一种LNG动力船燃气回收系统及其控制方法、船舶

本发明属于船舶动力，尤其涉及一种lng动力船燃气回收系统及其控制方法、船舶。

背景技术：

1、在船舶设计制造领域中，天然气发动机属于最重要的船用动力设备。由于船用天然气发动机运行过程中排放严重，世界各国及国际海事组织imo纷纷提出法规限制船用天然气发动机的排放。为了满足日益严苛的法规，对现有天然气发动机这一船用设备进行改造，加装新的燃料供给系统并使用清洁燃料已成为研究热点。

2、在各种清洁燃料中，天然气具有储量丰富、高辛烷值、能量密度高和燃烧清洁等特点，因此作为船用燃料得到广泛应用。天然气在船舶通常以低温加压液化的lng(liquefiednatural gas，液化天然气)形式存储。对于以lng为动力的船用天然气发动机，考虑到lng储罐的低温绝热特性，不可避免地会与外界进行热交换，导致储罐内部lng汽化产生蒸发气(boil off gas，简称bog)，使储罐内的压力升高。当储罐内压力大于安全压力时会开启安全阀释放天然气，防止罐内压力过大造成储罐变形甚至爆炸等危险。若将这部分蒸发气进行再液化回收，可以使其重新作为天然气发动机的燃料消耗。

3、天然气发动机停止运行后，为了保护燃料供给系统，通常需要排尽供给管路内残余的天然气。若将管路内残余的天然气直接排放至大气，不仅造成燃料浪费，而且严重污染船舶环境，影响船舶正常运行。

4、对天然气发动机这种船用设备加装燃料供给系统后，对蒸发气和天然气供给管路多余天然气的回收，不仅保证了船用天然气发动机运行的安全性，而且提高了船舶营运的经济性。

5、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

6、(1)当前针对蒸发气的处理通常采用以下方案，第一种：直接放空燃烧，这种方法不仅会对环境造成污染，而且会导致巨大的能源浪费；第二种：对蒸发气调压再利用，但在气温差异较大时无法提供稳定的蒸发气生成量；第三种：增加独立的再液化设备回收蒸发气，对蒸发气进行冷却液化，这种方法未能充分利用lng的冷能，回收系统能耗高。

7、(2)对lng动力船的燃气供给管路高压残余燃气的通常处理为：通过相关阀组将残余高压燃气排放至大气环境中，该处理方式会排放大量的天然气，污染环境且浪费燃料，还会影响船舶运行的安全性。

8、(3)现有技术的缺陷在于：

9、第一种：不考虑对燃气进行回收和对环境的影响，直接排放；

10、第二种：无法对燃气进行持续有效的利用；

11、第三种：对燃气回收的再液化过程需要耗费大量能源，回收系统未能充分利用lng的冷能。

12、解决以上问题及缺陷的难度为：

13、lng液化温度低，难以通过直接压缩进行液化，对lng动力船的燃气再液化回收需要耗费大量能源，会提高lng动力船的运营成本。对燃气的再液化过程中，利用lng汽化过程与进行换热冷却，可以减少额外能源消耗。

14、解决以上问题及缺陷的意义为：

15、随着当前对天然气发动机排放的限制，采用lng作为船用燃料逐渐成为一种趋势。但lng汽化后产生的天然气是一种温室气体，需要对lng动力船运营过程的多余燃气进行回收。利用lng的冷能对蒸发气和管系内残余的燃气进行热交换，可以减少lng在液化过程的能量消耗、提高系统的能量利用率，同时提升了船舶运营的安全性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种lng动力船燃气回收系统及其控制方法、船舶。

2、本发明是这样实现的，一种lng动力船燃气回收系统，包括lng储罐、天然气供给系统，所述lng储罐与天然气供给系统相连接，所述lng动力船燃气回收系统还包括：bog回收系统，所述lng储罐的输出端与bog回收系统的输入端相连接，用于将lng储罐与外界热交换后内部产生的蒸发气进行回收；

