CN113530720A - 一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统，该系统主要包括氨燃料供给系统，冷藏集装箱制冷系统。当船舶航行消耗氨燃料时，利用氨燃料释放的冷能对冷藏集装箱制冷，不仅能够降低氨燃料气化过程中对热源的消耗，而且降低了船舶电网负荷，解决了氨动力集装箱船因冷藏集装箱制冷造成船舶电网负荷大的问题，实现了能量的合理利用。该系统结构比较简单，在利用氨燃料冷能对冷藏集装箱制冷的同时还可以保留冷藏集装箱原有的制冷系统，不需要对原有的冷藏集装箱结构进行过多的改造，在船舶上比较容易实现，为促进氨燃料在船舶的应用提供支撑，促进了碳中和目标的早日实现，因此本发明具有较好的应用前景。

Description

一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统。
背景技术
目前船舶主要以传统的燃油作为燃料，但是燃油燃烧会产生大量的氮氧化物和硫氧化物，造成严重的大气污染，尤其集装箱船的主机功率较大，燃烧燃油会释放出更多的污染物，污染问题更加严重。近年来，国际海事组织(IMO)对船舶的减排提出了严格的要求，国家也积极倡导船舶的绿色发展，为了解决这一问题，出现了比较清洁的能源如LNG(液化天然气-163℃)、液氢(-253℃)、甲醇等，其中LNG在船舶上的应用更加广泛，采用LNG燃料可以大大减少船舶氮氧化物和硫氧化物的产生，对船舶的减排具有显著的效果，但是液化天然气的主要成分是甲烷，甲烷燃烧会产生温室气体二氧化碳，造成温室效应。
在航运领域，IMO也制定了最新的关于碳排放减排目标，以实现到2050年将温室气体排放量从2008年的水平减50％的长期目标，这对航运业的尾气排放提出了更高的要求。为了满足IMO提出的碳排放要求，目前氨燃料受到越来越多的关注。
氨是无碳无硫的，将氨燃料用于集装箱船，几乎不会产生二氧化碳和氮氧化物，可以满足碳排放的要求，因此有人提出氨燃料可以作为船舶的替代性燃料，为节省燃料存储空间，氨燃料在船舶上以液体状态存储，温度达到-33℃，与LNG和其他需要低温储存的燃料相比液氨的运输和储存成本更低。但是氨燃料与LNG等其他低温燃料在送至船舶主机燃用之前需要汽化至供气温度，这一过程会释放大量冷能，由于集装箱船的船舶主机功率较大，需要的燃料量也更多，因此释放的冷能也更多，如果这部分燃料冷能直接被海水和空气带走，会造成冷能的浪费。
有些专利已经提出关于船舶LNG燃料冷能的利用，专利号为CN 211336398 U的专利提出了一种冷藏集装箱利用船舶LNG冷能的系统及方法，采用乙二醇溶液作为冷媒与LNG燃料进行换热，冷媒依次流经管道，进入冷藏集装箱内的盘管将冷能传递给冷藏集装箱，可以使LNG燃料的冷能得到利用，但是这种方法需要对现有的冷藏集装箱进行改造，需要在其内部增设换热盘管，会占用冷藏集装箱的货物空间，且冷藏集装箱数目较多，实施困难，成本较高。
集装箱船上的冷藏集装箱需要依靠制冷机组进行制冷，由于集装箱船上冷藏箱数量较多，因此会消耗大量船舶电网的电能。
基于以上问题，若是以一种比较巧妙的方式将氨燃料中所蕴含的冷能进行回收，并应用在冷量所需较大的冷藏集装箱，既可以解决氨燃料冷能浪费的问题，还可以减少冷藏集装箱制冷设备对船舶电网的电力消耗，那么这种方法将具有较好的应用前景和实际应用价值。
发明内容
本发明的目的就是针对上述的问题，提出一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统。该系统主要包括：氨燃料供给系统，冷藏集装箱制冷系统。
其中，所述氨燃料供给系统包括：低温液氨罐、驳运泵、增压泵、压缩机、换热器、船舶主柴油机、液氨进口接头、液氨出口接头、氨气出口接头、氨气进口接头、燃料输送管路、燃料供给管路，其中燃料输送管路指的是驳运泵与液氨出口接头之间的管道，燃料供给管路指的是氨气进口接头与船舶主柴油机之间的管道。
