用于船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及液態(tài)天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)的氣化加熱系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種適用于天然氣燃料動力船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

從節(jié)能減排的效果來看，天然氣是最清潔的化石能源之一，與柴油機(jī)相比，天然氣發(fā)動機(jī)可以降低80％以上NO_x，100％SO_x、PM、20％以上CO₂等有害氣體的排放，滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。同時，天然氣價格低于柴油，已被逐步應(yīng)用于船舶、車輛、電廠等。天然氣通常被處理為-162℃的液態(tài)以便于運(yùn)輸及存儲，在使用時需要?dú)饣訜徂D(zhuǎn)變?yōu)槌貧鈶B(tài)的天然氣進(jìn)行使用。

對于小型天然氣燃料動力船舶(尤其是內(nèi)河船舶)，由于空間條件限制，現(xiàn)有技術(shù)中氣化加熱LNG通常采用水浴式氣化加熱系統(tǒng)，即采用舷外低溫水經(jīng)冷卻發(fā)動機(jī)高溫水后流入天然氣加熱氣化器、加熱LNG后再排出舷外的設(shè)計方法。由于水浴式氣化加熱系統(tǒng)為開式循環(huán)系統(tǒng)，氣化器很容易被泥沙阻塞，冬季低溫情況下氣化效果不理想，經(jīng)常無法正常使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷或不足，本發(fā)明旨在提供一種液態(tài)天然氣的氣化加熱系統(tǒng)，其至少能夠提高液態(tài)天然氣氣化加熱的穩(wěn)定性和可靠性。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)，包括至少一套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)，其至少包括天然氣發(fā)動機(jī)、發(fā)動機(jī)換熱器和高溫泵調(diào)節(jié)閥；和氣化加熱回路系統(tǒng)，其至少包括液態(tài)天然氣儲罐和氣化器，所述液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)還包括：溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，其包括PLC控制單元、輔助換熱器、多個溫度傳感器及循環(huán)泵，所述輔助換熱器的殼程入口與所述高溫泵調(diào)節(jié)閥連接，所述輔助換熱器的殼程出口與所述發(fā)動機(jī)換熱器的殼程入口連接，所述輔助換熱器的管程與所述循環(huán)泵、所述氣化器的殼程組成閉式循環(huán)回路，所述PLC控制單元基于所述多個溫度傳感器檢測到的信號控制所述高溫泵調(diào)節(jié)閥的開關(guān)以調(diào)節(jié)所述氣化加熱回路系統(tǒng)中高溫水的流量。

優(yōu)選地，所述溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)還包括輔助加熱裝置，所述輔助加熱裝置設(shè)置于所述閉式循環(huán)回路中的所述輔助換熱器與所述循環(huán)泵之間，并與所述PLC控制單元連接，所述PLC控制單元基于所述多個溫度傳感器檢測到的信號自適應(yīng)地啟動/關(guān)閉所述輔助加熱裝置以控制液態(tài)天然氣的氣化加熱溫度。

優(yōu)選地，所述輔助加熱裝置為電加熱器和/或蒸汽-水換熱器。

優(yōu)選地，所述閉式循環(huán)回路中還設(shè)置有換熱介質(zhì)，所述循環(huán)泵驅(qū)動所述換熱介質(zhì)與所述天然氣發(fā)動機(jī)中的高溫水的熱量經(jīng)所述輔助換熱器進(jìn)行換熱傳遞，并通過所述氣化器將所述液態(tài)天然氣儲罐中的液態(tài)天然氣氣化加熱為常溫氣態(tài)的天然氣。

優(yōu)選地，所述換熱介質(zhì)為水與防凍液的混合物或者水與乙二醇的混合物。

優(yōu)選地，所述多個溫度傳感器分別設(shè)置于所述至少一套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)的高溫水入口管路上、所述電加熱器的管程出口處及所述氣化器的管程出口處。

優(yōu)選地，所述天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)還可以包括單臺或者各自獨(dú)立運(yùn)行的多臺天然氣發(fā)動機(jī)。

優(yōu)選地，所述液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)包括多套各自獨(dú)立運(yùn)行的天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)和相應(yīng)的多個所述輔助換熱器。

優(yōu)選地，所述液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)還包括膨脹水箱，多個所述輔助換熱器的管程入口串聯(lián)，并與所述循環(huán)泵、所述氣化器組成閉式循環(huán)回路。

