CN112302748B - 一种基于新型整体式ifv的lng动力船冷能利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于新型整体式IFV的LNG动力船冷能利用系统，以一种新型整体式IFV为LNG冷能利用系统的基础，先通过朗肯循环发电回收LNG燃料高品位冷能将其转换成电能，然后通过利用冷媒回收LNG燃料低品位冷能，用于发电或海水淡化，最后利用缸套水将NG加热至主机进气要求温度。本发明的优点在于：结合一种带冷能利用功能的新型整体式IFV，因其结构紧凑有效降低了系统的复杂程度、占地面积，提高了系统的经济性能；可据船舶制淡、发电需求，通过相应调节，实现两种功能的切换。

Description

一种基于新型整体式IFV的LNG动力船冷能利用系统
技术领域
本发明涉及LNG冷能利用领域，特别是一种基于新型整体式IFV的LNG冷能利用系统。
背景技术
LNG是一种优质能源，具有热值高、燃烧污染小的特点。LNG接收站的主要功能是接收远洋运输船运输来的LNG，并对其进行储存和气化，以获得气态天然气( NG )产品，并通过天然气管网向城市居民和/或工业用户供气。
LNG在约-162℃低温下以液态形式存在的天然气，其气化过程需要大量的热量。一般而言，LNG接收站的气化设施主要有开架式海水整体式IFV(ORV)、中间介质海水整体式IFV(IFV) 以及浸没燃烧式整体式IFV( SCV)。LNG接收站临海而建，海水是天然热源，通常均采用海水来加热气化。
随着船舶动力装置排放要求进一步提高，航运船舶以液化天然气（LNG）代替原有的柴油或重油作为动力装置的燃料已成为必然趋势。LNG在气化过程中会释放约800kJ/kg的冷量，若不加以利用，不仅会浪费大量冷能，还会对航线周围的海域环境造成一定影响。针对LNG动力船舶的制冷需求设计冷能利用系统，既可以提高能量利用效率，也可节约压缩制冷循环耗费的电量，是当前LNG利用技术中的前沿问题之一。
当前的LNG冷能利用系统主要以㶲效率为指标，以发电、制冷、海水淡化等作为冷能利用方式。根据“温度对口，梯级利用”的原则，LNG冷能利用方案一般采用多级制冷或发电循环。相比于单级系统，梯级冷能利用系统虽然㶲效率较高，但也存在着系统庞大、设备复杂的缺点。传统的整体式IFV功能单一，设计一种能够充分利用LNG冷能，同时简化冷能利用系统的LNG整体式IFV，可以有效提高系统的紧凑性和经济性能，对设备布置空间有限的船舶上显得尤为重要。
发明内容
针对上述问题，本发明基于一种新型整体式IFV，以主机缸套冷却水为热源，设计了一种LNG冷能梯级利用系统。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于新型整体式IFV的LNG动力船冷能利用系统，该系统以一种新型整体式IFV为基础，先通过朗肯循环发电回收LNG燃料高品位冷能将其转换成电能，然后通过利用冷媒回收LNG燃料低品位冷能，用于发电或海水淡化，最后利用缸套水将NG加热至主机进气要求温度。
本发明的进一步改进，该系统包括新型整体式IFV、增压泵、换热器、涡轮机、回热器、阀门、蒸发器，整体式IFV的内部通过焊接的隔板将其分为三个换热腔体，由上层到下层分别为LNG换热腔、中间介质换热腔和热流体换热腔，整体式IFV内换热通过左中右腔室三套热管将LNG的冷量输送到中间介质和热流体中。
本发明的进一步改进，整体式IFV的LNG换热腔的右侧设置有LNG进口通过管道连接到LNG储液罐用于LNG输入，整体式IFV的LNG换热腔的左侧设置有NG出口连接管道用于NG输出，LNG通过管道从LNG进口流入新型IFV，通过三套热管依次吸收中间介质及热流体的热量气化，变为NG从NG出口输出通过管道进入一个换热器内，该换热器设定为第一换热器，第一换热器通过管道连接到一个涡轮机，该涡轮机设定为第一涡轮机，第一涡轮机通过管道连接到中间介质换热腔的右端进口，中间介质换热腔的左端出口还通过管道连接到第一换热器。
本发明的进一步改进，LNG换热腔的右侧设置的LNG进口与LNG储液罐的连接管道上设置有增压泵，该增压泵设定为第一增压泵。
本发明的进一步改进，中间介质换热腔内右侧加热腔内工质通过管道引出，管道上设置有增压泵，该增压泵设定为第二增压泵，管道再引入中间介质换热腔内相邻的左侧加热腔内。
