CN117775252A - 基于lng双燃料主机船舶的多功能系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LNG双燃料主机船舶的多功能系统及其控制方法，属于船舶冷热能综合利用、节能减排技术领域。它包括供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元、CO2捕集单元、压缩液化CO2单元、太阳能复合LNG冷能单元、多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元；供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元包括供气燃烧部分、烟气余热部分和LNG冷能利用部分，其中，烟气余热部分的烟气与CO2捕集单元和多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元连接。本发明利用LNG双燃料船舶主机的废气余热和LNG气化释放的余冷，同时引入太阳能，实现多能互补驱动冷热电水联产与CO2的捕集与封存，实现冷热能高效梯级利用，实现节能减排。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于LNG双燃料主机船舶的多功能系统及其控制方法，属于船舶冷热能综合利用、节能减排技术领域。
背景技术
随着全球加气站分布的增多和双燃料主机的发展，LNG动力船作为大型远洋船舶正在逐步兴起。船用双燃料主机可以在燃油模式和LNG模式间自由切换，燃油模式下与普通燃油主机类似，在LNG模式下，由于天然气燃点比燃油高，双燃料主机在喷入燃气的同时喷入少量燃油(作为引燃油)，待燃油压缩自燃后再引燃天然气，运行时主要采用LNG作为燃料。
现有LNG双燃料动力船上LNG在气化过程中大约释放830kJ/kg的能量，但是在实际操作过程中，LNG一般直接被海水加热导致冷能被海水带走，造成余冷浪费的同时对生态环境造成了危害；其次，主机废气的余热未充分的利用，造成大量热能浪费；另外，虽然LNG在某种程度上可以视为清洁燃料，但LNG燃烧产生的CO2仍不容小觑。
传统船舶电力系统包括船舶电站、船舶电力网和负载等部分，船舶在航行时一般是由柴油发电机组或同轴发电机进行供电；船舶在停泊时一般连接岸电或使用柴油发电机组进行供电；现有船舶供电技术中，燃烧柴油会产生废气污染环境，部分港口没有配备岸电设施船舶无法连接岸电。
在公开号为CN115650345A的专利文件中，提出一种船舶冷热电联供耦合海水淡化的系统，可以通过船舶余热和太阳能的综合利用来实现冷热电水的多联产功能，不足之处在于，没有将船舶废气进行处理，并将所含有的CO2进行捕集和封存，没有考虑船舶航行和停泊时两种供电模式。
在公开号为CN115370467A的专利文件中，提出一种用于LNG动力船的减碳系统及EEDI计算方法，通过减碳和压缩液化单元，从而实现CO2的捕集和封存，但其只是实现的捕集和封存，没有实现冷热电水的多联产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：提供一种基于LNG双燃料主机船舶的多功能系统及其控制方法，旨在燃烧LNG模式下，船舶在航行过程中，实现冷热电水的多联产的同时，又将废气所排放CO2的进行捕集和封存，在停泊时利用太阳能复合有机朗肯循环进行供电。
本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
一种基于LNG双燃料主机船舶的多功能系统，包括供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元、CO2捕集单元、压缩液化CO2单元、太阳能复合LNG冷能单元、多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元；
所述供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元包括供气燃烧部分、烟气余热部分和LNG冷能利用部分，其中，烟气余热部分的烟气与CO2捕集单元和多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元连接，用于提供捕集CO2、一级有机朗肯循环、多效蒸馏海水淡化装置和二级有机朗肯循环的热量；LNG冷能部分的LNG与压缩液化二氧化碳单元和太阳能复合LNG冷能单元连接，用于提供液化CO2、四级有机朗肯循环、制冷换热器的冷能；供气燃烧部分的船用燃油和LNG与供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元自身连通，以形成回路。