優(yōu)選地，所述液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)還包括膨脹水箱，多個所述輔助換熱器的管程相互串聯(lián)后連接至所述膨脹水箱。

本發(fā)明中的用于船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)增加了溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，有效利用發(fā)動機(jī)高溫冷卻水的余熱在閉式循環(huán)回路中氣化加熱液態(tài)天然氣，解決了現(xiàn)有技術(shù)中氣化器容易阻塞、低溫氣化效果不理想的問題，提高了氣化加熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時也提高了天然氣發(fā)動機(jī)的燃燒效率。

附圖說明

從權(quán)利要求以及下述基于附圖的優(yōu)選實(shí)施方案的描述中，本發(fā)明進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)、特征和細(xì)節(jié)將變得顯而易見。

需要說明的是，附圖中相同的附圖標(biāo)記表示本發(fā)明中相同或等同的部分。其中顯示：

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中用于船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)的原理圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)的原理圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)的氣化加熱方法的流程框圖。

具體實(shí)施方式

以下以更詳細(xì)的方式針對本發(fā)明的實(shí)施例的氣化加熱系統(tǒng)的討論，本質(zhì)上僅為示例性的，并不旨在限制本發(fā)明或其應(yīng)用或用途。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中用于船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)的原理圖。

如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中用于船舶的液態(tài)天然氣(以下簡稱LNG)氣化加熱系統(tǒng)10包括至少一套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110和氣化加熱回路系統(tǒng)120。

以圖1中所示的兩套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110為例，天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110包括低溫水泵111、天然氣發(fā)動機(jī)112、發(fā)動機(jī)換熱器113及連接管道等。其中，天然氣發(fā)動機(jī)112可以設(shè)置為單臺或者各自獨(dú)立運(yùn)行的多臺。低溫水泵111的入口連接至船舷外的河水管路或海水管路，天然氣發(fā)動機(jī)112的高溫水入口連接至發(fā)動機(jī)換熱器113的殼程出口S2，天然氣發(fā)動機(jī)112的高溫水出口分別連接至高溫水泵114的入口和膨脹水箱116的管路。高溫水泵114的出口連接高溫泵調(diào)節(jié)閥115的入口，高溫泵調(diào)節(jié)閥115的出口連接至發(fā)動機(jī)換熱器113的殼程入口S1。膨脹水箱116用于補(bǔ)充蒸發(fā)的高溫水，同時釋放水中的空氣。

氣化加熱回路系統(tǒng)120包括LNG儲罐121、氣化器122、自增壓器123、緩沖罐124及連接管路等。LNG儲罐121的出口設(shè)置三通接頭，通過管路分別與氣化器122的管程入口、自增壓器123的管程入口相連，自增壓器123的管程出口與LNG儲罐121的頂部入口相連，氣化器122的管程出口與緩沖罐124的入口相連，在氣化器122的管程出口至緩沖罐124的入口管路設(shè)置溫度傳感器125，用于檢測系統(tǒng)是否發(fā)生故障。緩沖罐124的出口設(shè)置三通接頭，分別與兩臺天然氣發(fā)動機(jī)112的燃?xì)馊肟谙噙B，從而為天然氣發(fā)動機(jī)112提供氣化后的天然氣燃料。

低溫水泵111的出口管路連接至氣化加熱回路系統(tǒng)120的氣化器122的殼程入口S3，氣化器122的殼程出口S4分別連接至發(fā)動機(jī)換熱器113的管程入口,發(fā)動機(jī)換熱器113的管程出口通過管路連接至船舷外。這樣，低溫水泵111從河水或海水中抽取低溫水，并經(jīng)發(fā)動機(jī)換熱器113與天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110的高溫水進(jìn)行換熱，這部分熱量將LNG氣化加熱后傳遞至天然氣發(fā)動機(jī)112，氣化加熱后的水冷卻后排出至船舷外，完成一次開式循環(huán)。

該氣化加熱系統(tǒng)10在天然氣發(fā)動機(jī)112啟動初期或運(yùn)行期間，尤其是冬季天氣較冷的情況下，極易發(fā)生氣化熱量不足的問題，導(dǎo)致LNG氣化加熱效果不理想，并且氣化器122的管路很容易被低溫水中的泥沙阻塞，且不易清理干凈，本發(fā)明中的用于船舶的LNG氣化加熱系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)中的氣化加熱系統(tǒng)10的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，從而解決了上述技術(shù)問題。

