CN114109544A - 一种lng船多余挥发气燃烧发电装置及燃烧发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置及燃烧发电方法，所述燃烧发电装置，主机通过主机废气管路连接主机废气锅炉，发电机通过发电机废气管路连接发电机废气锅炉，主机废气锅炉、发电机废气锅炉通过饱和蒸汽管路连接气体燃烧装置，气体燃烧装置的内部设置有加热管路，气体燃烧装置通过过热蒸汽管路连接汽轮机组，汽轮机组连接热能发电机，汽轮机组通过乏气管路连接到用户终端，用户终端通过冷凝管路连接大气冷凝器，大气冷凝器通过给水管路连接热井，热井通过给水管路连接主机废气锅炉及发电机废气锅炉。本发明可以通过将锅炉给水加热成为过热蒸汽、过热蒸汽到汽轮机做功，最终可以将废热中的热能转换为可以被利用的电能，提升船舶的经济性能。
Description
技术领域
本发明涉及LNG船利用废热发电的方法，具体涉及一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置及燃烧发电方法。
背景技术
为了不断提高的排放控制要求，越来越多的船舶采用天然气作为推进系统燃料。用天然气替代燃料油以后，机舱内部需要加热的介质大大减少。以17.4万立方LNG运输船为例，燃气模式下全船蒸汽耗量约900kg/h(7barg饱和蒸汽)，与此相对应的是，利用主机废气加热生成的饱和蒸汽量约为3000kg/h(7barg饱和蒸汽)，因此，大量多余蒸汽只能通过大气大气冷凝器，由低温冷却水降温后成为凝水，再进入到蒸汽系统中。这样的处理方式，一方面浪费了大量的热量，另一方面，又加大了低温冷却淡水泵和冷却海水泵的负荷，造成了不必要的能量浪费。
LNG船在正常航行过程中，为了保障货舱的压力稳定，需要对货舱自然挥发的天然气进行处理。目前常用的处理方法有三种：
(1)再液化；通过配置再液化装置，利用电能将挥发的天然气进行冷却，重新变为液态，再存储到货舱内。
(2)燃烧；通过CGU(气体燃烧装置)进行燃烧，生成水和二氧化碳，直接排到大气中，部分LNG船采用双燃料柴油机，可以消耗掉部分自然挥发的天然气。
(3)直接排放；应急工况下，通过安全阀直接排放到大气中。
因此，如果能够对饱和蒸汽进行利用，就可以将这部分浪费的热能利用起来，避免能源的浪费。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，本发明能够最大限度的利用柴油机的废热和LNG船运行时货舱产生的多余挥发天然气，将这部分原本不能利用的能源转化为电能，减少能源消耗，提高船舶经济型，更加绿色环保。此外，本发明还要提供一种LNG船多余挥发气燃烧发电方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，包括主机、发电机、主机废气锅炉、发电机废气锅炉、气体燃烧装置、汽轮机组、大气冷凝器、热井、锅炉给水泵，所述主机通过主机废气管路连接所述主机废气锅炉，所述发电机通过发电机废气管路连接发电机废气锅炉，所述主机废气锅炉、所述发电机废气锅炉通过饱和蒸汽管路连接所述气体燃烧装置，所述气体燃烧装置的内部设置有加热管路，所述气体燃烧装置通过过热蒸汽管路连接所述汽轮机组，所述汽轮机组连接热能发电机，所述汽轮机组通过乏气管路连接到用户终端，所述用户终端通过冷凝管路连接所述大气冷凝器，所述大气冷凝器通过给水管路连接所述热井，所述热井通过给水管路连接所述主机废气锅炉及所述发电机废气锅炉。
作为优选的技术方案，所述主机废气锅炉与所述主机一一对应设置，所述发电机废气锅炉与所述发电机一一对应设置，所述主机设置为两个，所述发电机设置为四个，所述主机与所述主机、所述发电机与所述发电机、所述主机与所述发电机之间并联连接。
作为优选的技术方案，所述气体燃烧装置采用货舱内自然挥发的天然气作为燃料源。
作为优选的技术方案，所述饱和蒸汽管路中废气的温度为180℃，压力为7bar，焓值为2777.1kj/kg。
作为优选的技术方案，所述过热蒸汽管路中废气的温度为515℃，压力为60.8bar，焓值为3456.641kj/kg。
作为优选的技术方案，所述热井通过给水管的一个支路连接所述气体燃烧装置。
本发明的第二方面，提供一种LNG船多余挥发气燃烧发电方法，采用上述的燃烧发电装置，包括以下步骤：
判断自然挥发气的含量，根据自然挥发气的含量判断燃烧发电装置的工作模式。
作为优选的技术方案，若不存在多余的自然挥发天然气，燃烧发电装置不工作。
作为优选的技术方案，若自然挥发天然气的含量低于设定的临界值，气体燃烧装置在低负荷下工作，具体为：
部分发电机废弃锅炉或主机废弃锅炉产生的饱和蒸汽进入气体燃烧装置，在气体燃烧装置内加入为过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机组中做功产生电能，做功后的乏汽作为加热介质到其他用户处损失热量后进入大气冷凝器，经过冷却后进入热井，热井中的锅炉给水通过锅炉给水泵进入主机废弃锅炉与发电机废弃锅炉，重复循环。
作为优选的技术方案，若自然挥发天然气的含量大于设定的临界值，气体燃烧装置在满负荷下工作，具体为：
