LNG运输船蒸汽或混合动力推进设备的转换方法与流程

本发明的目的是提供一种lng(液化天然气)运输船蒸汽轮机推进器或蒸汽和柴油混合动力或蒸汽和燃气轮机混合动力推进设备的转换方法。具体地，本发明的目的涉及根据最近的imo法规，必须在低负荷下运行的蒸汽轮机推进设备以及使用船用锅炉和蒸汽系统的混合推进设备，该蒸汽系统包括对混合动力推进器进行改装以减少排放，同时维持船只速度或达到运行最佳速度水平的船只，考虑到在低废气温度下被二氧化硫腐蚀的风险，改进蒸汽循环以恢复其效率并在船只蒸汽装置在低负荷下运行时以经济且高效的方式节约大量的蒸汽，因此节约燃料。

背景技术：

1、在过去十五年里，lng(液化天然气)运输船中使用的推进器的类型已经发生了若干次重大的改变。

2、大约五十五年前，自从建造第一个lng运输船开始，直到大约十五年前，几乎所有的lng运输船都使用了蒸汽轮机推进器。

3、这是非常可靠的推进器系统，但其效率远低于基于柴油发动机的推进系统。事实上，当今只有lng运输船正在使用蒸汽轮机推进器。

4、主要原因可能是船用锅炉完全能够使用lng货物蒸发所产生的蒸发气体(bog)作为燃料。根据行程要求和便利性，液体燃料(诸如高硫重质燃料油(hshfo))也以任何比例共同使用。

5、通常用于对蒸汽涡轮lng运输船的推进器的类型的更频繁使用的主蒸汽锅炉包括集成以下主要零部件的锅炉：

6、-一个蒸汽罐。

7、-一个水罐。

8、-两个过热蒸汽罐。

9、-大量过热蒸汽管，这些过热蒸汽管通常竖直装配，呈u形。

10、-若干炉筛水管，这些炉筛水管位于一排或多排的炉膛和过热器之间。

11、-大量水管，这些水管将水罐和蒸汽罐连接，这些水管被布置成几排，统称为主发电机组，位于过热器管之后。

12、-一个高压给水省煤器，该高压给水省煤器位于废气出口上方。

13、-若干水冷壁底部集管，这些水冷壁底部集管位于炉膛的下部。

14、-一个炉膛，该炉膛的所有壁均由水冷壁管限定，只有一个壁装配有筛网水管。

15、-一个燃烧空气室及其进气口，该燃烧空气室位于炉膛的顶部，该燃烧空气室下部受水冷壁管保护。

16、-若干燃烧器(最常见的为三个)，这些燃烧器位于通过燃烧空气室进入的炉膛的上部。

17、-一个省煤器上罐给水入口。

18、-一个省煤器下罐给水出口。

19、-一个废气管道出口，该废气管道出口位于省煤器上部的上方。

20、-大量水冷壁管，这些水冷壁管从水冷壁底部集管至水冷壁顶部集管。

21、-这些水冷壁管中的一些从前水冷壁底部集管延伸至前水冷壁顶部集管。

22、-若干水冷壁顶部集管。

23、在过去几年中，hshfo的使用已经逐步受限并最终被imo(国际海事组织)禁止。hshfo已经被低硫重质燃料油(lshfo)和/或船用柴油(mdo)或甚至超低硫船用柴油(ulsmdo)取代。同时，并出于相同原因，正在使用的bog的份额持续增加。

24、目前，大约三分之一的现有lng运输船队仍然是蒸汽轮机驱动的。现在大约有约224艘蒸汽轮机驱动的lng运输船在运行中，船只数量非常巨大。

25、在2007年之后，推进器的发展趋势开始发生重大改变，并且主流推进器类型是基于3至5个双燃料柴油发电机加上2个电力推进马达的双燃料柴油电力。蒸汽轮机正在迅速下降，但仍有一些船只被建造，主要在日本。

26、再次，仅在10/12年后(即2017/2018年前后)，主流推进器的类型发生了改变，目前首选的是两冲程低速直联双燃料柴油发动机。

27、这种快速和加速的改变在海上推进器方面非常罕见。事实上，这些改变的部分原因是温室气体(ghg)排放的重要性日益增加以及随之而来的对提高效率的要求。

28、这种快速改变的结果是蒸汽轮机lng运输船越来越多地被认为是边缘船只。然而，许多这样的船只仍然处于其经济寿命的中期。所有者们迫切希望找到一种能够提高船只在当前市场上生存能力的转换方式。然而，到目前为止，还没有对推进设备进行转换。

