一种LNG船舶对BOG冷能综合利用的系统的制作方法

本实用新型属于船舶技术领域，具体涉及一种lng船舶对bog冷能综合利用的系统。

背景技术：

液化天然气(liquefiednaturalgas，简称lng)是将常温常压下处于气体状态的天然气进行降温，使之在0.1mpa、-163℃时液化成的液体，而lng船舶就是将液化了的天然气贮存在经过特殊处理的液货舱内，lng液货舱周围有良好的隔热层，这样保证液货舱内的lng尽量减少从外界吸收热量。

尽管如此，设有隔热材料的液货舱仍无法做到完全隔绝外部热量进入，所以lng不可避免的不断气化，仍产生少量蒸发气(boiledoffgas，简称bog)。bog气体密度低，而储存容器内的bog气体持续产生，会造成储罐压力持续上升，如不进行有效处理，压力不断上升会导致严重的安全隐患；如果直接向大气排放，将会造成天然气资源浪费，且由于天然气的高温室效应，会造成环境污染等问题。此外，bog的数量较大，一艘当前主流的lng船舶每天产生的bog至少50～70吨。为此，为了解决液货舱内bog问题绝大部分船舶将bog作为船舶主动力装置的燃料，然而从lng船舶液货舱出来bog的温度仍然非常低，约为-150℃左右，而主动力装置对bog的燃用温度大约是常温，因此bog不能直接作为燃料供主动力装置燃用。通常lng船上利用蒸汽或柴油机缸套水将这部分低温bog温度升高到常温，在这个过程中bog的温升有170℃左右，大量的高品位冷能未被加以利用，造成严重的冷能浪费，不仅如此，还需要消耗大量的热源进行加热，浪费大量的热能，因此，在bog的利用过程中有严重的冷能和热能浪费。

为此，一些学者提出了相关方法来利用bog中所蕴含的能量。专利号为cn107702430b的船舶再液化系统及方法，虽利用bog本身所蕴含的冷能以降低能源消耗，但是仍然要耗费大量的电力将bog进行再液化。专利号为cn207065920u的一种lng动力船的bog利用系统，利用其燃烧的热量来加热溴化锂-水溶液，同时用低温bog具有的冷量来冷却船舶主机缸套冷却水，虽然避免了bog再液化消耗的大量能量，但是若是将此方法用于lng运输船上，仅仅用于bog燃烧加热溴化锂-水溶液是不能完全消耗lng船舶每天产生的大量bog。因此，上述这些专利并不能实现lng运输船上对bog能量的充分利用。

另一方面，淡水对于船舶来说是一个非常重要和珍贵的资源。为满足船舶主机冷却水系统、船舶锅炉、辅助设备的冷却系统和船员生活用水的需求，船舶在航行过程中，每天都要消耗相当数量的淡水。考虑到若是从出发港携带淡水，势必会占据相当数量的舱容，所以一般船舶上设有独立的海水淡化装置，但是这些装置制备淡水需要消耗船舶大量的电能和热能。

目前，远洋lng船舶基于航线的特点，多数时间在低纬度航行，比如澳大利亚至深圳大鹏湾，每年至少有一半以上的时间是在夏天的环境航行，低纬度气候炎热和潮湿，海域气温高，空气更是湿度大，即空气中水的相对湿度大，含湿量高，加之海域的原因，湿度接近饱和，此时气温若是30℃时，空气中每立方米约为290g的水蒸气，若是将空气中的水分冷凝，就可以制备出大量的淡水，可供给船舶对淡水消耗。

另外，也由于船舶多在低纬度航行，所以为增加人员的舒适度，在船舶上设有空调系统，每天有较大的电力消耗，加之船舶之上各个房间的密封性较好，船上人员长时间处于空调房间内，空气的新鲜度对人员的健康有着直接的影响，所以船舶空调系统设有新风系统，不断的往空调系统补充自然界的新风，这样新风越多空调系统的负荷越大，需要消耗电力越多，因此，基于经济因素考虑通常情况新风一般不要补充太多。

综上所述，若是利用这种bog中蕴含的高品位的冷能用于船舶之上淡水的制备和空调系统新风供给，将大大减少船舶bog燃料加热的热源消耗，降低空调的电力负荷，制备出船舶需要的淡水，一举多得，实现了综合利用，实质上相当减少了船舶燃料的消耗，从而减少船舶废气的排放，最终提高了船舶的经济性，且最大限度地利用了bog中所蕴含的冷能以及燃烧所产生的热能。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种lng船舶对bog冷能综合利用的系统。

本系统主要包括六个单元，分别是：bog供给单元、制备淡水单元、融霜单元、空调低温新风供给单元、淡水收集单元、机舱降温单元。

其中，所述bog供给单元主要包括两条管线，分别是：由bog压缩机、第一bog电磁阀、第一换热器、加热器组成的第一条管线，由bog压缩机、第二bog电磁阀、第二换热器、加热器组成的第二条管线。

