CN209278836U - 一种船用lng气化及冷量回收换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种船用LNG气化及冷量回收换热系统。本实用新型系统包括LNG燃料气化单元、循环换热网络以及两个冷量回收单元组成，LNG燃料气化单元和两冷量回收单元通过循环换热网络连接换热；循环换热网络是将多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4三部分封装集成在同一个多通道换热器内构成的一体式复合型循环换热装置。本实用新型系统紧凑高效，通过选择适当的载冷剂，调节循环换热网络的循环次数，不仅能高效无冻结的蒸发LNG用于船舶燃料供给，而且能同时回收其气化冷量以满足船舶上不同制冷应用场合的温度需求，本实用新型系统和方法适于在船用LNG领域推广使用。

Description

一种船用LNG气化及冷量回收换热系统

技术领域

本实用新型涉及船用燃料换热网络及相关换热器设备，具体涉及一种船用LNG气化及冷量回收换热系统。

背景技术

在世界货物运输中海洋运输所占比例很大，对我国而言其占进出口总量的比例高达90％以上。根据国际海事组织(IMO)统计，船舶柴油机燃烧年排放含有SO₂、NO₂的尾气所造成的大气污染约占全球大气污染总量的5～11％。为了保护环境，IMO提出了控制船舶柴油机有害排放公约，设定了船舶硫氧化物、氮氧化物等污染物的排放限值，规定船舶使用燃料油的含硫量限值到2020年将降低至0.5％。液化天然气(LNG)作为一种清洁能源，与传统柴油燃料相比，其燃烧提供动力时可减少大量颗粒物、硫氧化物(SO_x)和氮氧化物(NO_x)废料的排放，且在同等热质条件下其温室气体排放量仅为柴油燃料的40％左右。因此，LNG在海洋船舶(包括游艇、驳船、集装箱货船等)上被认为是极具吸引力的燃料替代品，越来越多的船舶将使用液化天然气或混合动力(柴油/液化天然气)作为燃料。LNG是在-162℃常压条件下储存的低温液体燃料，进入船舶主机引擎前必须将其蒸发并过热至环境温度。在这一过程中，LNG约释放出860kJ/kg的冷量，可利用该能量提供船舶上的冷藏、空调、海水淡化、发电等用途，不仅省去了相关制冷耗电设备、减少了耗功，还避免了直接使用海水气化LNG对海洋环境及船体冻结带来的低温危害。

然而，目前在大部分LNG液化方式中不自带冷能回收功能，常见的装置有开放式、浸没式以及中间液体式气化器。前两者均采用空气、海水或工业热源进行LNG的气化，主要的缺点是能源浪费、残余化学成分和低温海水的排放对海洋生物所产生的负面影响。而中间液体式气化器虽使用载冷剂作为中间换热产物，但巨大的气化温差往往导致该类型气化器效率低下，不能满足工业需求。特别是在LNG动力船舶中，不适当的气化装置无法满足船用天然气燃料的温度要求，不能保证船舶主机引擎正常工作，严重者甚至冻结管路而造成船舶低温损坏。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型公开了一种LNG动力船用冷量回收换热系统及方法，不仅能有效的气化LNG燃料以供给船舶主机引擎，而且能高效的回收该过程中的冷量以减少相关制冷能耗，同时还兼顾了无冻结、结构紧凑的特点，满足了LNG船舶的多种冷量温度需求。

为达到上述目标，本实用新型采用如下的技术方案予以实现：

一种LNG动力船用冷量回收换热系统，包括LNG燃料气化单元、循环换热网络以及两个冷量回收单元组成，LNG燃料气化单元和两冷量回收单元通过循环换热网络连接换热，其中：

所述的LNG燃料气化单元，包括LNG储罐1、船舶主机5以及相应的连接管路；LNG储罐1通过低温管路与循环换热网络入口连通，船舶主机5通过燃料气管路与循环换热网络出口连通，接收气化的LNG燃料；

所述的循环换热网络，包括多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3、多通道过冷蒸汽回热器4以及相应的连接管路；所述的多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4均为多股流换热器，其中，多通道液体蒸发器2连接LNG储罐1，接收来自LNG储罐内的液态LNG燃料，多通道液体蒸发器2与多通道蒸汽过热器3连通构成LNG蒸发气化循环回路，多通道液体蒸发器2与多通道过冷蒸汽回热器4连通构成LNG蒸汽回热循环回路，同时，多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4分别接收冷量回收单元的第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2作为热源，进入LNG蒸发气化循环回路和LNG蒸汽回热循环回路，与LNG饱和蒸汽、过冷蒸汽换热，换热后的多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4中的第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2过冷液体分别从多通道蒸汽过热器3出口和多通道过冷蒸汽回热器4出口回流至各自对应的冷量回收单元，多通道循环换热气化后达到指定温度的天然气从蒸汽回热器4出口进入船舶主机5；

