专利名称：适用于船舶的lng冷能多级回收利用系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及能量的转换利用领域，特别涉及一种适用于船舶的LNG(液化天然气) 冷能多级回收利用系统及其使用方法。该系统依据LNG的汽化特性曲线对LNG冷能采用多级回收综合利用的方式，提高了 LNG冷能的回收率。
背景技术：
随着国家对减少碳排放和提高节能效率的要求日益提高，我国的能源消费结构将更加倚重天然气。未来天然气的供应中，来自海外的LNG比重占较大份额。无论是从海外进口的LNG，还是我国制取的LNG，在汽化时要放出大量的冷能，一般为830-860kJ/kg。世界各国都在努力探索提高LNG冷能利用率的途径和方法，其中发电和供冷是主要途径。目前， 利用LNG冷能发电的方法主要有直接膨胀循环、郎肯循环或二者的复合循环等。由于LNG 冷能释放温度跨度大，换热温差悬殊，造成冷火用损失大，LNG冷能利用效率难于提高，一般 LNG冷能利用率只有30 %左右。发明内容
本发明的目的是提供一种适用于船舶的LNG冷能多级回收利用系统。该系统依据 LNG的汽化特性曲线对LNG冷能采用多级回收综合利用的方式，提高了船舶上LNG冷能的回收率。
本发明的另一目的是提供一种所述适用于船舶的LNG冷能多级回收利用系统的使用方法。
所述的适用于船舶的LNG冷能多级回收利用系统包括
I)、由LNG储罐、加压泵、第一冷凝器、第二冷凝器、第一换热器、第二换热器和第三膨胀透平机构成的LNG汽化升温膨胀主回路，该主回路与船舶上的燃气发动机连接；
2)、由第一冷凝器、第一压缩机、第一蒸发器、第一膨胀透平机和第一发电机构成的第一级郎肯循环发电单元；
3)、由第二冷凝器、第二压缩机、第二蒸发器、第二膨胀透平机和第二发电机构成的第二级郎肯循环发电单元；
4)、由第一换热器构成的低温供冷单元；
5)、由第二换热器、循环泵和热水器构成的LNG加热低温供热单元；
6)、由第三膨胀透平机和第三发电机构成的膨胀发电单元。
在所述LNG汽化升温膨胀主回路中，LNG储罐通过管路依次与加压泵、第一冷凝器、第二冷凝器、第一换热器、第二换热器和第三膨胀透平机连接，该主回路为船舶上的燃气发动机提供动力燃气。
在所述第一级郎肯循环发电单元中，第一冷凝器通过管路依次与第一压缩机、第一蒸发器和第一膨胀透平机连接并回到第一冷凝器构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质I，第一膨胀透平机通过机械轴与第一发电机连接，第一蒸发器通过另一管路与船舶上的冷库连接。
在所述第二级郎肯循环发电单元中，第二冷凝器通过管路依次与第二压缩机、第二蒸发器和第二膨胀透平机连接并回到第二冷凝器构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质II，第二膨胀透平机通过机械轴与第二发电机连接，第二蒸发器通过另一管路与船舶上的冷库连接。
在所述低温供冷单元中，第一换热器通过另一管路与船舶上的空调连接。
在所述LNG加热低温供热单元中，第二换热器通过管路依次与循环泵和热水器连接并回到第二换热器构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有工质水，热水器通过另一管路与船舶上的低温供热管路连接。
在所述膨胀发电单元中，第三膨胀透平机通过机械轴与第三发电机连接。
优选地，所述冷媒工质I包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。
优选地，所述冷媒工质II包括包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟 乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。
优选地，所述的热水器是燃气热水器、太阳能热水器或余热热水器。
所述的LNG冷能多级回收综合利用系统的使用方法如下
在所述LNG汽化升温膨胀主回路中，LNG储罐输出的LNG经加压泵加压后送至第一冷凝器，在第一冷凝器中LNG吸收冷媒工质I的热量汽化为天然气的饱和蒸汽，该饱和蒸汽在第二冷凝器中吸收冷媒工质II的热量后进入第一换热器，在第一换热器中天然气吸收热量后继续升温，升温后的天然气进入第二换热器，在第二换热器中天然气吸收工质水的热量再次升温，再次升温后的天然气进入第三膨胀透平机膨胀做功，天然气膨胀做功降温后进入船舶上的燃气发动机；
