СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИСПАРЯЮЩЕГОСЯ ГАЗА НА СУДНЕ
SYSTEM AND METHOD FOR EVAPORATING GAS PROCESSING ON THE SHIP

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе и способу обработки испаряющегося газа (BOG) для судна, и более конкретно к системе и способу обработки BOG для судна, в которых BOG, выходящий из резервуара для хранения, сжимается, большая часть BOG используется в качестве топлива для двигателей судна, а другая часть BOG сжижается за счет энергии холода BOG, только что вышедшего из резервуара для хранения, и возвращается в резервуар для хранения, тем самым эффективно используя BOG.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В последнее время потребление сжиженного газа, такого как сжиженный природный газ (LNG) или сжиженный попутный нефтяной газ (LPG), быстро увеличивается во всем мире. Сжиженный газ транспортируется в газообразном состоянии по наземным или подводным газопроводам, или транспортируется к удаленному месту потребления, будучи сохраненным в сжиженном состоянии в транспортном средстве для сжиженного газа. Сжиженный газ, такой как LNG или LPG, получается путем охлаждения природного газа или попутного нефтяного газа до криогенной температуры (в случае сжиженного природного газа приблизительно -163°C). Так как объем сжиженного газа значительно уменьшается по сравнению с газовым состоянием, сжиженный газ является очень подходящим для дальней морской транспортировки.
Транспортное средство для сжиженного газа, такое как танкер для сжиженного природного газа, предназначено для загрузки сжиженного газа, плавания по морю и выгрузки сжиженного газа на берегу в месте потребления. С этой целью танкер для сжиженного газа включает в себя резервуар для хранения (также называемый «грузовой цистерной»), который может выдерживать криогенную температуру сжиженного газа.
Так как температура сжижения природного газа является криогенной температурой, равной -163°C при давлении окружающей среды, сжиженный природный газ будет испаряться, даже когда его температура лишь немного выше -163°C при давлении окружающей среды. В случае обычного танкера для сжиженного природного газа, даже при том, что резервуар для хранения LNG является термоизолированным, внешнее тепло непрерывно передается сжиженному природному газу. Следовательно, во время транспортировки LNG танкером для сжиженного природного газа LNG непрерывно испаряется внутри резервуара для хранения LNG, и испаряющийся газ (в дальнейшем упоминаемый как BOG) образуется внутри резервуара для хранения LNG.
Образующийся природный газ может увеличить внутреннее давление резервуара для хранения и ускорить поток природного газа благодаря качке судна, вызывая структурные проблемы. Следовательно, необходимо подавлять образование BOG.
В дополнение к этому, так как BOG является потерей LNG, подавление образования или повторное сжижение BOG являются очень важной проблемой с точки зрения эффективности транспортировки.
Традиционно для подавления образования BOG внутри резервуара для хранения танкера для сжиженного газа используется способ стравливания BOG из резервуара для хранения и сжигания BOG, способ стравливания BOG из резервуара для хранения, повторное сжижение BOG посредством устройства повторного снижения и возврат BOG в резервуар для хранения, способ использования BOG в качестве топлива для тягового двигателя судна и способ подавления образования BOG путем поддержания внутреннего давления в резервуаре для хранения на высоком уровне, по отдельности или в комбинации.
В случае обычного судна, оборудованного устройством повторного снижения BOG, BOG, образующийся в резервуаре для хранения, выпускается из резервуара для хранения и затем повторно сжижается посредством устройства повторного сжижения для того, чтобы сохранить давление в резервуаре для хранения на подходящем уровне. В этом случае выпускаемый BOG повторно сжижается посредством теплообмена с охладителем (например, азотом, смешанным охладителем и т.п.), охлажденным до криогенной температуры в устройстве повторного сжижения, включающем в себя цикл охлаждения, и повторно сжиженный BOG возвращается в резервуар для хранения.
В случае обычного танкера для сжиженного природного газа, оборудованного двухтопливной дизель-электрической двигательной установкой (DFDE), BOG потребляется таким образом, что он подается в качестве топлива к DFDE после обработки BOG только компрессором BOG и нагрева, без установки средств повторного сжижения. Поэтому, когда количество топлива, необходимое для двигателя, меньше чем количество образующегося BOG, существует проблема сжигания BOG в блоке сжигания газа (GCU) или выброса его в атмосферу.
Даже при том, что обычный танкер для сжиженного природного газа, оборудованный средством повторного сжижения и тихоходным дизельным двигателем, может обрабатывать BOG с помощью средства повторного сжижения, управление всей системой является сложным благодаря сложности работы средства повторного сжижения, использующего газообразный азот, и при этом потребляется значительное количество мощности.
Следовательно, существует потребность в непрерывных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах в области систем и способов для эффективной обработки сжиженного газа, включая BOG, образующийся естественным образом в резервуаре для хранения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
Настоящее изобретение было сделано в попытке решить вышеописанные проблемы и направлено на систему и способ обработки BOG для судна, в которых BOG, выходящий из резервуара для хранения, сжимается, большая часть BOG используется в качестве топлива для двигателей судна, а другая часть BOG сжижается за счет энергии холода BOG, только что вышедшего из резервуара для хранения, и возвращается в резервуар для хранения, тем самым эффективно используя BOG.
ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предлагается система обработки BOG для судна, которая обрабатывает BOG, выходящий из резервуара для хранения, содержащего сжиженный газ, которая включает в себя: компрессор, выполненный с возможностью сжатия BOG, выходящего из резервуара для хранения; газовый двигатель среднего давления, выполненный с возможностью получать по меньшей мере часть BOG, который был сжат компрессором, в качестве топлива; теплообменник, выполненный с возможностью осуществлять теплообмен между другим BOG, который не подается в газовый двигатель среднего давления в качестве топлива, и BOG, который выходит из резервуара для хранения и не сжимается; и расширитель, выполненный с возможностью декомпрессии другого BOG, который проходит через теплообменник.
В этом описании термин «среднее давление» следует рассматривать как означающий давление от приблизительно 5 до 20 бар, до которого сжимается BOG, подаваемый в качестве топлива к двигателю.
Компрессор может включать в себя: компрессор, выполненный с возможностью сжатия BOG, выходящего из резервуара для хранения, до давления, необходимого для газового двигателя среднего давления; и дожимной компрессор, выполненный с возможностью дополнительного сжатия другого BOG, который не подается к газовому двигателю среднего давления.
Компрессор может быть многоступенчатым компрессором центробежного типа.
Компрессор может сжимать BOG до давления от 5 до 20 бар.
Дожимной компрессор может быть многоступенчатым компрессором возвратно-поступательного типа.
Дожимной компрессор может сжимать BOG до давления от 80 до 250 бар.
Количество BOG, подаваемого к газовому двигателю среднего давления, может быть определено в диапазоне от 30 до 70% BOG, выходящего из резервуара для хранения, в соответствии с нагрузкой газового двигателя среднего давления.
Газовый компонент другого BOG, который декомпрессируется при прохождении через расширитель и переходит в газо-жидкостное смешанное состояние, может быть выпущен из резервуара для хранения и объединен с BOG, подаваемым к теплообменнику.
Газовый компонент другого BOG, который декомпрессируется при прохождении через расширитель и переходит в газо-жидкостное смешанное состояние, может быть дополнительно декомпрессирован при прохождении через другой расширитель и объединен с BOG, подаваемым к теплообменнику.
Жидкий компонент другого BOG, который декомпрессируется при прохождении через расширитель и переходит в газо-жидкостное смешанное состояние, может быть возвращен в резервуар для хранения.
Система обработки BOG может дополнительно включать в себя принудительный испаритель, выполненный с возможностью принудительного испарения сжиженного газа, хранящегося в резервуаре для хранения, и подачи принудительно испаренного сжиженного газа к компрессору.
Система обработки BOG может дополнительно включать в себя потребитель BOG, выполненный с возможностью получения и использования BOG, сжатого компрессором.
Потребитель BOG может быть одним или более из интегрированного генератора инертного газа (IGG)/блока сжигания газа (GCU) системы, GCU и газовой турбины.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается способ обработки BOG для судна, который обрабатывает BOG, выходящий из резервуара для хранения сжиженного газа, и включает в себя: сжатие BOG, выходящего из резервуара для хранения; подачу в газовый двигатель среднего давления в качестве топлива по меньшей мере части BOG, который был сжат на стадии сжатия; теплообмен между другим BOG, который не подается к газовому двигателю среднего давления в качестве топлива, и BOG, который выходит из резервуара для хранения и не сжимается; и декомпрессирование другого BOG, который подвергся теплообмену на стадии теплообмена.
Газовый компонент другого BOG, который декомпрессируется и переходит в газо-жидкостное смешанное состояние, может быть объединен с BOG, выходящим из резервуара для хранения.
Газовый компонент другого BOG, который декомпрессируется и переходит в газо-жидкостное смешанное состояние, может быть возвращен в резервуар для хранения.
Стадия теплообмена может дополнительно включать в себя дополнительное сжатие BOG, сжатого на стадии сжатия перед теплообменом.
Способ обработки BOG может дополнительно включать в себя: принудительное испарение сжиженного газа, хранящегося в резервуаре для хранения, в соответствии с количеством топлива, необходимым для газового двигателя среднего давления в условиях балласта, в которых количество образующегося BOG является относительно малой величиной; и подачу принудительно испаренного сжиженного газа на стадию сжатия.
В загруженном условии, в котором количество образующегося BOG является относительно большим, часть BOG, сжатого на стадии сжатия, может быть подана к газовому двигателю среднего давления, а другой BOG, который не подается к газовому двигателю среднего давления, может быть дополнительно сжат и подан на стадию теплообмена.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается судно, которое включает в себя резервуар для хранения, содержащий сжиженный газ, и газовый двигатель среднего давления, использующий сжиженный газ, хранящийся в резервуаре для хранения, в качестве топлива, причем это судно включает в себя: вышеописанную систему обработки BOG, в которой судно производит электричество с помощью газового двигателя среднего давления, который включается в систему очистки BOG и получает BOG, выходящий из резервуара для хранения, в качестве топлива, а также приводится в движение с использованием двигателя.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается способ для производства судна, который включает в себя дополнительную установку на судне резервуара для хранения, выполненного с возможностью хранения сжиженного газа, компрессора, выполненного с возможностью сжатия BOG, образующегося из сжиженного газа, хранящегося в резервуаре для хранения, путем выпуска BOG из резервуара для хранения, а также газового двигателя среднего давления, выполненного с возможностью использования BOG, сжатого компрессором, в качестве топлива, причем дожимной компрессор выполнен с возможностью дополнительного сжатия BOG, сжатого компрессором, теплообменник выполнен с возможностью охлаждение BOG, дополнительно сжатого дожимным компрессором, путем теплообмена с BOG, выходящим из резервуара для хранения, расширитель выполнен с возможностью декомпрессии BOG, охлажденного теплообменником, газо-жидкостный разделитель выполнен с возможностью разделения BOG, который декомпрессируется расширителем и переходит в газо-жидкостное смешанное состояние, на газовый компонент и жидкий компонент, и линия рециркуляции BOG выполнена с возможностью объединения газового компонента, отделенного газо-жидкостным разделителем, с BOG, выходящим из резервуара для хранения.
Дожимной компрессор может быть выполнен с возможностью дополнительного сжатия другого BOG, который сжимается компрессором, вместе с BOG, выходящим из резервуара для хранения и не подаваемым к газовому двигателю среднего давления.