29、更为复杂的是，国际海事组织(imo)正在采取监管措施，严格减少气体排放，将ghg(温室气体排放)减少约30％。

30、海洋环境保护委员会(mepc)已于去年11月做出初步的决定，并且该决定已于2021年6月在下届mepc会议期间得到确认和发展。

31、在2013年1月1日之后的相应调查日期，将需要遵守。此外，根据船只推进器设备的效率，建立船只的分类的一些类型。

32、以这种方式，将船只分类为a、b、c、d和e，a类船只是最高效的，而e类船则是较低效的。在碳强度指数(cii)下，imo很可能将强制d和e类船只提高其效率。可能地，大多数(如果不是全部)蒸汽轮机lng运输船将被评定为d或e。

33、现在，在imo新法规之后，蒸汽轮机lng运输船队的船队的情况是，大约224艘现有蒸汽轮机船只(处于其的寿命的中期)应在2023将排放减少30％。

34、应当提及的是，新裁定的最终细节仍未确定，并且法规可能会有不同的要求，但是在任何情况下，都会出现关于ghg减少的排放的新的严格规定。

35、常规的蒸汽轮机船用发电装置以这样的方式设计，即若发电量减少，则发电装置的效率会越来越低。例如，当轴马力减少50％时，发电装置效率降低约25％。

36、这种效率的急剧降低本身不是蒸汽轮机固有的，而是整个循环设计方式的更多后果。蒸汽循环已专门设计用于高功率运行，并且缓慢蒸汽运行已基本上被忽略。新规定和现有蒸汽循环设计方式的结果是，除非推进装置被改进，否则现有蒸汽轮机驱动的lng运输船不得不在其设计轴马力的约50％以下运行。

37、如前所述，几年前，已经禁止使用hshfo。目前燃料主要是蒸发气体，并且lshfo或ulsmdo的使用量要小的多。

38、燃料质量和ghg排放限制这两方面的改变为以多种方式改进现有设备打开了大门。

39、在目前的情况下，蒸汽轮机lng运输船的所有者们必须作出决定，使他们的船只符合imo即将出台的新规定。

40、然而，当他们试图改变lng运输船的蒸汽轮机推进设备时，出现了一些问题。其中之一是由于传统的推进设备没有被设计用于在低负荷状态下工作，因此在低负荷状况下操作以减少排放会损失效率。

41、当必须减少排放时出现的另一问题是lng运输船的所有者们减少船只的轴马力(shp)，因此船只的速度将大大降低，进而船只将不符合tch方(定期租船)所建立的速度要求。

技术实现思路

1、本发明涉及液化天然气运输船蒸汽或混合动力推进设备的转换方法，以减少由imo规定的废气的排放，同时维持船只的效率或至少将效率降低至可接受水平并减少蒸汽或混合动力推进设备的燃料消耗。

2、作为本发明的主题的方法试图通过转换lng运输船蒸汽或混合推进设备来解决上述问题。

3、该方法包括一系列阶段，这些阶段可应用于新设备或传统设备中。应用本发明的方法，根据tch方要求，在运输船维持船只的速度、限制船只的速度的降低或达到最佳速度的同时，将排放减少至imo规定的标准。

4、此外，本发明的方法具有两个不同的目标：

5、其中之一是在给定的时间段内保持船只符合关于eexi和cii的imo的新规定(因为imo规定的渐进特性)。

6、该目标意味着要达到由imo定义和规定的eexi的给定值。为达到规定值，可应用所提议的效率改进措施中的一者或多者，直到给定船只的eexi的达到值满足imo规定。这同样适用于cii，但需要多年来逐步改进。

7、第二目标是通过减少船只的能量消耗而使船只在商业上更具吸引力。

8、本发明的第一方面包括一种方法，该方法在lng运输船中现有蒸汽或混合动力推进设备中所使用的类型的船用锅炉中结合低压省煤器，这样，推进设备可在低负荷下运行，获得更接近于推进设备在高负荷下工作时的效率水平。

