一种LNG加注船加注系统及LNG加注船舱压控制方法
技术领域
本发明涉及LNG船领域，具体涉及一种LNG加注船加注系统及LNG加注船舱压控制方法。
背景技术
LNG(液化天然气)，主要成分为甲烷，被公认为是地球上最干净的化石能源，其制造过程是将气田生产的天然气净化处理，经一连串超低温液化后，利用液化天然气船运送。其无色、无味、无毒且无腐蚀性，且其热值高、不含硫、燃烧清洁、排放较低且不需要任何附加减排措施即可满足排放控制区的要求而将成为未来绿色环保型船舶的首选燃料。随着LNG作为燃料的推广，LNG燃料加注技术越来越受到国际社会的关注。
目前投入商用的LNG加注船非常少，加注船在运输、加注过程中容易出现天然气蒸发、挥发、加气难度大等问题，造成天然气资源的浪费以及成本提高。
发明内容
为了结局上述技术问题，本发明提供了一种LNG加注船加注系统及LNG加注船舱压控制方法，以解决LNG加注船运输过程以及加注过程中的压力处理、汽化气体处理以及加注作业操作困难的技术问题，本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
一种LNG加注船加注系统，包括加气系统、吸附式存储系统、舱压控制系统，加气系统包括第一舱室、第二舱室，第一舱室向第二舱室加注天然气；舱压控制系统调控第一舱室的舱压，吸附式存储系统收集、利用第一舱室挥发的天然气；第一舱室顶端连接动力装置燃气供应系统。
进一步地，第一舱室内部的底部设有加注泵，第一舱室和第二舱室之间设有加注管组件和回气管组件，加注泵通过加注管组件连接第二舱室，回气管组件一端连接第一舱室上端，回气管组件另外一端连接第二舱室上端。
进一步地，加注管组件包括加注管、加注软管、受注管，加注管一端连接加注泵，加注管另外一端连接加注软管一端，加注软管另外一端连接受注管一端，受注管另外一端连接第二舱室；回气管组件包括接气管、回气软管、回气管，接气管一端连接第一舱室顶部，接气管另外一端连接回气软管一端，回气软管另外一端连接回气管一端，回气管另外一端连接第二舱室顶端。
进一步地，接气管与所述第一舱室之间还设有第二控制阀。
进一步地，第二舱室与所述回气管之间还设有第四控制阀。
进一步地，加注管组件一端还设有加气站门。
进一步地，加气站门包括门主体、主体支撑组件、推拉装置、拉杆组件，门主体一端铰接在主体支撑组件上端，主体支撑组件安装固定在船体上，推拉装置安装固定在船体上，推拉装置与门主体另外一端铰接，推拉装置与门主体铰接处处于门主体一侧；拉杆组件一端安装固定在门主体上端的船体上，拉杆组件的另外一端铰接在门主体上，拉杆组件与推拉装置均铰接在门主体同侧。
进一步地，门主体上端还设有鞍座，鞍座安装在门主体与推拉装置铰接处同侧的门主体上。
进一步地，鞍座的两侧还设有栏杆，栏杆活动安装在门主体上。
进一步地，推拉装置包括油缸支撑座、液压油缸，液压油缸一端铰接在门主体上，液压油缸铰接在油缸支撑组件上端。
进一步地，拉杆组件包括拉杆、拉杆支撑组件，拉杆一端铰接在门主体上，拉杆另外一端铰接在拉杆支撑组件下端，拉杆支撑组件安装固定在门主体上方。
进一步地，拉杆包括连接杆、连接片，连接杆一端铰接在门主体上，两个连接片分别置于连接杆另外一端；连接杆与连接片的一端铰接连接，连接杆的另外一端铰接在拉杆支撑组件的下端。
进一步地，鞍座包括底座和侧边，底座上表面呈倾斜弧面，侧边固定在底座上表面两侧，底座安装固定在门主体上。
进一步地，门主体上还设有水帘系统，水帘系统设置在门主体内部。
进一步地，门主体表面还设有用以水帘系统出水的出口。
