一種LNG動力船的冷能綜合利用系統的製作方法

2023-12-12 11:10:02

本實用新型涉及一種LNG動力船的冷能綜合利用系統，屬於大型船舶LNG燃料冷能和船舶熱源的綜合利用技術。

背景技術：

排放控制區(ECA)內航行的船舶其廢氣排放受到國際海事組織(IMO)公約的嚴格管制，對船舶的燃料提出了更高的要求。LNG作為一種清潔能源，市場價格低，汙染小，因此以LNG為發動機燃料的船舶(LNG動力船)近年來得到快速發展。

LNG動力船燃料的需求量較大，以30萬噸級、85％負荷超大型油船(VLCC)為例，主機LNG進氣量約為3000kg/h，而LNG在壓力1atm、溫度-163℃升至0℃的條件下氣化，釋放出約9.97×105kJ/t的冷量。因此，LNG動力船燃料在送入主機利用前包含著巨大的冷能。

對送入主機的LNG燃料的處理，現LNG動力船上多採用強制氣化的方式，如海水換熱或者其他加熱方法，使液態的LNG氣化並提升至主機進氣要求溫度，不僅造成了冷能的極大浪費，而且還會產生較大的加熱負荷，產生額外的功耗。

此外，LNG動力船上存在較多的冷能需求場所，如海水淡化、船舶冷庫和船舶空調，但多依靠電能製冷，設備成本和運行費用高。若採用LNG燃料冷能替代傳統製冷方式，不僅可以節約大量電能，而且可以一定程度上簡化相關設備，降低設備投入和運營費用。另一方面，LNG動力船上存在較為豐富的熱源，如煙氣餘熱、缸套冷卻水、海水等，結合LNG冷能可實現低溫冷能發電，如朗肯循環發電。因此，LNG動力船燃料冷能存在較大的利用空間，而相關研究尚未見報導。

技術實現要素：

本實用新型提供一種LNG動力船冷能綜合利用系統，將送入主機的LNG燃料冷能梯級利用於朗肯循環發電系統(A區)-船舶空調循環系統(B區)、海水淡化循環系統(C區)、低溫冷庫循環系統(D區)-高溫冷庫循環系統(E區)，並經過缸套水加熱循環系統(F區)將LNG燃料加熱至主機進氣要求溫度，送入主機利用。該系統將LNG冷能和船舶熱源結合利用，提高冷能和冷的綜合利用效率，降低了船舶的營運成本。

為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案如下：

一種LNG動力船冷能綜合利用系統，包括LNG儲罐、高壓泵P1、朗肯循環發電系統(A區)、船舶空調循環系統(B區)、海水淡化循環系統(C區)、低溫冷庫循環系統(D區)、高溫冷庫循環系統(E區)、缸套水加熱循環系統(F區)。

所述朗肯循環發電系統包括：朗肯循環冷媒R170、第一工質泵(A1)、第一流量調節閥(A2)、第一換熱器(A3)、第二換熱器(A4)、膨脹機(A5)、第三換熱器(A6)。

所述船舶空調系統包括：空調循環冷媒R601、第一換熱器(A3)、第二工質泵(B1)、第二流量調節閥(B2)、空調換熱器(B3)。

所述海水淡化系統包括：海水淡化循環冷媒R601a、第三工質泵(C1)、第三流量調節閥(C2)、結晶器(C3)、第四換熱器(C4)。

所述低溫冷庫循環系統包括：低溫庫循環冷媒R600、第四工質泵(D1)、第一分離器(D2)、兩個流量調節閥(D3，D5)、魚庫換熱器(D4)、肉庫換熱器(D6)、第一混合器(D7)、第六換熱器(D8)、第五換熱器(D9)。

所述高溫冷庫循環系統包括：高溫庫循環冷媒R600、第五工質泵(E1)、第二分離器(E2)、兩個流量調節閥(E3，E5)、菜庫換熱器(E4)、水果冷庫換熱器(E6)、第二混合器(E7)、第六換熱器(D8)。

所述缸套水循環系統包括：水泵(F1)、第八流量調節閥(F2)、發動機缸套部分(F3)、第七換熱器(F4)。

所述各循環系統中，各設備依次連接，工質循環流通。

所述朗肯朗肯循環發電系統中，第二換熱器(A4)採用柴油-天然氣雙燃料主機排放煙氣進行加熱。

所述低溫冷庫循環系統冷媒工質通過第六換熱器(D8)對高溫冷庫循環系統提供冷能，省去了高溫冷庫系統的高壓LNG換熱器。

所述LNG燃料送入主機利用前，採用缸套水加熱循環系統加熱至主機進氣要求溫度40℃。

所述第一換熱器(A3)連接了朗肯循環發電系統與船舶空調循環系統，低溫高壓的朗肯循環冷媒R170作為冷源端通過第一換熱器(A3)對船舶空調系統提供冷量。

所述第六換熱器(D8)連接了低溫冷庫循環系統與高溫冷庫循環系統，低溫冷庫循環冷媒R600作為冷源端通過第六換熱器(D8)對高溫冷庫循環系統提供冷量。

所述低溫液態LNG經加高壓泵(P1)加壓後，依次經過第三換熱器(A6)、第四換熱器(C4)、第五換熱器(D9)，分別供冷於朗肯循環系統-船舶空調循環系統、海水淡化循環系統、低溫冷庫循環系統-高溫冷庫循環系統，末級通過第七換熱器(F4)被缸套水加熱循環系統加熱並送入主機利用。

