NO334725B1

NO334725B1 - LNG-brenseltanksystem for minst én gassmotor for skipsfremdrift

Info

Publication number: NO334725B1
Application number: NO20093272A
Authority: NO
Inventors: Johnny Nylund
Original assignee: Wärtsilä Oil & Gas Systems As
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2014-05-12
Also published as: HRP20171203T1; KR101463953B1; CN102656084B; KR20120080650A; EP2496470B1; NO20093272A1; US20120216919A1; CN102656084A; EP2496470A1; EP2496470A4; WO2011053164A1; ES2637089T3; US8591273B2

Abstract

LNG brenseltanksystem for minst en gassmotor anvendt for skipsfremdrift, innbefattende minst én LNG-brenseltank (4) og en gassbeholder (8), der LNG-brenseltanken bunkres fra et LNG-trykktankpåfyllingsanlegg på land ved hjelp av en LNG-påfyllingsledning (1). I henhold til den foreliggende oppfinnelse er LNG-brenseltanken (4) en lavtrykkontrollert Type A skipstank, og gassbeholderen (8) er en enkeltskallet uisolert trykkbeholder anordnet for henholdsvis å oppsamle avdampnings- og avkoksgass under LNG-bunkring og trykkavlastning av LNG-brenseltanken, og gassmotoren mottar brensel fra enten gassbeholderen (8) eller LNG-brenseltanken (4) avhenging av et forhåndsdefinert gassbeholdertrykk.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et LNG brenseltanksystem for minst én gassmotor anvendt for skipsfremdrift.

Tung fyringsolje ("Heavy Fuel Oil", HFO) er nå til dags det mest vanlige drivstoffet for skipsfremdrift. For å begrense forurensing har internasjonale forskrifter satt grenser for svovelinnhold i HFO og utslipp av nitrogenoksider og karbondioksid til atmosfæren. Mens svovel og nitrogen i hovedsak skader nærmiljøet, er utslipp av karbondioksid er globalt problem.

Et stort skritt fremover med hensyn til miljøvern er å utnytte metan som drivstoff for skipsfremdrift, hvorved utslippet av både svovel, nitrogenoksider og karbondioksid reduseres. Prisen på LNG har også vært lavere enn for HFO og dieselolje, så det er både miljømessige og økonomiske fordeler ved å bruke metandrivstoff. Det hittil anvendte prinsippet har vært å fylle kommersiell flytendegjort metan+ (LNG) i lagertrykktanker om bord på skipet og oppretteholde trykket ved typisk 5-7 bar gauge. LNG fordampes deretter og varmes til betingelsene som fremdriftsgassmotoren krever.

Omtrent et dusin skip med LNG brenselsystemer er blitt bygd i Norge, og LNG fylle-stasjoner er blitt opprettet på land for å forsyne disse skipene. Både LNG-tankene på land og LNG-tankene på skip er dobbelskall vakuumisolerte trykktanker. For å oppnå lengre seiledistanser mellom hver fylling av LNG, er det en interesse blant skipseiere å anvende LNG prismatiske tanker som utnytter skrogfasongen bedre enn trykktanker. Prismatiske tanker frakter LNG ved atmosfærisk trykk.

Utfordringen er hvordan LNG skal losses fra en trykksatt LNG tank på land til en skipstank som kun tåler atmosfærisk trykk, uten å avgi metangass til atmosfæren. I tillegg er varmeinntregning inn i en atmosfærisk tank mye høyere enn for en vakuumisolert trykktank, og særskilte hjelpemidler må anvendes for å håndtere den økte avkokningen.

Skipsbårne tanker for å frakte flytende gasser i bulk er klassifisert i IMO publikasjon: "International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquified Gases in Bulk, IGC Code": Atmosfæriske LNG-tanker er klassifisert som "Independent Tanks Type A"

("Uavhengig Tanker Type A", i det etterfølgende også omtalt som "LNG atmosfæretrykktank for skip") og opereres ved atmosfærisk trykk og med 0,7 bar

gauge som Maksimal Tillatt TrykkbegrensingsVentil Innstilling ("Maximum Allowable Relief Valve Setting" (MARVS)).