Компрессор может быть многоступенчатым компрессором центробежного типа.
Компрессор может сжимать BOG до давления от 5 до 20 бар.
Дожимной компрессор может быть многоступенчатым компрессором возвратно-поступательного типа.
Дожимной компрессор может сжимать BOG до давления от 80 до 250 бар.
Количество BOG, подаваемого к газовому двигателю среднего давления, может быть определено в диапазоне от 30 до 70% BOG, выходящего из резервуара для хранения, в соответствии с нагрузкой газового двигателя среднего давления.
Газовый компонент другого BOG, который декомпрессируется при прохождении через расширитель и переходит в смешанное газо-жидкостное состояние, может быть выпущен из резервуара для хранения и объединен с BOG, подаваемым к теплообменнику.
Газовый компонент другого BOG, который декомпрессируется при прохождении через расширитель и переходит в газо-жидкостное смешанное состояние, может быть дополнительно декомпрессирован при прохождении через другой расширитель и объединен с BOG, подаваемым к теплообменнику.
Жидкий компонент другого BOG, который декомпрессируется при прохождении через расширитель и переходит в газо-жидкостное смешанное состояние, может быть возвращен в резервуар для хранения.
Судно может дополнительно включать в себя принудительный испаритель, выполненный с возможностью принудительного испарения сжиженного газа, хранящегося в резервуаре для хранения, и подачи принудительно испаренного сжиженного газа к компрессору.
Судно может дополнительно включать в себя потребитель BOG, выполненный с возможностью получения и использования BOG, сжатого компрессором.
Потребитель BOG может быть одним или более из интегрированного генератора инертного газа (IGG)/блока сжигания газа (GCU) системы, GCU и газовой турбины.
В условиях балласта, в которых количество образующегося BOG является относительно малой величиной, сжиженный газ, хранящийся в резервуаре для хранения, может быть принудительно испарен в соответствии с количеством топлива, необходимым для газового двигателя среднего давления, и принудительно испаренный сжиженный газ может быть подан к компрессору.
В загруженном состоянии, в котором количество образующегося BOG является относительно большим, часть BOG, сжатого на стадии сжатия, может быть подана к газовому двигателю среднего давления, а другой BOG, который не подается к газовому двигателю среднего давления, может быть дополнительно сжат и подан к теплообменнику.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ
В соответствии с системой и способом обработки BOG по настоящему изобретению часть BOG, сжатого после сжатия BOG, выходящего из резервуара для хранения, может быть подана в качестве топлива к двигателю судна, а другой сжатый BOG может быть заново выпущен из резервуара для хранения для возврата его в резервуар для хранения после сжижения с помощью энергии холода BOG перед сжатием.
Следовательно, в соответствии с системой и способом обработки BOG по настоящему изобретению BOG, образующийся в резервуаре для хранения, может быть повторно сжижен без установки устройства повторного сжижения, потребляющего большое количество энергии и требующего чрезмерных первоначальных затрат на установку, сохраняя тем самым энергию, потребляемую в устройстве повторного сжижения.
В соответствии с системой и способом обработки BOG по настоящему изобретению весь BOG, образующийся во время транспортировки груза (то есть сжиженного природного газа) в танкере для сжиженного природного газа, может использоваться в качестве топлива для двигателя, или может повторно сжижаться, возвращаться в резервуар для хранения и храниться в нем. Следовательно, количество BOG, потребляемого в GCU и т.п., может быть уменьшено. Кроме того, BOG может обрабатываться с помощью повторного сжижения без использования отдельных охладителей, таких как азот.
В дополнение к этому, в системе и способе обработки BOG в соответствии с настоящим изобретением, поскольку нет необходимости в установке устройства повторного сжижения, использующего отдельные охладители (то есть цикл охлаждения азотом, цикл охлаждения смешанным охладителем и т.п.), устраняется необходимость в отдельной установке средств для подачи и хранения охладителей. Следовательно, возможно сэкономить на стоимости первоначальной установки, а также на стоимости эксплуатационных расходов при конфигурировании всей системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую состояние, в котором система обработки BOG в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения используется вместе с системой подачи топливного газа.
Фиг. 4 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее примерные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылками на сопроводительные чертежи. Эти варианты осуществления предусмотрены так, чтобы данное раскрытие было полным и законченным, и полностью передавало область охвата настоящего изобретения специалистам в данной области техники. Настоящее изобретение, однако, может быть воплощено во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное вариантами осуществления, сформулированными в настоящем документе. Во всех чертежах и в описании одинаковые ссылочные цифры будут использоваться для ссылок на одинаковые элементы.
2
Международная морская организация (IMO) регулирует выбросы оксидов азота (NOx) и оксидов серы (SOx) в выхлопных газах судов, а также старается регулировать выбросы диоксида углерода (CO). В частности, проблема регулирования оксидов азота (NOx) и оксидов серы (SOx) была поднята протоколом по предотвращению загрязнения морей судами (MARPOL) в 1997 г. После восьми долгих лет протокол был признан удовлетворяющим техническим условиям выполнения и вступил в силу в мае 2005 г. В настоящее время этот документ является действующим в качестве обязательного.
Следовательно, для того, чтобы соответствовать таким требованиям, было разработано множество способов для уменьшения выбросов оксидов азота (NOx). В качестве одного из этих способов был разработан и используется высоконапорный газовый двигатель для танкера для сжиженного природного газа, например, двигатель MEGI. По сравнению с дизельным двигателем той же самой мощности двигатель MEGI может уменьшить выбросы загрязняющих веществ (двуокись углерода: 23%, азотсодержащие соединения: 80%, соединения серы: 95% или больше). Следовательно, двигатель MEGI рассматривается как благоприятный для окружающей среды двигатель следующего поколения.
Такой двигатель MEGI может быть установлен на судне, таком как танкер для сжиженного природного газа, который перевозит сжиженный природный газ, содержащийся в резервуаре для хранения, способном выдерживать криогенную температуру. Использующийся в настоящем документе термин «судно» включает в себя танкер для сжиженного природного газа, судно регазификации сжиженного природного газа (LNG RV), а также офшорные заводы, такие как плавучая система для добычи, хранения и отгрузки сжиженного природного газа (LNG FPSO) и плавучее хранилище и блок регазификации сжиженного природного газа (LNG FSRU). В этом случае двигатель MEGI использует природный газ в качестве топлива и требует высокого давления, приблизительно 150-400 бара (абсолютное давление) для подачи газа, в зависимости от нагрузки двигателя.
Двигатель MEGI может быть напрямую связан с ходовым двигателем. С этой целью двигатель MEGI снабжается двухтактным двигателем, вращающимся с низкой скоростью. Таким образом, двигатель MEGI является тихоходным двухтактным дизелем на природном газе высокого давления.
В дополнение к этому, для того, чтобы уменьшить выбросы оксида азота, двухтопливный (DF) двигатель (например, DFDG: двухтопливный дизель-генератор), использующий смесь дизельного топлива и природного газа в качестве топлива, был разработан и использован для движения или получения энергии. Двухтопливный двигатель является двигателем, который может сжигать смесь нефти и природного газа, или может выборочно использовать что-то одно из нефти и природного газа в качестве топлива. Так как содержание серы при этом более мало, чем в случае, когда только нефть используется в качестве топлива, содержание оксида серы в выхлопных газах является небольшим.
Двухтопливный двигатель не нуждается в подаче топливного газа под высоким давлением, как двигатель MEGI, и должен снабжаться топливным газом после его сжатия до давления от приблизительно нескольких бара до нескольких десятков бара. Двухтопливный двигатель дает выходную мощность путем приведения в действие электрогенератора посредством движущей силы двигателя. Эта мощность может быть использована для привода ходового агрегата или для работы различных устройств или средств. Двигательная или электрогенерирующая система, которая получает мощность путем использования двухтопливного двигателя, упоминается как двухтопливная дизель-электрическая система (DFDE).
При подаче природного газа в качестве топлива нет никакой необходимости в согласовании метанового числа в случае двигателя MEGI, но в случае двухтопливного двигателя необходимо согласовывать метановое число.
Если сжиженный природный газ нагревается, метановый компонент, имеющий относительно низкую температуру сжижения, испаряется в первую очередь. Следовательно, так как содержание метана в BOG является высоким, BOG может напрямую подаваться в качестве топлива к двухтопливному двигателю. Однако, так как содержание метана в сжиженном природном газе является относительно более низким, чем содержание метана в BOG, метановое число сжиженного природного газа является более низким, чем метановое число, требуемое двухтопливным двигателем. Доли углеводородных компонентов (метана, этана, пропана, бутана и т.п.), составляющих сжиженный природный газ, отличаются для разных производств. Следовательно, недостаточно просто испарять сжиженный природный газ, как он есть, и затем подавать испаренный сжиженный природный газ к двухтопливному двигателю в качестве топлива.
Для того, чтобы регулировать метановое число, компонент тяжелого углеводорода (HHC), имеющего более высокую температуру сжижения, чем метан, может сжижаться и удаляться путем принудительного испарения сжиженного природного газа и понижения температуры сжиженного природного газа. После того, как метановое число отрегулировано, можно дополнительно нагреть природный газ, метановое число которого отрегулировано в соответствии с температурными условиями, требуемыми в двигателе.
Как только судовой двигатель, использующий природный газ в качестве топлива, был разработан и установлен на судне, появилась потребность в установке на судне резервуара для хранения сжиженного природного газа, используемого в качестве топлива.
Примеры морской структуры, снабженной резервуаром для хранения, способным хранить криогенный сжиженный газ, могут включать в себя суда, такие как танкер для сжиженного газа и судно регазификации сжиженного природного газа (LNG RV), или структуры, такие как плавучее хранилище и блок регазификации сжиженного природного газа (LNG FSRU), плавучий блок регазификации сжиженного природного газа (LNG FRU), плавучая система для добычи, хранения и отгрузки сжиженного природного газа (LNG FPSO), плавучее хранилище и электростанция (FSPP), а также установленная на барже электростанция (BMPP).
Cудно регазификации сжиженного природного газа (LNG RV) является самоходным плавучим танкером для сжиженного природного газа, оборудованным средством регазификации сжиженного природного газа, а плавучее хранилище и блок регазификации сжиженного природного газа (LNG FSRU) является морской структурой, которая хранит сжиженный природный газ, выгруженный из танкера для сжиженного природного газа в море вдали от берега, и в случае необходимости подает сжиженный природный газ офшорному потребителю путем газификации сжиженного природного газа. Плавучий блок регазификации сжиженного природного газа (LNG FRU) является морской структурой, которая не имеет функции хранения и подает сжиженный природный газ наземному потребителю путем газификации сжиженного природного газа, работая совместно с отдельным резервуаром для хранения. Плавучая система для добычи, хранения и отгрузки сжиженного природного газа (LNG FPSO) является морской структурой, которая очищает извлеченный сжиженный природный газ в море, хранит его в резервуаре для хранения после прямого сжижения, и в случае необходимости перегружает его на танкер для сжиженного природного газа. Плавучее хранилище и электростанция (FSPP) является структурой, которая оборудуется резервуаром для хранения сжиженного природного газа и средством генерации энергии в корпусе судна, плавающего в море, и производит электричество в морских условиях. Установленная на барже электростанция (BMPP) является структурой, которая оборудуется средством генерации энергии для производства электричества в морских условиях.
