可以是燃气涡轮机。
参看图4，正如在图3中示出的包含高压发动机的轮船中，根据此实施例的轮船包含第一自行热交换器410、多级压缩机200、第二自行热交换器420、第一减压器710和第二减压器720。
正如在图3中示出的包含高压发动机的轮船中，根据此实施例的第一自行热交换器410执行由多级压缩机200压缩且已经由第二自行热交换器420预冷却的流体L1和作为制冷剂的从储存槽100排放的蒸发气体之间的热交换，以便冷却流体L1。
正如在图3中示出的包含高压发动机的轮船中，根据此实施例的多级压缩机200执行相对于从储存槽100排放且已经通过第一自行热交换器410的蒸发气体的多级压缩，且可包含多个压缩缸210、220、230、240、250和多个冷却器310、320、330、340、350。
多级压缩机200将蒸发气体压缩到高于或等于发电机所需的压力的压力，优选地高于或等于临界点的压力，以便改进第一自行热交换器410和第二自行热交换器420的热交换效率。
正如在图3中示出的包含高压发动机的轮船中，第二自行热交换器420经由与作为制冷剂的已经由第一减压器710膨胀的流体L2的热交换冷却已经由多级压缩机200压缩的流体L1。
正如在图3中示出的包含高压发动机的轮船中，因为已经由多级压缩机200压缩的蒸发气体在第一自行热交换器410中冷却之前在第二自行热交换器420中预冷却，所以根据此实施例的轮船可展现就总体再液化效率和再液化量而言改进的性质。
正如在图3中示出的包含高压发动机的轮船中，根据此实施例的第一减压器710使从由多级压缩机200压缩且已经通过第二自行热交换器420和第一自行热交换器410的流体L1分叉的流体L2膨胀到发电机所需的压力。
第二减压器720使由多级压缩机200压缩且已经通过第二自行热交换器420和第一自行热交换器410的流体L1的其余部分膨胀和再液化。
第一减压器710和第二减压器720中的每一个可以是膨胀装置或膨胀阀。
正如在图3中示出的包含高压发动机的轮船中，根据此实施例的轮船可进一步包含气液分离器500，其使气态蒸发气体与由经由多级压缩机200的压缩、第二自行热交换器420和第一自行热交换器410的冷却以及第二减压器720的膨胀进行的蒸发气体的部分再液化产生的液化天然气分离。由气液分离器500分离的液化天然气可发送到储存槽100，且由气液分离器500分离的气态蒸发气体可发送到蒸发气体从储存槽100发送到第一自行热交换器410所沿的线路。
正如在图3中示出的包含高压发动机的轮船中，根据此实施例的轮船可进一步包含以下中的至少一个：第一阀610，其按需要阻挡从储存槽100排放的蒸发气体；以及加热器800，其加热经由第一减压器710和第二自行热交换器420发送到发电机的蒸发气体。第一阀610可通常维持在打开状态，且可在储存槽100维护或检修时关闭。
在其中所述轮船包含气液分离器500的结构中，所述轮船可进一步包含第二阀620，其控制由气液分离器500分离且发送到第一自行热交换器410的气态蒸发气体的流量，正如在图3中示出的包含高压发动机的轮船中。
所属领域的技术人员将显而易见，本发明不限于上述实施例，且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改、改变、更改以及等效实施例。

Claims (8)

1.一种包含发动机的轮船，其特征在于，所述轮船包括：
第一自行热交换器，其执行相对于从储存槽排放的蒸发气体的热交换；
多级压缩机，其在多个级中压缩从所述储存槽排放且已经通过所述第一自行热交换器的所述蒸发气体；
第二自行热交换器，其预冷却由所述多级压缩机压缩的所述蒸发气体；
第一减压器，其使由所述第二自行热交换器和所述第一自行热交换器冷却的流体的一部分膨胀；
第二减压器，其使由所述第二自行热交换器和所述第一自行热交换器冷却的流体的其它部分膨胀；以及
发电机和低压发动机中的至少一个，其中已经通过所述第一减压器和所述第二自行热交换器的所述蒸发气体发送到所述发电机和低压发动机中的至少一个，
其中所述第一自行热交换器使用从所述储存槽排放的所述蒸发气体作为制冷剂冷却由所述多级压缩机压缩且已经通过所述第二自行热交换器的所述蒸发气体，且
所述第二自行热交换器使用由所述第一减压器膨胀的所述流体作为制冷剂冷却由所述多级压缩机压缩的所述蒸发气体。
2.根据权利要求1所述包含发动机的轮船，其中已经通过所述第二减压器的所述流体发送到所述储存槽。
3.根据权利要求1所述包含发动机的轮船，其进一步包括：
气液分离器，其安置在所述第二减压器的下游且使经由所述蒸发气体的再液化产生的液化天然气与气态蒸发气体彼此分离，
其中由所述气液分离器分离的所述液化天然气发送到所述储存槽，且由所述气液分离器分离的所述气态蒸发气体发送到所述第一自行热交换器。
4.根据权利要求1所述包含发动机的轮船，其中已经通过所述多级压缩机的所述蒸发气体的一部分发送到高压发动机。
5.根据权利要求1所述包含发动机的轮船，其进一步包括：
加热器，其安置于当已经通过所述第一减压器和所述第二自行热交换器的所述蒸发气体发送到所述发电机时，已经通过所述第一减压器和所述第二自行热交换器的所述蒸发气体发送到所述发电机所沿的线路上。
6.一种再液化方法，其特征在于，包括：
步骤1执行相对于从储存槽排放的蒸发气体的多级压缩；
步骤2经由热交换预冷却经受多级压缩的所述蒸发气体；
步骤3经由与作为制冷剂的从所述储存槽排放的所述蒸发气体的热交换冷却步骤2中预冷却的流体；
步骤4由第一减压器使所述步骤3中冷却的所述流体的一部分膨胀；
步骤5使用所述步骤4中膨胀的所述流体作为制冷剂用于所述步骤2中的热交换；以及
步骤6由第二减压器使所述步骤3中冷却的所述流体的其它部分膨胀和再液化，
由所述第一减压器膨胀且已经用作制冷剂用于所述步骤2中的热交换的所述流体发送到发电机和低压发动机中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的再液化方法，其进一步包括：
步骤7使气态蒸发气体与经由所述步骤6中膨胀的所述蒸发气体的部分再液化产生的液化天然气彼此分离；以及
步骤8将所述步骤7中分离的所述液化天然气发送到所述储存槽，且使所述步骤7中分离的所述气态蒸发气体与从所述储存槽排放的所述蒸发气体汇合以用作制冷剂用于所述步骤2中的热交换。
8.根据权利要求6所述的再液化方法，其中经受所述步骤1中的多级压缩的所述蒸发气体的一部分发送到高压发动机。
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