一种液货船运输液氢和LNG的组合货舱及方法

一种液货船运输液氢和lng的组合货舱及方法
技术领域
1.本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种液货船运输液氢和lng的组合货舱及方法。


背景技术：

2.随着环境污染的日益严重和化石能源的不断枯竭，世界各国对清洁、无污染的新型能源需求量急剧增加。因天然气和氢能源具有无污染、燃烧效率高等优点，因此，其国际贸易量越来越多。
3.为了提高氢气和天然气的海上运输量，氢气和天然气均以液态的形式(液氢、lng)在船舶上进行储存和运输，用于运输液氢和lng的船舶分别称为“液氢船”和“lng船”。液氢的温度为-253℃，密度为70kg/m3，因单位体积内液氢的质量较小，液氢船为了提高液氢的运输重量，目前逐渐趋向于大型化方向发展，查阅相关文献可知：英国某研究机构设计的280000m3液氢船，其船长为370m，船宽75m，空载时吃水9.2m，但是满载时吃水仅10.02m，相差不到1m，原因是液氢的密度太小，所以单位体积的液氢质量也很小，从而导致液氢船就算在满载的情况下船舶的载重量也很小，重心偏高，也要向压载舱中注入压载水，以此提高船舶的稳性；此外，液氢与自然环境存在近300℃的温差，为了减少液氢与外界环境的渗透热，减少液氢蒸发气的产生，需要在液货舱外面加装较厚的保温层，因此，运输液氢的成本非常高，并且即使加装了保温层，基于温差较大，还是有较多的液氢蒸发气产生。故船舶液氢船存在明显的问题和不足。
4.另外，lng的密度为420kg/m3，约为液氢密度的6倍，因此与液氢相比单位体积的lng质量更大，一艘174000m
3 lng船的船长为299m，船宽46m，在满载时吃水达到12m，如此大的吃水量要求lng船通往其接收站(即卸货港)的航道建设深度较大，而基于安全性因素考虑，lng接收站建设比较偏远，远离干散货码头，因此通往lng接收站近海的航道也是单独的，所以lng接收站的建设成本极高，船舶的吃水大小更是直接影响了航道的建设成本。如果能够减小lng船的吃水，就可以降低港口航道的建设深度，从而大大减少航道的建设和维护成本。
5.此外，由于液货船货舱的充装率通常为95％～98％，液货舱内并未全部充满液体，所以液货舱内的液体会随着船舶摇摆而来回流动，这种随船舶摇摆而使液货舱中自由变动的液体表面称为自由液面。当液氢船或lng船发生横摇运动时，由于自由液面的存在，会导致船舶的重心发生偏移，加剧船舶横摇的幅度，大大降低船舶的稳定性。为了减小自由液面对船舶稳性的影响，大型油船等都采用分舱的方法，即将液货舱用隔板分割成一些小舱室运载原油以减小自由液面。但由于lng和液氢的温度太低，与自然环境最小也存在近200℃的温差，这对隔板的耐低温要求极高，极大地增加了船舶的初投入成本，因此液氢船或lng船都不会采用分舱这种方法。
6.液氢船和lng船常用的减小自由液面的方法是将液货舱的上方设计成“收口型”，即液货舱(从横剖面视图观察)上方越接近甲板处的宽度越小，通过“收口型”液货舱运载液
体可以有效减小液体的自由液面，提高船舶的稳性。但是存在突出的问题：由于液货舱“收口型”的设计，导致船舶的上方空间未能充分用于装载液货，即液货舱上方与船舶甲板之间还存在很多未被利用的空间，造成船体内部空间较多的浪费，大大降低船舶的装货量。因此，采用“收口型”液货舱也存在明显的不足和弊端。
7.由于液氢和lng的物化性质相近，所以lng、液氢的装货港可以位于同一港口或同一泊位，同样lng、液氢的接收站也可以位于同一港口或同一泊位，例如澳大利亚等国家的天然气资源非常丰富，出口量大，并且还大规模生产氢能源，既出口lng，又出口液氢，所以，在同一港口同时装载以及在同一接收站接收lng和液氢是无论从技术上还是市场上的角度看都是完全可以实现的。