Используемый в настоящем документе термин «судно» является концепцией, включающей в себя танкер для сжиженного газа, такой как танкер для сжиженного природного газа, а также структуры, такие как LNG RV, LNG FPSO, LNG FSRU, LNG FRU, FSPP и BMPP.
Далее будут подробно описаны конфигурации и работа предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи. В дополнение к этому, следующие варианты осуществления могут модифицироваться в различных формах и не предназначены для ограничения области охвата настоящего изобретения.
Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Хотя Фиг. 1 иллюстрирует пример, в котором система обработки BOG по настоящему изобретению применена к танкеру для сжиженного природного газа, оборудованному газовым дизелем высокого давления (например, двигателем MEGI) в качестве двигателя судна, способного использовать природный газ в качестве топлива, система обработки BOG по настоящему изобретению также может быть применена к любому типу судов (к танкеру для сжиженного природного газа, к судну регазификации сжиженного природного газа и т.п.) и морских заводов (плавучее хранилище и электростанция, установленная на барже электростанция, плавучий блок регазификации сжиженного природного газа, плавучая система для добычи, хранения и отгрузки сжиженного природного газа, плавучее хранилище и блок регазификации сжиженного природного газа и т.п.), на которых установлен резервуар для хранения сжиженного газа.
В системе обработки BOG для судна в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения испаряющийся газ (NBOG), образующийся и выходящий из резервуара 11 для хранения сжиженного газа, подается по подающему BOG трубопроводу L1, сжимается в компрессоре 13, а затем подается к газовому дизелю высокого давления, например, двигателю MEGI. Испаряющийся газ сжимается при высоком давлении, приблизительно от 150 до 400 бара, компрессором 13, а затем подается в качестве топлива к газовому дизелю высокого давления, например, двигателю MEGI.
Резервуар 11 для хранения имеет герметизирующие и теплоизолирующие стенки для того, чтобы хранить сжиженный газ, такой как сжиженный природный газ, в криогенном состоянии, но не может полностью заблокировать теплопередачу с внешней стороны. Следовательно, сжиженный газ непрерывно испаряется внутри резервуара 11 для хранения. Для того, чтобы поддерживать давление BOG на подходящем уровне, BOG выпускается из резервуара 11 для хранения через трубопровод L1 выпуска BOG.
Выпускной насос 12 устанавливается внутри резервуара 11 для хранения так, чтобы выгружать LNG наружу резервуара 11 для хранения, когда это необходимо.
Компрессор 13 может включать в себя один или более цилиндров 14 сжатия и один или более промежуточных охладителей 15 для охлаждения BOG, температура которого повышается. Компрессор 13 может быть выполнен с возможностью сжатия BOG до давления, например, приблизительно 301 бара. Хотя Фиг. 1 иллюстрирует многоступенчатый компрессор 13 возвратно-поступательного типа, включающий в себя пять цилиндров 14 сжатия и пять промежуточных охладителей 15, количество цилиндров сжатия и количество промежуточных охладителей могут быть изменены при необходимости. В дополнение к этому, множество цилиндров сжатия может быть расположено внутри единственного компрессора, и множество компрессоров может быть соединено друг с другом последовательно.
BOG, сжатый в компрессоре 13, подается к газовому дизелю высокого давления через подающий BOG трубопровод L1. Весь или часть сжатого BOG может подаваться к газовому дизелю высокого давления в соответствии с количеством топлива, необходимым для газового дизеля высокого давления.
В дополнение к этому, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, когда BOG, выходящий из резервуара 11 для хранения и сжатый в компрессоре 13 (то есть весь BOG, выходящий из резервуара для хранения), является первым потоком, первый поток BOG может быть разделен на второй поток и третий поток после сжатия. Второй поток может быть подан в качестве топлива к газовому дизелю высокого давления, а третий поток может сжижаться и возвращаться в резервуар 11 для хранения.
В это время второй поток подается к газовому дизелю высокого давления через подающий BOG трубопровод L1. Третий поток возвращается в резервуар 11 для хранения через трубопровод L3 возврата BOG. Теплообменник 21 устанавливается в трубопроводе L3 возврата BOG так, чтобы сжижать третий поток сжатого BOG. Третий поток сжатого BOG в теплообменнике 21 обменивается теплом с первым потоком BOG, выходящим из резервуара 11 для хранения, а затем подается к компрессору 13.
Так как скорость первого потока BOG перед сжатием больше, чем скорость третьего потока, третий поток сжатого BOG может быть охлажден за счет энергии холода от первого потока BOG перед сжатием. По существу в теплообменнике 21 BOG в состоянии высокого давления охлаждается (то есть, по меньшей мере частично сжижается) за счет теплообмена между BOG криогенной температуры, выходящим непосредственно из резервуара 11 для хранения, и BOG в состоянии высокого давления, сжатым в компрессоре 13.
Испаряющийся газ (LBOG), сжиженный в теплообменнике 21, декомпрессируется при прохождении через расширительный клапан 22, и подается к газо-жидкостному сепаратору 23 в смешанном газо-жидкостном состоянии. LBOG может быть декомпрессирован до приблизительно атмосферного давления при прохождении через расширительный клапан 22. BOG, который является по меньшей мере частично сжиженным, разделяется на газовый и жидкий компоненты в газо-жидкостном сепараторе 23. Жидкий компонент, то есть сжиженный природный газ, передается в резервуар 11 для хранения через трубопровод L3 возврата BOG, а газовый компонент, то есть, BOG, выпускается из резервуара 11 для хранения через линию L5 рециркуляции BOG и объединяется с BOG, подаваемым в компрессор 13. Более конкретно, линия L5 рециркуляции BOG проходит от верхнего конца газо-жидкостного сепаратора 23 и соединяется с трубопроводом L1 подачи BOG перед теплообменником 21.
В дополнение к возврату в резервуар 11 для хранения жидкий компонент может подаваться в отдельный резервуар (не показан) и храниться в нем. Кроме того, система может конфигурироваться таким образом, что вместо разделения BOG на жидкий компонент и газовый компонент в газо-жидкостном сепараторе 23, расширенный BOG напрямую возвращается в резервуар 11 для хранения, не проходя через газо-жидкостный сепаратор 23 (то есть без включения газо-жидкостного сепаратора в систему).
Для удобства объяснения было описано, что теплообменник 21 устанавливается в трубопроводе L3 возврата BOG, но теплообменник 21 может быть установлен в трубопроводе L1 подачи BOG, потому что теплообмен фактически выполняется между первым потоком BOG, проходящим через трубопровод L1 подачи BOG и третьим потоком BOG, проходящим через трубопровод L3 возврата BOG.
Было описано, что BOG, сжатый в компрессоре 13, охлаждается и сжижается в теплообменнике 21. Однако, когда BOG, сжатый в компрессоре 13, находится под высоким давлением и при высокой температуре, BOG, подаваемый к теплообменнику 21, может находиться в сверхкритическом состоянии, в котором нельзя отличить газ от жидкости. Следовательно, строго говоря, когда давление уменьшается средством декомпрессии, таким как клапан 22 расширения, установленный со стороны выхода из теплообменника 21 в соответствии с условиями давления и температуры BOG, BOG может перейти в жидкое (или по меньшей мере частично жидкое) состояние. В данном описании выражение «BOG сжижается в теплообменнике 21» должно рассматриваться как включающее в себя как случай, в котором BOG охлаждается и сжижается в теплообменнике, так и случай, в котором BOG переходит в жидкое (или по меньшей мере в частично жидкое) состояние по мере того, как BOG охлаждается в теплообменнике и затем декомпрессируется в средстве декомпрессии.
Другой расширительный клапан 24 может быть дополнительно установлен на линии L5 рециркуляции BOG. Следовательно, газовый компонент, выходящий из газо-жидкостного сепаратора 23, может быть декомпрессирован при проходе через расширительный клапан 24. В дополнение к этому, охладитель 25 устанавливается на линии L5 рециркуляции BOG так, чтобы дополнительно охладить третий поток путем теплообмена между третьим потоком BOG, сжижаемым в теплообменнике 21 и подаваемым к газо-жидкостному сепаратору 23, и газовым компонентом, отделенным в газо-жидкостном сепараторе 23 и проходящим по линии L5 рециркуляции BOG. Таким образом, охладитель 25 дополнительно охлаждает BOG, находящийся в жидком состоянии под высоким давлением, природным газом низкого давления, находящимся в криогенном газовом состоянии.
Для удобства объяснения было описано, что охладитель 25 устанавливаются на линии L5 рециркуляции BOG, но охладитель 25 может быть установлен в трубопроводе L3 возврата BOG, потому что теплообмен фактически выполняется между третьим потоком BOG, проходящим через трубопровод L3 возврата BOG, и газовым компонентом, проходящим через линию L5 рециркуляции BOG.
Охладитель 25 может быть опущен. В случае, когда охладитель 25 опускается, эффективность повторного сжижения может слегка уменьшиться, но зато можно сэкономить на затратах на установку холодильника, и схема трубопровода и работа системы могут быть упрощены, повышая тем самым эффективность работы.
Между тем, когда ожидается, что будет образовываться избыток BOG, потому что количество BOG, образующееся в резервуаре 11 для хранения, больше чем количество топлива, необходимое для газового дизеля высокого давления, сжатый BOG или BOG, ступенчато сжимаемый в компрессоре 13, отбирается через ответвления BOG L7 и L8 и затем используется в средствах потребления BOG. Примеры средств потребления BOG могут включать в себя GCU, двухтопливный генератор (DFDG) и газовую турбину, каждый из которых может использовать в качестве топлива природный газ, имеющий относительно более низкое давление, чем двигатель MEGI.
Как было описано выше, в системе и способе обработки BOG в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, BOG, образующийся во время транспортировки груза (то есть сжиженного природного газа) в танкере для сжиженного природного газа, может использоваться в качестве топлива для двигателя, или может повторно сжижаться, возвращаться в резервуар для хранения, и храниться в нем. Следовательно, количество BOG, потребляемого в GCU и т.п., может быть уменьшено или сведено к нулю. Кроме того, BOG может обрабатываться с помощью повторного сжижения без установки устройств для повторного сжижения, использующих отдельные охладители, такие как азот.
В дополнение к этому, в системе и способе обработки BOG в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, поскольку нет необходимости в установке устройства повторного сжижения, использующего отдельные охладители (то есть цикл охлаждения азотом, цикл охлаждения смешанным охладителем и т.п.), устраняется необходимость в отдельной установке средств для подачи и хранения охладителей. Следовательно, возможно сэкономить на стоимости первоначальной установки, а также на стоимости эксплуатационных расходов при конфигурировании всей системы.
Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Система обработки BOG в соответствии со вторым вариантом осуществления отличается от системы обработки BOG в соответствии с первым вариантом осуществления тем, что сжиженный природный газ может использоваться после принудительного испарения, когда количество BOG, необходимое для двигателя MEGI или двухтопливного генератора, больше чем количество BOG, естественным образом образующегося в резервуаре 11 для хранения. В дальнейшем более подробно будут описаны только отличия от системы обработки BOG первого варианта осуществления.
Система обработки BOG для судна в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения по существу идентична системе обработки BOG в соответствии с первым вариантом осуществления в том, что испаряющийся газ (NBOG), образующийся и выходящий из резервуара 11 для хранения сжиженного газа, передаются по трубопроводу L1 подачи BOG, сжимается в компрессоре 13, а затем подается к газовому дизелю высокого давления, например, двигателю MEGI, или NBOG подается к двухтопливному двигателю (двухтопливному генератору), подвергаясь многоступенчатому сжатию в компрессоре 13, и затем используется в качестве топлива.