进一步地，吸附式存储系统包括压缩机、吸附罐、预处理模块、温控模块、压力调节阀，压力调节阀置于压缩机和预处理模块之间，预处理模块连接吸附罐，温控模块用以调控吸附罐温度。
进一步地，温控模块包括换热器、冷水机组、加热模块、吸附及脱附温度控制单元、传感模块，换热器和预处理模块之间还设有调节阀，换热器和吸附罐之间还设有单向阀，压缩机、预处理模块、调节阀、换热器、单向阀、吸附罐依次连接。
进一步地，冷水机组与换热器之间还设有阀门a，冷水机组和换热器连接；加热模块与吸附罐之间设有阀门b，加热模块与吸附罐连接；吸附及脱附温度控制单元用于控制阀门a、阀门b工作。
进一步地，存储系统还包括氮气发生器、氮气加热器，氮气发生器与氮气加热器连接，氮气加热器连接吸附罐。
进一步地，吸附罐内设有比表面积为2500-3500m2/g的固体吸附剂。
进一步地，预处理模块为预处理罐，预处理罐内设有氮化物吸附剂。
进一步地，吸附罐为低合金钢或复合高分子材料制成。
进一步地，压缩机和压力调节阀之间还连接有动力装置燃气供应系统。
进一步地，舱压控制系统包括强制汽化器、深冷装置。
进一步地，吸附罐连接动力装置燃气供应系统。
一种LNG加注船舱压控制方法，舱压控制系统通过计算第一舱室内天然气蒸发量控制强制汽化器和深冷装置输出。
进一步地，第一舱室内天然气蒸发量为修正天然气蒸发量，修正天然气蒸发量根据舱压变化增大或减小，舱压增大，修正天然气蒸发量增大，舱压减小，修正天然气蒸发量减小，舱压稳定不变时，修正天然气蒸发量等于天然气实际蒸发量。
进一步地，第一舱室内天然气理论蒸发量等于第一舱室内天然气理论蒸发率BOR乘以LNG货舱舱室体积V1。
进一步地，天然气理论蒸发率BOR＝0.1*(V2-0.01)/0.97+0.08，V2为第一舱室装载率，BOR的单位为百分比每天。
进一步地，当天然气消耗量大于修正蒸发量时，第一舱室内舱压下降，强制汽化器出口温度冷却至小于预设值稳定后，强制汽化器控制输出，补充修正蒸发量和实际需求量之间的差值。
进一步地，当天然气消耗量小于修正蒸发量时，第一舱室内舱压上升时，深冷装置输出端温度和深冷装置内热交换器温度差值小于30℃时深冷装置进入工作状态，降低天然气蒸发量。
进一步地，LNG加注船加注过程中，第二舱室产生的回气优先输入到吸附式存储系统进行存储。
进一步地，动力装置燃气供应系统运行过程中，吸附式存储系统存储的天然气优先供应动力装置燃气供应系统；吸附式存储系统天然气供应不足时，强制汽化器控制输出，增大第一舱室内天然气蒸发量。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明LNG加注船舱压控制方法采用天然气蒸发量对LNG加注船内天然气进行控制输出，相比利用舱压作为控制依据，天然气蒸发量作为控制依据可以更加准确实现LNG加注船舱压控制，舱压升高，启动深冷装置降低天然气蒸发量，舱压降低，启动强制汽化器增加天然气蒸发量，实现LNG加注船舱压的稳定。
(2)解决了LNG加注船加注过程中高耗能回气问题，通过控制使LNG燃料动力船货舱内的压力高于LNG加注船货舱内的压力，实现了加注无动力自由回气功能。
(3)通过吸附式存储系统将LNG船挥发的天然气进行收集存储，吸附体积比可达120-180，具有操作压力低，存储能力大，占用空间小，成本相对再液化设备低，工艺相对简单，能够使得天然气资源合理利用。