在所述第一级郎肯循环发电单元中，冷媒工质I在第一冷凝器中冷凝为低压液态，然后经第一压缩机加压为高压液态后进入第一蒸发器，在第一蒸发器中冷媒工质I吸收所述低温供冷管路的热量蒸发为高压气态，该高压气态的冷媒工质I进入第一膨胀透平机，在第一膨胀透平机中膨胀做功后降压为低压气态的冷媒工质I，该低压气态的冷媒工质 I进入第一冷凝器再次冷凝为低压液态继续下一次循环，冷媒工质I在第一膨胀透平机中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动第一发电机发电；
在所述第二级郎肯循环发电单元中，冷媒工质II在第二冷凝器中冷凝为低压液态，然后经第二压缩机加压为高压液态后进入第二蒸发器，在第二蒸发器中冷媒工质II吸收所述低温供冷管路的热量蒸发为高压气态，该高压气态的冷媒工质II进入第二膨胀透平机，在第二膨胀透平机中膨胀做功后降压为低压气态的冷媒工质II，该低压气态的冷媒工质II进入第二冷凝器再次冷凝为低压液态继续下一次循环，冷媒工质II在第二膨胀透平机中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动第二发电机发电；
在所述低温供冷单元中，第一换热器通过另一管路给船舶上的空调供冷；
在所述LNG加热低温供热单元中，工质水在第二换热器中向LNG汽化升温膨胀主回路中的天然气释放热量，然后经循环泵驱动进入热水器，工质水被热水器加热后再次进入第二换热器继续下一次循环，热水器的余热通过低温供热管路输出，用于加热船舶上的生活用水；
在所述膨胀发电单元中，天然气在第三膨胀透平机中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动第三发电机发电。
本发明具有如下有益效果
本发明依据LNG汽化曲线的分段特性，构建了两级郎肯循环和一级膨胀循环发电单元，并为提高LNG冷能利用率设置了低温供冷单元和低温供热单元，实现了船舶上的LNG 冷能多级回收综合利用。理论计算表明，在SMPa的工作压力下，所述系统的LNG冷能的综合利用率可达38%以上，如降低工作压力，LNG冷能的综合利用率还可进一步提高。
图I为本发明实施例I的适用于船舶的LNG冷能多级回收利用系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。
实施例I
如图I所示，本发明提供的适用于船舶的LNG冷能多级回收利用系统包括
I)、由LNG储罐I、加压泵2、第一冷凝器3、第二冷凝器8、第一换热器13、第二换热器14和第三膨胀透平机17构成的LNG汽化升温膨胀主回路，该主回路与船舶上的燃气发动机连接；
2)、由第一冷凝器3、第一压缩机4、第一蒸发器5、第一膨胀透平机6和第一发电机 7构成的第一级郎肯循环发电单元；
3)、由第二冷凝器8、第二压缩机9、第二蒸发器10、第二膨胀透平机11和第二发电机12构成的第二级郎肯循环发电单元；
4)、由第一换热器13构成的低温供冷单元；
5)、由第二换热器14、循环泵16和热水器15构成的LNG加热低温供热单元；
6)、由第三膨胀透平机17和第三发电机18构成的膨胀发电单元；
在所述系统中，各单兀的连接关系如下
在所述LNG汽化升温膨胀主回路中，LNG储罐I通过管路依次与加压泵2、第一冷凝器3、第二冷凝器8、第一换热器13、第二换热器14和第三膨胀透平机17连接，该主回路为船舶上的燃气发动机提供动力燃气；
在所述第一级郎肯循环发电单元中，第一冷凝器3通过管路依次与第一压缩机4、 第一蒸发器5和第一膨胀透平机6连接并回到第一冷凝器3构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质I，第一膨胀透平机6通过机械轴与第一发电机7连接，第一蒸发器 5通过另一管路与船舶上的冷库连接；
在所述第二级郎肯循环发电单元中，第二冷凝器8通过管路依次与第二压缩机9、 第二蒸发器10和第二膨胀透平机11连接并回到第二冷凝器8构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质II，第二膨胀透平机11通过机械轴与第二发电机12连接，第二蒸发器10通过另一管路与船舶上的冷库连接；
在所述低温供冷单元中，第一换热器13通过另一管路与船舶上的空调连接；CN 102937039 A书明说4/4页
在所述LNG加热低温供热单元中，第二换热器14通过管路依次与循环泵16和热水器15连接并回到第二换热器14构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有工质水，热水器15通过另一管路与船舶上的低温供热管路连接；
在所述膨胀发电单元中，第三膨胀透平机17通过机械轴与第三发电机18连接。
在所述LNG加热低温供热单元中，热水器15为燃气热水器。
由于LNG的组分及其含量存在差异，随着LNG汽化过程中的工作压力的不同而LNG 汽化曲线的分段特性也不同，因此所述冷媒工质I和所述冷媒工质II需要根据实际情况来选用和调配。