Однако система обработки BOG в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя линию L11 принудительного испарения, так что сжиженный природный газ, хранящийся в резервуаре 11 для хранения, может быть испарен в принудительном испарителе 31, а затем подан к компрессору 13, когда количество BOG, требуемого в качестве топлива в газовом дизеле высокого давления или в двухтопливном двигателе, больше чем количество BOG, естественным образом образующегося в резервуаре 11 для хранения.
Когда предусматривается линия L11 принудительного испарения, как во втором варианте осуществления, топливо может устойчиво подаваться, даже когда производится небольшое количество BOG, потому что небольшое количество сжиженного природного газа хранится в резервуаре 11 для хранения, или когда количество BOG, требуемого в качестве топлива в различных двигателях, больше чем количество BOG, естественным образом образующегося в резервуаре 11 для хранения.
Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующая состояние, в котором система обработки BOG в соответствии с настоящим изобретением используется вместе с системой подачи топливного газа для подачи топлива к двигателю.
Фиг. 3 иллюстрирует состояние, в котором система обработки BOG согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, изображенная на Фиг. 1, комбинируется с системой подачи топливного газа, но система обработки BOG согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения также может использоваться в комбинации с системой подачи топливного газа.
Система подачи топливного газа для судна в соответствии с настоящим изобретением, проиллюстрированная на Фиг. 3, включает в себя газовый дизель высокого давления (например, двигатель MEGI) в качестве основного двигателя и двухтопливный двигатель (двухтопливный генератор: DFDG) в качестве вспомогательного двигателя. Обычно основной двигатель используется для движения судна, а вспомогательный двигатель используется для генерирования энергии и подачи электропитания к различным устройствам и средствам, установленным на судне. Однако настоящее изобретение не ограничивается целями основного двигателя и вспомогательного двигателя. Может быть установлено множество основных двигателей и множество вспомогательных двигателей.
Система подачи топливного газа для судна в соответствии с настоящим изобретением конфигурируется таким образом, что природный газ, хранящийся в резервуаре 11 для хранения (то есть BOG в газообразном состоянии и LNG в жидком состоянии), может подаваться в качестве топлива к двигателям (то есть к двигателю MEGI, служащему основным двигателем, и к двухтопливному двигателю, служащему вспомогательным двигателем).
Для того, чтобы подать BOG в газообразном состоянии в качестве топливного газа, система подачи топливного газа в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает в себя главный трубопровод L1 подачи BOG, служащий в качестве линии подачи BOG для снабжения основного двигателя BOG, хранящимся в резервуаре 11 для хранения, а также вспомогательный трубопровод L8 подачи BOG, ответвляющийся от главного трубопровода L1 подачи BOG для снабжения вспомогательного двигателя. Главный трубопровод L1 подачи BOG имеет ту же самую конфигурацию, что и трубопровод L1 подачи BOG, проиллюстрированный на Фиг. 1 и Фиг. 2. Однако, в описании, данном ссылками на Фиг. 3, этот трубопровод подачи BOG упоминается как главный трубопровод L1 подачи BOG, чтобы отличать его от трубопровода подачи BOG для двухтопливного двигателя (то есть вспомогательного трубопровода L8 подачи BOG).
Для того, чтобы подать сжиженный природный газ в жидком состоянии в качестве топливного газа, система подачи топливного газа в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает в себя главный трубопровод L23 подачи LNG, служащий в качестве линии подачи LNG для снабжения основного двигателя LNG, хранящимся в резервуаре 11 для хранения, а также вспомогательный трубопровод L24 подачи LNG, ответвляющийся от главного трубопровода L23 подачи LNG для снабжения вспомогательного двигателя.
В соответствии с данным вариантом осуществления компрессор 13 для сжатия BOG устанавливается в главном трубопроводе L1 подачи BOG, а насос 43 высокого давления для сжатия сжиженного природного газа устанавливается в главном трубопроводе L23 подачи LNG.
NBOG, образующийся в резервуаре 11 для хранения сжиженного газа и выходящий через клапан 41 выпуска BOG, проходит по главному трубопроводу L1 подачи BOG, сжимается в компрессоре 13, а затем подается к газовому дизелю высокого давления, например, двигателю MEGI. BOG сжимается до высокого давления, приблизительно от 150 до 400 бара, компрессором 13, а затем подается к газовому дизелю высокого давления.
Резервуар 11 для хранения имеет герметизирующие и теплоизолирующие стенки для того, чтобы хранить сжиженный газ, такой как сжиженный природный газ, в криогенном состоянии, но не может полностью заблокировать теплопередачу с внешней стороны. Следовательно, сжиженный газ непрерывно испаряется внутри резервуара 11 для хранения, и BOG из резервуара 11 для хранения выпускается для того, чтобы поддерживать давление BOG на подходящем уровне.
Компрессор 13 может включать в себя один или более цилиндров 14 сжатия и один или более промежуточных охладителей 15 для охлаждения BOG, температура которого повышается. Компрессор 13 может быть выполнен с возможностью сжатия BOG до давления, например, приблизительно 301 бара. Хотя Фиг. 1 иллюстрирует многоступенчатый компрессор 13, включающий в себя пять цилиндров 14 сжатия и пять промежуточных охладителей 15, количество цилиндров сжатия и количество промежуточных охладителей могут быть изменены при необходимости. В дополнение к этому, множество цилиндров сжатия может быть расположено внутри единственного компрессора, и множество компрессоров может быть соединено друг с другом последовательно.
BOG, сжатый в компрессоре 13, подается к газовому дизелю высокого давления через главный трубопровод L1 подачи BOG. Весь или часть сжатого BOG может подаваться к газовому дизелю высокого давления в соответствии с количеством топлива, необходимым для газового дизеля высокого давления.
Вспомогательный трубопровод L8 подачи BOG для подачи топливного газа к вспомогательному двигателю (то есть к двухтопливному двигателю) ответвляется от главного трубопровода L1 подачи BOG. Более конкретно, вспомогательный трубопровод L8 подачи BOG ответвляется от главного трубопровода L1 подачи BOG таким образом, что BOG может ответвляться в процессе его многоступенчатого сжатия в компрессоре 13. Хотя Фиг. 1 иллюстрирует, что BOG отбирается после второй ступени сжатия, и часть BOG подается к вспомогательному двигателю через вспомогательный трубопровод L8 подачи BOG, это является всего лишь примером.
Требуемое давление для двухтопливного двигателя (например, DFDG), служащего в качестве вспомогательного двигателя, является более низким, чем давление, требуемое для двигателя MEGI. Следовательно, когда BOG, сжатый до высокого давления, ответвляется в заднем конце компрессора 13, это является неэффективным, потому что давление BOG должно быть снова понижено для его подачи к вспомогательному двигателю.
Как описано выше, если сжиженный природный газ нагревается, метановый компонент, имеющий относительно низкую температуру сжижения, испаряется в первую очередь. Следовательно, так как содержание метана в BOG является высоким, BOG может напрямую подаваться в качестве топлива к двухтопливному двигателю. Следовательно, нет необходимости в установке отдельных устройств для регулирования метанового числа в главном трубопроводе подачи BOG и вспомогательном трубопроводе подачи BOG.
Между тем, когда ожидается избыточное образование BOG, потому что количество BOG, образующегося в резервуаре 11 для хранения, больше чем количество топлива, необходимое для основного двигателя и вспомогательного двигателя, BOG может повторно сжижаться с помощью системы обработки BOG по настоящему изобретению и возвращаться в резервуар для хранения.
Когда количество образующегося BOG превышает мощности повторного сжижения, сжатый BOG или BOG, ступенчато сжимаемый в компрессоре 13, может отбираться через линию L7 ответвления BOG и использоваться в средствах потребления BOG. Примеры средств потребления BOG могут включать в себя GCU и газовую турбину, каждый из которых может использовать в качестве топлива природный газ, имеющий относительно более низкое давление, чем двигатель MEGI. Как проиллюстрировано на Фиг. 3, линия L7 ответвления BOG может ответвляться от вспомогательного трубопровода L8 подачи BOG.
Так как процесс, в котором по меньшей мере часть BOG, сжатого в компрессоре 13, а затем подаваемого к газовому дизелю высокого давления через трубопровод L1 подачи BOG, обрабатывается через трубопровод L3 возврата BOG, то есть повторно сжижается и возвращается в резервуар 11 для хранения, является идентичным описанному со ссылками на Фиг. 1 и Фиг. 2, его подробное описание будет опущено.
Выпускной насос 12 и насос 43 высокого давления устанавливаются в главном трубопроводе L23 подачи сжиженного природного газа. Выпускной насос 12 устанавливается внутри резервуара 11 для хранения и выполнен с возможностью выгрузки сжиженного природного газа наружу из резервуара 11 для хранения. Насос 43 высокого давления выполнен с возможностью вторичного сжатия сжиженного природного газа, который предварительно сжимается в выпускном насосе 12, до давления, необходимого для двигателя MEGI. Выпускной насос 12 может быть установлен в каждом резервуаре 11 для хранения. Хотя только один насос 43 высокого давления проиллюстрирован на Фиг. 3, множество насосов высокого давления может быть соединено параллельно при необходимости.
Как было описано выше, давление топливного газа, необходимое для двигателя MEGI, является высоким давлением, составляющим приблизительно от 150 до 400 бара (абсолютного давления).
Сжиженный природный газ, выгруженный из резервуара 11 для хранения, через выпускной насос 12 передается по главному трубопроводу L23 подачи сжиженного природного газа, а затем подается к насосу 43 высокого давления. Затем сжиженный природный газ сжимается до высокого давления в насосе 43 высокого давления, подается к испарителю 44 и испаряется в испарителе 44. Испаренный сжиженный природный газ подается в качестве топлива к газовому дизелю высокого давления, то есть к двигателю MEGI. Так как давление, необходимое для двигателя MEGI, соответствует сверхкритическому состоянию, сжиженный природный газ, сжатый до высокого давления, находится в состоянии, которое не является ни газом, ни жидкостью. Следовательно, необходимо учитывать, что выражение «испарение сжиженного природного газа, сжатого до высокого давления в испарителе 44» означает повышение температуры сжиженного природного газа, находящегося в сверхкритическом состоянии, до температуры, необходимой для двигателя MEGI.
Вспомогательный трубопровод L24 подачи сжиженного природного газа для подачи топливного газа к вспомогательному двигателю (то есть к двухтопливному двигателю) ответвляется от главного трубопровода L23 подачи сжиженного природного газа. Более конкретно, вспомогательный трубопровод L24 подачи сжиженного природного газа ответвляется от главного трубопровода L23 подачи сжиженного природного газа таким образом, что сжиженный природный газ может быть отобран до того, как он будет сжат в насосе 43 высокого давления.
Испаритель 45, газо-жидкостный сепаратор 46 и нагреватель 47 устанавливаются во вспомогательном трубопроводе L24 подачи сжиженного природного газа так, чтобы отрегулировать метановое число и температуру сжиженного природного газа, подаваемого в качестве топлива, до значений, требуемых в двухтопливном двигателе.
