Устройство и способ для охлаждения сжиженного газа и/или газа естественной отпарки из сжиженного газа
DEVICE AND METHOD FOR COOLING LIQUEFIED GAS AND/OR GAS OF NATURAL STEAMING FROM LIQUEFIED GAS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к устройству и способу для охлаждения сжиженного газа и/или газа естественной отпарки из сжиженного газа для установки по производству энергии, в частности, на борту судна, например, судна для транспортировки сжиженного газа, или установок, в которых используется сжиженный газ.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Предшествующий уровень техники включает в себя, в частности, документ ЕР-А1 2 670 274.
Для облегчения транспортировки газа, такого как природный газ, на большие расстояния газ, как правило, сжижается (и становится сжиженным природным газом — LNG) путем охлаждения до криогенных температур, например, -163 °C при атмосферном давлении. Сжиженный газ затем загружается в специализированные суда.
На судне для транспортировки сжиженного газа, например, на танкере для перевозки метана, предусмотрена установка по производству энергии для обеспечения потребности в энергии при эксплуатации судна, в частности, для приведения судна в движение и/или производства электроэнергии для бортового оборудования.
Установка этого типа обычно включает в себя тепловые машины, потребляющие газ, выходящий из испарителя, который подается от груза сжиженного газа, транспортируемого в цистерне или цистернах судна.
В документе FR-A-2 837 783 описана подача в испаритель такого рода и/или в другие системы, необходимые для приведения в движение, с помощью насоса, погруженного в цистерну судна в ее нижней части.
Чтобы ограничить испарение сжиженного газа, как известно, его хранят под давлением в цистерне таким образом, чтобы перемещаться вдоль кривой равновесия «жидкость-пар» сжиженного газа, соответственно, увеличивая его температуру испарения. Поэтому сжиженный газ можно хранить при более высоких температурах при ограничении испарения газа.
газ естественной отпарки
газа принудительной отпарки
Однако естественное испарение газа неизбежно: это явление известно как  (NBOG) в отличие от  (FBOG). Газ, который испаряется естественным образом в цистерне судна, как правило, используется для питания вышеуказанной установки. В случае (первый случай), в котором количество газа, испаряющегося естественным путем, является недостаточным для обеспечения потребности установки в топливном газе, приводится в действие насос, погруженный в цистерну, для подачи топливного газа, полученного принудительным испарением. В случае (второй случай), в котором количество испаряющегося газа слишком велико по отношению к потребности установки, избыточный газ обычно сжигается в установке для сжигания газа, что представляет собой потерю топливного газа.
скорость выпаривания
В текущем уровне техники цистерны усовершенствуются таким образом, что естественные темпы испарения (, BOR) сжиженных газов становятся все ниже и ниже, в то время как оборудование судна показывает все более высокую производительность. В вышеуказанных первом и втором случаях следствием является то, что возникает очень большая разница между количеством газа, получаемого путем естественной отпарки, и количеством газа, требуемым установкой судна.
Следовательно, существует растущий интерес к решениям в области охлаждения сжиженного газа, содержащегося в цистерне для хранения, и управления отпарным газом, производимым в этой цистерне, такого как повторное сжижение и охлаждающие устройства, например, описанные в заявке WO-A1- 2016/075399. Идея, на которой основан данный документ, включает создание устройства для охлаждения сжиженного газа, которое делает возможным ограничение естественного выпаривания сжиженного газа при поддержании его в термодинамическом состоянии, позволяющем осуществлять длительное хранение. Тем не менее, технология теплообмена, описанная в вышеупомянутом документе, является дорогостоящей и относительно неэффективной и имеет другие недостатки, которые будут подробно описаны ниже.
Кроме того, на производство газа естественной отпарки (NBOG) влияет ряд параметров, включая движение жидкости и условия окружающей среды. Энергетические потребности судна также сильно различаются, в соответствии с выполняемыми операциями и скоростью хода судна. Следовательно, эффективное решение для управления отпарным газом (BOG) может оказаться трудноосуществимым, поскольку избыточное количество NBOG может сильно различаться.
Настоящее изобретение предлагает усовершенствование к текущему уровню техники, которое является простым, эффективным и экономичным.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первый объект настоящего изобретения предлагает устройство для охлаждения сжиженного газа, в частности, для установки по производству энергии на борту судна,
отличающееся тем, что оно включает в себя
- необязательную основную цистерну для хранения сжиженного газа,
- первый барабан сепарации охлажденного сжиженного газа, впускной патрубок которого соединен с первым концом первой трубы, второй конец которой предназначен для погружения в сжиженный газ, содержащийся в указанной основной цистерне, предпочтительно в нижней части цистерны, причем указанная первая труба выполнена с возможностью подачи сжиженного газа в указанный первый барабан,
- средство для снижения давления в указанном первом барабане по отношению к указанной основной цистерне, выполненное с возможностью применения в указанном первом барабане рабочего давления ниже, чем давление в указанной основной цистерне,
- средство испарения, установленное на указанной первой трубе и/или указанном впускном патрубке указанного первого барабана так, что по меньшей мере некоторая часть подаваемого в указанный первый барабан сжиженного газа, называемого отпарным газом, испаряется, и по меньшей мере другая часть (например, остаток) сжиженного газа, называемого охлажденным сжиженным газом, охлаждается до температуры насыщения при указанном рабочем давлении в указанном первом барабане, причем указанный первый барабан выполнен с возможностью сепарации указанного испаренного газа и охлажденного сжиженного газа, и
- средство для подачи в указанную основную цистерну указанного охлажденного сжиженного газа, содержащегося в указанном первом барабане, чтобы охладить газ, который был сжижен и/или пребывает в виде газа, содержащийся в указанной основной цистерне.
Здесь охлаждается или, скорее, дополнительно охлаждается именно сжиженный газ, который используется для охлаждения и регулирования температуры сжиженного газа, содержащегося в основной цистерне.
Первый барабан действует в качестве вакуумного испарителя и связан с первым компрессором, который действует в качестве компрессора вакуумного испарения. Известно, что испарение или снижение давления газа высвобождает замораживающую энергию. Таким образом, средство испарения можно рассматривать в качестве средства охлаждения. Кроме того, термины «средство испарения», «средство снижения давления» и «средство  уменьшения давления» имеют аналогичные или даже идентичные значения в контексте настоящего изобретения. В соответствии с изобретением, средство испарения устанавливается на первую трубу и/или впускной патрубок, соединяющий эту первую трубу с первым барабаном. Первый барабан может также образовывать (дополнительное) средство испарения, как описано ниже.
Таким образом, изобретение предлагает заменить теплообменник в предшествующем уровне техники вакуумным испарителем, который позволяет получить более высокую мощность охлаждения и, следовательно, повысить эффективность охлаждения газа, содержащегося в основной цистерне, который был сжижен и/или пребывает в виде газа.
Основная цистерна не является обязательной в том, что ее можно рассматривать или не рассматривать как составную часть устройства в соответствии с изобретением. Устройство может, например, поставляться без какой-либо основной цистерны, которая, следовательно, не образует часть устройства. В альтернативном варианте, после монтажа на судне, например, устройство будет связано с основной цистерной, которая, таким образом, образует часть устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Преимущество состоит в отсутствии теплообменника (недостаток которого заключается в потере охлаждения из-за пинч-эффекта), работающего на этапе расширения или испарения. В предшествующем уровне техники при использовании теплообменника такого рода вся легкая фракция полностью испаряется, в частности, из-за теплообменника, который испаряет легкую фракцию газа, оставшуюся жидкой после снижения давления. Однако снижение давления и теплообменник не являются достаточными для испарения также и тяжелой фракции.
В настоящей заявке под тяжелой фракцией и легкой фракцией подразумеваются, соответственно, тяжелые газы, или газы с высокой молекулярной массой, и легкие газы, или газы с низкой молекулярной массой. В одном варианте осуществления сжиженный газ является сжиженным природным газом. В этом случае легким газом является метан. В сжиженном природном газе также может присутствовать небольшое количество азота в легкой фракции. Меньшая тяжелая фракция включает в себя, например, для сжиженного газа, пропан, бутан и этан (и, следовательно, испаряется при более высокой температуре или при давлении меньшем, чем, например, рабочее давление). В сжиженном газе тяжелые фракции составляют от 5,2% до 49,8% от общей массы сжиженного газа. Молекулярные массы тяжелых фракций превышают молекулярные массы легких фракций на 25 – 500 %.
Улучшения, предлагаемые этим устройством, многочисленны и, например, включают в себя нижеперечисленные преимущества:
- более простая архитектура, более простое управление и более безопасное использование благодаря процессу охлаждения, который может происходить полностью за пределами основной цистерны,
- повышение эффективности за счет подавления пинч-эффекта, который может происходить в предшествующем уровне техники из-за теплообменника, как, например, описано в заявке WO-A1-2016/075399; с учетом рабочего давления и связанных с ним перепадов температуры пинч-эффект от 1 до 2 °С приводит к потере 15 % мощности охлаждения,
- мощность охлаждения производится в виде охлажденного сжиженного газа, который может подаваться и использоваться по мере необходимости, или даже храниться для последующего использования; это является особым преимуществом, так как эта мощность может быть произведена путем извлечения энергии из газа принудительной отпарки на этапах отсутствия газа естественной отпарки (NBOG), соответствующих этапам, на которых скорее необходима мощность нагрева, а не мощность охлаждения,
- исходя от противного, учитывая типичные размеры основной цистерны, в частности, на судне, объем газа, хранящегося в цистерне такого рода, и размеры необходимого охлаждающего оборудования, описанного в вышеупомянутой более ранней заявке, мощность охлаждения, производимая этим оборудованием, не является достаточной для его хранения и последующего использования,
- сжиженный газ предназначен для прохождения фазовой сепарации в барабане, после которой только газ, который может быть использован в установке, предназначается для выкачивания с использованием средства снижения давления, такого как компрессор; следовательно, не существует никакого риска попадания капель жидкости в компрессор, что может привести к его повреждению; принимая во внимание диапазон рабочих давлений, температур и состав сжиженного газа, в большинстве случаев сжиженный газ не будет полностью испаряться в теплообменнике, как, например, описано в вышеупомянутой более ранней заявке; например, соотношение жидкости в исходной архитектуре при 120 мбар составляет от 0,12 до 32% включительно, а при 800 мбар (не представляется возможным рассматривать давление 950 мбар, как предложено в более ранней заявке, из-за пинч-эффекта в теплообменнике) оно находится в пределах от 0,8 до 92% включительно (высокие колебания из-за различных составов сжиженного газа),
- в более ранней заявке весь поток, требуемый для подачи в установку, то есть предназначенный для потребляющего устройства, должен пройти через компрессор, что не является обязательным в случае с изобретением, в котором только необходимое количество газа принудительной отпарки используется в дополнение к производимому количеству газа естественной отпарки; мощность компрессора, следовательно, уменьшается, что позволяет снизить первоначальные капитальные затраты и эксплуатационные расходы; кроме того, так как каждый компонент устройства вводит потери, в целом ограничение циркулирующих в устройстве потоков является более эффективным; наконец, предлагаемое устройство легко подключить к обычной потребляющей установке судна, следовательно, ограничивая воздействие на существующую среду и придавая большую гибкость при проектировании судовых машин, использующих топливный газ;
- барабан предпочтительно находится за пределами основной цистерны, что упрощает устройство и делает его безопасным.
В целом, по сравнению с обычным устройством, установленным на судне, в котором дополнительный отпарной газ (BOG) производится  путем подачи в теплообменник сжиженного газа при помощи насоса, в данном случае устройство снижает общие расходы энергии на испарение на 31 – 38 %. Основной целью является получение холода посредством использования энергии испарения, которая обычно представляет собой расходный элемент на судне. В зависимости от характеристик судна, в частности, от профиля скорости хода, эффективности механизмов и т.д., устройство позволяет производить мощность охлаждения в объеме до 175% от тепла, производимого во время рейса судна (включая обратный путь, коммерческое использование и ожидание захода в фарватер).
Давление в основной цистерне может различаться в зависимости от глубины цистерны из-за гидростатического давления.
