NO20093562A1

NO20093562A1 - System for gasstilforsel til vekselbrennstoff- eller gassmotorer og avkokingsgassgjenkondensasjon

Info

Publication number: NO20093562A1
Application number: NO20093562A
Authority: NO
Inventors: Eirik Melaaen
Original assignee: Hamworthy Oil & Gas Systems As
Priority date: 2009-12-21
Filing date: 2009-12-21
Publication date: 2011-06-23
Also published as: WO2011078689A1; NO332739B1

Abstract

System for gassforsyning til vekselbrensel- eller gassmotorer og BOG-rekondensering, der BOG- rekondenseringsanlegget innbefatter en kryogenisk varmeveksler (1), en BOG-kompressor (2) med en BOG-forvarmer (3), en nitrogensløyfe med en kompander (4), gass matet til motorene er i form av LNG fra minst en lastetank (5) eller kondensat fra rekondenseringsanlegget, og LNG eller kondensat føres gjennom en LNG-fordamper (6) anordnet i en lukket sløyfe, der den lukkede sløyfen har minst en pumpe (7) og en varmekilde (8) for et mellommedium sirkulerende i den lukkede sløyfen for å forsyne en kaldytelsesutvinning under produksjon av gass matet til motorene. Dessuten, i henhold til den foreliggende oppfinnelse, er en LNG- optimaliserer (9) er anordnet foran LNG-fordamperen, hvilket tillater varmeutveksling ved hjelp av tilgjengelig varm- og kaldytelse i BOG- rekondenseringsanlegget, og henholdsvis LNG eller kondensat mates som gass inn i motorene.

Description

Et system til vekselbrensel- eller gassmotorer og avkoksgassrekondensering

Den foreliggende oppfinnelse vedrører energiintegrasjon og utnyttelse av spillvarme tilgjengelig i kombinerte systemer for brenselgassforsyning og avkoksgass (BOG, Boil-Off-Gass) rekondensering, og særskilt i et gassforsyningssystem for motorer slik som vekselbrensel- eller gassmotorer for fartøyer som transporterer flytende naturgass (LNG) og inkluderer et BOG rekondenseringsanlegg. Dette utelukker imidlertid ikke at det foreliggende system er installert på andre fartøy som anvender flytende gass som LNG, LPG etc. som brensel.

LNG fartøy har tradisjonelt hatt dampturbin fremdriftssystemer, men endrer nå til lav-hastighets diesel-, vekselbrensel- eller gassfremdriftssystemer.

Redegjørelsen nedenfor er basert på et system for gassforsyning integrert med et BOG rekondenseringsanlegg samsvarende med NO patentsøknad nr. 20082158. De nye ho-vedvidereutviklingene er som følger: - Utnyttelse av kaldytelse i LNG. Før brenselet sendes til motoren må LNG varmes til omgivelsestemperatur. Den tilgjengelige kaldytelsen utnyttes til å kjøle ned og kondensere BOG i en LNG optimaliserer (optimizer). - Utnyttelse av kompresjons varme og spillvarme fra kompressoren for å varme opp LNG eller høytrykks LNG, f.eks. kompressorkjølevann eller varm nitrogen.

Det tidligere kombinerte systemet for BOG rekondensering og gassforsyning til vekselbrensel- eller gassmotorer er skjematisk vist i figur 1. Et prosessflytskjema illustrerer søkerens HGD 3dje generasjons rekondenseringsystem (Mark III) med et GassForsyningsSystem for vekselbrensel-/gassmotorer. De to systemene for rekondensering av BOG og gassforsyning med HP (høytrykk) pumping og fordampning er to "hver for seg" montasjer. I en LNG fordamper fjernes kaldytelse fra LNG under fordampning og vanning av denne. Kaldytelsen fjernes ved hjelp av en ekstern varmekilde og utnyttes ikke.

