CN106594516A - 一种lng动力船冷热能交叉利用系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种LNG动力船冷热能交叉利用系统及实现方法，板式换热器置于发动机风扇旁，LNG罐依次连接一级LNG汽化器和二级LNG汽化器，板式换热器上设置出水管和进水管，出水管、进水管连接一级LNG汽化器，储液罐的入口连接散热器里的散热管路，储液罐的出口连接排气换热器，排气换热器连接二级LNG汽化器，二级LNG汽化器连接散热器里的散热管路，发动机自身的冷却管路通过其水泵连接膨胀水箱，集液盘通过集液管路连接入口三通管，与入口三通管相连的为第一支路和第二支路，膨胀水箱安装在第一支路上，散热器安装在第二支路上。本发明能够充分LNG的冷能和发动机燃烧产生的热能，从而提高船舶运行的经济性，并能够改善轮机员的工作环境。

Description

一种LNG动力船冷热能交叉利用系统及实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种发动机热量利用装置及使用方法。

背景技术

我国水系丰富、河流和湖泊众多，近30年来我国经济持续快速发展带动了船舶行业的繁荣，船舶保有量迅速增加。截止2012年底，我国内河和近海船舶的保有量约17.92万艘左右，渔船保有量69.56万艘，渔业机械348.78万台。目前船舶动力主要为柴油机，而相对于车用发动机而言，我国船舶柴油机的技术发展较慢，技术水平相对较低。随着船舶数量的增加，船舶对大气造成的污染日趋严重。特别在一些航道密集、船舶流量大的海区和港口、海峡等区域，船舶排放的污染物已经成为这些地区的主要污染源。为了缓解越来越严重的能源短缺和环境污染问题，实施能源多元化战略和发展清洁替代能源应用技术已经成为我国突破当前困境的有效措施。天然气的储量和石油相当且燃烧更为清洁，因此被认为是当前替代石油的最可行的方案。

天然气是一种理想燃料的船用发动机燃料，释放相同能量时天然气燃烧产生的二氧化碳排放比汽油和柴油低20-30％；天然气中不含硫，所以发动机尾气中没有硫化物排放；天然气与空气混合比较均匀，所以天然气发动机微粒排放比传统柴油机低90％以上。因此，我国目前正在积极推动“气化长江”和“气化运河”等大型绿色航运工程，推广天然气发动机在船舶发动机上的应用。为了避免天然气在船舶上储运时占用过多的空间，通常将天然气降温至-162℃，得到液态天然气(LNG)，并存储在绝热的气罐中。当发动机在气体模式工作时，需要对LNG进行加热得到气态的天然气，如果LNG气化过程中的冷能无法得到应用，只能释放到环境中，将造成冷能的浪费；而发动机工作过程中燃料燃烧放出的热量不到50％用于做功，而其它的能量通过排气和发动机防冻液释放到机舱和大气中，这不仅造成热能的损失，而且使密闭的发动机机舱环境变得更恶劣，不利于轮机员的健康。

发明内容

本发明的目的在于提供提高LNG动力船舶运行的经济性，降低运营成本并改善轮机员工作环境的一种LNG动力船冷热能交叉利用系统及实现方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种LNG动力船冷热能交叉利用系统，其特征是：包括发动机、LNG罐、一级LNG汽化器、二级LNG汽化器、板式换热器、储液罐、散热器、膨胀水箱、集液盘，排气换热器连接发动机的排气管路，板式换热器置于发动机风扇旁，LNG罐依次连接一级LNG汽化器和二级LNG汽化器，板式换热器上设置出水管和进水管，出水管通过出水管路连接一级LNG汽化器，进水管通过进水管路连接一级LNG汽化器，储液罐的入口连接散热器里的散热管路，储液罐的出口连接排气换热器，排气换热器连接二级LNG汽化器，二级LNG汽化器连接散热器里的散热管路，发动机自身的冷却管路通过其水泵连接膨胀水箱，集液盘通过集液管路连接入口三通管，与入口三通管相连的为第一支路和第二支路，膨胀水箱安装在第一支路上，散热器安装在第二支路上，第一支路和第二支路的端部通过出口三通管连通集液出水管。

