CN114109660A - 一种双燃料动力船lng冷能与主机余热利用系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，该系统包括纵向两级并联朗肯循环和横向三级嵌套朗肯循环。利用两级并联朗肯循环系统替代原有船舶余热利用的余热锅炉利用系统，并在该两级并联朗肯循环的基础上增加了LNG横向三级嵌套朗肯循环，将360℃涡轮出口高温烟气分别用于以海水为冷源的两级并联朗肯循环和以LNG为冷源的三级嵌套朗肯循环，实现了LNG冷能与主机余热的高效利用。并且将第一级有机朗肯循环与低温冷库并联，将第三级跨临界CO2朗肯循环与高温冷库和空调循环并联。本发明通过有效整合LNG汽化回路和高温烟气冷却回路，并根据不同时空环境下船舶的需求，在满足船舶需求的基础上提高冷能综合利用率。

Description

一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统及工作方法
技术领域
本发明涉及一种船舶热能与LNG冷能的利用系统及工作方法，特别是涉及一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统及工作方法。
背景技术
LNG用于运输和储存的主要优点是LNG的体积比气态NG少600倍，其密度约为400kg/m3，使得LNG的能量密度明显高于NG。在运输和储存期间，LNG保持在几乎大气压和-162℃的温度。双燃料动力船舶航行过程中使用LNG，则需要重新将其汽化为气态天然气。每千克的LNG汽化能够释放出830kJ的冷能，倘若能够合理地利用或回收LNG汽化所释放的这部分冷能，必定能收获相当可观的经济和环境效益。
中国发明专利CN 112539091 A提出了一种双燃料动力船LNG冷能梯级综合利用系统，采用横向三级嵌套的朗肯循环发电将LNG燃料冷能逐级利用发电，并且将第三级跨临界CO2朗肯循环与蓄冷循环、冷库+空调循环并联，从而共同形成实现春、秋、冬季需用的发电+冷库的冷能利用，实现夏季需用的发电+冷库+空调的冷能综合利用，实现春、秋、冬季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库的正常运转和实现夏季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库和空调的正常运转四种系统的工作方式。但此系统中高温烟气为余热锅炉出口的165℃的烟气，即默认涡轮出口的高温烟气(360℃)首先应用于余热锅炉发电，然后从余热锅炉出来的165℃烟气再为LNG冷能梯级综合利用系统的第三级循环提供热源。并且在此系统中所需的高温烟气(165℃)仅占余热锅炉出口烟气的一部分，仅认为余热锅炉出口烟气是足够满足第三级循环工质汽化需求的，而多余的高温烟气未被利用，也造成了能量的浪费。
船舶主机作为船舶的中央动力单元，运行产生的余热约占整个船舶动力系统消耗能量的50％，其主要包括主机高温烟气中的中温余热和冷却介质携带的低温余热等。在主机余热利用系统中，现有的研究和应用大多是利用主机排气进行做功和制热，通常的技术手段是采用以水为工质的朗肯动力循环。为了提高船舶能量综合利用率，减少燃料消耗，典型的余热回收系统来回收主机排烟余热，其系统回收排烟余热均釆用动力涡轮+单/双/三压余热锅炉+汽轮发电机组作为主要设备构建系统，最大可回收相当于主机功率9％～12％的能量。这种余热利用方法的优点是技术成熟，但系统结构复杂，占地面积较大。另一方面，蒸气朗肯循环技术在用于回收船舶主机排气这种中品位余热时，利用效率受限于主机排气温度而非常低，系统结构上的改变并不能大幅提高系统性能，并且更要综合考虑船舶有限的面积。
从上述现有技术可知，分别针对船舶进行LNG冷能利用和主机余热的研究已有不少，但还存在一些不足之处，而且LNG冷能与主机余热综合利用的研究中仅针对LNG冷能量进行了定量分析，没有针对主机高温烟气热量进行定量分析。目前大多数集装箱LNG动力船对于主机余热利用采用的是余热锅炉做功和制热，能量利用率低；在使用LNG的过程中往往将大量冷能排入海水或缸套水中，造成环境的污染和能量的浪费。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的一个任务是提供一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，解决以三级循环的LNG冷能利用配合余热锅炉对高温烟气的热能利用其热能能量利用率低，且余热利用系统结构复杂的问题，提高能量的综合利用率。本发明的另一任务是提供一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统的工作方法。
本发明技术方案如下：一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，包括：
LNG蒸发侧，由LNG依次经过第一级增压、第一级换热、第二级增压和第二级换热后进入两条蒸发路径中的至少一条形成气态，所述两条蒸发路径的一条为第三级换热，另一条为依次经过高温冷库换热和空调换热；