(4)通过加气站门的设置，当需要进行LNG加注时，可以通过液压油缸推动门主体沿铰接轴转动，门主体旋转90度，加气站门打开，拉杆由折叠状态变成拉直状态，对加气站门进行牵拉，提高加气站门打开后的稳定性及安全性，进行LNG燃料加注；打开的加气站门与船上平台相连，增大加气站的空间；当LNG燃料加注完成后，通过液压油缸收缩将门主体关闭，实现加气站门对船体外板、加气管路及附件的保护。
附图说明
图1是本发明的LNG加注船加注系统示意图。
图2是本发明中的吸附式存储系统示意图。
图3是本发明中的加气站门俯视图。
图4是本发明中的加气站门关闭状态示意图。
图5是本发明中的加气站门开启状态示意图。
图6是本发明中的加气站门在LNG燃料加注时的示意图。
图7是本发明中的鞍座结构示意图。
图8是本发明中的强制汽化器启停逻辑图。
图9是本发明中的强制汽化器控制模拟图。
图10是本发明中的深冷装置控制模拟图。
图中，1、第一舱室；2、第二舱室；3、强制汽化器；4、深冷装置；5、动力装置燃气供应系统；6、加注泵；7、加注管组件；8、回气管组件；9、第二控制阀；10、第四控制阀；11、门主体；12、主体支撑组件；13、液压油缸；14、油缸支撑组件；15、拉杆；16、拉杆支撑组件；17、鞍座；18、栏杆；19、出口；20、压缩机；21、吸附罐；22、预处理模块；23、换热器；24、冷水机组；25、加热模块；26、吸附及脱附温度控制单元；27、传感模块；28、压力调节阀；29、调节阀；30、单向阀；31、阀a；32、阀b；33、温度传感器；34、氮气加热器；35、温度传感器；36、温控阀；37、流量调节阀；38、进口阀；39、喷淋阀；40、LNG喷淋管路；41、旁通阀；42、出口阀；7-1、加注管；7-2、加注软管；7-3、受注管；8-1、接气管；8-2、回气软管；8-3、回气管；15-1、连接杆；15-2、连接片；17-1、底座；17-2、侧边。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步描述：
一种LNG加注船加注系统，如图1所示，包括加气系统、吸附式存储系统、舱压控制系统，加气系统包括第一舱室1、第二舱室2，第一舱室1向第二舱室2加注天然气；舱压控制系统包括强制汽化器3、深冷装置4，舱压控制系统调控第一舱室1的舱压，吸附式存储系统收集、利用第一舱室1挥发的天然气；第一舱室1的顶端连接动力装置燃气供应系统5。在第一舱室1内部的底部设有加注泵6，第一舱室1和第二舱室2之间设有加注管组件7和回气管组件8，加注泵6通过加注管组件7连接第二舱室2，回气管组件8一端连接第一舱室1的上端，回气管组件8的另外一端连接第二舱室2的上端。
更具体的，加注管组件7包括加注管7-1、加注软管7-2、受注管7-3，加注管7-1的一端连接加注泵6，加注管7-1另外一端连接加注软管7-2的一端，加注软管7-2的另外一端连接受注管7-3的一端，受注管7-3的另外一端连接第二舱室2；回气管组件8包括接气管8-1、回气软管8-2、回气管8-3，接气管8-1的一端连接第一舱室1的顶部，接气管8-1的另外一端连接回气软管8-2的一端，回气软管8-2的另外一端连接回气管8-3的一端，回气管8-3的另外一端连接第二舱室2的顶端。接气管8-1与第一舱室1之间还设有第二控制阀9，第二舱室2与回气管8-3之间还设有第四控制阀10，第二控制阀9和第四控制阀10均为气动控制阀。气动控制阀是指在气动系统中控制气流的压力、流量和流动方向，并保证气动执行元件或机构正常工作的各类气动元件。
