一种适用于LNG燃料船的耦合LNG冷能发电供气和ORC发电的节能系统的制作方法

一种适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统
技术领域
1.本发明涉及一种适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，属于船舶工程及节能领域。具体地讲，利用lng冷能进行发电后对主机或辅机供气，利用烟气余热进行orc发电，前者的蒸发和复热过程中释放的冷量与后者液化过程中的释放的热量进行换热，冷热交互耦合。


背景技术：

2.船舶发动机在工作过程中燃料燃烧产生的能量约有50%的热能被废气和缸套水带走排入环境之中，导致燃料利用率低。废气中含有大量的余热由于品位低，不利于回收。如果船舶余热得到回收则可提高主机的能源利用率，减少燃料消耗，降低废弃排放量，起到节能减排的作用。
3.有机朗肯循环（orc）因热效率高、结构简单、可靠性高、成本低、易于维护等优点，在众多领域得到广泛的研究，如工业余热回收、内燃机余热回收、太阳能利用、地热能利用等。orc可以将中低品位的热能转化为所需要的电能或机械能，从而提高能源系统的能量使用效率。但该系统的冷凝器需要大量的循环水为介质降温。
4.lng燃料船的供气系统中的燃料气化通常采用乙二醇水溶液吸收气化过程中释放的冷量，然后乙二醇水溶液需要通过蒸汽加热复温。这个过程既没有回收冷量还需要消耗蒸汽热量，造成很大的能量浪费。