В контексте настоящего изобретения под «нижней частью» цистерны подразумеваются положение, расположенное менее чем в одном метре от нижней стенки цистерны, причем эта нижняя стенка является стенкой цистерны, которая при эксплуатации находится ближе всего к центру Земли. Каждый насос предпочтительно находится также как можно ближе к нижней части, насколько это возможно, чтобы функционировать при минимально возможном уровне наполнения (расстояние от нижней части ограничивается тем, что насос, расположенный слишком близко к нижней части, может быть трудно привести в рабочее состояние).
Устройство согласно настоящему изобретению может иметь один или более из следующих признаков, существующих отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:
- указанный первый барабан является барабаном сепарации и/или расширительным барабаном;
- по меньшей мере часть указанного первого барабана и/или по меньшей мере часть указанной первой трубы и/или по меньшей мере часть указанного средства испарения размещены или предназначены для размещения в указанной основной цистерне;
- указанный первый барабан выполнен с возможностью подачи в него только сжиженного газа;
- давление сжиженного газа в указанной первой трубе предпочтительно больше, чем гидростатическое давление, создаваемое погруженной частью этой первой трубы в указанной основной цистерне;
- диаметр указанной первой трубы перед указанным средством снижения давления предпочтительно должен быть как можно меньше, чтобы ограничить охлаждение сжиженного газа в этой трубе (ограничение потери холода);
- указанная первая труба предпочтительно выполнена таким образом, чтобы сжиженный газ, поступающий в указанную основную цистерну, оставался жидким до указанного средства снижения давления; хотя давление падает в первой трубе из-за гидростатического давления из-за уменьшенной глубины погружения в основной цистерне, давление остается достаточно высоким, чтобы весь газ оставался в жидком состоянии;
- давление в первой трубе на входе в средство снижения давления составляет, например, около 1 бар; сжиженный газ, только слегка нагреваясь в первой трубе, по-прежнему остается при температуре, при которой он является жидким при давлении около 1 бар (например, при температуре около -160 °C);
- указанное средство испарения включает в себя клапан, например, дроссельный клапан (клапан Джоуля-Томсона), и/или часть первой трубы, расположенную, в частности, ниже по потоку от клапана;
- используемый сжиженный газ предпочтительно испаряется (по большей части или более чем на 80%, даже 90%) сразу после клапана, в указанной части первой трубы; сжиженный газ также охлаждается в этой части трубы из-за снижения давления за счет эффекта «мгновенного» испарения (спонтанное уменьшение давления);
- эта часть трубы может иметь больший диаметр, чем первая часть трубы, расположенная перед клапаном, в частности, чтобы получить достаточную скорость потока, так как отпарной газ занимает больший объем;
- в альтернативном варианте, испарение может происходить по большей части или даже исключительно (более 80%) в указанном первом барабане, если часть трубы между клапаном и первым барабаном уменьшается в диаметре или отсутствует; в этом случае, если первый барабан не имеет достаточного объема, непрерывная работа может быть невозможна; поэтому потребовалось бы ждать, пока не закончится испарение и охлаждение сжиженного газа, при температуре чуть ниже температуры кипения при новом давлении, после «мгновенного» уменьшения давления, чтобы опустошить первый барабан, в частности, во вспомогательную цистерну, упоминаемую далее; кроме того, в этом случае было бы возможно, в частности, заменить клапан, например, дроссельный клапан, простым клапаном с двумя состояниями (все или ничего, то есть 100% закрыто/100% открыто);
- указанное средство уменьшения давления включает в себя, по меньшей мере, первый компрессор, впускной патрубок которого соединен с первым выпускным патрубком газа из указанного первого барабана, и выпускной патрубок которого может подавать топливный газ, в частности, к указанной установке, причем указанный первый компрессор в состоянии всасывать по меньшей мере некоторую часть из указанного газа, испаряющегося в указанном первом барабане, и создавать указанное рабочее давление в указанном первом барабане; вместо этого или в дополнение к этому, средство уменьшения давления включает в себя, по меньшей мере, один насос, впускной патрубок которого соединен с выпускным патрубком жидкости из указанного первого барабана; в этом варианте по меньшей мере один компрессор может быть использован для всасывания испаренного газа, содержащегося в указанном первом барабане;
- указанное средство подачи включает в себя вторую трубу, первый конец которой соединен со вторым выпускным патрубком охлажденного сжиженного газа указанного первого барабана, и по меньшей мере один второй конец которой предназначен для сброса в указанную основную цистерну, причем указанная вторая труба может вводить по меньшей мере части указанного охлажденного сжиженного газа из указанного второго барабана в указанную основную цистерну; соединение первого барабана с указанной основной цистерной посредством указанной второй трубы может быть прямым или непрямым; другими словами, вторая труба может включать в себя другие компоненты жидкостного сообщения, может быть связана с такими компонентами или разделена на секции, между которыми расположены такие компоненты; это может касаться всех труб, упомянутых в контексте настоящего изобретения;
- газ в жидкой и/или газообразной форме может вводиться в указанную основную цистерну, в частности, посредством указанной второй трубы; смесь газа и пара может вводиться в основную цистерну; если эта смесь повторно вводится в нижнюю часть цистерны, газовая часть смеси будет иметь тенденцию к повторной конденсации из-за гидростатического давления газа и температуры сжиженного природного газа в основной цистерне; это может замедлить уменьшение давления в основной цистерне;
устройство включает в себя
- первый насос, соединенный с указанным вторым концом указанной первой трубы и предназначенный для погружения в указанный сжиженный газ, содержащийся в указанной основной цистерне, предпочтительно в нижней части цистерны, таким образом, чтобы обеспечить циркуляцию сжиженного газа через указанную первую трубу в указанный первый барабан; в альтернативном варианте, устройство не имеет такого первого насоса; это, например, возможно в случае, если первый барабан и первая труба расположены внутри указанной первой цистерны;
- устройство содержит второй насос, соединенный с указанной второй трубой таким образом, чтобы обеспечить циркуляцию по меньшей мере части указанного охлажденного сжиженного газа через указанную вторую трубу из указанного первого барабана в указанную основную цистерну; в альтернативном варианте в этом втором насосе не будет необходимости, например, в случае прерывистой работы, когда в первый барабан будет подаваться сжиженный газ до заранее определенного уровня заполнения, и затем давление в нем снижается, чтобы вызвать охлаждение сжиженного газа и частичное испарение, что приведет к повышению давления в указанном первом барабане до величины, по существу, близкой к давлению в основной цистерне, и достаточной для того, чтобы применение второго насоса не являлось необходимостью;
- первая труба снабжена клапаном типа «все или ничего» и выполнена с возможностью закрытия, например, при пониженном давлении, созданном в указанном первом барабане;
- первый или второй насос может быть топливным насосом или насосом-осушителем судна; этот тип насоса, как правило, в состоянии обеспечить максимальный расход порядка 25-30 т/ч; в альтернативном варианте может быть использован насос с более высоким максимальным расходом, в частности, в качестве первого насоса, который, например, был бы в состоянии обеспечить максимальный расход 300 т/ч или, предпочтительно, даже до 2500 т/ч;
- система, образованная первым барабаном, первым компрессором и первым насосом, действует в качестве средства вакуумного испарения (или вакуумного испарителя); в целом в случае настоящего изобретения система, образованная барабаном, компрессором и насосом, аналогична средству вакуумного испарения;
- средство испарения предпочтительно выполнено с возможностью снижения давления газа до рабочего давления первого барабана;
- указанный второй выпускной патрубок указанного первого компрессора соединен с впускным патрубком второго компрессора, выпускной патрубок которого может подавать в указанную установку топливный газ;
- указанная вторая труба включает в себя или соединяется с погружной трубой, предназначенной для погружения в сжиженный газ, содержащийся в указанной основной цистерне, и/или с распылительным коллектором в указанной основной цистерне для введения охлажденного сжиженного газа в указанную основную цистерну; охлажденный сжиженный газ, следовательно, может быть введен в газ и/или в сжиженный газ, содержащийся в основной цистерне;
- указанный второй выпускной патрубок указанного первого барабана соединен с первым впускным патрубком вспомогательной цистерны таким образом, чтобы охлажденный сжиженный газ подавался в эту цистерну и хранился в этой цистерне;
- вспомогательная цистерна выполнена с возможностью содержания указанного охлажденного сжиженного газа при давлении более высоком, чем указанное рабочее давление в указанном первом барабане; таким образом, вспомогательная цистерна имеет более высокое давление, чем первый барабан, например, при атмосферном давлении; таким образом, вспомогательная цистерна может быть менее дорогостоящей в том, что она может быть предназначена для хранения большого объема газа, что является преимуществом этой вспомогательной цистерны; таким образом, охлажденный газ может накапливаться в первом барабане, если требования установки превышают скорость естественного испарения, а затем сливаться в основную цистерну таким образом, чтобы замедлить естественное испарение, если требования установки меньше, чем скорость естественного испарения;
- охлажденный сжиженный газ, содержащийся в указанной вспомогательной цистерне, можно рассматривать как переохлажденный сжиженный газ; «переохлажденный» означает, что газ находится при температуре строго ниже, чем точка кипения (то есть, температуры насыщения) при давлении, которому подвергается газ; во вспомогательной цистерне сжиженный газ находится под таким давлением, что его можно считать переохлажденным;
- вспомогательная цистерна действует в качестве охлаждающего теплообменника текучей среды, в частности, отпарного газа (BOG);
- указанный второй насос расположен между указанным вторым выпускным патрубком указанного первого барабана и указанным первым впускным патрубком указанной вспомогательной цистерны;
- указанная вспомогательная цистерна включает в себя первый выпускной патрубок для по меньшей мере часит указанного охлажденного сжиженного газа, соединенный с указанной второй трубой, причем указанная вторая труба может пропускать по меньшей мере части указанного охлажденного сжиженного газа из указанной вспомогательной цистерны в указанную основную цистерну;
- указанное устройство включает в себя по меньшей мере один контур теплообмена, выполненный с возможностью охлаждения текучей среды, циркулирующей в указанном контуре, с использованием по меньшей мере части охлажденного сжиженного газа, хранящегося в указанной вспомогательной цистерне или поступающего из указанной вспомогательной цистерны; этот контур теплообмена может быть расположен во вспомогательной цистерне, прилегать к ней или находиться в соединении со вспомогательной цистерной, или на расстоянии от этой вспомогательной цистерны; труба охлажденного сжиженного газа может, например, использоваться для подачи в указанный контур теплообмена, который может составлять часть отдельного теплообменника; в альтернативном варианте, охлажденный сжиженный газ, используемый для охлаждения текучей среды, циркулирующей в указанном контуре теплообмена, может поступать из другого источника, например, основной цистерны или первого барабана;
- объединение указанной вспомогательной цистерны и указанного контура теплообмена обеспечивает переработку газа естественной отпарки с очень высокой эффективностью, поскольку пинч-эффект, связанный с теплообменником, является небольшим по сравнению с разностью температур между газом естественной отпарки (газом в паровой фазе у впускного патрубка вспомогательной цистерны при температуре, например, между -80 °С и -160 °С включительно, или, точнее, между -100 °С и -140 °С включительно) и сжиженным газом, в частности, благодаря тому, что сжиженный газ охлаждается; разумеется, при отсутствии вспомогательной цистерны то же самое преимущество может быть получено путем теплообмена с охлажденным газом из указанного первого барабана или из основной цистерны; другими словами, охлажденный сжиженный газ может храниться во вспомогательной цистерне, первом барабане и/или основной цистерне;
- указанный контур теплообмена включает в себя впускной патрубок, соединенный с выпускным патрубком газа естественной отпарки из указанной основной цистерны; в этом контексте указанный контур теплообмена может обеспечить переработку газа естественной отпарки в основной цистерне с очень высокой эффективностью, поскольку пинч-эффект, связанный с теплообменником, является небольшим по сравнению с разностью температур между газом естественной отпарки и сжиженным газом, в частности, благодаря охлаждению сжиженного газа;
- указанный впускной патрубок указанного контура соединен с указанным выпускным патрубком по меньшей мере одного компрессора, такого, как указанный первый или второй компрессор, в который поступает газ естественной отпарки из указанного выпускного патрубка указанной основной цистерны; газ естественной отпарки, таким образом, сжимается (что увеличивает его температуру) перед входом в теплообменник или контур теплообмена с охлажденным сжиженным газом;
- указанный впускной патрубок указанного контура соединен с указанным выпускным патрубком по меньшей мере одного компрессора, например, первого или второго указанного компрессора, посредством первичного контура первого теплообменника, причем указанный первый теплообменник включает в себя вторичный контур, впускной патрубок которого соединен с указанным выпускным патрубком газа естественной отпарки указанной основной цистерны, и выпускной патрубок которого соединен с впускным патрубком указанного первого или второго компрессора; газ естественной отпарки, находящийся в основной цистерне, будет нагреваться при поступлении в указанный вторичный контур, что не является проблемой, так как он должен нагреваться в любом случае, если он используется для подачи в установку; теплообмен преимущественно происходит заранее  между всем объемом газа естественной отпарки,,часть подаваемой в установку, и сжатой частью этого газа естественной отпарки, излишек от потребления установкой, который повторно конденсируется. Теплообмен должен происходить заранее, так как газ естественной отпарки менее холодный, чем охлажденный сжиженный газ
- указанный контур теплообмена содержит выпускной патрубок, соединенный с впускным патрубком второго барабана, причем указанный второй барабан включает в себя первый впускной патрубок охлажденного сжиженного газа, соединенный с указанной второй трубой для введения охлажденного сжиженного газа в указанную основную цистерну; в альтернативном варианте, устройство может быть выполнено с возможностью обратной закачки в основную цистерну, например, в нижней части цистерны, газообразной части смеси, которая будет иметь тенденцию к повторной конденсации из-за гидростатического давления газа и температуры сжиженного газа в основной цистерне;
- указанный второй барабан представляет собой барабан фазовой сепарации;
- указанный выпускной патрубок указанного контура соединен с указанным впускным патрубком указанного второго барабана посредством клапана, например, дроссельного клапана (клапана Джоуля-Томсона), чтобы уменьшить температуру газа посредством адиабатического расширения; таким образом, газ естественной отпарки может расширяться; сжатие/уменьшение давления по обе стороны теплообменника или контура теплообмена может дать более низкую температуру газа естественной отпарки, и, следовательно, больше газа естественной отпарки для конденсации;
- устройство включает в себя второй теплообменник, первичный контур которого имеет впускной патрубок, соединенный с выпускным патрубком третьего насоса, предназначенного для погружения в сжиженный газ в указанной основной цистерне, и выпускным патрубком охлажденного сжиженного газа, а вторичный контур имеет впускной патрубок, соединенный с указанной первой трубой, и выпускной патрубок, соединенный с впускным патрубком указанного первого барабана;
- указанный второй теплообменник не погружается в сжиженный газ в указанной основной цистерне и не устанавливается в основной цистерне;
- выпускной патрубок первичного контура указанного второго теплообменника соединен со впускным патрубком указанной вспомогательной цистерны для подачи в указанную вспомогательную цистерну охлажденного сжиженного газа;
- устройство не содержит каких-либо компонентов, кроме насосов и/или труб, погруженных в сжиженный газ, содержащийся в указанной основной цистерне;
- указанный сжиженный газ содержит по меньшей мере так называемую чистую фракцию, включающую в себя чистый газ или тело, а указанный охлажденный сжиженный газ и указанный отпарной газ включают в себя по меньшей мере одну чистую фракцию. Если сжиженным газом является сжиженный природный газ, чистая фракция такого рода может состоять из метана.