全部发电机废弃锅炉和主机废弃锅炉产生的饱和蒸汽进入气体燃烧装置，热井内的部分给水进入气体燃烧装置，在气体燃烧装置内加入为过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机组中做功产生电能，做功后的乏汽作为加热介质到其他用户处损失热量后进入大气冷凝器，经过冷却后进入热井，热井中的锅炉给水通过锅炉给水泵进入主机废弃锅炉与发电机废弃锅炉，重复循环。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明能够实现对柴油机、GCU废热的最大化利用，这些设备产生的废热，可以通过将锅炉给水加热成为过热蒸汽、过热蒸汽到汽轮机做功，最终可以将废热中的热能转换为可以被利用的电能，达到节能减排的目的提升船舶的经济性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例LNG船多余挥发气燃烧发电装置的结构示意图。
图2为本发明第二实施例LNG船多余挥发气燃烧发电装置的结构示意图。
其中，附图标记具体说明如下:主机废气锅炉1、发电机废气锅炉2、主机3、发电机4、气体燃烧装置5、汽轮机组6、大气冷凝器7、热井8、锅炉给水泵9。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，包括主机3、发电机4、主机废气锅炉1、发电机废气锅炉2、气体燃烧装置5、汽轮机组6、大气冷凝器7、热井8、锅炉给水泵9，所述主机3通过主机废气管路连接所述主机废气锅炉1，所述发电机4通过发电机废气管路连接发电机废气锅炉2，所述主机废气锅炉1、所述发电机废气锅炉2通过饱和蒸汽管路连接所述气体燃烧装置5，所述气体燃烧装置5的内部设置有加热管路，所述气体燃烧装置5通过过热蒸汽管路连接所述汽轮机组6，所述汽轮机组6连接热能发电机，所述汽轮机组6通过乏气管路连接到用户终端，所述用户终端(船舶蒸汽系统箱柜、管路、加热器等)通过冷凝管路连接所述大气冷凝器7，所述大气冷凝器7通过给水管路连接所述热井8，所述热井8通过给水管路连接所述主机废气锅炉1及所述发电机废气锅炉2。
其中，所述主机废气锅炉1与所述主机3一一对应设置，所述发电机废气锅炉2与所述发电机4一一对应设置，所述主机3设置为两个，所述发电机4设置为四个，所述主机3与所述主机3、所述发电4机与所述发电机4、所述主机3与所述发电机4之间并联连接。
其中，所述气体燃烧装置5采用货舱内自然挥发的天然气作为燃料源。
其中，所述饱和蒸汽管路中废气的温度为180℃，压力为7bar，焓值为2777.1kj/kg。
其中，所述过热蒸汽管路中废气的温度为515℃，压力为60.8bar，焓值为3456.641kj/kg。
实施例2
本实施例提供一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，本实施例的结构与实施例1的结构大致相同，区别点在于，本实施例中，热井8通过给水管的一个支路连接所述气体燃烧装置5。
实施例3
本实施例提供一种LNG船多余挥发气燃烧发电方法，包括以下步骤：
模式一：GCU不工作；
该模式下，没有多余的NBOG(自然挥发气)，本发明描述的系统不工作。
模式二：GCU在低负荷下工作，NBOG量低于730kg/h；
该模式下，自然挥发天然气NBOG在GCU中燃烧产生的热能，仅能将全部或部分柴油机废气利用产生的饱和蒸汽(180℃，7bar，焓值为2777.1kj/kg)，加热为过热蒸汽(515℃，60.8bar，焓值按照3456.64kj/kg)。
以174000立方米级LNG船为例，其配置的WinGD6X72DF低速双燃料主机3两台，可以产生的蒸汽约为1500kg/h*2台＝3000kg/h，发电机4配置为wartsila 2x6L34DF+2x8L34DF,正常航行工况两台发电机负荷60％左右，可产生蒸汽约1600kg/h。174000立方米级LNG船，NBOG(自然挥发气)的量一般为4400kg/h。
如图1所示，热井8中的锅炉给水(80℃，液态)通过锅炉给水泵9，进入到主机废弃锅炉、发电机废气锅炉2中，经过柴油机排气加热，成为饱和蒸汽(180℃，7bar)，饱和蒸汽经过气体燃烧装置5后被加热为过热蒸汽(515℃，60.8bar，焓值按照3456.64kj/kg)，过热蒸汽在汽轮机组6中做功，产生电能，做功后的乏汽(350℃，3bar，焓值3171.45kj/kg)，作为加热介质，到其他用户处损失热量后再进入大气冷凝器7，经过冷却回到热井8，重复循环。
按照汽轮机50％的热能/电能转换率，4400kg/h过热蒸汽(515℃，60.8bar，焓值按照3456.64kj/kg)做功后变成乏汽(350℃，3bar，焓值3171.45kj/kg)，可以产生的电能为174.3kw。
将饱和蒸汽(180℃，7bar，焓值为2777.1kj/kg)，加热为过热蒸汽，4400kg/h饱和蒸汽加热为过热蒸汽需要的热量为830.55kw，按照82％的热量转换率来计算，GCU的热量消耗约为1012.86kw，按照燃气热值5000kj/kg来计算，需要燃烧729.26kg/h纯甲烷。
