用于向高压天然气喷射发动机供给燃料的系统中的再液化装置的无爆炸性混合制冷剂的制作方法【专利摘要】本发明提供一种用于向高压天然气喷射发动机供给燃料的系统中的再液化装置的无爆炸性混合制冷剂，其中在液化天然气储罐中生成的蒸发气体在中压下被压缩、被再液化、在高压下被压缩、被气化，并之后被供给到高压天然气喷射发动机中。根据本发明，提供了用于向高压天然气喷射发动机供给燃料的系统中的再液化装置的无爆炸性混合制冷剂，用于供给燃料的系统包括：蒸发气体压缩部分，其用于从用于储存液化气体的储罐中接收其中生成的蒸发气体，并将所述蒸发气体压缩；再液化装置，其用于接收在蒸发气体压缩部分中被压缩的蒸发气体，并将其液化；高压泵，其用于压缩在再液化装置中被液化的蒸发气体，并将其压缩；以及高压气化器，其用于使在高压泵中被压缩的液体蒸发气体气化，并将其供给到高压天然气喷射发动机中，其中在再液化装置中通过与蒸发气体进行热交换而冷却蒸发气体的无爆炸性混合制冷剂包括具有不同沸点的多种无爆炸性制冷剂的混合，其中所述无爆炸性制冷剂中的每一者的沸点处在天然气液化温度与室温之间。【专利说明】用于向高压天然气喷射发动机供给燃料的系统中的再液化装置的无爆炸性混合制冷剂【
技术领域：
】[0001]本发明涉及一种用于燃料供给系统的再液化装置(reliquefactionapparatus)中的不可燃混合制冷剂(nonflammablemixedrefrigerant),该燃料供给系统将在液化天然气(liquefiednaturalgas,LNG)储罐中生成的蒸发气体(boil-offgas,BOG)压缩至中压(mediumpressure)、使压缩BOG再液化、将经再液化的BOG压缩至高压、使压缩的经再液化的BOG气化，并且将气化BOG供给到高压天然气喷射发动机中。【
背景技术：
】[0002]最近,在世界各地,例如液化天然气(liquefiednaturalgas,LNG)或液化石油气(liquefiedpetroleumgas,LPG)之类的天然气的消耗已迅速增长。液化气体(liquefiedgas)是通过陆上或海上的气体管道以气态输送的，或在将其以液态储存在液化气体运输船(liquefiedgascarrier)内时将其输送到较远的消耗地点。例如LNG或LPG之类的液化气体是通过将天然气或石油气冷却至低温度(在LNG的情况下，大约_163°C)而获取的。因为与气态相比液化气体的体积显著地减少，所以液化气体非常适合于长距离海洋运输。[0003]液化气体运输船被设计成用于装载液化气体、跨洋航行，并且在陆上消耗地点卸载液化气体。为此，液化气体运输船包含能够承受液化气体的低温度的储罐(也被称为“货舱(cargohold)”)。[0004]配备有能够储存低温液化气体的储罐的海洋结构(marinestructure)的实例可以包含船舶，如液化气体运输船与LNG再气化船(LNGRegasificationVessel,LNGRV)，或结构，如LNG浮式储存再气化单兀(LNGFloatingStorageandRegasificationUnit,LNGFSRU)与LNG浮式生产储存卸货装置(LNGFloating,Production,StorageandOff-loading,LNGFPS0)。[0005]LNGRV是配备有LNG再气化设备的自航式浮式液化气体运输船(self-propelled,floatableliquefiedgascarrier),而LNGFSRU是在远离陆地的海上存储从LNG运输船卸载的LNG的海洋结构，而且必要时通过将LNG气化来向海上消耗地点供给LNG。LNGFPSO这一海洋结构在海上精炼所萃取的LNG、在直接液化之后将LNG储存在储罐中，并且必要时将LNG转运到LNG运输船上。