所述的两个冷量回收单元，分别包括第二冷量利用装置6、第一冷量利用装置7及相应的连接管路；所述的第二冷量利用装置6和第一冷量利用装置7，分别使用第二载冷剂Z2和第一载冷剂Z1作为制冷剂提供冷能，其出口的高温载冷剂通过管路进入循环换热网络的多通道过冷蒸汽回热器4和多通道蒸汽过热器3回收LNG的气化冷量，换热后流出多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4的第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2过冷液体经管路回流至各自对应的第一冷量利用装置7和第二冷量利用装置6，在冷量利用装置内释放冷量制冷后继续变为高温载冷剂进入循环换热网络。所述的第二冷量利用装置6和第一冷量利用装置7为空调、冷藏柜或海水淡化装置等各类船用制冷装置。

进一步地，所述的循环换热网络的多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4为板翅式、板式、缠绕管式或壳管式多股流换热器。

进一步地，所述的循环换热网络是将多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4三部分封装集成在同一个多通道换热器内构成的一体式复合型循环换热装置，便于安装。

进一步地，所述的多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4中的换热通道均采用翅片结构，考虑到LNG液体粘度较大，其换热通道优选平直翅片或开孔翅片，LNG饱和蒸汽以及过热与过冷蒸汽的换热通道采用锯齿型或波纹型翅片，而第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2的换热通道宜选用平直型或波纹型翅片。

进一步地，所述的多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4内换热通道的布置方式采用冷热流体单层、双层或组合方式进行配置，即在两层相邻的热(或冷)通道之间夹有一层冷(或热)通道，并重复堆叠。

进一步地，所述的多通道液体蒸发器2为单个多股流板翅式换热器，多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4组合为一体结构的换热器，换热通道内选用工业板翅换热器翅片，多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4两侧均分别设置真空隔热层K，用于隔绝换热器与外界以及换热器之间的热量传递。

一种LNG动力船用冷量回收换热方法，其特征在于，步骤如下：

(1)LNG液体燃料的蒸发气化

LNG储罐1内的液态LNG燃料通过低温管路输送至循环换热网络的多通道液体蒸发器2中，LNG液体燃料作为冷流体，利用已经经过多通道蒸汽过热器3、多通道过冷蒸汽回热器4换热后回流的LNG过热蒸汽作为热流体进行蒸发气化，从而转化为LNG饱和蒸汽；

(2)LNG蒸汽的循环回热

LNG饱和蒸汽进入多通道蒸汽过热器3中与第一载冷剂Z1换热后成为第一回流的过热蒸汽，返回多通道液体蒸发器2中同初始LNG液体换热成为过冷蒸汽，最后进入多通道过冷蒸汽回热器4中释放冷量给第二载冷剂Z2，从而完成第一次回热循环；在多通道过冷蒸汽回热器4内换热后，未达到指定温度的LNG过热蒸汽再次流回多通道液体蒸发器2中，作为下一次回热循环的开始，气化初始的LNG液体之后再次流回多通道过冷蒸汽回热器4中继续回热；

(3)LNG气化后供给主机

按照船舶燃料供应要求，LNG液体在设定好的循环换热网络中经过n次循环后，循环次数n≥2，最终在多通道过冷蒸汽回热器4出口以天然气的形式按照指定温度输出，并通过燃料气管路输送至船舶主机5进行燃烧，从而完成LNG燃料的气化循环；

在上述LNG燃料的气化循环中，LNG液体燃料经过循环换热网络气化为指定温度的天然气气体并输送至船舶主机，LNG气化过程释放的冷量一部分被多通道蒸汽过热器3中的第一载冷剂Z1所吸收，另一部分被多通道过冷蒸汽回热器4中的第二载冷剂Z2所吸收。

(4)冷量的回收循环

第一冷量利用装置7所使用的第一载冷剂Z1通入多通道蒸汽过热器3中吸收LNG饱和蒸汽的冷量，随后返回第一冷量利用装置7中释放冷量制冷，释放冷量后的第一载冷剂Z1继续进入多通道蒸汽过热器3中，从而实现LNG气化冷量的一次回收循环；

