基于双燃料船舶发动机冷却水余热的液态天然气气化系统

摘要

本发明公开一种基于双燃料船舶发动机冷却水余热的液态天然气气化系统，由缸套冷却水循环系统、工质循环系统、LNG供给气化系统和PLC控制系统这四个子系统构成；缸套冷却水循环系统包括缸套水泵、冷却水箱、LNG/柴油双燃料发动机、板式换热器及风扇式散热器；工质循环系统包括工质箱、工质泵，工质箱通过工质出口连接板式换热器的工质进口，LNG供给气化系统包括LNG泵、LNG气化器及辅助LNG储罐，辅助LNG储罐依次经手动调节阀、LNG泵、第三液体流量传感器、第三液体比例调节阀与LNG气化器连接；本发明利用LNG/柴油双燃料发动机的缸套水的余热对LNG进行气化，对高温缸套水冷却散热，同时又提高了LNG/柴油双燃料发动机燃料的燃烧效率。

说明书

技术领域

本发明涉及废热气化LNG(Liquefied Natural Gas，液态天然气)的设备技术领域，特别是涉及一种LNG/柴油双燃料船舶发动机冷却水余热的LNG气化系统。

背景技术

与传统的柴油机相比，LNG/柴油双燃料发动机具有有害排放少等优点，能够满足日益严格的排放法规要求，是一种绿色的动力系统，有望广泛应用于船舶、城市交通、发电机组和中重型载货汽车等。而在-162℃温度下的液态LNG成为发动机燃料前需要气化成为气态，且每千克LNG气化需要吸收837kJ热量。由此同时，传统发动机的有效热效率不到50%，其余25%的热量被废气带走，另外20%的热量由缸套冷却水带走，剩余5%则通过热辐射和润滑油散发到大气。

公开号CN103899440A(公开日2014年07月02日)公开了一种基于排气能量回收的船用气体/双燃料发动机LNG气化系统及控制法，包括换热介质箱、排气换热器、散热器、发动机膨胀水箱、 LNG气化器、集液盘，换热介质箱里的换热介质通过第一可调节流量泵进入排气换热器，经散热器后进入LNG气化器再流回换热介质箱，外接水源通过集液盘经三通阀分别进入发动机膨胀水箱、散热器后排出，进入散热器的外接水源与换热介质不掺混，即按照各自对应的管路流动。该技术是将双燃料发动机排气废热进行回收，并用于LNG气化，但没有涉及到缸套冷却水的废热回收。

中国专利公开号CN103967648A(公开日2014年8月6日) 的文献提供的是一种船舶低速柴油机余热综合回收系统，包括组合余热锅炉系统、动力涡轮发电系统、汽轮机发电系统、高温冷却水利用换热设备和有机工质汽轮机发电系统，其中与缸套水换热器并联的缸套水有机工质预热器，在工作时，有机工质经缸套水有机工质预热器后进入中温换热器再进入有机工质蒸发器段，高压的有机工质驱动汽轮机发电系统用来发电，将柴油机缸套水的废热用来发电。没有涉及到LNG/柴油双燃料发动机和LNG的气化技术，目前，未见有关回收冷却水余热并用于气化LNG的技术报道。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种基于液态天然气/柴油双燃料船舶发动机冷却水余热的液态天然气气化系统，能回收冷却水余热并用于气化LNG。