3、高压氮气吹扫系统，所述高压氮气吹扫系统与天然气供给系统的其中一个单向出口相连接，利用氮气吹扫天然气供给系统的管路内残余的天然气，形成氮气和天然气混合物。

4、优选的，还包括：高压天然气回收系统，所述高压天然气回收系统与天然气供给系统的输出端相连接，所述高压天然气回收系统用于分离氮气和lng，并将lng液化回收。

5、优选的，所述bog回收系统包括依次连接的第一单向阀、第一压缩机、第一换热器以及再液化设备，所述第一单向阀的入口与所述lng储罐的内部相连通，所述第一单向阀的出口与所述第一压缩机的进口相连接，所述第一压缩机的出口与所述再液化设备的进口相连接，所述再液化设备的出口与所述lng储罐的内部相连通。

6、优选的，所述天然气供给系统包括依次连接的燃料供给泵、第二单向阀、第二换热器、第三换热器、质量流量计、电加热器和减压阀，所述减压阀的出口与高压气轨的入口相连接。

7、优选的，连接所述电加热器与所述减压阀的管道上设置温度传感器；连接所述第三换热器与气缸冷却水单元的管道上设置流量调节阀。

8、优选的，所述高压氮气吹扫系统包括依次连接的高压氮气装置、过滤器和开关阀，所述开关阀的出口端与第二单向阀的出口端相连通。

9、优选的，所述高压天然气回收系统包括依次连接的高压气轨、电磁阀、深冷装置和气液分离器，所述电磁阀的出口端与再液化设备连接。

10、优选的，所述高压气轨内设置轨压传感器；连接所述电磁阀和所述深冷装置的管道上设置天然气传感器。

11、本发明提供一种适用于上述的lng动力船燃气回收系统的控制方法，该控制方法包括：

12、s1、蒸发气通过第一压缩机加压，利用第一换热器进行换热冷却，经过再液化设备冷却液化，lng回收进入lng储罐；

13、s2、获取温度传感器的读数，用以调节流经流量调节阀的冷却水流量；获取质量流量计20读数，结合温度传感器的读数，计算电加热器的加热功率；

14、s3、天然气发动机停机时第二单向阀关闭，开启开关阀和电磁阀，高压氮气流经过滤器，过滤后的高压氮气进入供给管路；

15、s4、分析天然气发动机状态，根据天然气发动机停机或运行状态：天然气发动机停机时，分离气液混合物，进行天然气回收；天然气发动机运行时，依据压力限额进行天然气回收。

16、优选的，所述s4具体为：

17、s401：判断天然气发动机状态，天然气发动机停机时进入步骤s402，天然气发动机正常运行时进入步骤s403；

18、s402：电磁阀开启，高压氮气吹扫管路，管路内残余天然气经过深冷装置冷却形成氮气和lng的气液混合物，气液分离器分离出lng，天然气传感器读数再次低于设定阈值后关闭高压天然气回收系统；

19、s403：轨压传感器监测高压气轨压力，高压气轨压力大于安全压力时控制电磁阀的开启，高压气轨内多余天然气经深冷装置和气液分离器处理后回收。

20、本发明提供一种lng动力船舶，包括船舶本体，所述船舶本体内设有天然气发动机，所述天然气发动机与权利要求1-8任一所述的lng动力船燃气回收系统相连接。

21、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：相对于现有的使用柴油燃料的天然气发动机，天然气发动机使用天然气能够减少氮氧化物和炭烟的排放，上述燃料回收系统及其控制方法，能够回收蒸发气和管路内残留的天然气，并且能够利用液化天然气lng相变时的冷能，提高燃料利用率和系统的经济性，具体表现为：

22、第一，lng在汽化过程中需要吸收大量热量，天然气回收系统利用lng的冷能对蒸发气进行冷却，减少回收系统能量消耗。

23、第二，lng与缸套冷却水系统换热，液化天然气lng吸热汽化成气态燃料，节省加热lng需要的电能。

24、第三，天然气回收系统回收了lng储罐的蒸发气和供给管路内残留高压天然气，减少燃料浪费和保护环境。