Как было описано выше, поскольку содержание метана в сжиженном природном газе является относительно низким, метановое число сжиженного природного газа является более низким, чем метановое число, требуемое в двухтопливном двигателе. Доли углеводородных компонентов (метана, этана, пропана, бутана и т.п.), составляющих сжиженный природный газ, отличаются для разных производств. Следовательно, недостаточно просто испарять сжиженный природный газ, как он есть, и затем подавать испаренный сжиженный природный газ к двухтопливному двигателю в качестве топлива.
Для того, чтобы отрегулировать метановое число, сжиженный природный газ нагревается и частично испаряется в испарителе 45. Топливный газ, частично испаренный в состояние, в котором смешаны газовое состояние (то есть природный газ) и жидкое состояние (то есть сжиженный природный газ), подается к газо-жидкостному сепаратору 46 и разделяется на газ и жидкость. Так как температура парообразования компонента тяжелых углеводородов (HHC), имеющего высокую теплотворную способность, является относительно высокой, доля компонента HHC относительно увеличивается в сжиженном природном газе, находящемся в жидком состоянии, который остается неиспаренным в частично испаренном BOG. Следовательно, метановое число топливного газа может быть увеличено путем отделения жидкого компонента в газо-жидкостном сепараторе 46, то есть путем отделения компонента HHC.
Для того, чтобы получить подходящее метановое число, температура нагрева в испарителе 45 может регулироваться с учетом доли углеводородного компонента, включенного в сжиженный природный газ, метанового числа, требуемого в двигателе, и т.п. Температура нагрева в испарителе 45 может быть определена в диапазоне от -80°C до -120°C. Жидкий компонент, отделенный от топливного газа в газо-жидкостном сепараторе 46, возвращается в резервуар 11 для хранения через линию L5 возврата жидкого компонента. Трубопровод L3 возврата BOG и линия L25 возврата жидкого компонента могут проходить к резервуару 11 для хранения после их соединения друг с другом.
Топливный газ, метановое число которого отрегулировано, подается к нагревателю 47 через вспомогательный трубопровод L24 подачи сжиженного природного газа, дополнительно нагревается до температуры, требуемой во вспомогательном двигателе, а затем подается в качестве топлива к вспомогательному двигателю. Например, когда вспомогательный двигатель является двухтопливным генератором, требуемое метановое число обычно составляет 80 или больше. Например, в случае обычного сжиженного природного газа (как правило, метан: 89,6%, азот: 0,6%), метановое число до отделения компонента HHC составляет 71,3, и нижняя теплотворная способность (LHV) в этот момент составляет 48872,8 кДж/кг (при давлении насыщенного пара 1 атм). Когда компонент HHC удаляется путем сжатия обычного сжиженного природного газа до давления 7 бара и нагрева его до температуры -120°C, метановое число увеличивается до 95,5, а LHV становится равной 49265,6 кДж/кг.
В соответствии с данным вариантом осуществления имеется два прохода, через которые топливный газ подается к двигателям (к основному двигателю и к вспомогательному двигателю). Таким образом, топливный газ может быть подан к двигателям после его сжатия в компрессоре 13, или может быть подан к двигателям после его сжатия насосом 43 высокого давления.
В частности судно, такое как танкер для сжиженного природного газа или судно регазификации сжиженного природного газа, используется для транспортировки LNG от промплощадки к потребителю. Следовательно, во время рейса к потребителю судно плывет в загруженном состоянии, в котором резервуар для хранения полностью загружен сжиженным природным газом. При возвращении на промплощадку после разгрузки LNG судно плывет в состоянии балласта, в котором резервуар для хранения является почти пустым. В загруженном состоянии образуется большое количество BOG, потому что количество сжиженного природного газа является относительно большим. В состоянии балласта образуется относительно небольшое количество BOG, потому что количество сжиженного природного газа является малым.
3
3
Хотя существуют различия в соответствии с емкостью резервуара для хранения, наружной температурой и т.п., количество BOG, образующегося, когда емкость резервуара для хранения LNG составляет приблизительно от 130000 мдо 350000 м, составляет от 3 до 4 т/час в загруженном состоянии и от 0,3 до 0,4 т/ч в состоянии балласта. В дополнение к этому, количество топливного газа, необходимого для двигателей, составляет приблизительно от 1 до 4 т/ч (приблизительно 1,5 т/ч в среднем) в случае двигателя MEGI, и составляет приблизительно 0,5 т/ч в случае двухтопливного двигателя (DFDG). Тем временем в последние годы, поскольку коэффициент утечки паров (BOR) имел тенденцию к снижению благодаря улучшению эффективности теплоизоляции резервуара для хранения, количество образующегося BOG имело тенденцию к уменьшению.
Следовательно, в случае, в котором как компрессорная линия (то есть линии L1 и L8 на Фиг. 3), так и линия насоса высокого давления (то есть линии L23 и L24 на Фиг. 3) предусматриваются как система подачи топливного газа данного варианта осуществления, предпочтительно, чтобы топливный газ подавался к двигателям через линию компрессора в загруженном состоянии, в котором образуется большое количество BOG, и через линии насоса высокого давления в состоянии балласта, в котором образуется небольшое количество BOG.
Обычно энергия, необходимая компрессору для сжатия газа (BOG) до высокого давления, составляющего приблизительно от 150 до 400 бара (абсолютного давления), требуемого в двигателе MEGI, является значительно большей, чем энергия, необходимая насосу для сжатия жидкости (LNG). Компрессор для сжатия газа до высокого давления является очень дорогим и занимает много места. Следовательно, можно считать, что использование одной только линии насоса высокого давления без какой-либо линии сжатия является рентабельным. Например, 2 МВт мощности потребляется для подачи топлива к двигателю MEGI за счет привода одного набора многоступенчатого компрессора. Однако, если используется насос высокого давления, потребляется 100 кВт мощности. Однако, когда топливный газ подается к двигателям с использованием одной только линии насоса высокого давления в загруженном состоянии, обязательно требуется устройство повторного сжижения BOG для того, чтобы непрерывно обрабатывать BOG, образующийся в резервуаре для хранения. При рассмотрении энергии, потребляемой в устройстве повторного сжижения, выгодно, чтобы были установлены как линия компрессора, так и линия насоса высокого давления, топливный газ подавался через линию компрессора в загруженном состоянии, и через линию насоса высокого давления в состоянии балласта.
Между тем, так же как и в состоянии балласта, когда количество BOG, образующегося в резервуаре для хранения, меньше чем количество топлива, необходимое для двигателя MEGI, может быть эффективным отбирать BOG через вспомогательный трубопровод L8 подачи BOG в процессе его многоступенчатого сжатия и использовать отобранный BOG в качестве топлива для двухтопливного двигателя, не сжимая BOG в многоступенчатом компрессоре до высокого давления, требуемого для двигателя MEGI. Таким образом, например, если BOG подается к двухтопливному двигателю после его прохождения через цилиндры второй ступени сжатия 5-ступенчатого компрессора, оставшиеся цилиндры сжатия трех ступеней будут работать вхолостую. 2 МВт мощности требуется тогда, когда BOG сжимается всеми пятью ступенями компрессора. 600 кВт мощности требуется тогда, когда для сжатия используются только первые две ступени, а оставшиеся цилиндры сжатия трех ступеней работают вхолостую. 100 кВт мощности требуется тогда, когда топливо подается к двигателю MEGI через насос высокого давления. Следовательно, так же как и в состоянии балласта, когда количество образующегося BOG меньше чем количество топлива, необходимое для двигателя MEGI, с точки зрения энергетической отдачи выгодно потреблять все количество BOG в двухтопливном двигателе и т.п., и подавать сжиженный природный газ в качестве топлива через насос высокого давления.
Однако в случае необходимости, даже когда количество образующегося BOG меньше чем количество топлива, необходимое для двигателя MEGI, сжиженный природный газ может быть принудительно испарен и подан в таком количестве, которого не хватает для подачи BOG в качестве топлива к двигателю MEGI через компрессор. Тем временем, поскольку количество образующегося BOG является небольшим в состоянии балласта, BOG не выпускается, а накапливается до тех пор, пока резервуар для хранения не достигнет заданного давления, и периодически выпускается и подается в качестве топлива к двухтопливному двигателю или двигателю MEGI вместо того, чтобы выпускать и потреблять BOG постоянно.
В дополнение к этому, на судах, где достаточно сложно ремонтировать и заменять оборудование, важные средства должны быть установлены по два с учетом возможности аварии (дублирование, т.е. резервное оборудование). Таким образом, требуется дублирование важных средств, так чтобы дополнительные средства, способные выполнять ту же самую функцию, что и главное средство, а также дополнительное оборудование находились в резервном состоянии во время нормального функционирования главного средства и принимали на себя функцию главного средства, когда главное средство не работает из-за сбоя. Примеры средств, требующих дублирования, могут включать в себя вращающиеся средства, например, компрессоры или насосы.
По существу различные средства должны быть дублированы на судне так, чтобы удовлетворять только требованиям дублирования, а не использоваться в регулярном режиме. Система подачи топливного газа, использующая две линии сжатия требует больших затрат и большого пространства для установки компрессора. При использовании такой системы подачи топливного газа расходуется много энергии. Система подачи топливного газа, использующая две линии насоса высокого давления может потреблять много энергии при обработке (повторном сжижении) BOG. С другой стороны, в системе подачи топливного газа по настоящему изобретению, в которой устанавливаются одна линия компрессора и одна линия насоса высокого давления, даже когда происходит проблема с одной из линий подачи топливного газа, судно может продолжать плыть, используя другую линию подачи топливного газа. Дорогие компрессоры используются меньше, и оптимальный способ снабжения топливного газа может быть соответственно выбран и использован в соответствии с количеством образующегося BOG. Следовательно, можно сэкономить на операционных затратах, а также на капитальных затратах при постройке корабля.
Как проиллюстрировано на Фиг. 3, когда система обработки BOG и система подачи топливного газа комбинируются в соответствии с настоящим изобретением, BOG, образующийся во время транспортировки груза (то есть сжиженного природного газа) в танкере для сжиженного природного газа, может использоваться в качестве топлива для двигателя, или может повторно сжижаться, возвращаться в резервуар для хранения и храниться в нем. Следовательно, количество BOG, потребляемого в GCU и т.п., может быть уменьшено или сведено к нулю. Кроме того, BOG может обрабатываться с помощью повторного сжижения без установки устройств для повторного сжижения, использующих отдельные охладители, такие как азот.
В соответствии с настоящим изобретением, несмотря на последнюю тенденцию, что количество образующегося BOG увеличивается благодаря увеличенной емкости резервуара для хранения, а необходимое количество топлива уменьшается благодаря улучшенной эффективности двигателя, BOG, остающийся после использования в качестве топлива для двигателя, может повторно сжижаться и возвращаться в резервуар для хранения, предотвращая тем самым выбросы BOG.
В частности, в системе и способе обработки BOG в соответствии с настоящим вариантом осуществления, поскольку нет необходимости в установке устройства повторного сжижения, использующего отдельные охладители (то есть цикл охлаждения азотом, цикл охлаждения смешанным охладителем и т.п.), устраняется необходимость в отдельной установке средств для подачи и хранения охладителей. Следовательно, возможно сэкономить на стоимости первоначальной установки, а также на стоимости эксплуатационных расходов при конфигурировании всей системы.