所述制备淡水单元主要包括两条管线，分别是：由第一风机、第一供给空气进口电磁阀、第一换热器组成的第一条管线，由第一风机、第二供给空气进口电磁阀、第二换热器组成的第二条管线。

所述融霜单元主要包括两条管线，分别是：由第二风机、第一融霜进口电磁阀、第一换热器组成的第一条管线，由第二风机、第二融霜进口电磁阀、第二换热器组成的第二条管线

所述空调低温新风供给单元主要包括两条管线，分别是：由第一换热器、第一供给空气出口电磁阀组成的第一条管线，由第二换热器、第二供给空气出口电磁阀组成的第二条管线。

所述淡水收集单元主要包括两条管线，分别是：由第一换热器、第一凝水柜、第一凝水电磁阀、淡水泵组成的第一条管线，由第二换热器、第二凝水柜、第二凝水电磁阀、淡水泵组成的第二条管线。

所述机舱降温单元主要包括两条管线，分别是：第一换热器、第一融霜出口电磁阀组成的第一条管线和第二换热器、第二融霜出口电磁阀组成的第二条管线。

在一种lng船舶对bog冷能综合利用的系统中，第一bog电磁阀和第二bog电磁阀能够实现阀门互锁，即第一bog电磁阀关闭时，第二bog电磁阀打开；相反，当第一bog电磁阀打开时，第二bog电磁阀关闭。同样的，第一供给空气进口电磁阀和第二供给空气进口电磁阀互锁，第一供给空气出口电磁阀和第二供给空气出口电磁阀互锁，第一融霜进口电磁阀和第二融霜进口电磁阀互锁，第一融霜出口电磁阀和第二融霜出口电磁阀互锁，第一凝水电磁阀和第二凝水电磁阀互锁。

本实用新型主要包括两种技术方案。

第一方案：利用第一换热器作为淡水制备单元中的一部分时，也即第一bog电磁阀、第一供给空气进口电磁阀、第一供给空气出口电磁阀、第二凝水电磁阀、第二融霜进口电磁阀和第二融霜出口电磁阀打开，第二bog电磁阀、第二供给空气进口电磁阀、第二供给空气出口电磁阀、第一融霜进口电磁阀、第一融霜出口电磁阀和第一凝水电磁阀关闭。

第二方案：利用第二换热器作为淡水制备单元中的一部分时，也即第二bog电磁阀、第二供给空气进口电磁阀、第二供给空气出口电磁阀、第一融霜进口电磁阀、第一融霜出口电磁阀和第一凝水电磁阀打开，第一bog电磁阀、第一供给空气进口电磁阀、第一供给空气出口电磁阀、第二凝水电磁阀、第二融霜进口电磁阀和第二融霜出口电磁阀关闭。

若是使用第一种方案，在bog供给单元中，来自lng船舶货舱的bog经bog压缩机压缩，然后经过第一bog电磁阀进入第一换热器中，释放冷量，此时若是bog的温度仍然达不到规定要求，bog可以经加热器利用主机废热加热达到进机温度后，供船舶主机燃用。其中，bog压缩机的作用是为了保证压缩之后的bog具有合适的气体压力，

在淡水制备单元中，来自船舶航行周围的湿热空气在第一风机的作用下，可以通过打开的第一供给空气进口电磁阀进入第一换热器中，吸收bog供给单元中bog在第一换热器释放的冷量。其中，空气中携带的水蒸气吸收冷量，在第一换热器中凝结成水珠，这些即为制备的淡水。此外，bog的温度过低，可能会在第一换热器中发生结霜现象，久而久之，当霜层过厚时，可能会阻塞管道，造成风阻过大，换热量不足。

在空调低温新风供给单元中，用于制备淡水的外界空气在第一换热器中吸收bog冷量，空气中的水蒸气遇冷凝结，这时的空气温度较低，且较为干燥。之后这种低温干燥空气从第一换热器中出来，经第一供给空气出口电磁阀进入船舶的空调系统中，为其提供低温新风，以满足空调房间空气清新度的要求，既保证船上人员的健康，又降低了船舶空调系统的负荷，节省电力的消耗。

进一步的，考虑到bog从lng货舱蒸发出后，温度仍旧很低，所以有可能会在第一换热器释放的冷量过多，造成凝霜现象，久而久之，可能会造成第一换热器中阻塞，造成换热量不足，妨碍系统的运行，所以本实用新型中还设有融霜单元。若是第一换热器中凝霜较为严重，可以通过控制第一bog电磁阀、第一供给空气进口电磁阀和第一供给空气出口电磁阀关闭，控制第二bog电磁阀、第二供给空气进口电磁阀和第二供给空气出口电磁阀打开，使用第二方案进行淡水的制备。此时，来自自然界的空气在第二风机的作用下，通过第一融霜进口电磁阀进入第一换热器中，将第一换热器中的凝霜融化。另外，来自外界的空气在融霜的同时，空气中携带的水蒸气也会遇冷结露，从而制备更多的淡水。