第二冷量利用装置6所使用的第二载冷剂Z2通入多通道过冷蒸汽回热器4中吸收LNG过冷蒸汽的冷量，随后返回第二冷量利用装置6中释放冷量制冷，释放冷量后的第二载冷剂Z2继续进入多通道过冷蒸汽回热器4中，从而实现LNG气化冷量的二次回收循环。

进一步地，所述的第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2可相同或不同，应根据不同的循环次数以及所需的温度工况进行具体选择。

进一步地，所述的第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2采用乙二醇水溶液和/或丙二醇水溶液，载冷剂的类型及流量应根据LNG供给量确定，即：在多通道蒸汽过热器3中第一载冷剂Z1应该保证第一次返回多通道液体蒸发器2的LNG气体为过热状态，所述过热状态是指在工作环境压力下LNG完全蒸发变为气体后继续加热的状态；在多通道过冷蒸汽回热器4中的第二载冷剂Z2的冰点必须高于LNG过冷气体的温度，所述冰点是指在工作环境压力下载冷剂凝固的三相点温度。

进一步地，根据工艺要求的LNG流量大小，循环换热网络的设计参数由载冷剂的比热、流量、循环次数以及载冷剂所需要达到的出口温度确定；根据不同的流量、温度需求定制不同的设计参数，具有较大的灵活性和广泛的适用性。循环换热网络的循环换热次数n计算公式如下：

式中：m为LNG质量流量，r为LNG汽化潜热，c_p为LNG的比热容，t_LNG-0和t_LNG-12分别为循环换热网络入口LNG液体和出口天然气的温度，t_LNG-3为第一次回收循环进入多通道过冷蒸汽回热器4的LNG过冷蒸汽的温度，t_Z1-1和t_Z1-2分别为多通道蒸汽过热器3入口和出口的第一载冷剂Z1的温度，t_Z2-1和t_Z2-2分别为多通道过冷蒸汽回热器4入口和出口的第二载冷剂Z2的温度。

在给定的LNG供给流量确定的情况下，循环次数n随多通道蒸汽过热器3出口的第一载冷剂Z1的温度t_Z1-2的降低以及多通道过冷蒸汽回热器4入口的第二载冷剂Z2的温度t_Z2-1的降低而减少，并随多通道液体蒸发器2中冷流体入口温度t_LNG-0的降低而增加。通过调节循环换热网络的循环次数n，能够实现满足各种用户需求的不同载冷剂温度。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果如下：

1、由于LNG液体在多通道液体蒸发器中多次同自身过热蒸汽换热，其相变潜热全部传递给了自身过热蒸汽，从而避免了在传统换热设备中低温液体直接和载冷剂之间的热传递，不会出现冻结现象；

2、本实用新型换热网络的独特设计在于，LNG液体在蒸发器中不直接同载冷剂进行热交换，有效避免了直接换热时载冷剂冻结的风险。同时，通过LNG液体和其自身过热蒸汽之间不断循环的热量传递，以及第一载冷剂和LNG饱和蒸汽、第二载冷剂和LNG过冷蒸汽之间的换热，使不同循环具有不同的温度梯度，更有利于提高循环换热网络的能量传递效率；同时多通道液体蒸发器中LNG液体和自身过热蒸汽之间具有较大的换热温差，有利于LNG液体完全气化；而在多通道过冷蒸汽回热器中载冷剂和天然气过冷蒸汽则采用小温差换热，可获得相对较高的冷能回收效率；

3、循环换热网络中增加的多通道蒸汽过热器，保证了LNG蒸汽的过热状态，同时还给循环换热网络添加了多种自由度，以适应于产生多种温度的载冷剂产品；

4、通过选择适当的载冷剂，调节循环换热网络的循环次数，即可在工艺规范条件下获得多种不同的载冷剂温度，以满足船舶中不同场合的使用需求；

5、在给定换热系统循环次数的情况下，还可通过改变工艺规范的任何参数来控制换热系统中间流体温度，例如：通过调节载冷剂流量可以获得不同载冷剂温度、天然气出口温度以及流量范围等。使得该实用新型在LNG动力船中具有十分广泛的适应性。

综上所述，本实用新型系统紧凑高效，不仅能高效无冻结的蒸发LNG用于船舶燃料供给，而且能同时回收其气化冷量以满足船舶上不同制冷应用场合的温度需求，本实用新型系统和方法适于在船用LNG领域推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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是本实用新型实施例1中一种船用LNG气化及冷量回收换热系统的结构及原理示意图；

