基于LNG双燃料主机船舶的多功能系统及其控制方法

本发明涉及一种基于lng双燃料主机船舶的多功能系统及其控制方法，属于船舶冷热能综合利用、节能减排。

背景技术：

1、随着全球加气站分布的增多和双燃料主机的发展，lng动力船作为大型远洋船舶正在逐步兴起。船用双燃料主机可以在燃油模式和lng模式间自由切换，燃油模式下与普通燃油主机类似，在lng模式下，由于天然气燃点比燃油高，双燃料主机在喷入燃气的同时喷入少量燃油(作为引燃油)，待燃油压缩自燃后再引燃天然气，运行时主要采用lng作为燃料。

2、现有lng双燃料动力船上lng在气化过程中大约释放830kj/kg的能量，但是在实际操作过程中，lng一般直接被海水加热导致冷能被海水带走，造成余冷浪费的同时对生态环境造成了危害；其次，主机废气的余热未充分的利用，造成大量热能浪费；另外，虽然lng在某种程度上可以视为清洁燃料，但lng燃烧产生的co2仍不容小觑。

3、传统船舶电力系统包括船舶电站、船舶电力网和负载等部分，船舶在航行时一般是由柴油发电机组或同轴发电机进行供电；船舶在停泊时一般连接岸电或使用柴油发电机组进行供电；现有船舶供电技术中，燃烧柴油会产生废气污染环境，部分港口没有配备岸电设施船舶无法连接岸电。

4、在公开号为cn115650345a的专利文件中，提出一种船舶冷热电联供耦合海水淡化的系统，可以通过船舶余热和太阳能的综合利用来实现冷热电水的多联产功能，不足之处在于，没有将船舶废气进行处理，并将所含有的co2进行捕集和封存，没有考虑船舶航行和停泊时两种供电模式。

5、在公开号为cn115370467a的专利文件中，提出一种用于lng动力船的减碳系统及eedi计算方法，通过减碳和压缩液化单元，从而实现co2的捕集和封存，但其只是实现的捕集和封存，没有实现冷热电水的多联产。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：提供一种基于lng双燃料主机船舶的多功能系统及其控制方法，旨在燃烧lng模式下，船舶在航行过程中，实现冷热电水的多联产的同时，又将废气所排放co2的进行捕集和封存，在停泊时利用太阳能复合有机朗肯循环进行供电。

2、本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：

3、一种基于lng双燃料主机船舶的多功能系统，包括供气燃烧、烟气余热和lng冷能利用单元、co2捕集单元、压缩液化co2单元、太阳能复合lng冷能单元、多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元；

4、所述供气燃烧、烟气余热和lng冷能利用单元包括供气燃烧部分、烟气余热部分和lng冷能利用部分，其中，烟气余热部分的烟气与co2捕集单元和多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元连接，用于提供捕集co2、一级有机朗肯循环、多效蒸馏海水淡化装置和二级有机朗肯循环的热量；lng冷能部分的lng与压缩液化二氧化碳单元和太阳能复合lng冷能单元连接，用于提供液化co2、四级有机朗肯循环、制冷换热器的冷能；供气燃烧部分的船用燃油和lng与供气燃烧、烟气余热和lng冷能利用单元自身连通，以形成回路。

5、作为优选实例，所述供气燃烧、烟气余热和lng冷能利用单元包括船用燃油罐、船用燃油调温器、船用燃油泵、船用燃油安全阀、船舶主机、三通阀ⅰ、蓄热锅炉、三通阀ⅱ、污染物处理器、再生热回收装置、三通阀ⅲ、蒸发器ⅱ、蒸发器ⅰ、海水冷凝器ⅰ、lng罐、lng泵、lng安全阀、lng液化co2冷凝器、冷凝器ⅳ、制冷换热器；