第一级有机朗肯循环发电单元，所述第一级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第一级发电工质增压后依次通过低温冷库换热、所述第二级换热、所述第三级换热后由烟气加热，并进行膨胀做功后通过所述第一级换热再重新增压的回路；
第二级有机朗肯循环发电单元，所述第二级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第二级发电工质增压后依次通过所述第三级换热再由烟气加热，并进行膨胀做功后通过所述第二级换热再重新增压的回路；
第三级跨临界朗肯循环发电单元，所述第三级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路为第三级发电工质增压后通过第一回热再由烟气加热，并进行膨胀做功后依次通过所述第一回热、所述第三级换热后再重新增压的回路，所述第一回热为增压后的所述第三级发电工质与膨胀做功后的所述第三级发电工质换热；
第四级跨临界朗肯循环发电单元，所述第四级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路为第四级发电工质增压后通过第二回热再进行第一烟气加热并进行膨胀做功后依次通过所述第二回热、中间换热、第一海水冷凝再重新增压的回路；
第五级有机朗肯循环发电单元，所述第五级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第五级发电工质增压后通过所述中间换热后进行膨胀做功，然后通过第二海水冷凝再重新增压的回路；
以及烟气侧，由烟气先对第四级发电工质加热后再分别对第三级发电工质和第二级发电工质加热；
其中所述第一级换热所述LNG向膨胀做功后的所述第一级发电工质吸热，所述第二级换热为所述LNG和经所述低温冷库换热后的所述第一级发电工质共同向膨胀做功后的所述第二级发电工质吸热，所述第三级换热为所述LNG、经过第二级换热后的所述第一级发电工质、增压后的所述第二级发电工质共同向增压前的所述第三级发电工质吸热，所述高温冷库换热为高温冷库工质经蒸发制冷后向所述LNG放热，所述空调换热为空调工质经蒸发制冷后向所述LNG放热，所述低温冷库换热为低温冷库工质经蒸发制冷后向增压后的所述第一级发电工质放热，所述中间换热为由第一海水冷凝前的第四级发电工质向增压后的第五级发电工质放热。
进一步地，所述第四级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路中增压后的所述第四级发电工质先经过第二烟气加热然后进行第二回热，所述第二烟气加热时的烟气为对第四级发电工质加热后的烟气。
进一步地，所述第三级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路中所述第三级发电工质经过所述第一回热后经过第三烟气加热进行第一次膨胀做功然后再经过第四烟气加热进行第二次膨胀做功，第三烟气加热和第四烟气加热时的烟气均为对第四级发电工质加热后的烟气。
进一步地，所述LNG蒸发侧包括依次连接的LNG储罐、一级LNG增压泵、第一级LNG换热器、二级LNG增压泵、第二级LNG换热器和分流器，所述分流器的出口分别连接第一阀门和第二阀门，所述第一阀门连接第三级LNG换热器，所述第二阀门后依次连接高温冷库换热器和空调换热器，所述第三级LNG换热器和所述空调换热器共同连接汇流器；所述第一级朗肯循环发电单元由包括第一级发电工质泵、冷温冷库换热器、所述第二级LNG换热器、所述第三级LNG换热器、第一级透平膨胀机和所述第一级LNG换热器依次连接构成的循环回路；所述第二级朗肯循环发电单元由包括第二级发电工质泵、所述第三级LNG换热器、第二级高温烟气换热器、第二级透平膨胀机和所述第二级LNG换热器依次连接构成的循环回路；所述第三级跨临界朗肯循环发电单元由包括第三级发电工质泵、第一回热器、第三级高温烟气换热器、第三级透平膨胀机和所述第三级LNG换热器连接构成的循环回路；所述第四级跨临界朗肯循环发电单元由包括第四级发电工质泵、第二回热器、第一级高温烟气换热器、第三级透平膨胀机、中间换热器和第一级海水换热器连接构成的循环回路；所述第五级朗肯循环发电单元由包括第五级发电工质泵、所述中间换热器、第五级透平膨胀机和第二级海水换热器依次连接构成的循环回路；所述烟气侧包括所述第一级高温烟气换热器、所述第二级高温烟气换热器和所述第三级高温烟气换热器，所述第一级高温烟气换热器的热源输出端连接烟气分流器，所述烟气分流器的出口分别连接所述第二级高温烟气换热器和所述第三级高温烟气换热器的热源输入端；其中，所述第一级LNG换热器进行所述第一级换热，所述第二级LNG换热器进行所述第二级换热，所述第三级LNG换热器进行所述第三级换热，所述中间换热器进行第四级发电工质和第五级发电工质的中间换热。
进一步地，所述第三级透平膨胀机包括第三级一次透平膨胀机和第三级二次透平膨胀机，所述第三级跨临界朗肯循环发电单元包括第四级高温烟气换热器，所述第三级高温烟气换热器的冷源输出端连接至第三级一次透平膨胀机的入口，第三级一次透平膨胀机的出口连接至所述第四级高温烟气换热器的冷源输入端，第四级高温烟气换热器的冷源输出端连接至所述第三级二次透平膨胀机的入口，第三级二次透平膨胀机的出口通过所述第一回热器连接至所述第三级LNG换热器，所述烟气分流器的出口分别连接至所述第三级高温烟气换热器和所述第四级高温烟气换热器的热源输入端。