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)的原理圖。

如圖2所示，用于船舶的LNG氣化加熱系統(tǒng)100包括：至少一套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110、氣化加熱回路系統(tǒng)120以及溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)130。其中，天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110、氣化加熱回路系統(tǒng)120與現(xiàn)有技術(shù)中的配置相同，不再贅述。

溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)130包括PLC控制單元131、輔助換熱器132、多個溫度傳感器及循環(huán)泵136。輔助換熱器132為板式換熱器，其殼程入口與高溫泵調(diào)節(jié)閥115連接，其殼程出口與發(fā)動機(jī)換熱器113的殼程入口連接，輔助換熱器132的管程與循環(huán)泵136、氣化器122的殼程組成閉式循環(huán)回路。

進(jìn)一步地，閉式循環(huán)回路中還設(shè)置有換熱介質(zhì)，換熱介質(zhì)可以為水與防凍液的混合物或者水與乙二醇的混合物。循環(huán)泵136驅(qū)動換熱介質(zhì)與天然氣發(fā)動機(jī)112中高溫水的熱量經(jīng)輔助換熱器132進(jìn)行換熱傳遞，并通過氣化器122將液態(tài)天然氣儲罐中的液態(tài)天然氣氣化加熱為常溫氣態(tài)的天然氣。這部分熱量經(jīng)氣化加熱回路系統(tǒng)120中的自增壓器123將小部分LNG氣化，進(jìn)入LNG儲罐121的頂部，增加LNG儲罐121內(nèi)的壓力，促使儲罐內(nèi)LNG流出儲罐，通過氣化器122對這部分來自LNG儲罐121中的LNG氣化加熱，緩沖罐124可以減少氣壓波動，同時在整個系統(tǒng)的用氣量的急劇變化時進(jìn)行緩沖。

由于每千克LNG氣化需要吸收約837kJ熱量，尤其是在冬季較寒冷的外界環(huán)境下，需要的熱量會更多。因此，溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)130還可以包括輔助加熱裝置135，輔助加熱裝置135設(shè)置于閉式循環(huán)回路中的輔助換熱器132與循環(huán)泵136之間，并與PLC控制單元131連接，以在天然氣發(fā)動機(jī)112提供熱源不足時補(bǔ)充熱量。輔助加熱裝置135可以為電加熱器135A和/或蒸汽-水換熱器135B，或者其它輔助加熱的裝置，根據(jù)船舶的大小或適用場合而定，此處不做限制。

進(jìn)一步地，LNG氣化加熱系統(tǒng)100還可以包括多套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110和多個輔助換熱器132。多套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110各自獨(dú)立，任何一臺天然氣發(fā)動機(jī)112停止運(yùn)行均不會影響LNG 氣化加熱系統(tǒng)100的正常工作。多個輔助換熱器132的管程相互串聯(lián)，并與循環(huán)泵136、氣化器122組成閉式循環(huán)回路。

進(jìn)一步地，液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)100還包括膨脹水箱137，多個輔助換熱器132的管程相互串聯(lián)后連接至膨脹水箱137，膨脹水箱137用于補(bǔ)充蒸發(fā)的換熱介質(zhì)，同時釋放溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)130的換熱介質(zhì)中的空氣。

以兩套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110為例，如圖2所示，每套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110的高溫泵調(diào)節(jié)閥115連接至一個輔助換熱器132的殼程入口，設(shè)置三通接頭，一路連接一個輔助換熱器132的管程入口，一路連接膨脹水箱137，一路連接另一個輔助換熱器132的管程出口，一個輔助換熱器132的管程出口連接至電加熱器135A的入口。

如果輔助加熱裝置135同時設(shè)置有電加熱器135A和蒸汽-水換熱器135B，則設(shè)置三通接頭，一路與輔助換熱器132的管程出口相連，一路與電加熱器135A的入口相連，一路與蒸汽-水換熱器135B的管程入口相連。再設(shè)置三通接頭，一路連接電加熱器135A的出口，一路連接蒸汽-水換熱器135B的管程出口，一路連接循環(huán)泵136的入口。再設(shè)置三通接頭，循環(huán)泵136的出口與氣化器122的殼程入口、自增壓器123的殼程入口相連，氣化器122的殼程出口、自增壓器123的殼程出口與另一個輔助換熱器132的管程入口相連，從而構(gòu)成閉式循環(huán)回路。