Kondensat fra BOG rekondenseringsanlegget eller LNG fra lastetanker forsynt med las-tepumpene sendes til minst én høytrykkspumpe (HP) for mating til fordamperen. LNG normalt over det superkritiske trykket varmes til en "gass" i en varmeveksler. Varme veksleren henvises til som en fordamper (evaporator, vaporizer). Deretter leveres høy-trykksgassen til fremdriftsmotorer eller gassturbiner, ikke vist.

Utløpstrykket for en slik høytrykkspumpe er typisk opptil 30 MPa (300 bar) i konstruk-sjonstilfellet. LNG temperaturen ved høyere trykk er typisk i området fra -140 til -150°C. Ettersom LNG ved høytrykk er superkritisk er det ikke mulig å skille mellom flytende- og gassfase. Likevel angis vanningen av LNG til omgivelsestemperatur ved høytrykk som fordampning i dette dokumentet.

Systemet vist i figur 1 er basert på fordampning av LNG ved høytrykk med en varmekilde. For å unngå å benytte kjølevann eller damp fra maskinrommet direkte i en varmeveksler med LNG, dvs. fordamperen, benyttes en lukket sløyfe med et mellommedium til å varme LNG. Mellommediet kan være en saltlake (brine), glykolblanding, hydrokar-bonblanding eller et kjølemedium, i det følgende angitt som "saltlake".

For å fordampe LNG innbefatter den lukke sløyfen en LNG fordamper, en saltlakepumpe (brine pump), og en varmekilde i form av en damp-/varmtvannsvarmer. På denne måten forhindres faren ved å få LNG i maskinrommet ved tilfelle av indre lek-kasje i fordamperen. En annen viktig årsak for å bruke en mellomsløyfe er at mellom-sløyfen er sikrere med hensyn til muligheten for frysning.

Fordamperen og dens lukkede sløyfe kan installeres i et Frakt Kompressor Rom (CCR-Cargo Compressor Room) sammen med BOG rekondenseringsanlegget, på et separat sted eller i motorrommet.

LNG ved -160 °C og 2 til 4 bar trykksettes ved hjelp av minst en kryogenisk pumpe (HP pumpe) anordnet foran LNG fordamperen til typisk 300 bar. Deretter fordampes og varmes LNG til omgivelsesforhold - typisk +40 °C i en varmeveksler, dvs. fordamperen.

I fordamperen varmes LNG med saltlake, mens saltlaken vannes med varmt vann fra motoren (kjølevann), damp, f.eks. maskinrom, kjølevann fra prosessutstyr i "damp-/- varmtvannsvarmeren" nevnt ovenfor.

Etter LN- fordamperen pumpes mellomstrømmen (saltlake) til en varmeveksler for å varme opp saltlaken igjen. Denne varmeveksleren, der saltlaken varmes, er varmekilden angitt som "damp-/varmtvannsvarmeren".

Begge systemene for avkoksgassrekondensering og brenselgass krever energi for å ut-øve sine arbeidsoppgaver. For kjøling og kondensering av avkoksgassen er et system for å produsere kaldytelse nødvendig. Kaldytelsen produseres med en nitrogensløyfe drevet av en kompressor avkjølt med kjølevann. LNG brenselgassforsyningen behøver varme for å varme LNG før mating til motoren. Dette betyr at én prosess, dvs. rekondenseringsystemet, behøver kaldytelse, og den andre prosessen, dvs. brenselgassforsyningsyste-met behøver varmytelse. For å oppnå samlet reduksjon av energi- og kraftforbruk inte-greres og optimaliseres de to prosessystemene. Det er således et åpenbart behov for re-dusert energiforbruk for slike systemer.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det foreslått et system for gassforsyning til vekselbrensel- eller gassmotorer og BOG rekondensering, der BOG rekondenseringsanlegget innbefatter en kryogenisk varmeveksler, en BOG kompressor som har en BOG forvarmer, og en nitrogensløyfe med en kompander, motorene mates med gass i form av LNG fra minst én lastetank og/eller kondensat fra rekondenseringsanlegget, og LNG og/eller kondensat passeres gjennom en LNG fordamper anordnet i en lukket sløyfe som har minst én pumpe og en varmekilde for et mellommedium sirkulerende i den lukkede sløyfen for å tilveiebringe kaldytelsesutvinning når den produserer gass matet inn i motorene, der en LNG optimaliserer er anordnet foran LNG fordamperen, hvilket tillater varmeutveksling ved hjelp av tilgjengelig varm- og kaldytelse i BOG rekondenseringsanlegget, og henholdsvis LNG eller kondensat mates som gass inn i motorene.

