将气体燃料供应到船的能量产生装置的设备及其调节方法

摘要

本发明公开了一种将气体燃料供应到液化气体运输船的能量产生装置的设备。该设备包括至少一个储存罐，所述储存罐容纳有液化气体以及位于液相上方空间内的气相气体，该设备还包括：适于从所述储存罐经由供给管吸入气相气体的压缩机，该压缩机的出口连接到一用于供应所述能量产生装置的总管；用于将所述液化气体供应到一蒸发器的入口的泵，该蒸发器的出口与所述总管相连；以及自动控制装置，该自动控制装置与调节压缩机的调节装置、用于测量所述供给管内的所述气相气体的流量的测量装置，以及用于测量储存罐的所述空间内的气相气体的压力的测量装置相连。该自动控制装置包括用于处理由所述测量装置提供的信息的装置，以便控制所述压缩机的调节。

权利要求

1.一种用于将气体燃料供应给液化气体运输船的能量产生装置(2) 的设备，该燃料取自所述船上的至少一个储存罐(1)，所述储存罐(1) 容纳有所述液化气体(3)以及在该液相上方的空间(4)内的气相气体， 并且该设备包括：适于从所述储存罐(1)通过一供给管(33)吸入所述气相气体的压缩 机(6)，该压缩机(6)的出口连接到一用于供应所述能量产生装置(2) 的总管(7)；

用于将所述液化气体供应到一蒸发器(10)的入口的泵(8)，该蒸发 器(10)的出口与所述总管(7)相连；以及与所述压缩机(6)的调节装置相连的自动控制装置(17)；

该设备的特征在于，所述自动控制装置(17)与用于测量所述供给管 (33)内的所述气相气体的流量的装置(19)相连，并与用于测量所述储 存罐(1)的所述空间(4)内的所述气相气体的压力的装置(18)相连， 并且包括用于处理由所述测量装置(18，19)提供的信息的装置，以便控 制所述压缩机(6)的调节。

2.一种如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述自动控制装置 (17)适于记录由操作者输入的一设定压力值(Pref)和一设定流量值(Dref)； 并且所述用于处理由所述测量装置(18，19)提供的信息的装置适于计算 测得的压力或流量与相应的设定值(Pref，Dref)之间的差值的各相对误差。

3.一种如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，第二自动控制 装置(20)适于控制用于调节供应给所述蒸发器(10)的所述液化气体的 流量的流量调节装置(13)和用于调节将所述总管(7)与一气体氧化装置 (16)相连的一过压排放管(14)内的气体流量的流量调节装置(15)； 并且所述第二控制装置(20)与用于测量所述总管(7)内的压力的装置(21) 相连，并且利用由所述压力测量装置(21)提供的信息来控制所述流量调 节装置(13，15)。

4.一种如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在用于将气相 气体供应给该压缩机(6)的所述供给管(33)上设有冷却装置(28，29)， 所述冷却装置根据由温度测量装置(24)提供的信息被致动，该温度测量 装置(24)适于测量在所述冷却装置上游的所述供给管(33)内的气体温 度。

5.一种如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述冷却装置包括 一用于喷射取自至少一个储存罐(1)的液化气体的喷射装置(28)，以及 一位于所述喷射装置(28)下游的液滴分离器(29)。

6.一种如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述液化气体喷射 装置(28)通过一液化气体分支管(35)被供应，该分支管(35)与所述 蒸发器(10)的一液化气体供给管(9)相连，所述分支管(35)安装有一 由控制器(31)控制的调节阀(32)，该控制器(31)与适于测量所述冷 却装置下游的气体温度的温度测量装置(30)相连。

7.一种如权利要求4所述的设备，其特征在于，用于向该压缩机(6) 供应气相气体的所述供给管(33)部分地由两个并行的分支(33A，34) 构成，并且所述冷却装置(28，29)安装在这两个分支中的一个分支(33A) 上。

8.一种如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述分支(33A， 34)中的每一个都安装有一不可调节的阀(26，27)，这两个阀与一控制 器(25)相连，该控制器(25)设计成使阀(26，27)中的一个打开而另 一个关闭，所述控制器(25)与所述冷却装置上游的所述温度测量装置(24) 相连。

9.一种如权利要求1所述的设备，其特征在于，用于调节所述压缩 机(6)的所述调节装置包括适于在两个位置之间被逐渐枢转的叶片，所述 两个位置分别为打开位置和关闭位置。