8.专利号为cn113028269a的中国专利公开了一种lh2和lng联运系统及方法，该专利根本目的是减小了lng和液氢在储存和运输过程中的蒸发率。虽然该专利提到了可以用于lng和液氢运输船，但其提出的技术方案中并未解决自由液面和吃水的问题。
9.基于此，若能提出一种可以实现组合运输液氢和lng的液货舱，既能解决自由液面对船舶稳性的影响，增大运输量，又能解决单独运输液氢或lng时存在的船舶吃水过小或过大的问题，那么，此类液货舱具有非常高的实际应用价值。


技术实现要素：

10.本发明针对上述的问题，提出一种液货船运输液氢和lng的组合货舱及方法，解决了自由液面对船舶稳性的影响，增大运输量，降低液氢和lng的运输成本；通过组合货舱运输液氢和lng可以使船舶在满载时无需注入压载水，并且还会减少船舶的吃水，降低对装货港和接收站航道的要求，进而降低港口和航道的建设成本。
11.本发明的第一个目的是提出一种液货船运输液氢和lng的组合货舱。
12.本发明主要包括：lng舱、液氢舱、驳运泵、氢气压缩机、天然气压缩机、增压泵、冷凝器、第一加热器、第二加热器、船舶主机、支撑梁、承重架、连接杆。
13.所述液氢舱固定在lng舱内，沿船长和船宽的水平方向上液氢舱外壁与lng舱内壁的间距均为船宽的1/30～1/20，竖直方向上液氢舱外壁与lng舱内壁的上方的间距为1.5m～2m。
14.所述液氢舱和lng舱的舱容相等。
15.所述驳运泵安装在lng舱内，驳运泵、增压泵、冷凝器、第一加热器、船舶主机通过管路依次相连。
16.所述氢气压缩机、第二加热器和船舶主机通过管路依次相连。
17.所述天然气压缩机、冷凝器和第一加热器通过管路依次相连。
18.所述支撑梁设在液氢舱与lng舱之间起支撑作用。
19.所述承重架设在液氢舱的下方与lng舱连接起承重作用。
20.所述连接杆设在液氢舱的上方与lng舱连接。
21.其中，本发明中液氢舱和lng舱称为组合货舱。
22.关于液氢舱和lng舱所运载液氢和lng的质量计算如下：
23.假设液氢从液氢舱舱底到液氢自由液面的高度为h，液氢舱舱底到lng自由液面的高度h，液氢舱舱底面积为s1，俯视图中液氢舱外壁与lng舱内壁组成的“框”形的面积为s2，
lng的密度为ρ
lng
，液氢的密度为ρ
lh2
，液氢舱的质量为m，
24.船舶满载时使液氢和液氢舱的所受到的重力等于其所受到的lng的浮力，即满足公式s1hρ
lh2
g mg＝s1hρ
lng
g。
25.本发明的第二个目的是提出一种液货船运输液氢和lng的组合货舱的装卸货方法。
26.在装货港装货的方法：在船舶装货过程中，先往lng舱中装载一定量的lng，使液氢舱的重力等于其所受的浮力，再同时将液氢和lng按6s1：s2的装载速度往液氢舱和lng舱中同时装载液氢和lng。
27.在接收站卸货的方法：先将液氢和lng按6s1：s2的卸货速度同时向接收站中卸载液氢和lng直到将液氢卸完，随后将lng卸完。
28.在船舶航行过程中，lng产生的蒸发气先利用天然气压缩机进行增压，然后通过管路进入冷凝器，lng舱中用作船舶燃料的lng通过驳运泵从lng舱里被驳运出来，然后利用增压泵对管路中的lng进行增压，进而通过管路进入冷凝器，与天然气混合，天然气利用lng的冷能实现液化，然后二者一同流经第一加热器进行加热汽化，在液氢舱中产生的液氢蒸发气首先经过氢气压缩机进入第二加热器进行加热，然后与天然气一同送至船舶主机燃用。
29.本发明有益效果：
30.1.本发明巧妙的将液氢舱置于lng舱中实现液氢和lng的组合运输，采用组合货舱代替原有的“收口型”液货舱，即使液氢舱中存在自由液面，但对船舶稳性的影响是微乎其微的，解决了自由液面的问题；同时解决了原有液货舱造成的船体内部空间浪费问题，增大了液货船的有效舱容，提高了液氢和lng的运输量。
