一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统

摘要

本发明涉及一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统，包括高压泵、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一膨胀做功单元和第二膨胀做功单元。第一换热器和第二换热器依次连接在高压泵的出口管线上，第一膨胀做功单元和第二膨胀做功单元并列连接在第二换热器的出口管线上。该系统利用LNG冷能、汽轮机乏汽和锅炉排烟余热，汽化液态LNG来推动膨胀透平机做功直接驱动锅炉上的风机，不仅实现了LNG冷能、汽轮机乏汽和锅炉排烟余热的充分综合利用，还节约大量的电能，从而节约船舶的运营成本，具有很好的经济性和环保性。

权利要求

1.一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统，其特征在于：包括高压泵、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一膨胀做功单元、第二膨胀做功单元，第一换热器和第二换热器依次连接在高压泵的出口管线上，第一膨胀做功单元和第二膨胀做功单元并列连接在第二换热器的出口管线上；所述第一膨胀做功单元包括第一膨胀透平机、第一变速齿轮箱、第一离合器、第一风机、第二离合器、第二风机、第一变频器、第一三相异步电机、第二三相异步电机、第三风机，第一风机、第二风机、第三风机分别连接在第一离合器、第二离合器、第二三相异步电机上；第一离合器和第二离合器设置在第一变速齿轮箱的输出端，第一膨胀透平机和第一三相异步电机设置在第一变速齿轮箱的输入端；所述第二膨胀做功单元包括第二膨胀透平机、第二变速齿轮箱、第三离合器、第四风机、第四离合器、第五风机、第二变频器、第三三相异步电机、第四三相异步电机、第六风机；第四风机、第五风机、第六风机分别连接在第三离合器、第四离合器、第四三相异步电机上；第三离合器和第四离合器设置在第二变速齿轮箱的输出端，第二膨胀透平机和第三三相异步电机设置在第二变速齿轮箱的输入端；第一膨胀透平机、第二膨胀透平机均连接在第二换热器和第三换热器之间；所述第一换热器出口连接有冷凝器；所述第一离合器、第二离合器分别设置在第一风机、第二风机与第一变速齿轮箱之间；所述第三离合器、第四离合器分别设置在第四风机、第五风机与第二变速齿轮箱之间。

说明书

一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统

技术领域

[0001] 本发明专利涉及能源利用领域，具体涉及一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统。

背景技术

[0002] LNG是英语液化天然气(liquefied natural gas)的缩写。天然气是一种由以甲烷为主要成分的清洁、高效的能源，天然气符合世界能源战略的发展要求，目前许多国家建设了很多的LNG接收站，全球营运的LNG运输船舶约500艘，国内船舶公司拥有的大型LNG运输船近10艘，租赁国外公司LNG运输船的数目10多艘，随着天然气需求量的增加，未来10年营运的LNG运输船将达到50-70艘左右。LNG运输船在使用LNG燃料作为机舱动力装置的能量消耗方面具有得天独厚的优势。

[0003] 国际海事组织(IMO)新的防污染公约对SOX和NOX等废气的排放要求越来越高，相比燃料油的价格不稳定以及其燃烧排放大量的CO2和SOX等有害物质，LNG市场价格稳定且较低，并且燃烧后几乎不含硫、粉尘等有害物质，排放的CO2和NOX较少，上述的优势与公约的新要求促使更多LNG运输船主要使用甚至是完全使用LNG作为燃料。

[0004] LNG运输船的燃料主要有燃料油和LNG两种。目前70％LNG运输船机舱的动力装置是蒸汽动力装置。在蒸汽动力装置中，由2台锅炉燃烧燃料油或LNG，然后2台锅炉产生蒸汽并共同推动汽轮机来带动螺旋桨，使得船舶不断前进。其中每台锅炉运行中需要2个风机向炉膛不断送风以供燃烧所需要的O2，每台风机最大功率为185KW，因此，风机是机舱电力消耗的主要设备之一。