På grunn av risikoen for lekkasje fra prismatiske tanker (dominerende bøyespenninger) er det nødvendig for en Uavhengig Tank Type A (Type A i kortversjon) å ha en et fullstendig "andre barriere" for å holde LNG i tilfelle lekkasje.

LNG lagertrykktanker uten noen gjennomtrengning under væskenivå er klassifisert som "Independent Tank Type C" ("Uavhengig Tank Type C"), forutsatt at designtrykket er over en gitt grense gitt av av tankdimensjonene.

Det er ikke nødvendig for en Uavhengig Tank Type C å ha noen "andre barriere" (dominerende membranspenninger).

Hvis LNG lagertrykktanken har en gjennomtregning under væskenivå, er det nødvendig med en full "andre barriere"; jfr. IMO Maritime Safety Committee MSC.285(86): "Interim Guidelines on Safety for Natural Gas - Fuelled Engine Installations in Ships".

Utfordringen å håndtere den avdampede gassen ("flashed gas") ved fylling av LNG inn i Type A tanker har i henholdt til en mulighet blitt løst av et Wartsila patent, dvs. WO2008/000898 Al "Fuel Systems for Gas Driven Vessel".

Wartsilas løsning er ganske lik systemet brukt på alle eksisterende LNG-drevne skip, som allerede beskrevet ovenfor, men LNGen pumpes inn i de skipsbårne LNG-lagertrykktankene fra den atmosfærisk trykk Type A tanken. For å styre trykket i Type A tanken, pumpes dampen inn i LNG lagertrykktanken ved hjelp av kompressorer. Lagertrykktankene som forsyner drivstoff til gassmotoren på skipet er således LNG-fylt og isolert.

EP293832A2 beskriver en fremgangsmåte for å spare innsprøytnings kraft for en høytrykks innsprøytings-diffusjon forbrenningstype dieselmotor, hvor avkoksgass fra flytende gass mates til dieselmotoren.

US2006/0053806A1 viser et system for utnyttelse av gass som fordamper fra en tank i et tankfartøy.

Problemet som løses ved den foreliggende oppfinnelse skyldes i hovedsak tre årsaker, dvs. LNG trykktanker på land, LNG bunkring og oppholdstid.

Lagringstanker på land for LNG-fylling av skip er per i dag alle av vakuumisolert trykktank-type. Typiske designtrykk er omtrent 10 bar gauge. Disse LNG-tankene på land fylles vanligvis fra LNG-lastebiler, som også er utstyrt med LNG-lagertrykktanker. LNG-lagringstankene på land kan også fylles ved hjelp av små LNG fraktere, alle utstyrt med lagertrykktanker klassifisert som "Independent Tanks Type C" ("Uavhengig Tank Type C"). Varme lekker inn i LNG både under fylling på lastebil/LNG-frakter, transport, under fylling av lagringstank, og under lagring i LNG-tanken på land. LNG i LNG-lagringstanken på land er derfor ved en temperatur høyere enn -163 °C, og følgelig er metningstrykket høyere enn det atmosfæriske trykket.

Ved fylling fra en LNG-tank på land ved forhøyet trykk inn i en Type A skipstank, fordamper LNG og trykket i Type A tanken øker. Hvis metningstrykket i LNG-tanken på land er godt under 0,7 bar gauge kan Type A skipstanken fylles uten å avgi metangass til atmosfæren. Hvis metningstrykket i LNG-tanken på land er nærme 0,7 bar gauge plukker LNG opp noe varme fra pumpen, rørledning og tank, hvilket kan forår-sake at trykkbegrensingsventilen åpnes og avgir metan til atmosfæren under LNG fylling. Hvis metningstrykket i LNG-tanken på land er over 0,7 bar gauge åpnes trykkbegrensningsventilen for en Type A tank og metangass frigis til atmosfæren. Ved omtrent 1,5 bar gauge trykk i LNG-lagringstanken på land frigis en betydelig mengde metangass til atmosfæren. Derfor må det anordnes et system for å håndtere avdampningsgassen, hvilket er formålet ved den foreliggende oppfinnelse.