本发明采用的技术方案是：由缸套冷却水循环系统、工质循环系统、LNG供给气化系统和PLC控制系统这四个子系统构成，缸套冷却水循环系统包括缸套水泵、冷却水箱、LNG/柴油双燃料发动机、板式换热器及风扇式散热器，LNG/柴油双燃料发动机的缸套水出水口与冷却水箱上部的缸套水进水口之间的连接管道上依次接有第一温度传感器、第一三通阀、第一液体流量传感器及第一液体比例调节阀，第一三通阀的中间端口与发动机冷却系统小循环相接；冷却水箱底部的缸套水出水口与第一、第二液体电磁阀之间的第一个三通的中间端口相接，在冷却水箱底部的缸套水出水口与第一个三通的中间端口之间接有缸套水泵；第一个三通的上端口与板式换热器相接，第一个三通的下端口与风扇式散热器入水口相接；板式换热器出水口与第二个三通的左端口连接，在板式换热器出水口与第二个三通的左端口之间接有第三液体电磁阀，第二个三通的右端口与风扇式散热器的出水口相接，在第二个三通的右端口与风扇式散热器的出水口之间接有第四液体电磁阀；第二个三通的中间端口经液体单向阀、第二三通阀、第二温度传感器与LNG/柴油双燃料发动机的缸套水进水口连接，第二三通阀的中间端口与发动机冷却系统小循环相接；所述第一、第二温度传感器、第一液体比例调节阀、第一液体流量传感器、缸套水泵、第一、第二、第三、第四液体单向阀都连接PLC控制系统中的PLC控制器；工质循环系统包括工质箱、工质泵，工质箱通过工质出口连接板式换热器的工质进口，在工质箱与板式换热器之间依次接有第二液体比例调节阀、第二液体流量传感器、工质泵、第三温度传感器；板式换热器的工质出口与LNG气化器的工质进口连接，LNG气化器的工质出口与工质箱的工质进口连接；LNG供给气化系统包括LNG泵、LNG气化器及辅助LNG储罐，辅助LNG储罐依次经手动调节阀、LNG泵、第三液体流量传感器、第三液体比例调节阀与LNG气化器连接， LNG气化器顶端的气态天然气出口与天然气稳压气罐底部连接，第三液体流量传感器、第三液体比例调节阀、LNG泵分别连接 PLC控制器；当缸套出水口温度介于75℃到90℃之间时，PLC控制器控制第二、第三液体电磁阀关闭、第一、第四液体电磁阀开启，缸套水泵将高温缸套水输送到风扇式散热器中放热，降温后的缸套冷却水经液体单向阀流回到LNG/柴油双燃料发动机的缸套内吸热，当缸套出水口温度大于等于90℃时，PLC控制器控制液第二、第三体电磁阀开启、第一、第四液体电磁阀关闭，缸套水泵将高温缸套冷却水从缸套出水口输送到板式换热器中向工质放热，放热后的冷却水温度降低，经液体单向阀再次回到缸套内吸收热量；PLC控制器给工质泵指令将工质从工质箱中泵出，从板式换热器吸热后到LNG气化器中放热，放热后再次流向板式换热器吸收热量。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供了一套辅助LNG气化系统，利用LNG/柴油双燃料发动机的缸套水的余热对LNG进行气化，做到了对高温缸套水冷却散热，同时又提高了LNG/柴油双燃料发动机燃料的燃烧效率。

2.本发明采用了PLC控制器对系统进行自动控制，可以保证工质、天然气、缸套水的精确输送以及确保了操作人员的安全性。

3.本发明在发动机冷启动过程中采用温度传感器、流量传感器、液体比例调节阀和PLC控制系统的相互配合，取代了传统的发动机节温器，对进入发动机缸套的冷却水的温度进行精确控制，从而确保最终进入LNG/柴油双燃料发动机缸套的冷却水保持发动机缸套的最佳冷却温度。

下面结合附图及具体实施方式对本发明作更详细的描述。

附图说明

图1为本发明基于双燃料船舶发动机冷却水余热的液态天然气气化系统的结构示意图；

图中：1.气体电磁阀；2.天然气稳压气罐；3.压力传感器；4.手动调节阀；5.气体比例调节阀；6.燃气滤清器；7.天然气/空气混合器；8.发动机气缸；9.PLC控制器；10.异径三通；11.气体单向阀；12.LNG气化器；13.液体比例调节阀；14.液体流量传感器；15.三通阀；16.温度传感器；17.三通阀；18.液体单向阀；19.冷却水箱；20.LNG/柴油双燃料发动机；21.板式换热器；22.高温缸套水泵；23.工质液位传感器；24.工质箱；25.液体比例调节阀；26.温度传感器；27.温度传感器；28.温度传感器；29.流量传感器；30.工质泵；31.液体流量传感器；32.液体比例调节阀；33、34、35、36.液体电磁阀；37.可调速电机；38.风扇式散热器；39.LNG泵；40.手动调节阀；41.天然气泄漏报警器；42.辅助LNG储罐；43.LNG液位传感器；44.气体单向阀；45.闪蒸汽（Boil Off Gas ，简称BOG，闪蒸汽）储罐； 46.气体压力传感器；47.温度传感器；48.温度传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明由四个子系统构成，分别是缸套冷却水循环系统、工质循环系统、LNG供给气化系统和PLC控制系统。