进一步地，所述第四级跨临界朗肯循环发电单元包括第五级高温烟气换热器，所述第四级发电工质泵的出口连接至所述第五级高温烟气换热器的冷源输入端，所述第五级高温烟气换热器的冷源输出端连接至所述第二回热器，所述烟气分流器的出口连接至所述第五级高温烟气换热器的热源输入端。
进一步地，所述第一级发电工质的温度区间为-140～220℃，所述第二级发电工质的温度区间为-25～220℃，所述第三级发电工质的温度区间为5～220℃，所述第四级发电工质的温度区间为25～355℃，所述第五级发电工质的温度区间为25～215℃，所述低温冷库制冷工质温度区间为-133～-40℃，所述高温冷库制冷工质温度区间为-31～
-15℃，所述空调制冷工质温度区间为-20～15℃。
一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统的工作方法，上述的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统运行，包括在春、秋、冬季使第二级换热后的LNG仅经过第三级换热的路径进行蒸发；在夏季使第二级换热后的LNG同时经过第三级换热的路径以及高温冷库换热和空调换热的路径进行蒸发。
本发明所提供的技术方案的优点在于：
1、本发明针对双燃料动力船主机废气涡轮出口高温烟气提出了两级并联朗肯循环系统替代原有的余热锅炉利用系统，并在该两级并联朗肯循环系统的基础上增加了LNG冷能利用系统，实现了LNG冷能与主机余热的综合利用。
2、本发明采用横向三级嵌套朗肯循环以LNG燃料冷能为冷源、以主机废气涡轮出口高温烟气为热源逐级利用发电，纵向两级并联朗肯循环以海水为冷源、以涡轮出口高温烟气为热源逐级利用发电，能实现LNG冷能和主机余热全温度段(-162℃～360℃)的梯级能量利用；
3、将第一级有机朗肯循环与低温冷库并联，将第三级跨临界CO2朗肯循环与高温冷库和空调循环并联，从而共同形成两种不同的系统工作模式：春、秋、冬季可用的发电+低温冷库冷能利用系统，夏季需使用高温冷库和空调时可用的发电+高、低温冷库+空调的冷能综合利用系统，使系统能通过相应功能模块的调节，在满足船舶相应制冷需求的基础上提高冷
Figure BDA0003379389240000051
综合利用率，降低船舶的营运成本。
附图说明
图1是实施例的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
请结合图1所示，本实施例的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统包括LNG蒸发侧，包括依次通过管道连接的LNG储罐1、第一级LNG增压泵2、第一级LNG换热器3、第二级LNG增压泵4、第二级LNG换热器5的冷源输入端501和冷源输出端502、LNG分流器6。其中第一级LNG增压泵2的出口连接至第一级LNG换热器3的冷源输入端301，第一级LNG换热器3的冷源输出端302连接至第二级LNG增压泵4的入口，第二级LNG增压泵4的出口连接至第二级LNG换热器5的第一冷源输入端501，第二级LNG换热器5的第一冷源输出端502连接至LNG分流器6。
分流器6的出口分为两股流，第一股连接第一阀门7、第三级LNG换热器8和LNG汇流器12，第一阀门7连接至第三级LNG换热器8的第一冷源输入端801，第三级LNG换热器8的第一冷源输出端802连接至LNG汇流器12；第二股连接第二阀门9、高温冷库换热器10、空调换热器11和LNG汇流器12。其中第二阀门9连接至高温冷库换热器10的冷源输入端1001，高温冷库换热器10的冷源输出端1002连接至空调换热器11的冷源输入端1101，空调换热器11的冷源输出端1102连接至LNG汇流器12与LNG经过分流器6后经过上述两路分流，然后通过LNG汇流器12混合后一同流入主机。
高温烟气侧，包括第一级高温烟气换热器13、烟气分流器14、第五级高温烟气换热器15、第三级高温烟气换热器16、第四级高温烟气换热器17和第二级高温烟气换热器18。从船舶主机废气涡轮流出的高温烟气通过第一级高温烟气换热器13的热源输入端1301进入，第一级高温烟气换热器13的热源输出端1302连接至烟气分流器14。分流器14分为四路分别连接至第五级高温烟气换热器15的热源输入端1501、第三级高温烟气换热器16的热源输入端1601、第四级高温烟气换热器17的热源输入端1701和第二级高温烟气换热器18的热源输入端1805，换热后烟气从第五级高温烟气换热器15的热源输出端1502、第三级高温烟气换热器16的热源输出端1602、第四级高温烟气换热器17的热源输出端1702和第二级高温烟气换热器18的热源输出端1806排出。从主机排出的高温烟气在第一级高温烟气换热器13和第五级高温烟气换热器15为第四级跨临界CO2朗肯循环，提供热量，并间接为第五级有机朗肯循环提供热量。高温烟气在经过第一级高温烟气换热器13后通过第三级高温烟气换热器16和第四级高温烟气换热器17为第三级跨临界CO2朗肯循环提供热量并间接为第一级有机朗肯循环和第二级有机朗肯循环提供热量。另外经过第一级高温烟气换热器13后的烟气还通过第二级高温烟气换热器18为第一级有机朗肯循环和第二级有机朗肯循环提供热量。