本发明一种LNG动力船冷热能交叉利用系统还可以包括：

1、LNG罐与一级LNG汽化器之间安装低温气动截止阀，板式换热器的出水管路上安装固定流量泵，储液罐与排气换热器之间安装第一可调流量泵，集液管路上安装水过滤器、第二可调流量泵、电控蝶阀。

本发明一种LNG动力船冷热能交叉利用实现方法，其特征是：采用如下装置：

包括发动机、LNG罐、一级LNG汽化器、二级LNG汽化器、板式换热器、储液罐、散热器、膨胀水箱、集液盘，排气换热器连接发动机的排气管路，板式换热器置于发动机风扇旁，LNG罐依次连接一级LNG汽化器和二级LNG汽化器，板式换热器上设置出水管和进水管，出水管通过出水管路连接一级LNG汽化器，进水管通过进水管路连接一级LNG汽化器，储液罐的入口连接散热器里的散热管路，储液罐的出口连接排气换热器，排气换热器连接二级LNG汽化器，二级LNG汽化器连接散热器里的散热管路，发动机自身的冷却管路通过其水泵连接膨胀水箱，集液盘通过集液管路连接入口三通管，与入口三通管相连的为第一支路和第二支路，膨胀水箱安装在第一支路上，散热器安装在第二支路上，第一支路和第二支路的端部通过出口三通管连通集液出水管，LNG罐与一级LNG汽化器之间安装低温气动截止阀，板式换热器的出水管路上安装固定流量泵，储液罐与排气换热器之间安装第一可调流量泵，集液管路上安装水过滤器、第二可调流量泵、电控蝶阀；

板式换热器、固定流量泵、一级LNG汽化器所在回路组成一级闭式循环，储液罐、第一可调流量泵、排气换热器、二级LNG汽化器所在回路组成二级闭式循环，发动机自身的冷却管路以及其上的膨胀水箱组成三级闭式循环，集液管路、入口三通管、第一支路、第一支路上的膨胀水箱、出口三通管组成一级开式循环，集液管路、入口三通管、第二支路、第二支路上的散热器、出口三通管组成二级开式循环；

当发动机为单一燃料天然气发动机时，发动机起动后即开启一级闭式循环的固定流量泵，使一级闭式循环进入工作状态；若发动机为双燃料发动机，则以柴油模式起动，待发动机热机后即使第一级闭式循环进入工作状态；发动机一旦开启，则二级闭式循环进入工作模式；当发动机为单一燃料气体机或双燃料发动机工作在气体模式时，第一可调流量泵的流量根据二级LNG汽化器天然气出口温度进行调节，当二级LNG汽化器出口防冻液的温度低于环境水的温度时，利用二级开式循环对LNG汽化器出口冷却液进行初步加热后再回到储液箱；当发动机为双燃料发动机且工作在纯柴油模式时，二级开式循环起到对二级闭式循环冷却的降温作用；当发动机在暖机状态时，一级开式循环关闭，当发动机三级闭式循环内防冻液达到设定的温度后，一级开式循环与三级闭式循环进行热量交换，使发动机工作在85±0.5℃。

