省电型液化气体燃料船和用于处理液化气体燃料船的蒸发气体的方法与流程

本发明涉及一种省电式液化气体燃料船和一种用于处理液化气体燃料船的蒸发气体的方法，在使用液化气体作为燃料来处理通过船中的液化气体的自发蒸发而产生的蒸发气体时，所述省电式液化气体燃料船可降低再液化系统的功耗。

背景技术：

1、随着对防止海洋空气污染的国际关注的增加，对液化天然气(liquefied naturalgas；lng)燃料船(lng fueled ship；lfs)作为绿色船的需求也在增加。lfs已获得国家船级社的原则上批准(approval in principle；aip)以满足环境法规对较清洁能源的需求。lfs的应用不仅扩展到配备有lng储罐的lng载运船以运载lng货物，而且扩展到普通商船，诸如集装箱船、油轮等。

2、天然气是相对环保的，这是因为天然气在燃烧时归因于硫的含量较低而不产生硫化物和烟灰。在船中所使用的发动机当中，能够使用天然气作为燃料的双重燃料发动机包含man电子气体注射(man electronic gas injection；me-gi)发动机、超长冲程双重燃料(extra long stroke dual fuel；x-df)发动机以及df(双重燃料柴油电子(dual fueldiesel electric；dfde)发动机、双重燃料柴油发电机(dual fuel diesel generator；dfdg)发动机等。

3、me-gi发动机是通常用于推进的二冲程循环发动机。me-gi发动机基于狄塞尔(diesel cycle)循环操作，在狄塞尔循环中，处于约300巴的压力的高压天然气直接喷射到活塞的上止点附近的燃烧室中。

4、x-df发动机是通常用于推进的二冲程循环发动机。类似于me-gi发动机，x-df发动机直接驱动螺旋桨以推进船。另外，x-df发动机使用处于约16巴的压力的中压天然气作为燃料且基于奥托循环(otto cycle)操作。

5、df发动机是通常用于发电的四冲程循环发动机。df发动机也基于奥托循环操作，在奥托循环中，处于约6.5巴的压力的低压天然气喷射到燃烧空气入口中且在活塞上升时压缩。

6、天然气含有甲烷作为主要组分，且作为在燃烧期间几乎不或不排出环境污染物的对生态环境友好的燃料而备受关注。液化天然气(lng)是通过在常压下将天然气冷却到约-163℃来使其液化而获得的，且极适合于海上的长距离运输，这是因为其体积减小到气态天然气的体积的约1/600。因此，天然气主要以易于存储和运输的液化天然气的形式进行存储和运输。

7、由于天然气在常压下在-163℃的低温温度下液化，因此lng储罐通常被隔热以将lng维持在液态。然而，即使lng储罐是隔热的，但这类储罐阻挡外部热的能力也是有限的。因此，由于外部热不断地转移到lng储罐，因此存储在lng罐中的lng在运输期间不断地自然蒸发，从而使得蒸发气体(boil-off gas；bog)产生。

8、lng储罐中的蒸发气体的连续产生增加了lng储罐的内部压力。如果储罐的内部压力超出预定安全压力，那么这可引起紧急情况，诸如储罐破裂。因此，需要使用安全阀从储罐排出蒸发气体。然而，蒸发气体是一种lng损失，且是lng的运输效率和燃料效率的重要问题。因此，采用各种方法来处置在lng储罐中产生的蒸发气体。

9、最近，已开发出在燃料需求场地(诸如船的发动机)使用蒸发气体的方法、再液化蒸发气体且将经再液化蒸发气体返回到lng储罐的方法以及将这两种方法组合的方法且将其投入使用。

技术实现思路

1、技术问题

2、再液化蒸发气体的方法包含通过在使用单独制冷剂的冷却循环中将蒸发气体与制冷剂进行热交换来再液化蒸发气体的方法、在没有单独制冷剂的情况下使用蒸发气体作为制冷剂来再液化蒸发气体的方法等。

