在可变抽吸条件下将加压气体提供给消耗装置的方法和对应的压缩机装置与流程

本发明涉及一种用于在可变抽吸条件下将来自液化气体源的压缩气体提供给消耗装置的方法和对应的压缩机装置。这对从液化气体源供应燃料气体具有特别的参考意义和有益效果。

本发明具体涉及从液化天然气(lng)的源供应燃料气体，尤其是在远洋油轮中，并且在本文中主要参考本申请进行描述。然而，应当理解，还适用于其他低温液体或液体混合物。

背景技术：

虽然天然气便于以液态储存和运输，但是通常以气态使用，例如用于推进油轮。为此，lng的流可以被汽化并且/或者可以是蒸发损耗的气体，即，可以使用来自容器余量空间的蒸发的lng。此类汽化气体从液化气体源通过主输入管线被供应到用于对汽化气体加压的压缩机。在过去的几十年中，即，已经使用多级压缩机(级数的范围从2级到6级)实现了对lng载运船推进的燃料气体供应，其中通常每一级被集成在包括若干高速轴的一个单一齿轮箱中。例如，4-级压缩机已逐步取代用于dfde(双燃料柴油电动的)4-冲程推进的2-级压缩机，因为4-级压缩机即使在抽吸时产生温热的蒸发气体(bog)的情况下也能够保持所需的燃料气体(fg)压力(6bara)。近来，已经开发出了6-级压缩机以应对针对17bara燃料气体压力水平(xdf)的2-冲程双燃料推进要求。当bog是低温(通常为-90℃)的情况下，2-级压缩机主要用于满载航行。然而，当bog温度受热升高时(尤其是在压载航行期间)，将达到性能限制，并且难以保持所需的燃料气体压力。4-级压缩机可以在低温的(满载)或温热的(压载和横倾行驶)bog条件下使用。因此，不同的bog条件(满载、压载或横倾行驶)和不同的消耗装置(2-冲程或4-冲程双燃料引擎)需要不同的多级压缩机，从而导致笨重且成本高昂的压缩机装置。

通常，在船舶设计期间选择的一种标准方法是提供一台燃料气体(fg)压缩机(带有备用压缩机)，该压缩机的尺寸被设定成在抽吸条件最恶劣的情况下将燃料气体供应给消耗装置。在由fg消耗装置确定的固定排放压力下，抽吸条件(压力、温度和成分)的变化可以导致在所有可能的操作情况下均未得到优化的fg压缩机设计。

压缩机抽吸部处达到的典型温度水平范围是从40℃到-140℃(覆盖横倾行驶到满载操作)，这对燃料气体密度具有很大影响。应对该燃料气体密度范围所需的压缩机设计特征通常导致在低温下压缩机效率较低。这是由于在低温抽吸条件下整个压缩机所需的扬程较低的事实。技术术语“压缩机扬程”基本上对应于加压流体的压力，更具体地，除以流体密度和重力常数的乘积的压力。这对应于消除底部上的所述压力的流体柱的高度。

在lng载运船上达到的典型fg压缩机抽吸压力水平的范围从1.03bara到1.7bara，其影响比抽吸温度范围对压缩机性能的影响更大。在固定的排放压力下，由于高抽吸压力导致所需的压缩机扬程较低，因此在高抽吸压力下性能最差。通常将压缩机抽吸部处的低温条件和高压条件结合在一起。

可以预见的是，压缩机引擎的变频调速可以通过驱动器速度调节来优化压缩机扬程和效率。然而，该解决方案的缺点是对压缩机流量的影响。当所需扬程降低时，并非总有可能保持(fg消耗装置所需的)压缩机质量流量。此外，由于在lng载运船上实现的fg压缩机的大多数是一体式齿轮机器，因此通过降低机器速度，可以达到不适合机器机械完整性的临界速度水平。

bog的典型成分是从纯甲烷到含高达20％moln2的c1/n2混合物。来自罐的bog通常在40/-140℃的范围内。当在液体很少的情况下操作罐(载重横倾)时产生40℃的bog。当bog流量高时，在罐加载之后通常达到-140℃。在镇流器操作中可以达到中间温度水平(-50/-80℃)。压力的范围是从1.03bara到1.7bara。典型的lng载运船的罐操作压力水平的范围是从1.03bara到1.26bara，而带有加强型罐安全壳的船只的操作压力达到1.6bara或稍高。

lp(低压)消耗装置通常需要约6bara和20/40℃的fg。mp(中压)消耗装置通常需要处于15bara和40bara的压力水平和20/40℃的fg。hp(高压)消耗装置通常需要处于100bar以上(高达400bara)的压力和40/20℃的温度范围内的fg。