[0005] 完全以LNG为燃料的LNG运输船利用在运输过程中货舱产生的蒸发气(BOG)和强制汽化的部分液态LNG，由于LNG运输船的功率(以蒸汽动力装置为例)较大，每天需要消耗近300m3LNG(按照液态体积计算)，货舱产生的BOG每天约100多m3(折合成液态体积)，因此还需要汽化150～170m3的-163℃液态LNG，这样需要大量锅炉蒸汽热量来强制汽化液态LNG满足锅炉的燃烧需要，在此汽化过程中不仅消耗了大量锅炉蒸汽的热源，而且还浪费了LNG的大量冷能。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统。该系统利用LNG冷能、汽轮机乏汽及锅炉排烟余热，汽化液态LNG来推动膨胀透平机做功直接驱动锅炉上的风机，这样不仅利用LNG冷能、汽轮机乏汽及锅炉排烟余热，还节约大量的电能，从而节约了船舶的运营成本，具有很好的经济性和环保性。

[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下。

[0008] 一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统，包括高压泵、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一膨胀做功单元和第二膨胀做功单元；第一换热器和第二换热器依次连接在高压泵的出口管线上，第一膨胀做功单元和第二膨胀做功单元并列连接在第二换热器的出口管线上；所述第一膨胀做功单元包括第一膨胀透平机、第一变速齿轮箱、第一离合器、第一风机、第二离合器、第二风机、第一变频器、第一三相异步电机、第二三相异步电机、第三风机，第一风机、第二风机、第三风机分别连接在第一离合器、第二离合器、第二三相异步电机上；第一离合器和第二离合器设置在第一变速齿轮箱的输出端，第一膨胀透平机和第一三相异步电机设置在第一变速齿轮箱的输入端；所述第二膨胀做功单元包括第二膨胀透平机、第二变速齿轮箱、第三离合器、第四风机、第四离合器、第五风机、第二变频器、第三三相异步电机、第四三相异步电机、第六风机；第四风机、第五风机、第六风机分别连接在第三离合器、第四离合器、第四三相异步电机上；第三离合器和第四离合器设置在第二变速齿轮箱的输出端，第二膨胀透平机和第三三相异步电机设置在第二变速齿轮箱的输入端；第一膨胀透平机、第二膨胀透平机均连接在第二换热器和第三换热器之间。

[0009] 进一步地，第一换热器出口连接有冷凝器。

[0010] 进一步地，第一离合器、第二离合器分别设置在第一风机、第二风机与第一变速齿轮箱之间。

[0011] 进一步地，第三离合器、第四离合器分别设置在第四风机、第五风机与第二变速齿轮箱之间。

[0012] 第一风机、第二风机、第三风机的扇片转角可以调节，从而改变送风量，当第一风机、第二风机的扇片转角变化时，第一风机、第二风机负荷会发生变化，当负荷增大时，第一变速齿轮箱的输出轴转速下降，第一变频器通过给定值与反馈信号的反馈值比较，从而改变频率来控制第一三相异步电机加载，以此来提高转速，达到要求的转速1780rpm，当负荷减少时，第一变频器的控制则相反，同样达到要求的转速。

[0013] 第四风机、第五风机、第六风机的扇片转角可以调节，从而改变送风量，当第四风机、第五风机的扇片转角变化时，第四风机、第五风机负荷会发生变化，当负荷增大时，第二变速齿轮箱的输出轴转速下降，第二变频器通过给定值与反馈信号的反馈值比较，从而改变频率来控制第三三相异步电机加载，以此来提高转速，达到要求的转速1780rpm，当负荷减少时，第二变频器的控制则相反，同样达到要求的转速。

[0014] 所述的LNG运输船冷能和废热综合利用系统中，来自于船舶液货舱的液态LNG由高压泵增压至30MPa左右，进入第一换热器，在第一换热器中，低温高压的LNG(LNG的温度为-163℃)与第三换热器换热过的汽轮机乏汽进行再次换热，使低温高压LNG变成气态的天然气。