图2是图1中的循环换热网络的装置结构示意图；

图3是图1中的循环换热网络的多通道液体蒸发器换热通道排列方式示意图；

图4是图1中的循环换热网络的一体结构的多通道蒸汽过热器和多通道过冷蒸汽回热器换热通道排列方式示意图；

图中：1、LNG储液罐，2、多通道液体蒸发器，3、多通道蒸汽过热器，4、多通道过冷蒸汽回热器，5、船舶主机，6、第二冷量利用装置，7第一冷量利用装置，Z1、第一载冷剂，Z2、第二载冷剂，K、真空隔热层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，一种LNG动力船用冷量回收换热系统，包括LNG燃料气化单元、循环换热网络以及两个冷量回收单元组成，LNG燃料气化单元和两冷量回收单元通过循环换热网络连接换热，其中：

所述的LNG燃料气化单元，包括LNG储罐1、船舶主机5以及相应的连接管路；LNG储罐1通过低温管路与循环换热网络入口连通，船舶主机5通过燃料气管路与循环换热网络出口连通，接收气化的LNG燃料；

所述的循环换热网络，包括多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3、多通道过冷蒸汽回热器4以及相应的连接管路；所述的多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4均为多股流换热器，其中，多通道液体蒸发器2连接LNG储罐1，接收来自LNG储罐内的液态LNG-0燃料，多通道液体蒸发器2与多通道蒸汽过热器3连通构成LNG蒸发气化循环回路，多通道液体蒸发器2与多通道过冷蒸汽回热器4连通构成LNG蒸汽回热循环回路，同时，多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4分别接收冷量回收单元的第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2作为热源，进入LNG蒸发气化循环回路和LNG蒸汽回热循环回路，与LNG饱和蒸汽、过冷蒸汽换热，换热后的多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4中的第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2过冷液体分别从多通道蒸汽过热器3出口和多通道过冷蒸汽回热器4出口回流至各自对应的冷量回收单元，循环换热气化后达到指定温度的天然气NG(LNG-12)从蒸汽回热器4出口进入船舶主机5；

所述的两个冷量回收单元，分别包括第二冷量利用装置6、第一冷量利用装置7及相应的连接管路；所述的第二冷量利用装置6和第一冷量利用装置7为空调、冷藏柜或海水淡化装置等各类船用制冷装置，分别使用第二载冷剂Z2和第一载冷剂Z1作为制冷剂提供冷能，在第一冷量利用装置7内释放冷量后的高温载冷剂Z1-1通过管路进入循环换热网络的多通道蒸汽过热器3中回收LNG的部分气化冷量，在第二冷量利用装置6内释放冷量后的高温载冷剂Z2-1通过管路进入循环换热网络的多通道过冷蒸汽回热器4中回收剩余的LNG气化冷量，换热后流出多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4的第一载冷剂Z1-2和第二载冷剂Z2-2的过冷液体经管路分别回流至对应的第一冷量利用装置7和第二冷量利用装置6，在冷量利用装置内释放冷量制冷后继续变为高温载冷剂进入循环换热网络。

循环换热网络的多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4为板翅式、板式、缠绕管式或壳管式多股流换热器。如图2所示，循环换热网络是将多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4三部分封装集成在同一个多通道换热器内构成的一体式复合型循环换热装置，便于安装。LNG液体、饱和蒸汽、过热与过冷蒸汽以及载冷剂所涉及的多个换热通道通过导流板束以及封头分配到循环换热网络中。

多通道液体蒸发器2、多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4中的换热通道均采用翅片结构，考虑到LNG液体粘度较大，其换热通道优选平直翅片或开孔翅片，LNG饱和蒸汽以及过热与过冷蒸汽的换热通道采用锯齿型或波纹型翅片，而第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2的换热通道宜选用平直型或波纹型翅片。

如图3所示，多通道液体蒸发器2为单个多股流板翅式换热器，其换热通道内选用工业板翅换热器翅片，换热器两侧设置真空隔热层K，用于隔绝换热器与外界的热量传递。多通道液体蒸发器2内换热通道的布置方式采用冷热流体单层、双层或组合方式进行配置，即在两层相邻的热(或冷)通道之间夹有一层冷(或热)通道，并重复堆叠。