海水侧，包括海水分流器42、第一级海水换热器31和第二级海水换热器34，用海水泵抽取的冷却海水，通过海水分流器42分为两股流，一股连接第一级海水换热器31的冷源输入端3103，换热后海水从第一级海水换热器31的冷源输出端3104排出，为第四级跨临界CO2朗肯循环提供冷量；一股连接第二级海水换热器34的冷源输入端3403，换热后海水从第二级海水换热器34的冷源输出端3404排出，为第五级有机朗肯循环提供冷量。
第一级有机朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第一级LNG换热器3、第一级发电工质泵19、低温冷库换热器20、第二级LNG换热器5、第三级LNG换热器8、第二级高温烟气换热器18和第一级透平膨胀机21。第一级LNG换热器3的热源输出端304连接至第一级发电工质泵19的入口，第一级发电工质泵19的出口连接至低温冷库换热器20的冷源输入端2001，冷源输入端2001的冷源输出端2002连接至第二级LNG换热器5的第二冷源输入端503，第二级LNG换热器5的第二冷源输出端504连接至第三级LNG换热器8的第二冷源输入端803，第三级LNG换热器8的第二冷源输出端804连接至第二级高温烟气换热器18的第二冷源输入端1801，第二级高温烟气换热器18的第二冷源输出端1802连接至第一级透平膨胀机21的入口，第一级透平膨胀机21的出口连接至第一级LNG换热器3的热源输入端303，第一级透平膨胀机21驱动第一级发电机组工作。
第二级有机朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第二级LNG换热器5、第二级发电工质泵22、第三级LNG换热器8、第二级高温烟气换热器18和第二级透平膨胀机23。第二级LNG换热器5的热源输出端506连接至第二级发电工质泵22的入口，第二级发电工质泵22的出口连接至第三级LNG换热器8的第三冷源输入端805，第三级LNG换热器8的第三冷源输出端806连接至第二级高温烟气换热器18的第二冷源输入端1803，第二级高温烟气换热器18的第二冷源输出端1804连接至，第二级透平膨胀机23的入口，第二级透平膨胀机23的出口连接至第二级LNG换热器5的热源输入端505，第二级透平膨胀机23驱动第二级发电机组工作。
第三级跨临界CO2朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第三级LNG换热器8、第三级发电工质泵24、第一回热器25、第三级高温烟气换热器16、第三级一次透平膨胀机26、第四级高温烟气换热器17和第三级二次透平膨胀机27。第三级LNG换热器8的热源输出端808连接至第三级发电工质泵24的入口，第三级发电工质泵24的出口连接至第一回热器25的冷源输入端2501，第一回热器25的冷源输出端2502连接至第三级高温烟气换热器16的冷源输入端1603，第三级高温烟气换热器16的冷源输出端1604连接至第三级一次透平膨胀机26的入口，第三级一次透平膨胀机26的出口连接至第四级高温烟气换热器17的冷源输入端1703，第四级高温烟气换热器17的冷源输出端1604连接至第三级一次透平膨胀机26的入口，第三级一次透平膨胀机26的出口连接至第三级二次透平膨胀机27的入口，第三级二次透平膨胀机27的出口连接至第一回热器25的热源输入端2503，第一回热器25的热源输出端2504连接至第三级LNG换热器8的热源输入端807，第三级一次透平膨胀机26和第三级二次透平膨胀机27共同驱动第三级发电机组工作。
第四级跨临界CO2朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第一级高温烟气换热器13、第四级透平膨胀机28、第二回热器29、第五级有机朗肯换热器30、第一级海水换热器31、第四级发电工质泵32和第五级高温烟气换热器15。第一级高温烟气换热器13的冷源输出端1304连接至第四级透平膨胀机28的入口，第四级透平膨胀机28的出口连接至第二回热器29的热源输入端2901，回热器29的热源输出端2902连接至第五级有机朗肯换热器30的热源输入端3001，第五级有机朗肯换热器30的热源输出端3002连接至第一级海水换热器31的热源输入端3101，第一级海水换热器31的热源输出端3102连接至第四级发电工质泵32的入口，第四级发电工质泵32的出口连接至第五级高温烟气换热器15的冷源输入端1503，第五级高温烟气换热器15的冷源输出端1504连接至第二回热器29的冷源输入端2903，第二回热器29的冷源输出端2904连接至第一级高温烟气换热器13的冷源输入端1303，第四级透平膨胀机28驱动第四级发电机组工作。
第五级有机朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第五级有级朗肯换热器30、第五级透平膨胀机33、第二级海水换热器34和第五级发电工质泵35。第五级有级朗肯换热器30的冷源输出端3004连接至第五级透平膨胀机33的入口，第五级透平膨胀机33的出口连接至第二级海水换热器34的热源输入端3401，第二级海水换热器34的热源输出端3402连接至第五级发电工质泵35的入口，第五级发电工质泵35的出口连接至第五级有级朗肯换热器30的冷源输入端3003，第五级透平膨胀机33驱动第五级发电机组工作。