[0015] 所述的LNG运输船冷能和废热综合利用系统中，从第一换热器出来的气态天然气在第二换热器中与锅炉的排烟余热(正常负荷时，锅炉排烟温度160℃)进行热交换，变成高温的天然气(温度大约在130℃-150℃左右)。

[0016] 在所述的一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统中，从第二换热器出来的高温的天然气(温度大约在130℃-150℃左右)分别进入第一膨胀透平机、第二膨胀透平机做功，并分别通过第一变速齿轮箱驱动两个输出相同转速的第一风机、第二风机和通过第二变速齿轮箱驱动两个输出相同转速的第四风机、第五风机。

[0017] 所述第一膨胀做功单元中，第一风机、第二风机与第一变速齿轮箱之间分别设有第一离合器、第二离合器，在其中任何一个风机损坏时，可以脱离第一变速齿轮箱以保证其维修，不影响其他的风机运行。

[0018] 所述第一膨胀做功单元中，第一变频器可分别通过第一风机和第二风机的转速反馈信号改变频率来控制第一三相异步电机，以满足第一风机和第二风机的恒定转速需求。当第一膨胀透平机做功无法满足第一风机和第二风机的负荷需求，第一变频器通过改变第一三相异步电机的负荷来满足第一风机和第二风机的负荷需要。在特殊情况下，当第一风机或第二风机因故障分别与第一离合器或第二离合器脱开时，第一膨胀透平机有可能大于第一风机或第二风机的负荷，此时第一三相异步电机是负转矩，从而第一三相异步电机变成发电机向船舶电网反馈供电。保证任何情况下，都可以充分利用第一膨胀透平机的机械功。

[0019] 在所述的第二膨胀做功单元中，第四风机、第五风机与第二变速齿轮箱之间分别设有第三离合器、第四离合器，可以在其中任何一个风机损坏时，可以脱离第二变速齿轮箱以保证其维修，不影响其他的风机运行。

[0020] 在所述的第二膨胀做功单元中，第二变频器可分别通过第四风机和第五风机的转速反馈信号改变频率来控制第三三相异步电机，以满足第四风机和第五风机的恒定转速需求。当第二膨胀透平机做功无法满足第四风机和第五风机的负荷需求，第二变频器通过改变第二三相异步电机的负荷来满足第四风机和第五风机的负荷需要。在特殊情况下，当第四风机或第五风机因故障分别第三离合器或第四离合器脱开时，第二膨胀透平机有可能大于第四风机或第五风机的负荷，此时第三三相异步电机是负转矩，从而第三三相异步电机变成发电机向船舶电网反馈供电。保证任何情况下，都可以充分利用第二膨胀透平机的机械功。

[0021] 所述的一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统中，从第一膨胀做功单元、第二膨胀做功单元分别输送来的低温低压的气态天然气(天然气的压力为0.1MPa)在第三换热器中与汽轮机乏汽换热，以满足进入锅炉前温度至少在25℃左右的要求。

[0022] 本发明具有如下有益效果：本发明不仅节约在传统方案中强制汽化LNG所需要锅炉的高温蒸汽，而且充分利用LNG冷能、锅炉排烟余热和汽轮机乏汽的废热。膨胀透平机做功直接驱动风机，相比膨胀透平机做功发电并采用电动机驱动风机，减少了能量转化损耗环节，提高了系统效率。风机与变速齿轮箱之间设有离合器，可以在其中任何一个风机损坏时，可以脱离变速齿轮箱以保证其维修，不影响其他的风机运行，保证了系统的可靠性。第一膨胀做功单元与第二膨胀做功单元分别设有变频器，变频器可通过风机的转速反馈调节三相异步电机的转速来保证风机的转速稳定。在特殊情况(某一风机离合器脱开时)下，若膨胀透平机的功率大于风机的功率时，此时三相异步电机(M1或M3)是负转矩，三相异步电机(M1或M3)变成发电机向船舶电网反馈供电，从而保证系统在任何情况下都可以最大限度的利用膨胀机透平做功。该系统利用LNG冷能、汽轮机乏汽和锅炉排烟余热，汽化液态LNG来推动膨胀透平机做功直接驱动锅炉上的风机，不仅实现了LNG冷能、汽轮机乏汽和锅炉排烟余热的充分综合利用，还节约大量的电能，从而节约船舶的运营成本，具有很好的经济性和环保性。

