用于船舶的液态天然气气化加热系统的制作方法

本发明涉及液态天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)的气化加热系统领域，特别涉及一种适用于天然气燃料动力船舶的液态天然气气化加热系统。

背景技术：

从节能减排的效果来看，天然气是最清洁的化石能源之一，与柴油机相比，天然气发动机可以降低80％以上NO_x，100％SO_x、PM、20％以上CO₂等有害气体的排放，满足日益严格的排放法规要求。同时，天然气价格低于柴油，已被逐步应用于船舶、车辆、电厂等。天然气通常被处理为-162℃的液态以便于运输及存储，在使用时需要气化加热转变为常温气态的天然气进行使用。

对于小型天然气燃料动力船舶(尤其是内河船舶)，由于空间条件限制，现有技术中气化加热LNG通常采用水浴式气化加热系统，即采用舷外低温水经冷却发动机高温水后流入天然气加热气化器、加热LNG后再排出舷外的设计方法。由于水浴式气化加热系统为开式循环系统，气化器很容易被泥沙阻塞，冬季低温情况下气化效果不理想，经常无法正常使用。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的缺陷或不足，本发明旨在提供一种液态天然气的气化加热系统，其至少能够提高液态天然气气化加热的稳定性和可靠性。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于船舶的液态天然气气化加热系统，包括至少一套天然气发动机高/低温水系统，其至少包括天然气发动机、发动机换热器和高温泵调节阀；和气化加热回路系统，其至少包括液态天然气储罐和气化器，所述液态天然气气化加热系统还包括：温度调节控制系统，其包括PLC控制单元、辅助换热器、多个温度传感器及循环泵，所述辅助换热器的壳程入口与所述高温泵调节阀连接，所述辅助换热器的壳程出口与所述发动机换热器的壳程入口连接，所述辅助换热器的管程与所述循环泵、所述气化器的壳程组成闭式循环回路，所述PLC控制单元基于所述多个温度传感器检测到的信号控制所述高温泵调节阀的开关以调节所述气化加热回路系统中高温水的流量。

优选地，所述温度调节控制系统还包括辅助加热装置，所述辅助加热装置设置于所述闭式循环回路中的所述辅助换热器与所述循环泵之间，并与所述PLC控制单元连接，所述PLC控制单元基于所述多个温度传感器检测到的信号自适应地启动/关闭所述辅助加热装置以控制液态天然气的气化加热温度。

优选地，所述辅助加热装置为电加热器和/或蒸汽-水换热器。

优选地，所述闭式循环回路中还设置有换热介质，所述循环泵驱动所述换热介质与所述天然气发动机中的高温水的热量经所述辅助换热器进行换热传递，并通过所述气化器将所述液态天然气储罐中的液态天然气气化加热为常温气态的天然气。

优选地，所述换热介质为水与防冻液的混合物或者水与乙二醇的混合物。

优选地，所述多个温度传感器分别设置于所述至少一套天然气发动机高/低温水系统的高温水入口管路上、所述电加热器的管程出口处及所述气化器的管程出口处。

优选地，所述天然气发动机高/低温水系统还可以包括单台或者各自独立运行的多台天然气发动机。

优选地，所述液态天然气气化加热系统包括多套各自独立运行的天然气发动机高/低温水系统和相应的多个所述辅助换热器。

优选地，所述液态天然气气化加热系统还包括膨胀水箱，多个所述辅助换热器的管程入口串联，并与所述循环泵、所述气化器组成闭式循环回路。

优选地，所述液态天然气气化加热系统还包括膨胀水箱，多个所述辅助换热器的管程相互串联后连接至所述膨胀水箱。

本发明中的用于船舶的液态天然气气化加热系统增加了温度调节控制系统，有效利用发动机高温冷却水的余热在闭式循环回路中气化加热液态天然气，解决了现有技术中气化器容易阻塞、低温气化效果不理想的问题，提高了气化加热系统的稳定性和可靠性，同时也提高了天然气发动机的燃烧效率。