低温冷库制冷单元，包括依次通过管道连接的低温冷库换热器20的热源输出端2004、低温冷库工质泵36、低温冷库制冷工质蒸发器37及低温冷库换热器20的热源输入端2003，低温冷库制冷工质蒸发器37通过蒸发吸热降温。
高温冷库制冷单元，包括依次通过管道连接的高温冷库换热器10的热源输出端1004、高温冷库工质泵38、高温冷库制冷工质蒸发器39及高温冷库换热器10的热源输入端1003，高温冷库制冷工质蒸发器37通过蒸发吸热降温；
空调制冷单元，包括依次通过管道连接的空调换热器11的热源输出端1104、空调工质泵40、空调制冷工质蒸发器41及空调换热器11的热源输入端1103，空调制冷工质蒸发器41通过蒸发吸热降温。
本发明的一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统的工作方法，根据需求分为两种工作方式。
一、实现夏季需用的发电+低温冷库+高温冷库+空调系统的LNG冷能与主机余热利用，系统的工作方式如下：
第一阀门7、第二阀门9开启，实现夏季需用的发电+低温冷库+高温冷库+空调系统。
LNG流程：从LNG储罐1出来的LNG燃料为450kPa、-162℃，船舶主机进气所需LNG汽化流量为5440kg/h，经第一级LNG增压泵2增压到15MPa，然后进入第一级LNG换热器3进行吸热后升温到-87℃，为第一级朗肯循环和低温冷库提供冷量；然后经第二级LNG增压泵4再次增压到30MPa，此时LNG汽化为NG，再通过第二级LNG换热器5进一步吸热升温到-36℃，与第一级发电工质一起为第二级朗肯循环提供冷量；从第二级LNG换热器5出来NG被分流器6分为两股流，第一股的流量为2440kg/h，经过第一阀门7后，进入第三级LNG换热器8吸热升温到10℃，与第一级发电工质和第二级发电工质一起为第三级有机朗肯循环提供冷量，然后通过LNG汇流器12进入船舶主机；第二股的流量为3000kg/h，经过第二阀门9后，进入高温冷库换热器10进行吸热升温到-25℃，再进入空调换热器11进行吸热升温到10℃，为高温冷库和空调循环提供冷量，然后通过LNG汇流器12与第一股混合为一起，达到10℃、30MPa的主机进气要求，然后流入主机。
高温烟气流程：从船舶主机废气涡轮流出的高温烟气为104kPa、360℃，流量为310000kg/h，首先进入第一级高温烟气换热器13放热降温到225℃，然后通过分流器14分为四股流，第一股流量为291300kg/h，进入第五级高温烟气换热器15放热并降温55℃，为第四级跨临界CO2朗肯循环和第五级有机朗肯循环提供热量；第二股流量为5350kg/h，进入第三级高温烟气换热器16放热并降温至76℃，第三股流量为3650kg/h，进入第四级高温烟气换热器17放热并降温至175℃，第二股和第三股共同为第三级跨临界CO2朗肯循环提供热量；第四股流量为9700kg/h，进入第二级高温烟气换热器18放热并降温至30℃，为第一级有机朗肯循环和第二级有机朗肯循环提供热量。
海水流程：用海水泵抽取的冷却海水为120kPa、20℃，流量为1887400kg/h，通过海水分流器42分为两股流，一股流量为764400kg/h，通过第一级海水换热器31吸热升温30℃，为第四级跨临界CO2朗肯循环提供冷量；一股流量为1123000kg/h通过第二级海水换热器34吸热升温30℃，为第五级有机朗肯循环提供冷量。
第一级有机朗肯发电单元：从第一级透平膨胀机21出来的第一级发电工质R1150为260kPa、75℃，进入第一级LNG换热器3中与LNG换热后冷凝至-141℃，然后经过第一级发电工质泵19增压至5500kPa，然后进入低温冷库换热器20与低温冷库制冷工质换热并升温至-100℃，再进入第二级LNG换热器5中与第二级发电工质换热并升温至-36℃，再进入第三级LNG换热器8中与第三级发电工质换热后温度继续升高到10℃，再进入第二级高温烟气换热器18中与高温烟气换热并蒸发，温度达到220℃，然后以气态进入第一级透平膨胀机21膨胀做功110kW。
第二级有机朗肯发电单元：从第二级透平膨胀机23出来的第二级发电工质R1270为260kPa、85℃，进入第二级LNG换热器5中与第一级发电工质及LNG换热并冷凝至-25℃，经第二级发电工质泵22增压至8000kPa后，再进入第三级LNG换热器8中与第三级发电工质换热并升温至15℃，再进入第二级高温烟气换热器18中与高温烟气换热并蒸发，温度达到220℃，然后以气态进入第二级透平膨胀机23膨胀做功76kW。
第三级跨临界CO2朗肯发电单元：从第三级二次透平膨胀机27出来的第三级发电工质CO2为3900kPa、147℃，进入第一回热器25与经冷凝增压后的CO2换热后温度降低至27℃，然后进入第三级LNG换热器8中换热并冷凝至5℃，经第三级发电工质泵24增压至18MPa后，再依次进入第一回热器25预热至71℃、进入第三级高烟气换热器16与烟气换热并蒸发，温度达到220℃，然后以高温高压气态进入第三级一次透平膨胀机26膨胀做功31kW，从第三级一次透平膨胀机26出来的中温中压的第三级发电工质通过第四级高温烟气换热器17再次吸热升温至220℃，以高温中压气态进入第三级二次透平膨胀机27膨胀做功50kW。
