一种船用蒸发气再液化装置及方法专利检索-通过加压和冷却处理使气体或气体混合物进行液化固化或分离（低温泵入F04B37/08气体贮藏容器贮气罐入F17压缩液化或固化气体向容器中装填或从容器中排出入F17C制冷机器设备或系统入F25B）专利检索查询-专利查询网

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一种船用蒸发气再液化装置及方法
申请号	CN202311633672.1	申请日	2023-12-01	公开(公告)号	CN117847956A	公开(公告)日	2024-04-09
申请人	中船重工鹏力(南京)超低温技术有限公司; 中国船舶集团有限公司;			发明人	徐国稳; 段罗斌; 陈杰; 李艳锋; 董文庆; 胡咸军; 王祥;
摘要	本发明公开了一种船用蒸发气再液化装置及方法，该装置包括膨胀机构、电机、串联的N级压缩机构、设于每一级压缩机构下游的冷却器，电机设于膨胀机构和一级压缩机构之间，膨胀机构、电机、串联的N级压缩机构通过共同的旋转轴连接；末级冷却器的出口与回热换热器、膨胀机构、用户换热器依次连接；末级冷却器的出口与一级压缩机构的工质入口连接用于使部分出口制冷工质作为防喘振旁通气；压缩机构和膨胀机构分别设有迷宫密封结构，迷宫密封结构的隔离冷却气引自末级压缩机构出口冷却后的制冷工质。本发明具有流程简单、功能可靠、关键设备数量少、占地面积小、控制方便、制造成本低、维修投资小等优点。
权利要求	1.一种船用蒸发气再液化装置，包括膨胀机构(3)、电机(4)、串联的N级压缩机构、设于每一级压缩机构下游的冷却器，其特征在于，所述电机(4)设于膨胀机构(3)和一级压缩机构之间，所述膨胀机构(3)、电机(4)、串联的N级压缩机构通过共同的旋转轴连接；末级冷却器的出口与回热换热器(7)、膨胀机构(3)、用户换热器(8)依次连接；末级冷却器的出口与一级压缩机构的工质入口连接用于使部分出口制冷工质作为防喘振旁通气；所述压缩机构和膨胀机构(3)分别设有迷宫密封结构(13)，所述迷宫密封结构(13)的隔离冷却气引自末级压缩机构出口冷却后的制冷工质。 2.根据权利要求1所述的船用蒸发气再液化装置，其特征在于，所述迷宫密封结构(13)设置在一级压缩机构与电机(4)轴承之间，以及膨胀机构(3)与电机(4)轴承之间。 3.根据权利要求2所述的船用蒸发气再液化装置，其特征在于，末级冷却器分别通过第二调节阀(10)、第三调节阀(11)与一级压缩机构和膨胀机构(3)的轴端连接用于向迷宫密封结构(13)和电机间隙提供隔离冷却气。 4.根据权利要求1所述的船用蒸发气再液化装置，其特征在于，所述电机(4)腔体连接有用于对隔离冷却气回收并冷却的第三冷却器(12)，所述第三冷却器(12)的工质出口与一级压缩机构的工质入口连接。 5.根据权利要求1所述的船用蒸发气再液化装置，其特征在于，所述迷宫密封结构(13)设有多级，至少一级迷宫密封结构引入隔离冷却气。 6.根据权利要求1所述的船用蒸发气再液化装置，其特征在于，所述N级压缩机构包括一级压缩机(1)和二级压缩机(2)；所述一级压缩机(1)与二级压缩机(2)之间设有第一冷却器(5)，所述二级压缩机(1)的下游设有第二冷却器(6)。 7.根据权利要求1所述的船用蒸发气再液化装置，其特征在于，所述N级压缩机构之间的连接方式为端面齿结合拉杆预紧。 8.根据权利要求1所述的船用蒸发气再液化装置，其特征在于，所述电机(4)机壳设置冷却水回路，电机(4)机壳的冷却水回路流向沿机壳轴向设置。 9.一种权利要求1所述的装置进行蒸发气再液化的方法，其特征在于，包括以下步骤： (A)制冷工质依次经N级压缩机构压缩、冷却器降温后，进入回热换热器(7)回热降温，然后进入膨胀机构(3)内膨胀，获得低温制冷量之后，进入用户换热器(8)对目标工质进行降温的步骤； (B)一部分末级压缩机构出口冷却后的制冷工质，作为防喘振旁通气输送至一级压缩机构工质入口；一部分末级压缩机构出口冷却后的制冷工质，作为隔离冷却气分别进入一级压缩机构侧的电机腔体和膨胀机构侧的电机腔体；回热换热器(7)的换热介质输送至一级压缩机构工质入口。 10.根据权利要求9所述的蒸发气再液化的方法，其特征在于，所述制冷工质为氦气、氮气、氖气、氩气中的一种或多种气体混合。