10.一种如权利要求2所述的设备，其特征在于，用于调节所述压缩 机(6)的所述调节装置包括适于在两个位置之间被逐渐枢转的叶片，所述 两个位置分别为打开位置和关闭位置。

11.一种调节如权利要求9所述的设备的压缩机(6)的方法，其特 征在于，所述自动控制装置(17)通过仅作用于所述叶片的枢转来调节所 述压缩机(6)。

12.一种调节如权利要求10所述的设备的压缩机(6)的方法，其特 征在于，所述自动控制装置(17)通过仅作用于所述叶片的枢转来调节所 述压缩机(6)。

13.一种如权利要求12所述的调节方法，该方法执行以下步骤：

由所述测量装置(18，19)分别进行压力和流量两种测量，并且定期 地将测量结果与所述设定值(Pref，Dref)进行比较，以计算两种对应的相 对误差；

使每个计算出的压力和流量的相对误差与所述叶片的倾角的相应第一 和第二设定值(O1和O2)相关联；

所述自动控制装置(17)将该两个倾角设定值(O1，O2)中较大的一 个作为传送到该压缩机(6)的叶片倾角的指令。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于将气体燃料供应到一液化气体运输船的能量产生 装置(energy production unit)的设备，所述燃料取自船内至少一个储存 罐的内容物。

背景技术

在已知的甲烷油船中，能量产生装置包括一供应涡轮机的蒸汽发生锅 炉以用于驱动推进器。蒸汽发生锅炉采用船载气体作为燃料。在被隔热的 储存罐中，甲烷呈液态，并且位于液面上方的气相的压力接近1至3巴。
供应到锅炉的燃料首先来自液体上方的气相，所述气相通过一个以需 要的压力供应锅炉的燃烧器的轴流式压缩机在该表面上方被直接吸入，第 二来自从储存罐抽出并被输送到一蒸发器的液体；气体在离开蒸发器时膨 胀到压缩机的入口压力，即大约1绝对巴，然后该气体与直接来自储存罐 内的自然蒸发形成的气相一起被送入压缩机。
当单独的自然蒸发不足以供应轮船的能量需求时，就使用已经被转变 成气相的来自所抽取的液体的部分。
这种设备可用于向除了供应涡轮机的锅炉之外的能量产生装置供应气 体燃料。因此，法国专利No.272760说明了一种向驱动交流发电机的发动 机供应气体燃料的设备，所述交流发电机本身向与推进器连接的电动马达 供电。
法国专利No.2837783提出了一种尤其可以减小压缩机的功率的设置， 并且说明了一种用于将气体燃料从船的储存罐之一的内容物供应给一液化 气体油船的能量产生装置的设备。所述储存罐容纳有液化气体以及在液- 气分界面上方的气相气体。这种设置首先包括一压缩机，该压缩机由马达 驱动并且其入口从储存罐的液面上方吸入气相气体，并且压缩机的出口将 气体输送到一总管以用于供应能量产生装置。该设置还包括浸没在储存罐 底部并且通过管与一蒸发器的入口相连的泵，该蒸发器的出口与总管相连。 该设置还包括用于使液体返回到储存罐的管，所述管安装有一调节阀并且 与将泵连接到蒸发器的管相连。
在该设置中，根据一设定值来调节压缩机，以用于将能量产生装置入 口处的压力维持在一定值以上。如果总管内的气压降到低于设定值，则操 作压缩机以向总管输送更多的气体，直到它的压力上升回到设定值之上。 还根据一设定值对蒸发器进行控制以维持一定气压，其中该气压在储存罐 内测得。如果储存罐内的气压降到低于设定值，则通过蒸发器向总管供应 气体，从而减少压缩机从储存罐中吸入的气体的量，因而限制了储存罐内 的压降。该设置还包括一根据高压设定值进行调节的氧化装置，储存罐内 必须不能超过该高压设定值，以防止由于允许压缩机向总管内输送足够的 气体而使储存罐内的压力过高。
压缩机由一作用于压缩机驱动马达的转速和压缩机入口叶片的倾角 (pitch)的自动控制器来调节。可以看到，对压缩机的调节没有考虑储存 罐内的气压。