В настоящей заявке под «чистым» подразумевается единое тело или химическое вещество, в отличие от смеси тел или веществ. Указанный чистый газ является, например, легким газом или тяжелым газом.
Настоящее изобретение также относится к судам, в частности, для транспортировки сжиженного газа, и включает в себя по меньшей мере одно устройство, как описано выше.
Настоящее изобретение также относится к способу охлаждения сжиженного газа для установки по производству энергии, в частности, на борту судна, с помощью устройства, описанного выше, отличающемуся тем, что он включает в себя
- этап А приемки сжиженного газа, содержащегося в указанной основной цистерне, причем указанный сжиженный газ принимается в указанной первой трубе при температуре приемки,
- этап B расширения указанного принятого газа до давления расширения, меньшего, чем давление насыщенных паров указанного принятого газа при указанной температуре приемки, так что часть указанного принятого газа испаряется из-за эффекта расширения, и оставшаяся часть указанного принятого газа остается жидкой и охлаждается до температуры, меньшей, чем указанная температура приемки, в частности потому, что указанный принятый газ охлаждается до температуры насыщения при указанном давлении расширения,
- этап C заполнения указанного первого барабана сжиженным газом, и сепарации в указанном барабане, в частности, под действием силы тяжести, указанного отпарного газа и указанного охлажденного сжиженного газа,
- этап D подачи в указанную установку по меньшей мере части указанного отпарного газа, содержащегося в указанном первом барабане, и
- этап E охлаждения сжиженного газа, содержащегося в указанной основной цистерне, с помощью охлажденного сжиженного газа, содержащегося в указанном первом барабане, чтобы охладить газ, содержащийся в указанной основной цистерне.
Давлением насыщенного пара является давление, при котором газовая фаза вещества находится в равновесии с его жидкой или твердой фазой при данной температуре в замкнутой системе.
Согласно настоящему изобретению, вместо того, чтобы использовать уменьшение давления и охлаждение в испарительной камере и теплообмен между этой испарительной камерой и сжиженным газом в барабане для охлаждения сжиженного газа, переливаемого в основную цистерну, используется мгновенное испарение в барабане, и в результате охлажденная жидкая среда возвращается в основную цистерну. Преимуществом этого является в первую очередь подавление пинч-эффекта при теплообмене между испарительной камерой и сжиженным газом из барабана.
Согласно одному варианту осуществления, принимаемый сжиженный газ состоит из чистого газа, например, метана. В этом случае сжиженный газ, циркулирующий в указанной первой трубе, может состоять из смеси, включающей в себя этот чистый газ, например, сжиженный природный газ, включающий метан.
Способ согласно настоящему изобретению может включать в себя один или более из следующих этапов или иметь один или более из следующих признаков, существующих отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:
- этап E включает в себя закачивание охлажденного сжиженного газа в указанную основную цистерну путем циркуляции его в указанной второй трубе с целью охлаждения сжиженного газа, содержащегося в указанной основной цистерне;
- способ включает в себя этап распыления капель охлажденного сжиженного газа в газ, содержащийся в указанной основной цистерне, который находится над уровнем сжиженного газа, содержащегося в основной цистерне,
- способ включает в себя этап сжатия газа, выходящего из указанного первого выпускного патрубка указанного первого барабана;
3
- давление в указанном первом барабане составляет от 120 до 950 мбар абс. включительно и/или давление в указанной основной цистерне составляет от 20 до 700 мбар изб. включительно, от 20 до 350 мбар изб. включительно, или от 20 до 250 мбар изб. включительно, в частности, для цистерны при атмосферном давлении, и при давлении до 10 мбар абс. для резервуара под давлением, и/или расширение приводит к испарению фракции от 0,94 до 15,18% включительно, и/или расход в первой трубе составляет от 18,09 до 374,7 т/ч включительно, и/или скорость производства охлажденного сжиженного газа в указанном первом барабане составляет от 15,35 до 371,6 т/ч включительно, и/или вспомогательная цистерна имеет внутренний объем или емкость от 1312 до 86037 м включительно, и/или температура охлажденного газа, после приемки сжиженного газ или газа естественной отпарки и охлаждения этого газа, составляет от -159 до -180,4 °С включительно, и/или испарение сжатого газа естественной отпарки приводит к испарению фракции от 81,63 до 100% включительно;
- способ включает в себя этап предварительного нагрева сжиженного газа, принимаемого в указанной основной цистерне, путем теплообмена с жидкой средой, циркулирующей в указанном первичном контуре, после расширения и перед закачкой указанного сжиженного газа, который может быть частично или полностью испарен, в указанный первый барабан;
- способ включает в себя этап предварительного охлаждения сжиженного газа, принимаемого в указанной основной цистерне, путем теплообмена с жидкой средой, циркулирующей в указанном вторичном контуре, перед его закачкой в указанную вспомогательную цистерну;
- способ включает в себя этап охлаждения газа, выходящего из указанного первого или второго компрессора, путем теплообмена с охлажденным сжиженным газом, содержащимся в указанной вспомогательной цистерне;
- способ включает в себя этап предварительного охлаждения газа, выходящего из указанного первого или второго компрессора, перед охлаждением в указанной вспомогательной цистерне путем теплообмена с газом естественной отпарки, принятом в указанной основной цистерне;
- способ включает в себя этап предварительного нагрева газа естественной отпарки, принятого в указанной основной цистерне, перед его сжатием с помощью указанного первого или второго компрессора;
- способ включает в себя этап снижения давления и/или температуры газа, предназначенного для подачи в указанный второй барабан, перед заполнением указанного второго барабана;
- способ включает в себя этап закачки охлажденного сжиженного газа в указанную основную цистерну посредством указанной второй трубы; эта закачка обеспечивает участие в охлаждении сжиженного газа, содержащегося в основной цистерне, чтобы ограничить производство отпарного газа (BOG);
- способ включает в себя этап транспортировки газа из указанного второго барабана в указанный второй компрессор; этот газ может использоваться в установке после сжатия.
Изобретение также относится к способу подачи топливного газа в установку по производству энергии, в частности, на борту судна, с помощью устройства, описанного выше, отличающемуся тем, что он включает в себя
- этап А приемки сжиженного газа, содержащегося в указанной основной цистерне, причем указанный сжиженный газ принимается в указанной первой трубе при температуре приемки,
- этап B расширения указанного принятого газа до давления расширения, меньшего, чем давление насыщенных паров указанного принятого газа при указанной температуре приемки, так что часть указанного принятого газа испаряется из-за эффекта расширения, а оставшаяся часть указанного принятого газа остается жидкой и охлаждается до температуры, меньшей, чем указанная температура приемки, в частности потому, что указанный принятый газ охлаждается до температуры насыщения при указанном давлении расширения,
- этап C заполнения указанного первого барабана и сепарации в указанном барабане, в частности, под действием силы тяжести, указанного сжиженного газа и указанного охлажденного сжиженного газа,
- этап F подачи во вспомогательную цистерну охлажденного сжиженного газа из указанного первого барабана и хранения охлажденного сжиженного газа в указанной вспомогательной цистерне,
- этап G приемки газа естественной отпарки в указанной основной цистерне и предварительного нагрева этого газа,
- этап Н сжатия как отпарного газа из указанного первого барабана, так и предварительно нагретого газа естественной отпарки,
- этап I подачи в указанную установку указанных сжатых газов.
Способ согласно настоящему изобретению может включать один или более из следующих этапов или иметь один или более из следующих признаков, существующих отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:
- этапы A, B, C и F осуществляются непрерывно;
- одновременно с этапами A, B, C и F, одновременно с этапом G, или одновременно с этапами А, В, С, F и G, способ включает в себя этап приемки охлажденного сжиженного газа из указанной вспомогательной цистерны и закачки этого газа в указанную основную цистерну для охлаждения сжиженного газа, содержащегося в этой основной цистерне;
- охлажденный сжиженный газ закачивается непосредственно в сжиженный газ и/или в отпарной газ в указанной основной цистерне.
Второй объект настоящего изобретения касается устройства для охлаждения газа естественной отпарки для установки по производству энергии, в частности, на борту судна,
отличающегося тем, что оно включает в себя
- необязательную основную цистерну для хранения сжиженного газа, включающую в себя первый выпускной патрубок для газа естественной отпарки,
- средство для принятия сжиженного газа в указанную основную цистерну и охлаждения этого сжиженного газа,
- вспомогательную цистерну для охлажденного сжиженного газа, выполненную с возможностью хранения сжиженного газа, охлаждаемого указанным средством охлаждения, и
- первый контур теплообмена, включающий в себя впускной патрубок, соединенный с указанным первым выпускным патрубком указанной основной цистерны с целью циркуляции газа естественной отпарки в указанном контуре, причем указанный первый контур выполнен с возможностью сообщения с указанной вспомогательной цистерной, чтобы указанный газ естественной отпарки, проходящий через указанный первый контур, охлаждался посредством сжиженного газа, охлажденного и хранящегося в указанной вспомогательной цистерне или поступающего из указанной вспомогательной цистерны.