说明书全文	一种船用蒸发气再液化装置及方法技术领域 [0001] 本发明涉及一种气体的再液化装置及方法，尤其涉及一种船用蒸发气再液化装置及方法。背景技术 [0002] 氢和天然气具有清洁环保、经济高效、灵活方便、应用场景丰富等优点。为了便于氢和天然气的储存和运输，在一定的温度和压力下，运用压缩和冷却方法，可使氢和天然气变成液体状态，即液氢和液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)，这也是远洋运输的唯一选择。 [0003] 海上液氢和LNG分别通过大型液氢运输船和LNG运输船进行大规模运输，由于运输过程中液货舱热泄漏等问题，液氢和LNG不可避免会出现低温液体气化的现象，产生蒸发气，即氢气和BOG。随着蒸发气数量的增加，液货舱的温度和压力也将逐渐升高，会对液氢和LNG运输船的安全运行带来威胁。目前，大量的蒸发气通常作为燃料或者直接排空，不仅利用率低，还造成一定的碳排放。因此，为了减少能源浪费和经济损失，需要对蒸发气进行再液化回收。 [0004] 但液氢和LNG温度较低，蒸发气从常温液化难度较大，若采用传统方法液化，能耗过大，且装置工艺复杂。另外，因使用场合问题，船用蒸发气再液化装置还具有很多的特殊要求，如：设备简单可靠，部件最少化；装置安全性高；系统占地面积小；适应船舶晃荡等运行工况，适应恶劣海洋环境；系统控制简单、启停快速，变工况调节高效智能等。 [0005] 基于逆布雷顿循环的再液化技术可将液氢或者LNG过冷，然后喷淋回液货舱直接冷凝蒸发气，也可通过大面积气体冷屏给储罐内的液氢或者LNG提供冷量，优势相对突出，具有的更好市场前景。但为了提供更大的冷量，该技术需要将多组相互串联的膨胀压缩一体机(膨胀级、第一压缩级、第一电机)和二级压缩机构(第二压缩级、第二电机)并联，不仅增大了撬装结构尺寸和占地面积，还增加了两个电机同步控制难度和运维成本。发明内容 [0006] 发明目的：本发明的目的是提供一种占地面积小、流程简单、功能可靠的船用蒸发气再液化装置； [0007] 本发明的第二个目的是提供利用上述的装置进行蒸发气再液化的方法。 [0008] 技术方案：本发明的船用蒸发气再液化装置，包括膨胀机构、电机、串联的N级压缩机构、设于每一级压缩机构下游的冷却器，所述电机设于膨胀机构和一级压缩机构之间，所述膨胀机构、电机、串联的N级压缩机构通过共同的旋转轴连接；末级冷却器的出口与回热换热器、膨胀机构、用户换热器依次连接；末级冷却器的出口与一级压缩机构的工质入口连接用于使部分出口制冷工质作为防喘振旁通气；所述压缩机构和膨胀机构分别设有迷宫密封结构，所述迷宫密封结构的隔离冷却气引自末级压缩机构出口冷却后的制冷工质。 [0009] 其中，所述迷宫密封结构设置在一级压缩机构与电机轴承之间，以及膨胀机构与电机轴承之间。 [0010] 电机原理：通过多级迷宫，将被密封介质的压力逐级降低以实现少量泄漏的密封目的，然后通过在迷宫密封中间某一级引入“隔离气”以隔离被密封介质，进一步降低被密封侧的泄漏，同时作为“冷却气”对电机进行冷却。 [0011] 其中，末级冷却器分别通过第二调节阀、第三调节阀与一级压缩机构和膨胀机构的轴端连接用于向迷宫密封结构和电机间隙提供隔离冷却气。 [0012] 其中，所述电机腔体连接有用于对隔离冷却气回收并冷却的第三冷却器，所述第三冷却器的工质出口与一级压缩机构的工质入口连接。 [0013] 其中，所述迷宫密封结构设有多级，至少一级迷宫密封结构引入隔离冷却气。 [0014] 其中，所述N级压缩机构包括一级压缩机构和二级压缩机构；所述一级压缩机构与二级压缩机构之间设有第一冷却器，所述二级压缩机构的下游设有第二冷却器。 [0015] 其中，所述N级压缩机构之间的连接方式为端面齿结合拉杆预紧。 [0016] 其中，所述电机机壳设置冷却水回路，电机机壳的冷却水回路流向沿机壳轴向设置。 [0017] 上述的装置进行蒸发气再液化的方法，包括以下步骤： [0018] (A)制冷工质依次经N级压缩机构压缩、冷却器降温后，进入回热换热器回热降温，然后进入膨胀机构内膨胀，获得低温制冷量之后，进入用户换热器对目标工质进行降温的步骤； [0019] (B)一部分末级压缩机构出口冷却后的制冷工质，作为防喘振旁通气输送至一级压缩机构工质入口；一部分末级压缩机构出口冷却后的制冷工质，作为隔离冷却气分别进入一级压缩机构侧的电机腔体和膨胀机构侧的电机腔体；回热换热器的换热介质输送至一级压缩机构工质入口。 [0020] 其中，所述制冷工质为氦气、氮气、氖气、氩气中的一种或多种气体混合。 [0021] 有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)本发明提供的船用蒸发气再液化装置，回收了膨胀功的同时，保证了电机的密封和冷却，流程简单、功能可靠，具有较强的海上适应性；与传统膨胀压缩一体机相比，通过机械耦合减少了关键动设备及其控制柜数量，占地面积小、控制方便，可在有限的运输船夹板空间内实现蒸发气再液化。