Фиг. 4 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Хотя Фиг. 4 иллюстрирует пример, в котором система обработки BOG по настоящему изобретению применяется к танкеру для сжиженного природного газа, оборудованному двухтопливным двигателем, способным использовать природный газ в качестве топлива (то есть двигательной установкой, например, двигательной установкой DFDE, которая использует сжиженный природный газ в качестве топлива), система обработки BOG (то есть система частичного сжижения BOG) по настоящему изобретению также может быть применена к любому типу судов (к танкеру для сжиженного природного газа, к судну регазификации сжиженного природного газа и т.п.) и морских заводов (плавучее хранилище и электростанция, установленная на барже электростанция, плавучий блок регазификации сжиженного природного газа, плавучая система для добычи, хранения и отгрузки сжиженного природного газа, плавучее хранилище и блок регазификации сжиженного природного газа и т.п.), в котором устанавливается резервуар для хранения сжиженного газа.
В системе обработки BOG для судна в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения испаряющийся газ (NBOG), образующийся и выходящий из резервуара 11 для хранения сжиженного газа, передается по трубопроводу L1 подачи BOG и подается к компрессору 13. Компрессор 13 может быть многоступенчатым компрессором. Как описано ниже, BOG при сжатии в многоступенчатом компрессоре 13 может быть сжат до давления приблизительно 7 бара. Затем BOG может быть отобран на средней стадии (то есть стадии до конечной стадии сжатия) и подан потребителю, то есть двигательной установке (например, DFDE), использующей сжиженный природный газ в качестве топлива, по линии L2 подачи топлива. BOG, остающийся после подачи к DFDE, может быть сжат компрессором до высокого давления, равного приблизительно от 100 до 400 бара. Затем, как описано ниже, BOG может сжижаться при прохождении через трубопровод L3 возврата BOG, а затем возвращаться в резервуар 11 для хранения.
Резервуар для хранения имеет герметизирующие и теплоизолирующие стенки для того, чтобы хранить сжиженный газ, такой как сжиженный природный газ, в криогенном состоянии, но не может полностью заблокировать теплопередачу с внешней стороны. Следовательно, сжиженный газ непрерывно испаряется внутри резервуара 11 для хранения, и BOG из резервуара 11 для хранения выпускается через трубопровод L1 подачи BOG для того, чтобы поддерживать давление BOG на подходящем уровне.
Выпускной насос 12 устанавливается внутри резервуара 11 для хранения так, чтобы выгружать сжиженный природный газ наружу из резервуара для хранения, когда это необходимо. Хотя это и не проиллюстрировано на Фиг. 4, когда количество BOG, выходящего из резервуара 11 для хранения, меньше чем количество топлива, требуемое в двигателе DFDE, BOG может быть получен путем выгрузки сжиженного природного газа выпускным насосом 12, а затем принудительного выпаривания сжиженного природного газа, и полученный таким образом BOG может быть подан к компрессору 13 через трубопровод L1 подачи BOG.
Компрессор 13 может включать в себя один или более цилиндров 14 сжатия и один или более промежуточных охладителей 15 для охлаждения BOG, температура которого повышается при сжатии. Компрессор 13 может быть выполнен с возможностью сжатия BOG до давления, например, приблизительно 400 бара. Хотя Фиг. 4 иллюстрирует многоступенчатый компрессор 13 возвратно-поступательного типа, включающий в себя пять цилиндров 14 сжатия и пять промежуточных охладителей 15, количество цилиндров сжатия и количество промежуточных охладителей могут быть изменены при необходимости. В дополнение к этому, множество цилиндров сжатия может быть расположено внутри единственного компрессора, и множество компрессоров может быть соединено друг с другом последовательно.
BOG, сжатый на средней ступени компрессора 13, например, BOG, сжатый на второй ступени до давления приблизительно 7 бара, отбирается и подается через линию L2 подачи топлива потребителю, например, двухтопливному двигателю (то есть двигателю DFDE). Весь или часть BOG может подаваться в соответствии с количеством топлива, требуемым для двигателя.
Таким образом, в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, когда BOG, выходящий из резервуара 11 для хранения и подаваемый в компрессор 13 (то есть весь BOG, выходящий из резервуара для хранения), является первым потоком, первый поток BOG может быть разделен на второй поток и третий поток внутри компрессора 13. Второй поток может быть подан в качестве топлива к двухтопливному двигателю (то есть к двигателю DFDE), а третий поток может сжижаться и возвращаться в резервуар для хранения.
В это время второй поток подается к двигателю DFDE через линию L2 подачи топлива, а третий поток возвращается в резервуар 11 для хранения через трубопровод L3 возврата BOG. Теплообменник 21 устанавливается в трубопроводе L3 возврата BOG так, чтобы сжижать третий поток сжатого BOG. Теплообменник 21 осуществляет обмен теплом между третьим потоком сжатого BOG и первым потоком BOG, выходящим из резервуара 11 для хранения и подаваемым к компрессору 13.
Так как скорость первого потока BOG перед сжатием больше, чем скорость третьего потока, третий поток сжатого BOG может быть охлажден (то есть по меньшей мере частично сжижен) за счет энергии холода от первого потока BOG перед сжатием. По существу в теплообменнике 21 BOG в состоянии высокого давления охлаждается (сжижается) за счет теплообмена между BOG криогенной температуры, выходящим непосредственно из резервуара 11 для хранения, и BOG в состоянии высокого давления, сжатым в компрессоре 13.
LBOG, охлажденный в теплообменнике 21, декомпрессируется при прохождении через средство 22 декомпрессии (например, дроссельный клапан Джоуля-Томпсона или расширитель), и подается к газо-жидкостному сепаратору 23 в смешанном газо-жидкостном состоянии. LBOG может быть декомпрессирован до приблизительно атмосферного давления (например, декомпрессирован от 300 бар до 3 бар) при прохождении через средство 22 расширения. Сжиженный BOG разделяется на газовый и жидкий компоненты в газо-жидкостном сепараторе 23. Жидкий компонент, то есть сжиженный природный газ, передается в резервуар 11 для хранения через трубопровод L3 возврата BOG, а газовый компонент, то есть BOG, выгружается через линию L5 рециркуляции BOG и объединяется с BOG, выходящим из резервуара 11 для хранения, и подается к компрессору 13. Более конкретно, линия L5 рециркуляции BOG проходит от верхнего конца газо-жидкостного сепаратора 23 и соединяется с трубопроводом L1 подачи BOG перед теплообменником 21.
Для удобства объяснения было описано, что теплообменник 21 устанавливается в трубопроводе L3 возврата BOG, но теплообменник 21 может быть установлен в трубопроводе L1 подачи BOG, потому что теплообмен фактически выполняется между первым потоком BOG, проходящим через трубопровод L1 подачи BOG и третьим потоком BOG, проходящим через трубопровод L3 возврата BOG.
Другое средство 24 расширения (например, дроссельный клапан Джоуля-Томпсона или расширитель, именуемый в дальнейшем «второе средство 24 расширения») может быть дополнительно установлено на линии L5 рециркуляции BOG. Следовательно, газовый компонент, выходящий из газо-жидкостного сепаратора 23, может быть декомпрессирован при проходе через второе средство 24 расширения. Второе средство 24 расширения может использоваться для регулирования внутреннего давления в газо-жидкостном сепараторе 23 и может поддерживать давление природного газа в жидком состоянии, возвращаемого из газо-жидкостного сепаратора 23 в резервуар 11 для хранения, так, чтобы оно было гарантированно выше, чем внутреннее давление в резервуаре для хранения. В дополнение к этому, второе средство 24 расширения регулирует давление выходной стороны второго средства 24 расширения в линии L5 рециркуляции BOG так, чтобы природный газ в газообразном состоянии мог быть беспроблемно объединен с BOG, передаваемым по трубопроводу L1 подачи BOG.
В дополнение к этому, охладитель 25 устанавливается на линии L5 рециркуляции BOG так, чтобы дополнительно охладить третий поток путем теплообмена между третьим потоком BOG, сжижаемым в теплообменнике 21 и подаваемым к газо-жидкостному сепаратору 23, и газовым компонентом, отделенным в газо-жидкостном сепараторе 23 и проходящим по линии L5 рециркуляции BOG. Таким образом, охладитель 25 дополнительно охлаждает BOG, находящийся в жидком состоянии под высоким давлением, природным газом низкого давления, находящимся в криогенном газовом состоянии.
Для удобства объяснения было описано, что охладитель 25 устанавливаются на линии L5 рециркуляции BOG, но охладитель 25 может быть установлен в трубопроводе L3 возврата BOG, потому что теплообмен фактически выполняется между третьим потоком BOG, проходящим через трубопровод L3 возврата BOG, и газовым компонентом, проходящим через линию L5 рециркуляции BOG.
Между тем, когда ожидается, что будет образовываться избыток BOG, потому что количество BOG, образующееся в резервуаре 11 для хранения, больше чем количество топлива, необходимое для двухтопливного двигателя (например, во время остановки двигателя или малого хода), BOG, ступенчато сжимаемый в компрессоре 13, отбирается через ответвления L7 BOG, а затем используется в средствах потребления BOG. Примеры средств потребления BOG могут включать в себя GCU и газовую турбину, каждый из которых может использовать в качестве топлива природный газ.
Как было описано выше, в системе и способе обработки BOG в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, BOG, образующийся во время транспортировки груза (то есть сжиженного природного газа) в танкере для сжиженного природного газа, может использоваться в качестве топлива для двигателя, или может повторно сжижаться, возвращаться в резервуар для хранения, и храниться в нем. Следовательно, количество BOG, потребляемого в GCU и т.п., может быть уменьшено или сведено к нулю. Кроме того, BOG может обрабатываться с помощью повторного сжижения без установки устройств для повторного сжижения, использующих отдельные охладители, такие как азот.
В дополнение к этому, в системе и способе обработки BOG в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, поскольку нет необходимости в установке устройства повторного сжижения, использующего отдельные охладители (то есть цикл охлаждения азотом, цикл охлаждения смешанным охладителем и т.п.), устраняется необходимость в отдельной установке средств для подачи и хранения охладителей. Следовательно, возможно сэкономить на стоимости первоначальной установки, а также на стоимости эксплуатационных расходов при конфигурировании всей системы.
Фиг. 5 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Система обработки BOG в соответствии с четвертым вариантом осуществления отличается от системы обработки BOG в соответствии с третьим вариантом осуществления тем, что охладитель 25 не устанавливается. Следовательно, те же самые ссылочные цифры означают те же самые элементы, что и в третьем варианте осуществления, и поэтому их подробное описание будет опущено. Если охладитель 25 не устанавливается, общая эффективность системы может немного снизиться. Однако, трубопроводная схема и работа системы могут быть упрощены, а затраты на первоначальную установку и на обслуживание могут быть снижены.
Между тем, хотя это и не проиллюстрировано, когда количество BOG, требуемое для двухтопливного двигателя (DFDE), больше чем количество BOG, образующегося естественным образом, система может конфигурироваться таким образом, что сжиженный природный газ принудительно испаряется, а затем используется. С этой целью линия принудительного испарения (не проиллюстрирована) конфигурируется таким образом, что после того, как сжиженный природный газ, хранящийся в резервуаре 11 для хранения, выгружается с помощью выпускного насоса 12, сжиженный природный газ может быть испарен в принудительном испарителе (не показан), а затем подан к компрессору 13. Если линия принудительного испарения устанавливается, топливо может устойчиво подаваться, даже когда количество сжиженного природного газа, хранящегося в резервуаре для хранения, является небольшим, и таким образом количество образующегося BOG невелико, или даже когда количество BOG, требуемое в качестве топлива в различных двигателях, больше чем количество BOG, образующегося естественным образом.