技术实现要素：

5.本发明克服上述技术问题和缺陷，本发明提供了一种适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电和orc发电的节能系统。
6.lng燃料船航行过程中燃料供应系统需要对lng进行气化，过程中产生大量冷能，常规操作这部分冷能由乙二醇水溶液吸收，然后用蒸汽加热乙二醇水溶液，这个工艺需要消耗蒸汽，能耗较高，能源的合理利用方面尚有改进空间。
7.本发明将燃料供气系统燃料气化过程中释放的冷量进行回收利用，同时，利用船上来自缸套水或烟气的多余的热量为orc发电提供热源。该工艺在利用lng冷能发电的同时又能满足主机供气条件，orc发电系统利用船舶多余热量和lng气化冷量发电，orc的冷凝利用lng气化冷凝而未采用循环水，且分两级冷凝，中间设置分离器，减少系统两相流，抑制船舶航行中晃荡影响。
8.具体的，为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：本发明的适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，其特征在于，包括lng冷能发电供气系统和烟气余热orc发电系统。
9.lng冷能发电供气系统包括：lng储罐（1）、lng泵（11）、lng蒸发器（10）、lng透平发电机（9）、lng复热器（7）、供气缓冲罐（12）部件；lng储罐（1）与lng泵（11）相连，lng泵连接
lng蒸发器（10），lng蒸发器连接lng透平发电机（9），lng透平发电机（9）连接lng复热器（7），lng复热器与供气缓冲罐（12）连接。
10.orc发电的节能系统包括：orc储液罐（2）、orc泵（3）、orc预热器（4）、orc蒸发器（5）、orc透平发电机（6）部件；orc储液罐（2）与orc泵（3）连接，orc泵连接orc预热器（4），orc预热器（4）连接orc蒸发器（5），orc蒸发器连接orc透平发电机（6）；orc透平发电机（6）连接lng复热器（7），lng蒸发器（10）的液相管路通向orc储液罐（2）。
11.本发明所述的节能系统还包括orc气液分离器（8），orc气液分离器（8）连接lng复热器（7），orc气液分离器（8）气相管路连接lng蒸发器（10），orc气液分离器（8）的液相管路通向orc储液罐（2）。
12.所述的lng透平发电机（9）和orc透平发电机（6）都采用高速磁悬浮发电机。
13.所述的lng蒸发器（10）和lng复热器（7）选用平板式换热器、板翅式换热器、绕管式换热器或管壳式换热器的一种。
14.优选的，lng蒸发器和lng复热器选用板翅式换热器。
15.所述的orc预热器（4）和orc蒸发器（5）选用平板式换热器、板翅式换热器、绕管式换热器、印刷电路板换热器或管壳式换热器的一种。
16.优选的，orc预热器（4）和orc蒸发器（5）选用平板式换热。
17.进一步的，本发明还包括并网柜（13），lng透平发电机（9）和orc透平发电机（6）输出的电通过并网柜（13）与船舶主电网并网，为用电设备供电。
18.本发明所述高速磁悬浮发电机结构是：转子（9-5）采用磁悬浮轴承，所述的转子（9-5）与叶轮（9-4）直联，叶轮置于蜗壳（9-1）内，转子置于发电机壳（9-2）内；蜗壳与发电机壳（9-2）通过法兰连接；有机介质经叶轮做功后进入发电机壳（9-2）内，穿过电机壳体，冷却电机；发电机壳（9-2）出口连接出口管（9-3），出口管（9-3）采用偏心变径管，与发电机壳（9-2）和管道通过法兰连接。
19.叶轮（9-4）是轴流式、径流式或径轴流式的任意一种；叶轮配套有转速传感器。
20.磁悬浮轴承带有保护轴承、位移传感器、温度检测器及ups电源。
21.所述的orc发电系统采用的有机介质是245fa或r123的一种或多种。利用orc透平发电机（6）出来的245fa做热源，分别加热lng使其气化和加热lng使其满足供气温度需求，245fa在上述两个换热器中逐步冷凝液化。245fa与lng蒸发器（10）和ng复热器（7）的换热顺序可以改变，优选地换热顺序是，先进ng复热器换热，气液分离后，气相进入lng蒸发器换热。245fa两级冷凝后，温度40～50℃。
22.orc气液分离器（8）用于分离第一次降温后的245fa的气液两相，其安装位置处于lng复热器（7）和lng蒸发器（10）之间，orc气液分离器（8）的气相与lng蒸发器（10）相连，orc气液分离器（8）的液相与lng蒸发器（10）热侧的液相都通向orc储液罐（2）。orc气液分离器（8）的安装位置高于orc储液罐（2），保留一定的位差。
23.orc储液罐（2）进液方式，可以在储罐设置两个进液口，两路液体各自进入储罐。也可以储罐设一个进液口，两路液体在储罐入口管通过三通汇集后一起进入储罐，该方式需要在lng蒸发器出来的液相管道上加装止回阀。
24.orc预热器（4）采用缸套水提供热源，也可以采用orc蒸发器（5）出来的蒸汽或导热油的二次换热提供热源，还可以利用orc透平发电机（6）出来的待冷凝有机介质蒸汽提供热
源。可用热源的温度区间为80～120℃。
25.orc蒸发器（5）采用烟气余热产的蒸汽或者高温导热油提供热源，热源温度区间为150～180℃。
26.在本发明中，利用lng冷能发电后的天然气进入供气缓冲罐，以适合主机用气需求的压力和温度为主机供气。该系统的供气压力范围是16～300bar，温度范围是30～60℃。供气压力16bar可满足四冲程低压燃气主机及锅炉的用气需求。供气压力300bar可满足二冲程低速主机的用气需求。
27.本发明的有益效果为：lng供气系统与现有技术比，lng蒸发的热源由乙二醇水溶液改为需要被冷凝的orc系统的有机介质，节省了用于加热乙二醇水溶液的蒸汽，节省的蒸汽可用于orc系统发电。原orc发电技术冷凝需要大量的循环水，两个发电系统耦合后，不需要用循环水。
28.orc的冷凝分为两级冷凝，利用了天然气两种不同的冷源。两级冷凝之间增加气液分离器，减少系统中的两相流流动，抑制船舶航行晃动工况对系统性能的影响。