冷藏集装箱制冷系统包括：冷藏集装箱制冷单元、温包、电磁继电器、电磁阀、第一截止阀、膨胀阀、蒸发盘管、第二截止阀、单向截止阀、蒸汽压力调节阀、冷藏集装箱、氨燃料进口管道、氨燃料出口管道、进口截止阀、出口截止阀，其中氨燃料进口管道的一端与液氨进口接头相连接，氨燃料进口管道的另一端与第一截止阀和膨胀阀之间的管道相连接，氨燃料出口管道的一端与氨气出口接头相连，氨燃料出口管道的另一端与第二截止阀和蒸发盘管之间的管道相连接。
在氨燃料供给系统中，驳运泵、增压泵、液氨出口接头依次通过燃料输送管路相连接，所述液氨出口接头与液氨进口接头可以相互配合，所述氨气进口接头与氨气出口接头可以相互配合，所述氨气进口接头、压缩机、换热器、船舶主柴油机依次通过燃料供给管路相连接。
在冷藏集装箱制冷系统中，所述冷凝器、膨胀阀、蒸发盘管、制冷压缩机依次通过管道相连接，冷凝器与膨胀阀之间的管道上设有第一截止阀，蒸发盘管与制冷压缩机之间的管道上设有第二截止阀，所述液氨进口接头、电磁阀、出口截止阀依次通过氨燃料进口管道相连接，所述进口截止阀通过氨燃料进口管道与第一截止阀和膨胀阀之间的管道相连接，所述温包设置在冷藏集装箱内，与电磁继电器相连接，所述电磁继电器通过线路与电磁阀相连接，所述出口截止阀、单向截止阀、蒸汽压力调节阀、氨气出口接头通过氨燃料出口管道依次相连接，所述出口截止阀通过氨燃料出口管道与第二截止阀与蒸发盘管之间的管道相连接，所述蒸发盘管安装在冷藏集装箱内。
冷藏集装箱原有制冷系统的制冷剂优先选用R717(主要成分是氨)，本发明内容主要讲述冷藏箱制冷系统的制冷剂为R717时，冷藏集装箱利用氨燃料冷能进行制冷的过程。
当船舶靠港装载冷藏集装箱后，液氨出口接头与液氨进口接头相连接，氨气出口接头与氨气进口接头相连接，当船舶开始航行时，第一截止阀与第二截止阀关闭，电磁阀、进口截止阀、出口截止阀打开，氨燃料通过驳运泵从低温液氨罐里被驳运出来，流经燃料输送管路达到增压泵，经过增压泵进行增压，再通过燃料输送管路流经液氨进口接头进入冷藏集装箱制冷单元，流经电磁阀、进口截止阀、膨胀阀，经过膨胀阀的减压后氨燃料进入冷藏集装箱内的蒸发盘管内，氨燃料吸收冷藏集装箱内货物的热量从而汽化成氨气，氨气依次流经出口截止阀、单向截止阀、蒸汽压力调节阀、氨气出口接头、氨气进口接头进入燃料供给管路，经过压缩机的压缩达到低压柴油机的进气压力，再经过换热器，利用海水冷却水对氨气进行降温，满足船舶主柴油机的进气温度，供船舶主柴油燃用。
集装箱船上冷藏集装箱的数目很多，其中，每个冷藏箱内都设置了温包，温包可以感应冷藏集装箱内的温度，当冷藏集装箱的温度达到温度的要求时，温包可以将信号传递给电磁继电器，电磁继电器可以控制电磁阀关闭，氨燃料将不再流经此冷藏集装箱的冷藏集装箱制冷单元。
另外，单向截止阀的作用是使从蒸发盘管出来的氨燃料只能进入氨燃料出口管道，蒸汽压力调节阀的作用是为了使进入燃料供给管路的燃料具有基本相同的压力，保证每个支路的氨燃料可以顺利进入燃料供给管路。
其中，液氨进口接头、液氨出口接头、氨气出口接头、氨气进口接头都具有自锁能力，在接口断开连接时，管内介质不会发生泄漏。当在船舶在港口装卸冷藏集装箱时，液氨进口接头与液氨出口接头断开连接，氨气出口接头与氨气进口接头断开连接，冷藏集装箱可以直接从船上卸下。
本发明的优点：
1.本发明通过利用氨燃料的冷能对冷藏集装箱进行制冷，解决了氨燃料冷能浪费的问题，使能量得到了充分的利用，也减少了集装箱船上冷藏集装箱制冷设备制冷时的电力消耗，减小了船舶电网的负荷，从而减少燃料的消耗，降低了船舶的运营成本。
2.本发明提出的一种基于集装箱船的氨燃料冷能的利用系统，系统结构比较简单，不需要对原有的冷藏集装箱结构进行过多的改造，直接在原有冷藏集装箱的制冷系统中加入体积较小的元件，让氨燃料进入制冷循环中，吸收冷藏集装箱内货物的热量，吸热后的氨燃料被汽化，随后经过加压和海水冷却降温后可以直接供船舶主柴油机使用，在船舶上比较容易实现，且改造成本较低。