本文使用的术语“海洋结构”是一个包含例如液化气体运输船与LNGRV之类的船舶以及例如LNGFPSO与LNGFSRU之类的结构的概念。[0006]因为天然气的液化温度在环境压力下为_163°C的低温度，所以即使当LNG的温度在环境压力下稍高于_163°C时LNG也有可能会汽化。在常规LNG运输船的情况下，尽管LNG储罐是绝热的，但外部热量还是不断地传递到LNG中。因此，在LNG运输船运输LNG的过程中LNG不断地汽化，并且在LNG储罐内生成了蒸发气体(BoilOffGas,BOG)。[0007]生成的天然气可能增加储罐的内部压力，并且加速因船舶摇晃造成的天然气流动，从而导致结构性问题。因此，有必要抑制BOG的生成。[0008]常规地，为了抑制液化气体运输船的储罐中BOG的生成，已经单独或组合地使用了从储罐中排出BOG并燃烧BOG的方法，从储罐中排出B0G、通过再液化装置使BOG再液化并使BOG回到储罐的方法，将BOG用作船舶的推进发动机的燃料的方法，以及通过使储罐的内部压力维持在高水平上从而抑制BOG的生成的方法。[0009]在配备有BOG再液化装置的常规浮动结构的情况中，从储罐中排出储罐内的B0G，之后通过再液化装置将其再液化从而使储罐的压力维持在适当的水平上。在这个情况下，在再液化过程之前，BOG被压缩到大约4至Sbara的低压，之后被供给到再液化装置中。压缩BOG通过与再液化装置(包含氮制冷循环(nitrogenrefrigerationcycle))中被冷却至低温度的氮进行热交换从而被再液化，且经液化的BOG回到储罐中。[0010]BOG可以被压缩至一个高压，从而提高BOG再液化效率。然而，储存在储罐中的LNG被维持在环境压力状态下，且因此，如果液化BOG的压力过高，那么当BOG回到储罐中时可能会生成闪蒸气(flashgas)。因此，尽管再液化效率较低，BOG还是需要被压缩到上述大约4至8bara的低压。[0011]常规地，氮制冷循环和混合制冷剂被用于BOG的再液化。因为氮制冷循环使用氮气(N2)作为制冷剂，所以液化效率较低。而且，混合制冷剂循环使用混合了氮气和烃气(hydrocarbongas)的制冷剂作为制冷剂,其稳定性较差。[0012]更确切地说，用于船舶或海上设备的常规海上LNG再液化装置通过实施涡轮膨胀机型氮逆布雷顿循环(turbo-expander-typenitrogenreverseBraytoncycle)而使BOG再液化。常规陆上LNG液化设备通过使用混合制冷剂实施焦耳-汤姆逊制冷循环(Joule-Thomsonrefrigerationcycle)从而使天然气液化。用于海上LNG液化装置的氮逆布雷顿循环在装置配置方面相对简单，且因此有利于受限的船舶或海上设备，但效率低下。用于陆上LNG液化设备的混合制冷剂焦耳-汤姆逊制冷循环具有相对较高的效率，但装置配置复杂，因为在混合制冷剂的特征导致气态和液态共存时，需要用于分离混合制冷剂的分离器。[0013]此外，在配备有经配置以储存例如LNG之类的液化气体的储罐的海洋结构的情况下，对于高效地处理在储罐中连续生成的BOG并抑制闪蒸气的生成的方法，需要广泛的研究和发展。【
发明内容】[0014]技术问题[0015]本发明提供了一种用于提升燃料供给系统中的再液化装置的再液化效率的不可燃混合制冷剂，该燃料供给系统将在液化天然气(LNG)储罐中生成的蒸发气体(BOG)压缩至中压、使压缩BOG再液化、将经再液化的BOG压缩至高压、使压缩的经再液化的BOG气化，并且将气化BOG供给到高压天然气喷射发动机中。