9、来自这种类型的船只推进设备的传统锅炉的废气通过现有废气管道离开锅炉。

10、在废气管道中存在有高压省煤器，该高压省煤器利用来自废气的热量以提高锅炉给水的温度，从而减少所使用的燃料并提高设备的效率。

11、该方法的第一方面的特征在于改进废气管道并将低压省煤器放置于主省煤器之后。供向该低压省煤器的水从主冷凝器提取水回路产生，在该主冷凝器提取水回路中水温较低，使得低压省煤器中的热交换更高效。

12、将低压省煤器引入设备中的步骤如下：将低压省煤器安装在现有管道的管线中或旁路中。在这种情况下，存在两种选项：

13、将省煤器作为完全预制的模块安装在现有发动机壳体的外部，或者将省煤器安装在发动机壳体内部的顶部处。

14、再次，利用温度在150度与175度之间离开主省煤器的废气的热量，循环通过低压省煤器的锅炉给水通过与废气的热交换而增加其温度，使得废气在低于100℃的最终温度下从锅炉排出。

15、低压省煤器的设计和布置将降低废气温度，以这种方式回收热量的。根据设计，将有可能冷凝存在于废气中的部分水蒸汽含量。在这种情况下，回收的热量将大幅增加。低压省煤器被设计成使得冷凝水被收集并被送至废气流之外。这种额外的热量回收是可能的，因为在低压省煤器内部循环的主冷凝器提取水的温度低。实际上，低压省煤器的材料和设计应当足以在废气中有一定硫含量的情况下抵抗在低温下的潜在腐蚀。

16、最后，低压省煤器可以安装在两台锅炉中或仅安装在一台锅炉中。几乎在所有蒸汽轮机lng运输船中均安装了两个主锅炉。

17、然而，仅在现有两台锅炉中的一个台锅炉中改造第二省煤器可以是非常好的选项，降低了成本和安装时间，因为如之前所解释的，第二省煤器的安装与蒸汽发电装置的缓慢蒸汽运行相关联。在这种情况下，一种可能性是仅用一台锅炉运行蒸汽装置。

18、在新的发电机(燃气轮机或df柴油发电机)也被改装成作为符合imo减少排放的一部分的情况下，那么蒸汽装置将大部分时间以缓慢蒸汽运行，并且仅需要一台锅炉燃烧。而且，在由于imo的排放限制而以约50％功率运行的情况下，仅一台锅炉运行是可能的。

19、本发明的第二方面包括一种基于热量回收蒸汽发生器(hrsg)中的一个或两个现有锅炉的转换的方法。

20、该方法的第二方面的特征在于改进现有锅炉炉膛的水管壁中的一个水管壁，通过切割水管的一段以在所选择的水管壁中形成开口，以允许燃气轮机发电机或柴油发动机发电机的废气进入到锅炉的炉膛中，以便现有船用蒸汽锅炉既能作为热量回收蒸汽发生器(hrsg)运行，又能在需要时保持作为双燃料锅炉运行的能力，并且还能够以两种方式同时运行。

21、为了形成用于废气入口的废气开口而被切割的水管将被在不同的计划中的新的特别弯曲的管取代，这些新的特别弯曲的管在两端焊接至水管中的先前切口，从而维持锅炉炉膛的水冷壁的所有和任何管中的水循环的连续性。

22、新的水管段的弯曲部的形状将为三维的并被设计成：保证所有管中的水循环，维持水管壁的烟雾密封性，并且形成新的水管段与其余水管的重叠，从而形成用于废气入口的开口和/或形成用于发电机废气的管道，在所需方向上引导该气流。

23、以这种方式，一台或两台现有蒸汽锅炉可作为燃烧锅炉和/或hrsg和/或同时以两种方式运行。

24、改进现有锅炉中的一台锅炉的另一选项是在送风机之后并在燃烧空气进入炉膛中之前将燃气轮机或柴油发动机废气引入燃烧空气管道中，使得废气将通过位于炉顶水管板中的燃烧器开口处的顶部现有开口进入锅炉炉膛中，使得废气将以与转换之前的燃烧气体呈u形流动相同的方式在现有锅炉内部流动。管道设置有所有常规的配件和布置。