31.2.本发明通过组合货舱运输液氢和lng，能够减少船舶的吃水，进而能降低液氢、lng的装货港和接收站及其对应航道的水深要求，大大降低了港口和航道的建设和维护成本。
32.3.本发明通过组合货舱运输液氢和lng，船舶无需像液氢船一样，即使在满载时也要注入压载水以增加稳性，避免了船舶在运输过程中，因装载压载水而增加的燃料额外消耗，降低了液氢和lng的运输成本。
附图说明
33.图1本发明系统图；
34.图2组合货舱横剖面视图；
35.图3组合货舱在a-a剖面下的示意图；
36.图4单个组合货舱纵剖面视图；
37.图5组合货舱在船舶上的分布示意图；
38.附图中：1.lng舱；2.液氢舱；3.驳运泵；4.氢气压缩机；5.天然气压缩机；6.增压泵；7.冷凝器；8.第一加热器；9.第二加热器；10.船舶主机；11.支撑梁；12.承重架；13.连接杆。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对
本发明进行进一步详细说明。
40.一种液货船运输液氢和lng的组合货舱，如图1所示，该系统包括：lng舱1、液氢舱2、驳运泵3、氢气压缩机4、天然气压缩机5、增压泵6、冷凝器7、第一加热器8、第二加热器9、船舶主机10、支撑梁11、承重架12、连接杆13。
41.其中，所述液氢舱2通过固定在lng舱1内，沿船长和船宽的水平方向上液氢舱2外壁与lng舱1内壁的间距均为船宽的1/30～1/20，竖直方向上液氢舱2外壁与lng舱1内壁的上方的间距为1.5m～2m。液氢舱2在水平方向上通过支撑梁11与lng舱1内壁连接，下方通过承重架12与lng舱1内壁连接，液氢舱2和lng舱1的舱容基本相等。
42.所述驳运泵3安装在lng舱1内，驳运泵3用来将lng舱1中的燃料驳运出来；所述驳运泵3、增压泵6、冷凝器7、第一加热器8和船舶主机10通过管理依次相连，其中，增压泵6用来对管路中的lng燃料进行增压，冷凝器7用来将lng产生的天然气进行液化，第一加热器8用来将lng加热到40℃供给船舶主机10燃用。
43.所述氢气压缩机4、第二加热器9和船舶主机10通过管路依次相连，其中氢气压缩机4用来对氢气进行加压。
44.所述天然气压缩机5、冷凝器7和第一加热器8通过管路依次相连，其中天然气压缩机5用来对天然气进行加压。
45.所述支撑梁11设在液氢舱2与lng舱1舱壁之间起支撑作用，防止船舶横摇时液氢舱2晃动，防止承重架12受剪力的作用。
46.所述承重架12设在液氢舱2的下方与lng舱1舱底连接起承重作用，所述连接杆13设在液氢舱2的上方与lng舱1舱顶连接。
47.船舶空载时支撑梁11、承重架12和连接杆13共同抵抗液氢舱2重力的作用，尽可能减少支撑梁11、承重架12和连接杆13的受到的拉力、压力和剪力作用。
48.关于液氢舱2和lng舱1所运载液氢和lng的质量计算如下：
49.如图2所示和图3所示，设液氢从液氢舱2舱底到液氢自由液面的高度为h，lng的自由液面到液氢舱2舱底的高度为h，液氢舱2的舱底面积为s1，如图3液氢舱2外壁与lng舱1内壁组成的“框”形的面积为s2，lng的密度为ρ
lng
，液氢的密度为ρ
lh2
，液氢舱2的质量为m。在船舶满载时使液氢和液氢舱2的所受到的重力等于其所受到的lng的浮力，即满足公式s1hρ
lh2
g mg＝s1hρ
lng
g。因为液氢舱2保温层的厚度非常小，因此在计算时认为液氢舱2内的舱底面积与舱外的舱底面积近似相等，可以忽略保温层厚度的影响。
50.理论上船舶满载时承重架12所受到的压力或拉力为0，即使在实际航行中液氢和lng产生了蒸发气而导致一定量的损耗，但因航行时间短、蒸发量小，承重架12仍只会受到极小的压力或拉力；空载时液氢舱2空舱的重量较轻，承重架12的受力也非常小。