因此，本发明的目的是提供一种用于将加压气体从液化气体源提供给消耗装置的有效方法，特别是提供使用具有不同温度和/或压力和/或质量流量水平和/或变化的成分的汽化气体和/或向需要不同温度和/或压力水平的加压气体的不同消耗装置供应加压气体，尤其是来自lng源的燃料气体的可能性。

技术实现要素：

根据本发明，提供了一种用于将加压气体从液化气体源供应给消耗装置的方法，其中通过主输入管线将汽化气体从液化气体源供应到用于对汽化气体加压的压缩机装置和根据独立权利要求所述的对应的压缩机装置。在相应的从属权利要求和以下描述中给出了优选的实施方案。

根据本发明，提供了一种用于将加压气体从液化气体源供应给消耗装置的方法，其中通过主输入管线将汽化气体从液化气体源供应到用于对汽化气体加压的压缩机装置，其中该压缩机装置包括多个压缩机模块，每个压缩机模块能够独立于该压缩机装置的任何其他压缩机模块进行操作，并且其中该压缩机装置的压缩机模块中的一个或多个可以被旁通，并且其中根据要提供给消耗装置的气体的压力水平、温度水平、质量流量和成分中的至少一者，将气体引导穿过压缩机模块的仅一部分或所有压缩机模块。

术语“从液化气体源供应汽化气体”主要应当被理解为从容器/液化气体源的余量空间中抽出蒸发的气体，在该余量空间中，所储存的液化气体的阶段从液态变为气态。然而，还可能抽出液化气体的流量并且汽化该液化气体，以便将此类汽化气体供应到压缩机装置。

术语“压缩机模块”应当被理解为一种压缩机橇，包括安装在一个或多个机械轴上的一个或多个压缩机级。本发明可以应用于不同类型的压缩机技术，包括整体齿轮式离心压缩机、活塞或螺杆压缩机或磁性轴承型压缩机。可以设想为每个或所有离心压缩机级配备可变扩散器叶片(vdv)，以应对每个压缩机级进口处的抽吸条件范围。级间或后冷却器可以在压缩机模块内部或压缩机模块外部实现。若干可独立操作的模块可以串联和/或并联安装。使压缩机装置的压缩机模块中的一个或多个旁通的可能性允许根据抽吸条件达到所需的气压水平的灵活操作。同时，可能停用当前不需要的压缩机模块。此外，根据本发明的压缩机装置允许备用压缩机模块。

根据本发明提出的方法是提供一种具有有限占有面积的模块化压缩机组原理。在抽吸条件的整个范围内保持压缩机的效率。通过根据提供给消耗装置的气体的所需的负载(质量流量)、压力水平扬程和/或温度来选择投入操作的压缩机模块的数量，可以实现(燃料)气体压缩机效率的优化。

在优选的实施方案中，压缩机模块的至少一部分串联连接，并且旁通的压缩机模块中的一个或多个被停用。例如，两个2-级压缩机模块串联连接。第二(或第一)压缩机模块可以经由旁通管线来旁通。利用此类压缩机组模块化，当仅需要两级时不必运行4-级压缩机，因为在这种情况下第二(或第一)压缩机模块可以被旁通。例如，两级的第一压缩机模块只能在低温抽吸条件下操作，而附加的第二压缩机模块可以在温热抽吸条件下启动，以保持所需的燃料气体压力。就压缩机装置的功率消耗而言，这是一种改进。

在另一个优选的实施方案中，压缩机模块的至少一部分并联布置。应当指出的是，该实施方案包括并联组的压缩机模块的可能性，每一组包括一个或多个串联连接的压缩机模块。在此类并联布置中，使一个或多个压缩机模块旁通的简单方法是例如借助于关断阀来关断一组压缩机模成块。