25、本发明的第二方面的优点在于现有锅炉可用作hrsg，同时保持其用作mpmb或同时用作燃烧和hrsg的能力。

26、以这种方式，节省了新的hrsg的成本以及其改装的成本和时间。mpmb将充分用作hrsg，前提是其热交换能力足以满足燃气轮机(gt)废气的数量和条件。

27、该热交换能力将通过适当的计算来检查。实际上，蒸汽产量将对应于废气的数量和温度。

28、另一方面，由于gt燃料在所有正常条件下都应是不含硫的蒸发气体或ulsgo，因此不存在低温废气腐蚀的风险。

29、本发明的第二方面还通过操作的第三方面来补充方法，该操作包括在气体通过所生成的开口进入现有锅炉的炉膛之前改造位于新改造的烟道中的额外的蒸汽过热器。

30、新的蒸汽过热器将用足够的阀连接至现有过热蒸汽主管。其入口将连接至现有过热器的出口，并且其出口在连接至另一锅炉过热蒸汽总管之前将连接至锅炉过热蒸汽总管。

31、然后，该连接将过热蒸汽供应给主轮机和其他主过热蒸汽用户。

32、以这种方式，过热蒸汽的温度将高于现有主锅炉的现有过热器中可达到的温度，达到与现有气体和液体双燃料蒸汽锅炉中的过热蒸汽的温度相似或更接近的温度。

33、新的蒸汽过热器将用与现有过热器(高温钢合金)中使用的材料相似的材料来构建，并且将主要由过热的蒸汽管和过热的蒸汽收集器以及所需的阀和控制器构成。

34、在锅炉作为燃烧锅炉运行的情况下，如果需要，可以隔离新的过热器模块。在这种情况下，当暴露于没有主蒸汽循环的辐射和对流的残留水平时，可以使用适当的装置维持小蒸汽循环，以将新的过热器管中的适当的温度保持在可接受的限度内。

35、此外，本发明的第四方面是基于将现有和新的辅助蒸汽和水系统集成在一起，这些辅助蒸汽和水系统在选定的管道点中引入了当用作废气蒸汽发生器(hrsg)时在常规设备的低压排放锅炉中产生的(如所要求的)蒸汽和/或加热的水，该废气蒸汽发生器可以与lng运输船的现有脱气器连接或该低压排放锅炉可以独立地工作。

36、在低压排放锅炉内部循环的蒸汽被新的双燃料发电机(通常是柴油发电机(dfdg))的废气加热，该新的双燃料发电机被安装作为转换的一部分以形成混合动力推进器。

37、hrsg产生的相对低能量蒸汽和加热的水用于以下用途中的一种或若干种：在进入脱气器之前加热主冷凝器提取水，产生待注入该脱气器的蒸汽，在现有空气加热器中加热主锅炉燃烧空气，并在高压涡轮机(hpt)后和低压涡轮机(lpt)前的交叉器中注入蒸汽以及其他各种辅助蒸汽用途。

38、通常，需要低压饱和或过热辅助蒸汽hrsg的所有各种用途可通过在低压hrsg锅炉中生成的蒸汽进行。

39、这种集成的节余来自：

40、-当在低负荷下运行时，源自主轮机的提取系统的尾部蒸汽(closing steam)的若干加热要求，在一个或多个压力降低之后使用的主锅炉中产生的新蒸汽转化之前，高要求的降低以减少气体排放。

41、-在不需要任何额外的燃料或气体消耗的情况下，在新的发电机的废气中在适中的温度下可获得大量的热量。

42、-在夹套冷却水系统中新安装的柴油发动机中可获得大量高达120℃的热水，足以在较低温度下加热冷凝器提取水。

43、通过使用大多数现有管道系统和热交换器，集成系统相对简单和廉价，现在该热交换器由可从hrsg和/或柴油发电机改装获得的新的蒸汽和/或热水供给，作为新的混合动力推进器的一部分。

44、在新的hrsg中使用脱气器作为蒸汽/水分离器的情况下，主要的优点为：

45、-作为现有零部件，其制造和安装成本为零。

46、-脱气器已经与主冷凝器提取泵排出口连接。这种排出管将被改进，包括通过新的hrsg省煤器的水循环和排出至脱气器。以这种方式，将冷凝器提取水加热到或接近所需温度。