为了便于进行加注，加注管组件7的一端还设有加气站门，加气站门可以设置在加注软管7-2一端，也可以设置在加注软管7-2的另外一端。如图3-7所示，加气站门包括门主体11、主体支撑组件12、液压油缸13、油缸支撑组件14、拉杆15、拉杆支撑组件16、鞍座17、栏杆18，门主体11呈长方形板，主体支撑组件12安装固定在船体上，在主体支撑组件12的上端设有铰接轴，门主体11的下端通过铰接轴铰接在主体支撑组件12的上端，油缸支撑组件14安装固定在门主体11一侧的船体结构上，油缸支撑组件14上端设有铰接轴，液压油缸13的一端通过油缸支撑组件14上端的铰接轴与油缸支撑组件14铰接连接，液压油缸13另外一端铰接在门主体11上端一侧，鞍座17包括底座17-1和侧边17-2，底座17-1上表面呈倾斜弧面，侧边17-2固定在底座17-1上表面两侧，通过螺栓将底座17-1安装在液压油缸13和门主体11铰接处的门主体11的一侧；拉杆支撑组件16安装固定在门主体11上端的船体结构上，拉杆15由连接杆15-1和连接片15-2铰接而成，连接杆15-1一端的两侧分别安装一个连接片15-2，两个连接片15-2通过一个铰接轴与连接杆15-1的一端连接，连接杆15-1的另外一端也铰接在门主体11上，连接杆15-1铰接在液压油缸13和门主体11铰接位置的一侧，连接片15-2通过铰接轴与拉杆支撑组件16下端铰接连接，门主体11与主体支撑组件12铰接的高度低于液压油缸13和油缸支撑组件14铰接的高度。
为了防止LNG燃料加注时人员从LNG加注站掉落，还可以在鞍座17的两侧安装栏杆18，在门主体11上设置装配孔，将栏杆18安装到装配孔中。
为了增加安全性能，还可以增设水帘系统，水帘系统通过在门主体11的内部安装水管，将水管与门主体11表面的出口19连接，当LNG燃料加注过程中一旦出现泄漏，通过水帘系统喷水促进泄漏的LNG燃料快速蒸发。
使用时，当需要进行LNG燃料加注时，启动液压油缸13推动门主体11沿门主体11与主体支撑组件12的铰接轴转动90度，此时拉杆15的连接杆15-1和连接片15-2两段处于拉直状态，保证打开后的LNG加气站门更加稳定，一旦液压油缸13发生故障，还可以通过拉杆15牵引LNG加气站门，增加安全性，直接将加注软管8-2与船体上的管路连接分为两种情况，一种是加气站门安装在LNG加注船上，这种情况下则是将加注软管8-2架设在鞍座的底座上并连接加注管7-1；另外一种则是加气站门安装在燃料动力船上，将加注软管8-2架设在鞍座的底座与受注管7-3连接，进行LNG燃料加注；当LNG燃料加注完成后，启动液压油缸13，牵引拉动门主体11沿门主体11与主体支撑组件12的铰接轴转动90度，重新回到原位，拉杆15重新处于收缩状态。
具体的，如图2所示，吸附式存储系统包括压缩机20、吸附罐21，吸附式存储系统还包括预处理模块22、换热器23、冷水机组24、加热模块25、吸附及脱附温度控制单元26、传感模块27、压力调节阀28；压力调节阀28设于压缩机20和预处理模块22之间，用于调节天然气的压力，预处理模块22用于净化天然气；预处理模块22与吸附罐21连接；温控模块用于调控吸附罐21吸附和脱附天然气时的温度。温控模块包括换热器23、冷水机组24、加热模块25、吸附及脱附温度控制单元26、传感模块27，换热器23和预处理模块22之间还设有调节阀29，换热器23和吸附罐21之间还设有单向阀30，压缩机20、预处理模块22、调节阀29、换热器23、单向阀30、吸附罐21依次连接，压缩机20和压力调节阀28之间还连接有动力装置燃气供应系统5，吸附罐21连接动力装置燃气供应系统5。