如图4所示，多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4组合为一体结构的换热器，多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4两侧均分别设置真空隔热层K，用于隔绝换热器与外界以及换热器之间的热量传递。多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4内换热通道的布置方式采用冷热流体单层、双层或组合方式进行配置，即在两层相邻的热(或冷)通道之间夹有一层冷(或热)通道，并重复堆叠。

一种LNG动力船用冷量回收换热方法，其特征在于，步骤如下：

(1)LNG液体燃料的蒸发气化

LNG储罐1内的液态LNG-0燃料通过低温管路输送至循环换热网络的多通道液体蒸发器2中，LNG-0液体燃料作为冷流体，利用已经经过多通道蒸汽过热器3、多通道过冷蒸汽回热器4换热后回流的LNG过热蒸汽(LNG-2、LNG-4、LNG-6、LNG-8、LNG-10)作为热流体进行蒸发气化，从而转化为LNG饱和蒸汽LNG-1；

(2)LNG蒸汽的循环回热

饱和蒸汽LNG-1进入多通道蒸汽过热器3中与第一载冷剂Z1换热后成为第一回流的过热蒸汽LNG-2，返回多通道液体蒸发器2中同初始LNG-0液体换热成为过冷蒸汽LNG-3，最后进入多通道过冷蒸汽回热器4中释放冷量给第二载冷剂Z2，从而完成第一次回热循环；在多通道过冷蒸汽回热器4内换热后，未达到指定温度的LNG过热蒸汽(LNG-4、LNG-6、LNG-8、LNG-10)再次流回多通道液体蒸发器2中，作为下一次回热循环的开始，气化初始的LNG-0液体之后再次流回多通道过冷蒸汽回热器4中继续回热；

(3)LNG气化后供给主机

按照船舶燃料供应要求，LNG液体在设定好的循环换热网络中经过n次循环后，循环次数n≥2，本实施例中n＝5，最终在多通道过冷蒸汽回热器4出口LNG-12以天然气NG的形式按照指定温度输出，并通过燃料气管路输送至船舶主机5进行燃烧，从而完成LNG燃料的气化循环；

在上述LNG燃料的气化循环中，LNG-0液体燃料经过循环换热网络气化为指定温度的天然气气体NG并输送至船舶主机，LNG气化过程释放的冷量一部分被多通道蒸汽过热器3中的第一载冷剂Z1所吸收，另一部分被多通道过冷蒸汽回热器4中的第二载冷剂Z2所吸收。

(4)冷量的回收循环

第一冷量利用装置7所使用的第一载冷剂Z1-1通入多通道蒸汽过热器3中吸收饱和蒸汽LNG-1的冷量变为Z1-2，返回第一冷量利用装置7中释放冷量制冷，释放冷量后重新变为Z1-1继续进入多通道蒸汽过热器3中，从而实现LNG气化冷量的一次回收循环；

第二冷量利用装置6所使用的第二载冷剂Z2-1通入多通道过冷蒸汽回热器4中吸收LNG过冷蒸汽(LNG-3、LNG-5、LNG-7、LNG-9、LNG-11)的冷量变为Z2-2，返回第二冷量利用装置6中释放冷量制冷，释放冷量后重新变为Z2-1继续进入多通道过冷蒸汽回热器4中，从而实现LNG气化冷量的二次回收循环；

第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2在吸收LNG的蒸发潜热和与环境温差的潜热后分别通入不同的第一冷量利用装置7和第二冷量利用装置6，第一冷量利用装置7和第二冷量利用装置6为空调、冷藏柜或海水淡化装置等各类船用制冷装置，第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2释放冷量后返回换热网络中再次吸收LNG蒸发过程释放的冷量，完成冷量回收循环。

所述的第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2采用乙二醇水溶液和/或丙二醇水溶液。第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2可相同或不同，应根据不同的循环次数以及所需的温度工况进行具体选择。

所述的第一载冷剂Z1和第二载冷剂Z2的类型及流量应根据LNG供给量确定，即：在多通道蒸汽过热器3中第一载冷剂Z1应该保证第一次返回多通道液体蒸发器2的LNG-2气体为过热状态，所述过热状态是指在工作环境压力下LNG完全蒸发变为气体后继续加热的状态；在多通道过冷蒸汽回热器4中的第二载冷剂Z2的冰点必须高于LNG过冷蒸汽(LNG-3、LNG-5、LNG-7、LNG-9、LNG-11)的温度，所述冰点是指在工作环境压力下载冷剂凝固的三相点温度。