缸套冷却水循环系统包括高温缸套水泵22、冷却水箱19、LNG/柴油双燃料发动机20、板式换热器21、风扇式散热器38以及连接管道等。LNG/柴油双燃料发动机20左侧的缸套水出水口与冷却水箱19上部的缸套水进水口之间通过管道连接，在LNG/柴油双燃料发动机20的缸套水出水口与冷却水箱19上部的缸套水进水口之间的连接管道上依次接有温度传感器16、三通阀15、液体流量传感器14、液体比例调节阀13。其中，三通阀15的中间端口通过管道与发动机冷却系统小循环相接。冷却水箱19底部的缸套水出水口与液体电磁阀33和液体电磁阀34之间的三通的中间端口通过管道相接，在冷却水箱19底部的缸套水出水口与此三通的中间端口之间的连接管道上接有高温缸套水泵22。液体电磁阀33和液体电磁阀34之间的三通的上端口与板式换热器21左侧上部的高温缸套水进水口相接，在此三通的上端口与板式换热器21左侧上部的高温缸套水进水口之间的连接管道上接液体电磁阀34，此三通的下端口与风扇式散热器38左侧的入水口相接，此三通的下端口与风扇式散热器38左侧的入水口之间的管道上接液体电磁阀33。板式换热器21右侧下部的高温缸套水出水口与三通29的左端口通过管道连接，在板式换热器21右侧下部的高温缸套水出水口与三通29的左端口之间的管道上接有一液体电磁阀35，三通29的右端口与风扇式散热器38右侧的出水口之间通过管道相接，在三通29的右端口与风扇式散热器右侧38的出水口之间的管道上接有一液体电磁阀36。其中，风扇式散热器38连接可调速电机37，通过可调速电机37进行驱动；三通29的中间端口与LNG/柴油双燃料发动机20右侧的缸套水进水口之间通过管道连接，在三通29的中间端口与LNG/柴油双燃料发动机20右侧的缸套水进水口之间的连接管道上依次接有液体单向阀18、三通阀17、温度传感器27，其中，三通阀17的中间端口通过管道与发动机冷却系统小循环相接。在缸套冷却水循环系统中，温度传感器16、27、液体流量传感器14都通过信号线与模拟量输入模块相连，再接PLC控制器9；PLC控制器9通过控制线与放大器相连，之后分别接液体比例调节阀13、高温缸套水泵22、液体单向阀33、34、35、36以及风扇散热器38上的可调速电机37。

工质循环系统包括工质箱24、工质泵30和连接管道等。其中，工质箱24左侧下部是工质出口，工质箱24通过工质出口以及管道连接板式换热器21的右侧上部的工质进口，在工质箱24与板式换热器21之间的连接管道上依次接有液体比例调节阀32、液体流量传感器31、工质泵30、温度传感器28。板式换热器21左侧下部的工质出口与LNG气化器12下段侧部的工质进口之间通过管道连接，在板式换热器21左侧下部的工质出口与LNG气化器12下段侧部的工质进口之间的连接管道上接有一温度传感器26。LNG气化器12左侧上部的工质出口与工质箱24上部右侧的工质进口之间通过管道连接，在LNG气化器12左侧上部的工质出口与工质箱24上部右侧之间的连接管道上接有一温度传感器47，且温度传感器47尽量靠近LNG气化器12左侧上部的工质出口端。在工质箱24的上部接有一工质液位传感器23。在工质循环系统中，液体流量传感器31，温度传感器28、26、47、工质液位传感器23都通过信号线与模拟量输入模块相连，再接PLC控制器9；PLC控制器9通过控制线与放大器相连，之后分别接液体比例调节阀32、工质泵30。