附图说明

[0023] 图1为本发明提供的一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统的模块结构示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

[0025] 鉴于目前全球的70％左右的LNG运输船采用蒸汽动力装置推动船舶前进，依此类动力装置的船舶为发明设计对象做进一步的说明。

[0026] 如图1所示，本发明实施例提供的适用于一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统包括高压泵P、第一换热器H1、第二换热器H2、第三换热器H3、第一膨胀做功单元和第二膨胀做功单元。第一换热器H1和第二换热器H2依次连接在高压泵P的出口管线上，第一膨胀做功单元和第二膨胀做功单元并列连接在第二换热器H2的出口管线上；所述第一膨胀做功单元包括第一膨胀透平机E1、第一变速齿轮箱G1、第一离合器C1、第一风机A1、第二离合器C2、第二风机A2、第一变频器F1、第一三相异步电机M1、第二三相异步电机M2、第三风机A3，第一风机A1、第二风机A2、第三风机A3分别连接在第一离合器C1、第二离合器C2、第二三相异步电机M2上；第一离合器C1和第二离合器C2设置在第一变速齿轮箱G1输出端，第一膨胀透平机E1和第一三相异步电机M1设置在第一变速齿轮箱G1输入端；所述的第二膨胀做功单元包括第二膨胀透平机E2、第二变速齿轮箱G2、第三离合器C3、第四风机A4、第四离合器C4、第五风机A5、第二变频器F2、第三三相异步电机M3、第四三相异步电机M4、第六风机A6；第四风机A4、第五风机A5、第六风机A6分别连接在第三离合器C3、第四离合器C4、第四三相异步电机M4上；第三离合器C3和第四离合器C4设置在第二变速齿轮箱G2的输出端，第二膨胀透平机E2和第三三相异步电机M3设置在第二变速齿轮箱G2的输入端；第一膨胀透平机E1、第二膨胀透平机E2均连接在第二换热器H2和第三换热器H3之间。第一换热器H1出口连接有冷凝器。第一离合器C1、第二离合器C2分别设置在第一风机A1、第二风机A2与第一变速齿轮箱G1之间。第三离合器C3、第四离合器C4分别设置在第四风机A4、第五风机A5与第二变速齿轮箱G2之间。

[0027] 第一膨胀透平机E1和第一三相异步电机M1为第一变速齿轮箱G1提供动力；第二膨胀透平机E2和第三三相异步电机M3为第二变速齿轮箱G2提供动力。

[0028] 第一风机A1、第二风机A2、第三风机A3的扇片转角可以调节，从而改变送风量，当第一风机A1、第二风机A2的扇片转角变化时，第一风机A1、第二风机A2负荷会发生变化，当负荷增大时，第一变速齿轮箱G1的输出轴转速下降，第一变频器F1通过给定值与反馈信号的反馈值比较，从而改变频率来控制第一三相异步电机M1加载，以此来提高转速，达到要求的转速(1780rpm)，当负荷减少时，第一变频器F1的控制则相反，同样达到要求的转速。

[0029] 第四风机A4、第五风机A5、第六风机A6的扇片转角可以调节，从而改变送风量，当第四风机A4、第五风机A5的扇片转角变化时，第四风机A4、第五风机A5负荷会发生变化，当负荷增大时，第二变速齿轮箱G2的输出轴转速下降，第二变频器F2通过给定值与反馈信号的反馈值比较，从而改变频率来控制第三三相异步电机M3加载，以此来提高转速，达到要求的转速(1780rpm)，当负荷减少时，第二变频器F2的控制则相反，同样达到要求的转速。