第四级跨临界CO2朗肯发电单元：从第四级透平膨胀机28出来的第四级发电工质CO2为6800kPa、285℃，进入第二回热器29与经冷凝增压后的CO2换热后温度降低至245℃，再进入第五级有机朗肯换热器30中换热并降温至48℃，然后进入第一级海水换热器31进一步换热后冷凝为液态，温度降至27℃，经第四级发电工质泵32增压至15MPa后，再进入第五级高温烟气换热器15换热升温至158℃、第二回热器29预热至190℃、进入第一级高烟气换热器13与烟气换热并蒸发，温度达到355℃，然后以气态进入第四级透平膨胀机28膨胀做功4000kW。
第五级有机朗肯发电单元：从第五级透平膨胀机33出来的第五级发电工质R601为260kPa、105℃，进入第二级海水换热器34换热后冷凝为液态，温度降至25℃，经第五级发电工质泵35增压至5000kPa后，再进入第五级有级朗肯换热器30与第四级发电工质换热后蒸发，温度达到215℃，然后以气态进入第五级透平膨胀机33膨胀做功1868kW。
低温冷库制冷循环单元：从低温冷库制冷工质蒸发器37出来的低温冷库制冷工质R600为260kPa、-40℃，进入低温冷库换热器20与第一级发电工质换热后温度降低至-133℃，然后经过低温冷库制冷工质泵36增压至1000kPa后，进入低温冷库制冷工质蒸发器37释放冷能30kW，最后流回低温冷库换热器20完成循环。
高温冷库制冷循环单元：从高温冷库制冷工质蒸发器39出来的高温冷库制冷工质R600为260kPa、-15℃，进入高温冷库换热器10与NG换热后温度降低至-31℃，然后经过高温冷库制冷工质泵38增压至1000kPa后，进入高温冷库制冷工质蒸发器39释放冷能30kW，最后流回高温冷库换热器10完成循环。
空调制冷循环单元：从空调制冷工质蒸发器41出来的空调制冷工质R12为260kPa、15℃，进入空调换热器11与NG换热后温度降低至-20℃，然后经过空调制冷工质泵40增压至1000kPa后，进入空调制冷工质蒸发器41释放冷能100kW，最后流回低温冷库换热器11完成循环。
二、实现春、秋、冬季需用的发电+低温冷库的LNG冷能与主机余热利用，系统的工作方式如下：
将第一阀门7开启，第二阀门9关闭，即关闭高温冷库和空调循环，从LNG分流器6出来的NG全部通过第三级LNG换热器8与第三级发电工质换热，实现春、秋、冬季需用的发电+低温冷库的LNG冷能与主机余热利用系统。
LNG流程：从LNG储罐1出来的LNG燃料为450kPa、-162℃，船舶主机进气所需LNG汽化流量为5440kg/h，经第一级LNG增压泵2增压到15MPa，然后进入第一级LNG换热器3进行吸热后升温到-87℃，为第一级朗肯循环和低温冷库提供冷量；然后经第二级LNG增压泵4再次增压到30MPa，此时LNG汽化为NG，再通过第二级LNG换热器5进一步吸热升温到-36℃，与第一级发电工质一起为第二级朗肯循环提供冷量；从第二级LNG换热器5出来NG经过分流器6后，全部流入第一股流，经过第一阀门7后，进入第三级LNG换热器8吸热升温到10℃，与第一级发电工质和第二级发电工质一起为第三级有机朗肯循环提供冷量，达到10℃、30MPa的主机进气要求，然后通过LNG汇流器12后流入主机。
高温烟气流程：从船舶主机废气涡轮流出的高温烟气为104kPa、360℃，流量为310000kg/h，首先进入第一级高温烟气换热器13放热降温到225℃，然后通过分流器14分为四股流，第一股流量为285900kg/h，进入第五级高温烟气换热器15放热并降温53℃，为第四级跨临界CO2朗肯循环和第五级有机朗肯循环提供热量；第二股流量为8500kg/h，进入第三级高温烟气换热器16放热并降温至76℃，第三股流量为5800kg/h，进入第四级高温烟气换热器17放热并降温至175℃，第二股和第三股共同为第三级跨临界CO2朗肯循环提供热量；第四股流量为9800kg/h，进入第二级高温烟气换热器18放热并降温至30℃，为第一级有机朗肯循环和第二级有机朗肯循环提供热量。
海水流程：用海水泵抽取的冷却海水为120kPa、20℃，流量为1887400kg/h，通过海水分流器42分为两股流，一股流量为764400kg/h，通过第一级海水换热器31吸热升温30℃，为第四级跨临界CO2朗肯循环提供冷量；一股流量为1123000kg/h通过第二级海水换热器34吸热升温30℃，为第五级有机朗肯循环提供冷量。
第一级有机朗肯发电单元：从第一级透平膨胀机21出来的第一级发电工质R1150为260kPa、75℃，进入第一级LNG换热器3中与LNG换热后冷凝至-141℃，然后经过第一级发电工质泵19增压至5500kPa，然后进入低温冷库换热器20与低温冷库制冷工质换热并升温至-100℃，再进入第二级LNG换热器5中与第二级发电工质换热并升温至-36℃，再进入第三级LNG换热器8中与第三级发电工质换热后温度继续升高到10℃，再进入第二级高温烟气换热器18中与高温烟气换热并蒸发，温度达到220℃，然后以气态进入第一级透平膨胀机21膨胀做功110kW。