冷水机组24与换热器23之间设有阀门a31，冷水机组24与换热器23连接；加热模块25与吸附罐21之间设有阀门b32，加热模块25与吸附罐21连接；传感模块27用于检测天然气的温度、压力；吸附及脱附温度控制单元26用于控制阀门a31、阀门b32工作。吸附式存储系统还包括氮气发生器33和氮气加热器34，氮气发生器33与氮气加热器34连接，氮气加热器34连接吸附罐21，用于吸附罐21吹洗。吸附罐21内置有比表面积为2500-3500m2/g的固体吸附剂。预处理模块22为预处理罐，预处理罐内装有氮化物吸附剂，用于净化天然气。吸附罐21为低合金钢材料制成，吸附罐21内置有内部循环换热管，用于冷水循环流量或热水循环流量控制吸附罐21内温度。
吸附式存储系统工作过程：
第一舱室挥发出来的天然气，由压缩机20加压后，形成高压天然气，当LNG船行使过程中，压缩机20加压后的天然气可直接用于动力装置燃气供应系统5使用；当船舶停止行驶时，压缩机20加压后的天然气通过压力调节阀28进入预处理模块22，在预处理模块22中脱除氮气等杂质；经过预处理模块22处理后的天然气通过调节阀29进入换热器23，天然气经过换热器23时，被冷却到吸附式天然气存储系统预设的温度之后，进入吸附罐21中，传感模块27感知吸附罐21内温度变化，控制冷水机组24的冷水循环的流量，使得吸附罐21的温度保持在10℃；当吸附罐21中的天然气达到一定量时，通过加热模块25的热水循环，对吸附罐21内的天然气进行加热，天然气脱附，控制加热模块25的热水循环流量，从而使吸附罐21的温度保持在25℃，输出的天然气供给动力装置燃气供应系统5使用；当吸附罐21完成次吸附脱附后，LNG船上自带的氮气发生器33制造氮气，并经过氮气加热器34加热后对吸附剂进行吹洗，使得吸附剂再生，保证吸附率。
一种LNG加注船舱压控制方法，通过自控程序对第一舱室1内蒸发的天然气进行处理来保持舱压，蒸发的天然气用于动力装置燃气供应系统5进行消耗，通过强制汽化器3、深冷装置4和吸附式存储系统实现蒸发天然气的控制输出，其中蒸发天然气一部分来自LNG加注船上的第一舱室1向其他船舶上的第二舱室2加注天然气时产生的回气，加注过程中产生的回气优先输入吸附式存储系统进行存储；当动力装置燃气供应系统5运行过程中，舱压控制系统优先将吸附式存储系统内存储的天然气输送至动力装置燃气供应系统5作为燃料，在吸附式存储系统存储的天然气不足以供应动力装置燃气供应系统5消耗时，舱压控制系统控制强制汽化器3输出，增大第一舱室1内天然气蒸发量，供应动力装置燃气供应系统5消耗；通过天然气蒸发量作为控制输出的依据，由于天然气实际蒸发量无法测得，因此通过计算理论蒸发量代替天然气实际蒸发量，以9300立方的MARK FLEX薄膜型货舱为例，98％满载时的设计蒸发率为0.18％每天，1％空载时的设计蒸发率为0.18％每天，根据目前LNG货舱装载率得到一个天然气理论蒸发率BOR(百分比每天)的计算公式，BOR＝0.1*(V2-0.01)/0.97+0.08，其中V2为当前货舱装载率。
通过计算机程序计算得到当前理论蒸发率后，BOR乘以LNG加注船第一舱室1的舱容V1得到LNG货舱内的天然气理论蒸发量，由于船舶运行时的晃荡、气温变化、天然气成分差异以及船厂货舱制造时的偏差，实际蒸发率和计算得到的理论蒸发率存在偏差，控制输出是根据计算的天然气理论蒸发量进行的，舱压上升代表实际蒸发的天然气没有被及时消耗，也就是说控制输出偏小；舱压降低说明实际蒸发的天然气不足以供应动力装置燃气供应系统5消耗，也就是说控制输出偏大，因此根据实际舱压的变化对控制输出进行修正，借助PID控制器完整修正调节，舱压上升，调大天然气理论蒸发率，舱压下降，调小天然气理论蒸发率。