作为优选实例，所述供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元包括船用燃油罐、船用燃油调温器、船用燃油泵、船用燃油安全阀、船舶主机、三通阀Ⅰ、蓄热锅炉、三通阀Ⅱ、污染物处理器、再生热回收装置、三通阀Ⅲ、蒸发器Ⅱ、蒸发器Ⅰ、海水冷凝器Ⅰ、LNG罐、LNG泵、LNG安全阀、LNG液化CO2冷凝器、冷凝器Ⅳ、制冷换热器；
其中：所述船用燃油罐、船用燃油调温器热端、船用燃油泵、船用燃油安全阀、船舶主机依次串联，所述船舶主机连通三通阀I，所述三通阀的另外两端分别与蓄热锅炉和三通阀Ⅱ相连通，所述蓄热锅炉的一端与三通阀II相连通，所述三通阀II的一端、污染物处理器、再生热回收装置的供热端依次串联，所述再生热回收装置的供热端与三通阀Ⅲ的入口相连，所述三通阀Ⅲ的出口分两路，其中一路与蒸发器Ⅱ热端的入口相连通，另一路与所述蒸发器Ⅰ热端的入口相连通，所述蒸发器Ⅱ的热端出口和蒸发器I热端的出口均与多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元相连通；所述蒸发器I的热端出口与所述海水冷凝器Ⅰ热端的入口相连通，所述海水冷凝器Ⅰ热端的出口与CO2捕集单元相连通；所述LNG罐、LNG泵、LNG液化CO2冷凝器冷端的相串联，LNG液化CO2冷凝器的冷端出口、冷凝器Ⅳ冷端、制冷换热器冷端的入口相串联，制冷换热器冷端的出口与所述船舶主机相连通。
进一步的，所述船用燃油罐的出口与船用燃油调温器热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与船用燃油泵的入口相连；所述船用燃油泵的出口与船用燃油安全阀的入口相连；所述船用燃油安全阀的出口与船舶主机的入口相连；
所述船舶主机的出口与所述三通阀Ⅰ的入口相连；所述三通阀Ⅰ的出口与所述蓄热锅炉和所述三通阀Ⅱ的入口相连；所述蓄热锅炉的出口与所述三通阀Ⅱ的入口相连；所述三通阀Ⅱ的出口与所述污染物处理器的入口相连；所述污染物处理器的出口与所述再生热回收装置供热端的入口相连；所述再生热回收装置供热端的出口与所述三通阀Ⅲ的入口相连；所述三通阀Ⅲ的出口与所述蒸发器Ⅱ热端的入口和所述蒸发器Ⅰ热端的入口相连；
所述蒸发器Ⅰ热端的出口与所述海水冷凝器Ⅰ热端的入口相连；所述蒸发器Ⅱ的热端出口和蒸发器I热端的出口均与多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元相连通；所述海水冷凝器Ⅰ热端的出口与CO2捕集单元相连通；所述LNG罐的出口与所述LNG泵的入口相连；所述LNG泵的出口与所述LNG液化CO2冷凝器冷端的入口相连，其冷端出口与所述冷凝器Ⅳ冷端的入口相连；所述冷凝器Ⅳ冷端的出口与所述制冷换热器冷端的入口相连，其热端的入口为水，其冷端的出口与所述船舶主机相连。
作为优选实例，所述CO2捕集单元包括CO2吸收装置、富CO2溶液循环泵、贫富液回热器、CO2解吸装置、再生热回收装置、贫CO2溶液循环泵、补液装置、贫液加压泵、贫CO2溶液冷却器；
所述海水冷凝器Ⅰ热端的出口与CO2吸收装置进气端的入口相连通，所述CO2吸收装置、富CO2溶液循环泵、贫富液回热器富液端、CO2解吸装置、再生热回收装置依次串联，所述再生热回收装置再与所述CO2解吸装置相连通，使所述再生热回收装置与所述CO2解吸装置形成循环，所述再生热回收装置还与所述贫CO2溶液循环泵、贫富液回热器的贫液端、所述补液装置的贫液端、贫液加压泵、CO2溶液冷却器的热端、CO2吸收装置进液端相串联。
进一步的，所述海水冷凝器Ⅰ热端的出口与所述CO2吸收装置的进气端的入口相连；所述CO2吸收装置的出口与所述富CO2溶液循环泵的入口相连；所述富CO2溶液循环泵的出口与所述贫富液回热器富液端的入口相连；所述贫富液回热器富液端的出口与所述CO2解吸装置的入口相连；所述CO2解吸装置贫液的出口与所述再生热回收装置的a口相连，所述再生热回收装置的b口与所述CO2解吸装置的c口相连，所述再生热回收装置的d口与所述贫CO2溶液循环泵的入口相连；所述贫CO2溶液循环泵的出口与所述贫富液回热器贫液端的入口相连；所述贫富液回热器贫液端的出口与所述补液装置贫液端的入口相连；所述补液装置贫液端的出口与所述贫液加压泵的入口相连；所述贫液加压泵的出口与所述贫CO2溶液冷却器热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述CO2吸收装置进液的入口相连。
作为优选实例，所述压缩液化CO2单元，包括压缩机Ⅰ、海水冷凝器Ⅱ、分离器Ⅰ、压缩机Ⅱ、海水冷凝器Ⅲ、分离器Ⅱ、三通阀Ⅳ、LNG液化CO2冷凝器、CO2安全阀Ⅰ、CO2储液罐、CO2安全阀Ⅱ；