Основная цистерна не является обязательной в том, что ее можно рассматривать или не рассматривать как составную часть устройства в соответствии с изобретением. Устройство может, например, поставляться без основной цистерны, которая, следовательно, не образует часть устройства. В альтернативном варианте, после монтажа на судне, например, устройство будет связано с основной цистерной, которая, таким образом, образует часть устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Решение, таким образом, предлагает улучшение в управлении отпарным газом (BOG) в устройстве, приспособленном к требованиям, предъявляемым к судну, путем охлаждения этого отпарного газа (BOG), и обеспечивает следующие возможности:
- ограничение производительности средства, используемого для охлаждения до минимума, необходимого для управления избыточным газом естественной отпарки (NBOG), вместо минимума, необходимого для управления максимальным производством NBOG,
- оптимизация степени использования этого средства, которое может использоваться непрерывно, причем источник холода, такой как охлажденный сжиженный газ, может находиться на хранении в случае необходимости,
- обеспечение того, что производимая мощность охлаждения используется должным образом, когда это необходимо.
Решение приспособлено к любому типу средства, которое используется для охлаждения жидкой среды. В данном случае жидкой средой является отпарной газ (BOG), поступающий из цистерны, охлаждающийся во вспомогательной цистерне и, наконец, возвращающийся в цистерну, где он будет находиться в охлажденном состоянии.
Устройство согласно настоящему изобретению может иметь один или более из следующих признаков, существующих отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:
- первый барабан сепарации, впускной патрубок которого соединен с выпускным патрубком указанного первого контура для подачи в указанный первый барабан охлажденного газа естественной отпарки и повторно конденсированного газа естественной отпарки, образующего охлажденный сжиженный газ, при этом первый барабан включает в себя первый выпускной патрубок газа естественной отпарки и второй выпускной патрубок охлажденного сжиженного газа, соединенный с указанной основной цистерной, для закачки охлажденного сжиженного газа в указанную основную цистерну;
- указанная вторая цистерна выполнена с возможностью хранения охлажденного сжиженного газа при давлении большем, чем рабочее давление указанного первого барабана;
- устройство включает в себя по меньшей мере один первый компрессор, впускной патрубок которого соединен с указанным первым выпускным патрубком газа естественной отпарки из указанной основной цистерны и/или с указанным первым выпускным патрубком газа естественной отпарки из указанного первого барабана;
- указанное средство охлаждения включает в себя второй контур теплообмена, который предназначен для обмена теплом со сжиженным газом в указанной вспомогательной цистерне или поступающим из указанной вспомогательной цистерны, и в котором охлаждающая жидкая среда циркулирует для охлаждения указанного сжиженного газа так, что охлажденный сжиженный газ производится непосредственно в указанной вспомогательной цистерне, и для производства охлажденного сжиженного газа;
- указанное средство охлаждения включает в себя
♣ второй барабан, впускной патрубок которого соединен с первым концом первой трубы, второй конец которой погружен в сжиженный газ, содержащийся в указанной основной цистерне, причем указанная первая труба выполнена с возможностью подачи в указанный второй барабан сжиженного газа, а также
♣ вторую трубу, первый конец которой соединен с первым выпускным патрубком охлажденного сжиженного газа указанного второго барабана, и второй конец которой соединен с указанной вспомогательной цистерной для подачи в указанную вспомогательную цистерну охлажденного сжиженного газа;
- указанный второй барабан является барабаном сепарации и/или расширительным барабаном;
- устройство включает в себя первый теплообменник, первичный контур которого имеет впускной патрубок, соединенный с выпускным патрубком сжиженного газа указанной основной цистерны, а вторичный контур имеет впускной патрубок, соединенный с указанной первой трубой, и выпускной патрубок, соединенный с впускным патрубком указанного второго барабана;
- указанный второй теплообменник не погружается в сжиженный газ в указанной основной цистерне и не устанавливается в основной цистерне;
- выпускной патрубок первичного контура указанного второго теплообменника соединен с впускным патрубком указанной вспомогательной цистерны для подачи в указанную вспомогательную цистерну охлажденного сжиженного газа;
- устройство не содержит каких-либо компонентов, кроме насосов и/или труб, погруженных в сжиженный газ, содержащийся в указанной основной цистерне;
- указанный впускной патрубок указанного первичного контура соединен с выпускным патрубком третьего насоса, предназначенного для погружения в сжиженный газ в указанной основной цистерне;
- устройство включает в себя
♣ первый насос, соединенный с указанным вторым концом указанной первой трубы и предназначенный для погружения в указанный сжиженный газ, содержащийся в указанной основной цистерне таким образом, чтобы обеспечить циркуляцию сжиженного газа через указанную первую трубу от указанной основной цистерны до указанного второго барабана, и
♣ второй насос, соединенный с указанной второй трубой таким образом, чтобы обеспечить циркуляцию охлажденного сжиженного газа из указанного второго барабана в указанную вспомогательную цистерну.
- указанная первая труба включает в себя указанное средство испарения;
- устройство включает в себя по меньшей мере один второй компрессор, впускной патрубок которого соединен с указанным первым выпускным патрубком газа естественной отпарки указанной основной цистерны;
- указанный второй компрессор содержит выпускной патрубок, соединенный с указанным впускным патрубком указанного первого контура;
- указанный впускной патрубок указанного второго компрессора далее соединяется со вторым выпускным патрубком газа указанного второго барабана и/или со вторым выпускным патрубком газа указанного первого барабана;
- указанный впускной патрубок указанного второго компрессора соединяется с выпускным патрубком указанного первого компрессора;
- указанный первый или второй компрессор включает в себя выпускной патрубок, выполненный с возможностью подачи топливного газа, в частности, в указанную установку;
- указанный впускной патрубок указанного первого контура соединен с указанным выпускным патрубком указанного первого или второго компрессора посредством первичного контура второго теплообменника, причем указанный второй теплообменник содержит вторичный контур, впускной патрубок которого соединен с указанным первым выпускным патрубком газа естественной отпарки из указанной основной цистерны, и выпускной патрубок которого соединен с впускным патрубком указанного первого или второго компрессора;
- указанная вспомогательная цистерна соединена с первым концом третьей трубы охлажденного сжиженного газа, второй конец которой предназначен для соединения с указанной основной цистерной, причем указанная третья труба выполнена с возможностью транспортировки по меньшей мере части указанного охлажденного сжиженного газа из указанной вспомогательной цистерны в указанную основную цистерну;
- указанная третья труба включает в себя погружную трубу, предназначенную для погружения в сжиженный газ, содержащийся в указанной основной цистерне, и/или распылительный коллектор в указанной основной цистерне для закачки охлажденного сжиженного газа в указанную основную цистерну;
- указанный впускной патрубок указанного первого контура соединен с указанным выпускным патрубком по меньшей мере одного компрессора, например, первого или второго указанного компрессора, посредством первичного контура второго теплообменника, причем указанный второй теплообменник включает в себя вторичный контур, впускной патрубок которого соединен с указанным выпускным патрубком газа естественной отпарки из указанной основной цистерны, и выпускной патрубок которого соединен с впускным патрубком указанного первого или второго компрессора; теплообмен, следовательно, происходит заранее (теплообмен должен происходить заранее, так как газ естественной отпарки менее холодный, чем охлажденный сжиженный газ) между всем объемом газа естественной отпарки (в том числе части, подаваемой в установку) и сжатой частью этого газа естественной отпарки (излишек от потребления установкой, который повторно конденсируется);
- устройство не содержит каких-либо компонентов, кроме насосов и/или труб, погруженных в сжиженный природный газ, содержащийся в указанной основной цистерне.
Полезные эффекты и преимущества, описанные выше в связи с особенностями устройства в соответствии с первым объектом настоящего изобретения, естественно, применимы к тем же особенностям устройства в соответствии со вторым объектом, и наоборот.
Настоящее изобретение также относится к судам, в частности, для транспортировки сжиженного газа, и включает в себя по меньшей мере одно устройство, как описано выше.
Способ согласно настоящему изобретению может включать один или более из следующих этапов и иметь один или более из следующих признаков, существующих отдельно друг от друга или в сочетании друг с другом:
-  способ включает в себя
♣ этап сжатия газа из указанного первого выпускного патрубка указанной основной цистерны, и/или
♣ этап сжатия газа из указанного второго выпускного патрубка указанного первого барабана, и/или
♣ этап сжатия газа из указанного второго выпускного патрубка указанного второго барабана;
- способ включает в себя этап предварительного охлаждения сжатого газа перед его охлаждением в указанной вспомогательной цистерне путем теплообмена с газом естественной отпарки, принимаемом в указанной основной цистерне и циркулирующим в указанном вторичном контуре указанного второго теплообменника;
- способ включает в себя этап предварительного нагрева газа естественной отпарки, принимаемого в указанной основной цистерне, путем теплообмена с жидкой средой, циркулирующей в указанном первичном контуре указанного второго теплообменника перед сжатием этого газа;
- способ включает в себя этап охлаждения сжиженного газа, содержащегося в указанной вспомогательной цистерне;
- способ включает в себя этап расширения сжиженного газа таким образом, что часть указанного газа испаряется за счет эффекта расширения, а остальная часть указанного газа остается в жидком состоянии и охлаждается;
- способ включает в себя этап заполнения указанного второго барабана и сепарации в указанном первом барабане, в частности, под действием силы тяжести, указанного испаренного газа от указанного охлажденного сжиженного газа;
- способ включает в себя этап подачи в указанную вспомогательную цистерну охлажденного сжиженного газа;
- способ включает в себя этап предварительного нагрева сжиженного газа, принимаемого в указанной основной цистерне, путем теплообмена с жидкой средой, циркулирующей в указанном первичном контуре указанного первого теплообменника после расширения и перед закачкой указанного сжиженного газа в указанный второй барабан;
- способ включает в себя этап охлаждения сжиженного газа, принимаемого в указанной основной цистерне, путем теплообмена с жидкой средой, циркулирующей в указанном вторичном контуре указанного первого теплообменника перед его закачкой в указанную вспомогательную цистерну.
Полезные эффекты и преимущества, описанные выше в связи с особенностями и этапами способа в соответствии с первым объектом настоящего изобретения, естественно, применимы к тем же особенностям и этапам способа в соответствии со вторым объектом, и наоборот.
Изобретение также относится к способу охлаждения сжиженного газа и/или газа от испарения сжиженного газа для установки по производству энергии, в частности, на борту судна, с помощью устройства, описанного выше, отличающемуся тем, что он включает в себя
- этап А подготовки охлажденного сжиженного газа в указанной вспомогательной цистерне,
- этап B принятия охлажденного сжиженного газа в указанной вспомогательной цистерне,
- этап С закачки указанного охлажденного сжиженного газа в указанный отпарной газ и/или в указанный сжиженный газ, содержащийся в основной цистерне.
Изобретение также относится к способу подачи топливного газа в установку по производству энергии, в частности, на борту судна, с помощью устройства, описанного выше, отличающемуся тем, что он включает в себя наблюдение по меньшей мере за одним параметром потребления газа указанной установкой, и
- если значение указанного параметра выше заданного порогового значения, этап подготовки и хранения охлажденного сжиженного газа, в частности, в указанной вспомогательной цистерне,
если значение указанного параметра ниже заданного порогового значения, этап повторной конденсации газа естественной отпарки, производимого в избытке в указанной основной цистерне.
Способ может включать в себя этап охлаждения газа, содержащегося в указанной основной цистерне, с использованием указанного охлажденного сжиженного газа, чтобы ограничить производство газа естественной отпарки.
Заданное пороговое значение может изменяться, например, во время рейса судна. С функциональной точки зрения, это пороговое значение может соответствовать объему газа естественной отпарки (NBOG), который должен быть выведен из основной цистерны, чтобы устранить необходимость контроля давления в последнем.