29.该系统进行撬块化设计，体积小，接口少，方便安装。
30.两个发电系统发的电可以补充船上的用电需求，减少发电辅机的工作负荷，减少辅机燃料消耗量。
附图说明
31.图1为本发明结构图示意图。
32.图2为本发明高速磁悬浮发电机结构图。
33.图中：lng储罐（1）、orc储液罐（2）、orc泵（3）、orc预热器（4）、orc蒸发器（5）、orc透平发电机（6）、lng复热器（7）、orc气液分离器（8） lng透平发电机（9）、lng蒸发器（10）、lng泵（11）、供气缓冲罐（12）；转子（9-5）、叶轮（9-4）、蜗壳（9-1）、发电机壳（9-2）、出口管（9-3）、
实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例
35.见图1-2，本实施例提供了一种适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电和orc发电的节能系统，集成了lng冷能发电和烟气余热orc发电两个系统。lng冷能发电系统在发电后满足主机供气需求的同时为orc发电系统的冷凝器提供冷源。orc发电系统的热源来自缸套水和烟气余热产的蒸汽或高温导热油。两个发电系统发电机输出的电与船上电网并网，为用电设备供电。
36.更具体的，本实施例的结构如下:
lng冷能发电供气系统包括：lng储罐1、lng泵11、lng蒸发器10、lng透平发电机9、lng复热器7、供气缓冲罐12部件；lng储罐1与lng泵11相连，lng泵连接lng蒸发器10，lng蒸发器连接lng透平发电机9，lng透平发电机9连接lng复热器7，lng复热器与供气缓冲罐12连接。
37.orc发电的节能系统包括：orc储液罐2、orc泵3、orc预热器4、orc蒸发器5、orc透平发电机6、orc气液分离器8部件；orc储液罐2与orc泵3连接，orc泵连接orc预热器4，orc预热器4连接orc蒸发器5，orc蒸发器连接orc透平发电机6；orc透平发电机6连接lng复热器7、lng复热器7连接orc气液分离器8，orc气液分离器8气相管路连接lng蒸发器10，orc气液分离器8的液相管路和lng蒸发器10的液相管路都通向orc储液罐2。
38.所述的lng透平发电机9和orc透平发电机6都采用高速磁悬浮发电机。
39.所述的lng蒸发器10和lng复热器7选用平板式换热器、板翅式换热器、绕管式换热器或管壳式换热器的一种。
40.所述的orc预热器4和orc蒸发器5选用平板式换热器、板翅式换热器、绕管式换热器或管壳式换热器的一种。
41.本实施例还包括并网柜13，lng透平发电机9和orc透平发电机6输出的电通过并网柜13与船舶主电网并网，为用电设备供电。
42.高速磁悬浮发电机结构是：转子9-5采用磁悬浮轴承，所述的转子9-5与叶轮9-4直联，叶轮置于蜗壳9-1内，转子置于发电机壳9-2内；蜗壳与发电机壳9-2通过法兰连接；有机介质经叶轮做功后进入发电机壳9-2内，穿过电机壳体，冷却电机；发电机壳9-2出口连接出口管9-3，出口管9-3采用偏心变径管，与发电机壳9-2和管道通过法兰连接。
43.叶轮9-4是轴流式、径流式或径轴流式的任意一种；叶轮配套有转速传感器。
44.磁悬浮轴承带有保护轴承、位移传感器、温度检测器及ups电源。
45.所述的orc发电系统采用的有机介质是245fa或r123的一种或多种。利用orc透平发电机6出来的245fa做热源，分别加热lng使其气化和加热lng使其满足供气温度需求，245fa在上述两个换热器中逐步冷凝液化。245fa与lng蒸发器10和ng复热器7的换热顺序可以改变，优选地换热顺序是，先进lng复热器换热，气液分离后，气相进入lng蒸发器换热。245fa两级冷凝后，温度40～50℃。
46.分离第一次降温后的245fa的气液两相，其安装位置处于lng复热器7和lng蒸发器10之间，orc气液分离器8的气相与lng蒸发器10相连，orc气液分离器8的液相与lng蒸发器10热侧的液相都通向orc储液罐2。orc气液分离器8的安装位置高于orc储液罐2，保留一定的位差。
47.orc储液罐2进液方式，可以在储罐设置两个进液口，两路液体各自进入储罐。也可以储罐设一个进液口，两路液体在储罐入口管通过三通汇集后一起进入储罐，该方式需要在lng蒸发器出来的液相管道上加装止回阀。
48.orc预热器4采用缸套水提供热源，也可以采用orc蒸发器5出来的蒸汽或导热油的二次换热提供热源，还可以利用orc透平发电机6出来的待冷凝有机介质蒸汽提供热源。可用热源的温度区间为80～120℃。
49.orc蒸发器5采用烟气余热产的蒸汽或者高温导热油提供热源，热源温度区间为
150～180℃。
50.本实施案例为lng消耗量为385kg/h的四冲程主机冷能发电低压供气系统耦合orc发电系统，双发电系统可实现供电39kw，供气压力16bar，供气温度50℃，供气量 385kg/h。
51.lng冷凝发电供气系统流程为：lng从lng储罐1出来后进lng泵11加压至30bar，增压后lng进入lng蒸发器10进行气化，气化后温度40℃，高压天然气进入lng透平发电机9膨胀做功，发电后压力降低到16bar，满足主机供气压力需求，并发电17kw。发电后进入lng复热器7被加热到50℃，进入供气缓冲罐12，稳压后为主机供气。
52.orc发电系统流程为：有机介质从0rc储液罐2进入orc泵3增压至18bar，进入orc预热器4与缸套水换热进行预热，预热至70～80℃。然后进入orc蒸发器5与蒸汽或导热油换热气化及过热，换热后温度为130～150℃。气化后的高压高温有机介质蒸汽进入orc透平发电机6膨胀做功，发电12kw。膨胀后的气体温度降至110℃，压力降低至4bar。进入lng复热器7加热lng透平发电机9出来的低温天然气，换热后部分有机介质液化，在orc气液分离器8中得到分离。分离后的液相有机介质去往orc储液罐2。气相有机介质进入lng蒸发器10继续液化到过冷状态后回到orc储液罐2，两路液相在进出液管前的管路通过三通汇集，orc储液罐2设有一个进液口，储液罐2操作温度49℃。lng蒸发器10出来的液相管道上加装止回阀。