在高负载要求的情况下，操作并联组的压缩机模块是特别有利的。旁通或关断所述并联组中的一个或多个允许应对不同的负载水平。

为了提高操作并联布置的压缩机模块的灵活性，可以经由跨接管线连接并联组的特定压缩机模块，以便允许此类串联连接的压缩机模块的操作。为此，并联(以并联组)布置的第一压缩机模块和第二压缩机模块经由跨接管线连接，该跨接管线可以被关断并且将第一压缩机模块的出口与第二压缩机模块的入口连接。当跨接管线处于打开状态(打开关断阀)时，气体可以被引导穿过第一压缩机模块和第二压缩机模块，然后串联操作该第一压缩机模块和该第二压缩机模块。该实施方案允许通过经由具有关断阀的跨接管线将特定的压缩机模块串联互连，操作并联组的串联连接的一个或多个压缩机模块的特定压缩机模块。

本发明的优选应用是将来自lng源的燃料气体供应到不同压力水平的消耗装置。优选地，来自液化气体源的蒸发气体(bog)用作被供应到压缩机装置的汽化气体。

优选地，通过在使一个或多个压缩机模块旁通的旁通管线中将气体引导穿过第一冷却单元来冷却加压气体。例如，如果第一压缩机模块仅在低温抽吸条件下操作，则离开第一压缩机模块的加压气体可以通过第一冷却单元被进一步冷却，该第一冷却单元被布置在使第二压缩机模块旁通的旁通管线中。

附加地或另选地，通过将气体引导穿过布置在特定压缩机模块入口处的第二冷却单元和/或通过将气体引导穿过布置在该压缩机模块或另一个压缩机模块的出口处的第三冷却单元来冷却加压气体。当使用两个(或更多个)串联的压缩机模块时，该选项是特别优选的，以便能够分别在随后的压缩机模块的入口处和出口处预冷却或后冷却气体。

在另一个优选的实施方案中，压缩机模块的加压气体的至少一部分经由防喘振管线返回到压缩机模块的入口。此类防喘振管线在现有技术中是已知的，并且操作为使得在压缩机模块的入口处总是输入给定的最小体积的气体。此类防喘振管线可以是压缩机模块的一部分。然而，在优选的实施方案中，在将气体返回到压缩机模块的入口之前，气体在压缩机模块的出口处被第四冷却单元冷却。在这种情况下，防喘振管线在第四冷却单元的出口处分支出来，并且将冷却后的气体引导回压缩机模块的入口。第四冷却单元可以被设置在压缩机模块的出口处。另一方面，还可能使第四冷却单元作为压缩机模块的一部分。假设具有所述防喘振管线的压缩机模块被旁通管线旁通，则存在两种旁通方案。旁通的气体可以在第四冷却单元的下游和防喘振管线的分支点处被进料到通向消耗装置的集管中。然而，还可能在第四冷却单元的上游将旁通的气体进料，使得第四冷却单元作为旁通的气体的后冷却器操作。此类布置允许在使对应的压缩机模块旁通时以及在实际使用对应的压缩机模块时，使第四冷却单元作为后冷却器操作。

根据第二方面，本发明涉及一种压缩机装置，该压缩机装置用于将来自液化气体源的加压气体提供给消耗装置。

根据本发明第二方面的压缩机装置包括多个压缩机模块，每个压缩机模块能够独立于压缩机装置的任何其他压缩机模块进行操作，其中压缩机装置的压缩机模块被布置成使得压缩机装置的一个或多个压缩机模块可以被旁通，使得气体经由消耗装置管线被引导穿过压缩机模块的仅一部分或所有压缩机模块而到消耗装置。

根据优选的实施方案，压缩机装置包括通过互连管线串联连接的至少两个压缩机模块，其中旁通管线在压缩机模块中的一个的入口的上游分支出来，并且在该压缩机模块或另一个压缩机模块的出口的下游重新连接，该旁通管线具有要根据要提供给消耗装置的气体的压力水平、温度水平、质量流量和成分中的至少一者来操作的关断设备。

在另一个优选的实施方案中，压缩机装置包括至少两个并联压缩机模块组，每一组能够被连接至主输入管线，每一组包括一个或多个压缩机模块，其中至少两个并联组中的一者的一个压缩机模块的出口经由跨接管线与至少两个并联组中的另一组的另一个压缩机模块的入口连接，该跨接管线具有要根据要提供给消耗装置的气体的压力水平、温度水平、质量流量和成分中的至少一者来操作的关断设备。