根据工艺要求的LNG流量大小，循环换热网络的设计参数由载冷剂的比热、流量、循环次数以及载冷剂所需要达到的出口温度确定；根据不同的流量、温度需求定制不同的设计参数，具有较大的灵活性和广泛的适用性。

循环换热网络的循环换热次数n计算公式如下：

式中：m为LNG质量流量，r为LNG汽化潜热，c_p为LNG的比热容，t为图1中各流体的温度，各温度所对应的流体种类如其对应角标所示，即：LNG-12、LNG-0、LNG-3、Z1-2、Z1-1、Z2-2、Z2-1流体的温度。

在给定的LNG供给流量确定的情况下，循环次数n随多通道蒸汽过热器3出口的第一载冷剂Z1的温度t_Z1-2的降低以及多通道过冷蒸汽回热器4入口的第二载冷剂Z2的温度t_Z2-1的降低而减少，并随多通道液体蒸发器2中冷流体入口温度t_LNG-0的降低而增加。通过调节循环换热网络的循环次数n，能够实现满足各种用户需求的不同载冷剂温度。

如图3所示，本实施例中，设定循环换热网络的循环次数n为5次，多通道液体蒸发器2为多通道板翅式换热器，其换热通道为冷热流体“三明治”排列，LNG液体通路设计为5层通道，而每次循环的LNG过热蒸汽设定为2层通道、循环5次，共计10层通道。多通道液体蒸发器2内，为1股冷流体LNG-0和5股热流体(LNG-2、LNG-4、LNG-6、LNG-8、LNG-10)进行换热。其中，LNG液体LNG-0被分配为5层换热通道，每层通道翅片均为打孔翅片，翅高6.5mm、翅宽1.4mm、翅厚0.2mm，5层通道内的LNG液体均由导流片汇聚至对应封头处排出，导流片型号为65D4205；LNG过热蒸汽LNG-2、LNG-4、LNG-6、LNG-8、LNG-10为5个换热循环回路，每个回路被分为2层，一共10层换热通道，每层翅片均为锯齿型翅片，翅高9.5mm、翅宽1.4mm、翅厚0.2mm、锯齿节距3mm，10层通道内的LNG蒸汽均由导流片汇聚到对应封头排出，导流片型号为95D4205。此外，为了缩小换热器尺寸、方便通道排布分配，本实施例中热流体换热层设计为对称结构，比例为3：2，即：6层通道包括LNG-2、LNG-6和LNG-10，4层通道包括LNG-4和LNG-8。为了适当保温，还在换热通道的最外层两侧各设置了一层真空隔热层K。上述每层通道均由封头、封条、侧板、导流片及换热翅片组成。多通道液体蒸发器2内的5个换热回路LNG-2、LNG-4、LNG-6、LNG-8、LNG-10为依次换热而非同时换热，能够更大限度的提高冷能回收效率。

多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4组合为一体结构的换热器，如图4所示，多通道蒸汽过热器3和多通道过冷蒸汽回热器4中的换热通道为冷热流体“三明治”排列。在多通道蒸汽过热器3内，第一载冷剂Z1被分配为3层通道，LNG饱和蒸汽被分配为2层通道，彼此相间排列。在多通道过冷蒸汽回热器4内，每次循环的LNG过冷蒸汽被设定为2层通路、5次循环，共计有10层通道；第二载冷剂Z2设定为11层通道，间隔排列并包裹每层过冷蒸汽通道。

多通道过冷蒸汽回热器4内，为1股热流体载冷剂Z2-1和5股冷流体(LNG-3、LNG-5、LNG-7、LNG-9、LNG-11)进行换热。其中，载冷剂Z2-1被分配为11层换热通道，每层通道的翅片均为平直翅片，翅高9.5mm、翅宽2mm、翅厚0.3mm，11层通道内的载冷剂液体均由导流片汇聚至对应封头排出，导流片型号为95DD4205；LNG过冷蒸汽LNG-3、LNG-5、LNG-7、LNG-9、LNG-11被分为5个换热循环回路，每个回路被分为2层，一共10层换热通道，每层翅片均为锯齿型翅片，翅高9.5mm、翅宽1.4mm、翅厚0.2mm、锯齿节距3mm，10层通道内的LNG蒸汽均由导流片汇聚到对应封头排出，导流片型号为95D4205。此外为了缩小换热器尺寸、方便换热通道排布分配，热流体换热层设计为对称结构，比例为3：2，即6层通道包括LNG-3、LNG-5和LNG-7，4层通道包括LNG-9和LNG-11。为了适当保温，还在换热通道的最外层两侧各设置了一层真空隔热层K。上述每层通道均由封头、封条、侧板、导流片及换热翅片组成。多通道过冷蒸汽回热器4内的5个换热循环回路LNG-3、LNG-5、LNG-7、LNG-9、LNG-11也为依次换热而非同时换热，以进一步提高冷能回收效率。