Fortrinnsvis kan henholdsvis LNG eller kondensat fra den minst ene lastetanken og kryogeniske varmeveksleren rettes inn i LNG optimalisereren direkte eller via en separator, eller BOG fra rekondenseringsanlegget kan rettes inn i LNG optimalisereren for å helt eller delvis kondenseres i varmeutveksling med LNG og deretter føres inn i separatoren for blanding, eller alternativt inn i den kryogeniske varmeveksleren.

Det er også mulig å rette flytende væske fra separatoren via en sugetank (suction drum) inn i LNG optimalisereren eller returnere den til den minst ene lastetanken.

Alternativt kan varm nitrogen fra kompressortrinnet i kompanderen rettes inn i LNG optimalisereren, eller varm nitrogen kan blandes med nitrogen fra en etterkjøler koblet til kompanderen, eller varm nitrogen tatt ut oppstrøms minst én mellomkjøler og/eller etterkjøleren koblet til kompanderen kan rettes til minst en separat varmeveksler anordnet i lukket sløyfe koblet til LNG fordamperen eller minst én separat varmeveksler mel lom LNG optimalisereren og LNG fordamper, eller varm nitrogen tatt ut oppstrøms den kryogeniske varmeveksleren kan rettes inn i LNG optimalisereren.

Således oppnås reduksjon av det totale energiforbruket:

- Utnyttelse av kaldytelse i LNG når LNG varmes opp før mating til motoren. Kaldytelsen brukes for kjøling og kondensering av avkoksgass. - Varming av LNG før mating til motoren ved å anvende tilgjengelig "varm"-ytelse som kjølevann fra kompressorene i rekondenseringsystemet slik som BOG-kompressorer og N2-kompandere, eller annet tilgjengelig kjølevann eller varm nitrogen.

Begge konseptene kan installeres sammen i et system, eller bare étt av dem. Den endelige konfigurasjonen avhenger av det endelige konseptet og hvordan systemet skal drif-tes etter installasjon.

Nå vil den foreliggende oppfinnelse beskrives med henvisning til de medfølgende teg-ninger, hvori: Figur 1 skjematisk fremstiller et system for gassforsyning til vekselbrensel- eller gassmotorer og BOG rekondensering i henhold til NO patents søknad nr. 20082158; og Figurer 2 til 6 skjematisk viser ulike foretrukne utførelser av den foreliggende oppfinnelse.

Først anses det som nyttig å gi et mer detaljert sammendrag av systemet for gassforsyning til vekselbrensel- eller gassmotorer og BOG rekondensering med hensyn til patentsøknaden ovenfor. Både kondensat fra BOG rekondenseringsanlegget og LNG fra minst én lastetank 5 forsynt med en lastepumpe 51 via en ledning 52 sendes til minst én HP-pumpe 53 for mating til en fordamper 6 for å produsere og levere gass via en ledning 54 til fremdriftsmotorene eller gassturbinene, ikke vist. Kondensat kan returneres til lastetanken via en ledning 55. Det er også mulig å blande kondensat og LNG i en separator 10 anordnet oppstrøms HP-pumpen 53, der separatoren er ventilert ved hjelp av en ventil 101.