3.本发明系统提供了一种氨燃料新型的能量利用形式，在利用氨燃料冷能对冷藏集装箱制冷的同时还可以保留冷藏集装箱原有的制冷系统，为促进氨燃料在船舶的应用提供支撑，促进了碳中和目标的早日实现，因此本发明具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为冷藏集装箱原有制冷系统一侧的外观图；
图3为冷藏集装箱制冷单元系统图；
图4为冷藏集装箱及其制冷系统的管道在绑扎桥上的位置和连接示意图；
图5为冷藏集装箱分布图；
附图中：1.驳运泵；2.增压泵；3.压缩机；4.换热器；5.船舶主柴油机；6.液氨进口接头；7.液氨出口接头；8.氨气出口接头；9.氨气进口接头；10.冷藏集装箱制冷单元；11.温包；12.电磁继电器；13.电磁阀；14.第一截止阀；15.膨胀阀；16.蒸发盘管；17.第二截止阀；18.单向截止阀；19.蒸汽压力调节阀；20.冷藏集装箱；21.氨燃料进口管道；22.氨燃料出口管道；23.低温液氨罐；24.燃料输送管路；25.燃料供给管路；26.进口截止阀；27.出口截止阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统，如图1，该系统主要包括：氨燃料供给系统，冷藏集装箱制冷系统。
其中，所述氨燃料供给系统包括：低温液氨罐23、驳运泵1、增压泵2、压缩机3、换热器4、船舶主柴油机5、液氨进口接头6、液氨出口接头7、氨气出口接头8、氨气进口接头9、燃料输送管路24、燃料供给管路25，其中燃料输送管路24指的是驳运泵1与液氨出口接头7之间的管道，燃料供给管路25指的是氨气进口接头9与船舶主柴油机5之间的管道。
冷藏集装箱制冷系统包括：冷藏集装箱制冷单元10、温包11、电磁继电器12、电磁阀13、第一截止阀14、膨胀阀15、蒸发盘管16、第二截止阀17、单向截止阀18、蒸汽压力调节阀19、冷藏集装箱20、氨燃料进口管道21、氨燃料出口管道22、进口截止阀26、出口截止阀27，其中氨燃料进口管道21的一端与液氨进口接头6相连接，氨燃料进口管道21的另一端与第一截止阀14和膨胀阀15之间的管道相连接，氨燃料出口管道22的一端与氨气出口接头8相连，氨燃料出口管道22的另一端与第二截止阀17和蒸发盘管16之间的管道相连接。
在氨燃料供给系统中，驳运泵1、增压泵2、液氨出口接头7依次通过燃料输送管路24相连接，所述液氨出口接头7与液氨进口接头6可以相互配合，所述氨气进口接头9与氨气出口接头8可以相互配合，所述氨气进口接头9、压缩机3、换热器4、船舶主柴油机5依次通过燃料供给管路25相连接。
在冷藏集装箱制冷系统中，所述冷凝器、膨胀阀15、蒸发盘管16、制冷压缩机依次通过管道相连接，形成闭合管路，构成冷藏集装箱20原有的制冷系统，冷凝器、制冷压缩机等安装在冷藏集装箱20的箱体外，如图2所示，本发明系统的管道和相关阀件可以安放在S1区域，冷凝器与膨胀阀15之间的管道上设有第一截止阀14，蒸发盘管16与制冷压缩机之间的管道上设有第二截止阀17，所述液氨进口接头6、电磁阀13、进口截止阀26依次通过氨燃料进口管道21相连接，所述进口截止阀26通过氨燃料进口管道21与第一截止阀14和膨胀阀15之间的管道相连接，所述温包11设置在冷藏集装箱20内，与电磁继电器12相连接，所述电磁继电器12通过线路与电磁阀13相连接，所述出口截止阀27、单向截止阀18、蒸汽压力调节阀19、氨气出口接头8依次通过氨燃料出口管道22相连接，所述出口截止阀27通过氨燃料出口管道22与第二截止阀17和蒸发盘管16之间的管道相连接，所述蒸发盘管16安装在冷藏集装箱20内。
为便于进行冷藏集装箱20原有制冷机组与氨燃料冷能制冷的切换，所述冷藏集装箱制冷系统中优先选用R717作为制冷剂，R717的组分是氨。