此外，为了缩小结构尺寸，多通道蒸汽过热器3被集成在多通道过冷蒸汽回热器4内部，并通过2个真空隔热层K隔开。多通道蒸汽过热器3内设置了3层第一载冷剂换热通道以及2层LNG饱和蒸汽换热通道，用于进行热流体Z1-1与冷流体LNG-1之间的换热，其结构与上述结构相同，不再赘述。上述每层通道均由封头、封条、侧板、导流片及换热翅片组成。

按照图1所示的原理图，LNG-0液体由LNG储罐1经燃料泵流量调节后进入循环换热网络。LNG-0经多通道液体蒸发器2，将相变潜热传递给自身过热蒸汽LNG-2、LNG-4、LNG-6、…、LNG-2n，然后变为饱和的LNG蒸汽LNG-1进入多通道蒸汽过热器3同第一载冷剂Z1进行换热，并被载冷剂Z1加热成为过热的LNG蒸汽LNG-2；LNG-2作为第一个热流返回多通道液体蒸发器2加热LNG初始低温液体LNG-0；同LNG-0换热后，过热蒸汽LNG-2变为过冷蒸汽LNG-3继续流入多通道过冷蒸汽回热器4；在多通道过冷蒸汽回热器4中，第二载冷剂Z2循环加热过冷蒸汽LNG-3、LNG-5、LNG-7、…、LNG-2n+1；被载冷剂Z2加热后的LNG-3变为过热蒸汽LNG-4，并重新回到多通道液体蒸发器2完成循环换热网络中的一次循环；LNG-4成为第二个热流返回多通道液体蒸发器2继续加热LNG初始低温液体LNG-0，从而开启下一次循环。遵循上述方式，LNG液体释放相变潜热给自身过热蒸汽后，通过多通道蒸汽过热器3再次释放冷能给第一载冷剂Z1，最后继续在多通道过冷蒸汽回热器4中释放冷能给第二载冷剂Z2。上述循环在多通道液体蒸发器2与多通道过冷蒸汽回热器4中进行n次后，多通道过冷蒸汽回热器4出口的LNG-2n+2作为LNG的气化产物天然气达到指定温度后排出并进入船舶主机引擎中作为动力燃料使用。

其次，在循环换热网络中，第一载冷剂Z1在过热器中首先吸收饱和状态下LNG-1蒸汽的冷量，使其成为过热蒸汽LNG-2并回到多通道液体蒸发器2中加热LNG初始低温液体LNG-0；随后，第二载冷剂Z2在多通道过冷蒸汽回热器4中循环吸收来自多通道液体蒸发器2中的LNG过冷蒸汽LNG-3、LNG-5、LNG-7、…、LNG-2n+1的冷量，经过反复循环n次后得到其全部冷量。

LNG冷量最终被多通道蒸汽过热器3中的第一载冷剂Z1和多通道过冷蒸汽回热器4中的第二载冷剂Z2以不同的温度梯度条件进行回收：第一载冷剂Z1用于低温冷量回收，其出口温度根据LNG流量大小最低可达-30℃，所回收的冷量可供船舶冷冻设备使用；第二载冷剂用于高温冷量回收，其出口温度可达10℃左右，所回收的冷量可供船舶空调等系统使用。在换热过程中，LNG蒸汽与载冷剂具有10℃到30℃温差的温度梯度。上述循环换热网络中采用多次循环进行回温，循环换热网络入口为LNG液体，循环换热网络的出口为天然气气体输出。

本实用新型提出的一种船用LNG气化及冷量回收换热系统及方法，将船舶燃料储液罐中的LNG液体通过循环换热网络进行高效气化并同时利用载冷剂进行冷量回收，不仅能够满足船舶主机引擎的天然气燃料供给需求，而且还能高效回收气化过程释放的冷能并以不同温度供应船舶空调、食品冷库以及海水淡化等装置的冷量需求。本实用新型通过巧妙的设计使LNG气化时冷热流体进行大温差换热以保证气化完全，而在冷能回收时则使冷热流体进行小温差换热以提高能量回收效率，并且通过独特的循环自蒸发设计和循环载冷剂回收冷能设计有效的避免了传统气化器冻结以及效率不高的问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种船用LNG气化及冷量回收换热系统，其特征在于，包括LNG燃料气化单元、循环换热网络以及两个冷量回收单元组成，LNG燃料气化单元和两冷量回收单元通过循环换热网络连接换热，其中：