Systemet vist i figur 1 er basert på en fordampning av LNG ved høyt trykk med en varmekilde. Fordampningen utføres ved hjelp av den lukkede sløyfen innbefattende LNG fordamperen (evaporator, vaporizer) 6, en saltlakepumpe 7, og en varmekilde i form av en damp-/varmtvannsvarmer 8. LNG ved typisk -160 °C og 2 til 40 bar trykksettes ved hjelp av minst én kryogenisk pumpe, dvs. HP-pumpen 53, anordnet foran LNG fordamperen 6 til typisk 300 bar. I fordamperen varmes LNG med saltlaken, mens saltlaken varmes med varmt vann fra motoren (kjølevann), damp, f.eks. maskinrom, kjølevann fra prosessutstyr i "damp-/varmtvannsvarmeren" nevnt ovenfor.

Hovedkomponentene i BOG rekondenseringsanlegget er en kryogenisk varmeveksler 1, en kjølemediumkompander 4, og en BOG kompressor 2 som har en BOG forvarmer 3. Som illustrert mates den kryogeniske varmeveksleren med kaldytelse som stammer fra kompressortrinnene 41,42,43 i kompanderen også utstyrt med en ekspander så vel som BOG forvarmeren. Kompanderen er anordnet i en sløyfe innbefattende et nitrogenreser-voar 42, minst en mellomkjøler (intercooler) 13, en etterkjøler (aftercooler) 12, en pum-pegrenseventil 46, og en ekspanderomløpsledning 47. Kjølevann for mellom- og etter-kjølerne leveres via ledning 48. Dessuten har BOG kompressoren 2 flere kompressortrinn 21, 22, 23 og er foran innløpet også utstyrt med en BOG forvarmer tilpasset over-føring av kaldytelse inn i den kryogeniske varmeveksleren. Samsvarende med kompanderen er BOG-kompressoren koblet til mellom- og etterkjølere 25,26,27, hvilke utveksler varme med kjølevann forsynt via en ledning 24.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er et vesentlig formål å utnytte kaldytelsen tilgjengelig i LNG før inngang i fordamperen 6 og å innføre kaldytelsen inn i BOG rekondenseringsanlegget eller direkte inn i BOG. Således er kaldytelse i stand til å kjøle og kondensere BOG før blanding av BOG-strømmen med LNG fra lastetankene, kondensat fra BOG rekondenseirngsystemet eller en kombinasjon av LNG fra lastetankene og kondensat fra rekondenseringsystemet, jfr. figur 2, 3 og 4.

Kaldytelsen utnyttes i en "LNG optimaliserer" 9, dvs. en innretning hvori BOG eller BOG-kondensat og LNG utveksler varme med hverandre. Avhengig av forholdene av BOG og LNG oppstrøms LNG optimalisereren, blir BOG delvis eller fullstendig kondensert nedstrøms LGN optimalisereren. BOG avkjølt i LNG optimalisereren blandes typisk med kondensat fra kuldeboks i form av en varmeveksler 1 eller/og LNG fra lastetankene 5 nedstrøms kuldeboksen, i en blander, ikke vist, eller i en separator 10. Hvis BOG ikke er fullstendig kondensert nedstrøms LNG optimalisereren, vil strømmen kondenseres ytterligere i blander-/separatorenheten etter blanding av BOG med kondensatet fra rekondenseringsanlegget og/eller LNG fra lagertankene, jfr. figurene 2 og 3. Ikke kondenserbare komponenter kan fjernes fra toppen av separatoren via en egnet ventil 101. Fra separatoren 10 sendes flytende væske til brenselgassforsyningssystemet eller alternativt delvis returneres til lastetankene 5 via ledningen 55.

LNG optimalisereren 9 kan installeres oppstrøms høytrykkspumpen 53; jfr. figur 2, eller nedstrøms den samme; jfr. figur 2, avhengig av tilgjengelige forhold for BOG og LNG strøm og begrensninger på utstyr.

I figur 4 forkjøles og delvis kondenseres BOG-strømmen i LNG optimalisereren 9 før strømmen gjeninnføres i kuldeboksen, dvs. den kryogeniske varmeveksleren 1. Dette er en alternativ løsning i stedet for å sende BOG strømmen direkte til separatoren 10. Høy-trykkspumpen 53 kan installeres oppstrøms eller nedstrøms LNG optimalisereren. En sugetank 11 kan også inkluderes.