3、作为在没有单独制冷剂的情况下使用蒸发气体作为制冷剂来再液化蒸发气体的方法，本技术人发明了一种通过与未由压缩机压缩的蒸发气体进行热交换来冷却使用压缩机压缩的蒸发气体，随后通过j-t阀等来使经冷却蒸发气体膨胀，从而再液化一些蒸发气体的方法，且这类系统称为部分再液化系统(partial reliquefaction system；prs)。

4、作为在没有单独制冷剂的情况下使用蒸发气体作为制冷剂来再液化蒸发气体的方法，已开发出经改进prs技术且将其应用于船，其中经压缩蒸发气体通过与未经压缩蒸发气体进行热交换而冷却且通过绝热膨胀而再液化。

5、在存在大量蒸发气体待再液化的情况下，例如，当储罐中所产生的蒸发气体的量归因于储罐中的大量液化气体而较大时，或当船抛锚或以低速操作以允许船的发动机使用少量蒸发气体时，单独的prs可能无法满足所需的再液化量。因此，本技术人已发明能够通过改进prs来实现更大量的蒸发气体的再液化的技术。

6、作为prs的经改进技术，允许蒸发气体通过使用蒸发气体作为制冷剂的冷却循环进一步冷却的系统称为甲烷制冷系统(methane refrigeration system；mrs)。

7、采用单独冷却循环的系统可包含例如使用smr循环的工艺、使用c3mr循环的工艺以及使用单个制冷剂的工艺。

8、使用c3mr循环(丙烷预冷混合制冷剂循环)的工艺为使用单个丙烷制冷剂冷却天然气且接着使用混合制冷剂液化且过冷天然气的工艺；使用smr循环(单个混合制冷剂循环)的工艺为使用由多个组分组成的混合制冷剂来液化天然气的工艺；且使用单个制冷剂的工艺为使用氮气制冷剂系统(nitrogen refrigerant system；nrs)来液化天然气的工艺。

9、由于smr循环和c3mr循环两者均使用混合制冷剂，且在混合制冷剂的组成归因于制冷剂在液化工艺进行时泄漏而改变时具有液化效率降低的问题，因此有必要通过连续地测量混合制冷剂的组成同时添加不足的制冷剂组分来维持制冷剂的组成。

10、另一方面，尽管使用氮气制冷剂的循环具有比使用混合制冷剂的循环更低的效率，但氮气制冷剂归因于其惰性性质而具有高安全性的优势，且归因于没有相变而可容易地应用于船。

11、采用使用氮气制冷剂的冷却循环的再液化系统具有氮气制冷剂循环，其中在热交换之后从热交换器排出的氮气制冷剂通过压缩扩展器压缩且冷却，再次膨胀且冷却，且返回到热交换器。

12、本发明的一个方面是提供一种能够在使用氮气制冷剂系统来处理蒸发气体时通过有效热交换来降低功耗的省电式液化气体燃料船。

13、技术解决方案

14、根据本发明的一个方面，提供一种省电型液化气体燃料船，包含：液化气体储罐，存储液化气体；发动机，使用存储在液化气体储罐中的液化气体或通过液化气体的自发蒸发而产生的蒸发气体作为燃料；燃料进料器，供应液化气体作为发动机的燃料；压缩机，将蒸发气体压缩到发动机所需的压力；热交换器，冷却由压缩机压缩的蒸发气体当中的未供应到发动机的剩余蒸发气体；制冷剂循环管线，供应到热交换器的制冷剂在其中循环；制冷剂压缩机，提供到制冷剂循环管线且压缩在热交换器中进行热交换之后从热交换器排出的制冷剂；以及冷热回收装置，回收作为发动机的燃料供应的液化气体的冷热，以冷却由制冷剂压缩机压缩的制冷剂。

