一种用于船舶LNG液罐增压的新型自增压系统的制作方法

一种用于船舶lng液罐增压的新型自增压系统
技术领域
1.本发明涉及一种新型低阻力、高增压效率的lng自增压系统。该lng自增压系统能高效准确地提升lng液罐压力。


背景技术：

2.随着日趋严格的船舶环保要求，采用清洁能源液化天然气(liquefied natural gas,lng)代替传统燃油已成为船舶燃料的主要方向之一。lng在船上以液态形式储存，但在船上受热后非常易挥发产生蒸发气，形成易燃易爆危险环境。为避免这类替代燃料的挥发气体扩散，国际海事组织允许采用c型燃料舱(压力容器型式)储存这类低闪点燃料。
3.lng存储真空绝热形式或者保温材料包覆的lng液罐内，当需要对lng液罐进行增压操作时，通常会采用一种自增压系统，用于提高低温lng液罐的压力。
4.典型的lng液罐的自增压系统形式及原理介绍参见公开发表的论文：高云在2015年《低温与超导》杂志第43卷第9期的论文《车用液化天然气气瓶自增压装置的设计优化》。文中详细介绍了自增压系统及其关键元器件增压调节阀的工作原理。该论文中，lng液罐自增压系统基本原理见图1，机械弹簧自力式增压调节阀结构形式见图2。
5.传统采用图2所示的机械弹簧自力式增压阀时，随着lng液罐的压力变化弹簧的松紧相应变化，从而自动调节阀门的开度，lng液罐压力越低时增压阀的开度越大，lng液罐压力越高时增压阀的开度越小，达到增压的设定压力时增压阀完全关闭。但当阀门开度小时阀门阻力会大幅增加，影响lng增压器(气化器)的液体流入；当弹簧失效或者弹簧作用力未能使阀门完全关闭时，液体会不断流入lng增压器(气化器)，导致lng液罐持续不断增压，引起lng液罐超压风险。
6.船用lng气化器主要采用热水、热油、蒸汽等介质作为热源，典型的船用lng气化器方案形式参见公开发表的论文：上海交通大学制冷与低温工程研究所的田雅洁、林文胜在2018年化工学报第69卷第s2期论文《船用绕管式lng气化器方案比较》。该论文中绕管式lng气化器的结构形式见图3。
7.传统船舶lng液罐增压的技术方案见图4。其中，1为lng液罐，2为机械弹簧自力式增压阀，3为螺旋绕管式自增压器。其中，机械弹簧自力式增压阀2的位置可位于螺旋绕管式自增压器3的上游或者下游。
8.上述自增压系统的原理为：lng液罐1和螺旋绕管式自增压器3之间存在高度差，lng在重力作用下流入螺旋绕管式自增压器3内。螺旋绕管式自增压器3通过船上的热水、热油或蒸汽等各种形式的外部热源加热lng液体气化为蒸汽，气化后的蒸汽从螺旋绕管式自增压器3出口通过气体管道返回lng液罐1的顶部，由于液体变为气体后体积迅速膨胀，气体返回lng液罐顶部后会导致罐内气压升高，从而提升罐内压力。
9.传统方案中，机械弹簧自力式增压阀2为自力式的弹簧阀，依靠罐内的压力与弹簧的松紧形成的弹力差来机械调节机械弹簧自力式增压阀2的阀门开度，具体效果为：阀门开度随着lng液罐1的压力自动调节，lng液罐1压力越低时，机械弹簧自力式增压阀2的开度越
大；lng液罐1压力越高时，机械弹簧自力式增压阀2的开度越小；达到增压的设定压力时，机械弹簧自力式增压阀2完全关闭。但当阀门开度小时，阀门阻力会大幅增加，影响螺旋绕管式自增压器3的液体流入。
10.另外，机械弹簧自力式增压阀2的设定值依赖弹簧预紧力的大小，需要人工调节松紧来控制罐的压力。在船舶上依靠船员人工现场操作调节，易引发误操作风险。特别，当机械弹簧自力式增压阀2未能有效关闭时，自增压过程将一直持续，进而导致lng液罐1压力持续上升，最终导致lng液罐1超压，安全阀起跳。