For en konfigurasjon med LNG optimalisereren 9, er trykkhøyden til en LP pumpe 56 typisk mellom 3 til 40 bar for å optimalisere varme- og kjølekurven i varmevekslerne. Utløpstrykket i HP pumpen 53 avhenger av motorkravene, f.eks. 300 bar.

I stedet for å anvende en ekstern varmekilde for vanningen av høytrykks LNG til påkrevd temperatur etter LNG optimalisereren 9, kan tilgjengelig varmytelse fra kjølevann eller varm nitrogengass fra kompressortrinnene 41, 42, 43 oppstrøms mellomkjølerne eller etterkjølerne 13, 12 benyttes. Hovedoppgaven er å utnytte kompresjonsvarme fra kompressortrinnene for å varme LNG til omgivelsesforhold før mating til motoren. Ty-piske løsninger for å varme opp høytrykks LNG for å redusere eksterne varmekilder kan være: 1. Varm nitrogen fra kompressortrinnene 41,42, 43 på grunn av kompresjonsvarme kan sendes direkte til LNG optimaliserer(e) eller blandes med nitrogen fra etter-kjøleren 23 før inngang i optimalisereren. Forholdet mellom en strøm fra etter-kjøleren og fra kompressortrinnene avhenger av den påkrevde ytelse i LNG optimalisereren. Avhengig av nitrogentemperatur kan nedkjølt nitrogen returneres nedstrøms nitrogenkompanderen 4, inn i kuldeboksen 1 eller oppstrøms nitro-genekspanderen 44; jfr. figur 5. 2. Varm nitrogen tatt ut oppstrøms mellomkjøleren(e) 13 og/eller etterkjøler 12 kan sendes til minst én separat varmeveksler, ikke vist, mellom optimalisereren 9 og LNG fordamper 6 eller til minst én varmeveksler 14 installert i den lukkede salt-lakesløyfen; jfr. figur 6. Kald LNG varmes med vann nitrogen fra kompressortrinnene 41,42,43. Avkjølt nitrogen returneres tilbake til hovednitrogensløyfen nedstrøms kompanderen 4 minst én mellomkjøler 13 og/eller etterkjøler 12. Om nødvendig kjøles deler av nitrogenet i mellornkjøleren(e)/etterkjøler for å møte den påkrevde temperaturen ved innløpet til kompressortrinnene. 3. Først utnytter LNG optimalisereren 9 kaldytelsen. Etter utnyttelsen av den tilgjengelige kaldytelsen i LNG, sendes LNG-brensel til den neste varmeveksleren. Hvis omgivelsestemperatur ikke er nådd kan LNG varmes ytterligere i denne varmeveksleren, f.eks. LNG fordamperen 6. Den lukkede saltlakesløyfen varmes med en ekstern varmekilde 8. For å redusere det eksterne energiforbruket utnyttes kompresjonsvarme for å varme saltlaken i en "saltlakeforvarmer" 14. Kompresjonsvarmen tas fra nitrogen som omløper mellomkjøleren(e) og/eller etter-kjøler 12. Kompresjonsvarmen kan utnyttes fra en eller flere av kompressortrinnene 41,42,43. Systemet som utnytter kompresjonsvarmen etter det siste kompressortrinnet er vist i figur 6. Kompresjonsvarmen kan også utnyttes direkte i minst én varmeveksler, ikke vist, mellom "optimalisereren" 9 og "LNG fordamperen" 6. 4. Kompressoren i form av BOG kompressor 2 og nitrogen kompander 4 er vanlig-vis vannkjølt. Kompresjonsvarmen fra slike kompressorer kan utnyttes direkte ved å anvende kjølevannet som den eksterne varmekilden for å varme LNG før mating til motoren. Varmen kan anvendes til å varme opp LNG direkte eller varme opp saltlaken i saltlakesløyfen. 5. I tillegg til standard vann- eller luftmellomkjøler(e) og etterkjøler for kompressorer, ikke vist, kan kompresjonsvarmen fjernes i en varmeveksler i parallell eller i serie med mellomkjøleren(e) og etterkjøleren, ikke vist. I en mellomsløyfe, som saltlakesløyfen, kan et mellommedium sirkulere mellom varmeveksleren og LNG fordamperen(e). Dette betyr at kompresjonsvarme omformes til brensel-gassystemet og anvendes for å varme opp LNG. Samtidig fjernes kompresjonsvarme.