Предпочтительно, охлажденный сжиженный газ готовится, если производство газа естественной отпарки является недостаточным для удовлетворения потребности в газе указанной установки.
Сжиженный газ предпочтительно охлаждается путем принятия, расширения и сепарации фаз сжиженного газа, содержащегося в указанной основной цистерне.
Естественная отпарка может быть замедлена рядом способов: путем перекачки охлажденного сжиженного газа в цистерну (например, посредством коллектора для распыления охлажденного сжиженного газа в цистерне или путем простой перекачки в основную цистерну), или с помощью обмена холодом (то есть с помощью теплообменника) между газом естественной отпарки и охлажденным газом, что позволяет осуществлять повторную конденсацию газа естественной отпарки (возможно, с возвращением в цистерну).
Тот факт, что сжиженный газ переохлаждается, позволяет не создавать отпарной газ, если требуется замедлить естественную отпарку. Хранение позволяет снизить высокие требования к повторной конденсации посредством вспомогательной цистерны ограниченной емкости без использования очень затратного блока сжижения  , стоимость которого зависит от его емкости.
В альтернативном варианте охлажденный газ хранится в основной цистерне для конденсации газа естественной отпарки в этой цистерне, в частности, если доступное количество газа естественной отпарки в этой цистерне превышает потребности установки. Охлажденный газ имеет более высокую плотность, чем остальная часть газа в основной цистерне, поэтому необходимо, например, для охлаждения/повторной конденсации газа естественной отпарки из сжиженного газа в нижней части основной цистерны, например, ниже выпускного патрубка для жидкой среды или теплообменника. В этом месте может быть предусмотрен теплообменник, например, или труба, предназначенная для подачи в этом месте хранящегося охлажденного газа в теплообменник (расположенный, например, снаружи цистерны) с газом естественной отпарки.
Это является преимуществом, если
- указанный газ естественной отпарки конденсируется путем теплообмена с указанным охлажденным сжиженным газом, и/или
- указанный газ естественной отпарки сжимается перед указанным теплообменом, и/или
- указанный газ естественной отпарки подвергается ослаблению давления после указанного теплообмена, и/или
- указанный газ естественной отпарки подвергается сепарации фаз после указанного ослабления давления.
Особенности и этапы устройства и способа согласно первому объекту настоящего изобретения могут быть объединены с таковыми особенностями и этапами устройства и способа согласно второму объекту, и наоборот.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Изобретение будет лучше понято, а другие подробности, особенности и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными при прочтении следующего описания, приведенного в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг.1 представляет собой схематическое изображение устройства в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, на котором устройство установлено на судне,
- фиг. 2 – 6 представляют собой схематичные изображения, соответствующие фиг.1, иллюстрирующие этапы способа по изобретению,
- фиг. 7 представляет собой схематическое изображение устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, на которых устройство установлено на судне,
- фиг. 8 представляет собой схематическое изображение устройства в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, на котором устройство установлено на судне,
- фиг. 9 и 10 представляют собой схематические изображения устройства в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения, на которых устройство установлено на судне, иллюстрирующие этапы способа по изобретению,
- фиг. 11 представляет собой схематическое изображение устройства в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения, на котором устройство установлено на судне,
- фиг. 12 представляет собой схематическое изображение устройства в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения, на котором устройство установлено на судне,
- фиг. 13 представляет собой схематическое изображение устройства в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения, на котором устройство установлено на судне.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показано устройство 10 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, осуществляющее охлаждение сжиженного газа и/или охлаждение газа естественной отпарки из сжиженного газа.
Устройство 10 подходит, в частности, но не исключительно, для подачи топливного газа на судне, например, судне для транспортировки сжиженного газа. Устройство 10, таким образом, может использоваться для подачи топливного газа в установку 12 по производству энергии, в частности, на борту судна.
3
Судно включает в себя цистерну 14 или множество цистерн 14 для хранения сжиженного газа. Газом является, например, метан или газовая смесь, содержащая метан. Эта цистерна 14 или каждая из цистерн 14 может содержать газ в сжиженном виде при заданном давлении и заданной температуре, например, при атмосферном давлении и температуре порядка -160 °C. Одна или более цистерн 14 судна могут быть подключены к установке 12 посредством устройства 10 по изобретению. Таким образом, число цистерн не ограничивает изобретение. Оно составляет, например, число от 1 до 6. Емкость каждой цистерны 14 может составлять от 1000 до 50 000 м.
В дальнейшем термин «цистерна» следует интерпретировать как «эта или каждая цистерна».
Цистерна 14 содержит сжиженный газ 14а и газ 14b, получаемый в результате отпарки, в частности естественной отпарки, сжиженного газа 14а в цистерне 14. Сжиженный газ 14a естественным образом хранится в нижней части цистерны 14, в то время как отпарной газ 14b располагается выше уровня сжиженного газа в цистерне, схематически представленного буквой N.
В дальнейшем «LNG» означает сжиженный газ, то есть газ в жидком виде, «BOG» обозначает отпарной газ, «NBOG» обозначает газ естественной отпарки, и «FBOG» означает газ принудительной отпарки. Эти сокращения известны специалистам в данной области, так как они соответствуют первым буквам соответствующих английских слов.
В варианте осуществления, представленном на фиг. 1, насосы 16а, 16b погружены в LNG в цистерне 14 и предпочтительно расположены в нижней части цистерны для обеспечения подачи в них только LNG.
Здесь представлены два насоса 16a, 16b. Насос 16а соединен с одним концом, здесь нижним концом, трубы 18. Насос 16b соединен с одним концом, здесь нижним концом, трубы 20. В альтернативном варианте может быть предусмотрено больше насосов каждого типа, например, для обеспечения резервирования насосов 16а и 16b, или для использования существующих насосов, например, насосов для распыления, уже присутствующих на судне (в этом случае функция насоса 16b  может выполняться четырьмя насосами для распыления, каждый из которых присутствует в одной из четырех отдельных цистерн).
Верхний конец трубы 20 соединен с коллектором 22 для распыления капель LNG, расположенным в верхней части цистерны 14, выше уровня N. Коллектор 22, таким образом, выполнен с возможностью распыления капель LNG в NBOG. Это делает возможной принудительную повторную конденсацию NBOG в цистерне 14. Насос 16b выполнен с возможностью обеспечения циркуляции LNG в трубе 20 от нижней части цистерны 14 к коллектору 22 и обеспечения распыления LNG в виде капель. На практике, в основной цистерне может присутствовать газовая атмосфера, в то время как NBOG может циркулировать в трубах.
Насос 16а выполнен с возможностью обеспечения циркуляции LNG в трубе 18 от нижней части цистерны 14 к барабану 24, соединенному с одним концом, например, верхним концом, трубы 18. Труба 18 включает в себя средство 19 снижения давления, например, дроссельный клапан для уменьшения давления LNG, циркулирующего в трубе 18, до достижения барабана 24. Средство 19 предпочтительно выполнено таким образом, что давление LNG, циркулирующего в трубе 18, снижается до рабочего давления барабана 24. Средство 19 включает в себя, например, дроссельный клапан (как описано ниже).
Циркуляция LNG в трубе 18 и через средство 19 снижения давления, таким образом, приводит к по меньшей мере частичному испарению LNG перед подачей в барабан 24.
Барабан 24, таким образом, предназначен для получения частично испаренного LNG, поступающего из цистерны 14. Рабочее давление внутри барабана 24 меньше, чем давление, при котором LNG хранится в цистерне 14. Подача в барабан 24 LNG может привести к дополнительному испарению LNG, что отражается, с одной стороны, в производстве FBOG в барабане 24 и охлаждении LNG, оставшегося в барабане, который называется «охлажденный сжиженный газ». Барабан 24 содержит газ в сжиженном виде при заданном давлении и заданной температуре.
Барабан 24, следовательно, содержит охлажденный сжиженный газ 24а и газ 24b, получившийся в результате испарения, т.е. принудительной отпарки, сжиженного газа 14а, поступающего из цистерны 14. Охлажденный сжиженный газ (LNGs) 24а хранится в нижней части барабана 24, а отпарной газ (или FBOG) 24b расположен ниже уровня сжиженного газа в барабане 24, схематически представленного буквой L.
Барабан 24 имеет три патрубка для передачи текучей среды, а именно впускной патрубок LNG, соединенный с трубой 18, выпускной патрубок FBOG и выпускной патрубок LNGs.
Выпускной патрубок FBOG соединен с впускным патрубком компрессора 26, выпускной патрубок которого соединен с компрессором 28. Компрессоры 26, 28 могут быть двумя независимыми компрессорами или двумя ступенями сжатия одного и того же компрессора. Компрессоры 26, 28, следовательно, могут быть объединены.
Здесь компрессор 26 используется для создания рабочего давления внутри барабана 24. Поэтому он выполнен с возможностью снижения давления в барабане 24 по отношению к цистерне 14. Разности давлений между ними может быть достаточно для принудительной циркуляции LNG из цистерны в барабан 24. В этом случае ясно, что насос 16а не является обязательным. Условия, создаваемые в барабане 24 с помощью компрессора 26, предназначены для производства LNGs в расширительном барабане.
Если количество LNGs в барабане 24 слишком велико и есть риск достижения порогового уровня, LNGs может быть перекачан из выпускного патрубка LNGs барабана 24 во впускной патрубок LNGs вспомогательной цистерны 30.
Здесь барабан 24 и вспомогательная цистерна 30 соединены трубой 31, включающей в себя, например, клапан 33 и насос 35. Насос 35 выполнен с возможностью создания циркуляции LNGs из барабана 24 во вспомогательную цистерну 30. Насос 35 особенно полезен, когда цистерна 30 находится при более высоком давлении, чем барабан 24. Вспомогательная цистерна 30 содержит LNGs при заданном давлении и заданной температуре.
Вспомогательная цистерна 30 выполнена с возможностью хранения избыточного LNGs, произведенного в барабане 24. Цистерна 30, следовательно, содержит охлажденный сжиженный газ 30а и газ 30b, получившийся в результате испарения, в данном случае естественной отпарки, сжиженного газа 14а, поступающего из цистерны 14. Охлажденный сжиженный газ (или LNGs) 30a хранится в нижней части вспомогательной цистерны 30, в то время как отпарной газ 30b расположен выше уровня сжиженного газа в этой цистерне, схематически представленного буквой М.
Вспомогательная цистерна 30 имеет выпускной патрубок LNGs. В показанном примере выпускной патрубок соединен трубой 32, с одной стороны, c распылительным коллектором 22 цистерны 14 или каждой из цистерн 14, а с другой стороны, с погружной трубой 34, предназначенной для погружения в LNG в цистерне. Таким образом, ясно, что LNGs может подаваться в распылительный коллектор 22 для распыления капель LNGs в BOG в цистерне 14 и LNGs может подаваться в погружную трубу 34 для перекачки LNGs непосредственно в LNG в цистерне 14.
Труба 32 может быть соединена с выпускным патрубком LNGs вспомогательной цистерны 30 посредством клапана 36. Труба может быть соединена с погружной трубой 34 и коллектором 22 посредством трехлинейного клапана 38.
Здесь вспомогательная цистерна 30 используется для охлаждения текучей среды, такой как газ или жидкость, каковой средой в данном случае является BOG из основной цистерны 14. Здесь контур 40 теплообменника связан со вспомогательной цистерной 30. Здесь термин «связан» следует понимать в широком смысле, поскольку контур 40 может быть, например, змеевиком, погруженным в LNGs, содержащийся во вспомогательной цистерне 30. Контур 40 может в альтернативном варианте быть расположен снаружи цистерны 30. Контур 40 выполнен таким образом, что теплообмен происходит между жидкой средой, циркулирующей в контуре 40, и LNGs, содержащимся во вспомогательной цистерне 30. Жидкая среда, циркулирующая в контуре 40, как правило, является более горячей, чем LNGs, который, следовательно, охлаждает жидкую среду, когда она не циркулирует в контуре 40. Контур имеет впускной и выпускной патрубки.
Впускной патрубок контура 40 соединен с выпускным патрубком 45 BOG основной цистерны 14, который здесь находится на верхнем конце цистерны. Выпускной патрубок 45 BOG из цистерны 14 соединен с впускным патрубком вторичного контура 42a теплообменника 42, выпускной патрубок которого соединен с впускным патрубком или с впускным патрубком компрессора 28.