51.支撑梁11、承重架12、连接杆13的设置位置如图3和图4所示。
52.一种在装货港装货及在接收站卸货的方法：在船舶装货过程中，先往lng舱1中装载一定量的lng，使液氢舱2的重力等于其所受的浮力，再同时将液氢和lng按6s1：s2的装载速度往液氢舱2和lng舱1中同时装载液氢和lng，使装货过程中液氢舱2及液氢的重力等于其所受的浮力；同理在船舶的卸货过程中，先将液氢和lng按6s1：s2的卸货速度同时向接收站中卸载液氢和lng直到将液氢卸完，随后将lng卸完。通过该方法，可以最大程度地减少承重架12及连接杆13在装货时所受到的压力或拉力，从而增加了组合货舱的持续工作时间。
53.本发明中减少了支撑梁11、承重架12、连接杆13受力作用，有利于减少支撑梁11、承重架12和连接杆13的尺寸，降低了耐低温材料的使用，进而降低了成本，有利于组合货舱的建造。并且减少尺寸有利于减少热桥，即减少支撑梁11、承重架12、连接杆13的传热，减少液氢和lng的蒸发量。
54.组合货舱在船舶上的排列方式如图5所示。
55.在船舶航行过程中，lng产生的蒸发气先利用天然气压缩机5进行增压，然后通过管路进入冷凝器7，lng舱1中用作船舶燃料的lng通过驳运泵3从lng舱1中被驳运出来，然后利用增压泵6对管路中的lng进行增压，进而通过管路进入冷凝器7，与经天然气压缩机5压缩的天然气混合，利用lng的冷能将天然气液化，然后二者一同流经第一加热器8进行加热汽化，在液氢舱2中产生的液氢蒸发气首先经过氢气压缩机4进入第二加热器9进行加热，然后与第一加热器8加热后的天然气混合一同输送至船舶主机10燃用。
56.进一步的，由于液氢舱2安装在lng舱1的上部，且液氢舱2的外壁与lng舱1的内壁的水平间距很小，所以船舶满载时lng的自由液面非常小，趋近于0，lng的自由液面几乎不会对船舶的稳性产生影响。另外，因为液氢的密度非常小，约为lng密度的1/6，且液氢舱2与lng舱1的舱容相等，所以船舶满载时整个组合货舱的重心位于液氢舱2以下部分的lng中，lng的重心决定了整个组合货舱的重心。当船舶发生横摇运动时，即使液氢的自由液面发生偏移，但由于lng的密度大、质量重，整个组合货舱重心的偏移极小，即液氢舱2中存在的自由液面对船舶稳性的影响是微乎其微的。因此，通过组合货舱运输液氢和lng在货舱无需设计成“收口型”的情况下，解决了自由液面对船舶稳性影响较大的问题。
57.进一步的，通过将液氢舱2的形状做成“开口型”，如图2所示，即液氢舱2的横截面(横剖面)形状为矩形，与同尺寸的lng舱1和液氢舱2相比装货量大，大大增加了lng舱1和液氢舱2总体的舱容，减少了船舶内部空间的浪费，提高了液货船的运输量。
58.进一步的，通过将液氢舱2置于lng舱1中，通过组合货舱运输液氢和lng，使船舶在满载时无需像液氢船一样注入压载水以增加稳性，避免了船舶在运输过程中因装载压载水而增加的燃料额外消耗，降低了液氢和lng的运输成本。并且，通过组合运输能够减少船舶的吃水，船舶不会像lng船一样有过大的吃水，降低了液氢、lng的装货港和接收站及其对应航道的水深要求，大大降低了港口和航道的建设和维护成本。
59.进一步的，运输过程中液氢和lng产生的少量的蒸发气，可以一起输送至船舶主机10燃用，氢气和天然气的混合燃用能有效降低温室气体co2的排放，符合绿色船舶的要求。
60.上述以一个组合货舱为例介绍了本发明的具体实施方式，在液氢和lng运输船中的所有货舱均可应用本发明货舱，实施方式均与上述相同。
61.以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。