Hvis det ikke er tilstrekkelig spillvarme eller hvis kompressorene ikke er i drift er en ekstern overflødig varmekilde påkrevd for å varme opp LNG til omgivelsesforhold. Hvis tilleggsvarme er påkrevd, er slike typisk lagt til fira den eksterne varmekilden ("damp-/- varmtvannsvarmer") vist i de medfølgende figurer.

Claims

1. System for gassforsyning til vekselbrensel- eller gassmotorer og BOG rekondensering, der BOG rekondenseringsanlegget innbefatter en kryogenisk varmeveksler (1), en BOG kompressor (2) med en BOG forvarmer (3), en nitrogensløyfe med en kompander (4), gass matet til motorene er i form av LNG fra minst én lastetank (5) eller kondensat fra rekondenseringsanlegget, og LNG eller kondensat føres gjennom en LNG fordamper (6) anordnet i en lukket sløyfe, der den lukkede sløyfen har minst én pumpe (7) og en varmekilde (8) for et mellommedium sirkulerende i den lukkede sløyfen for å forsyne en kaldytelsesutvinning under produksjon av gass matet til motorene, karakerisert ved at en LNG optimaliserer (9) er anordnet foran LNG fordamperen, hvilket tillater varmeutveksling ved hjelp av tilgjengelig varm-og kaldytelse i BOG rekondenseringsanlegget, og henholdsvis LNG eller kondensat mates som gass inn i motorene.

2. System ifølge krav 1, karakerisert ved at henholdsvis LNG eller kondensat fra den minst éne lastetanken (5) og kryogeniske varmeveksleren (1), rettes inn i LNG optimalisereren (9) via en separator (10).

3. System ifølge minst étt foregående krav, karakerisert ved at BOG fra rekondenseringsanlegget rettes inn i LNG optimalisereren (9) for å bli delvis eller fullstendig kondensert i varmeutveksling med LNG og deretter føres inn i separatoren (10) for blanding.

4. System ifølge krav 1 eller 2, karakerisert ved at BOG fra rekondenseringsanlegget rettes inn i LNG optimalisereren (9) for å bli delvis eller fullstendig kondensert i varmeutveksling med LNG og deretter føres inn i den kryogeniske varmeveksleren (1).

5. System ifølge krav 4, karakerisert ved at flytende væske fra separatoren (1) rettes via en sugetank (11) inn i LNG optimalisereren (9) eller returneres til den minst éne lastetanken (5).

6. System ifølge minst étt foregående krav, karakerisert ved at varm nitrogen fra kompressortrinn (41, 42, 43) i kompanderen (4) rettes inn i LNG optimalisereren (9).

7. System ifølge krav 6, karakerisert ved at varm nitrogen blandes med nitrogen fra en etterkjøler (12) koblet til kompanderen (4).

8. System ifølge krav 1 eller 2, karakerisert ved at varm nitrogen tatt ut oppstrøms minst én mellomkjøler (13) eller etterkjøleren (12) koblet til kompanderen (4) rettes til minst én separat varmeveksler (14) anordnet i den lukket sløyfen koblet til LNG fordamperen (6), eller minst én separat varmeveksler mellom LNG optimalisereren (9) og LNG fordamperen (6).

9. System ifølge krav 8, karakerisert ved at varm nitrogen tatt ut oppstrøms den kryogeniske varmeveksleren (1) rettes til LNG optimalisereren (9).