En LNG tank er utsatt for varmeinntrengning fra omgivelsene, hvilket igjen forårsaker at LNG fordamper, og tanktrykket øker inntil trykkbegrensningsventilen åpnes. Holdetiden er den forløpte tiden inntil trykkbegrensningsventilen åpnes. Mens en dobbeltskall vakuumisolert lagertrykktank har en holdetid på "måneder", har en Type A tank en holdetid på "dager". Hvis startdamptrykket for en Type A tank omtrent er atmosfærisk trykk, er holdetiden typisk litt over en uke. Hvis startdamptrykket er omtrent 0,5 bar gauge er holdetiden typisk et par dager. I tilfelle "off-hire" overskrider varighetene ovenfor må det anordnes et system for å håndtere den fordampede gassen, hvilket også er et formål ved den foreliggende oppfinnelse.

For å møte utfordringene angitt over foreslår den foreliggende oppfinnelse et LNG brenseltanksystem for minst én gassmotor anvendt for skipsfremdrift, innbefattende minst én LNG brenseltank og en gassbeholder, der LNG brenseltanken bunkres fra et LNG trykktankanlegg på land ved hjelp av en LNG påfyllingsledning, der LNG brenseltanken er en lavtrykregulert LNG atmosfæretrykktank for skip, og gassbeholderen er en enkeltskall uisolert trykkbeholder anordnet for henholdsvis å oppsamle avdampnings- og avkoksgass under LNG bunkring og trykkavlaste LNG brenseltanken, og gassmotoren mottar brensel fra enten gassbeholderen eller LNG brenseltanken avhenging av et forhåndsdefinert gassbeholdertrykk.

Damptrykket i LNG-brenseltanken kan reguleres til å være under omtrent 0,7 bar gauge. En kompressor posisjonert i en suge- og komprimeringsledning som strekker seg mellom LNG brenseltanken og gassbeholderen kan brukes for å begrense LNG brenseltanktrykket under bunkring og trykkavlastning av LNG brenseltanken.

Gassmotoren kan motta brensel fra gassbeholderen inntil trykket nærmer seg ca 5-6 bar gauge, hvoretter brensel leveres fra LNG brenseltanken. Fremdriftsgass fra gassbeholderen kan leveres via en gassledning som passerer en varmeinnretning.

Fremdriftsgass fra LNG-brenseltanken kan leveres via en væske- og dampledning som har et hovedsakelig vertikalt vertikalstigerør ustyrt med en sentrifugalpumpe posisjonert nær en nedre del av LNG-brenseltanken, og LNG fordampes i en fordamper. Damp fra fordamperen kan strømmes gjennom dampledningen via en tilbakeslagsventil inn i gassledningen oppstrøms varmeinnretningen.

Når ekstra brensel er nødvendig for skipsfremdrift kan gass leveres fra både gassbeholderen og fordamperen.

For å redusere gasstemperaturen ved behov, kan en sprayledning som strekker inn i gassbeholderen, der sprayledningen inkluderer en normalt lukket ventil, være anordnet på stigerøret.

Andre fordelaktige trekk ved den foreliggende oppfinnelse skal forstås av de avhengige patentkrav og den detaljerte beskrivelsen nedenfor.

Nå vil den foreliggende oppfinnelse beskrives i større detalj med henvisning til Figur 1 som viser et prosesskjema.

For å unngå å frigi metan til atmosfæren under LNG-bunkring og til sjøs, vedrører den foreliggende oppfinnelse et LNG brenseltanksystem for å håndtere avdampnings- og avkoksgass. I dette tilfellet sikrer en kompressor at trykket i Type A-tanken aldri over-stiger 0,7 bar gauge, men leverer avdampnings-/avkoksgassen til en lagertrykktank som kun inneholder gass.