当船舶停靠港口装载冷藏集装箱时，如图3，液氨出口接头7与液氨进口接头6相连接，氨气出口接头8与氨气进口接头9相连接，当船舶驶离港口时，所述第一截止阀14与第二截止阀17关闭，电磁阀13、进口截止阀26、出口截止阀27打开，氨燃料通过驳运泵1从低温液氨罐23里被驳运出来，流经燃料输送管路24达到增压泵2，经过增压泵2进行增压，再通过燃料输送管路24流经液氨进口接头6进入冷藏集装箱制冷单元10，流经电磁阀13、进口截止阀26、膨胀阀15，经过膨胀阀15的减压后氨燃料进入冷藏集装箱20内的蒸发盘管16内，氨燃料吸收冷藏集装箱20内货物的热量从而汽化成氨气，氨气依次流经出口截止阀27、单向截止阀18、蒸汽压力调节阀19、氨气出口接头8、氨气进口接头9进入燃料供给管路25，经过压缩机3的压缩至低压柴油机的供气压力，再经过换热器4，利用海水冷却水对氨气进行降温，满足船舶主柴油机5的进气温度，供船舶主柴油燃用。
另外，单向截止阀18的作用是使从蒸发盘管16出来的氨燃料只能进入氨燃料出口管道22，防止冷凝剂回流造成蒸发盘管16的压力升高。由于冷藏集装箱分为高温冷藏集装箱和低温冷藏集装箱，高温冷藏集装箱和低温冷藏集装箱对温度的要求不同，因此氨燃料在冷藏集装箱20内的蒸发盘管16里的蒸发压力不同，进入氨燃料出口管道22的压力也不同，通过蒸汽压力调节阀19可以对进入氨燃料出口管道22的氨气进行压力的调节，使进入燃料供给管路25的氨气具有基本相同的压力，保证氨燃料可以顺利进入燃料供给管路25供船舶主柴油机5燃用。
集装箱船上冷藏集装箱的数目很多，其中，每个冷藏集装箱20内都设置了温包11，温包11可以感应冷藏集装箱20内的温度，当冷藏集装箱20的温度达到温度的要求时，温包11可以将信号传递给电磁继电器12，电磁继电器12可以控制电磁阀13关闭，氨燃料将不再流经此冷藏集装箱20的冷藏集装箱制冷单元10。
本发明提出的一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统不需要对冷藏集装箱20现有的制冷设备进行过多的改造，不会占用过多冷藏集装箱20的空间，只需要在冷藏集装箱20外安装快速接头、软管以及相应的阀件就可实现，其中，液氨进口接头6、液氨出口接头7、氨气出口接头8、氨气进口接头9都具有自锁能力，在接口断开连接时，管内的液体或者气体不会发生泄漏。
当船舶在港口卸载冷藏集装箱时，由于冷藏集装箱20中的制冷剂是液氨，所以只需液氨进口接头6与液氨出口接头7断开连接，氨气出口接头8与氨气进口接头9断开连接，冷藏集装箱就可以直接从船上卸下。
若所述冷藏集装箱20原有的制冷系统中的制冷剂不是R717，在使用本发明提出的一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统之前，第一截止阀14、进口截止阀26、出口截止阀27关闭，制冷剂在蒸发盘管16内汽化后经过制冷压缩机的压缩，然后到达冷凝器中，制冷压缩的作用是使蒸发盘管16内的制冷剂可以完全进入冷凝器中，最后关闭第二截止阀17。当船舶在锚泊或者长时间停靠港口时，需要启动冷藏集装箱20原有的制冷系统，由于制冷剂不是氨，此时液氨进口接头6与液氨出口接头7断开连接，氨气出口接头8与氨气进口接头9断开连接，进口截止阀26、出口截止阀27打开，第一截止阀14、第二截止阀17关闭，管道内残留的液氨流经电磁阀13、进口截止阀26、膨胀阀15，经过膨胀阀15的减压后氨燃料进入冷藏集装箱20内的蒸发盘管16内，氨燃料吸收冷藏集装箱20内货物的热量从而汽化成氨气，氨气依次流经出口截止阀27、单向截止阀18、蒸汽压力调节阀19、氨气出口接头8、氨气进口接头9进入燃料供给管路25，等到残余的氨燃料完全进入燃料供给管路25后，此时再启动冷藏集装箱20原有的制冷系统，进口截止阀26、出口截止阀27关闭，第一截止阀14、第二截止阀17打开，制冷剂依次流经第一截止阀14、膨胀阀15进入冷藏集装箱20内的蒸发盘管16，吸收冷藏集装箱20内货物的热量汽化，气化后的气体经过制冷压缩机的压缩进入冷凝器冷凝，这样就完成了一个冷藏集装箱原有的制冷系统的制冷循环。