发明内容

本发明提出了一种新型的调节装置，它尤其可以优化压缩机的调节， 因此确保长时间具有改进的性能。
因此，本发明提供一种用于将气体燃料供应给液化气体运输船的能量 产生装置的设备，所述燃料取自船的至少一个储存罐，所述储存罐容纳有 所述液化气体以及位于液相上方空间内的气相气体，该设备包括：
适于从该储存罐经由一供给管吸入该气相气体的压缩机，该压缩机的 出口连接到一用于供应该能量产生装置的总管；
用于将液化气体供应到一蒸发器入口的泵，该蒸发器的出口与该总管 相连；以及
与压缩机的调节装置相连的自动控制装置；
该设备的特征在于，该自动控制装置与用于测量该供给管内的气相气 体的流量(流率，flow rate)的装置相连，并与用于测量储存罐的所述空 间内的气相气体的压力的装置相连，并且包括用于处理由该测量装置提供 的信息以便控制压缩机的调节的装置。
优选地，所述自动控制装置适于记录由操作者输入的一设定压力值和 一设定流量值，并且用于处理由所述测量装置提供的信息的所述装置适用 于计算在测得的压力或流量与相应的设定值之间的差值的各相对误差。
在本发明的设备的一个有利的实施例中，第二自动控制装置适于对用 于调节供应给所述蒸发器的所述液化气体的流量的流量调节装置，以及用 于调节将所述总管连接到一气体氧化装置上的过压排放管内的气体流量的 流量调节装置进行控制，并且所述第二控制装置与用于测量所述总管内的 压力的装置相连，并利用由所述压力测量装置提供的信息来控制所述流量 调节装置。
在本发明的设备的另一个有利实施例中，在用于将气相气体供应给该 压缩机的所述管上设有一冷却装置，所述冷却装置随着由温度测量装置提 供的信息而被致动，该温度测量装置适于测量在所述冷却装置上游的所述 供给管中的气体温度。
优选地，用于调节所述压缩机的所述调节装置包括适于在两个位置之 间被逐渐枢转的叶片，该两个位置分别为打开位置和关闭位置。
本发明还提供一种用于本发明的设备的压缩机的调节方法，其中所述 自动控制装置通过仅作用于所述叶片的枢转来调节该压缩机。