53.orc发电系统采用的蒸汽或导热油热源来自烟气余热锅炉。
54.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，其特征在于，包括lng冷能发电供气系统和烟气余热orc发电系统。2.根据权利要求1所述的适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，特征在于，lng冷能发电供气系统包括：lng储罐（1）、lng泵（11）、lng蒸发器（10）、lng透平发电机（9）、lng复热器（7）、供气缓冲罐（12）部件；lng储罐（1）与lng泵（11）相连，lng泵连接lng蒸发器（10），lng蒸发器连接lng透平发电机（9），lng透平发电机（9）连接lng复热器（7），lng复热器与供气缓冲罐（12）连接；orc发电的节能系统包括：orc储液罐（2）、orc泵（3）、orc预热器（4）、orc蒸发器（5）、orc透平发电机（6）部件；orc储液罐（2）与orc泵（3）连接，orc泵连接orc预热器（4），orc预热器（4）连接orc蒸发器（5），orc蒸发器连接orc透平发电机（6）；orc透平发电机（6）连接lng复热器（7），lng蒸发器（10）的液相管路通向orc储液罐（2）。3.根据权利要求2所述的适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，特征在于，所述系统还包括orc气液分离器（8）；orc气液分离器（8）连接lng复热器（7），orc气液分离器（8）气相管路连接lng蒸发器（10），orc气液分离器（8）的液相管路通向orc储液罐（2）。4.根据权利要求2所述的适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，特征在于，所述的lng透平发电机（9）和orc透平发电机（6）都采用高速磁悬浮发电机。5.根据权利要求2所述的适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，特征在于，所述的lng蒸发器（10）和lng复热器（7）选用平板式换热器、板翅式换热器、绕管式换热器或管壳式换热器的一种。6.根据权利要求2所述的适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，特征在于，所述的orc预热器（4）和orc蒸发器（5）选用平板式换热器、板翅式换热器、绕管式换热器、印刷电路板换热器或管壳式换热器的一种。7.根据权利要求2所述适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，特征在于，还包括并网柜（13），lng透平发电机（9）和orc透平发电机（6）输出的电通过并网柜（13）与船舶主电网并网，为用电设备供电。8.根据权利要求4所述适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，特征在于，所述高速磁悬浮发电机结构是：转子（9-5）采用磁悬浮轴承，所述的转子（9-5）与叶轮（9-4）直联，叶轮置于蜗壳（9-1）内，转子置于发电机壳（9-2）内；蜗壳与发电机壳（9-2）通过法兰连接；有机介质经叶轮做功后进入发电机壳（9-2）内，穿过电机壳体，冷却电机；发电机壳（9-2）出口连接出口管（9-3），出口管（9-3）采用偏心变径管，与发电机壳（9-2）和管道通过法兰连接。9.根据权利要求8所述适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，特征在于，叶轮（9-4）是轴流式、径流式或径轴流式的任意一种；叶轮配套有转速传感器。10.根据权利要求2所述的适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，其特征在于，所述系统的供气压力范围是16～300bar，温度范围是30～60℃；供气压力16bar能满足四冲程低压燃气主机及锅炉的用气需求，供气压力300bar能满足二冲程低
速主机的用气需求。11.根据权利要求2所述的适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，其特征在于，orc预热器（4）采用缸套水提供热源，或采用orc蒸发器（5）出来的蒸汽或导热油的二次换热提供热源，或利用orc透平发电机（6）出来的待冷凝有机介质蒸汽提供热源，可用热源的温度区间为80～120℃。12.根据权利要求2所述的适用于lng燃料船的耦合lng冷能发电供气和orc发电的节能系统，其特征在于，orc蒸发器（5）采用烟气余热产的蒸汽或者高温导热油提供热源，热源温度区间为150～180℃。

技术总结
本发明公开了一种适用于LNG燃料船的耦合LNG冷能发电供气和ORC发电的节能系统，属于船舶工程及节能领域，LNG冷能发电供气系统包含LNG储罐（1）、LNG泵（11）、LNG蒸发器（10）、LNG透平发电机（9）、NG复热器（7）、供气缓冲罐（12）等部件。本发明既利用LNG冷能发电又利用烟气余热有机朗肯循环（ORC）发电，两者相互结合，LNG气化释放的冷量用于有机介质冷凝，ORC蒸发器的热量来自烟气余热或缸套水。LNG发电后复热到合适的温度为主机供气，复热过程中的冷量用于有机介质冷凝。有机介质冷凝过程在两个冷凝器完成，两个冷凝器中间设置气液分离器，减少系统中两相流流动，抑制船舶航行中晃荡工况对系统的负面影响。系统的负面影响。系统的负面影响。


技术研发人员：曹学磊 宋伟娟 赵锐 张吉恒 赵佳旋 田瑞斌
受保护的技术使用者：海德威科技集团（青岛）有限公司
技术研发日：2023.02.25
技术公布日：2023/6/3