LNG供给气化系统包括LNG泵39、LNG气化器12、辅助LNG储罐42、闪蒸汽储罐45、异径三通10、天然气稳压气罐2、燃气滤清器6、天然气/空气混合器7、发动机气缸8以及连接管道等。其中，辅助LNG储罐42与LNG气化器12底端的LNG进口之间通过管道连接，在辅助LNG储罐42与LNG气化器12底端的LNG进口之间的连接管道上依次接有手动调节阀40、LNG泵39、液体流量传感器29、液体比例调节阀25。LNG气化器12顶端的气态天然气出口与天然气稳压气罐2底部的气态天然气进口之间通过管道连接，在LNG气化器12顶端的气态天然气出口与天然气稳压气罐2底部的气态天然气进口之间的连接管道上依次接有温度传感器48、气体单向阀11、异径三通10。其中异径三通10的中间端口与闪蒸汽储罐45的上部端口之间通过管道连接，在异径三通10的中间端口与闪蒸汽储罐45的上部端口之间的连接管道上装有一气体电磁阀1。在闪蒸汽储罐45的顶端装有一压力传感器46。辅助LNG储罐42左侧上部与闪蒸汽储罐45的底部之间通过管道连接，在辅助LNG储罐42左侧上部与闪蒸汽储罐45的底部之间的连接管道上装有一气体单向阀44。燃气滤清器6与天然气稳压气罐2顶部之间通过管道连接，在燃气滤清器6与天然气稳压气罐2顶部之间的连接管道上依次接有手动调节阀4、气体比例调节阀5，其中，天然气稳压气罐2的顶部装有一压力传感器3。燃气滤清器6与天然气/空气混合器7之间通过管道连接，天然气/空气混合器7与发动机气缸8之间通过管道连接。在LNG供给气化系统中，液体流量传感器29，温度传感器48、液位传感器43、压力传感器3都通过信号线与模拟量输入模块相连，再接PLC控制器9；PLC控制器9通过控制线与放大器相连，之后分别接液体比例调节阀25、LNG泵39、气体电磁阀1、气体比例调节阀5。

PLC控制系统包括温度传感器16、液体比例调节阀13、液体流量传感器14、温度传感器27、液体比例调节阀32、液体流量传感器31、温度传感器28、温度传感器26、工质液位传感器23、LNG液位传感器43、液体流量传感器30、液体比例调节阀25、气体比例调节阀5、气体电磁阀1、气体压力传感器46、液体电磁阀33,34,35,36、可调速电机37、PLC控制器9、温度传感器47、温度传感器48和连接线路等。

传统的发动机采用节温器可以根据冷却水的温度高低自动调节进入散热器的水量，以保证发动机在合适的温度范围工作。本发明对发动机冷启动过程采用温度传感器16和流量传感器14、液体比例调节阀13和PLC控制系统来完成，即由LNG/柴油双燃料发动机20与三通阀17及三通阀15其他部件实现缸套冷却水的小循环，温度传感器16检测缸套出水口的水温，当水温慢慢达到或超过75℃时，此时小循环不再满足发动机的冷却要求，这时就要逐渐进入冷却水系统大循环，由于此时温差比较小，换热效果不明显，板式换热器21不能为LNG气化提供足够的热量，因此设置只有在缸套出水口温度达到90℃时，才开始采用板式换热器21进行换热，出口缸套水温度在75℃与90℃之间时，系统以风扇散热器38将中高温缸套水的热量排掉，散热后的缸套冷却水回到循环管路中。

在缸套出水口温度介于75℃到90℃之间时，此时PLC控制器9控制液体电磁阀34、35都处于关闭状态，而控制液体电磁阀33、36处于开启状态，此时缸套冷却水泵22将高温缸套水从缸套出水口输送到风扇式散热器38中进行放热，降温后的缸套冷却水经液体单向阀18流回到发动机的缸套内吸热，可调速电机37可以调节风扇转速以调节散热量的大小。当缸套出水口温度在大于等于90℃时，此时，PLC控制器9控制液体电磁阀34、35都处于开启状态，而液体电磁阀33、36处于关闭状态，缸套水泵22将高温缸套冷却水从缸套出水口输送到板式换热器21中向工质放热，在此与工质进行热交换，放热后的冷却水温度降低， 经液体单向阀18再次回到缸套内吸收热量，以此循环流动。驱使缸套冷却水循环流动的是缸套水泵22，冷却水箱19用于存储多余或补充不足冷却水。液体单向阀18的作用是防止冷却水小循环回路中的冷却水倒流回板式换热器21或风扇式散热器38中，促使冷却水只能在大循环内单向流动。