兩套天然氣發(fā)動機(jī)高/低溫水系統(tǒng)110的高溫水入口管路上各設(shè)置有一個傳感器133，用于采集天然氣發(fā)動機(jī)112的高溫水的溫度；電加熱器135A的管程出口處設(shè)置有傳感器134，用于采集換熱后高溫水的溫度。另外，氣化器122的管程出口至緩沖罐124的入口處設(shè)置有溫度傳感器125，用于采集氣化后天然氣的溫度。

多個溫度傳感器、高溫泵調(diào)節(jié)閥115和輔助加熱裝置135的模擬信號及控制信號分別接入PLC控制單元131。PLC控制單元131通過監(jiān)測設(shè)置在天然氣發(fā)動機(jī)112的高溫水入口管路上的溫度傳感器133、設(shè)置在電加熱器135A的管程出口處的溫度傳感器134和氣化器122的管程出口處的溫度傳感器125的信號，控制高溫泵調(diào)節(jié)閥115的開關(guān)以調(diào)節(jié)氣化加熱回路系統(tǒng)120中高溫水的流量，當(dāng)溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)130的熱量不足時，可以自適應(yīng)地啟動/關(guān)閉輔助加熱裝置135進(jìn)行熱量補(bǔ)充以控制LNG的氣化加熱溫度。

LNG經(jīng)氣化加熱回路系統(tǒng)120氣化加熱后成為常溫氣態(tài)的天然氣，并傳遞至天然氣發(fā)動機(jī)112，從而為天然氣發(fā)動機(jī)112提供燃料。天然氣發(fā)動機(jī)112運(yùn)行過程中的高溫部件(如缸套、活塞等)可以通過船舷外抽取的低溫水進(jìn)行散熱，也可以與氣化加熱后返回的循環(huán)水進(jìn)行熱交換，降低天然氣發(fā)動機(jī)112的熱負(fù)荷，提高其燃燒效率。

本發(fā)明實(shí)施例中的LNG氣化加熱系統(tǒng)100增加了閉式循環(huán)的溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)130，有效利用發(fā)動機(jī)高溫冷卻水的余熱在閉式循環(huán)回路中氣化加熱LNG，解決了現(xiàn)有技術(shù)中氣化器容易阻塞、低溫氣化效果不理想的問題，提高了氣化加熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于船舶的液態(tài)天然氣氣化加熱系統(tǒng)的氣化加熱方法的流程框圖。

如圖3所示，所述氣化加熱方法200包括如下步驟：

S1：將天然氣發(fā)動機(jī)的高溫水引入輔助換熱器，并將熱量傳遞至溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的換熱介質(zhì)；

S2：換熱介質(zhì)通過循環(huán)泵在氣化器中與液態(tài)天然氣進(jìn)行換熱，多個溫度傳感器分別監(jiān)測天然氣發(fā)動機(jī)入口處高溫水的溫度、輔助換熱器加熱后的高溫水的溫度以及LNG氣化加熱后的溫度，并發(fā)送至PLC控制單元；

S3：PLC控制單元基于多個溫度傳感器的溫度信號控制高溫泵調(diào)節(jié)閥的開關(guān)以調(diào)節(jié)氣化加熱回路系統(tǒng)中高溫水的流量，并自適應(yīng)地啟動/關(guān)閉輔助加熱裝置以控制液態(tài)天然氣的氣化加熱溫度；

S4：將LNG氣化加熱為常溫氣態(tài)的天然氣后傳遞至天然氣發(fā)動機(jī)。

以上描述僅為本申請的較佳實(shí)施例以及對所運(yùn)用技術(shù)原理的說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本申請中所涉及的發(fā)明范圍，并不限于上述技術(shù)特征的特定組合而成的技術(shù)方案，同時也應(yīng)涵蓋在不脫離所述發(fā)明構(gòu)思的情況下，由上述技術(shù)特征或其等同特征進(jìn)行任意組合而形成的其它技術(shù)方案。例如上述特征與本申請中公開的(但不限于)具有類似功能的技術(shù)特征進(jìn)行互相替換而形成的技術(shù)方案。