6、其中：所述船用燃油罐、船用燃油调温器热端、船用燃油泵、船用燃油安全阀、船舶主机依次串联，所述船舶主机连通三通阀i，所述三通阀的另外两端分别与蓄热锅炉和三通阀ⅱ相连通，所述蓄热锅炉的一端与三通阀ii相连通，所述三通阀ii的一端、污染物处理器、再生热回收装置的供热端依次串联，所述再生热回收装置的供热端与三通阀ⅲ的入口相连，所述三通阀ⅲ的出口分两路，其中一路与蒸发器ⅱ热端的入口相连通，另一路与所述蒸发器ⅰ热端的入口相连通，所述蒸发器ⅱ的热端出口和蒸发器i热端的出口均与多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元相连通；所述蒸发器i的热端出口与所述海水冷凝器ⅰ热端的入口相连通，所述海水冷凝器ⅰ热端的出口与co2捕集单元相连通；所述lng罐、lng泵、lng液化co2冷凝器冷端的相串联，lng液化co2冷凝器的冷端出口、冷凝器ⅳ冷端、制冷换热器冷端的入口相串联，制冷换热器冷端的出口与所述船舶主机相连通。

7、进一步的，所述船用燃油罐的出口与船用燃油调温器热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与船用燃油泵的入口相连；所述船用燃油泵的出口与船用燃油安全阀的入口相连；所述船用燃油安全阀的出口与船舶主机的入口相连；

8、所述船舶主机的出口与所述三通阀ⅰ的入口相连；所述三通阀ⅰ的出口与所述蓄热锅炉和所述三通阀ⅱ的入口相连；所述蓄热锅炉的出口与所述三通阀ⅱ的入口相连；所述三通阀ⅱ的出口与所述污染物处理器的入口相连；所述污染物处理器的出口与所述再生热回收装置供热端的入口相连；所述再生热回收装置供热端的出口与所述三通阀ⅲ的入口相连；所述三通阀ⅲ的出口与所述蒸发器ⅱ热端的入口和所述蒸发器ⅰ热端的入口相连；

9、所述蒸发器ⅰ热端的出口与所述海水冷凝器ⅰ热端的入口相连；所述蒸发器ⅱ的热端出口和蒸发器i热端的出口均与多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元相连通；所述海水冷凝器ⅰ热端的出口与co2捕集单元相连通；所述lng罐的出口与所述lng泵的入口相连；所述lng泵的出口与所述lng液化co2冷凝器冷端的入口相连，其冷端出口与所述冷凝器ⅳ冷端的入口相连；所述冷凝器ⅳ冷端的出口与所述制冷换热器冷端的入口相连，其热端的入口为水，其冷端的出口与所述船舶主机相连。

10、作为优选实例，所述co2捕集单元包括co2吸收装置、富co2溶液循环泵、贫富液回热器、co2解吸装置、再生热回收装置、贫co2溶液循环泵、补液装置、贫液加压泵、贫co2溶液冷却器；

11、所述海水冷凝器ⅰ热端的出口与co2吸收装置进气端的入口相连通，所述co2吸收装置、富co2溶液循环泵、贫富液回热器富液端、co2解吸装置、再生热回收装置依次串联，所述再生热回收装置再与所述co2解吸装置相连通，使所述再生热回收装置与所述co2解吸装置形成循环，所述再生热回收装置还与所述贫co2溶液循环泵、贫富液回热器的贫液端、所述补液装置的贫液端、贫液加压泵、co2溶液冷却器的热端、co2吸收装置进液端相串联。

12、进一步的，所述海水冷凝器ⅰ热端的出口与所述co2吸收装置的进气端的入口相连；所述co2吸收装置的出口与所述富co2溶液循环泵的入口相连；所述富co2溶液循环泵的出口与所述贫富液回热器富液端的入口相连；所述贫富液回热器富液端的出口与所述co2解吸装置的入口相连；所述co2解吸装置贫液的出口与所述再生热回收装置的a口相连，所述再生热回收装置的b口与所述co2解吸装置的c口相连，所述再生热回收装置的d口与所述贫co2溶液循环泵的入口相连；所述贫co2溶液循环泵的出口与所述贫富液回热器贫液端的入口相连；所述贫富液回热器贫液端的出口与所述补液装置贫液端的入口相连；所述补液装置贫液端的出口与所述贫液加压泵的入口相连；所述贫液加压泵的出口与所述贫co2溶液冷却器热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述co2吸收装置进液的入口相连。