由此可以看出，气体燃烧装置5燃气耗量低于729.26kg/h时，总的可被利用电功率和GCU处理的NBOG量呈正比例关系，1kg/h NBOG可以产生约0.24kw电功率；
模式三，GCU处理的NBOG量高于730kg/h；
如图2所示，该模式下，气体燃烧装置5燃烧NBOG产生的热能，不仅可以将饱和蒸汽全部加热为过热蒸汽，还有一定的富余，为了利用这部分富余，可以直接将锅炉给水(80℃，液态)，焓值334.921kj/kg，加热为过热蒸汽管路(515℃，60.8bar)，再利用这些过热蒸汽到汽轮机做功。
1kg/h锅炉给水加热为过热蒸汽需要的热量为0.867kw，按照82％的热量转换率来计算，GCU的热量消耗约为1.06kw，需要燃烧0.76kg/h NBOG，这部分的过热蒸汽可以被转换为0.04kw，即：1kg/h的NBOG燃烧可以利用的电能约0.053kw。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
Claims (10)
1.一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，其特征在于，包括主机、发电机、主机废气锅炉、发电机废气锅炉、气体燃烧装置、汽轮机组、大气大气冷凝器、热井、锅炉给水泵，所述主机通过主机废气管路连接所述主机废气锅炉，所述发电机通过发电机废气管路连接发电机废气锅炉，所述主机废气锅炉、所述发电机废气锅炉通过饱和蒸汽管路连接所述气体燃烧装置，所述气体燃烧装置的内部设置有加热管路，所述气体燃烧装置通过过热蒸汽管路连接所述汽轮机组，所述汽轮机组连接热能发电机，所述汽轮机组通过乏气管路连接到用户终端，所述用户终端通过冷凝管路连接所述大气冷凝器，所述大气冷凝器通过给水管路连接所述热井，所述热井通过给水管路连接所述主机废气锅炉及所述发电机废气锅炉。
2.如权利要求1所述的一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，其特征在于，所述主机废气锅炉与所述主机一一对应设置，所述发电机废气锅炉与所述发电机一一对应设置，所述主机设置为两个，所述发电机设置为四个，所述主机与所述主机、所述发电机与所述发电机、所述主机与所述发电机之间并联连接。
3.如权利要求1所述的一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，其特征在于，所述气体燃烧装置采用货舱内自然挥发的天然气作为燃料源。
4.如权利要求1所述的一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，其特征在于，所述饱和蒸汽管路中废气的温度为180℃，压力为7bar，焓值为2777.1kj/kg。
5.如权利要求1所述的一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，其特征在于，所述过热蒸汽管路中废气的温度为515℃，压力为60.8bar，焓值为3456.641kj/kg。
6.如权利要求1所述的一种LNG船多余挥发气燃烧发电装置，其特征在于，所述热井通过给水管的一个支路连接所述气体燃烧装置。
7.一种LNG船多余挥发气燃烧发电方法，采用权利要求1-6任一项所述的LNG船多余挥发气燃烧发电装置，其特征在于，包括以下步骤：
判断自然挥发气的含量，根据自然挥发气的含量判断燃烧发电装置的工作模式。
8.如权利要求7所述的一种LNG船多余挥发气燃烧发电方法，其特征在于，若不存在多余的自然挥发天然气，燃烧发电装置不工作。
9.如权利要求7所述的一种LNG船多余挥发气燃烧发电方法，其特征在于，若自然挥发天然气的含量低于设定的临界值，气体燃烧装置在低负荷下工作，具体为：
部分发电机废弃锅炉或主机废弃锅炉产生的饱和蒸汽进入气体燃烧装置，在气体燃烧装置内加入为过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机组中做功产生电能，做功后的乏汽作为加热介质到其他用户处损失热量后进入大气冷凝器，经过冷却后进入热井，热井中的锅炉给水通过锅炉给水泵进入主机废弃锅炉与发电机废弃锅炉，重复循环。
10.如权利要求7所述的一种LNG船多余挥发气燃烧发电方法，其特征在于，若自然挥发天然气的含量大于设定的临界值，气体燃烧装置在满负荷下工作，具体为：
全部发电机废弃锅炉和主机废弃锅炉产生的饱和蒸汽进入气体燃烧装置，热井内的部分给水进入气体燃烧装置，在气体燃烧装置内加入为过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机组中做功产生电能，做功后的乏汽作为加热介质到其他用户处损失热量后进入大气冷凝器，经过冷却后进入热井，热井中的锅炉给水通过锅炉给水泵进入主机废弃锅炉与发电机废弃锅炉，重复循环。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220301 |