本发明的进一步改进，热流体换热腔右侧腔的右端连接管道，管道上设置有增压泵，该增压泵设定为第三增压泵，管道再接入一个换热器，该换热器设定为第二换热器，第二换热器还通过管道连接到一个涡轮机，该涡轮机设定为第二涡轮机，第二涡轮机通过管道连接到热流体换热腔右侧腔的左侧入口上。
本发明的进一步改进，热流体换热腔左侧腔的右侧出口通过管道引出连接到一个增压泵，该增压泵设定为第四增压泵，管道再进入到一个三通阀门，该三通阀门设定为第一阀门，第一阀门一个通口通过管道连接到一个蒸发器上，第一阀门另一个通口通过管道连接到一个回热器上，蒸发器的出口处通过管道连接到另一个三通阀门，该三通阀门设定为第二阀门，第二阀门一个通口通过管道连接到热流体换热腔的左端，回热器的出口处通过管道连接到第一换热器后再经过一个涡轮机，该涡轮机设定为第三涡轮机，第三涡轮机的出口处通过管道连接到回热器后再经过第二阀门进入到热流体换热腔左侧腔的左端。
本发明的有益效果：本发明披露的一种基于新型整体式IFV的LNG动力船冷能利用系统，具有以下优点：
1、结合一种带冷能利用功能的新型整体式IFV，因其结构紧凑有效降低了系统的复杂程度、占地面积，提高了系统的经济性能；
2、可据船舶制淡、发电需求，通过相应调节，实现两种功能的切换。
附图说明
图1为本发明系统示意图。
图2为本发明中新型整体式IFV结构示意图。
图3是本发明实施例的系统示意图。
1-整体式IFV，2-第一增压泵，3-第一换热器，4-第一涡轮机，5-第二涡轮机，6-回热器，7-第一阀门，8-蒸发器，9-第四增压泵，10-第三涡轮机，11-第二增压泵，12-第三增压泵，13-第二换热器，14-第二阀门，101-LNG换热腔，102-中间介质换热腔，103-热流体换热腔。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1和图2所示，一种基于新型整体式IFV的LNG动力船冷能利用系统，该系统包括新型整体式IFV1、增压泵、换热器、涡轮机、回热器、阀门、蒸发器，整体式IFV1的内部通过焊接的隔板将其分为三个换热腔体，由上层到下层分别为LNG换热腔101、中间介质换热腔102和热流体换热腔103，其中，整体式IFV1的LNG换热腔101的右侧设置有LNG进口通过管道连接到LNG储液罐用于LNG输入，整体式IFV1的LNG换热腔101的左侧设置有NG出口连接管道用于NG输出，LNG通过管道从LNG进口流入新型IFV1，通过三套热管依次吸收中间介质及热流体的热量气化，变为NG从NG出口输出通过管道进入一个换热器内，该换热器设定为第一换热器3，第一换热器通过管道连接到一个涡轮机，该涡轮机设定为第一涡轮机4，第一涡轮机4通过管道连接到中间介质换热腔102的右端进口，中间介质换热腔102的左端出口还通过管道连接到第一换热器3；LNG换热腔101的右侧设置的LNG进口与LNG储液罐的连接管道上设置有增压泵，该增压泵设定为第一增压泵2；中间介质换热腔102内右侧加热腔内工质通过管道引出，管道上设置有增压泵，该增压泵设定为第二增压泵11，管道再引入中间介质换热腔102内相邻的左侧加热腔内；热流体换热腔103右侧腔的右连接管道，管道上设置有增压泵，该增压泵设定为第三增压泵12，管道再接入一个换热器，该换热器设定为第二换热器13，第二换热器13还通过管道连接到一个涡轮机，该涡轮机设定为第二涡轮机5，第二涡轮机5通过管道连接到热流体换热腔103右侧腔的左侧入口上；热流体换热腔103左侧腔的右侧出口通过管道引出连接到一个增压泵，该增压泵设定为第四增压泵9，管道再进入到一个三通阀门，该三通阀门设定为第一阀门7，第一阀门7一个通口通过管道连接到一个蒸发器8上，第一阀门7另一个通口通过管道连接到一个回热器6上，蒸发器8的出口处通过管道连接到另一个三通阀门，该三通阀门设定为第二阀门14，第二阀门14一个通口通过管道连接到热流体换热腔103的左端，回热器6的出口处通过管道连接到第一换热器3后再经过一个涡轮机，该涡轮机设定为第三涡轮机10，第三涡轮机10的出口处通过管道连接到回热器6后再经过第二阀门14进入到热流体换热腔103左侧腔的左端。