附图说明

从权利要求以及下述基于附图的优选实施方案的描述中，本发明进一步的优点、特征和细节将变得显而易见。

需要说明的是，附图中相同的附图标记表示本发明中相同或等同的部分。其中显示：

图1为现有技术中用于船舶的液态天然气气化加热系统的原理图；

图2为根据本发明实施例的用于船舶的液态天然气气化加热系统的原理图；

图3示出了根据本发明实施例的用于船舶的液态天然气气化加热系统的气化加热方法的流程框图。

具体实施方式

以下以更详细的方式针对本发明的实施例的气化加热系统的讨论，本质上仅为示例性的，并不旨在限制本发明或其应用或用途。

图1为现有技术中用于船舶的液态天然气气化加热系统的原理图。

如图1所示，现有技术中用于船舶的液态天然气(以下简称LNG)气化加热系统10包括至少一套天然气发动机高/低温水系统110和气化加热回路系统120。

以图1中所示的两套天然气发动机高/低温水系统110为例，天然气发动机高/低温水系统110包括低温水泵111、天然气发动机112、发动机换热器113及连接管道等。其中，天然气发动机112可以设置为单台或者各自独立运行的多台。低温水泵111的入口连接至船舷外的河水管路或海水管路，天然气发动机112的高温水入口连接至发动机换热器113的壳程出口S2，天然气发动机112的高温水出口分别连接至高温水泵114的入口和膨胀水箱116的管路。高温水泵114的出口连接高温泵调节阀115的入口，高温泵调节阀115的出口连接至发动机换热器113的壳程入口S1。膨胀水箱116用于补充蒸发的高温水，同时释放水中的空气。

气化加热回路系统120包括LNG储罐121、气化器122、自增压器123、缓冲罐124及连接管路等。LNG储罐121的出口设置三通接头，通过管路分别与气化器122的管程入口、自增压器123的管程入口相连，自增压器123的管程出口与LNG储罐121的顶部入口相连，气化器122的管程出口与缓冲罐124的入口相连，在气化器122的管程出口至缓冲罐124的入口管路设置温度传感器125，用于检测系统是否发生故障。缓冲罐124的出口设置三通接头，分别与两台天然气发动机112的燃气入口相连，从而为天然气发动机112提供气化后的天然气燃料。

低温水泵111的出口管路连接至气化加热回路系统120的气化器122的壳程入口S3，气化器122的壳程出口S4分别连接至发动机换热器113的管程入口,发动机换热器113的管程出口通过管路连接至船舷外。这样，低温水泵111从河水或海水中抽取低温水，并经发动机换热器113与天然气发动机高/低温水系统110的高温水进行换热，这部分热量将LNG气化加热后传递至天然气发动机112，气化加热后的水冷却后排出至船舷外，完成一次开式循环。

该气化加热系统10在天然气发动机112启动初期或运行期间，尤其是冬季天气较冷的情况下，极易发生气化热量不足的问题，导致LNG气化加热效果不理想，并且气化器122的管路很容易被低温水中的泥沙阻塞，且不易清理干净，本发明中的用于船舶的LNG气化加热系统在现有技术中的气化加热系统10的基础上进行了改进，从而解决了上述技术问题。

图2为根据本发明实施例的用于船舶的液态天然气气化加热系统的原理图。

如图2所示，用于船舶的LNG气化加热系统100包括：至少一套天然气发动机高/低温水系统110、气化加热回路系统120以及温度调节控制系统130。其中，天然气发动机高/低温水系统110、气化加热回路系统120与现有技术中的配置相同，不再赘述。

温度调节控制系统130包括PLC控制单元131、辅助换热器132、多个温度传感器及循环泵136。辅助换热器132为板式换热器，其壳程入口与高温泵调节阀115连接，其壳程出口与发动机换热器113的壳程入口连接，辅助换热器132的管程与循环泵136、气化器122的壳程组成闭式循环回路。

进一步地，闭式循环回路中还设置有换热介质，换热介质可以为水与防冻液的混合物或者水与乙二醇的混合物。循环泵136驱动换热介质与天然气发动机112中高温水的热量经辅助换热器132进行换热传递，并通过气化器122将液态天然气储罐中的液态天然气气化加热为常温气态的天然气。这部分热量经气化加热回路系统120中的自增压器123将小部分LNG气化，进入LNG储罐121的顶部，增加LNG储罐121内的压力，促使储罐内LNG流出储罐，通过气化器122对这部分来自LNG储罐121中的LNG气化加热，缓冲罐124可以减少气压波动，同时在整个系统的用气量的急剧变化时进行缓冲。

