用于再液化船舶的蒸发气体的系统和方法以及用于处理再液化设备的废气的系统和方法与流程

本发明涉及一种再液化系统和方法以及一种废气处理系统和方法，所述再液化系统和方法用于再液化由存储在船舶的存储罐中的液化气体产生的蒸发气体(boil-offgas；bog)且将再液化的蒸发气体传回到存储罐，所述废气处理系统和方法用于排出且处理由再液化设备的分离器分离的具有高氮含量的废气的再液化设备以维持再液化设备的再液化性能。

背景技术：

1、天然气含有甲烷作为主要组分，且作为一种在燃烧期间几乎不排放或不排放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(liquefied natural gas；lng)是通过在正常压力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呈气态的天然气的体积的约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。

2、由于天然气在正常压力下在约-163℃的低温温度下液化，因此lng存储罐通常为隔热的以将lng维持在液态。然而，即使lng存储罐是隔热的，这类存储罐阻挡外部热的能力也是有限的。因此，由于外部热不断地传递到lng存储罐，因此存储在lng罐中的lng在运输期间不断地自然蒸发，从而导致蒸发气体(bog)的产生。

3、lng存储罐中的蒸发气体的连续产生增加lng存储罐的内部压力。如果存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，诸如存储罐的破裂。因此，需要使用安全阀从存储罐排出蒸发气体。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存储罐中产生的蒸发气体。

4、最近，已开发出一种在燃料需求地(诸如，船舶的发动机)使用蒸发气体的方法、一种再液化蒸发气体且将再液化蒸发气体传回到lng存储罐的方法以及一种组合这两种方法的方法且将其投入使用。

技术实现思路

1、技术问题

2、作为一种在无单独制冷剂的情况下使用蒸发气体作为制冷剂再液化蒸发气体的方法，本技术人发明了一种通过经由与未由压缩机压缩的蒸发气体的热交换而冷却由压缩机压缩的蒸发气体和通过j-t阀等膨胀压缩的蒸发气体来再液化蒸发气体中的一些的方法。此系统称为部分再液化系统(partial reliquefaction system；prs)。

3、在例如归因于存储罐中的液化气体的量较大，发动机在锚定或在低速下操作时使用的蒸发气体较少等而存在大量蒸发气体待液化的情况下，仅prs可能不满足再液化要求。因此，本技术人发明了一种改进prs以便再液化较多的蒸发气体的技术。

4、作为prs的已改进技术，允许通过使用蒸发气体作为制冷剂的制冷循环进一步冷却蒸发气体的系统称为甲烷制冷系统(methane refrigeration system；mrs)。

5、混合的制冷剂或单独制冷剂(诸如，氮气等)也可用于冷却待再液化的蒸发气体。

6、在将再液化循环应用于船舶的蒸发气体的再液化时，代表性地用于本领域中的液化法包含例如使用smr循环和c3mr循环的过程。丙烷预冷混合制冷剂循环(propane-precooled mixed refrigerant cycle；c3mr cycle)为其中天然气使用单一丙烷制冷剂冷却且随后使用混合的制冷剂进行液化和过冷的过程，且单一混合制冷剂循环(singlemixed refrigerant cycle；smr cycle)为其中天然气使用由多个组分构成的混合的制冷剂进行液化的过程。

7、由于smr循环和c3mr循环两者采用混合的制冷剂，且当混合的制冷剂的组分归因于在液化过程期间的制冷剂泄漏而改变时可能存在液化效率降低的问题，因此有必要通过不断地测量混合的制冷剂的组分和补给不足的制冷剂组分来维持制冷剂的组分。

8、一种用于通过再液化循环再液化蒸发气体的替代方法为使用氮气制冷剂的单一循环液化过程。

9、尽管使用氮气制冷剂的循环具有比使用混合的制冷剂的循环低的效率，但氮气制冷剂归因于其惰性特性而具有高安全性的优点，且归因于没有相变而可容易地应用于船舶。

10、另一方面，配备有能够使用蒸发气体作为燃料的发动机的船舶可采用用于再液化蒸发气体的压缩机以将燃料供应到发动机。此压缩机适于满足发动机的燃料供应要求，且可要求供应到压缩机的蒸发气体的温度在某一范围内以便防止装置损坏。

11、此外，在典型再液化设备的操作中，在气液分离之后将再液化的蒸发气体传回到存储罐，且将分离的气体连同在存储罐中产生的蒸发气体再循环到再液化设备。

12、然而，由于在存储罐中产生的蒸发气体含有除甲烷和具有比甲烷低的沸点的氮气以外的其他组分，即使蒸发气体穿过再液化设备也无法液化，因此再液化循环中的氮气含量在再液化设备的连续操作时逐渐增加，从而导致再液化性能降低。