Figur 1 viser en forenklet prosessplan for et skip, for eksempel med to Type A tanker, som ved hjelp av pumper, fordamper, varmeinnretning, kompressor og gassbeholder, for eksempel, forsyner brenselgass til én eller flere gassmotorer. Gassmotorene kan videre motta brensel fra gassbeholderen eller en av Type A tankene.

LNG Bunkring

LNG fylling

LNG bunkring finner sted fra en LNG fyllestasjontrykkbeholder på land, ikke vist, som i henhold til LNG-leverandørers erfaring kan ha et metningstrykk så høyt som 2 bar gauge.

LNG pumpes fra LNG fyllestasjonen på land gjennom en LNG påfyllingsledning 1. Ved innløpet til Type A-tanken 4 føres LNG gjennom en Joule-Thomson ventil 2. J-T ventilstrømmen styres av damptrykket i Type A-tanken. Damptrykket skal alltid være under 0,7 bar gauge. Fra J-T ventilen strømmer LNG ned en bunnpåfyllingsledning 3 som strekker seg inn i Type A-tanken 4.

Type A tank Overtrykkskontroll

Når LNG strømmer gjennom J-T ventilen 2, dannes en viss mengde avdampningsgass. Jo høyere metningstrykk i LNG-trykktanken på land, desto mer avdampningsgass dannes, og Type A tanktrykket tenderer til å øke. J-T ventilstyringen beskrevet ovenfor er ikke i stand til å begrense Type A tanktrykket, men lukkes fullstendig og stopper dermed LNG-fy Ilingen.

Kompressoren 5 fjerner avdampningsgassen fra Type A-tanken via en sugeledning 6 og en komprimeringsledning 7 inn i en enkeltskall gassbeholder 8, hvorved Type A tanktrykket begrenses. Gasstrømmen gjennom kompressoren 5 reguleres av damptrykket i Type A-tanken. Som allerede beskrevet skal damptrykket inne i Type A-tanken alltid være under 0,7 bar gauge.

Gassbeholder

Hovedformålet ved gassbeholderen 8 er å tjene som en gassbuffer under LNG-fylling. Desto høyere metningstrykk i LNG dampbeholderen på land, desto høyere behov for gassbeholderen. For å sikre tilstrekkelig bufferkapasitet og samtidig spare plass, kan designtrykket for gassbeholderen lages høyere enn 10 bar gauge (tidligere kravgrense for Komprimert Naturgass ("Compressed Natural Gas", CNG) tanker under dekk. Spesifisert i IMO Maritime Safety Committee MSC.285(86): "Interim Guidelines on Safety for Natural Gas - Fuelled Engine Installations in Ships"). Å komprimere avdampningsgassen til over omtrent 20 - 25 bar gauge øker gasstemperaturen slik at normalt karbon-mangan stål kan anvendes for gassbeholderen 8.

Gassbeholderen skal være en standard enkeltskall trykkbeholder uten noe termisk isolering. Valget av arbeidstrykk baseres på mengden avdampningsgass, nødvendig plass og kompressorkostnad.

Normal drift

Brensel fra gassbeholder

Ved avslutning av LNG-bunkringen er trykket i hver Type A tank nær atmosfærisk (0-0,5 bar gauge) og således under MARVS, mens gassbeholderen er nær sitt designtrykk. På dette tidspunktet mottar den aktuelle gassmotoren brensel direkte fra gassbeholderen. Brenselgass ved omtrent 25 bar gauge (kun et eksempel) strømmer fra gassbeholderen 8 via en gassledning 9 til en gassledning J-T ventil 10 hvor trykket reduseres til omtrent 5-7 bar gauge. Brenselgassen strømmer videre langs en gassledning 11 via en tilbakeslagsventil 12, gjennom en varmeinnretning 13 og deretter til reguleringsenheten for gassmotoren(e). Strømmen gjennom J-T ventilen 10 styres av trykket i gassledningen 11 nedstrøms ventilen.