(2)本发明装置制造成本更低、运维投资更小。(3)本发明的船用蒸发气再液化方法，系统控制简单、功能可靠，可用于‑100℃与‑273℃之间的低温。附图说明 [0022] 图1为本发明装置的结构示意图； [0023] 图2为本发明的电机结构示意图。具体实施方式 [0024] 下面对本发明作进一步详细描述。 [0025] 如图1所示，本发明提供了一种船用蒸发气再液化装置，包括一级压缩机1、二级压缩机2、膨胀机3和电机4，一级压缩机1、二级压缩机2、膨胀机3和电机4通过共同的旋转轴连接，电机4位于膨胀机3和一级压缩机1之间。 [0026] 一级压缩机1的工质入口连接有第一管路R1，一级压缩机1的工质出口通过第二管路R2连接第一冷却器5的入口，第一冷却器5的出口通过第三管路R3连接二级压缩机2的工质入口，二级压缩机2的工质出口通过第四管路R4连接第二冷却器6的入口，第二冷却器6的出口连接第五管路R5，第五管路R5连接有两个支路，其中一个支路通过第六管路R6连接回热换热器7，另一个支路连接第九管路R9；回热换热器7通过第七管路R7与膨胀机3的入口连接，膨胀机3的出口通过第八管路R8与用户换热器8连接用于对目标工质进行降温；回热换热器7与第一管路R1连接。 [0027] 第九管路R9的下游与第一管路R1连通，使部分出口制冷工质作为防喘振旁通气；第九管路R9的上游连接有两个支路，其中一个支路通过第十管路R10与一级压缩机1的轴端连接，另一个支路通过第十一管路R11与膨胀机3的轴端连接。一级压缩机1与电机4磁悬浮轴承之间、膨胀机3与电机4磁悬浮轴承之间分别设有迷宫密封结构。从二级压缩机2出口冷却后的部分制冷工质分别通过第十管路R10、第十一管路R11向一级压缩机1侧的电机4腔体、膨胀机3侧的电机4腔体内输送，作为迷宫密封结构的隔离冷却气，隔离冷却气用于隔离被密封介质，进一步降低被密封侧的泄漏。 [0028] 如图2所示，电机4一端与膨胀机3连接，另一端与一级压缩机1连接。电机4通过轴承4‑3与旋转轴连接。从图2可以看出，部分制冷工质分别通过箭头指示的线路向电机间隙及某一级迷宫密封内送入，作为隔离冷却气。电机4腔体下游连接第十二管路R12，用于对所有隔离冷却气进行回收，第十二管路R12连接有第三冷却器12，第三冷却器12工质出口连接至第一管路R1，与一级压缩机1工质入口连接。图2中的线路①内的是隔离冷却气，线路②的是泄漏气，线路③的是隔离冷却气及泄漏气混合后的混合气。混合气通过电机4腔体下游连接的第十二管路R12进行排气。 [0029] 第九管路R9与第一管路R1连接的路段上设有第一调节阀9，第十管路R10上设有第二调节阀10、第十一管路R11上设有第三调节阀11，通过各调节阀调节制冷工质的流量和流速；各调节阀可采用气动或者电动调节阀。 [0030] 一级压缩机1、二级压缩机2可选择离心式压缩机；膨胀机3可选择向心式透平膨胀机3；用于驱动的电机4可选择磁悬浮电机4；第一冷却器5、第二冷却器6、回热换热器7、用户换热器8可选择等压或基本等压流体换热机构。本实施例的一级压缩机1、二级压缩机2之间的连接方式为端面齿结合拉杆预紧。电机4采用风冷与水冷双重冷却方式，电机4机壳设置冷却水回路，电机4机壳的冷却水回路流向沿机壳轴向设置。其中，制冷工质可以是氦气、氮气、氖气、氩气中的一种或多种气体混合。 [0031] 利用上述的装置进行蒸发气再液化的方法，包括以下步骤： [0032] 制冷工质通过第一管路R1进入一级压缩机1压缩，通过第二管路R2进入第一冷却器5降温，通过第三管路R3在串联布置的二级压缩机2压缩，通过第四管路R4进入第二冷却器6降温，通过第六管路R6并经过回热换热器7回热降温，通过第七管路R7进入透平膨胀机3内膨胀，获得低温制冷量之后，通过第八管路R8经过用户换热器8对目标工质进行降温；经过回热换热器7后的制冷工质，通过第一管路R1输送回一级压缩机1的工质入口； [0033] 一部分二级压缩机2出口冷却后的制冷工质通过第九管路R9输送至第一管路R1的第一上游端；一部分二级压缩机2出口冷却后的制冷工质通过第十管路R10作为隔离冷却气输送至一级压缩机1侧的电机4腔体，通过第十一管路R11作为隔离冷却气输送至膨胀机3侧的电机4腔体；从电机4腔体出来的隔离冷却气进入第十二管路R12，并通过第三冷却器12换热后，输送至第一管路R1内。