所述的LNG燃料气化单元，包括LNG储罐(1)、船舶主机(5)以及相应的连接管路；LNG储罐(1)通过低温管路与循环换热网络入口连通，船舶主机(5)通过燃料气管路与循环换热网络出口连通，接收气化的LNG燃料；

所述的循环换热网络，包括多通道液体蒸发器(2)、多通道蒸汽过热器(3)、多通道过冷蒸汽回热器(4)以及相应的连接管路；所述的多通道液体蒸发器(2)、多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)均为多股流换热器，其中，多通道液体蒸发器(2)连接LNG储罐(1)，接收来自LNG储罐内的液态LNG燃料，多通道液体蒸发器(2)与多通道蒸汽过热器(3)连通构成LNG蒸发气化循环回路，多通道液体蒸发器(2)与多通道过冷蒸汽回热器(4)连通构成LNG蒸汽回热循环回路，同时，多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)分别接收冷量回收单元的第一载冷剂(Z1)和第二载冷剂(Z2)作为热源，进入LNG蒸发气化循环回路和LNG蒸汽回热循环回路，与LNG饱和蒸汽、过冷蒸汽换热，换热后的多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)中的第一载冷剂(Z1)和第二载冷剂(Z2)过冷液体分别从多通道蒸汽过热器(3)出口和多通道过冷蒸汽回热器(4)出口回流至各自对应的冷量回收单元，多通道循环换热气化后达到指定温度的天然气从蒸汽回热器(4)出口进入船舶主机(5)；

所述的两个冷量回收单元，分别包括第二冷量利用装置(6)、第一冷量利用装置(7)及相应的连接管路；所述的第二冷量利用装置(6)和第一冷量利用装置(7)，分别使用第二载冷剂(Z2)和第一载冷剂(Z1)作为制冷剂提供冷能，其出口的高温载冷剂通过管路分别进入循环换热网络的多通道过冷蒸汽回热器(4)和多通道蒸汽过热器(3)回收LNG的气化冷量，换热后流出多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)的第一载冷剂(Z1)和第二载冷剂(Z2)过冷液体经管路回流至各自对应的第一冷量利用装置(7)和第二冷量利用装置(6)，在冷量利用装置内释放冷量制冷后继续变为高温载冷剂进入循环换热网络。

2.根据权利要求1所述的一种船用LNG气化及冷量回收换热系统，其特征在于，所述的循环换热网络的多通道液体蒸发器(2)、多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)为板翅式、板式、缠绕管式或壳管式多股流换热器。

3.根据权利要求1所述的一种船用LNG气化及冷量回收换热系统，其特征在于，所述的循环换热网络是将多通道液体蒸发器(2)、多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)三部分封装集成在同一个多通道换热器内构成的一体式复合型循环换热装置，便于安装。

4.根据权利要求3所述的一种船用LNG气化及冷量回收换热系统，其特征在于，所述的多通道液体蒸发器(2)、多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)中的换热通道均采用翅片结构，其换热通道选平直翅片或开孔翅片，LNG饱和蒸汽以及过热与过冷蒸汽的换热通道采用锯齿型或波纹型翅片，而第一载冷剂(Z1)和第二载冷剂(Z2)的换热通道选用平直型或波纹型翅片。

5.根据权利要求3所述的一种船用LNG气化及冷量回收换热系统，其特征在于，所述的多通道液体蒸发器(2)、多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)内换热通道的布置方式采用冷热流体单层、双层或组合方式进行配置，即在两层相邻的热通道之间夹有一层冷通道，或是在两层相邻的冷通道之间夹有一层热通道，并重复堆叠。

6.根据权利要求1所述的一种船用LNG气化及冷量回收换热系统，其特征在于，所述的多通道液体蒸发器(2)为单个多股流板翅式换热器，多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)组合为一体结构的换热器，换热通道内选用工业板翅换热器翅片，多通道液体蒸发器(2)、多通道蒸汽过热器(3)和多通道过冷蒸汽回热器(4)两侧均分别设置真空隔热层(K)，用于隔绝换热器与外界以及换热器之间的热量传递。