Gassmotoren mottar brensel fra gassbeholderen 8 inntil trykker nærmer seg omtrent 5-7 bar gauge. Brenselgassforsyning fra gassbeholderen har prioritet over brenselgassforsyningen fra Type A-tanken. På denne måten er gassbeholderen ledig til å motta gass i enhver situasjon der trykket i Type A-tanken nærmer seg MARVS.

Brensel fra Type A- tanken

Når gassbeholdertrykket nærmer seg omtrent 5-7 bar gauge, byttes brenselgassforsyningen til Type A-tanken 4.

LNG pumpes ved hjelp av en sentrifugalpumpe 14 ved bunnen av Type A-tanken 4, opp gjennom vertikalpumpestigerøret 15 og gjennom væskeledningen 16 til styringsventilen 17. Strømmen gjennom styringsventilen 17 styres av trykket i væskeledningen 16 nedstrøms ventilen, hvilket holdes ved omtrent 5-7 bar gauge. LNG fordampes videre i fordamperen 18, og dampen strømmer gjennom dampledning 19 via tilbakeslagsventil 20 og inn i gassledningen 11. Dampen strømmer gjennom varmeinnretningen 13 og deretter til reguleringsenheten for gassmotoren(e). Fordamperen 18 og varmeinnretningen 13 varmes ved hjelp av gassmotorens kjølesystem eller andre tilgjengelige varmesystemer om bord skipet.

Type A Tanktrykksvakuumstyring

Når gassmotoren forbruker brensel synker LNG-nivået i Type A tanken 4, hvilket utvikler seg i retning av å redusere trykket i tanktomrommet. For en Type A tank 4 er imidlertid trykkøkningen på grunn av varmeinntrengning vesentlig høyere enn trykkreduksjonen på grunn av LNG forbruk. Det er derfor ingen fare for at tomromstrykket faller under atmosfærisk trykk under vanlig drift.

Type A Overtrykkstyring

Varmeinntrengningen gjør at Type A tank tomromstrykket øker med mindre avkok-ningsvolumet fjernes med kompressoren 5 og oppsamles i gassbeholderen 8. "LNG varmeinntrengningstilfellet" er et mye mindre strengt krav for gasshåndteringssystemet enn "LNG fyllingstilfellet".

Det foreslåtte gasshåndteringstanksystemet tillater derfor en Type A tank med mindre isolasjon enn "standard" 30 centimeter.

Tilleggsdrift

I visse tilfeller behøver gassmotoren ekstra brenselsforsyning i en kortere eller lengre periode. Selv om fordamperne ikke nødvendigvis er i stand til å tilveiebringe en slik overskytende mengde brenselgass, kan gassbeholderen i slike tilfeller forsyne den nødvendige gassmengden.

Alternativer fra atmosfæriske LNG tanker

Prosessløsningen som er gjenstand for den foreliggende oppfinnelse er i hovedsak tiltenkt å løse problemer som oppstår i forbindelse med å laste LNG fra en trykksatt tank på land til et skip Type A tank.

Prosessløsningen kan lett tilpasses LNG fylling fra en atmosfærisk LNG tank på land også. En dampreturledning 21 legges ganske enkelt til mellom Type A tanktaket og LNG bunkringsstasjonen 24. Dampreturlinjen skal under fylling være koblet til på lands atmosfærisk LNG tank dampfase.

I dette tilfellet er kravene til gasshåndtering under LNG fylling noe mer avslappet (avhengig av trykkfall i dampreturledningen).

Sprayledning

En sprayledning 22 deles av fra væskeledningen 17 og kobles til gassbeholderen 8 via en normalt stengt ventil 23. Sprayledningen skal brukes i tilfeller der gasstemperaturen i gassbeholderen må reduseres.