优选地，旁通管线在第四冷却单元的上游重新连接至消耗管线。

在另一个优选的实施方案中，压缩机模块包括防喘振管线的至少一部分，该防喘振管线用于将压缩机模块的加压气体的至少一部分返回到该压缩机模块的入口；冷却单元，该冷却单元被布置在压缩机模块的出口处，并且防喘振管线的入口位于冷却单元的下游，使得防喘振管线的入口部分位于压缩机模块的外部。

关于压缩机装置及其实施方案的优点的进一步说明，明确参考与上述根据本发明的方法有关的陈述。

在下面的描述和附图中公开了本发明的其他优点和优选实施方案。

所属领域的技术人员应当理解，前述特征和以下特征不仅在如所讨论的或附图中所示的详细组合中公开，而且在不超出本发明的范围的情况下，可以使用特征的其他组合。

现在将参考示出优选的实施方案的附图进一步描述本发明。

附图说明

图1a示意性地示出了用于实现根据本发明的方法的压缩机装置的第一实施方案

图1b示意性地示出了用于实现根据本发明的方法的压缩机装置的第二实施方案

图1c示意性地示出了用于实现根据本发明的方法的压缩机装置的第三实施方案

图1d示意性地示出了用于实现根据本发明的方法的压缩机装置的第四实施方案

图1e示意性地示出了用于实现根据本发明的方法的压缩机装置的第五实施方案

图2a示意性地示出了用于实现根据本发明的方法的压缩机装置的第六实施方案

图2b示意性地示出了用于实现根据本发明的方法的压缩机装置的第七实施方案

图3示意性地示出了用于实现根据本发明的方法的压缩机装置的第八实施方案。

具体实施方式

在下文中，将全面讨论根据附图的不同实施方案，相同的附图标记指示相同或基本上相同的单元。应当理解，所属领域的技术人员可以将附图中所示的实施方案的某些部件，如一个或多个压缩机模块、阀、冷却单元、某些管线等与所附权利要求中限定的本发明的特征组合，而不必包括所述附图中所示的该实施方案的该某些部件之外的部件或甚至所有其他部件。换句话讲，以下附图示出了本发明的不同的优选方面，这些不同的优选方面可以与其他实施方案组合。附图中所示的实施方案均涉及从lng源供应燃料气体的应用，但是应当理解，所属领域的技术人员可以容易地将实施方案转移到涉及其他低温气体或气体混合物的应用中。

图1a示意性地示出了压缩机装置300，该压缩机装置用于将来自罐1或液化气体源的压缩气体提供给消耗装置8，其中通过主输入管线2将汽化气体，在这种情况下为bog，从罐1供应到压缩机装置300。在该实施方案中，压缩机装置300包括两个压缩机模块3和5，两者均为2-级压缩机。压缩机模块3、5中的每一个包括所有设备、阀和仪器作为独立的压缩机系统。压缩机模块3能够独立于压缩机模块5运行，反之亦然。代替2-级压缩机3、5，可以使用任何其他多级或单级压缩机。此外，应当指出的是，还可以串联连接两个以上的压缩机模块，在这种情况下，可以将一个、两个或更多个压缩机模块旁通。在本发明的实施方案中，旁通管线6使第二压缩机模块5旁通。旁通管线6从连接两个压缩机模块3和5的互连管线4分支出来，并且终止于集管7，即，用于将燃料气体供应到消耗装置8的消耗装置管线。

当整个燃料气体系统的工艺条件需要低压缩机扬程，通常为低温(-120/-60℃)和相对较高的压力(1.2/1.5bar)时，优选地仅运行压缩机模块3并且使压缩机模块5旁通，然后优选地将其停用。燃料气体在被压缩机模块3加压后，通过旁通管线6和集管7被输送到消耗装置8。当整个燃料气体系统的工艺条件需要高压缩机扬程，通常为高抽吸温度(-60/40℃)和相对较低的抽吸压力(＜1.1bar)时，模块3和5两者可以同时操作，使得燃料气体被压缩机模块3和5两者加压，然后被引导穿过集管7到消耗装置8。

当燃料气体系统所需的压缩机扬程超过模块3的能力时，将提供模块5的自动排列。这可以通过结合模块5的启动、旁通管线6的闭合(即，模块旁通控制阀)和压缩机提负载的顺序控制来实现。