所述CO2解吸装置、压缩机Ⅰ、海水冷凝器Ⅱ的热端、分离器Ⅰ、分离器Ⅰ、压缩机Ⅱ、海水冷凝器Ⅲ的热端、分离器Ⅱ、三通阀Ⅳ、LNG液化CO2冷凝器的热端、CO2安全阀Ⅰ、CO2储液罐、CO2安全阀Ⅱ依次串联，所述CO2安全阀Ⅱ的出口与所述三通阀Ⅳ的入口相连通。
进一步的，所述CO2解吸装置的出口与所述压缩机Ⅰ的入口相连；所述压缩机Ⅰ的出口与所述海水冷凝器Ⅱ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述分离器Ⅰ的入口相连；所述分离器Ⅰ气相的出口与所述压缩机Ⅱ的入口相连；所述压缩机Ⅱ的出口与所述海水冷凝器Ⅲ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述分离器Ⅱ的入口相连；所述分离器Ⅱ气相的出口与所述三通阀Ⅳ的进口相连；所述三通阀Ⅳ的出口与所述LNG液化CO2冷凝器热端的入口相连，其热端的出口与所述CO2安全阀Ⅰ的入口相连；所述CO2安全阀Ⅰ的出口与所述CO2储液罐的入口相连；所述CO2储液罐的出口与所述CO2安全阀Ⅱ的入口相连；所述CO2安全阀Ⅱ的出口与所述三通阀Ⅳ的入口相连通。
作为优选实例，所述太阳能复合LNG冷能单元，包括抛物槽式太阳能集热器、储热器、蒸发器Ⅲ、控制阀Ⅰ、蒸发器Ⅳ、控制阀Ⅱ、工质水储罐、工质水泵、制热换热器、控制阀Ⅲ、控制阀Ⅳ、膨胀机Ⅲ、发电机Ⅲ、冷凝器Ⅲ、工质泵Ⅲ、膨胀机Ⅳ、发电机Ⅳ、冷凝器Ⅳ、工质泵Ⅳ，
所述抛物槽式太阳能集热器、储热器、蒸发器Ⅲ热端、控制阀Ⅰ、蒸发器Ⅳ热端、控制阀Ⅱ、工质水储罐、工质水泵、制热换热器热端依次串联，所述制热换热器热端与抛物槽式太阳能集热器相连通，所述控制阀Ⅲ的出口与控制阀Ⅳ的入口相连；所述蒸发器Ⅲ冷端的出口与膨胀机Ⅲ的入口相连；所述膨胀机Ⅲ和所述发电机Ⅲ传动连接，膨胀机Ⅲ、冷凝器Ⅲ热端、工质泵Ⅲ、蒸发器Ⅲ冷端、膨胀机Ⅳ依次连通，所述膨胀机Ⅳ与所述发电机Ⅳ传动连接，所述膨胀机Ⅳ、冷凝器Ⅳ热端、工质泵Ⅳ、蒸发器Ⅳ冷端依次连接。
进一步的，所述抛物槽式太阳能集热器的出口与所述储热器的入口相连；所述储热器的出口与所述蒸发器Ⅲ热端的入口相连，其热端的出口与所述控制阀Ⅰ的入口相连；所述控制阀Ⅰ的出口与所述蒸发器Ⅳ热端的入口相连，其热端的出口与所述控制阀Ⅱ的入口相连；所述控制阀Ⅱ的出口与所述工质水储罐的入口相连；所述工质水储罐的出口与所述工质水泵的入口相连；所述工质水泵的出口与所述制热换热器热端的入口相连，其冷端的入口与水相连，其热端的出口与所述抛物槽式太阳能集热器的入口相连；
所述控制阀Ⅲ的出口与所述控制阀Ⅳ的入口相连；所述蒸发器Ⅲ冷端的出口与所述膨胀机Ⅲ的入口相连；所述膨胀机Ⅲ和所述发电机Ⅲ传动连接，所述膨胀机Ⅲ的出口与所述冷凝器Ⅲ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述工质泵Ⅲ的入口相连；所述工质泵Ⅲ的出口与所述蒸发器Ⅲ冷端的入口相连；所述蒸发器Ⅳ冷端的出口与所述膨胀机Ⅳ的入口相连；所述膨胀机Ⅳ与所述发电机Ⅳ传动连接，所述膨胀机Ⅳ的出口与所述冷凝器Ⅳ热端的入口相连，其热端的出口与所述工质泵Ⅳ的进口相连；所述工质泵Ⅳ的出口与所述蒸发器Ⅳ冷端的进口相连。
作为优选实例，所述多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元包括蒸发器Ⅰ、膨胀机Ⅰ、发电机Ⅰ、冷凝器Ⅰ、工质泵Ⅱ、蒸发器Ⅱ、膨胀机Ⅱ、发电机Ⅱ、冷凝器Ⅱ、工质泵Ⅱ、多效蒸馏海水淡化装置、海水泵、淡水罐；
所述蒸发器Ⅱ的冷端、膨胀机Ⅱ、冷凝器Ⅱ热端、工质泵Ⅱ、蒸发器Ⅱ的冷端依次串联，且所述膨胀机Ⅱ与所述发电机Ⅱ传动连接，所述蒸发器Ⅰ冷端、膨胀机Ⅰ、冷凝器Ⅰ热端、工质泵Ⅱ、蒸发器Ⅰ冷端依次串联，所述蒸发器Ⅱ的热端出口与多效蒸馏海水淡化装置供热端的入口相连；所述海水泵的入口为海水，其出口与所述多效蒸馏海水淡化装置海水的入口相连；所述多效蒸馏海水淡化装置的出口与所述淡水罐相连通。
进一步的，所述蒸发器Ⅱ冷端的出口与所述膨胀机Ⅱ的入口相连，所述膨胀机Ⅱ与所述发电机Ⅱ传动连接，所述膨胀机Ⅱ的出口与所述冷凝器Ⅱ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述工质泵Ⅱ的进口相连；所述工质泵Ⅱ的出口与所述蒸发器Ⅱ冷端的入口相连；所述蒸发器Ⅰ冷端的出口与所述膨胀机Ⅰ的入口相连，所述膨胀机Ⅰ与所述发电机Ⅰ传动连接，所述膨胀机Ⅰ的出口与所述冷凝器Ⅰ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述工质泵Ⅱ的入口相连；所述工质泵Ⅱ的出口与蒸发器Ⅰ冷端的入口相连；所述蒸发器Ⅱ热端的出口与所述多效蒸馏海水淡化装置供热端的入口相连；所述海水泵的入口为海水，其出口与所述多效蒸馏海水淡化装置海水的入口相连；所述多效蒸馏海水淡化装置的出口与所述淡水罐相连通。