В дополнение к этому, Фиг. 1-5 иллюстрируют, что компрессор 13 выполняет 5-ступенчатое сжатие, но это является просто примером. В качестве примера компрессора 13 может использоваться компрессор, производимый компанией Burckhardt. Компрессор, производимый компанией Burckhardt, включает в себя пять цилиндров. Известно, что три цилиндра передней ступени работают без смазки маслом, а два цилиндра задней ступени работают со смазкой маслом. Следовательно, в случае, когда компрессор, производимый компанией Burckhardt, используется в качестве компрессора 13 для сжатия BOG, BOG должен пропускаться через масляный фильтр, когда BOG отбирается после четвертой ступени компрессора или позже. Однако, это выгодно тем, что масляный фильтр не нужен, когда BOG отбирается после третьей ступени компрессора или раньше.
В соответствии с настоящим вариантом осуществления, несмотря на последнюю тенденцию, в которой количество образующегося BOG увеличивается благодаря увеличенной емкости резервуара для хранения, а необходимое количество топлива уменьшается благодаря улучшенной эффективности двигателя, BOG, остающийся после использования в качестве топлива для двигателя, может повторно сжижаться и возвращаться в резервуар для хранения, предотвращая тем самым выбросы BOG.
В третьем и четвертом вариантах осуществления было описано, что потребителем, получающим BOG после средней ступени сжатия в многоступенчатом компрессоре, является двигательная установка, использующая природный газ в качестве топлива, и примером такой двигательной установки является двигатель DFDE. Однако, очевидно, что настоящее изобретение может также быть применено к другой двигательной установке, использующей природный газ (сжиженный природный газ) в качестве топлива, так же как двигатель DFDE.
Фиг. 6 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую систему обработки BOG для судна в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 иллюстрирует пример, в котором система обработки BOG по настоящему изобретению применяется к танкеру для сжиженного природного газа, оборудованному двухтопливным двигателем, способным использовать природный газ в качестве топлива (то есть двигательной установкой, использующей исключительно сжиженный природный газ или смесь сжиженного природного газа и нефти в качестве топлива, например, двигательной установкой DFDE, которая использует электричество, произведенное с помощью DFDG, и приводит в действие двигатель). Однако, система обработки BOG (то есть система частичного повторного сжижения BOG) по настоящему изобретению также может быть применена к любому типу судов (танкер для сжиженного природного газа, судно регазификации сжиженного природного газа, и т.п.) и морских заводов (плавучее хранилище и электростанция, установленная на барже электростанция, плавучий блок регазификации сжиженного природного газа, плавучая система для добычи, хранения и отгрузки LNG, плавучее хранилище и блок регазификации сжиженного природного газа, и т.п.), в котором устанавливается резервуар для хранения сжиженного газа.
В дополнение к этому, в данном варианте осуществления было описано, что потребителем, получающим BOG, сжатый в компрессоре, является двигательная установка, использующая природный газ в качестве топлива, и примером двигательной установки является двигатель DFDE (например, четырехтактный двигатель (DFDE) производства компании Wartsila). Однако очевидно, что настоящее изобретение также может быть применено к другой двигательной установке (например, двухтактному двигателю (W5X72) производства компании Wartsila), использующей в качестве топлива исключительно природный газ (сжиженный природный газ) или смесь сжиженного природного газа и нефти, так же как и DFDE. В последующем описании двигатель (двигатель на гетерогенном топливе), способный использовать в качестве топлива один только природный газ, сжатый до давлении приблизительно от 5 до 20 бар, или смесь газа и нефти, будет упоминаться как «газовый двигатель среднего давления (двигатель на гетерогенном топливе среднего давления)». В этом описании термин «среднее давление» следует рассматривать как означающий давление от приблизительно 5 до 20 бар, до которого сжимается BOG, подаваемый в качестве топлива к двигателю.
В системе обработки BOG для судна в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения испаряющийся газ (NBOG), образующийся и выходящий из резервуара 11 для хранения сжиженного газа, передается по трубопроводу L1 подачи BOG и подается к компрессору 13. Компрессор 13 может быть многоступенчатым компрессором. Как описано ниже, BOG может быть сжат в компрессоре до давления приблизительно от 5 до 20 бара, предпочтительно приблизительно от 6 до 12 бар, и более предпочтительно приблизительно от 6 до 7 бар. Затем сжатый BOG может быть подан к потребителю, то есть, двигательной установке, использующей сжиженный природный газ в качестве топлива, например, DFDE 3 (газовый двигатель среднего давления), по линии L2 подачи топлива. Компрессор 13 может быть многоступенчатым компрессором центробежного типа. Хотя на Фиг. 6 компрессор проиллюстрирован как 4-ступенчатый, компрессор может быть 3-ступенчатым или меньше или может быть 5-ступенчатым или больше. Пара компрессоров 13 может быть установлена параллельно для того, чтобы удовлетворить требованиям к дублированию.
Когда весь BOG, образующийся в резервуаре для хранения, не потребляется в DFDE 3, BOG, который не подается в DFDE 3, может быть сжат дожимным компрессором 13a до давления приблизительно от 80 до 250 бар, предпочтительно приблизительно от 100 до 200 бар, и более предпочтительно приблизительно от 120 до 160 бар. Затем, как описано ниже, BOG может быть сжижен при прохождении через трубопровод L3 возврата BOG, и затем возвращен в резервуар 11 для хранения. Дожимной компрессор 13а может быть многоступенчатым компрессором возвратно-поступательного типа. Хотя дожимной компрессор 13a проиллюстрирован на Фиг. 6 как 3-ступенчатый, дожимной компрессор 13a может быть 2-ступенчатым или меньше или может быть 4-ступенчатым или больше.
В соответствии с настоящим изобретением BOG сжимается до давления, равного приблизительно от 80 до 250 бар, а затем охлаждается и сжижается за счет теплообмена в теплообменнике 21. Для охлаждения и сжижения сжатого BOG за счет теплообмена с криогенным BOG, выходящим из резервуара для хранения, необходимо сжать BOG до высокого давления. В данном описании термин «высокое давление» следует рассматривать как означающий давление приблизительно от 80 до 250 бар, при котором BOG, сжатый без отдельного устройства повторного сжижения с использованием азотного цикла охлаждения и т.п., может сжижаться за счет теплообмена с BOG, выходящим из резервуара для хранения. Когда давление сжатого BOG составляет 80 бар или меньше, трудно сжижать сжатый BOG только за счет теплообмена с BOG, выходящим из резервуара для хранения, без отдельного устройства повторного сжижения, имеющего цикл охлаждения.
Резервуар для хранения имеет герметизирующие и теплоизолирующие стенки для того, чтобы хранить сжиженный газ, такой как сжиженный природный газ, в криогенном состоянии, но не может полностью заблокировать теплопередачу с внешней стороны. Следовательно, сжиженный газ непрерывно испаряется внутри резервуара 11 для хранения, и BOG из резервуара 11 для хранения выпускается через трубопровод L1 подачи BOG для того, чтобы поддерживать давление BOG на подходящем уровне.
Выпускной насос 12 устанавливается внутри резервуара 11 для хранения так, чтобы выгружать LNG наружу резервуара 11 для
хранения, когда это необходимо. Выпускной насос 12 может быть установлен в резервуаре 11 для хранения, как проиллюстрировано на Фиг. 6, или может быть установлен снаружи резервуара 11 для хранения.
Линия L11 принудительного испарения предусматривается так, что когда количество BOG, выходящего из резервуара 11 для хранения, меньше чем количество топлива, требуемое для двигателя DFDE, сжиженный природный газ может быть выгружен выпускным насосом 12, испарен в принудительном испарителе 31 и подан к компрессору 13.
Когда предусматривается линия L11 принудительного испарения, снабженная принудительным испарителем 31, топливо может подаваться устойчиво, даже когда образуется небольшое количество BOG, потому что небольшое количество сжиженного природного газа хранится в резервуаре 11 для хранения в состоянии балласта, или даже когда количество BOG, требуемого в качестве топлива для двигателя, больше, чем количество BOG, образующегося естественным образом.
Принудительно испаренный BOG может быть подан к компрессору 13 через трубопровод L1 подачи BOG.
сепаратор 17 тумана может быть установлен в трубопроводе L1 подачи BOG для того, чтобы удалять мелкие капли, которые могут содержаться в BOG.
Компрессор 13 может включать в себя одно или более устройств 14 сжатия центробежного типа и один или более промежуточных охладителей (не показаны) для охлаждения BOG, температура которого повышается во время сжатия. Компрессор 13 может быть выполнен с возможностью сжатия BOG до давления от 6 до 12 бар, предпочтительно от 6 до 7 бар. Хотя Фиг. 6 иллюстрирует многоступенчатый компрессор 13 центробежного типа, включающий в себя четыре устройства 14 сжатия центробежного типа, количество устройств сжатия и количество промежуточных охладителей может быть изменено при необходимости. В дополнение к этому, множество устройств сжатия может быть расположено внутри единственного компрессора, и множество компрессоров может быть соединено друг с другом последовательно.
Дожимной компрессор 13a может включать в себя одно или более устройств 14а сжатия возвратно-поступательного типа и один или более промежуточных охладителей (не показаны) для охлаждения BOG, температура которого повышается во время сжатия. Если давление BOG, сжимаемого дожимным компрессором 13a, является высоким, эффективность повторного сжижения может быть увеличена. Однако в то же самое время потребление энергии для сжатия BOG может сильно увеличиться, и может потребоваться большая мощность для сжатия BOG. Следовательно, дожимной компрессор 13a может быть выполнен с возможностью сжатия BOG до давления от 80 до 250 бар, предпочтительно от 100 до 200 бар, более предпочтительно от 120 до 160 бар. Хотя Фиг. 6 иллюстрирует многоступенчатый компрессор 13а возвратно-поступательного типа, включающий в себя три устройства 14 сжатия возвратно-поступательного типа, количество устройств сжатия и количество промежуточных охладителей может быть изменено при необходимости. В дополнение к этому, множество устройств сжатия может быть расположено внутри единственного компрессора, и множество компрессоров может быть соединено друг с другом последовательно.
Как и в компрессоре 13, пара дожимных компрессоров 13a может быть установлена параллельно в целях дублирования.
Вместо последовательного расположения компрессора 13 и дожимного компрессора 13a, как проиллюстрировано на Фиг. 6, отдельный компрессор для DFDE 3 и компрессор для повторного сжижения могут быть установлены на отдельных линиях. Однако случай, в котором компрессор 13 для подачи топлива к двигателю судна и дожимной компрессор 13a для повторного сжижения располагаются последовательно, является предпочтительным, поскольку может использоваться BOG, предварительно сжатый (до давления приблизительно от 6 до 7 бар) в компрессоре 13. Альтернативно, как проиллюстрировано на Фиг. 1-5, может быть установлен один многоступенчатый компрессор, и BOG может отбираться во время многоступенчатого сжатия.
BOG, сжатый в компрессоре 13, сжимается до давления приблизительно 7 бара и подается через линию L2 подачи топлива к потребителю, например к двухтопливному двигателю (то есть DFDE 3). Весь или часть BOG может подаваться в соответствии с количеством топлива, требуемым для двигателя.