得到修正后的天然气蒸发量后，进行相应的控制输出设计，主要包括两个工况，即动力装置燃气供应系统耗气量大于或小于修正后的天然气蒸发量。
当船舶航速较高时，电力推进消耗大量电能，动力装置燃气供应系统5耗气量增大，自然蒸发的天然气可能不足以供应消耗，需要通过强制汽化器3来增大LNG加注船内的天然气的蒸发量。强制汽化器3启停逻辑如图8所示，当动力装置燃气供应系统5耗气量小于实际蒸发量时，强制汽化器3处于待机状态，当动力装置燃气供应系统5耗气量大于实际蒸发量时，需要运行强制汽化器3，强制汽化器3工作前先进行强制汽化器出口温度冷却，通过喷淋阀39对强制汽化器3出口进行降温，当强制汽化器出口温度低于预设值时，强制汽化器出口温度达标后控制启动，强制汽化器3进入自控模式，增加第一舱室1内天然气实际蒸发量，满足动力装置燃气供应系统5的消耗需求；强制汽化器3的控制模拟图如图9所示，先进行温度控制，再进行流量控制，温度控制时，进口阀38关闭时温控阀36打开5％开度，使管道内残留液汽化释放，温控阀36处于PID控制模式，通过温度传感器35检测强制汽化器3出口温度，温度达标之前，进口阀38和流量控制阀37均关闭，当强制汽化器出口温度低于预设值后，进口阀38和流量控制阀37打开，工作状态下流量控制阀37的最小流量为强制汽化器额定负荷的10％。
当船舶航速较低或停泊时，动力装置燃气供应系统5的耗气量小于实际蒸发量，有两个解决方案，一个是将多余的天然气燃烧掉，但是造成资源的浪费；另外一种方法则是通过深冷装置4将多余天然气冷却回流到第一舱室1内，通过降低天然气的温度来降低天然气的蒸发。
深冷装置4的驱动马达由变速器调速，装置的制冷能力和消耗的电量基本呈线性关系，深冷装置4接受船舶自动化系统的指令来调整制冷量。对于自动化控制程序而言，LNG加注船的天然气蒸发率应该是一个偏向长期稳定的值，不能随着深冷装置的工况快速调整。因此将深冷装置4阻止天然气蒸发的制冷能力等效于蒸发天然气的液化能力，阻止了多少天然气汽化相当于液化了多少蒸发的天然气，需求冷能和额定冷能的百分比CP作为深冷装置的制冷量指令，动力装置燃气供应系统燃气流量为EGAS(KG/h)，深冷装置的额定等效液化量SCR(KG/h)，CP＝(BOR-EGAS)/SCR，以一台AIR LIQUID厂家的TBF-700型号深冷装置为例，它的满负荷制冷能力是137KW，系统和管路损失后的制冷能力是118KW，甲烷的汽化潜热是511KJ/KG，所以每小时天然气额定等效液化量是0.83t。
深冷装置4的控制模拟图如图10所示，包括LNG喷淋管路40、进口阀38、旁通阀41、出口阀42、深冷装置4、温度传感器35，深冷装置4停止时进口阀38和旁通阀41全关，出口阀42全开，深冷装置4启动时，当深冷装置4的输出端温度和深冷装置4内热交换器温度差大于30℃时，进口阀38全关，旁通阀41和出口阀42全开；当深冷装置4的输出端温度和深冷装置内热交换器温度差值小于30摄氏度时，旁通阀41全关，进口阀38和出口阀42全开，进入工作状态；当深冷装置4进入待机模式时，旁通阀41和出口阀42全开，进口阀38全关。
本实施例只是对本发明的进一步解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性的修改，但是只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