13、作为优选实例，所述压缩液化co2单元，包括压缩机ⅰ、海水冷凝器ⅱ、分离器ⅰ、压缩机ⅱ、海水冷凝器ⅲ、分离器ⅱ、三通阀ⅳ、lng液化co2冷凝器、co2安全阀ⅰ、co2储液罐、co2安全阀ⅱ；

14、所述co2解吸装置、压缩机ⅰ、海水冷凝器ⅱ的热端、分离器ⅰ、分离器ⅰ、压缩机ⅱ、海水冷凝器ⅲ的热端、分离器ⅱ、三通阀ⅳ、lng液化co2冷凝器的热端、co2安全阀ⅰ、co2储液罐、co2安全阀ⅱ依次串联，所述co2安全阀ⅱ的出口与所述三通阀ⅳ的入口相连通。

15、进一步的，所述co2解吸装置的出口与所述压缩机ⅰ的入口相连；所述压缩机ⅰ的出口与所述海水冷凝器ⅱ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述分离器ⅰ的入口相连；所述分离器ⅰ气相的出口与所述压缩机ⅱ的入口相连；所述压缩机ⅱ的出口与所述海水冷凝器ⅲ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述分离器ⅱ的入口相连；所述分离器ⅱ气相的出口与所述三通阀ⅳ的进口相连；所述三通阀ⅳ的出口与所述lng液化co2冷凝器热端的入口相连，其热端的出口与所述co2安全阀ⅰ的入口相连；所述co2安全阀ⅰ的出口与所述co2储液罐的入口相连；所述co2储液罐的出口与所述co2安全阀ⅱ的入口相连；所述co2安全阀ⅱ的出口与所述三通阀ⅳ的入口相连通。

16、作为优选实例，所述太阳能复合lng冷能单元，包括抛物槽式太阳能集热器、储热器、蒸发器ⅲ、控制阀ⅰ、蒸发器ⅳ、控制阀ⅱ、工质水储罐、工质水泵、制热换热器、控制阀ⅲ、控制阀ⅳ、膨胀机ⅲ、发电机ⅲ、冷凝器ⅲ、工质泵ⅲ、膨胀机ⅳ、发电机ⅳ、冷凝器ⅳ、工质泵ⅳ，

17、所述抛物槽式太阳能集热器、储热器、蒸发器ⅲ热端、控制阀ⅰ、蒸发器ⅳ热端、控制阀ⅱ、工质水储罐、工质水泵、制热换热器热端依次串联，所述制热换热器热端与抛物槽式太阳能集热器相连通，所述控制阀ⅲ的出口与控制阀ⅳ的入口相连；所述蒸发器ⅲ冷端的出口与膨胀机ⅲ的入口相连；所述膨胀机ⅲ和所述发电机ⅲ传动连接，膨胀机ⅲ、冷凝器ⅲ热端、工质泵ⅲ、蒸发器ⅲ冷端、膨胀机ⅳ依次连通，所述膨胀机ⅳ与所述发电机ⅳ传动连接，所述膨胀机ⅳ、冷凝器ⅳ热端、工质泵ⅳ、蒸发器ⅳ冷端依次连接。

18、进一步的，所述抛物槽式太阳能集热器的出口与所述储热器的入口相连；所述储热器的出口与所述蒸发器ⅲ热端的入口相连，其热端的出口与所述控制阀ⅰ的入口相连；所述控制阀ⅰ的出口与所述蒸发器ⅳ热端的入口相连，其热端的出口与所述控制阀ⅱ的入口相连；所述控制阀ⅱ的出口与所述工质水储罐的入口相连；所述工质水储罐的出口与所述工质水泵的入口相连；所述工质水泵的出口与所述制热换热器热端的入口相连，其冷端的入口与水相连，其热端的出口与所述抛物槽式太阳能集热器的入口相连；