Det forstås at de fleste komponentene, annet enn Type A-tanken og gassbeholderen, slik som J-T ventilene for eksempel, kan erstattes av enhver annen egnet innretning som tilveiebringer samme eller ekvivalent funksjon.

Claims

1. LNG brenseltanksystem for minst én gassmotor anvendt for skipsfremdrift, innbefattende minst én LNG-brenseltank (4) og en gassbeholder (8), der LNG brenseltanken bunkres fra et LNG-trykktankpåfyllingsanlegg på land ved hjelp av en LNG påfyllingsledning (1),karakterisert vedat LNG brenseltanken (4) er en lavtrykksregulert LNG atmosfæretrykktank for skip, og gassbeholderen (8) er en enkeltskall uisolert trykkbeholder anordnet for henholdsvis å oppsamle avdampnings- og avkoksgass under LNG bunkring og trykkavlastning av LNG brenseltanken, og gassmotoren mottar brensel fra enten gassbeholderen (8) eller LNG brenseltanken (4) avhenging av et forhåndsdefinert gassbeholdertrykk.

2. LNG brenseltanksystem ifølge krav 1,karakterisertv e d at LNG brenseltanken er lavtrykksregulert ved å anvende en Joule-Thomson ventil (2) anordnet i LNG påfyllingsledningen (1).

3. LNG brenseltanksystem ifølge krav log2,karakterisertv e d at damptrykket inne i LNG-brenseltanken (4) reguleres til å være under omtrent 0,7 bar gauge.

4. LNG brenseltanksystem ifølge minst étt foregående krav,karakterisert vedat en kompressor (5) posisjonert i en suge- og komprimeringsledning (6, 7) strekker seg mellom LNG brenseltanken (4) og gassbeholderen (8) brukes for å begrense LNG brenseltanktrykket under bunkring og trykkavlastning av LNG brenseltanken.

5. LNG brenseltanksystem ifølge minst étt foregående krav,karakterisert vedat gassmotoren mottar brensel fra gassbeholderen (8) inntil trykker nærmer seg 5-6 bar gauge, hvoretter brensel leveres fra LNG brenseltanken (4).

6. LNG brenseltanksystem ifølge krav 5,karakterisertv e d at fremdriftsgass fra gassbeholderen (8) leveres via en gassledning (11) som passerer en varmeinntretning (13).

7. LNG brenseltanksystem ifølge krav 6,karakterisertved at gasstrømtrykket reduseres ved å anvende en Joule-Thomson ventil (10) anordnet oppstrøms varmeinnretningen (13).

8. LNG brenseltanksystem ifølge krav 5,karakterisertv e d at fremdriftsgass fra LNG brenseltanken (4) leveres via en væske- og dampledning (16, 19) som har et hovedsakelig vertikalt vertikalstigerør (15) ustyrt med en sentrifugalpumpe (14) posisjonert nær en nedre del av LNG brenseltanken, og LNG fordampes i en fordamper (18).

9. LNG brenseltanksystem ifølge krav 8,karakterisertved at damp fra fordamperen (18) strømmes gjennom dampledningen (19) via en tilbakeslagsventil (20) inn i gassledningen (11) oppstrøms varmeinnretningen (13).

10. LNG brenseltanksystem ifølge minst étt foregående krav,karakterisert vedat fremdriftsgass leveres fra både gassbeholderen (8) og fordamperen (18) når ekstra brensel er nødvendig for skipsfremdriften.

11. LNG brenseltanksystem ifølge minst étt foregående krav,karakterisert vedat en sprayledning (22) som strekker inn i gassbeholderen (8), der sprayledningen (22) inkluderer en normalt lukket ventil (23), er anordnet på stigningsrøret for å redusere gasstemperaturen ved behov.

12. LNG brenseltanksystem ifølge minst étt foregående krav,karakterisert vedat for å også tillate fylling fra atmosfæriske LNG tanker, anordne en dampreturledning (21) mellom LNG brenseltanktaket (4) og LNG påfyllingsanlegg på land.