[0016]技术解决方案[0017]根据本发明的实施例，用于高压天然气喷射发动机的燃料供给系统中的不可燃混合制冷剂，所述燃料供给系统包含:蒸发气体(BOG)压缩单元，其经配置以接收并压缩在储存液化气体的储罐中生成的B0G;再液化装置，其经配置以接收并液化由所述BOG压缩单元压缩的BOG;高压泵，其经配置以压缩由所述再液化装置生成的液化BOG;以及高压气化器，其经配置以使被所述高压泵压缩的液化BOG气化，并将气化BOG供给到所述高压天然气喷射发动机中，其特征在于在所述再液化装置中通过与BOG进行热交换从而冷却BOG的所述不可燃混合制冷剂包括具有不同沸点的不可燃制冷剂的混合，并且所述不可燃制冷剂中的每一者的沸点的范围在室温与天然气的液化温度之间。[0018]其中当组I包含氩(Ar)，组II包含R14，组III包含R23、R116和R41，组IV包含R32、R410A、R410B、R125、R143a、R507、R407B、R404A、R407A、R407C、R407E、R407D、R161、R218、R134a、R152a和R227ea，并且组V包含R236fa和R245fa时，所述不可燃混合制冷剂可以包含从所述组I中选择的再一种制冷剂、从所述组II中选择的一种或多种制冷剂、从所述组III中选择的一种或多种制冷剂、从所述组IV中选择的一种或多种制冷剂以及从所述组V中选择的一种或多种制冷剂的混合。[0019]可以确定所述不可燃制冷剂的配比(compositionratio)以使热交换器中高温流体与低温流体之间的温度差维持恒定，所述热交换器在所述不可燃混合制冷剂与BOG之间执行热交换。[0020]所述不可燃混合制冷剂可以包含Ar、R14、R23、R410a和R245fa的混合。[0021]所述不可燃混合制冷剂的凝固点可以是不使BOG凝固的温度，即使是当BOG在所述储罐中生成、从所述储罐被排出、在所述BOG压缩单元中被压缩至大约12至45bara的压力，并之后通过与所述不可燃混合制冷剂的热交换而再液化时。[0022]根据本发明的另一个实施例，用于使天然气液化的不可燃混合制冷剂其特征在于所述不可燃混合制冷剂通过与在液化天然气(LNG)储罐中生成并排出的BOG进行热交换而使蒸发气体(BOG)再液化；并且所述不可燃混合制冷剂的凝固点是不使BOG凝固的温度，SP使是当BOG在所述LNG储罐中生成、从所述LNG储罐被排出、在压缩单元中被压缩至大约12至45bara的压力，并之后通过与所述不可燃混合制冷剂的热交换而再液化时。[0023]根据本发明的另一个实施例，用于使天然气液化的不可燃混合制冷剂其特征在于通过在热交换器中与天然气进行热交换而使天然气再液化的所述不可燃混合制冷剂包括具有不同沸点的不可燃制冷剂的混合，并且所述不可燃制冷剂中的每一者的沸点的范围在室温与天然气的液化温度之间。[0024]有利效果[0025]根据用于根据本发明的高压天然气喷射发动机的燃料供给系统操作方法，燃料可以高效地被供给到高压天然气喷射发动机中，并且可以使再液化装置的能量消耗最小化。[0026]与将BOG压缩到大约4至Sbara的低压的相关技术相反，根据本发明的使用不可燃混合制冷剂的燃料供给系统将BOG压缩到大约12至45bara的中压，并之后将其再液化。随着BOG的压力增加，液化能量降低。因此，可以降低在再液化中消耗的液化能量。[0027]而且，在本发明中，不可燃混合制冷剂被用作用于BOG再液化的再液化装置的制冷剂。因此，根据本发明的燃料供给方法比常规氮制冷循环更高效，并且能够比常规混合制冷剂循环更安全地使BOG再液化。[0028]而且，在根据本发明的使用不可燃混合制冷剂的燃料供给系统、根据本发明的高压天然气喷射发动机中，因为BOG再液化过程中BOG的压力是高于现有技术中压力的中压，所以提升了BOG的液化点。因此，降低了施加到用于再液化的热交换器上的热应力，并且还降低了高压气化器的热负荷，从而使得装置的尺寸减小。【专利附图】【附图说明】[0029]图1为图示了根据本发明的第一实施例的用于高压天然气喷射发动机的燃料供给系统的配置图。[0030]图2a为图示了根据本发明的不可燃混合制冷剂中含有的成分的凝固点与沸点的曲线图。