[0030] 在所述的LNG运输船冷能和废热综合利用系统中，来自于船舶液货舱的液态LNG由高压泵P增压至30MPa左右，进入第一换热器H1，在第一换热器H1中，低温高压的LNG(LNG的温度为-163℃)与第三换热器H3换热过的汽轮机乏汽进行再次换热，使低温高压LNG变成气态的天然气。

[0031] 在所述的LNG运输船冷能和废热综合利用系统中，从第一换热器H1出来的气态天然气在第二换热器H2中与锅炉的排烟余热(正常负荷时，锅炉排烟温度160℃)在第二换热器中换热，变成高温的天然气(温度大约在130℃-150℃左右)。

[0032] 在所述的一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统中，从第二换热器H2出来的高温的天然气(温度大约在130℃-150℃左右)分别进入第一膨胀透平机E1、第二膨胀透平机E2做功，并分别通过第一变速齿轮箱G1驱动两个输出相同转速的第一风机A1、第二风机A2和第二变速齿轮箱G2驱动两个输出相同转速的第四风机A4、第五风机A5。

[0033] 在所述的第一膨胀做功单元中，第一风机A1、第二风机A2与第一变速齿轮箱G1之间分别设有第一离合器C1、第二离合器C2，可以在其中任何一个风机损坏时，可以脱离第一变速齿轮箱G1以保证其维修，不影响其他的风机运行。

[0034] 在所述的第一膨胀做功单元中，第一变频器F1可分别通过第一风机A1和第二风机A2的转速反馈信号改变频率来控制第一三相异步电机M1，以满足第一风机A1和第二风机A2的恒定转速需求。当第一膨胀透平机E1做功无法满足第一风机A1和第二风机A2的负荷需求，第一变频器F1通过改变第一三相异步电机M1的负荷来满第一风机A1和第二风机A2的负荷需要。在特殊情况下，当第一风机A1或第二风机A2因故障分别第一离合器C1或第二离合器C2脱开时，第一膨胀透平机E1有可能大于第一风机A1或第二风机A2的负荷，此时第一三相异步电机M1是负转矩，从而变成发电机向船舶电网反馈供电，保证任何情况下，都可以充分利用第一膨胀透平机E1的机械功。

[0035] 在所述的第二膨胀做功单元中，第四风机A4、第五风机A5与第二变速齿轮箱G2之间分别设有第三离合器C3、第四离合器C4，可以在其中任何一个风机损坏时，可以脱离第二变速齿轮箱G2以保证其维修，不影响其他的风机运行。

[0036] 在所述的第二膨胀做功单元中，第二变频器F2可分别通过第四风机A4和第五风机A5的转速反馈信号改变频率来控制第三三相异步电机M3，以满足第四风机A4和第五风机A5的恒定转速需求。当第二膨胀透平机E2做功无法满足第四风机A4和第五风机A5的负荷需求，第二变频器F2通过改变第二三相异步电机M2的负荷来满第四风机A4和第五风机A5的负荷需要。在特殊情况下，当第四风机A4或第五风机A5因故障分别第三离合器C3或第四离合器C4脱开时，第二膨胀透平机E2有可能大于第四风机A4或第五风机A5的负荷，此时第三三相异步电机M3是负转矩，从而变成发电机向船舶电网反馈供电，保证任何情况下，都可以充分利用第二膨胀透平机E2的机械功。

[0037] 所述的一种LNG运输船冷能和废热综合利用系统中，从第一膨胀做功单元、第二膨胀做功单元分别输送来的低温低压的气态天然气(天然气的压力为0.1MPa)在第三换热器H3中与汽轮机乏汽换热，以满足进入锅炉前温度至少在25℃左右的要求。

[0038] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。