一种如上述的多功能系统的控制方法，包括航行和停泊两种控制步骤：在航行时，所述控制阀Ⅰ和所述控制阀Ⅱ打开，所述控制阀Ⅲ和所述控制阀Ⅳ关闭，用于在航行时，太阳能复合LNG冷能单元中提供四级有机朗肯循环的热能以及利用LNG冷能；
在停泊时，所述控制阀Ⅰ和所述控制阀Ⅱ关闭，所述控制阀Ⅲ和所述控制阀Ⅳ打开，用于在停泊时太阳能复合LNG冷能单元中，关闭四级有机朗肯循环，只使用太阳能给三级有机朗肯循环供热以及提供热量。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用了LNG双燃料船舶主机的废气余热和LNG气化释放的余冷，同时引入太阳能，实现多能互补驱动冷热电水联产与CO2的捕集与封存，实现了冷热能高效梯级利用，实现了节能减排。
2、本发明利用各控制阀实现太阳能在航行和停泊时不同的两种发电模式，可以减少两种模式下的碳排放，降低船舶能耗。
3、本发明引入R600a、丙烷作为有机朗肯循环工质，利用两者的物性，改善了发电系统温度匹配程度，实现大温差发电工质物性的优势互补。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图中：船用燃油罐101；船用燃油调温器102；船用燃油泵103；船用燃油安全阀104；船舶主机105；三通阀Ⅰ106；蓄热锅炉107；三通阀Ⅱ108；污染物处理器109；再生热回收装置110；三通阀Ⅲ111；蒸发器Ⅱ112；蒸发器Ⅰ113；海水冷凝器Ⅰ114；LNG罐115；LNG泵116；LNG安全阀117；LNG液化CO2冷凝器118；冷凝器Ⅳ119；制冷换热器120；CO2吸收装置201；富CO2溶液循环泵202；贫富液回热器203；CO2解吸装置204；贫CO2溶液循环泵205；补液装置206；贫液加压泵207；贫CO2溶液冷却器208；压缩机Ⅰ301；海水冷凝器Ⅱ302；分离器Ⅰ303；压缩机Ⅱ304；海水冷凝器Ⅲ305；分离器Ⅱ306；三通阀Ⅳ307；CO2安全阀Ⅰ308；CO2储液罐309；CO2安全阀Ⅱ310；抛物槽式太阳能集热器401；储热器402；蒸发器Ⅲ403；控制阀Ⅰ404；蒸发器Ⅳ405；控制阀Ⅱ406；工质水储罐407；工质水泵408；制热换热器409；控制阀Ⅲ410；控制阀Ⅳ411；膨胀机Ⅲ412；发电机Ⅲ413；冷凝器Ⅲ414；工质泵Ⅲ415；膨胀机Ⅳ416；发电机Ⅳ417；工质泵Ⅳ418；膨胀机Ⅰ501；发电机Ⅰ502；冷凝器Ⅰ503；工质泵Ⅰ504；膨胀机Ⅱ505；发电机Ⅱ506；冷凝器Ⅱ507；工质泵Ⅱ508；多效蒸馏海水淡化装置509；海水泵510；淡水罐511。
具体实施方式
为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示和实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种基于LNG双燃料主机船舶的多功能系统,主要由供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元100、CO2捕集单元200、压缩液化CO2单元300、太阳能复合LNG冷能单元400、多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元500组成，供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元100，包括船用燃油罐101、船用燃油调温器102、船用燃油泵103、船用燃油安全阀104、船舶主机105、三通阀Ⅰ106、蓄热锅炉107、三通阀Ⅱ108、污染物处理器109、再生热回收装置110、三通阀Ⅲ111、蒸发器Ⅱ112、蒸发器Ⅰ113、海水冷凝器Ⅰ114、LNG罐115、LNG泵116、LNG安全阀117、LNG液化CO2冷凝器118、冷凝器Ⅳ119、制冷换热器120，其中：船用燃油罐101的出口与船用燃油调温器102热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与船用燃油泵103的入口相连；船用燃油泵103的出口与船用燃油安全阀104的入口相连；船用燃油安全阀104的出口与船舶主机105的入口相连；船舶主机105的出口与三通阀Ⅰ106的入口相连；三通阀Ⅰ106的出口与蓄热锅炉107和三通阀Ⅱ108的入口相连；蓄热锅炉107的出口与三通阀Ⅱ108的入口相连；三通阀Ⅱ108的出口与污染物处理器109的入口相连；污染物处理器109的出口与再生热回收装置110供热端的入口相连；再生热回收装置110供热端的出口与三通阀Ⅲ111的入口相连；三通阀Ⅲ111的出口与蒸发器Ⅱ112热端的入口和蒸发器Ⅰ113热端的入口相连；蒸发器Ⅰ113热端的出口与海水冷凝器Ⅰ114热端的入口相连；蒸发器Ⅱ112热端的出口与多效蒸馏海水淡化装置509供热端的入口相连；LNG罐115的出口与LNG泵116的入口相连；LNG泵118的出口与LNG液化CO2冷凝器118冷端的入口相连，其冷端出口与冷凝器Ⅳ119冷端的入口相连；冷凝器Ⅳ119冷端的出口与制冷换热器120冷端的入口相连，其热端的入口为水，其冷端的出口与船舶主机105相连；