進一步地，朗肯循環發電系統中，低溫冷媒R170經過第一換熱器(A3)被加熱至完全氣體狀態，並保持一定過熱度(2℃)。

進一步地，朗肯循環發電系統中，第二換熱器(A4)熱源為主機排放煙氣。

進一步地，流量調節閥由負反饋控制系統(溫度、流量)控制閥開度。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的一種LNG動力船冷能綜合利用系統的工藝方案示意圖。

附圖中的標記為：P1-高壓泵，A1-第一工質泵，A2-第一流量調節閥，A3-第一換熱器，A4-第二換熱器，A5-膨脹機，A6-第三換熱器，B1-第二工質泵，B2-第二流量調節閥，B3-空調換熱器，C1-第三工質泵，C2-第三流量調節閥，C3-結晶器，C4-第四換熱器，D1-第四工質泵，D2-第一分離器，D3-第四流量調節閥，D4-魚庫換熱器，D5-第五流量調節閥，D6-肉庫換熱器，D7-第一混合器，D8-第六換熱器，D9-第五換熱器，E1-第五工質泵，E2-第二分離器，E3-第六流量調節閥，E4-蔬菜庫換熱器，E5-第七流量調節閥，E6-水果庫換熱器，E7-第二混合器，F1-水泵，F2—第八流量調節閥，F3-發動機缸套，F4-第七換熱器。

具體實施方式

下面結合附圖並以30萬噸級、85％負荷VLCC船為代表船型對本實用新型的具體實施方式進行描述，以便更好地理解本實用新型。

以LNG為發動機燃料的VLCC船，主機LNG進氣量約為3000kg/h。液態LNG(-163℃，0.1MPa)經過高壓泵P1加壓至1.6MPa(對應WARTSILA 2-S DF型發動機進氣要求)，之後依次進入第三換熱器A6、第四換熱器C4、第五換熱器D9，對朗肯循環發電系統-船舶空調循環系統、海水淡化循環系統、低溫冷庫循環系統-高溫冷庫循環系統提供冷量，LNG通過各換熱器後溫度依次升高至-100℃、-54℃、-29℃，之後進入第七換熱器F4，被缸套水循環系統加熱至40℃送入主機加以利用。

所述朗肯循環發電系統中，處於低溫低壓(-91℃，0.085MPa)的冷媒工質R170，經過第一工質泵A1加壓至低溫高壓狀態(-90，3MPa)，通過第一流量調節閥A2進入第一換熱器A3被加熱至完全氣態，並保持一定過熱度(2℃)，此過程將主要冷量傳遞船舶空調循環系統，之後進入第二換熱器A4，加熱至高溫高壓狀態(150℃，3MPa)，然後進入膨脹機A5膨脹做功，冷媒工質處於低壓狀態(0.085MPa)，然後再次進入第三換熱器A6中冷凝為液體狀態，構成朗肯發電循環系統。其中，第二換熱器A4熱源端為主機排放煙氣。

所述船舶空調循環系統中，冷媒R601通過第一換熱器A3被冷卻至1℃，之後被第二工質泵B1加壓至0.3MPa，通過第二流量調節閥B2進入空調換熱器B3供冷，然後再次進入第一換熱器A3重新冷卻，構成船舶空調循環系統。

所述海水淡化循環系統中，冷媒R601a通過第四換熱器C4被冷卻至-45℃，之後被第三工質泵C1加壓至0.3MPa，通過第三流量調節閥C2進入結晶器C3供冷，冷媒溫度升至-20℃，然後再次進入第四換熱器C4換熱，構成海水淡化循環系統。

所述低溫冷庫循環系統中，冷媒R600通過第六換熱器D8被冷卻至-36℃，之後被第四工質泵D1加壓至0.3MPa，進入第一分離器D2分成兩股，一股通過第四流量調節閥D3進入船舶魚庫換熱器D4供冷，另一股通過第五流量調節閥D5進入船舶肉庫換熱器D6供冷，然後兩股冷媒流體通過第一混合器D7混合，混合後的冷媒溫度為-20℃，進入第六換熱器D8作為冷源對高溫冷庫循環系統供冷，之後重新進入第五換熱器D9進行冷卻，構成低溫冷庫循環系統。

所述高溫冷庫循環中，冷媒R600通過第六換熱器D8被冷卻至-10℃，之後被第五工質泵E1加壓至0.3MPa，通過第二分離器E2平均分成兩股，一股通過第六流量調節閥E3進入船舶菜庫換熱器E4供冷，另一股通過第七流量調節閥E5進入船舶水果保鮮庫換熱器E6供冷，然後兩股冷媒流體通過第二混合器E7混合，重新進入換熱器E8進行冷卻，構成高溫冷庫循環系統。

所述缸套水加熱循環系統中，缸套冷卻水(80℃)進入第七換熱器F4中將NG氣體加熱至40℃，之後缸套水被水泵F1加壓至0.3MPa，經過第八流量調節閥F2重新進入發動機缸套F3中進行冷卻，構成缸套水加熱循環系統。

所述朗肯循環發電系統中，膨脹機A5做功形式為帶動發電機發電。

所述主機排煙餘熱達到250～350℃。

所述各循環系統參數中，忽略了管阻損失。

此外，以上描述的具體實施內容為LNG動力船中的典型代表——VLCC船冷能綜合利用系統的優選實施方式，凡是在實用新型的基礎上，依據所述的特徵或原理進行等效變換或者簡單變化，或者採用類似的方式進行替代，均屬於本實用新型的保護範圍。