[0031]图2b为图示了烃混合制冷剂中含有的成分的凝固点与沸点的曲线图。[0032]图2c为图示了根据压缩压力的天然气的液化温度的曲线图。[0033]图3为图示了组成不可燃混合制冷剂的成分的沸点的曲线图。[0034]图4为图示了在BOG再液化装置使用不可燃混合制冷剂制冷循环和氮气制冷循环的情况下的功率消耗比较的曲线图。[0035]图5为图示了根据本发明的第二实施例的用于高压天然气喷射发动机的燃料供给系统的配置图。[0036]图6为图示了根据本发明的第三实施例的用于高压天然气喷射发动机的燃料供给系统的配置图。[0037]图7为图示了根据本发明的第四实施例的用于高压天然气喷射发动机的燃料供给系统的配置图。【具体实施方式】[0038]下文中将参考附图来详细描述本发明的示范性实施例。然而，本发明可通过不同的形式进行实施，且不应解释为限于本文中所列出的各实施例。相反，提供这些实施例以使本发明将详尽且完整，并且可以将本发明的范围完整地传达给所属领域的技术人员。[0039]国际海事组织(InternationalMaritimeOrganization,IMO)规定了船舶废气中的氮氧化物(NOx)与硫氧化物(SOx)的排放，并且还试图规定二氧化碳(CO2)的排放。具体而言，关于氮氧化物(NOx)与硫氧化物(SOx)的规定的议题在1997年的国际防止船舶造成污染公约(PreventionofMarinePollutionfromShips,MARP0L)协议中提出。八年后，协议满足了实行要求并在2005年5月生效。目前，公约作为强制性规定生效。[0040]因此，为了符合这样的规定，已经引进了多种方法来减少氮氧化物(NOx)的排放。作为这些方法之一，已经开发并使用了用于LNG运输船的高压天然气喷射发动机，例如，曼恩电子气体喷射式(MANElectronic-GasInjection,ME-GI)发动机。[0041]这样的ME-GI发动机可以安装在海洋结构上,如将LNG(LiquediedNaturalGas)储存在能够承受低温度的储罐中并运输LNG的LNG运输船。本文所使用的术语“海洋结构”包含例如LNG运输船与LNGRV之类的船舶，以及例如LNGFPSO与LNGFSRU之类的海上设备。在这个情况下，ME-GI发动机使用天然气作为燃料，并根据其负载而需要大约150至400bara(绝对压力)的高压用于供气。[0042]当额外安装了再液化装置时，ME-GI发动机在再液化BOG并将经液化BOG输送到储罐中时，可以根据气与燃油价格的变化以及废气监管的强度来选择是使用BOG作为燃料还是使用重燃油(heavyfueloil,HF0)作为燃料。具体而言，当经过有特殊规定的海洋区域时，可以仅通过气化LNG来为海洋结构供应燃料。此外，该海洋结构被认为是下一代环保发动机，且具有高达50%的效率。因此，预期该海洋结构在不远的将来会被用作LNG运输船的主发动机。[0043]图1为图示了根据本发明的第一实施例的用于具有高压天然气喷射发动机(例如，ME-GI发动机)的例如LNG运输船之类的海洋结构的燃料供给系统的配置图。图1图示的实例中，根据本发明的用于高压天然气喷射发动机的燃料供给系统被应用于配备有能够将天然气作为燃料的ME-GI发动机的LNG运输船。然而，根据本发明的用于高压天然气喷射发动机的燃料供给系统也可以被应用于配备有液化气体储罐的任何类型的海洋结构。海洋结构的实例可以包含例如LNG运输船和LNGRV之类的船舶，以及例如LNGFPSO和LNGFSRU之类的海上设备。[0044]根据本发明的第一实施例的用于具有高压天然气喷射发动机的海洋结构的燃料供给系统，在液化气体储罐11中生成并排出的NBOG(天然蒸发气，naturalboil-offgas)被BOG压缩单元13压缩至大约12至45bara(绝对压力)的中压，并在之后被供给到再液化装置20中。