--CO2捕集单元200，包括CO2吸收装置201、富CO2溶液循环泵202、贫富液回热器203、CO2解吸装置204、再生热回收装置110、贫CO2溶液循环泵205、补液装置206、贫液加压泵207、贫CO2溶液冷却器208，其中：海水冷凝器Ⅰ114热端的出口与CO2吸收装置201的进气端的入口相连；CO2吸收装置201的出口与富CO2溶液循环泵202的入口相连；富CO2溶液循环泵202的出口与贫富液回热器203富液端的入口相连；贫富液回热器203富液端的出口与CO2解吸装置204的入口相连；CO2解吸装置204贫液的出口与再生热回收装置110的a口相连，再生热回收装置110的b口与CO2解吸装置204的c口相连，再生热回收装置110的d口与贫CO2溶液循环泵205的入口相连；贫CO2溶液循环泵205的出口与贫富液回热器203贫液端的入口相连；贫富液回热器203贫液端的出口与补液装置206贫液端的入口相连；补液装置206贫液端的出口与贫液加压泵207的入口相连；贫液加压泵207的出口与贫CO2溶液冷却器208热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与CO2吸收装置201进液的入口相连；
--压缩液化CO2单元300，包括压缩机Ⅰ301、海水冷凝器Ⅱ302、分离器Ⅰ303、压缩机Ⅱ304、海水冷凝器Ⅲ305、分离器Ⅱ306、三通阀Ⅳ307、LNG液化CO2冷凝器119、CO2安全阀Ⅰ308、CO2储液罐309、CO2安全阀Ⅱ310，其中：CO2解吸装置204的出口与压缩机Ⅰ301的入口相连；压缩机Ⅰ301的出口与海水冷凝器Ⅱ302热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与分离器Ⅰ303的入口相连；分离器Ⅰ303气相的出口与压缩机Ⅱ304的入口相连；压缩机Ⅱ304的出口与海水冷凝器Ⅲ305热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与分离器Ⅱ306的入口相连；分离器Ⅱ306气相的出口与三通阀Ⅳ307的进口相连；三通阀Ⅳ307的出口与LNG液化CO2冷凝器118热端的入口相连，其热端的出口与CO2安全阀Ⅰ308的入口相连；CO2安全阀Ⅰ308的出口与CO2储液罐309的入口相连；CO2储液罐309的出口与CO2安全阀Ⅱ310的入口相连；CO2安全阀Ⅱ310的出口与三通阀Ⅳ307的入口相连；
--太阳能复合LNG冷能单元400，包括抛物槽式太阳能集热器401、储热器402、蒸发器Ⅲ403、控制阀Ⅰ404、蒸发器Ⅳ405、控制阀Ⅱ406、工质水储罐407、工质水泵408、制热换热器409、控制阀Ⅲ410、控制阀Ⅳ411、膨胀机Ⅲ412、发电机Ⅲ413、冷凝器Ⅲ414、工质泵Ⅲ415、膨胀机Ⅳ416、发电机Ⅳ417、冷凝器Ⅳ119、工质泵Ⅳ418，其中：抛物槽式太阳能集热器401的出口与储热器402的入口相连；储热器402的出口与蒸发器Ⅲ403热端的入口相连，其热端的出口与控制阀Ⅰ404的入口相连；控制阀Ⅰ404的出口与蒸发器Ⅳ405热端的入口相连，其热端的出口与控制阀Ⅱ406的入口相连；控制阀Ⅱ406的出口与工质水储罐407的入口相连；工质水储罐407的出口与工质水泵408的入口相连；工质水泵408的出口与制热换热器409热端的入口相连，其冷端的入口与水相连，其热端的出口与抛物槽式太阳能集热器401的入口相连；控制阀Ⅲ410的出口与控制阀Ⅳ411的入口相连；蒸发器Ⅲ403冷端的出口与膨胀机Ⅲ412的入口相连；膨胀机Ⅲ412和发电机Ⅲ413传动连接，膨胀机Ⅲ412的出口与冷凝器Ⅲ414热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与工质泵Ⅲ415的入口相连；工质泵Ⅲ415的出口与蒸发器Ⅲ403冷端的入口相连；蒸发器Ⅳ405冷端的出口与膨胀机Ⅳ416的入口相连；膨胀机Ⅳ416与发电机Ⅳ417传动连接，膨胀机Ⅳ416的出口与冷凝器Ⅳ119热端的入口相连，其热端的出口与工质泵Ⅳ418的进口相连；工质泵Ⅳ418的出口与蒸发器Ⅳ405冷端的进口相连；