由于每千克LNG气化需要吸收约837kJ热量，尤其是在冬季较寒冷的外界环境下，需要的热量会更多。因此，温度调节控制系统130还可以包括辅助加热装置135，辅助加热装置135设置于闭式循环回路中的辅助换热器132与循环泵136之间，并与PLC控制单元131连接，以在天然气发动机112提供热源不足时补充热量。辅助加热装置135可以为电加热器135A和/或蒸汽-水换热器135B，或者其它辅助加热的装置，根据船舶的大小或适用场合而定，此处不做限制。

进一步地，LNG气化加热系统100还可以包括多套天然气发动机高/低温水系统110和多个辅助换热器132。多套天然气发动机高/低温水系统110各自独立，任何一台天然气发动机112停止运行均不会影响LNG 气化加热系统100的正常工作。多个辅助换热器132的管程相互串联，并与循环泵136、气化器122组成闭式循环回路。

进一步地，液态天然气气化加热系统100还包括膨胀水箱137，多个辅助换热器132的管程相互串联后连接至膨胀水箱137，膨胀水箱137用于补充蒸发的换热介质，同时释放温度调节控制系统130的换热介质中的空气。

以两套天然气发动机高/低温水系统110为例，如图2所示，每套天然气发动机高/低温水系统110的高温泵调节阀115连接至一个辅助换热器132的壳程入口，设置三通接头，一路连接一个辅助换热器132的管程入口，一路连接膨胀水箱137，一路连接另一个辅助换热器132的管程出口，一个辅助换热器132的管程出口连接至电加热器135A的入口。

如果辅助加热装置135同时设置有电加热器135A和蒸汽-水换热器135B，则设置三通接头，一路与辅助换热器132的管程出口相连，一路与电加热器135A的入口相连，一路与蒸汽-水换热器135B的管程入口相连。再设置三通接头，一路连接电加热器135A的出口，一路连接蒸汽-水换热器135B的管程出口，一路连接循环泵136的入口。再设置三通接头，循环泵136的出口与气化器122的壳程入口、自增压器123的壳程入口相连，气化器122的壳程出口、自增压器123的壳程出口与另一个辅助换热器132的管程入口相连，从而构成闭式循环回路。

两套天然气发动机高/低温水系统110的高温水入口管路上各设置有一个传感器133，用于采集天然气发动机112的高温水的温度；电加热器135A的管程出口处设置有传感器134，用于采集换热后高温水的温度。另外，气化器122的管程出口至缓冲罐124的入口处设置有温度传感器125，用于采集气化后天然气的温度。

多个温度传感器、高温泵调节阀115和辅助加热装置135的模拟信号及控制信号分别接入PLC控制单元131。PLC控制单元131通过监测设置在天然气发动机112的高温水入口管路上的温度传感器133、设置在电加热器135A的管程出口处的温度传感器134和气化器122的管程出口处的温度传感器125的信号，控制高温泵调节阀115的开关以调节气化加热回路系统120中高温水的流量，当温度调节控制系统130的热量不足时，可以自适应地启动/关闭辅助加热装置135进行热量补充以控制LNG的气化加热温度。

LNG经气化加热回路系统120气化加热后成为常温气态的天然气，并传递至天然气发动机112，从而为天然气发动机112提供燃料。天然气发动机112运行过程中的高温部件(如缸套、活塞等)可以通过船舷外抽取的低温水进行散热，也可以与气化加热后返回的循环水进行热交换，降低天然气发动机112的热负荷，提高其燃烧效率。

本发明实施例中的LNG气化加热系统100增加了闭式循环的温度调节控制系统130，有效利用发动机高温冷却水的余热在闭式循环回路中气化加热LNG，解决了现有技术中气化器容易阻塞、低温气化效果不理想的问题，提高了气化加热系统的稳定性和可靠性。

图3示出了根据本发明实施例的用于船舶的液态天然气气化加热系统的气化加热方法的流程框图。

如图3所示，所述气化加热方法200包括如下步骤：

S1：将天然气发动机的高温水引入辅助换热器，并将热量传递至温度调节控制系统中的换热介质；

S2：换热介质通过循环泵在气化器中与液态天然气进行换热，多个温度传感器分别监测天然气发动机入口处高温水的温度、辅助换热器加热后的高温水的温度以及LNG气化加热后的温度，并发送至PLC控制单元；

S3：PLC控制单元基于多个温度传感器的温度信号控制高温泵调节阀的开关以调节气化加热回路系统中高温水的流量，并自适应地启动/关闭辅助加热装置以控制液态天然气的气化加热温度；

S4：将LNG气化加热为常温气态的天然气后传递至天然气发动机。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。