如图4，本发明所提及的一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统，燃料输送管路24和燃料供给管路25可设置在氨动力集装箱船的绑扎桥上，其中液氨进口接头6与液氨出口接头7相互配合连接，同理氨气出口接头8和氨气进口接头9也采用相同的连接方式。
图1中C1包括冷藏集装箱制冷单元10和快速接头，本发明以C1包含的冷藏集装箱20为例介绍了冷藏集装箱20利用氨燃料冷能制冷的实施方案，类似的，C2……Cn包含的冷藏集装箱的实施方案与C1的相同。
在实际工况下，冷藏集装箱的数目会更多。图5为冷藏集装箱在船舶上的位置示意图，冷藏集装箱可以放在船舶甲板上，也可以在船舶的甲板之下的货舱内，本发明提出的一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统的管道和相应的阀件也可以安装在货舱内，具体连接方式同甲板上的冷藏集装箱的类似，因此此种实施方案可以解决更多冷藏集装箱利用氨燃料冷能制冷的问题。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统，其特征在于：该系统包括氨燃料供给系统，冷藏集装箱制冷系统；
其中，所述氨燃料供给系统包括：低温液氨罐(23)、驳运泵(1)、增压泵(2)、压缩机(3)、换热器(4)、船舶主柴油机(5)、液氨进口接头(6)、液氨出口接头(7)、氨气出口接头(8)、氨气进口接头(9)、燃料输送管路(24)、燃料供给管路(25)；
冷藏集装箱制冷系统包括：冷藏集装箱制冷单元(10)、温包(11)、电磁继电器(12)、电磁阀(13)、第一截止阀(14)、膨胀阀(15)、蒸发盘管(16)、第二截止阀(17)、单向截止阀(18)、蒸汽压力调节阀(19)、冷藏集装箱(20)、氨燃料进口管道(21)、氨燃料出口管道(22)、进口截止阀(26)、出口截止阀(27)；
所述液氨进口接头(6)、电磁阀(13)、进口截止阀(26)依次通过氨燃料进口管道(21)相连接，所述进口截止阀(26)通过氨燃料进口管道(21)与第一截止阀(14)和膨胀阀(15)之间的管道相连接；
所述出口截止阀(27)、单向截止阀(18)、蒸汽压力调节阀(19)、氨气出口接头(8)依次通过氨燃料出口管道(22)相连接，所述出口截止阀(27)通过氨燃料出口管道(22)与第二截止阀(17)和蒸发盘管(16)之间的管道相连接。
2.根据权利要求1中所述的一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统，其特征在于：其中氨燃料进口管道(21)的一端与液氨进口接头(6)相连接，氨燃料进口管道(21)的另一端与第一截止阀(14)和膨胀阀(15)之间的管道相连接，氨燃料出口管道(22)的一端与氨气出口接头(8)相连，氨燃料出口管道(22)的另一端与第二截止阀(17)和蒸发盘管(16)之间的管道相连接。
3.根据权利要求1中所述的一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统，其特征在于：冷凝器与膨胀阀(15)之间的管道上设有第一截止阀(14)，蒸发盘管(16)与制冷压缩机之间的管道上设有第二截止阀(17)。
4.根据权利要求1中所述的一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统，其特征在于：所述温包(11)设置在冷藏集装箱(20)内，与电磁继电器(12)相连接，所述电磁继电器(12)通过线路与电磁阀(13)相连接。
5.根据权利要求1中所述的一种氨动力集装箱船燃料冷能利用系统，其特征在于：所述驳运泵(1)、增压泵(2)、液氨出口接头(7)依次通过燃料输送管路(24)相连接，液氨出口接头(7)与液氨进口接头(6)可以相互配合，所述氨气进口接头(9)与氨气出口接头(8)可以相互配合，氨气进口接头(9)、压缩机(3)、换热器(4)、船舶主柴油机(5)依次通过燃料供给管路(25)相连接。
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