--多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元500，包括蒸发器Ⅰ113、膨胀机Ⅰ501、发电机Ⅰ502、冷凝器Ⅰ503、工质泵Ⅱ504、蒸发器Ⅱ112、膨胀机Ⅱ505、发电机Ⅱ506、冷凝器Ⅱ507、工质泵Ⅱ508、多效蒸馏海水淡化装置509、海水泵510、淡水罐511，其中：蒸发器Ⅱ112冷端的出口与膨胀机Ⅱ505的入口相连，膨胀机Ⅱ505与发电机Ⅱ506传动连接，膨胀机Ⅱ505的出口与冷凝器Ⅱ507热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与工质泵Ⅱ508的进口相连；工质泵Ⅱ508的出口与蒸发器Ⅱ112冷端的入口相连；蒸发器Ⅰ113冷端的出口与膨胀机Ⅰ501的入口相连，膨胀机Ⅰ501与发电机Ⅰ502传动连接，膨胀机Ⅰ501的出口与冷凝器Ⅰ503热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与工质泵Ⅱ504的入口相连；工质泵Ⅱ504的出口与蒸发器Ⅰ113冷端的入口相连；蒸发器Ⅱ112热端的出口与多效蒸馏海水淡化装置509供热端的入口相连；海水泵510的入口为海水，其出口与多效蒸馏海水淡化装置509海水的入口相连；多效蒸馏海水淡化装置509的出口与淡水罐511相连。
本发明以船用燃油作为助燃剂，来点燃LNG在主机中燃烧产生的烟气12540kg/h进入蓄热锅炉，40020kg/h进入污染物处理器再进入碳捕集系统中再生热回收器提供热量，20000kg/h提供完热量给一级有机朗肯循环提供热量后冷却至40℃，再进入二氧化碳吸收塔进行碳捕集，20020kg/h进入二级有机朗肯循环提供热量，再进入海水淡化装置提供热量，LNG冷能给液化二氧化碳、四级有机朗肯循环、制冷换热器提供冷能后，再进入主机燃烧。
实施例1
以一艘配备双燃料主机(瓦锡兰12V50DF)的卡尔萨姆型散货船为参考船，船舶载重81190DT；捕集CO2采用的醇胺溶液为22wt％甲基二乙醇胺(MDEA)和8wt％哌嗪(PZ)，其中哌嗪为活化剂；CO2吸收装置201和CO2解吸装置204为浮动式阀塔；压缩机、膨胀机和泵的等熵效率分别设定为85％、85％和75％，换热器为壳管式换热器；船舶主机105在75％负荷的运行条件下排出烟气量为52560kg/h，烟气中含有75wt％的N2，16.6wt％的O2，4wt％的H2O和4.4wt％的CO2；进入CO2吸收装置210处理的烟气量20000kg/h，通入再生热回收装置110供热的烟气量40020kg/h；抛物槽式太阳能集热器401占用面积为2600m2。
在供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元100中，船用燃油从船用燃油罐101进入船舶主机105中，燃油的压缩发火来点燃天然气使其膨胀做功；船舶主机105产生的烟气(303℃，300kPa，52560kg/h)进入蓄热锅炉107储存烟气的热量；三通阀Ⅱ108根据蓄热锅炉107的负载控制烟气流量；污染物处理器109处理完烟气后进入再生热回收装置110提供完热能后，烟气(120℃，300kPa，40020kg/h)进入三通阀Ⅲ111分流进入蒸发器Ⅱ112和蒸发器Ⅰ113为二级有机朗肯循环和一级有机朗肯循环提供热量；流经蒸发器Ⅱ112后烟气(82.5℃，300kPa，20020kg/h)进入多效蒸馏海水淡化装置509为多效蒸馏海水提供热量；流经蒸发器Ⅰ113后烟气(57.13℃，300kPa，20000kg/h)通过海水冷凝器Ⅰ114冷却至40℃后进入CO2吸收装置201进行CO2捕集，LNG(-140℃，600kPa，1800kg/h)从LNG罐115进入LNG液化CO2冷凝器118为液化CO2提供冷能；流经LNG液化CO2冷凝器118后LNG(-134.6℃，600kPa，1800kg/h)进入冷凝器Ⅳ119为有机朗肯循环提供冷能；流经冷凝器Ⅳ119后LNG(-50℃，600kPa，1800kg/h)进入制冷换热器120制冷10℃；流经制冷换热器120后LNG(30℃，600kPa，1800kg/h)进入船舶主机105进行燃烧。
在CO2捕集单元200中，补液装置206将醇胺溶液通过贫液加压泵207泵送至CO2吸收装置201与所进入的烟气充分接触进行吸收反应；贫溶液充分吸收CO2后变成富溶液，从CO2吸收装置201底部流出通过富CO2溶液循环泵202泵送至贫富液回热器203加热至80℃后进入CO2解吸装置204；烟气进入再生热回收装置110提供热量，水蒸气被冷凝回CO2解吸装置204；解吸反应结束后贫溶液从CO2解吸装置204底部流出为贫富液回热器203提供热源后进入补液装置206；补液装置206与补充液吸收混合经贫液加压泵207泵送至贫CO2溶液冷却器208冷却后进入CO2吸收装置201；CO2捕集率为90.41％(1482kg/h)。