15、燃料进料器可包含：高压泵，将液化气体加压到发动机所需的压力；以及高压蒸发器，蒸发由高压泵加压的液化气体，且冷热回收装置可安置在高压泵与高压蒸发器之间。

16、省电型液化气体燃料船可还包含：制冷剂膨胀器，提供到制冷剂循环管线且通过制冷剂的膨胀来冷却待供应到热交换器的制冷剂；第一阀，提供到制冷剂循环管线且控制流动路径以允许在制冷剂压缩机中压缩的制冷剂在通过热交换器冷却之后引入到制冷剂膨胀器中；第二阀，提供到制冷剂循环管线以控制流动路径，以允许在制冷剂压缩机中压缩的制冷剂在通过冷热回收装置冷却之后引入到制冷剂膨胀器中。

17、省电型液化气体燃料船可还包含：第一温度检测器，测量供应到冷热回收装置的液化气体的温度；第二温度检测器，测量从冷热回收装置排出的液化气体的温度；以及控制器，基于第一温度检测器和第二温度检测器的温度测量值而控制第二阀的打开/闭合和打开程度。

18、省电型液化气体燃料船可还包含：第三温度检测器，测量供应到制冷剂回收装置的制冷剂的温度；第四温度检测器，测量从制冷剂回收装置排出的制冷剂的温度；以及控制器，基于第三温度检测器和第四温度检测器的温度测量值而控制第二阀的打开/闭合和打开程度。

19、热交换器可对四个流执行热交换，所述四个流包含在压缩机中压缩的经压缩气体、在制冷剂膨胀器中膨胀和冷却的制冷剂、待从储罐引入到压缩机中的未经压缩蒸发气体以及在制冷剂压缩机中压缩的制冷剂。

20、省电型液化气体燃料船可还包含：控制器，测量供应到制冷剂压缩机的制冷剂的温度以调节在制冷剂循环管线中循环的制冷剂的总流动速率。

21、根据本发明的另一方面，一种用于处理液化气体燃料船的蒸发气体的方法，使用存储在液化气体储罐中的液化气体或通过液化气体的自发蒸发而产生的蒸发气体作为发动机的燃料，其中蒸发气体在发动机所需的压力下压缩且供应到发动机，且未供应到发动机的剩余蒸发气体再液化且返回到液化气体存储罐，且其中，对于经压缩蒸发气体的再液化，经压缩蒸发气体、从液化气体存储罐排出的未经压缩蒸发气体以及在制冷剂循环管线中循环的制冷剂在热交换器中经历热交换，压缩在冷却经压缩蒸发气体的同时被加热的制冷剂，且经压缩制冷剂中的一些或全部通过与待从液化气体储罐供应到发动机的液化气体进行热交换而冷却。

22、可将除与液化气体进行热交换的制冷剂之外的剩余经压缩制冷剂供应到热交换器以由热交换器冷却。

23、可取决于待与制冷剂进行热交换的液化气体的温度测量值和在与制冷剂进行热交换之后排出的液化气体的温度测量值来控制待与液化气体进行热交换的制冷剂的流动速率。

24、可取决于待与液化气体进行热交换的制冷剂的温度测量值和在与液化气体进行热交换之后排出的制冷剂的温度测量值来控制待与液化气体进行热交换的制冷剂的流动速率。

25、有利效果

26、根据本发明的省电式液化气体燃料船和液化气体燃料船的蒸发气体处理方法可通过有效地冷却待使用蒸发气体自身的冷热和制冷剂循环再液化的蒸发气体来增加再液化速率，且可通过使用制冷剂循环中的制冷剂的膨胀能量压缩制冷剂来减小制冷剂循环中的制冷剂的压缩的功率，同时增加船的能效。

27、另外，省电式液化气体燃料船和蒸发气体处理方法可通过回收液化气体的未被使用的冷热能作为燃料来液化蒸发气体，从而通过降低用于蒸发气体液化的氮气制冷剂的流动速率、用于制冷剂的压缩和膨胀的装置的容量、功耗以及安装和操作成本来增加再液化效率。