11.最后，螺旋绕管式自增压器3本身也存在阻力过大的问题，螺旋管形式的设计造成气液分离不及时，从而气液混流阻力大，甚至出现气体反窜回流将液体从入口吹出，导致lng难以持续间歇性流入螺旋绕管式自增压器3，小口径螺旋盘管设计方式本身管道阻力过大，当其阻力与螺旋绕管式自增压器3入口由液位高度差产生净压头相抵消时，螺旋绕管式自增压器3会明显出现进液不足，导致增压效果变差，出现增压能力不足或者增压过程非常缓慢的现象。影响自增压的效果。
12.上述传统船舶lng液罐自增压系统存在自增压器及自增压系统管道阀门阻力大效率低、自增压的压力设定不精确且依赖人工调节、阀门未能有效关闭时易导致增压不能紧急切断，引起lng液罐超压风险。
13.从上述公开发表的论文可以看出，自增压系统运行时关键的系统阻力因素对自增压的实际效果已引起各方的重视并开展研究，但上述文献中提出的解决方案主要是从引液管道的走向布置、阀门安装布置角度等方面对现有自增压系统提出优化方案，并不能从原理上和根源上解决自增压器效果不理想、压力调节不准确的问题。


技术实现要素：

14.本发明要解决的技术问题是：现有自增压系统无法解决自增压器效果不理想、压力调节不准确的问题。
15.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种用于船舶lng液罐增压的新型自增压系统，其特征在于，包括低温冷冻液体储罐、开关型遥控增压阀、压力传感器以及自增压器；依据压力传感器采集低温冷冻液体储罐的压力对开关型遥控增压阀的的开关状态进行控制；低温冷冻液体储罐的液体出口经由低温冷冻液体入口管与自增压器的低温冷冻液体入口端相连，低温冷冻液体入口管上设有开关型遥控增压阀；自增压器的气化蒸汽出口端经由气化蒸汽出口管与低温冷冻液体储罐的蒸发气入口相连，其中：
16.自增压器包括外壳以及设于外壳内的n根直管式换热管，n≥1；
17.外壳设有热源介质出口以及热源介质入口；
18.低温冷冻液体经由低温冷冻液体入口端进入直管式换热管，低温冷冻液体受热气化后的气化蒸汽出直管式换热管后经由气化蒸汽出口端出自增压器；低温冷冻液体入口管与直管式换热管之间和/或直管式换热管与气化蒸汽出口管之间设有用于补偿热胀冷缩带来的变形伸缩量的弯管，自低温冷冻液体入口端进入自增压器内的低温冷冻液体经由弯管进入直管式换热管，和/或出直管式换热管的气化蒸汽经由弯管自气化蒸汽出口端出自增压器。
19.优选地，所述开关型遥控增压阀具备紧急切断功能。当系统火灾、超压或其他异常
时能自动紧急切断，避免机械弹簧自力式增压阀未能有效关闭时自增压系统持续不断增压引起的lng液罐超压风险。
20.优选地，所述弯管采用同一水平面内弯曲结构或者上下立体弯曲结构。
21.优选地，所述外壳及所述直管式换热管的布置形式均为与水平方向小角度倾斜布置，使得所述热源介质出口位于低处而所述热源介质入口位于高处，并且使得所述低温冷冻液体入口端位于低处而所述气化蒸汽出口端位于高处，来自低温冷冻液体液罐底部的低温冷冻液体经由所述低温冷冻液体入口端从所述自增压器底部进入，气化蒸汽经由所述气化蒸汽出口端从所述自增压器顶部透出，从而避免气液混合流动导致增压器阻力过大。
22.优选地，所述外壳及所述直管式换热管一与水平面夹角在30
°
以内。
23.优选地，所述低温冷冻液体入口管的内径小于所述直管式换热管的内径；在所述低温冷冻液体入口管与所述直管式换热管之间设有扩径接头，扩径接头的内径大于所述低温冷冻液体入口管的内径，经由所述低温冷冻液体入口管进入的所述低温冷冻液体流经扩径接头后再进入所述直管式换热管内。
24.本发明中，自增压器的低温冷冻液体入口端先设置扩径接头，增大自增压器内部的换热管管径，降低流速减小阻力。