Выпускной патрубок компрессора 28, в основном, соединен с установкой 12 для снабжения ее топливным газом. Часть топливного газа, выходящего из компрессора 28, может быть принято и перенаправлено через трубу 44, которая может быть соединена с выпускным патрубком компрессора 28 посредством трехлинейного клапана 46.
Компрессор 28 выполнен с возможностью сжатия газа (например, NBOG из цистерны) до рабочего давления, подходящего для его использования в установке 12.
Труба 44 соединена с впускным патрубком первичного контура 42b теплообменника 42, выпускной патрубок которого соединен с впускным патрубком контура 40.
Выпускной патрубок контура 40 соединен посредством трубы 48 с барабаном 50, отделенным от барабана 24. Труба 48 содержит клапан 52, который предпочтительно представляет собой клапан Джоуля-Томсона, чтобы снизить температуру газа путем адиабатического расширения.
Расширение Джоуля-Томсона происходит медленно, представляя собой стационарное ламинарное расширение, которое вызывается прохождением потока газа через пробку (как правило, из ваты или шелка-сырца) в теплоизолированную и горизонтальную трубу, причем давление слева и справа от пробки отличается. Для реальных газов расширение Джоуля-Томсона, как правило, сопровождается изменением температуры: это эффект Джоуля-Томсона. Теплообменник 42, контур 40 и клапан 52 охлаждают и частично (повторно) конденсируют BOG.
Барабан 50 предназначен для отделения BOG 50b, который остался в газообразной форме, от (повторно) конденсированного BOG 50а перед подачей в цистерну 14 с (повторно) конденсированным BOG. Повторно конденсированный BOG 50а естественным образом хранится в нижней части барабана 50, а отпарной газ (или BOG) 50b расположен ниже уровня сжиженного газа в барабане 50, схематически представленного буквой О.
Барабан 50 включает в себя три патрубка для передачи текучей среды, а именно впускной патрубок BOG, соединенный с трубой 48, выпускной патрубок газообразного BOG и выпускной патрубок (повторно) конденсированного BOG. Здесь выпускной патрубок газообразного BOG соединен с впускным патрубком компрессора 28. Здесь выпускной патрубок (повторно) конденсированного BOG соединен с погружной трубой 34, трубой 32 и/или распылительным коллектором 22 для перекачки (повторно) конденсированного BOG в цистерну 14.
Средство вакуумного испарения, образованное насосом 16а, средство 19 снижения давления, барабан 24 и компрессор 26 позволяют использовать скрытое тепло испарения, которое, как правило, затрачивается в известном уровне техники на получение FBOG и мощности охлаждения, которая используется, в частности, для охлаждения LNG, содержащегося в основной цистерне 14.
LNGs создает мощность охлаждения, которая может быть сохранена во вспомогательной цистерне 30, когда она не требуется, например, во время фаз, при которых количество произведенного NBOG является недостаточным для удовлетворения потребности.
Скрытое тепло испарения используется благодаря описанному выше устройству 10, и, в частности, барабану 24, рабочее давление которого меньше, чем в цистерне 14, и которое, например, составляет от   -20 до 250 мбар изб. включительно (избыточного давления) (или от -20 до 350 мбар. изб. или от -20 до 700 мбар. изб.). Рабочее давление барабана 24 предпочтительно составляет от 300 до 800 мбар абс. (абсолютного давления) включительно.
LNG, поступающий из цистерны 14 в равновесии насыщения, соответствующем давлению, при котором LNG хранится в цистерне 14, направляется в барабан 24, который находится при более низком давлении, чем цистерна 14. Следовательно, этот LNG находится в перегретом состоянии, и когда его давление снижается с помощью средства 19, для достижения равновесия насыщения, он высвобождает избыток тепла путем испарения. LNG затем разделяется на LNGs и FBOG внутри барабана 24 в пропорциях, которые зависят, в частности, от рабочего давления барабана 24.
Например, при рабочем давлении 300 мбар абс. объем испарения LNG, подаваемого в барабан 24, находится в диапазоне от 9,5 до 10% включительно. При 800 мбар абс., этот объем составляет от 2,3 до 3% включительно. Оставшаяся часть представляет собой жидкость, охлажденную до температуры, соответствующей равновесию насыщения при рабочем давлении барабана 24. Например, при рабочем давлении 300 мбар абс. LNG охлаждается до температуры от -172 до -175 °C (снижение температуры от -12 до -15 °С), а при 800 мбар абс. LNG охлаждается до температуры от -163 до -164 °С (снижение температуры от -3 до -4 °С).
LNGs может затем откачиваться посредством насоса 35, предпочтительно во вспомогательную цистерну 30. Насос 35 может использоваться для увеличения давления LNGs. Хранение LNGs во вспомогательной цистерне 30 позволяет сохранить теплотворную способность.
В процессе работы испаряющаяся часть LNG, подаваемого на барабан 24, будет накапливаться в этом барабане. Для доведения давления в барабане 24 до заданного значения (например, от 300 до 800 мбар абс.) FBOG, производимый в барабане 24, предпочтительно извлекается непрерывно. Это осуществляется с помощью компрессора 26, который выполнен с возможностью всасывания газа, содержащегося в барабане 24, с давлением на входе, соответствующим рабочему давлению барабана 24, и давлением на выходе, которое, например, соответствует давлению, при котором LNG хранится в цистерне 14. Газ, обработанный таким образом, затем легко использовать, поскольку он находится под давлением, аналогичным давлению NBOG, производимого в цистерне 14, и NBOG может подаваться на один и тот же компрессор 28. Этот компрессор 28 выполнен с возможностью получения топливного газа, непосредственно используемого в установке 12, например, для питания двигательной установки судна.
С помощью устройства 10, описанного выше, для потребления газа установкой 12 NBOG, производимый в цистерне 14, направляется в компрессор 28, который сжимает его до требуемого давления. Дополнительный BOG, необходимый для удовлетворения потребности, производится путем принудительного испарения LNG, подаваемого на барабан 24, а затем последовательно подаваемого на компрессоры 26 и 28. Насос 16а может оказаться необходимым для подачи в барабан 24 LNG из цистерны 14, в частности, если высота цистерны или уровень N составляет от 10 до 50 м включительно — в этом случае снижение давления в барабане 24 само по себе может оказаться недостаточным для пассивной циркуляции LNG в трубе 18.
Поэтому в барабан 24 должен подаваться  достаточный объем LNG, чтобы в сочетании с NBOG удовлетворять потребность в топливном газе установки 12. Например, дополнительный объем FBOG, который производится в барабане 24, может находиться в пределах от 0 до 4000 кг/ч включительно. Следовательно, в зависимости от состава LNG и рабочего давления барабана 24, поток из цистерны 14 в барабан 24 может находиться в диапазоне от 0 до 17,5 т/ч включительно.
LNGs, производимый в барабане 24, хранится во вспомогательной цистерне 30. Цистерна 30 выполнена с возможностью хранения и сохранения LNGs, и поэтому предпочтительно должна быть термически изолирована. Давление во вспомогательной цистерне 30, например, составляет от 0,3 до 10 бар абс. включительно для обеспечения гибкости в управлении давлением. Температура LNGs в цистерне 30 находится близка к температуре LNGs в барабане 24, и составляет, например, от       -175 до -161 °С включительно. При необходимости, например, во время фаз с избыточным NBOG, LNGs, содержащийся во вспомогательной цистерне 30, может быть направлен в трубе 32 к раме 22 с форсунками для распыления капель LNGs в BOG, содержащийся в цистерне 14 и, таким образом, для охлаждения BOG. Он также может быть закачан через погружную трубу 34 в LNG в цистерне для непосредственного охлаждения LNG.
Избыток произведенного NBOG по отношению к потребностям установки 12 откачивается и отправляется в компрессор 28. Затем он перенаправляется через клапан 46 в контур 40 вспомогательной цистерны 30, в которой он охлаждается за счет теплообмена с ранее сохраненным LNGs, как объяснено выше. Избыток NBOG затем направляется на клапан 52, посредством которого его давление снижается до давления, близкого к давлению хранения в цистерне 14. Например, если цистерна представляет собой цистерну при атмосферном давлении, давление избыточного NBOG может быть снижено до давления от 0 до 1 бар. Избыток NBOG затем поступает в барабан 50, где он подвергается сепарации фаз на (повторно) конденсированный BOG и газообразный BOG. Газообразный BOG направляется по трубе 51 в компрессор 28 в тех же условиях, что и NBOG, который производится в цистерне 14. Что касается (повторно) конденсированного BOG, он закачивается в цистерну 14 для хранения LNG.
На фиг. 2 – 6 показаны этапы работы устройства по фиг.1, которые могут соответствовать этапам работы судна, оборудованного этим устройством.
Способ охлаждения сжиженного газа описан здесь в трех этапах:
1. Этап, на котором количества NBOG недостаточно, также называемый этапом FBOG (фиг. 2 и 3), например, если судно плывет со скоростью, требующей большего количества BOG, добавляемого к NBOG, производимому в цистерне или цистернах 14. Дополнительный BOG или FBOG будет подаваться посредством устройства 10 и будет создаваться мощность охлаждения.
2. Этап, на котором производится избыток NBOG (фиг. 4 и 5), к примеру, если судно плывет на низкой скорости или стоит на якоре, избыток NBOG требуется утилизировать безопасным и экологически чистым способом.
3. Этап, на котором основная цистерна 14 судна охлаждается (фиг. 6), например, перед загрузкой после обратного рейса (в течение которого в управлении BOG, как правило, нет необходимости, так как цистерна или цистерны 14 практически пусты).
1. Этап, на котором количества NBOG недостаточно, также называемый этапом FBOG (фиг. 2 и 3)
На фиг. 2 показаны шаги первого этапа, на котором FBOG и LNGs производятся устройством совместно.
мгновенное
Для контроля давления в цистерне 14 NBOG откачивается из этой цистерны через выпускной патрубок 45, а затем подается на компрессор 28, который будет производить топливный газ с давлением, приемлемым для установки 12, например, порядка 6-7 бар, 15-17 бар или 300-315 бар. Чтобы пополнить количество газа и для удовлетворения потребностей установки 12, LNG из цистерны 14 направляется с помощью насоса 16а и трубы 18 к средству 19 снижения давления, в котором давление LNG сводится к рабочему давлению барабана 24. LNG достигает барабана 24 при рабочем давлении этого барабана и, благодаря смещению равновесия насыщения, вызванному разностями давлений между барабаном 24 и цистерной 14, часть LNG испаряется (это  явление) между средством 19 снижения давления и барабаном, а остальная часть охлаждается до температуры насыщения LNG при рабочем давлении барабана. Из цистерны 14 должен быть взят достаточный объем, как объяснено выше. FBOG, содержащийся в барабане 24 затем откачивается и сжимается с помощью компрессора 26 до давления, при котором LNG хранится в цистерне 14. FBOG затем сжимается снова с помощью компрессора 28 до давления, необходимого для установки 12. Чтобы не переполнить барабан 24, LNGs из этого барабана направляется во вспомогательную цистерну 30, в частности, если уровень заполнения барабана LNGs достигает определенного порогового уровня, например, 50%.
На фиг. 3 показаны другие шаги первого этапа, при которых LNGs поступает на хранение во вспомогательную цистерну 30.
Если емкость вспомогательной цистерны 30 не является достаточной для хранения произведенного LNGs, то LNGs, содержащийся в цистерне 30, может быть перекачан в нижнюю часть цистерны 14 через трубу 32 и погружную трубу 34 для охлаждения LNG в цистерне 14 до температуры ниже температуры насыщения LNG при давлении хранения в цистерне 14.
2. Этап, на котором производится избыток NBOG (цифры 4 и 5)
На фиг. 4 показаны шаги второго этапа, при которых избыток BOG повторно конденсируется.