47、-hrsg强制水循环泵可容易地从脱气器下部抽水，形成通过hrsg的蒸发器段的循环，并排出至脱气器，其中水和蒸汽的混合物将分离。

48、-hrsg的过热器段将从脱气器的上部(或已直接连接至脱气器的蒸汽部分的足够的现有蒸汽管)供给。过热蒸汽hrsg出口将连接至不同的蒸汽用户，其中过热蒸汽是优选的，例如通过新的连接至hpt和lpt之间的交叉器，那里注入过热蒸汽。

49、-脱气器已经与许多蒸汽系统连接。以这种方式，以非常简单的方式进行连接。

50、此外，任何水和蒸汽罐需要液位计和压力计以及控制装置。脱气器已经以完全集成的方式与现有装置装配有这种系统。

51、在任何情况下，在新的hrsg中产生的蒸汽和热水的集成可以使用脱气器或安装新的罐以分离蒸汽和水，作为改装的低压hrsg的一部分。

52、该方面的另一应用是在双压力蒸汽系统的情况下使用描述为组合循环蒸汽和燃气轮机动力系统的一部分的系统。

53、低压系统将使用脱气器作为蒸汽罐。在hrsg的低压蒸发段中生成的低压蒸汽将在脱气器中分离，在hrsg的低压过热器中过热，然后通过在hpt和lpt之间的现有交叉器中的连接注入到低压涡轮机(lpt)中。

54、这样，两个蒸汽压力组合循环的实施具有以下优点：使用现有元件，例如脱气器、lpt和交叉器，以简单和经济的方式完全集成现有和新的零部件。

55、本发明可由第五方面补充，第五方面包括当船只在低负荷下运行时实施自动切换蒸汽提取系统，使得来自主高压涡轮机的第一提取的蒸汽在特定负荷范围下自动切换到第二提取蒸汽系统。

56、以这种方式，第二提取的不同蒸汽用户通过第一提取蒸汽来供给，而不是通过直接来自一个或多个自动减压阀之后的主锅炉的过热降温器新蒸汽来直接供给。

57、该系统集成地安装有若干自动阀和将第一抽汽管道系统连接至第二抽汽管道系统的分支管。

58、现有的和新装配的自动阀将在由与主轮机负荷直接相关的参数驱动的编程系统中顺序地关闭和/或打开。

59、将包括必要的阀互锁装置，以避免蒸汽从两个不同的自动阀以及压力控制阀(如果需要的话)同时进入。

60、以类似的方式，该方面可用于将蒸汽从来自hpt和lpt之间交叉口的第二提取蒸汽系统供给切换至来自lpt的第三提取蒸汽系统供给。

61、在给定蒸汽提取下的压力太低而不能供给提取蒸汽提取系统但足以供给下一较低压力蒸汽提取系统时，切换将在选定的负荷下被启动。在较低负荷下压力再次过低而不能供给较低压力蒸汽系统时，提取系统将被关闭。

62、切换系统通常将与本发明的第一方面同时应用，与低压省煤器互为补充，或者以完全独立的方式应用。该系统可被应用于切换一对提取(第一至第二提取)或两对提取(先前的提取和第二至第三提取)，视情况而定。

63、本发明的第一方面可直接适用于蒸汽推进设备，并且将提高在任何负荷下的效率，但特别是在低负荷下，以补偿由于低负荷运行引起的效率损失。

64、当gt(燃气轮机)或dfdg(双燃料柴油发电机)改装并将提高蒸汽循环和总效率时，本发明的第二方面可直接应用于混合动力推进设备。在保持船只符合imo eexi规定的同时，将有助于增加船只可运行的功率和速度。

65、这两个方面都可以独立地应用，但是本发明的第一方面还可以补充第二方面以达到最佳性能，以满足废气排放方面的要求。

66、反过来，第二方面可以由本发明的第三方面来补充，以便在废气排放方面也实现最佳的工作要求。

67、此外，在改装dfdg或gt时可应用于混合动力推进设备的第四方面可以可替代地应用于本发明的第二和第三方面，使用常规设备的低压排放锅炉，该低压排放锅炉通过脱气器或新的蒸汽/水罐与lng运输船现有蒸汽系统连接。

68、最后，可直接应用于蒸汽轮机推进设备的本发明的第五方面可以可独立地应用或与本发明的其他方面一起应用以支持前述方面(具体地为本发明的第一方面)，以补充低负荷下蒸汽发电设备效率的改进。