如图3所示：实施例1，当阀门F1连通循环介质R-2、R-3’，且阀门F2连通循环介质R-4’、R-6时：LNG换热腔：将从储液罐出来的LNG加压至1200kPa，温度为-162℃，加压后的LNG-1从整体式IFV右端入口处进入整体式IFV-2，通过右侧第一组热管首先与中间介质C-6进行换热升温为-109.3℃，其后再通过中间第二组及右侧三组热管与发电工质Y-4、循环介质R-6进行换热完全气化为压力为1170kPa、温度为-8.932℃的天然气，最后NG-out从整体式IFV左端流出，由缸套水CW调节温度为5℃并进入主机燃烧。
中间介质换热腔：气态中间介质C-6在整体式IFV右端进入中间介质换热腔102的右侧腔，冷凝后的C-1经过增压泵增压至3020kPa的C-2，随后C-2进入整体式IFV的中间介质换热腔102的左侧腔按顺序与发电工质Y-4、循环介质R-6分别换热并气化，其压力为3000kPa、温度为-10℃，完全气化的中间介质C-4最后在换热器中由缸套水CW加热，进一步提高过热度后温度为68.89℃的C-5进入涡轮机Turbine-1发电，乏汽C-6再次进入整体式IFV完成一个循环。
热流体换热腔：热流体换热腔103的右侧腔内布置有机工质朗肯循环，压力为364.7kPa、温度为-60.99℃的气态循环介质Y-4进入整体式IFV的热流体换热腔103的右侧腔吸收中间介质和LNG的冷能液化后从整体式IFV右端出口流出，冷凝后压力为354.7kPa、温度为-70℃的Y-1经增压泵P2增压至压力为8767kPa的Y-2，随后进入换热器YX-1中与缸套水换热气化为Y-3，温度升至80.2℃，然后进入涡轮机Turbine-2发电，其后乏汽Y-4再次进入整体式IFV完成一个循环。热流体换热腔103的左侧腔内布置为海水淡化循环，压力为100.3kPa、温度为-5℃的循环介质R-6在整体式IFV左端进入热流体换热腔103的左侧腔与中间介质和LNG换热并冷凝，温度降至-27℃，流出整体式IFV的液态R-1由增压泵P3增压至110.3kPa的R-2，进入蒸发器E-1进行冷冻法海水淡化并升温为-5℃的R-4’，高温R-6再次进入整体式IFV完成一个循环。
实施例2，当阀门F1连通循环介质R-2、R-2’，且阀门F2连通循环介质R-5’、R-6时：LNG换热腔：将从储液罐出来的LNG加压至1200kPa，温度为-162℃，加压后的LNG-1从整体式IFV右端入口处进入整体式IFV-2，通过右侧第一组热管首先与中间介质C-6进行换热升温为-109.3℃，其后再通过中间第二组及右侧三组热管与发电工质Y-4、循环介质R-6进行换热完全气化为压力为1170kPa、温度为-10.28℃的天然气，最后NG-out从整体式IFV左端流出，由缸套水CW调节温度为5℃并进入主机燃烧。
中间介质换热腔：气态中间介质C-6在整体式IFV右端进入中间介质换热腔102的右侧腔，冷凝后的C-1经过增压泵增压至3258kPa的C-2，随后C-2进入整体式IFV的中间介质换热腔102的左侧腔按顺序与发电工质Y-4、循环介质R-6分别换热并气化，其压力为3238kPa、温度为-10.28℃，完全气化的中间介质C-4最后在换热器中由缸套水CW加热，进一步提高过热度的温度为74.93℃的C-5进入涡轮机Turbine-1发电，乏汽C-6再次进入整体式IFV完成一个循环。
热流体换热腔：热流体换热腔103的右侧腔内布置有机工质朗肯循环，压力为371.4kPa、温度为-60.53℃的气态循环介质Y-4进入整体式IFV的热流体换热腔103的右侧腔吸收中间介质和LNG的冷能液化后从整体式IFV右端出口流出，冷凝后压力为361.4kPa、温度为-70℃的Y-1经增压泵P2增压至9677kPa的Y-2，随后进入换热器YX-1中与缸套水换热气化为Y-3，温度升至85.58℃，然后进入涡轮机Turbine-2发电，其后乏汽Y-4再次进入整体式IFV完成一个循环。热流体换热腔103的左侧腔内布置为有机工质朗肯循环，压力为94.29kPa、温度为-0.282℃的气态循环介质R-6在整体式IFV左端进入热流体换热腔103的左侧腔与中间介质和LNG换热并冷凝，温度降至-5.282℃，流出整体式IFV的液态R-1由增压泵P3升压至发电压力1009kPa，高压液态循环介质R-2’先进入回热器RX-1和涡轮机Turbine-3出口的低压低温R-5换热并升温至12.79℃，其后R-3进入换热器CX-1由缸套水CW加热蒸发为78.85℃并进入涡轮机Turbine-3发电，温度降至23.94℃，乏汽R-5进入回热器RX-1降温，最后R-6再次进入整体式IFV完成一个循环。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于新型整体式IFV的LNG动力船冷能利用系统，其特征在于：该系统以一种新型整体式IFV为基础，先通过朗肯循环发电回收LNG燃料高品位冷能将其转换成电能，然后通过利用冷媒回收LNG燃料低品位冷能，用于发电或海水淡化，最后利用缸套水将NG加热至主机进气要求温度；