NBOG, производимый в цистерне 14, производится в достаточном или более чем достаточном количестве для удовлетворения потребности в газе установки 12. Для регулирования давления в цистерне 14 BOG откачивается из этой цистерны и подается в компрессор 28 для достижения давления, необходимого для установки 12. Избыток BOG, который не может быть потреблен установкой, направляется из выпускного патрубка компрессора 28 в теплообменник 42, в котором он охлаждается посредством теплообмена с холодным NBOG, принимаемым непосредственно из цистерны 14 через выпускной патрубок 45. Избыток BOG затем направляется в контур 40 вспомогательной цистерны 30, где он снова охлаждается путем теплообмена с LNGs, хранящимся в этой цистерне, как объяснено выше. Избыток BOG затем подвергается снижению давления посредством клапана 52 и подается в барабан 50, где BOG (повторно) конденсируется с помощью теплообменника 42, контура 40 и клапана 52 и отделяется от газообразного BOG. Оставшийся газообразный BOG возвращается в компрессор 28 для подачи в установку 12.
На фиг. 5 показаны шаги второго этапа, при которых распыляется LNGs.
Вместо повторной конденсации избыточного NBOG посредством специальной линии, можно передать LNGs, содержащийся во вспомогательной цистерне 30, в трубу 32, а затем в распылительный коллектор 22, чтобы непосредственно выполнить повторную конденсацию BOG, содержащегося в цистерне 14.
3. Этап, на котором охлаждается основная цистерна судна (фиг. 6)
На фиг. 6 показаны шаги заключительного этапа.
мгновенное испарение
В терминалах повторного сжижения, где судно загружает свой груз, как правило, требуется низкая температура в цистерне 14 перед загрузкой, чтобы ограничить количество LNG, который будет мгновенно испаряться (). Как правило, это достигается с помощью коллектора 22 и связанного с ним насоса 16b для распыления LNG, уже содержащегося в цистерне 14, для охлаждения BOG в этой цистерне. Благодаря устройству 10, эта операция может быть осуществлена путем подачи в коллектор 22 LNGs из вспомогательной цистерны 30 и, следовательно, более холодного газа, чем LNG, который содержится в цистерне 14. Таким же образом, если количество BOG, содержащегося в цистерне 14, не является достаточным для подачи в установку 12, LNGs, содержащийся во вспомогательной цистерне 30, может производиться таким же образом, как и во время первого этапа.
Фиг.7 представляет собой вариант осуществления устройства, который отличается от показанного на фиг.1 в том, что он включает в себя еще один теплообменник 60. Теплообменник 60 включает в себя два контура, а именно первичный контур 60а и вторичный контур 60b.
Вторичный контур 60b имеет впускной патрубок, соединенный с трубой 18, в данном случае расположенный ниже по потоку от средства 19 снижения давления. Вторичный контур 60b имеет выпускной патрубок, соединенный с впускным патрубком LNG барабана 24.
Первичный контур 60а имеет впускной патрубок, соединенный посредством трехлинейного клапана 62, соответственно, к насосу 16b и к распылительному коллектору 22 цистерны 14. Первичный контур 60a имеет выпускной патрубок, соединенный с впускным патрубком LNG вспомогательной цистерны 30.
Вторичный контур 60b является холодным контуром. Жидкая среда, циркулирующая в этом контуре, и в данном случае LNG пониженного давления, предназначена для нагрева за счет циркуляции в этом контуре для его испарения (в результате чего производится FBOG). Первичный контур 60а является горячим контуром. Жидкая среда, циркулирующая в этом контуре, и в данном случае LNG из цистерны 14, предназначена для охлаждения путем циркуляции в этом контуре. Однако контур 60а не пригоден для испарения более тяжелых компонентов (этана, пропана и т.д.). Очевидно, что снижение давления выше по потоку от вторичного контура 60b обеспечивает снижение температуры испарения, что позволяет производить FBOG за счет теплообмена с LNG, принимаемом из цистерны и циркулирующем в первичном контуре. Испарение, в результате которого производится FBOG, требует ввода тепла, предоставляемого LNG, циркулирующим в первичном контуре, и это, следовательно, является источником холода для охлаждения LNG, циркулирующего в первичном контуре.
LNG из цистерны 14, таким образом, направляется насосом 16a к средству 19 снижения давления, и затем циркулирует во вторичном или холодном контуре теплообменника 60. В перерыве LNG из цистерны направляется насосом 16b к первичному или горячему контуру теплообменника 60. Следовательно, теплообмен между этими контурами приводит к следующему:
- нагрев подвергшегося снижению давления и частично испаренного LNG для продолжения его испарения, после чего он направляется в барабан для сепарации фаз,
- охлаждение LNG, который подается во вспомогательную цистерну 30 для хранения в ней для последующего использования.
После этого устройство работает так, как первоначально описано со ссылкой на фигуры 1 – 6. Здесь результатом воздействия теплообменника 60 является следующее:
- может быть выбрана такая мощность насоса 16а, которая вызовет циркуляцию только заданного максимального количества LNG, чтобы сформировать достаточное количество FBOG для удовлетворения потребности установки 12, в дополнение к NBOG. Эта задача может быть осуществлена с помощью топливного насоса, который обычно устанавливается на судне,
- емкость барабана 24 может быть уменьшена, так как расход подаваемого LNG может быть ниже (будет использоваться только дополнительный объем FBOG для удовлетворения потребности в топливном газе установки 12),
- из-за пинч-эффекта температуры в теплообменнике, производство мощности охлаждения понижается (потеря примерно 15% при рабочем давлении 500 мбар абс.),
- расход LNG и циркулирующего LNGs снижается благодаря этому решению; следовательно, снижается потребление энергии насосами, что обеспечивает снижение потребления энергии всей системой.
На фиг. 8 показан другой вариант осуществления устройства 110 в соответствии с изобретением, в котором осуществляется охлаждение сжиженного газа и/или охлаждение газа естественной отпарки из сжиженного газа.
Устройство 110 приспособлено, в частности, но не исключительно, для подачи топливного газа на судне, например, судне для транспортировки сжиженного газа. Устройство, таким образом, можно использовать для подачи топливного газа в установку 112 по производству энергии на борту судна.
3
Судно включает в себя цистерну 114 или множество цистерн 114 для хранения сжиженного газа. Газом является, например, метан или смесь газов, включающая метан, например, сжиженный природный газ. Эта цистерна 114 или каждая из цистерн 114 может содержать газ в сжиженном виде при заданном давлении и заданной температуре, например, при атмосферном давлении и температуре порядка -160 °C. Одна или более цистерн 114 судна могут быть подключены к установке 112 посредством устройства 110 в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, число цистерн не ограничивает изобретение. Оно составляет, например, число от 1 до 6 включительно. Емкость каждой цистерны 114 может составлять от 1000 до 50 000 м включительно.
В дальнейшем термин «цистерна» следует интерпретировать как «эта или каждая цистерна».
Цистерна 114 содержит сжиженный газ 114а и газ 114b, получаемый в результате отпарки, в частности естественной отпарки, сжиженного газа 114а в цистерне 114. Сжиженный газ 114a естественным образом хранится в нижней части цистерны 114, в то время как отпарной газ 114b располагается выше уровня сжиженного газа в цистерне, схематически представленного буквой N.
В дальнейшем «LNG» означает сжиженный газ, то есть газ в жидком виде, «BOG» обозначает отпарной газ, «NBOG» обозначает газ естественной отпарки, и «FBOG» означает газ принудительной отпарки. Эти сокращения известны специалистам в данной области, так как они соответствуют первым буквам соответствующих английских слов.
В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 8, цистерна 114 содержит коллектор 122 для распыления капель LNG, который расположен в верхней части цистерны, над уровнем N. Коллектор 122, таким образом, выполнен с возможностью распыления капель LNG в BOG. Это делает возможной принудительную повторную конденсацию BOG в цистерне 14.
Здесь устройство 110 включает в себя средство 170 охлаждения, которое связано со вспомогательной цистерной 130 для хранения LNGs.
Средство 170 охлаждения включает в себя, например, теплообменный контур 172, связанный с цистерной 130. Вспомогательная цистерна 130 содержит LNGs при заданном давлении и заданной температуре.
Вспомогательная цистерна 130 выполнена с возможностью хранения LNGs. Цистерна 130, следовательно, содержит охлажденный сжиженный газ 130а и газ 130b, получившийся в результате испарения сжиженного газа 130а. Охлажденный сжиженный газ (LNGs) 130a естественным образом хранится в нижней части вспомогательной цистерны 130, в то время как отпарной газ 130b расположен выше уровня сжиженного газа, схематически представленного буквой М.
Вспомогательная цистерна 130 содержит выпускной патрубок LNGs. В показанном примере выпускной патрубок соединен трубой 132, с одной стороны, c распылительным коллектором 122 цистерны 114 или каждой цистерны 114, а с другой стороны, с погружной трубой 134, предназначенной для погружения в LNG в цистерне 114. Таким образом ясно, что LNGs может подаваться в распылительный коллектор 122 для распыления капель LNGs в отпарной газ (BOG) в цистерне 114 и LNGs может подаваться в погружную трубу 134 для перекачки LNGs непосредственно в LNG в цистерне 114.
Труба 132 может быть соединена с выпускным патрубком LNGs вспомогательной цистерны 130 посредством клапана 136. Труба может быть соединена с погружной трубой 134 и коллектором 122 посредством трехлинейного клапана 138.
Здесь вспомогательная цистерна 130 используется для охлаждения текучей среды, такой как газ или жидкость, каковой средой в данном случае является BOG из основной цистерны 114. Здесь другой контур 140 теплообменника связан с вспомогательной цистерной 130. Здесь связь каждого контура 140, 172 с вспомогательной цистерной 130 следует понимать в широком смысле, поскольку контуры 172 и 140 могут быть, например, змеевиками, погруженными в LNGs, содержащийся во вспомогательной цистерне 130. Эти контуры могут в качестве альтернативы быть расположены снаружи цистерны 130. Контур 140 выполнен таким образом, что теплообмен происходит между жидкой средой, циркулирующей в контуре, и LNGs, содержащимся во вспомогательной цистерне 130. Жидкая среда, циркулирующая в контуре 140, как правило, является более горячей, чем LNGs, который, следовательно, охлаждает жидкую среду, когда она циркулирует в контуре 140. Контур имеет впускной и выпускной патрубки.
Впускной патрубок контура 140 соединен с выпускным патрубком 145 BOG основной цистерны 114, который здесь находится на верхнем конце цистерны. Выпускной патрубок 145 BOG из цистерны 140 соединен с впускным патрубком вторичного контура 142a теплообменника 142, выпускной патрубок которого соединен с впускным патрубком компрессора 128.
Выпускной патрубок компрессора 128, в основном, соединен с установкой 112 для снабжения ее топливным газом. Часть топливного газа, выходящего из компрессора 128, может быть принято и перенаправлено через трубу 144, которая может быть соединена с выпускным патрубком компрессора 128 посредством трехлинейного клапана 146.
Компрессор 128 выполнен с возможностью сжатия газа до рабочего давления, подходящего для его использования в установке 112.
Труба 140 соединена с впускным патрубком первичного контура 142b теплообменника 142, выпускной патрубок которого соединен с впускным патрубком контура 140.
Выпускной патрубок контура 140 соединен посредством трубы 148 с барабаном 150. Труба 148 включает в себя клапан 152, например, клапан Джоуля-Томсона, чтобы снизить температуру газа путем адиабатического расширения.
Теплообменник 142, контур 140 и клапан 152 конденсируют (другими словами, (повторно) сжижают) некоторую часть (BOG).
Барабан 150 предназначен для отделения (повторно) конденсированного BOG от BOG, остающегося в виде газа.
Барабан 150, следовательно, содержит BOG 150а, (повторно) конденсированный (посредством линии конденсации, включающей в себя, например, теплообменник 142, контур 140 и клапан 152), и газообразный BOG 150b. Конденсированный BOG 150a хранится в нижней части барабана 150 и газообразный BOG 150b расположен выше уровня сжиженного газа в барабане 150, схематически представленного буквой О.