在压缩液化CO2单元300中，CO2进入压缩机Ⅰ301压缩至500kPa后进入海水冷凝器Ⅱ302冷却至40℃，进入分离器Ⅰ303进行第一段干燥过程；处理后的CO2进入压缩机Ⅱ304压缩至1500kPa后进入海水冷凝器Ⅲ305冷却至40℃，进入分离器Ⅱ306进行第二段干燥过程；处理后的CO2进入LNG液化CO2冷凝器118在-30℃液化储存至CO2储液罐309；未冷凝的CO2进入CO2安全阀Ⅱ310返回至LNG液化CO2冷凝器118重新液化；压缩机所耗功为79.7kW。
在太阳能复合LNG冷能单元400中，工质水通过管道进入抛物槽式太阳能集热器401加热(140℃，800kPa，2600m2)后进入储热器402储存热量；工质水流经蒸发器Ⅲ403和蒸发器Ⅳ405为三级有机朗肯循环和四级有机朗肯循环提供热量后进入工质水储罐407储存，工质水进入工质水泵408加压后进入制热换热器409制热45℃；对于三级有机朗肯循环，工质R600a进入膨胀机Ⅲ412带动同轴发电机Ⅲ413发电(56.97kW)后进入冷凝器Ⅲ414冷凝，工质R600a冷凝后进入工质泵Ⅲ415加压后进入蒸发器Ⅲ403加热；对于四级有机朗肯循环，工质丙烷进入膨胀机Ⅳ416带动同轴发电机Ⅳ417发电(47.82kW)后进入冷凝器Ⅳ119冷凝，工质丙烷冷凝后进入工质泵Ⅳ418加压后进入蒸发器Ⅳ405加热；在航行时，控制阀Ⅰ404和控制阀Ⅱ406打开，控制阀Ⅲ410和控制阀Ⅳ411关闭，三、四级有机朗肯循环共同发电；停泊时，控制阀Ⅰ404和控制阀Ⅱ406关闭，控制阀Ⅲ410和控制阀Ⅳ411打开，三级有机朗肯循环单独发电。
在多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元500中，对于一级有机朗肯循环，烟气(120℃，300kPa，20000kg/h)为蒸发器Ⅰ113提供热量，工质R600a进入膨胀机Ⅰ501带动同轴发电机Ⅰ502发电(34.06kW)后进入冷凝器Ⅰ503冷凝，工质R600a冷凝后进入工质泵Ⅰ504加压后进入蒸发器Ⅰ113加热；对于二级有机朗肯循环，烟气(120℃，300kPa，20020kg/h)为蒸发器Ⅱ112提供热量，工质R600a进入膨胀机Ⅱ505带动同轴发电机Ⅱ506发电(26.27kW)后进入冷凝器Ⅱ507冷凝，工质R600a冷凝后进入工质泵Ⅱ508加压后进入蒸发器Ⅱ112加热；对于多效蒸馏海水淡化，烟气(82.5℃，297kPa，20020kg/h)为多效蒸馏海水淡化装置509提供热量，海水通过海水泵510进入多效蒸馏海水淡化装置509经过四级蒸馏产生淡水(12.42m3/天)进入淡水罐511。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。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，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 (7)
1.一种基于LNG双燃料主机船舶的多功能系统，其特征在于：包括供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元、CO2捕集单元、压缩液化CO2单元、太阳能复合LNG冷能单元、多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元；
所述供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元包括供气燃烧部分、烟气余热部分和LNG冷能利用部分，其中，烟气余热部分的烟气与CO2捕集单元和多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元连接，用于提供捕集CO2、一级有机朗肯循环、多效蒸馏海水淡化装置和二级有机朗肯循环的热量；LNG冷能部分的LNG与压缩液化二氧化碳单元和太阳能复合LNG冷能单元连接，用于提供液化CO2、四级有机朗肯循环、制冷换热器的冷能；供气燃烧部分的船用燃油和LNG与供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元自身连通，以形成回路。
2.根据权利要求1所述的多功能系统，其特征在于：所述供气燃烧、烟气余热和LNG冷能利用单元包括船用燃油罐、船用燃油调温器、船用燃油泵、船用燃油安全阀、船舶主机、三通阀Ⅰ、蓄热锅炉、三通阀Ⅱ、污染物处理器、再生热回收装置、三通阀Ⅲ、蒸发器Ⅱ、蒸发器Ⅰ、海水冷凝器Ⅰ、LNG罐、LNG泵、LNG安全阀、LNG液化CO2冷凝器、冷凝器Ⅳ、制冷换热器；