本发明的优势在于：本发明能够充分LNG的冷能和发动机燃烧产生的热能，进行能量回收和再利用，从而提高船舶运行的经济性，并能够改善轮机员的工作环境。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a为板式换热器主视图，图2b为板式换热器侧视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明LNG动力船冷热能交叉利用系统包括：发动机1、排气换热器2、板式换热器3、LNG罐4、一级LNG汽化器5、二级LNG汽化器6、散热器7、膨胀水箱8、储液罐10、可调流量泵11和16、固定流量泵12、电控蝶阀19和20、低温气动截止阀13，温度传感器14和25、发动机状态采集单元24、控制单元9、集液盘18、水过滤器17、管路和法兰等构成。整个冷热能交叉利用系统包括三个闭式循环和两个开式循环。一级闭式循环由板式换热器3、固定流量泵12、一级LNG汽化器5、管路和法兰构成，一级LNG汽化器5通过耐低温不锈钢管和耐低温法兰与LNG罐4相连，LNG的供应与切断由位于LNG罐4和一级LNG汽化器5之间的低温气动截止阀13控制。一级闭式循环的板式散热器3由一根铝合金换热器管弯27制而成，换热管上有翅片28，换热管27固定在铝合金框架26上，进水管29和出水管30上加工有螺纹，便于与其它管路进行连接。来自发动机1机体的热空气在穿过换热管27与换热管27之间及翅片28与翅片28之间的空隙时将热量传递给板式换热器3，一级闭式循环的固定流量泵12将吸收热量的防冻液供向一级LNG汽化器5，所述防冻液为乙二醇与水的混合溶液。当发动机1为单一燃料气体机或双燃料发动机工作在气体模式时有LNG流经一级LNG汽化器5，防冻液将热能传递给LNG使其气化，同时LNG将冷能传递给防冻液使其降温，温度降低后的防冻液再次进入板式换热器3，将冷能传给机舱内的空气，再次吸收来自机体的热量，完成一次冷热能的交换，用于连接板式换热3、固定流量泵12和一级LNG汽化器5的管路和法兰为不锈钢材料。当发动机1为双燃料发动机，而发动机1工作在柴油模式时，没有LNG流经一级LNG汽化器5，此时LNG汽化器5只起到散热器的作用。二级闭式循环由储液罐10、可调流量泵11、排气换热器2、二级LNG汽化器6，散热器7、管路和法兰构成，排气换热器2安装在距离发动机1涡轮增压器后1米左右位置，可调流量泵11从储液箱10中泵吸防冻液供向排气换热器2，防冻液在流经排气换热器2吸收高温燃气的热量后，流向二级LNG汽化器6并对天然气进行再次加热，通过调整可调流量泵11的流量确保在二级LNG汽化器6出口的天然气温度恒定在25℃左右，温度降低后防冻液从二级LNG换热器6流向散热器7，若来集液盘18方向的外界水温高于来自二级LNG汽化器6防冻液的温度，则打开并调整电控蝶阀19的开度，利用水对防冻液进行初步加热，从散热器7流出的防冻液再次回到储液箱10中，完成一个工作循环；三级闭式循环则由发动机1、膨胀水箱8、管路和法兰构成，利用发动机1自带的水泵将发动机水套中的防冻液供向膨胀水箱8，防冻液在膨胀水箱中与来自外界的水进行热量交换，通过调整可调流量泵16和电控蝶阀20的开度使发动机1防冻液温度始终恒定在85℃左右，保证发动机1的可靠运行。开式循环由一级开式循环和二级开式循环构成，一级开式循环和二级开始循环共用集液盘18、进水管、水过滤器17、可调流量泵16、入口三通管20、出口三通管21和出水管22。可调流量泵16将水从集液盘18和进水管泵入后利用水过滤器17进行过滤，利用进水三通管20将水分成两路，分别供向膨胀水箱8和散热器7，两个管路中水的流量通过可调流量泵16和电控蝶阀15和19进行协调控制，保证与第二级闭式循环和第三级闭式循环进行热量交换的流量需要。

基于图1所述的1LNG动力船冷热能综合利用系统，其控制系统包括发动机控制单元9、发动机状态采集模块24、温度传感器14和25、执行机构和线束构成。控制单元9通过发动机状态采集模块24确定发动机1的运行模式和运行状态，通过可调流量泵11和16、固定流量泵12、电控蝶阀19和20、低温气动截止阀13和温度传感器14和25的反馈信号确定系统中各个部件当前工作状态。当发动机1为单一燃料天然气发动机时，发动机1起动后即开启一级闭式循环的固定流量泵12，使一闭式循环进入工作状态；若发动机1为双燃料发动机，则以柴油模式起动，待发动机1热机后即使第一级闭式循环进入工作状态。无论是单一燃料气体机还是双燃料发动机，发动机1一旦开启，则二级闭式循环进入工作模式，当发动机1为单一燃料气体机或双燃料发动机工作在气体模式时，可调流量泵11的流量根据二级LNG汽化器6天然气出口温度进行调节，当二级LNG汽化器6出口防冻液的温度低于环境水的温度时，利用二级开式循环对LNG汽化器6出口冷却液进行初步加热后再回到储液箱10，而当发动机1为双燃料发动机且工作在纯柴油模式时，二级开式循环起到对二级闭式循环冷却的降温作用。当发动机1在暖机状态时，一级开式循环关闭，而当发动机1三级闭式循环内防冻液达到设定的温度后，一级开式循环与三级闭式循环进行热量交换，保证发动机工作在85℃左右。