第二级有机朗肯发电单元：从第二级透平膨胀机23出来的第二级发电工质R1270为260kPa、85℃，进入第二级LNG换热器5中与第一级发电工质及LNG换热并冷凝至-25℃，经第二级发电工质泵22增压至8000kPa后，再进入第三级LNG换热器8中与第三级发电工质换热并升温至15℃，再进入第二级高温烟气换热器18中与高温烟气换热并蒸发，温度达到220℃，然后以气态进入第二级透平膨胀机23膨胀做功76kW。
第三级跨临界CO2朗肯发电单元：从第三级二次透平膨胀机27出来的第三级发电工质CO2为3900kPa、147℃，进入第一回热器25与经冷凝增压后的CO2换热后温度降低至27℃，然后进入第三级LNG换热器8中换热并冷凝至5℃，经第三级发电工质泵24增压至18MPa后，再依次进入第一回热器25预热至71℃、进入第三级高烟气换热器16与烟气换热并蒸发，温度达到220℃，然后以高温高压气态进入第三级一次透平膨胀机26膨胀做功49kW，从第三级一次透平膨胀机26出来的中温中压的第三级发电工质通过第四级高温烟气换热器17再次吸热升温至220℃，以高温中压气态进入第三级二次透平膨胀机27膨胀做功79kW。
第四级跨临界CO2朗肯发电单元：从第四级透平膨胀机28出来的第四级发电工质CO2为6800kPa、285℃，进入第二回热器29与经冷凝增压后的CO2换热后温度降低至245℃，再进入第五级有机朗肯换热器30中换热并降温至48℃，然后进入第一级海水换热器31进一步换热后冷凝为液态，温度降至27℃，经第四级发电工质泵32增压至15MPa后，再进入第五级高温烟气换热器15换热升温至158℃、第二回热器29预热至190℃、进入第一级高烟气换热器13与烟气换热并蒸发，温度达到355℃，然后以气态进入第四级透平膨胀机28膨胀做功4000kW。
第五级有机朗肯发电单元：从第五级透平膨胀机33出来的第五级发电工质R601为260kPa、105℃，进入第二级海水换热器34换热后冷凝为液态，温度降至25℃，经第五级发电工质泵35增压至5000kPa后，再进入第五级有级朗肯换热器30与第四级发电工质换热后蒸发，温度达到215℃，然后以气态进入第五级透平膨胀机33膨胀做功1868kW。
低温冷库制冷循环单元：从低温冷库制冷工质蒸发器37出来的低温冷库制冷工质R600为260kPa、-40℃，进入低温冷库换热器20与第一级发电工质换热后温度降低至-133℃，然后经过低温冷库制冷工质泵36增压至1000kPa后，进入低温冷库制冷工质蒸发器37释放冷能30kW，最后流回低温冷库换热器20完成循环。

Claims (8)

1.一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，其特征在于，包括：
LNG蒸发侧，由LNG依次经过第一级增压、第一级换热、第二级增压和第二级换热后进入两条蒸发路径中的至少一条形成气态，所述两条蒸发路径的一条为第三级换热，另一条为依次经过高温冷库换热和空调换热；
第一级有机朗肯循环发电单元，所述第一级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第一级发电工质增压后依次通过低温冷库换热、所述第二级换热、所述第三级换热后由烟气加热，并进行膨胀做功后通过所述第一级换热再重新增压的回路；
第二级有机朗肯循环发电单元，所述第二级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第二级发电工质增压后依次通过所述第三级换热再由烟气加热，并进行膨胀做功后通过所述第二级换热再重新增压的回路；
第三级跨临界朗肯循环发电单元，所述第三级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路为第三级发电工质增压后通过第一回热再由烟气加热，并进行膨胀做功后依次通过所述第一回热、所述第三级换热后再重新增压的回路，所述第一回热为增压后的所述第三级发电工质与膨胀做功后的所述第三级发电工质换热；
第四级跨临界朗肯循环发电单元，所述第四级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路为第四级发电工质增压后通过第二回热再进行第一烟气加热并进行膨胀做功后依次通过所述第二回热、中间换热、第一海水冷凝再重新增压的回路；
第五级有机朗肯循环发电单元，所述第五级有机朗肯循环发电单元的循环回路为第五级发电工质增压后通过所述中间换热后进行膨胀做功，然后通过第二海水冷凝再重新增压的回路；
以及烟气侧，由烟气先对第四级发电工质加热后再分别对第三级发电工质和第二级发电工质加热；
其中所述第一级换热所述LNG向膨胀做功后的所述第一级发电工质吸热，所述第二级换热为所述LNG和经所述低温冷库换热后的所述第一级发电工质共同向膨胀做功后的所述第二级发电工质吸热，所述第三级换热为所述LNG、经过第二级换热后的所述第一级发电工质、增压后的所述第二级发电工质共同向增压前的所述第三级发电工质吸热，所述高温冷库换热为高温冷库制冷工质经蒸发制冷后向所述LNG放热，所述空调换热为空调制冷工质经蒸发制冷后向所述LNG放热，所述低温冷库换热为低温冷库制冷工质经蒸发制冷后向增压后的所述第一级发电工质放热，所述中间换热为由第一海水冷凝前的第四级发电工质向增压后的第五级发电工质放热。