其中：所述船用燃油罐、船用燃油调温器热端、船用燃油泵、船用燃油安全阀、船舶主机依次串联，所述船舶主机连通三通阀I，所述三通阀的另外两端分别与蓄热锅炉和三通阀Ⅱ相连通，所述蓄热锅炉的一端与三通阀Ⅱ相连通，所述三通阀Ⅱ的一端、污染物处理器、再生热回收装置的供热端依次串联，所述再生热回收装置的供热端与三通阀Ⅲ的入口相连，所述三通阀Ⅲ的出口分两路，其中一路与蒸发器Ⅱ热端的入口相连通，另一路与所述蒸发器Ⅰ热端的入口相连通，所述蒸发器Ⅱ热端的出口与所述多效蒸馏海水淡化装置供热端的入口相连通；所述蒸发器I的热端出口与所述海水冷凝器Ⅰ热端的入口相连通，所述海水冷凝器Ⅰ热端的出口与CO2捕集单元相连通；所述LNG罐、LNG泵、LNG液化CO2冷凝器冷端的相串联，LNG液化CO2冷凝器的冷端出口、冷凝器Ⅳ冷端、制冷换热器冷端的入口相串联，制冷换热器冷端的出口与所述船舶主机相连通。
3.根据权利要求2所述多功能系统，其特征在于：所述CO2捕集单元包括CO2吸收装置、富CO2溶液循环泵、贫富液回热器、CO2解吸装置、再生热回收装置、贫CO2溶液循环泵、补液装置、贫液加压泵、贫CO2溶液冷却器；
所述海水冷凝器Ⅰ热端的出口与CO2吸收装置进气端的入口相连通，所述CO2吸收装置、富CO2溶液循环泵、贫富液回热器富液端、CO2解吸装置、再生热回收装置依次串联，所述再生热回收装置再与所述CO2解吸装置相连通，使所述再生热回收装置与所述CO2解吸装置形成循环，所述再生热回收装置还与所述贫CO2溶液循环泵、贫富液回热器的贫液端、所述补液装置的贫液端、贫液加压泵、CO2溶液冷却器的热端、CO2吸收装置的进液端相串联。
4.根据权利要求1所述的多功能系统，其特征在于：所述压缩液化CO2单元，包括压缩机Ⅰ、海水冷凝器Ⅱ、分离器Ⅰ、压缩机Ⅱ、海水冷凝器Ⅲ、分离器Ⅱ、三通阀Ⅳ、LNG液化CO2冷凝器、CO2安全阀Ⅰ、CO2储液罐、CO2安全阀Ⅱ；
所述CO2解吸装置、压缩机Ⅰ、海水冷凝器Ⅱ的热端、分离器Ⅰ、分离器Ⅰ、压缩机Ⅱ、海水冷凝器Ⅲ的热端、分离器Ⅱ、三通阀Ⅳ、LNG液化CO2冷凝器的热端、CO2安全阀Ⅰ、CO2储液罐、CO2安全阀Ⅱ依次串联，所述CO2安全阀Ⅱ的出口与所述三通阀Ⅳ的入口相连通。
5.根据权利要求1所述的多功能系统，其特征在于：所述太阳能复合LNG冷能单元，包括抛物槽式太阳能集热器、储热器、蒸发器Ⅲ、控制阀Ⅰ、蒸发器Ⅳ、控制阀Ⅱ、工质水储罐、工质水泵、制热换热器、控制阀Ⅲ、控制阀Ⅳ、膨胀机Ⅲ、发电机Ⅲ、冷凝器Ⅲ、工质泵Ⅲ、膨胀机Ⅳ、发电机Ⅳ、冷凝器Ⅳ、工质泵Ⅳ，
所述抛物槽式太阳能集热器、储热器、蒸发器Ⅲ热端、控制阀Ⅰ、蒸发器Ⅳ热端、控制阀Ⅱ、工质水储罐、工质水泵、制热换热器热端依次串联，所述制热换热器热端与抛物槽式太阳能集热器相连通，所述控制阀Ⅲ的出口与控制阀Ⅳ的入口相连；所述蒸发器Ⅲ冷端的出口与膨胀机Ⅲ的入口相连；所述膨胀机Ⅲ和所述发电机Ⅲ传动连接，膨胀机Ⅲ、冷凝器Ⅲ热端、工质泵Ⅲ、蒸发器Ⅲ冷端、膨胀机Ⅳ依次连通，所述膨胀机Ⅳ与所述发电机Ⅳ传动连接，所述膨胀机Ⅳ、冷凝器Ⅳ热端、工质泵Ⅳ、蒸发器Ⅳ冷端依次连接。
6.根据权利要求2所述的多功能系统，其特征在于：所述多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元包括蒸发器Ⅰ、膨胀机Ⅰ、发电机Ⅰ、冷凝器Ⅰ、工质泵Ⅱ、蒸发器Ⅱ、膨胀机Ⅱ、发电机Ⅱ、冷凝器Ⅱ、工质泵Ⅱ、多效蒸馏海水淡化装置、海水泵、淡水罐；
所述蒸发器Ⅱ的冷端、膨胀机Ⅱ、冷凝器Ⅱ热端、工质泵Ⅱ、蒸发器Ⅱ的冷端依次串联，且所述膨胀机Ⅱ与所述发电机Ⅱ传动连接，所述蒸发器Ⅰ冷端、膨胀机Ⅰ、冷凝器Ⅰ热端、工质泵Ⅱ、蒸发器Ⅰ冷端依次串联，所述蒸发器Ⅱ的热端出口与多效蒸馏海水淡化装置供热端的入口相连；所述海水泵的入口为海水，其出口与所述多效蒸馏海水淡化装置海水的入口相连；所述多效蒸馏海水淡化装置的出口与所述淡水罐相连通。
7.权利要求1-6任一项所述的多功能系统的控制方法，其特征在于：包括航行和停泊两种控制步骤：在航行时，所述控制阀Ⅰ和所述控制阀Ⅱ打开，所述控制阀Ⅲ和所述控制阀Ⅳ关闭，用于在航行时，太阳能复合LNG冷能单元中提供四级有机朗肯循环的热能以及利用LNG冷能；
在停泊时，所述控制阀Ⅰ和所述控制阀Ⅱ关闭，所述控制阀Ⅲ和所述控制阀Ⅳ打开，用于在停泊时，太阳能复合LNG冷能单元中，关闭四级有机朗肯循环，只使用太阳能给三级有机朗肯循环供热以及提供热量。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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