13、本发明旨在解决这些问题且提议一种能够通过将蒸发气体的温度调节到压缩机所需的合适温度范围同时有效地冷却待再液化的蒸发气体而增加再液化性能的系统。

14、此外，本发明提议一种能够通过排出和处理经由再液化设备通过气液分离而分离的具有高氮气含量的废气来维持再液化设备的再液化性能的方法。

15、技术解决方案

16、根据本发明的一个方面，提供一种船舶的蒸发气体再液化系统，包括：压缩机，压缩由存储在船上存储罐中的液化气体产生的蒸发气体；

17、热交换器，冷却在压缩机中压缩的蒸发气体；

18、制冷剂循环管线，供应到热交换器的制冷剂在其中循环；

19、温度升高管线，从存储罐延伸到压缩机；以及

20、加热器，设置到温度升高管线，

21、其中加热器将蒸发气体加热到压缩机的合适输入温度。

22、蒸发气体再液化系统可更包含：气体供应管线，通过热交换器从存储罐延伸到压缩机；以及气体供应阀，设置到气体供应管线以调节待通过热交换器引入到压缩机的蒸发气体的流动速率，其中在存储罐中产生的蒸发气体在与热交换器中的压缩气体进行热交换之后沿着气体供应管线引入到压缩机中。

23、蒸发气体再液化系统可更包含：旁通阀，设置到温度升高管线以调节待通过加热器引入到压缩机的蒸发气体的流动速率，其中在存储罐中产生的蒸发气体通过热交换器通过热交换加热且引入到压缩机中；以及当再液化系统未操作或再液化系统的负载低时当再液化系统未操作或再液化系统的负载低时，在存储罐中产生的蒸发气体中的所有或一些沿着绕过热交换器的温度升高管线在加热器中加热且引入到压缩机中。

24、蒸发气体再液化系统可更包含：制冷剂压缩部件，设置到制冷剂循环管线且压缩在热交换器中的热交换之后排出的制冷剂；以及制冷剂膨胀装置，设置到制冷剂循环管线且膨胀和冷却制冷剂以将已膨胀且冷却后的制冷剂供应到热交换器，其中制冷剂循环管线中的制冷剂在制冷剂压缩部件中压缩，通过热交换器冷却，且在制冷剂膨胀装置中膨胀和冷却以作为冷热源供应到热交换器。

25、四个流可在热交换器中进行热交换，四个流包含在压缩机中压缩的压缩气体的流、在制冷剂膨胀装置中膨胀和冷却的制冷剂的流、待沿着气体供应管线从存储罐供应到压缩机的未压缩的蒸发气体的流以及在制冷剂压缩部件中压缩的制冷剂的流。

26、制冷剂压缩部件可连接到制冷剂膨胀装置以通过从制冷剂膨胀装置接收制冷剂的膨胀能量来压缩制冷剂。

27、压缩机可将蒸发气体压缩到设置到船舶的推进发动机的燃料供应压力，且推进发动机可供应有压缩到10bara到20bara的蒸发气体。

28、蒸发气体再液化系统可更包含：减压器，接收通过热交换器冷却的压缩气体以对压缩气体进行减压；以及气液分离器，从减压器接收减压的蒸发气体以将减压的蒸发气体分离成气相和液相，其中在气液分离器中分离的闪蒸气体汇合到热交换器的上游的未压缩的蒸发气体流，且在气液分离器中分离的液化气体可传回到存储罐。

29、根据本发明的另一方面，提供一种用于船舶的再液化设备的废气处理系统，包含：压缩机，压缩由存储在船上存储罐中的液化气体产生的蒸发气体；

30、再液化管线，从压缩机延伸到存储罐以再液化蒸发气体且将再液化气体传回到存储罐；

31、热交换器，设置到再液化管线且冷却在压缩机中压缩的蒸发气体；以及

32、分离器，设置到再液化管线，且将通过热交换器冷却的蒸发气体分离成气相和液相，以将再液化气体供应到存储罐；

33、废气燃烧管线，将在分离器中分离的废气供应到气体燃烧单元(gas combustionunit；gcu)；以及

34、蒸气总管(vapor main)，从存储罐排出蒸发气体，

35、其中gcu从蒸气总管接收蒸发气体且燃烧废气。

36、废气处理系统可更包含：加热器，设置到废气燃烧管线以加热待供应到gcu的废气；废气再循环管线，从加热器上游的废气燃烧管线分支且延伸到蒸气总管；以及过压保护阀，设置到废气再循环管线。

37、在gcu的启动期间或在gcu归因于跳闸等而中断时，将废气供应到蒸气总管，可将废气沿着废气再循环管线通过过压保护阀供应到蒸气总管。

38、废气处理系统可更包含：制冷剂循环部件，在热交换器中与蒸发气体进行热交换的制冷剂在其中循环，其中制冷剂循环部件中的制冷剂可为氮气。

39、废气处理系统可更包含：第一阀，设置到废气再循环管线的分支点上游的废气燃烧管线；压力补偿管线，从压缩机下游的再液化管线分支且延伸到分离器的上部部分；以及备用管线，从制冷剂循环部件的缓冲罐延伸到压力补偿管线以将氮气供应到压力补偿管线，其中分离器的内部压力可通过经由压力补偿管线将蒸发气体或氮气供应到分离器或通过经由第一阀排出气体来调节。