附图说明

下面参照唯一的附图对本发明的实施例进行说明，其中：
图1示出本发明的设备。

具体实施方式

参照附图1，如图中所示，将来自液化气体运输船例如甲烷油船的一 个储存罐1的气体燃料供应给该运输船的能量产生装置。当然，也可使用 多个储存罐如储存罐1共同来供应气体燃料。
这种能量产生装置的总体标号为2，它可包括驱动交流发电机的柴油 机，以产生用于船上的电力设备并用于推进该船的电能，但可选择地，该 能量产生装置可以是包括用于产生蒸汽的锅炉的一常用单元，所述蒸汽供 应给一蒸汽轮机以驱动推进器。
储存罐1容纳有大约为-163℃的液化气体3，以及液体表面5上方的空 间4中的(蒸)气相。储存罐的压力接近大气压。该设备包括一压缩机6， 该压缩机的入口从空间4抽取气相气体，而它的出口连接到一总管7以供 应该单元2。一漫没在储存罐底部的泵8经由一液化气体供给管9连接到 一蒸发器10的入口，该蒸发器的出口与总管7相连。
引导回到储存罐1的一回流管11安装有一可调节的(regulated)第一 调节阀12，并且该回流管构成管9上的一分支，同时在管9上的该回流管 11和管9之间的连接点的下游设有一不可调节的第二阀13。术语“可调节 的”阀是指一种具有可被调节的可变孔的阀。
在该蒸发器10的出口与该总管7的连接点的下游，还有一用于排出过 量压力的管14连接到该总管7上，该管14安装有一可调节的第三阀15， 并且该管14通向一气体氧化装置16，该气体氧化装置16有时仅被称为“氧 化器”或者“焚烧器”。
冷却装置28、29位于管33上以用于向压缩机6供应气体。更准确地 说，管33在局部由两个分别安装有阀26和27的分支33A和34构成，这 两个阀不可调节并且与一自动控制器25相连，该冷却装置安装在第一分支 回路33A中。
冷却装置28、29通过一分支管35连接到液化气体供给管9上，所述 分支管35位于回流管11和管9之间的连接点的下游，该管35安装有一调 节阀32。
由未示出的马达驱动的压缩机6在运行过程中由一控制器17调节，该 控制器17接收两项信息：首先是由压力计18测得的储存罐1内的或者用 于向压缩机供应气体的管33的入口处的气体压力的相关信息，其次是由流 量计19测得的管33内的气流流量的相关信息。
控制器17优选地通过仅作用于叶片的枢转一即不作用于驱动压缩机 的马达的转速一来对压缩机6进行调节。正如法国专利No.2837783中所 说明的现有技术，将这些叶片设置在压缩机的出口而非压缩机的入口也是 有利的。
通过一自动控制器20并利用开关控制将位于蒸发器10入口处的不可 调节阀13控制成处于打开或关闭状态。该控制器20从位于其入口处的一 压力计21接收所测得的总管7内的气压的相关信息，并且不仅控制阀13 而且控制调节阀15。
另一压力计22测量管9内的液化气体的压力，然后此信息应用于控制 第一调节阀12的一第三自动控制器23。
最后，为改善压缩机6的操作，使用一温度传感器24来监测在冷却装 置上游且在管33内的气体的温度。如有必要，可使用一喷射器28将液态 甲烷从储存罐1中喷射到分支33A中以降低该温度。将该温度信息传送到 对不可调节阀26和27执行开/关控制的控制器25，以使阀26和27中的一 个打开而另一个阀关闭。温度传感器30测量冷却装置28、29的出口处的 温度，然后将该信息发送到一例如比例积分微分(PID)型控制器31，该 控制器31控制位于管9的分支管35内的调节阀32，以使液化气体能够到 达喷射器28。到达该喷射器28的出口的被冷却气体通过一液滴分离器29， 以便去除悬浮的任何残余液滴。
如上所述的设备接下述方式运行：
压缩机6连续运行，从而连续地吸入被蒸发到空间4内的气体，其速 度由下述方式进行调节。
根据储存罐外部和内部之间的热交换状况，并且根据储存罐内的液体 量，储存罐内的压力在某种程度上变化并且以如下方式进行调节：
根据由压力计21测得的总管7内的气压，来确定第二阀13的打开或 关闭位置以及阀15从0到100％的开度。
当低于一对应于预定压力P1的低阈时，储存罐内的自然蒸发被认为不 足以为船提供它需要的能量，因此，控制阀13采取打开状态。这种情况发 生在储存罐1几乎是空的或者能量需求很大时。因此通过蒸发器向总管7 供应气体，从而保持总管7内有足够的压力。
当储存罐1充满时，根据与外界的热交换状况，可出现两种情况。在 第一种情况下，来自空间4的通过自然蒸发产生的气体足够但不过量，在 这种情况下，只有压缩机6运行，而阀13是关闭的。一旦总管7内的压力 达到并超过低压阈值P1同时保持低于高压阈值P2，就会发生这种情况。在 另外的情况下，压力到达一个大于该高压P2的值，并且通过自然蒸发所产 生的气体过多。则必须将未被能量产生装置2燃烧的过量气体排出，为此， 将阀15逐渐打开，以便将总管7内的压力保持在一基本恒定的高阈值P2。 这由例如PID调节器型的控制器20根据由压力计21测得的总管7内的压 力来控制。然后阀15通过管14向氧化装置16供应气体。