在再液化装置20中通过接收再液化能量(S卩，冷热(coldheat))而再液化的LBOG(液化蒸发气体，liquefiednaturalgas)被高压泵33压缩至大约150至400bara的高压，并在之后被供给到高压气化器37中。之后，LBOG被高压气化器37气化，并在之后作为燃料被供给到高压天然气喷射发动机中，例如，ME-GI发动机。[0045]在本说明书中，“高压”范围代表大约150至400bara的压力，该压力为高压天然气喷射发动机所需的燃料供给压力。“中压”范围代表大约12至45bara的压力，BOG压缩机13在该压力下压缩B0G。“低压”范围代表大约4至Sbara的压力，在现有技术中在该压力下压缩BOG以用于将其供给到再液化装置。[0046]储罐包含用于将例如LNG之类的液化气体储存在低温状态下的密封且绝热的障壁。然而，储罐不能完全阻断从外界传导的热量。因此，在储罐11中液化气体不断地蒸发。为了将储罐11中BOG的压力维持在合适的水平，通过BOG排出管线LI排出B0G。[0047]排出的BOG通过BOG排出管线LI被供给到BOG压缩单元13中。BOG压缩单元13包含一个或多个BOG压缩机14以及经配置以冷却BOG的一个或多个中间冷却器15，BOG在被BOG压缩机14压缩时温度上升。在图1中示范性地图示了包含五个BOG压缩机14和五个中间冷却器15的五级BOG压缩单元13。[0048]由BOG压缩单元13压缩的BOG通过BOG供给管线L2被供给到再液化装置20中。被供给到再液化装置20中的BOG在经过再液化装置20的冷箱(coldbox)21时，被制冷剂冷却并再液化。只要再液化装置20可以使例如LNG之类的液化气体中生成的BOG液化，再液化装置20就可以具有任何配置。[0049]在图1中示范性地图示的再液化装置20包含:经配置以使用制冷剂通过热交换使BOG再液化的冷箱21个或多个制冷剂气液分离器22，这些分离器经配置以将被冷箱21加热并部分气化的制冷剂分离成气体制冷剂和液体制冷剂；经配置以压缩由制冷剂气液分离器22分离的气体制冷剂的一个或多个制冷剂压缩机23;经配置以冷却由制冷剂压缩机23压缩的制冷剂的制冷剂冷却器24;制冷剂膨胀阀25，该膨胀阀经配置以通过使由制冷剂压缩机23压缩并由制冷剂冷却器24冷却的制冷剂膨胀，从而降低制冷剂的温度；以及经配置以向制冷剂膨胀阀25供给由制冷剂气液分离器22分离的液体制冷剂的制冷剂泵26。[0050]通过制冷剂泵26被供给到制冷剂膨胀阀25中的制冷剂可以与在制冷剂膨胀阀25的上游侧经过制冷剂冷却器24之后被供给到制冷剂膨胀阀25中的制冷剂混合。[0051]与此同时，被供给到制冷剂膨胀阀25中的制冷剂在膨胀之前可以与经过冷箱21的制冷剂进行热交换，并在膨胀之后具有低温状态。[0052]此外，由制冷剂冷却器24冷却的制冷剂可以被供给到另一个制冷剂气液分离器中从而被分离成气体制冷剂和液体制冷剂。为此，尽管图1中示范性地图示了包含两个制冷剂气液分离器22、两个制冷剂压缩机23、两个制冷剂冷却器以及两个制冷剂泵26的液化装置20，但本发明不限于此。包含在液化装置20中的相应组件的数量根据其设计可以增加或减少。[0053]根据本发明，与现有技术不同，包含R14的不可燃混合制冷剂可以用作在再液化装置20内循环的制冷剂。通过混合多种不可燃制冷剂制备的不可燃混合制冷剂具有的混合配比(mixturecompositionratio)使得即使在被压缩至中压的BOG再液化的液化温度下，制冷剂也不会冷凝。[0054]使用混合制冷剂的相变化的制冷循环与仅将氮用作制冷剂的氮制冷循环相比具有更高的效率。常规的混合制冷剂有安全问题，因为其中混合了可燃制冷剂。然而，根据本发明的不可燃混合制冷剂安全性高，因为不可燃混合制冷剂是通过混合不可燃制冷剂制备的。