Boil off gas handling on LNG fuelled vessels with high pressure gas injected engines

The aim of this thesis is to design and optimize a heat pump process to handle Boil-Off-Gas from Liquefied Natural Gas (LNG) cryogenic fuel tanks onboard LNG fuelled ships. The process is designed for LNG fuelled ship different from LNG carriers, equipped with LNG fuel tanks at atmospheric pressure and 2- strokes low-speed engines with high pressure direct gas injection. It consists in a Nitrogen transcritical cycle integrated with the fuel supply system, operat- ing entirelybelow ambient temperature. The concept is based on a patent ofthe norwegian company LNG New Technlogies. Two different versions of the heat pump process are simulated with the com- mercial software HYSYS® . Based on the simulation results the process is com- pared to other alternative solutions from the literature. The results prove that the proposed heat pump process can effectively refriger- ate the LNG tank ifthe ship is operating in the normal mode or at reduced main engine load. However at verylow engine loads and especiallywhen the main en- gine is shut down, the system fails to produce the required refrigeration effect. Asimilar performance can be obtained with other examined processes, which on the other hand are less complex. The only solutions to handle Boil-Off-Gas when the main engine is offare the commercial reliquefaction processes for the LNG Carriers market. However these are less efficient and more complex then the other solutions. Finally a preliminary selection ofthe heat pump process equipment is outlined, with focus on the refrigerant compressor. The results indicate that a recipro- cating oil-free machine with cryogenic material specifications should be used. This is considered the most non-conventional and costly unit of the process.

Lo scopo della tesi è progettare e ottimizzare un processo di pompa di calore per gestire la produzione di Boil-Off-Gas da serbatoi criogenici di Gas Naturale Liquefatto (GNL) a bordo di navi alimentate a GNL. Il processo riguarda navi non metaniere, dotate di serbatoio del combustibile GNL a pressione atmosferica e motore propulsivo lento a due tempi a iniezione diretta di gas ad alta pressione. Il processo consiste in un ciclo transcritico a azoto integrato con il sistema di alimentazione del combustibile, che opera interamente al di sotto della temperatura ambiente. L’idea è ispirata a un brevetto dell’azienda norvegese LNG New Technologies. Due differenti versioni del processo sono state simulate con il software commerciale Aspen HYSYS. In base ai risultati il processo è stato confrontato con soluzioni alternative dalla letteratura. I risultati mostrano che il processo di pompa di calore è in grado di raffreddare il serbatoio quando la nave opera in condizioni di crociera, o a carico ridotto. Tuttavia a carichi molto bassi o a motore spento il sistema non è in grado di fornire l’effetto utile richiesto. Prestazioni simili sono ottenibili dagli altri processi esaminati, che in genere sono più semplici. L’unica soluzione per gestire il Boil-Off a motore spento è l’impiego di cicli di reliquefazione commerciali, impiegati sulle metaniere, a prezzo di una minore efficienza e una maggiore complessità impiantistica. Infine viene effettuata una selezione di massima dei componenti di impianto della pompa di calore, con particolare enfasi sul compressore del ciclo. I risultati consigliano l’impiego di un compressore alternativo con specifiche criogeniche per i materiali.