Таким образом, в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения, когда BOG, выходящий из резервуара 11 для хранения и подаваемый в компрессор 13 (то есть весь BOG, выходящий из резервуара для хранения), является первым потоком, первый поток BOG может быть разделен на второй поток и третий поток на выходной стороне компрессора 13. Второй поток может быть подан в качестве топлива к двухтопливному двигателю (то есть к двигателю DFDE), а третий поток может сжижаться и возвращаться в резервуар 11 для хранения.
В это время второй поток подается к двигателю DFDE 3 через линию L2 подачи топлива, а третий поток возвращается в резервуар 11 для хранения через трубопровод L3 возврата BOG. Теплообменник (например, DCHE) 21 устанавливается в трубопроводе L3 возврата BOG так, чтобы сжижать третий поток сжатого BOG. Теплообменник 21 осуществляет обмен теплом между третьим потоком сжатого BOG и первым потоком BOG, выходящим из резервуара 11 для хранения и подаваемым к компрессору 13.
Так как скорость первого потока BOG перед сжатием больше, чем скорость третьего потока, третий поток сжатого BOG может быть охлажден (то есть по меньшей мере частично сжижен) за счет энергии холода от первого потока BOG перед сжатием. По существу в теплообменнике 21 BOG в состоянии высокого давления охлаждается (сжижается) за счет теплообмена между BOG криогенной температуры, выходящим непосредственно из резервуара 11 для хранения, и BOG в состоянии высокого давления, сжатым в компрессоре 13.
Было описано, что BOG, сжатый в компрессоре 13, охлаждается и сжижается в теплообменнике 21. Однако, когда BOG, сжатый в компрессоре 13, находится под высоким давлением и при высокой температуре, BOG, подаваемый к теплообменнику 21, может находиться в сверхкритическом состоянии, в котором нельзя отличить газ от жидкости. Следовательно, строго говоря, когда давление уменьшается средством декомпрессии, таким как клапан расширения, установленный со стороны выхода из теплообменника 21 в соответствии с условиями давления и температуры BOG, BOG может перейти в жидкое (или по меньшей мере частично жидкое) состояние. В данном описании выражение «BOG сжижается в теплообменнике 21» должно рассматриваться как включающее в себя как случай, в котором BOG охлаждается и сжижается в теплообменнике, так и случай, в котором BOG переходит в жидкое (или по меньшей мере в частично жидкое) состояние по мере того, как BOG охлаждается в теплообменнике и затем декомпрессируется в средстве декомпрессии.
Байпасная линия L12 может быть установлена таким образом, что когда отсутствует BOG для повторного сжижения, то есть, когда расход первого потока равен расходу второго потока, BOG, выходящий из резервуара 11 для хранения, не проходит через теплообменник 21, а напрямую подается к компрессору 13.
Хотя имеется разница в соответствии со скоростью движения (то есть нагрузкой на DFDE 3) или количеством образующегося BOG, обычно примерно от 30 до 70% BOG, образующегося в резервуаре для хранения, используется в качестве топлива для двигателя судна, а остальная его часть повторно сжижается.
LBOG, охлажденный в теплообменнике 21, декомпрессируется при прохождении через средство 22 декомпрессирования (например, дроссельный клапан Джоуля-Томпсона или расширитель, дальнейшем упоминаемый как «первое средство 22 расширения»), и непрерывно подается к газо-жидкостному сепаратору 23 в смешанном газо-жидкостном состоянии. LBOG может быть декомпрессирован до приблизительно атмосферного давления (например, декомпрессирован от 300 бар до 3 бар) при прохождении через первое средство 22 расширения. Сжиженный BOG разделяется на газовый и жидкий компоненты в газо-жидкостном сепараторе 23. Жидкий компонент, то есть сжиженный природный газ, передается в резервуар 11 для хранения через трубопровод L3 возврата BOG, а газовый компонент, то есть BOG, передается через линию L5 рециркуляции BOG и объединяется с BOG, выходящим из резервуара 11 для хранения, и подается к компрессору 13. Более конкретно, линия L5 рециркуляции BOG проходит от верхнего конца газо-жидкостного сепаратора 23 и соединяется с трубопроводом L1 подачи BOG перед теплообменником 21.
Для удобства объяснения было описано, что теплообменник 21 устанавливается в трубопроводе L3 возврата BOG, но теплообменник 21 может быть установлен в трубопроводе L1 подачи BOG, потому что теплообмен фактически выполняется между первым потоком BOG, проходящим через трубопровод L1 подачи BOG и третьим потоком BOG, проходящим через трубопровод L3 возврата BOG.
Другое средство 24 расширения (например, дроссельный клапан Джоуля-Томпсона или расширитель, именуемый в дальнейшем «второе средство 24 расширения») может быть дополнительно установлено на линии L5 рециркуляции BOG. Следовательно, газовый компонент, выходящий из газо-жидкостного сепаратора 23, может быть декомпрессирован при проходе через второе средство 24 расширения. Второе средство 24 расширения может использоваться для регулирования внутреннего давления в газо-жидкостном сепараторе 23 и может поддерживать давление природного газа в жидком состоянии, возвращаемого из газо-жидкостного сепаратора
23 в резервуар 11 для хранения, так, чтобы оно было гарантированно выше, чем внутреннее давление в резервуаре для хранения. В дополнение к этому, второе средство 24 расширения регулирует давление выходной стороны второго средства 24 расширения в линии L5 рециркуляции BOG так, чтобы природный газ в жидком состоянии мог быть беспроблемно объединен с BOG, передаваемым по трубопроводу L1 подачи BOG.
В дополнение к этому, охладитель (не показан) устанавливается на линии L5 рециркуляции BOG так, чтобы дополнительно охладить третий поток путем теплообмена между третьим потоком BOG, сжижаемым в теплообменнике 21 и подаваемым к газо-жидкостному сепаратору 23, и газовым компонентом, отделенным в газо-жидкостном сепараторе 23 и проходящим по линии L5 рециркуляции BOG. Таким образом, охладитель дополнительно охлаждает BOG, находящийся в жидком состоянии под высоким давлением, природным газом низкого давления, находящимся в криогенном газовом состоянии.
Между тем, когда ожидается, что будет образовываться избыток BOG, потому что количество BOG, образующееся в резервуаре 11 для хранения, больше чем количество топлива, необходимое для двухтопливного двигателя (то есть DFDE 3) (например, во время остановки двигателя или малого хода), BOG, сжатый в компрессоре 13, отбирается через линию ответвления (L7), а затем используется в средствах 5 потребления BOG. Примеры средств потребления BOG могут включать в себя интегрированный генератор инертного газа (IGG)/систему блока сжигания газа (GCU), GCU, газовую турбину и бойлер, каждый из которых может использовать природный газ в качестве топлива.
Интегрированная система IGG/GCU является устройством, в котором интегрированы IGG и GCU.
Как было описано выше, в системе и способе обработки BOG в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения, BOG, образующийся во время транспортировки груза (то есть сжиженного природного газа) в танкере для сжиженного природного газа, может использоваться в качестве топлива для двигателя, или может повторно сжижаться, возвращаться в резервуар для хранения, и храниться в нем. Следовательно, количество BOG, потребляемого в GCU и т.п., может быть уменьшено или сведено к нулю. Кроме того, BOG может обрабатываться с помощью повторного сжижения без установки устройств для повторного сжижения, использующих отдельные охладители, такие как азот.
В дополнение к этому, в системе и способе обработки BOG в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения, поскольку нет необходимости в установке устройства повторного сжижения, использующего отдельные охладители (то есть цикл охлаждения азотом, цикл охлаждения смешанным охладителем и т.п.), устраняется необходимость в отдельной установке средств для подачи и хранения охладителей. Следовательно, возможно сэкономить на стоимости первоначальной установки, а также на стоимости эксплуатационных расходов при конфигурировании всей системы.
В соответствии с настоящим изобретением, несмотря на последнюю тенденцию, что количество образующегося BOG увеличивается благодаря увеличенной емкости резервуара для хранения, а необходимое количество топлива уменьшается благодаря улучшенной эффективности двигателя, BOG, остающийся после использования в качестве топлива для двигателя, может повторно сжижаться и возвращаться в резервуар для хранения, предотвращая тем самым выбросы BOG.
Cудно, такое как танкер для сжиженного природного газа или судно регазификации сжиженного природного газа, используется для транспортировки LNG от промплощадки к потребителю. Следовательно, во время рейса от промплощадки к потребителю судно плывет в загруженном состоянии, в котором резервуар для хранения полностью загружен сжиженным природным газом. При возвращении на промплощадку после разгрузки LNG судно плывет в состоянии балласта, в котором резервуар для хранения является почти пустым. В загруженном состоянии образуется большое количество BOG, потому что количество сжиженного природного газа является относительно большим. В состоянии балласта образуется относительно небольшое количество BOG, потому что количество сжиженного природного газа является малым.
3
3
Хотя существуют различия в соответствии с емкостью резервуара для хранения, наружной температурой и т.п., количество BOG, образующегося, когда емкость резервуара для хранения LNG составляет приблизительно от 130000 м до 350000 м, составляет от 3 до 4 т/час в загруженном состоянии и от 0,3 до 0,4 т/ч в состоянии балласта. В дополнение к этому, количество топливного газа, необходимого для основного двигателя (двигательной системы) судна, составляет приблизительно от 1 до 4 т/час (приблизительно 1,5 т/час в среднем). Тем временем в последние годы, поскольку коэффициент утечки паров (BOR) имел тенденцию к снижению благодаря улучшению эффективности теплоизоляции резервуара для хранения, количество образующегося BOG имело тенденцию к уменьшению.
В загруженном состоянии, в котором количество образующегося BOG является большим, часть BOG, сжатого в компрессоре 13, может подаваться к двигателю судна (то есть DFDE 3), а другой BOG, который не подается к двигателю судна, может быть дополнительно сжат в дожимном компрессоре 13a и повторно сжижен в теплообменнике 21.
В дополнение к этому, в состоянии балласта, в котором количество образующегося BOG является небольшим, сжиженный природный газ из резервуара 11 для хранения может быть подан к компрессору 13 через выпускной насос 12 и принудительный испаритель 31 в соответствии с количеством топлива, требуемым для двигателя судна, сжат в компрессоре 13 и подан к DFDE 3.
По существу в состоянии балласта, в котором количество образующегося BOG меньше, чем количество топлива, требуемого для двигателя, система может направлять весь BOG в DFDE 3.
Тем временем, поскольку количество образующегося BOG является небольшим в состоянии балласта, BOG не выпускается, а накапливается до тех пор, пока резервуар для хранения не достигнет заданного давления, и периодически выпускается и подается в качестве топлива к двигателю DFDE или двигателю MEGI вместо того, чтобы выпускать и потреблять BOG постоянно.
В дополнение к этому, система обработки BOG в соответствии с настоящим вариантом осуществления может быть применена к уже построенным судам, так же как и к вновь проектируемым судам. Например, в случае судна, оборудованного линией для подачи BOG из резервуара для хранения сжиженного природного газа через компрессор к двигателю DFDE, данный вариант осуществления может быть применен с модификацией путем добавления дожимного компрессора 13a, трубопровода L3 возврата BOG, теплообменника 21, первого средства 22 расширения, газо-жидкостного сепаратора 23, линии L5 рециркуляции BOG и второго средства 24 расширения, как описано выше со ссылкой на Фиг. 6.
Хотя варианты осуществления настоящего изобретения были описаны со ссылкой на конкретные варианты осуществления, специалисту в данной области техники будет очевидно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны без отступления от сущности и объема настоящего изобретения, как определено в нижеследующей формуле изобретения.