另外，压缩机6连续地吸入来自储存罐的空间4内的气体以将该气体 输送到总管7内。只要总管内的压力保持在高阈值P2之下，压缩机就可以 一定的流量将气体正常地输送到总管，更具体地说，它能够确保用于向压 缩机输送气体的管33的入口处的气体流量保持大于或者等于一设定值。这 样，当气压高于储存罐1内的一预定的设定值时，则如下文所述通过调节 压缩机以相应增大气体流量来使储存罐内的压力降低。这种流量的增大可 通过能量产生装置2或者通过氧化装置16消耗掉，从而防止总管7内的压 力过分升高。
同时，对供应给蒸发器10的液化气体压力进行伺服控制以使其达到设 定压力P0，并且利用回流管11上的第一调节阀12对该压力进行调整，其 中利用例如为PID型调节器的控制器23，根据由压力计22测得的管9内 的压力来控制阀在0到100％范围内的阀的开度。当此压力保持小于或者 等于一预定值P4时，阀12保持关闭，并且当压力在P4和一预定的高压值 P5之间时，阀12逐渐打开，其中在压力等于P5时阀12完全打开。
压缩机6由一个用于设定压缩机叶片的倾角的指令进行调节，即压缩 机接收形式为0到100％的叶片最大张开角的范围内的一个值的指令，该 值选定为两个叶片角设定值中最大的值。这两个值中的每一个值都是由控 制器17的PID调节器根据计算一设定流量或者压力值和所测得的相应实 际值之间的相对误差来提供的。因此，控制器17的PID调节器就构成用 于处理分别由压力和流量测量装置18和19传送的信息的装置，以便控制 对压缩机的调节。
为计算相对误差，控制器17适于将由操作者输入的一参考压力值Pref 和一参考流量值Dref存储在存储器中。参考流量Dref对应于由压缩机的操 作范围所确定的最大流量，并且应当优选地保持低于在相同时间长度内通 过自然蒸发而在储存罐的空间4内产生的气体量。该调节被设计成使得流 量不能显著下降到参考值Dref之下，因为否则会存在压缩机停机的危险。
储存罐1内气体的实际压力由压力计18来测量，并且将该测量值定期 地与控制器17的PID调节器内的设定值Pref相比较。气体流量由流量计 19在管33内的压缩机6的入口处测得，并且将该测量值定期地与控制器 17的另一PID调节器内的设定值Dref进行比较。每个PID调节器计算有 关这些测量值的相对误差，所述误差可为正值或负值，并且定义为所测压 力或流量值与相应的设定值之间的差值除以对应的传感器的测量范围的大 小。
所计算的压力和流量的各相对误差分别对应于叶片角的第一设定值 O1和第二设定值O2，所述值介于0到100％之间，并且这些值中较大的值 被作为用于设定叶片倾角的指令，该指令被传送到压缩机6。设定压力Pref 的值对应于叶片倾角的设定值Oref。此外，由于对于给定的叶片倾角，通 过压缩机的流量随压力而变化，所以对应于设定流量Dret的叶片倾角的设 定值取决于压缩机的入口压力。
叶片设定角的第一值O1随压力而增大，因而成代数关系地随着对所 测得的压力计算出的相对误差而增大。当相对误差为零，即当压力等于设 定压力Pref时，叶片的倾角设定值O1等于Oref，例如等于30％。如果压力 增大，则控制器17增大倾角设定值O1，以便将叶片打开到更大的程度， 从而增大流量，进而降低压力。
然后，测得的压力降低，并且接近设定值Pref，从而相对压力误差减 小。控制器17使倾角设定值的第一值O1减小，因为叶片的打开程度较小， 所以这也使流量降低。因此流量朝设定值Dref下降，同时压力返回设定值 Pref。
作为示例，如果由压力计18测得的储存罐内的气压急剧变得高于设定 值Pref，而由流量计19测得的压缩机入口处的流量与设定值Dref相比上升 较少，这种情况可能发生在储存罐已经被充满后的特定瞬间，则叶片倾角 的两个设定值中最大的第一值O1被选作传送到压缩机6的指令。在这种情 况下，控制器17传送与较大开度对应的叶片枢转指令，以便增大气体流量， 从而逐渐地使储存罐内的压力降低到Pref。
总的来说，所实现的调节可以很快地对相对于设定值的压力增加或者 流量下降进行补偿。
此外，用于将气体供给到压缩机6的管33内的冷却装置28、29使气 体温度可以保持在一正常水平T0，以优化压缩机6的运行。管33的上游 部分内的温度由一传感器24测量，此温度构成了与由控制器25提供给阀 26和27的温度设定值形成比较以进行相应的开/关操作的温度反馈 (temperature return)。当所测得的温度高于设定值时，阀26打开而阀 27关闭，因此气体只沿着第一分支33A通过并穿过冷却装置28、29。
相反，当所测得的温度低于设定值时，阀27打开而阀26关闭，调节 阀32也被控制器25控制成完全关闭，以避免在第一分支33A内产生液体 的滞留。
冷却装置由喷射器28和液滴分离器29构成，其中喷射器28用于喷射 来自至少一个储存罐1的液化气体。根据由传感器30在冷却装置出口进行 的温度测量调节喷射器28，该传感器30将信息传送给用于控制调节阀32 的控制器31。
当然，可以将控制器17、20、23、25和31集合在一中心控制系统中， 所有必需的数据都被传送到该中心控制系统：储存罐1内的压力和管33 内的流量，管9内的压力、总管7内的压力，以及管33和35内的温度， 并且该中心控制系统将指令传送给致动器。