2.根据权利要求1所述的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，其特征在于，所述第四级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路中增压后的所述第四级发电工质先经过第二烟气加热然后进行第二回热，所述第二烟气加热时的烟气为对第四级发电工质加热后的烟气。
3.根据权利要求1所述的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，其特征在于，所述第三级跨临界朗肯循环发电单元的循环回路中所述第三级发电工质经过所述第一回热后经过第三烟气加热进行第一次膨胀做功然后再经过第四烟气加热进行第二次膨胀做功，第三烟气加热和第四烟气加热时的烟气均为对第四级发电工质加热后的烟气。
4.根据权利要求1所述的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，其特征在于，所述LNG蒸发侧包括依次连接的LNG储罐、一级LNG增压泵、第一级LNG换热器、二级LNG增压泵、第二级LNG换热器和分流器，所述分流器的出口分别连接第一阀门和第二阀门，所述第一阀门连接第三级LNG换热器，所述第二阀门后依次连接高温冷库换热器和空调换热器，所述第三级LNG换热器和所述空调换热器共同连接汇流器；所述第一级朗肯循环发电单元由包括第一级发电工质泵、低温冷库换热器、所述第二级LNG换热器、所述第三级LNG换热器、第一级透平膨胀机和所述第一级LNG换热器依次连接构成的循环回路；所述第二级朗肯循环发电单元由包括第二级发电工质泵、所述第三级LNG换热器、第二级高温烟气换热器、第二级透平膨胀机和所述第二级LNG换热器依次连接构成的循环回路；所述第三级跨临界朗肯循环发电单元由包括第三级发电工质泵、第一回热器、第三级高温烟气换热器、第三级透平膨胀机和所述第三级LNG换热器连接构成的循环回路；所述第四级跨临界朗肯循环发电单元由包括第四级发电工质泵、第二回热器、第一级高温烟气换热器、第三级透平膨胀机、中间换热器和第一级海水换热器连接构成的循环回路；所述第五级朗肯循环发电单元由包括第五级发电工质泵、所述中间换热器、第五级透平膨胀机和第二级海水换热器依次连接构成的循环回路；所述烟气侧包括所述第一级高温烟气换热器、所述第二级高温烟气换热器和所述第三级高温烟气换热器，所述第一级高温烟气换热器的热源输出端连接烟气分流器，所述烟气分流器的出口分别连接所述第二级高温烟气换热器和所述第三级高温烟气换热器的热源输入端；其中，所述第一级LNG换热器进行所述第一级换热，所述第二级LNG换热器进行所述第二级换热，所述第三级LNG换热器进行所述第三级换热，所述中间换热器进行第四级发电工质和第五级发电工质的中间换热。
5.根据权利要求4所述的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，其特征在于，所述第三级透平膨胀机包括第三级一次透平膨胀机和第三级二次透平膨胀机，所述第三级跨临界朗肯循环发电单元包括第四级高温烟气换热器，所述第三级高温烟气换热器的冷源输出端连接至第三级一次透平膨胀机的入口，第三级一次透平膨胀机的出口连接至所述第四级高温烟气换热器的冷源输入端，第四级高温烟气换热器的冷源输出端连接至所述第三级二次透平膨胀机的入口，第三级二次透平膨胀机的出口通过所述第一回热器连接至所述第三级LNG换热器，所述烟气分流器的出口分别连接至所述第三级高温烟气换热器和所述第四级高温烟气换热器的热源输入端。
6.根据权利要求4所述的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，其特征在于，所述第四级跨临界朗肯循环发电单元包括第五级高温烟气换热器，所述第四级发电工质泵的出口连接至所述第五级高温烟气换热器的冷源输入端，所述第五级高温烟气换热器的冷源输出端连接至所述第二回热器，所述烟气分流器的出口连接至所述第五级高温烟气换热器的热源输入端。
7.根据权利要求1、2、3中任意一项所述的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统，其特征在于，所述第一级发电工质的温度区间为-140～220℃，所述第二级发电工质的温度区间为-25～220℃，所述第三级发电工质的温度区间为5～220℃，所述第四级发电工质的温度区间为25～355℃，所述第五级发电工质的温度区间为25～215℃，所述低温冷库制冷工质温度区间为-133～-40℃，所述高温冷库制冷工质温度区间为-31～-15℃，所述空调制冷工质温度区间为-20～15℃。
8.一种双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统的工作方法，其特征在于，基于权利要求1至7中任意一项所述的双燃料动力船LNG冷能与主机余热利用系统运行，包括在春、秋、冬季使第二级换热后的LNG仅经过第三级换热的路径进行蒸发；在夏季使第二级换热后的LNG同时经过第三级换热的路径以及高温冷库换热和空调换热的路径进行蒸发。
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