图1b示出了用于与图1a中的目的相同目的的压缩机装置300的另一个实施方案。该布置实质上对应于图1a的布置，因此在下文中仅讨论不同之处。旁通管线6包括冷却单元10(第一冷却单元)，该冷却单元用于冷却被压缩机模块3加压的气体并且使压缩机模块5旁通。然后将加压且冷却的旁通燃料气体通过集管7输送到消耗装置8。当使用压缩机模块3和5两者时，加压气体由另一个冷却单元20(第三冷却单元)冷却。然后，冷却的加压燃料气体经由集管7被输送到消耗装置8。可选地，可以在互连管线4中的第二压缩机模块5的入口处布置另一个冷却单元(第二冷却单元，未示出)。如果第二冷却单元(未示出)被布置在旁通管线6的分支点的下游，则仅进入第二压缩机模块5的气体被冷却。然而，如果第二冷却单元(未示出)被布置在旁通管线6的分支点的上游，则既可以冷却进入旁通管线6的气体，也可以冷却进入第二压缩机模块5的气体。在后一种情况下，可以省去旁通管线6中的气体冷却器10。

图1c示意性地示出了类似于图1b的压缩机装置的压缩机装置的另一个实施方案，主要区别在于压缩机模块5的防喘振管线9未完全集成到模块5中。如所属领域的技术人员已知的，压缩机可以具有防喘振管线，该防喘振管线具有流量调节阀，使得总是有给定体积的气体进入压缩机。在图1c中，压缩机模块5的防喘振管线9从冷却单元30(第四冷却单元，与图1b的第三冷却单元20相同)下游的集管7分支出来，使得离开第二压缩机模块5的冷却的压缩气体被返回到压缩机模块5的入口。这导致模块5的压缩机容量的更经济的利用。

图1d示出了基本上基于图1c的实施方案的另一个实施方案。然而，在该实施方案中，旁通管线6在第四冷却单元30上游的集管7中终止。通过该布置，在旁通管线6中不需要冷却单元10，因为旁通第二压缩机模块5的气体被输送到冷却单元30并且因此可以在到达消耗装置8之前被冷却。另一方面，通过压缩机模块3和5两者输送的气体也可以在到达消耗装置8之前由冷却单元30冷却。关于防喘振管线9，适用与结合图1c所作的陈述相同的陈述。

图1e示意性地示出了压缩机装置300的另一个实施方案，该压缩机装置包括两个并联压缩机模块组，其中一组的压缩机模块串联，而一组中的压缩机模块与并联组中的压缩机模块并联布置。在该实施方案中，第一组包括两个串联连接的压缩机模块32和52，第二并联组还包括串联连接的两个压缩机模块31和51。在该实施方案中，压缩机模块31、32、51、52中的每一个是2-级压缩机。还可以使用其他一级或多级压缩机模块。一般来讲，两组中的一组可以被操作，而另一组则作为备用。然而，利用本发明的压缩机装置的模块化方法，在一个组的第一压缩机模块向另一组的第二压缩机模块进料的情况下，操作成为可能。这通过配备有隔离或关断设备诸如手动阀42的跨接管线41来实现。利用此类布置，可能将来自压缩机模块32的压缩气体引导穿过跨接管线41到第二组的压缩机模块51，并且可以将来自压缩机模块51的压缩气体供应到消耗装置8。此类操作使压缩机模块31和52旁通，然后这些压缩机模块可以被停用。另选地，来自压缩机模块31的加压气体可以通过跨接管线41被输送到压缩机模块52，然后被供应到消耗装置8。在这种情况下，旁通的压缩机32和51可以被停用。

应当指出的是，利用图1e所示的布置，还可能将加压气体递送到消耗装置8，该气体仅由压缩机模块31或32中的一个加压。这分别通过旁通管线6和61成为可能。例如，如果阀42被闭合，则来自压缩机模块31的压缩气体可以被输送穿过旁通管线61到集管7。以相同的方式，如果阀42被闭合，则来自压缩机模块32的气体可以被引导穿过旁通管线6到集管7。