图2是板式换热器的主视图和侧视图。图中所示板式换热器3由一根铝合金换热管27弯制而成，铝合金换热管27上加工有翅片28，换热管27固定在铝合金框架26上，进水管29和出水管30上加工有螺纹，便于与其它管路进行连接。

Claims (3)

1.一种LNG动力船冷热能交叉利用系统，其特征是：包括发动机、LNG罐、一级LNG汽化器、二级LNG汽化器、板式换热器、储液罐、散热器、膨胀水箱、集液盘，排气换热器连接发动机的排气管路，板式换热器置于发动机风扇旁，LNG罐依次连接一级LNG汽化器和二级LNG汽化器，板式换热器上设置出水管和进水管，出水管通过出水管路连接一级LNG汽化器，进水管通过进水管路连接一级LNG汽化器，储液罐的入口连接散热器里的散热管路，储液罐的出口连接排气换热器，排气换热器连接二级LNG汽化器，二级LNG汽化器连接散热器里的散热管路，发动机自身的冷却管路通过其水泵连接膨胀水箱，集液盘通过集液管路连接入口三通管，与入口三通管相连的为第一支路和第二支路，膨胀水箱安装在第一支路上，散热器安装在第二支路上，第一支路和第二支路的端部通过出口三通管连通集液出水管。

2.根据权利要求1所述一种LNG动力船冷热能交叉利用系统，其特征是：LNG罐与一级LNG汽化器之间安装低温气动截止阀，板式换热器的出水管路上安装固定流量泵，储液罐与排气换热器之间安装第一可调流量泵，集液管路上安装水过滤器、第二可调流量泵、电控蝶阀。

3.一种LNG动力船冷热能交叉利用实现方法，其特征是：采用如下装置：

包括发动机、LNG罐、一级LNG汽化器、二级LNG汽化器、板式换热器、储液罐、散热器、膨胀水箱、集液盘，排气换热器连接发动机的排气管路，板式换热器置于发动机风扇旁，LNG罐依次连接一级LNG汽化器和二级LNG汽化器，板式换热器上设置出水管和进水管，出水管通过出水管路连接一级LNG汽化器，进水管通过进水管路连接一级LNG汽化器，储液罐的入口连接散热器里的散热管路，储液罐的出口连接排气换热器，排气换热器连接二级LNG汽化器，二级LNG汽化器连接散热器里的散热管路，发动机自身的冷却管路通过其水泵连接膨胀水箱，集液盘通过集液管路连接入口三通管，与入口三通管相连的为第一支路和第二支路，膨胀水箱安装在第一支路上，散热器安装在第二支路上，第一支路和第二支路的端部通过出口三通管连通集液出水管，LNG罐与一级LNG汽化器之间安装低温气动截止阀，板式换热器的出水管路上安装固定流量泵，储液罐与排气换热器之间安装第一可调流量泵，集液管路上安装水过滤器、第二可调流量泵、电控蝶阀；

板式换热器、固定流量泵、一级LNG汽化器所在回路组成一级闭式循环，储液罐、第一可调流量泵、排气换热器、二级LNG汽化器所在回路组成二级闭式循环，发动机自身的冷却管路以及其上的膨胀水箱组成三级闭式循环，集液管路、入口三通管、第一支路、第一支路上的膨胀水箱、出口三通管组成一级开式循环，集液管路、入口三通管、第二支路、第二支路上的散热器、出口三通管组成二级开式循环；

当发动机为单一燃料天然气发动机时，发动机起动后即开启一级闭式循环的固定流量泵，使一级闭式循环进入工作状态；若发动机为双燃料发动机，则以柴油模式起动，待发动机热机后即使第一级闭式循环进入工作状态；发动机一旦开启，则二级闭式循环进入工作模式；当发动机为单一燃料气体机或双燃料发动机工作在气体模式时，第一可调流量泵的流量根据二级LNG汽化器天然气出口温度进行调节，当二级LNG汽化器出口防冻液的温度低于环境水的温度时，利用二级开式循环对LNG汽化器出口冷却液进行初步加热后再回到储液箱；当发动机为双燃料发动机且工作在纯柴油模式时，二级开式循环起到对二级闭式循环冷却的降温作用；当发动机在暖机状态时，一级开式循环关闭，当发动机三级闭式循环内防冻液达到设定的温度后，一级开式循环与三级闭式循环进行热量交换，使发动机工作在85±0.5℃。