冷却水在大循环流动后，PLC控制器9给工质泵30指令启动，将工质从工质箱24中泵出，从板式换热器21吸热后到LNG气化器12中放热。放热后工质温度降低，通过管道再次流向板式换热器21从缸套冷却水内吸收热量，以此循环流动，循环流动阻力依靠工质泵30来克服。工质箱24储存多余的或补充不足的工质。LNG泵39驱使LNG辅助LNG储罐42流向LNG气化器12，并在此从工质吸收热量气化成天然气，天然气储存于天然气稳压罐2内，天然气经燃气滤清器6滤清后在天然气/空气混合器7内混合成可燃混合气，吸入气缸内燃烧作功。发动机气缸8仅用柴油工作时，高温缸套冷却水不流经板式换热器21，而是流经风扇式散热器38，降温后的冷却水再次流向发动机缸套，而工质和LNG气化器12不参与工作。其中，液体流量传感器31的作用是测量工质管路的流量，温度传感器47的作用是检测LNG气化器12中工质出口处的温度值，液体比例调节阀32的作用是控制工质流量的大小。板式换热器21的工质入口与出口端分别装有一温度传感器26和温度传感器28，分别用来测量板式换热器21的工质入口与出口端的温度值。工质箱24上方装有一工质液位传感器23用于监控工质箱24中工质的液面高度。

冷却水在大循环流动后，LNG泵39将LNG从辅助LNG储罐42中抽出进入LNG气化器12，并在LNG气化器12中吸收工质的热量，并使LNG气化成天然气，后经气体单向阀11储存于天然气稳压气罐2中，为防止天然气回流设有气体单向阀11。天然气稳压气罐2为LNG/柴油双燃料发动机20存储稳定压力的天然气，天然气经燃气滤清器6滤清后与空气在天然气/空气混合器7中形成可燃混合气，吸入发动机气缸8中燃烧作功。为了实时检测LNG流量设有流量传感器29，而温度传感器48检测LNG气化器12出气口气温，气体比例调节阀5的作用是控制天然气的流量，手动调节阀40的作用是手动调节LNG管路中LNG的通断，手动调节阀4的作用是手动调节天然气在管路中的通断，当系统发生故障时工作人员可以及时的关闭手动调节阀40与手动调节阀4，以防止危险情况的发生，在PLC控制器9运行正常的情况下手动调节阀40与手动调节阀4是常开的，并且开度最大。天然气稳压气罐2上方安装压力传感器3，它的作用是测量天然气稳压气罐2中的气体压力。在辅助LNG储罐42设有液位传感器43，它的作用是测量辅助LNG储罐42中LNG液面高度。由于辅助LNG储罐42中的LNG会产生蒸发，这部分气体被称为BOG闪蒸汽，BOG闪蒸汽使LNG储罐42气象空间压力升高，这部分BOG闪蒸汽通过气体单向阀44进入到闪蒸汽储罐45中，气体单向阀44的作用是防止闪蒸汽倒回辅助LNG储罐42中，闪蒸汽储罐45经异径三通10与天然气稳压气罐2相连接，这样可以使闪蒸汽进去到天然气稳压气罐2中去，在闪蒸汽储罐45与异径三通10之间有气体电磁阀1，它的作用是控制闪蒸汽进入到天然气稳压灌2的通与断，在闪蒸汽储罐45的上方设有压力传感器46，它的作用是测量闪蒸汽储罐45中天然气的压力。在LNG气化系统中，分别在闪蒸汽储罐45两端管口法兰处、LNG泵39的两端管口法兰处、辅助LNG储罐42与LNG泵39之间的接口法兰连接处、LNG气化器12的气体进出口的管口法兰连接处、天然气稳压气罐2的出口法兰连接处以及闪蒸汽储罐45两端管口法兰处均装有一天然气泄漏报警器41，在LNG泵39的两端管口法兰处分别装有一天然气泄漏报警器41，在闪蒸汽储罐45与LNG泵39之间的接口法兰处也接有一天然气泄漏报警器41，在LNG气化器12的气体进出口的管口法兰处也分别装有一天然气泄漏报警器41，报警器的作用是当天然气发生泄漏时，工作人员可以及时发现，并及时作出相应措施。