图1e所示的布置根据消耗装置的需求提供非常灵活的操作。还可能同时操作两个组，以增加至消耗装置8的质量流量。这是通过闭合旁通管线61和6以及跨接管线41来实现的。

图2a示出了压缩机装置300的又一个实施方案，该压缩机装置包括两个并联组，每一组仅包括一个压缩机模块，即，两个压缩机模块33和53被并联布置。并联压缩机模块通常用于向燃料气体消耗装置进料低温且相当高压力的bog，其中一个压缩机模块正在操作，另一个压缩机模块处于备用状态。然而，在某些bog条件下，一个单一压缩机模块可能难以保持所需的燃料气体压力。为了克服该缺点，图2a的实施方案提供了一种具有阀101的跨接管线100，跨接管线100将压缩机模块33的出口与压缩机模块53的入口连接，使得两个并联的压缩机模块33和53可以借助于处于打开状态的跨接管线100串联操作。因此，在一个单一压缩机模块不能保持所需的燃料气体压力的情况下，可以通过打开跨接管线100中的阀101来串联连接压缩机模块33和53两者，以便增加用于燃料气体压缩的级数。

即使根据本发明的模块化方法可以应用于不同类型的压缩机，配备有vdv(可变扩散器叶片)和vfd(变频调速)的磁性轴承压缩机也将提供灵活性最佳且最有效的解决方案，因为整个机器速度范围是可用的(与整体齿轮式机器相反)。它允许每个压缩机级的操作点的效率优化。借助于vfd和vdv，下游压缩机模块可以适应新的抽吸条件，这些新的抽吸条件相当于第一压缩机模块的排放(通常为中压水平，40℃)，用于以所需压力向消耗装置8提供燃料气体。

图2b示出了基本上基于图2a的实施方案的另一个实施方案。在该实施方案中，三个相同的压缩机模块34、54、74并联布置，每个压缩机模块由主输入管线2从罐1进料。每个压缩机模块可以与其他两个压缩机模块中的任何一个串联互连。这通过安装将所有模块排放侧连接至所有模块抽吸侧的集管200来实现。需要附加的阀来将三个模块中的两个模块串联连接在一起。剩余的模块可以被视为备用并且停用。在图2b所示的布置中，压缩机模块34、54或74中的任何一个都可以单独操作，并且将压缩气体进料到消耗装置8。在这种情况下，没有气体通过集管200输送。此外，三个模块中的两个模块可以串联操作。最后，所有压缩机模块34、54和74可以串联操作，以便实现要供应给消耗装置8的较高的燃料气体压力。另一方面，可以通过并联操作模块34、54和74中的两个或三个来满足高质量流量或负载要求。

图3示出了包括两个并联组的压缩机装置300的另一个实施方案，第一组为压缩机组50，该压缩机组包括并联布置的三个压缩机模块51、52、53，第二组包括一个单一压缩机模块55。此类布置在lng载运船加载操作中特别有用，在这种情况下，lng从出口终端400被输送至载运船储罐1。由于罐冷却和罐内活塞效应，罐填充物会产生大量的bog，这些bog通常被输送回终端400。这通过具有高体积流量和低扬程能力的高负荷压缩机55来实现。借助于专用的蒸气集管71和加载臂，压缩机抽吸部被连接至罐1，而压缩机排放部被连接至岸。由于备用要求，安装了两个高负荷压缩机。不需要加载压缩机组50的压缩机51、52和53，因此可以将它们的组合容量视为高负荷压缩机55的备用。燃料气体压缩机51、52和53可以全部并联运行，并且它们的排放流量可以经由阀84被引导至蒸气集管71，并且通过闭合阀83来与燃料气体集管7隔离。由于燃料气体压缩机的特性，需要阀84来保持最小的燃料气体压缩机背压。阀81和82被设置成操作高负荷压缩机55。

附图标记列表

1罐，液化气体源

2主输入管线

3(第一)压缩机模块

4互连管线

5(第二)压缩机模块

6旁通管线

7集管，消耗装置管线

8消耗装置

9防喘振管线

10第一冷却单元

20第三冷却单元

30第四冷却单元

31、32、33压缩机模块

51、52、53压缩机模块

34、54、74压缩机模块

41跨接管线

42阀

50压缩机组

51、52、53压缩机模块

55压缩机模块

61旁通管线

71蒸气集管

72加载集管

81、82、83、84阀

100跨接管线

101阀

200集管

300压缩机装置

400终端