实施例2
如图I所示，本发明的LNG冷能多级回收综合利用系统的使用方法如下
在所述LNG汽化升温膨胀主回路中，LNG储罐I输出的LNG经加压泵2加压后送至第一冷凝器3，在第一冷凝器3中LNG吸收冷媒工质I的热量汽化为天然气的饱和蒸汽， 该饱和蒸汽在第二冷凝器8中吸收冷媒工质II的热量后进入第一换热器13，在第一换热器 13中天然气吸收热量后继续升温，升温后的天然气进入第二换热器14，在第二换热器14中天然气吸收工质水的热量再次升温，再次升温后的天然气进入第三膨胀透平机17 膨胀做功，天然气膨胀做功降温后进入船舶上的燃气发动机；
在所述第一级郎肯循环发电单元中，冷媒工质I在第一冷凝器3中冷凝为低压液态，然后经第一压缩机4加压为高压液态后进入第一蒸发器5，在第一蒸发器5中冷媒工质 I吸收所述低温供冷管路的热量蒸发为高压气态，该高压气态的冷媒工质I进入第一膨胀透平机6，在第一膨胀透平机6中膨胀做功后降压为低压气态的冷媒工质I，该低压气态的冷媒工质I进入第一冷凝器3再次冷凝为低压液态继续下一次循环，冷媒工质I在第一膨胀透平机6中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动第一发电机7发电；
在所述第二级郎肯循环发电单元中，冷媒工质II在第二冷凝器8中冷凝为低压液态，然后经第二压缩机9加压为高压液态后进入第二蒸发器10，在第二蒸发器10中冷媒工质II吸收所述低温供冷管路的热量蒸发为高压气态，该高压气态的冷媒工质II进入第二膨胀透平机11，在第二膨胀透平机11中膨胀做功后降压为低压气态的冷媒工质II，该低压气态的冷媒工质II进入第二冷凝器8再次冷凝为低压液态继续下一次循环，冷媒工质II 在第二膨胀透平机11中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动第二发电机12发电；
在所述低温供冷单元中，第一换热器13通过另一管路给船舶上的空调供冷；
在所述LNG加热低温供热单元中，工质水在第二换热器14中向LNG汽化升温膨胀主回路中的天然气释放热量，然后经循环泵16驱动进入热水器15，工质水被热水器15加热后再次进入第二换热器14继续下一次循环，热水器15的余热通过低温供热管路输出，用于加热船舶上的生活用水；
在所述膨胀发电单元中，天然气在第三膨胀透平机17中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动第三发电机18发电。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。权利要求
1.适用于船舶的LNG冷能多级回收利用系统，其特征在于，该系统包括 1)、由LNG储罐(I)、加压泵(2)、第一冷凝器(3)、第二冷凝器(8)、第一换热器(13)、第二换热器(14)和第三膨胀透平机(17)构成的LNG汽化升温膨胀主回路，该主回路与船舶上的燃气发动机连接； 2)、由第一冷凝器(3)、第一压缩机(4)、第一蒸发器(5)、第一膨胀透平机(6)和第一发电机(7)构成的第一级郎肯循环发电单元； 3)、由第二冷凝器(8)、第二压缩机(9)、第二蒸发器(10)、第二膨胀透平机(11)和第二发电机(12)构成的第二级郎肯循环发电单元； 4)、由第一换热器(13)构成的低温供冷单元； 5)、由第二换热器(14)、循环泵(16)和热水器(15)构成的LNG加热低温供热单元； 6)、由第三膨胀透平机(17)和第三发电机(18)构成的膨胀发电单元； 在所述LNG汽化升温膨胀主回路中，LNG储罐(I)通过管路依次与加压泵(2)、第一冷凝器(3)、第二冷凝器(8)、第一换热器(13)、第二换热器(14)和第三膨胀透平机(17)连接，该主回路为船舶上的燃气发动机提供动力燃气； 在所述第一级郎肯循环发电单元中，第一冷凝器(3)通过管路依次与第一压缩机(4)、第一蒸发器(5)和第一膨胀透平机(6)连接并回到第一冷凝器(3)构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质I，第一膨胀透平机(6)通过机械轴与第一发电机(7)连接，第一蒸发器(5)通过另一管路与船舶上的冷库连接； 在所述第二级郎肯循环发电单元中，第二冷凝器(8)通过管路依次与第二压缩机(9)、第二蒸发器(10)和第二膨胀透平机(11)连接并回到第二冷凝器(8)构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有冷媒工质II，第二膨胀透平机(11)通过机械轴与第二发电机(12)连接，第二蒸发器(10)通过另一管路与船舶上的冷库连接； 在所述低温供冷单元中，第一换热器(13)通过另一管路与船舶上的空调连接； 在所述LNG加热低温供热单元中，第二换热器(14)通过管路依次与循环泵(16)和热水器(15)连接并回到第二换热器(14)构成封闭的循环回路，在该循环回路中充有工质水，热水器(15)通过另一管路与船舶上的低温供热管路连接； 在所述膨胀发电单元中，第三膨胀透平机(17)通过机械轴与第三发电机(18)连接。