[0055]根据本发明的不可燃混合制冷剂可以将混合制冷剂焦耳-汤姆逊制冷循环应用到海上LNG再液化装置中。与此同时，已知在常规的陆上LNG液化设备中使用了混合制冷剂。因为这样的混合制冷剂是爆炸性烃(Hydro-Carbon,HC)混合制冷剂,所以该混合制冷剂一直很难处理。然而，根据本发明的不可燃混合制冷剂无爆炸性，因为不可燃混合制冷剂包含U、氢氟烃(Hydro-Fluoro-Carbon,HFC)制冷剂，以及碳氟化合物(Fluoro-Carbon,FC)制冷剂。[0056]作为HFC/FC制冷剂，可以使用如下表1列出的制冷剂。在下表1中，还添加了氩。[0057]表1[0058]【权利要求】1.一种不可燃混合制冷剂，其用于高压天然气喷射发动机的燃料供给系统中，其中所述燃料供给系统包含:蒸发气体压缩单元，其经配置以接收并压缩在储存液化气体的储罐中生成的蒸发气体；再液化装置，其经配置以接收并液化由所述蒸发气体压缩单元压缩的所述蒸发气体；高压泵，其经配置以压缩由所述再液化装置生成的所述液化蒸发气体；以及高压气化器，其经配置以使被所述高压泵压缩的所述液化蒸发气体气化，并将所述气化蒸发气体供给到所述高压天然气喷射发动机中，其中在所述再液化装置中通过与所述蒸发气体进行热交换而冷却所述蒸发气体的所述不可燃混合制冷剂包括具有不同沸点的不可燃制冷剂的混合，并且所述不可燃制冷剂中的每一者的沸点的范围在室温与天然气的液化温度之间。2.根据权利要求1所述的不可燃混合制冷剂，其中当组I包含氩，组II包含R14，组III包含R23、R116和R41，组IV包含R32、R410A、R410B、R125、R143a、R507、R407B、R404A、R407A、R407C、R407E、R407D、R161、R218、R134a、R152a和R227ea,并且组V包含R236fa和R245fa时，所述不可燃混合制冷剂包括从所述组I中选择的再一种制冷剂、从所述组II中选择的一种或多种制冷剂、从所述组III中选择的一种或多种制冷剂、从所述组IV中选择的一种或多种制冷剂以及从所述组V中选择的一种或多种制冷剂的混合。3.根据权利要求1所述的不可燃混合制冷剂，其中确定所述不可燃制冷剂的配比以使热交换器中高温流体与低温流体之间的温度差维持恒定，所述热交换器在所述不可燃混合制冷剂与所述蒸发气体之间执行热交换。4.根据权利要求1所述的不可燃混合制冷剂，其中所述不可燃混合制冷剂包括Ar、R14、R23、R410a和R245fa的混合。5.根据权利要求1所述的不可燃混合制冷剂，其中所述不可燃混合制冷剂的凝固点是不使所述蒸发气体凝固的温度，即使是当所述蒸发气体在所述储罐中生成、从所述储罐被排出、在所述蒸发气体压缩单元中被压缩至大约12至45bara的压力，并之后通过与所述不可燃混合制冷剂的热交换而再液化时。6.一种用于使天然气液化的不可燃混合制冷剂，其特征在于:所述不可燃混合制冷剂通过与在液化天然气储罐中生成并排出的蒸发气体进行热交换而使所述蒸发气体再液化；以及所述不可燃混合制冷剂的凝固点是不使所述蒸发气体凝固的温度，即使是当所述蒸发气体在所述液化天然气储罐中生成、从所述液化天然气储罐被排出、在压缩单元中被压缩至大约12至45bara的压力，并之后通过与所述不可燃混合制冷剂的热交换而再液化时。7.一种用于使天然气液化的不可燃混合制冷剂，其特征在于:通过在热交换器中与天然气进行热交换而使所述天然气再液化的所述不可燃混合制冷剂包括具有不同沸点的不可燃制冷剂的混合，并且所述不可燃制冷剂中的每一者的沸点的范围在室温与天然气的液化温度之间。【文档编号】F02M21/02GK103547788SQ201180070989【公开日】2014年1月29日申请日期:2011年12月20日优先权日:2011年3月22日【发明者】郑承教,郑济宪,崔东圭,李正汉,文荣植,柳珍烈申请人:大宇造船海洋株式会社