[發明專利]一種雙燃料動力船LNG冷能與主機余熱利用系統及工作方法

在審

• 申請號: 202111428647.0
• 申請日: 2021-11-29
• 公開（公告）號: CN114109660A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 姚壽廣;張子敬;王夢迪;沈曉宇;魏越
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: F02M21/02
• 分類號: F02M21/02;F01K7/02;F01K7/32;F01K25/10;F01K27/02;F25D3/10;F25D23/12
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張俊范

本發明公開了一種雙燃料動力船LNG冷能與主機余熱利用系統，該系統包括縱向兩級并聯朗肯循環和橫向三級嵌套朗肯循環。利用兩級并聯朗肯循環系統替代原有船舶余熱利用的余熱鍋爐利用系統，并在該兩級并聯朗肯循環的基礎上增加了LNG橫向三級嵌套朗肯循環，將360℃渦輪出口高溫煙氣分別用于以海水為冷源的兩級并聯朗肯循環和以LNG為冷源的三級嵌套朗肯循環，實現了LNG冷能與主機余熱的高效利用。并且將第一級有機朗肯循環與低溫冷庫并聯，將第三級跨臨界CO₂朗肯循環與高溫冷庫和空調循環并聯。本發明通過有效整合LNG汽化回路和高溫煙氣冷卻回路，并根據不同時空環境下船舶的需求，在滿足船舶需求的基礎上提高冷能綜合利用率。

技術領域

本發明涉及一種船舶熱能與LNG冷能的利用系統及工作方法，特別是涉及一種雙燃料動力船LNG冷能與主機余熱利用系統及工作方法。

背景技術

LNG用于運輸和儲存的主要優點是LNG的體積比氣態NG少600倍，其密度約為400kg/m3，使得LNG的能量密度明顯高于NG。在運輸和儲存期間，LNG保持在幾乎大氣壓和-162℃的溫度。雙燃料動力船舶航行過程中使用LNG，則需要重新將其汽化為氣態天然氣。每千克的LNG汽化能夠釋放出830kJ的冷能，倘若能夠合理地利用或回收LNG汽化所釋放的這部分冷能，必定能收獲相當可觀的經濟和環境效益。

中國發明專利CN 112539091 A提出了一種雙燃料動力船LNG冷能梯級綜合利用系統，采用橫向三級嵌套的朗肯循環發電將LNG燃料冷能逐級利用發電，并且將第三級跨臨界CO2朗肯循環與蓄冷循環、冷庫+空調循環并聯，從而共同形成實現春、秋、冬季需用的發電+冷庫的冷能利用，實現夏季需用的發電+冷庫+空調的冷能綜合利用，實現春、秋、冬季短時停船停機使用蓄冷系統維持冷庫的正常運轉和實現夏季短時停船停機使用蓄冷系統維持冷庫和空調的正常運轉四種系統的工作方式。但此系統中高溫煙氣為余熱鍋爐出口的165℃的煙氣，即默認渦輪出口的高溫煙氣(360℃)首先應用于余熱鍋爐發電，然后從余熱鍋爐出來的165℃煙氣再為LNG冷能梯級綜合利用系統的第三級循環提供熱源。并且在此系統中所需的高溫煙氣(165℃)僅占余熱鍋爐出口煙氣的一部分，僅認為余熱鍋爐出口煙氣是足夠滿足第三級循環工質汽化需求的，而多余的高溫煙氣未被利用，也造成了能量的浪費。

船舶主機作為船舶的中央動力單元，運行產生的余熱約占整個船舶動力系統消耗能量的50％，其主要包括主機高溫煙氣中的中溫余熱和冷卻介質攜帶的低溫余熱等。在主機余熱利用系統中，現有的研究和應用大多是利用主機排氣進行做功和制熱，通常的技術手段是采用以水為工質的朗肯動力循環。為了提高船舶能量綜合利用率，減少燃料消耗，典型的余熱回收系統來回收主機排煙余熱，其系統回收排煙余熱均釆用動力渦輪+單/雙/三壓余熱鍋爐+汽輪發電機組作為主要設備構建系統，最大可回收相當于主機功率9％～12％的能量。這種余熱利用方法的優點是技術成熟，但系統結構復雜，占地面積較大。另一方面，蒸氣朗肯循環技術在用于回收船舶主機排氣這種中品位余熱時，利用效率受限于主機排氣溫度而非常低，系統結構上的改變并不能大幅提高系統性能，并且更要綜合考慮船舶有限的面積。

從上述現有技術可知，分別針對船舶進行LNG冷能利用和主機余熱的研究已有不少，但還存在一些不足之處，而且LNG冷能與主機余熱綜合利用的研究中僅針對LNG冷能量進行了定量分析，沒有針對主機高溫煙氣熱量進行定量分析。目前大多數集裝箱LNG動力船對于主機余熱利用采用的是余熱鍋爐做功和制熱，能量利用率低；在使用LNG的過程中往往將大量冷能排入海水或缸套水中，造成環境的污染和能量的浪費。

發明內容

針對上述現有技術的缺陷，本發明的一個任務是提供一種雙燃料動力船LNG冷能與主機余熱利用系統，解決以三級循環的LNG冷能利用配合余熱鍋爐對高溫煙氣的熱能利用其熱能能量利用率低，且余熱利用系統結構復雜的問題，提高能量的綜合利用率。本發明的另一任務是提供一種雙燃料動力船LNG冷能與主機余熱利用系統的工作方法。

本發明技術方案如下：一種雙燃料動力船LNG冷能與主機余熱利用系統，包括：