25.优选地，所述低温冷冻液体入口管、所述直管式换热管、所述气化蒸汽出口管、所述弯管及所述扩径接头之间采用对接焊形式连接成为整体。
26.优选地，所述热源为热水、热油、蒸汽或乙二醇
‑
水。对于采用热水、热油、蒸汽、乙二醇
‑
水、或其他防冻液等各种形式的热源，只要采用相同或相似的lng自增压系统设计方法，均属于本发明保护范围内。
27.优选地，所述低温冷冻液体为lng、液氮、液化石油气、液氢或液氨。对于lng、液氮、液化石油气、液氢、液氨及其他各种低温冷冻液体，只要采用相同或相似的lng自增压系统设计方法，均属于本发明保护范围内。
28.优选地，n根所述直管式换热管并排布置。
29.本发明通过以下方式来实现对lng液罐的低阻力高效率增压的技术效果：
30.(1)自增压器的布置形式为倾斜布置，倾斜角度一般在30
°
以内。自增压器内部的换热管采用完全直管式的设计方法。该设计型式在自增压器内部及时实现气液分离、解决了螺旋绕管式无法及时气液分离气液混流阻力大甚至气体反窜回流将液体从入口吹出的问题，直管式的管径也远大于同类型的螺旋绕管式盘管，管道流速低、阻力小、进液连续，大幅提高了自增压器的增压效率。
31.(2)采用开关型遥控增压阀代替传统的机械弹簧自力式增压阀。传统方案机械弹簧自力式增压阀的阀门开度随着lng液罐的压力自动调节，lng液罐压力越低时增压阀的开度越大，lng液罐压力越高时增压阀的开度越小，达到增压的设定压力时增压阀完全关闭。但当阀门开度小时阀门阻力会大幅增加，影响增压器的液体流入。而开关型遥控增压阀在需要增压时阀门始终处于全开状态，通流面积最大，对应阀门阻力始终处于最小值。由于lng液体仅仅依靠lng液罐和自增压器之间的液位高度差产生的自重流入，大幅降低增压阀对lng液体流出的阻力会明显提升自增压器的进液量。
32.(3)压力传感器用来控制增压阀的开闭控制，当压力低于设定值时，增压阀全开；当压力高于设定值时，增压阀全关，从而达到精确控制lng液罐压力的目的。同时，遥控增压
阀带紧急切断功能，当系统火灾、超压或其他异常时能紧急切断，避免机械弹簧自力式增压阀未能有效关闭时自增压系统持续不断增压引起的lng液罐超压风险。
附图说明
33.图1为lng液罐自增压系统图；
34.图2为机械弹簧自力式增压调节阀；
35.图3为绕管式lng气化器示意图；
36.图4为传统船舶lng液罐增压的技术方案示意图；
37.图5为实施例公开的一种用于船舶lng液罐增压的新型自增压系统的示意图；
38.图6a为实施例所使用的第一种结构形式的lng自增压器的侧视图；
39.图6b为图6a的俯视图；
40.图7a为实施例所使用的第二种结构形式的lng自增压器的侧视图；
41.图7b为图7a的俯视图；
42.图8a为实施例所使用的第三种结构形式的lng自增压器的侧视图；
43.图8b为图8a的俯视图。
具体实施方式
44.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
45.本实施例公开了一种新型低阻力、高效的船用lng液罐自增压系统，如图5所示，包括lng液罐4、开关型遥控增压阀5、安装在lng液罐4顶部且用于测量蒸汽压力的压力传感器6以及自增压器7。
46.lng液罐4的液体出口经由lng液体入口管12与自增压器7的lng液体入口端相连，lng液体入口管12上设有开关型遥控增压阀5。自增压器7的气化蒸汽出口端经由气化蒸汽出口管13与lng液罐4的蒸发气入口相连。自增压器7与lng液体入口管12、气化蒸汽出口管13之间的连接，以及lng液罐4与lng液体入口管12、气化蒸汽出口管13之间的连接，均采用对接焊形式。