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述冷媒工质I包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述冷媒工质II包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、二氟甲烷、三氟甲烷、二氟乙烷、三氟乙烷、四氟乙烷和五氟乙烷中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述的热水器(15)是燃气热水器、太阳能热水器或余热热水器。
5.如权利要求I所述的适用于船舶的LNG冷能多级回收利用系统的使用方法，其特征在于， 在所述LNG汽化升温膨胀主回路中，LNG储罐(I)输出的LNG经加压泵(2)加压后送至第一冷凝器(3)，在第一冷凝器(3)中LNG吸收冷媒工质I的热量汽化为天然气的饱和蒸汽，该饱和蒸汽在第二冷凝器(8)中吸收冷媒工质II的热量后进入第一换热器(13)，在第一换热器(13)中天然气吸收热量后继续升温，升温后的天然气进入第二换热器(14)，在第二换热器(14)中天然气吸收工质水的热量再次升温，再次升温后的天然气进入第三膨胀透平机(17)膨胀做功，天然气膨胀做功降温后进入船舶上的燃气发动机； 在所述第一级郎肯循环发电单元中，冷媒工质I在第一冷凝器(3)中冷凝为低压液态，然后经第一压缩机(4)加压为高压液态后进入第一蒸发器(5)，在第一蒸发器(5)中冷媒工质I吸收所述低温供冷管路的热量蒸发为高压气态，该高压气态的冷媒工质I进入第一膨胀透平机￠)，在第一膨胀透平机￠)中膨胀做功后降压为低压气态的冷媒工质I，该低压气态的冷媒工质I进入第一冷凝器(3)再次冷凝为低压液态继续下一次循环，冷媒工质I在第一膨胀透平机￠)中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动第一发电机(7)发电；在所述第二级郎肯循环发电单元中，冷媒工质II在第二冷凝器(8)中冷凝为低压液态，然后经第二压缩机(9)加压为高压液态后进入第二蒸发器(10)，在第二蒸发器(10)中冷媒工质II吸收所述低温供冷管路的热量蒸发为高压气态，该高压气态的冷媒工质II进入第二膨胀透平机(11)，在第二膨胀透平机(11)中膨胀做功后降压为低压气态的冷媒工质II，该低压气态的冷媒工质II进入第二冷凝器(8)再次冷凝为低压液态继续下一次循环，冷媒工质II在第二膨胀透平机(11)中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动第二发电机(12)发电； 在所述低温供冷单元中，第一换热器(13)通过另一管路给船舶上的空调供冷； 在所述LNG加热低温供热单元中，工质水在第二换热器(14)中向LNG汽化升温膨胀主回路中的天然气释放热量，然后经循环泵(16)驱动进入热水器(15)，工质水被热水器(15)加热后再次进入第二换热器(14)继续下一次循环，热水器(15)的余热通过低温供热管路输出，用于加热船舶上的生活用水； 在所述膨胀发电单元中，天然气在第三膨胀透平机(17)中所做的功转化为机械能并通过机械轴驱动第三发电机(18)发电。
全文摘要
本发明公开了一种适用于船舶的LNG冷能多级回收利用系统及其使用方法，该系统包括由LNG储罐(1)、加压泵(2)、第一冷凝器(3)、第二冷凝器(8)、第一换热器(13)、第二换热器(14)和第三膨胀透平机(17)构成的LNG汽化升温膨胀主回路，该主回路与船舶上的燃气发动机连接；由第一冷凝器(3)、第一压缩机(4)、第一蒸发器(5)、第一膨胀透平机(6)和第一发电机(7)构成的第一级郎肯循环发电单元；由第二冷凝器(8)、第二压缩机(9)、第二蒸发器(10)、第二膨胀透平机(11)和第二发电机(12)构成的第二级郎肯循环发电单元；由第一换热器(13)构成的低温供冷单元；由第二换热器(14)、循环泵(16)和热水器(15)构成的LNG加热低温供热单元；由第三膨胀透平机(17)和第三发电机(18)构成的膨胀发电单元。
文档编号F25B27/02GK102937039SQ201110232728
公开日2013年2月20日 申请日期2011年8月15日 优先权日2011年8月15日
发明者江卫, 王平 申请人:北京天成山泉电子科技有限公司