该系统包括新型整体式IFV、增压泵、换热器、涡轮机、回热器、阀门、蒸发器，所述整体式IFV的内部通过焊接的隔板将其分为三个换热腔体，由上层到下层分别为LNG换热腔、中间介质换热腔和热流体换热腔，所述整体式IFV内换热通过左中右腔室三套热管将LNG的冷量输送到中间介质和热流体中；
所述整体式IFV的LNG换热腔的右侧设置有LNG进口通过管道连接到LNG储液罐用于LNG输入，所述整体式IFV的LNG换热腔的左侧设置有NG出口连接管道用于NG输出，LNG通过管道从LNG进口流入整体式IFV，通过三套热管依次吸收中间介质及热流体的热量气化，变为NG从NG出口输出通过管道进入一个换热器内，该换热器设定为第一换热器，所述第一换热器通过管道连接到一个涡轮机，该涡轮机设定为第一涡轮机，所述第一涡轮机通过管道连接到所述中间介质换热腔的右端进口，所述中间介质换热腔的左端出口还通过管道连接到所述第一换热器；
所述LNG换热腔的右侧设置的LNG进口与LNG储液罐的连接管道上设置有增压泵，该增压泵设定为第一增压泵；
所述中间介质换热腔内右侧加热管通过管道引出，管道上设置有增压泵，该增压泵设定为第二增压泵，管道再引入所述中间介质换热腔内相邻的左侧加热管；
所述热流体换热腔右侧腔的右端连接管道，管道上设置有增压泵，该增压泵设定为第三增压泵，管道再接入一个换热器，该换热器设定为第二换热器，所述第二换热器还通过管道连接到一个涡轮机，该涡轮机设定为第二涡轮机，所述第二涡轮机通过管道连接到所述热流体换热腔右侧腔的左侧入口上；所述热流体换热腔左侧腔的右侧出口通过管道引出连接到一个增压泵，该增压泵设定为第四增压泵，管道再进入到一个三通阀门，该三通阀门设定为第一阀门，所述第一阀门一个通口通过管道连接到一个蒸发器上，所述第一阀门另一个通口通过管道连接到一个回热器上，所述蒸发器的出口处通过管道连接到另一个三通阀门，该三通阀门设定为第二阀门，所述第二阀门一个通口通过管道连接到所述热流体换热腔的左端，所述回热器的出口处通过管道连接到所述第一换热器后再经过一个涡轮机，该涡轮机设定为第三涡轮机，所述第三涡轮机的出口处通过管道连接到所述回热器后再经过所述第二阀门进入到所述热流体换热腔左侧腔的左端。
2.根据权利要求1所述的基于新型整体式IFV的LNG动力船冷能利用系统，其特征在于：具体功能实现包括以下步骤：
LNG换热：LNG从整体式IFV的LNG换热腔右端入口处进入整体式IFV内，通过右侧第一套热管首先与中间介质进行换热升温，其后再通过中间第二套及左侧第三套热管与发电工质、循环介质进行换热完全气化，最后NG从整体式IFV的LNG换热腔左端流出，由第一换热器中的缸套水调节温度并进入主机燃烧；
中间介质换热：气态中间介质在整体式IFV的中间介质换热腔右端进入，冷凝后的中间介质经过第二增压泵增压至一定压力的中间介质进入整体式IFV的中间介质换热腔体按顺序与发电工质、循环介质分别换热并气化，完全气化的中间介质最后在第一换热器中由缸套水加热，进一步提高过热度的中间介质进入第一涡轮机发电，乏气中间介质再次进入整体式IFV完成一个循环；
热流体换热：热流体换热腔右侧腔内布置有机工质朗肯循环，气态循环介质进入整体式IFV的热流体换热腔吸收中间介质和LNG的冷能液化后从整体式IFV右端出口流出，冷凝后的发电工质经第三增压泵增压至一定压力的发电工质，随后进入换热器中与缸套水换热气化为发电工质，进入第二涡轮机发电，乏气发电工质再次进入整体式IFV完成一个循环，据第一阀门和第二阀门的转向情况，布置为海水淡化循环或有机工质朗肯循环，循环介质吸收中间介质和LNG的冷能用于制淡或发电。
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