47.本实施例采用开关型遥控增压阀5代替传统的自力式弹簧增压阀，开关型遥控增压阀5的阀门处于全流通面积工作，阻力远远低于自力式弹簧增压阀。同时，本实施例在lng液罐1顶部加设压力传感器6，由压力传感器6采集lng液罐1的压力，进而通过lng液罐1的压力来控制开关型遥控增压阀5，实现自增压系统的自动控制以及lng液罐1压力的精准调节。
48.本实施例种，开关型遥控增压阀5带紧急切断功能。当系统火灾、超压或其他异常时，能控制系统自动紧急切断该开关型遥控增压阀5，避免了自力式弹簧增压阀未能有效关闭时易导致增压不能紧急切断，引起lng液罐4超压的风险。
49.本实施例中的自增压器7采用了新型低阻力、高效自增压器，使得系统阻力大幅降低，自增压效率大幅提高。本实施例通过在lng自增压器内部采用直管式的换热管、并采用倾斜布置的形式，及时实现气液分离、降低lng自增压器的内部阻力来解决现有螺旋绕管式
lng自增压器的阻力大、效率低、进液不连续的问题。
50.图6a及图6b示意了本实施例公开的第一种结构形式的自增压器7，包括外壳11，外壳11前后两端分别设有热水或其他热源介质出口以及热水或其他热源介质入口。外壳11内有一根直管式换热管9。外壳11及其内的直管式换热管9的布置形式均为与水平方向小角度倾斜布置，使得热水或其他热源介质出口位于低处而热水或其他热源介质入口位于高处，并使得与直管式换热管9相连通的lng液体入口端位于低处而与直管式换热管9相连通的气化蒸汽出口端位于高处。外壳11的轴线以及直管式换热管9的轴线与水平面之间的夹角一般在30
°
以内。
51.lng液体入口管12依次经由扩径接头8及弯管10
‑
1与直管式换热管9相接；气化蒸汽出口管13经由弯管10
‑
2与直管式换热管9相接。设lng液体入口管12的内径为r1，扩径接头8的内径为r2，直管式换热管9的内径为r3，弯管10
‑
1及弯管10
‑
2的内径为r4，气化蒸汽出口管13的内径为r5，则有：r1<r2，r2＝r3＝r4≤r5，气化蒸汽出口管13的内径r5可以根据实际需要进一步扩径以降低阻力。利用弯管10
‑
1及弯管10
‑
2补偿热胀冷缩。lng液体入口管12与扩径接头8之间、扩径接头8与弯管10
‑
1之间、弯管10
‑
1与直管式换热管9之间、直管式换热管9与弯管10
‑
2之间、弯管10
‑
2与气化蒸汽出口管13之间的连接均采用对接焊形式。
52.除图6a及图6b所示的结构形式外，自增压器7在实际工程应用时有多种应用方案。例如：如图7a及图7b所示，为第二种结构形式的自增压器7。第二种结构形式的自增压器7与第一种结构形式的自增压器7的区别在于：有多根直管式换热管9，所有直管式换热管9相互平行且位于同一水平面。
53.如图8a及图8b所示，为第三种结构形式的自增压器7。第三种结构形式的自增压器7与第二种结构形式的自增压器7的区别在于：多根直管式换热管9上下交错布置。
54.本实施例公开的一种用于船舶lng液罐增压的新型自增压系统从改进自增压器内部结构形式、增大自增压系统阀门的通流面积以及通过精准压力调节控制方法来实现一种用于船舶lng液罐增压的新型自增压系统。针对现有技术存在的缺点及问题，本实施例公开的一种用于船舶lng液罐增压的新型自增压系统通过以下方式来解决现有lng液罐自增压系统的技术问题：(1)通过采用一种新型的低阻力、高效的自增压器来大幅降低自增压器的内部阻力，明显提高自增压的效果。(2)通过采用开关型遥控阀门来增大自增压系统阀门的通流面积，从而降低阀门阻力，提高增压效率。(3)通过安装在lng液罐顶部的压力传感器自动控制该遥控阀的开关来精确设定lng液罐的增压值，并在船上发生异常风险时紧急切断该遥控阀，避免船上人工调节增压设定值不精准的问题以及阀门未能有效关闭时易导致增压不能紧急切断，引起lng液罐超压风险。