Барабан 150 имеет три патрубка для передачи текучей среды, а именно впускной патрубок BOG, соединенный с трубой 148, выпускной патрубок газообразного BOG и выпускной патрубок жидкого BOG. Здесь выпускной патрубок конденсированного BOG соединен с впускным патрубком компрессора 126 трубой 151. Здесь выпускной патрубок жидкого BOG соединен с погружной трубой 134, трубой 132 и/или распылительным коллектором 122 для хранения LNG в цистерне 114.
Фиг. 9 представляет собой вариант осуществления устройства 110, который отличается от показанного на фиг. 8 средством 170 охлаждения.
Таким образом, средство 170 охлаждения включает в себя насос 116а, погруженный в LNG в цистерне 114 и предпочтительно расположенный в нижней части цистерны для обеспечения подачи в него только LNG.
Насос 116а соединен с одним концом, здесь нижним концом, трубы 118. Труба 118 имеет верхний конец, соединенный с впускным патрубком LNGs вспомогательной цистерны 130, для подачи LNGs в эту цистерну. Труба 118 проходит через или включает в себя генератор холода, например, вакуумный испаритель, который может включать в себя барабан, связанный с компрессором, как показано в предыдущем варианте осуществления.
Насос 116а  выполнен с возможностью обеспечения циркуляции LNG в трубе 118 от нижней части цистерны 114 к вспомогательной цистерне 130 для подачи LNGs во вспомогательную цистерну 130 и хранения в ней.
В устройствах на фиг. 8 и 9 решением является интеграция средства 170 охлаждения в оборудование судна, чтобы наилучшим образом использовать это оборудование для удовлетворения потребностей судна. Средство 170 охлаждения таково, что при его использовании
- для типа, представленного на фиг. 9, LNG направляется из цистерны 114 с помощью насоса 116а к средству 170 охлаждения, где он охлаждается, а затем перекачивается во вспомогательную цистерну 130, где он хранится; если емкость цистерны 130 не является достаточной для хранения, LNGs может быть направлен в трубу 132, а затем через погружную трубу 134 внутрь цистерны 114, что дает возможность охлаждения LNG в цистерне 114;
- для второго типа, представленного на фиг. 8, средство 170 охлаждения охлаждает непосредственно LNG, хранящийся во вспомогательной цистерне 130, находясь в непосредственном контакте с LNG, для производства LNGs.
3
3
В обоих случаях результатом является то, что LNGs хранится во вспомогательной цистерне 130. Температура LNGs предпочтительно составляет от -180 до -160 °С включительно, что обычно соответствует падению температуры LNG от -0,5 до -20 °C. Из-за проникновения тепла во вспомогательную цистерну 130, часть LNGs может испаряться и превращаться в BOG 130b. Если давление внутри вспомогательной цистерны 130 достигает заданного порогового значения, его можно регулировать путем удаления части BOG с помощью компрессора 126. Вспомогательная цистерна 130 выполнена по назначению и имеет, например, емкость от 50 до 500 м для управления BOG в море или от 1500 до 10 000 м для управления BOG на якоре (от 2 до 5 дней). Давление во вспомогательной цистерне 130 составляет, например, от 0,3 до 10 бар абс. включительно, для обеспечения гибкости в управлении давлением и отпарным газом 130b.
Средство 170 охлаждения может использоваться независимо от решения и окружающего оборудования. Средство 170 охлаждения предпочтительно работает непрерывно, независимо от того, требуется ли мощность охлаждения.
Если это необходимо, LNGs может быть направлен в цистерну 114 с помощью трубы 132 или погружной трубы 134, например, для регулирования давления или температуры LNG, содержащегося в цистерне 114.
Давление в цистерне 114, как правило, регулируется путем выкачивания NBOG из цистерны 114 посредством закачки NBOG с помощью компрессора 126 и посредством выпускного патрубка 145 NBOG из резервуара 114. NBOG, поступающий из компрессора 126, затем используется для подачи в установку 112. Если нагрузка на установку 112 не является достаточной для потребления всего NBOG, появляется избыток NBOG, который требуется утилизировать. В этом случае предпочтительно воздействовать только на избыточный NBOG, а не на LNG или весь NBOG, содержащийся в цистерне 114, как описано выше. Благодаря этому решению, избыток NBOG, поступающий из компрессора 126 при рабочем давлении установки 112 (например, 6-7 бар или 15-17 бар или 300-315 бар, в зависимости от типа установки на судне), отправляется в теплообменник 142, в котором он охлаждается посредством теплообмена с NBOG, отобранного через выпускной патрубок 145 NBOG в цистерне 114. Избыток NBOG затем направляется в теплообменный контур 140 цистерны 130, в котором он будет охлаждаться за счет теплообмена с LNGs, содержащимся в этой цистерне 130. Избыток NBOG затем подвергается снижению давления с помощью дроссельного клапана 152 до рабочего давления барабана 150 перед его подачей в этот барабан 150. Барабан 150 регулируется до давления, схожего с давлением хранения в цистерне 114. Благодаря расположению линии конденсации BOG (которая включает в себя теплообменник 142, контур 140, дроссельный клапан 152 и барабан 150), некоторая часть избыточного NBOG конденсируется. И, наконец, конденсированный NBOG, восстановленный в барабане 150, повторно закачивается в цистерну 114 через погружную трубу 134. (Повторная) конденсация NBOG таким способом дает возможность снизить давление NBOG в цистерне 114.
Описанное выше устройство имеет много преимуществ, например:
- Средство 170 охлаждения способно обрабатывать все излишки NBOG и непрерывно работать со средней мощностью. Средство 170 охлаждения, как правило, рассчитано либо на управление максимальным избыточным количеством NBOG, а затем на работу при более низких мощностях для управления различиями в объеме избыточного NBOG, или на работу со сбалансированной мощностью с потерей избыточного NBOG при превышении этой мощности. Благодаря устройству 110, средство 170 охлаждения может быть выбрано в зависимости от среднего избыточного объема NBOG и при этом способно управлять всем количеством избыточного NBOG. Для стандартного судна средний избыток NBOG находится в диапазоне от 25 до 50% от максимального количества избыточного NBOG. Эта гибкость в преодолении различий, с одной стороны, в производстве мощности охлаждения, а с другой стороны, потребности в мощности охлаждения, приобретается благодаря вспомогательной цистерне 130, которая способна хранить LNGs при более низкой температуре, чем LNG, хранящийся в цистерне 114. Таким образом, мощность охлаждения концентрируется в LNGs и готова к использованию по необходимости, в то время как в предшествующем уровне техники она разбавляется внутри большого объема цистерны 114.
- Мощность охлаждения обычно используется для распыления LNGs в цистерне 114. Паровая фаза в цистерне 114 охлаждается и частично конденсируется. С точки зрения энергии это не является идеальным решением, поскольку часть избыточного NBOG может быть использовано для подачи в установку 112. Благодаря устройству 110, часть NBOG используется для подачи в установку 112, а мощность охлаждения используется только на избыток NBOG. Для типичного судна объем потребления газа на якоре составляет от 15 до 30% от NBOG.
- Благодаря компрессору 126, установленному на судне, избыточный NBOG сжимается до входного давления установки 112 (как правило, 6-7 бар, 15-17 бар или 300-315 бар), а затем охлаждается LNGs и проходит сепарацию фаз перед возвратом в основную цистерну 114. Это более эффективно, чем распыление LNGs в паровой фазе в основной цистерне 114, поскольку это делает возможным большее охлаждение избыточного NBOG и конденсацию его большей части благодаря разности давлений.
- Некоторые средства охлаждения могут использоваться в конкретных условиях. Например, вакуумный испаритель, описанный выше, может просто создавать холод от дополнительного FBOG, необходимого в дополнение к NBOG для подачи в установку 112. Благодаря устройству 110, создаваемая мощность охлаждения может быть использована там и тогда, где это необходимо.
На фиг. 9 и 10 показаны этапы работы устройства по фиг. 9, которые, естественно, применимы к устройству по фиг. 8 и которые могут соответствовать этапам работы судна, оборудованного этим устройством.
1. Регулирование условий в цистерне (давление и температура) — фиг. 9;
2. Управление избыточным NBOG — фиг. 10.
1. Регулирование условий в цистерне (давление и температура) — фиг. 9.
Если вспомогательная цистерна 130 не нуждается в подаче LNG из цистерны 114 (например, если потребности в энергии обеспечиваются каким-либо другим источником энергии) и условия цистерны 114 необходимо регулировать (например, изменение давления или температуры перед загрузкой), то LNGs, содержащийся во вспомогательной цистерне 130, может быть использован для охлаждения LNG, содержащегося в цистерне 114, перекачиванием его через трубу 132, а затем погружную трубу 134.
2. Управление избыточным NBOG — фиг. 10.
Как описано выше, избыток NBOG можно утилизировать посредством его циркуляции через линию конденсации, образованную теплообменником 142, теплообменным контуром 140, дроссельным клапаном 152 и барабаном 150.
На фиг. 11 показан альтернативный вариант.
Поскольку установка требует подачи газа, как правило, с давлением на входе большим, чем давление при хранении в цистерне 114, компрессор 126 обеспечивает возможность перекачки NBOG под давлением, приемлемым в установке 112. Во время этого сжатия NBOG нагревается. Теплообменник 142 предпочтительно используется для восстановления некоторой части холода, поступающего из цистерны 114. Эта особенность дает возможность для повышения производительности, но она не является фундаментальной и, следовательно, не является необходимой. В связи с этим она убрана из варианта осуществления на фиг 11. Выпускной патрубок трехлинейного клапана 146, таким образом, соединен непосредственно с впускным патрубком контура 140 и выпускной патрубок 145 NBOG цистерны соединен непосредственно с впускным патрубком компрессора 126.
Фиг. 12 представляет собой вариант осуществления устройства, который отличается от показанного на фиг. 9 тем, что он включает в себя еще один теплообменник 180. Теплообменник 180 включает в себя два контура, а именно первичный контур 180а и вторичный контур 180b.
Вторичный контур 180b имеет впускной патрубок, соединенный с насосом 182, погруженным в LNGs, содержащийся во вспомогательной цистерне 130, и выпускной патрубок, соединенный с впускным патрубком LNGs в цистерне 130 для повторной закачки LNGs в цистерну после того, как он произведет теплообмен с жидкой средой, циркулирующей в первичном контуре теплообменника 180. Первичный контур 180 аналогичен контуру 140 теплообменника, описанному выше.
Первичный контур 180а является горячим контуром. Жидкая среда, циркулирующая в этом контуре, в данном случае сжатый BOG, предназначена для охлаждения путем циркуляции в этом контуре. Вторичный контур 180b является холодным контуром. Жидкая среда, циркулирующая в этом контуре, в данном случае LNGs из цистерны 330, предназначена для охлаждения путем циркуляции в этом контуре.
На фиг. 13 представлен вариант осуществления устройства 10, которое отличается от устройства на фиг. 1 в том, что барабан 24 и вспомогательная цистерна 30 объединены так, что образуют и ограничивают одну цистерну 90 для принудительной отпарки LNG, поступающего из цистерны 14, и хранения LNGs, произведенного таким образом.
В первой таблице ниже приведены примеры значений для различных рабочих параметров устройства в соответствии с настоящим изобретением для различных диапазонов (широкого, медианного и оптимального).
Во второй таблице указаны те же типы параметров, но они нацелены на более общие составы сжиженного газа и, в частности, сжиженного природного газа, такого как метан или смеси газов, содержащих метан.
Гидростатическое давление на нижнем конце трубы 18 (насос обычно находится на устойчивой глубине) изменяется в зависимости от уровня заполнения основной цистерны.
Температура сжиженного газа в барабане 24 равна «температуре BOG, охлаждаемого посредством контура 40, °C» минус 2 °C, например, что соответствует «пинч-эффекту» теплообменника.
Доля газа, испаренного после снижения давления, вычисляется по формуле:
X = (Hl,u –Hl,d) / (Hv,d – Hl,d)
где:
Х представляет собой массовый процент испаренной жидкости,
Hl,d (Дж/кг) является энтальпией входящего потока жидкости при входящей температуре и давлении,
Hv,d (Дж/кг) является энтальпией испаряющегося газа при давлении на выходе и соответствует температуре насыщения, и
Hl,d (Дж/кг) является энтальпией остаточной жидкости при давлении на выходе и соответствует температуре насыщения.