40、废气处理系统可更包含：气体供应管线,从蒸气总管延伸到船上发动机，其中将废气沿着废气再循环管线输送到蒸气总管以与从存储罐排出的蒸发气体一起作为燃料供应到发动机。

41、废气处理系统可更包含：液化气体供应管线，从存储罐延伸到气体供应管线；以及气化器，设置到液化气体供应管线且从存储罐接收液化气体以气化液化气体，其中当存储罐的废气和蒸发气体的混合物不满足发动机的热值(calorific value)时，存储罐的液化气体可被强制性地气化且供应到混合物。

42、根据本发明的另一方面，提供一种船舶的蒸发气体再液化方法，其中在船上存储罐中产生的蒸发气体在压缩机中压缩且通过热交换器中的热交换来冷却以再液化压缩的蒸发气体，沿着制冷剂循环管线的制冷剂循环供应到所述热交换器，以及

43、其中在存储罐中产生的蒸发气体通过加热器加热到压缩机的合适输入温度且引入到压缩机中。

44、在存储罐中产生的蒸发气体可通过热交换器通过热交换加热且可引入到压缩机中，且当再液化系统未操作或再液化系统的负载低时，在存储罐中产生的蒸发气体中的所有或一些可沿着绕过热交换器的温度升高管线在加热器中加热且可引入到压缩机中。

45、在制冷剂循环管线中循环的制冷剂可在制冷剂压缩部件中压缩，通过热交换器冷却，且在制冷剂膨胀装置中膨胀和冷却以作为冷热源供应到热交换器；且制冷剂压缩部件可连接到制冷剂膨胀装置以通过从制冷剂膨胀装置接收制冷剂的膨胀能量来压缩制冷剂。

46、压缩机可将蒸发气体压缩到设置到船舶的推进发动机的燃料供应压力，且推进发动机可供应有压缩到10bara到20bara的蒸发气体。

47、根据本发明的又一方面，提供一种用于船舶的再液化设备的废气处理方法，其中在压缩机中压缩在船上存储罐中产生的蒸发气体；

48、其中在压缩机中压缩的蒸发气体在热交换器中冷却以再液化，且通过分离器分离成气相和液相以传回到存储罐；以及

49、其中将在分离器中分离的废气供应到气体燃烧单元(gcu)，且将在存储罐中产生且排出到蒸气总管的蒸发气体供应到gcu以燃烧废气。

50、在gcu的启动期间或在gcu归因于跳闸等而中断时，可将在分离器中分离的废气供应到蒸气总管。

51、供应到蒸气总管的废气可与从存储罐排出到蒸气总管的蒸发气体或与通过存储罐中的液化气体的强制气化产生的气体混合，以根据发动机所需的热值作为燃料供应到船上发动机。

52、有利效果

53、根据本发明，再液化系统允许在存储罐中产生的低温未压缩的蒸发气体通过热交换器供应到压缩机，以在热交换器中与制冷剂循环管线中的制冷剂一起用作冷热源，同时将低温蒸发气体的温度调整到压缩机所需的合适输入温度。另外，再液化系统具备温度升高管线以允许蒸发气体直接从存储罐供应到压缩机而不穿过热交换器，且加热器设置到温度升高管线以将蒸发气体加热到合适输入温度，使得即使当再液化系统未操作或再液化系统的负载低时，也可以将加热到合适输入温度的蒸发气体供应到压缩机。

54、以这种方式，通过增加使用蒸发气体的冷热和制冷剂循环的冷热的热交换器的冷却效率，根据本发明的实施例的系统可以通过消除用于将待再液化的蒸发气体压缩到高压以增加再液化速率的额外设施(诸如，升压压缩机)来减少capex和opex。无论再液化系统的操作和负载如何，根据本发明的系统可以在合适输入温度下供应蒸发气体，因此防止对压缩机的损坏同时确保其稳定操作。

55、此外，由于在燃料消耗之后仅再液化剩余的蒸发气体，因此根据本发明的系统可以根据剩余的蒸发气体的量调整制冷剂循环的负载，由此减少燃料消耗。

56、根据本发明，可再液化由存储罐中的液化气体产生的蒸发气体以防止lng损失，同时增加lng运输效率。

57、特别地，通过从再液化设备排出归因于再液化设备的连续操作而具有高氮气含量的废气且处理废气，再液化设备可以稳定地操作，同时维持再液化性能。

58、另外，本发明也解决废气的问题，所述废气归因于其高氮气含量难以焚化或燃烧，且归因于其中的甲烷气体的含量而不被允许排到大气，由此根据船舶情形实现废气的灵活且有效的处理。