19、所述控制阀ⅲ的出口与所述控制阀ⅳ的入口相连；所述蒸发器ⅲ冷端的出口与所述膨胀机ⅲ的入口相连；所述膨胀机ⅲ和所述发电机ⅲ传动连接，所述膨胀机ⅲ的出口与所述冷凝器ⅲ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述工质泵ⅲ的入口相连；所述工质泵ⅲ的出口与所述蒸发器ⅲ冷端的入口相连；所述蒸发器ⅳ冷端的出口与所述膨胀机ⅳ的入口相连；所述膨胀机ⅳ与所述发电机ⅳ传动连接，所述膨胀机ⅳ的出口与所述冷凝器ⅳ热端的入口相连，其热端的出口与所述工质泵ⅳ的进口相连；所述工质泵ⅳ的出口与所述蒸发器ⅳ冷端的进口相连。

20、作为优选实例，所述多效蒸馏海水淡化复合有机朗肯循环单元包括蒸发器ⅰ、膨胀机ⅰ、发电机ⅰ、冷凝器ⅰ、工质泵ⅱ、蒸发器ⅱ、膨胀机ⅱ、发电机ⅱ、冷凝器ⅱ、工质泵ⅱ、多效蒸馏海水淡化装置、海水泵、淡水罐；

21、所述蒸发器ⅱ的冷端、膨胀机ⅱ、冷凝器ⅱ热端、工质泵ⅱ、蒸发器ⅱ的冷端依次串联，且所述膨胀机ⅱ与所述发电机ⅱ传动连接，所述蒸发器ⅰ冷端、膨胀机ⅰ、冷凝器ⅰ热端、工质泵ⅱ、蒸发器ⅰ冷端依次串联，所述蒸发器ⅱ的热端出口与多效蒸馏海水淡化装置供热端的入口相连；所述海水泵的入口为海水，其出口与所述多效蒸馏海水淡化装置海水的入口相连；所述多效蒸馏海水淡化装置的出口与所述淡水罐相连通。

22、进一步的，所述蒸发器ⅱ冷端的出口与所述膨胀机ⅱ的入口相连，所述膨胀机ⅱ与所述发电机ⅱ传动连接，所述膨胀机ⅱ的出口与所述冷凝器ⅱ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述工质泵ⅱ的进口相连；所述工质泵ⅱ的出口与所述蒸发器ⅱ冷端的入口相连；所述蒸发器ⅰ冷端的出口与所述膨胀机ⅰ的入口相连，所述膨胀机ⅰ与所述发电机ⅰ传动连接，所述膨胀机ⅰ的出口与所述冷凝器ⅰ热端的入口相连，其冷端的入口为海水，其热端的出口与所述工质泵ⅱ的入口相连；所述工质泵ⅱ的出口与蒸发器ⅰ冷端的入口相连；所述蒸发器ⅱ热端的出口与所述多效蒸馏海水淡化装置供热端的入口相连；所述海水泵的入口为海水，其出口与所述多效蒸馏海水淡化装置海水的入口相连；所述多效蒸馏海水淡化装置的出口与所述淡水罐相连通。

23、一种如上述的多功能系统的控制方法，包括航行和停泊两种控制步骤：在航行时，所述控制阀ⅰ和所述控制阀ⅱ打开，所述控制阀ⅲ和所述控制阀ⅳ关闭，用于在航行时，太阳能复合lng冷能单元中提供四级有机朗肯循环的热能以及利用lng冷能；

24、在停泊时，所述控制阀ⅰ和所述控制阀ⅱ关闭，所述控制阀ⅲ和所述控制阀ⅳ打开，用于在停泊时太阳能复合lng冷能单元中，关闭四级有机朗肯循环，只使用太阳能给三级有机朗肯循环供热以及提供热量。

25、本发明的有益效果是：

26、1、本发明利用了lng双燃料船舶主机的废气余热和lng气化释放的余冷，同时引入太阳能，实现多能互补驱动冷热电水联产与co2的捕集与封存，实现了冷热能高效梯级利用，实现了节能减排。

27、2、本发明利用各控制阀实现太阳能在航行和停泊时不同的两种发电模式，可以减少两种模式下的碳排放，降低船舶能耗。

28、3、本发明引入r600a、丙烷作为有机朗肯循环工质，利用两者的物性，改善了发电系统温度匹配程度，实现大温差发电工质物性的优势互补。