进一步的，在机舱降温单元中，外界的融霜空气将第一换热器中凝霜融化后变成温度相对较低的空气，在第二风机的作用下，经过第一融霜出口电磁阀进入船舶机舱的底部，与船舶机舱中的空气进行热交换，从而达到给船舶机舱降温的目的。

进一步的，在淡水收集单元中，第一换热器中产生的淡水被贮存在第一凝水柜中，当为第一换热器融霜时，第一凝水电磁阀打开，第一凝水柜贮存的淡水加上融霜产生的淡水通过淡水泵被输送到船舶的淡水舱中，供船舶日常所用。

进一步的，上述是第一换热器制备淡水和为第一换热器融霜时的情况。而在本实用新型设计中，第一换热器制备淡水的同时，第二换热器进行融霜。同理，第二换热器制备淡水的同时，第一换热器进行融霜。二者原理相同。

本实用新型的有益效果：

1.针对lng船上货舱中无法避免产生的bog，本实用新型可以实现其冷能的利用，既避免了高品位冷能的浪费，又节省了bog作为船舶燃料时需要对其加热的热源，降低了船舶燃料的消耗，大大提高了船舶的能量综合利用效率。

2.本实用新型实用性强。由于船舶航行时周围存在着大量湿度较高的空气，因此，本实用新型可以实现制备大量的船舶所需淡水，从而解决船舶上淡水的紧缺问题。

3.本实用新型可以利用bog的冷能为船舶空调系统提供充分的温度较低的新风，降低船舶空调系统的能量消耗，充分了利用bog冷能。

4.本实用新型利用融霜吸收冷能之后的空气给船舶机舱降温，可替代原本利用自然界空气进行机舱降温，且能达到更好的降温效果。

5.本实用新型充分实现了bog冷能的综合梯级利用，将bog冷能用于制备淡水、供给空调低温新风以及降低机舱的温度，bog冷能利用率高，且本实用新型操作方便，易于实现，可靠性较高，具有很大的实际应用价值。

附图说明

图1为本实用新型的系统示意图

图2为本实用新型中换热器与凝水柜的结构示意图

图中：1.bog压缩机；2.第一bog电磁阀；3.第二bog电磁阀；4.第一换热器；5.第二换热器；6.第一风机；7.第一供给空气进口电磁阀；8.第二供给空气进口电磁阀；9.第一供给空气出口电磁阀；10.第二供给空气出口电磁阀；11.第一凝水柜；12.第一凝水电磁阀；13.第二凝水柜；14.第二凝水电磁阀；15.淡水泵；16.第二风机；17.第一融霜进口电磁阀；18.第二融霜进口电磁阀；19.第一融霜出口电磁阀；20.第二融霜出口电磁阀；21.加热器；

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1，本系统主要包括六个部分，分别是：bog供给单元、制备淡水单元、融霜单元、空调低温新风供给单元、淡水收集单元、机舱降温单元。

其中，所述bog供给单元主要包括两条管线，分别是：由bog压缩机(1)、第一bog电磁阀(2)、第一换热器(4)、加热器(21)组成的第一条管线，由bog压缩机(1)、第二bog电磁阀(3)、第二换热器(5)、加热器(21)组成的第二条管线。

所述制备淡水单元主要包括两条管线，分别是：由第一风机(6)、第一供给空气进口电磁阀(7)、第一换热器(4)组成的第一条管线，由第一风机(6)、第二供给空气进口电磁阀(8)、第二换热器(5)组成的第二条管线。

所述融霜单元主要包括两条管线，分别是：由第二风机(16)、第一融霜进口电磁阀(17)、第一换热器(4)组成的第一条管线，由第二风机(16)、第二融霜进口电磁阀(18)、第二换热器(5)组成的第二条管线

所述空调低温新风供给单元主要包括两条管线，分别是：由第一换热器(4)、第一供给空气出口电磁阀(9)组成的第一条管线，由第二换热器(5)、第二供给空气出口电磁阀(10)组成的第二条管线。

所述淡水收集单元主要包括两条管线，分别是：由第一换热器(4)、第一凝水柜(11)、第一凝水电磁阀(12)、淡水泵(15)组成的第一条管线，由第二换热器(5)、第二凝水柜(13)、第二凝水电磁阀(14)、淡水泵(15)组成的第二条管线。

所述机舱降温单元主要包括两条管线，分别是：由第一换热器(4)、第一融霜出口电磁阀(19)组成的第一条管线，由第二换热器(5)、第二融霜出口电磁阀(20)组成的第二条管线。

所述第一换热器(4)和第二换热器(5)的结构如图2所示。以第一换热器(4)为例，若是图2表示第一换热器(4)与第一凝水柜(11)的结构示意图。图2左为bog入口，右为bog出口，前后为空气接口。当在第一换热器(4)中制备淡水时，前面的空气接口则由制备淡水的外界空气通过第一供给空气进口电磁阀(7)进入，后面的空气接口则由出来的空气经第一供给空气出口电磁阀(9)通向船舶的空调系统。当为第一换热器(4)融霜时，后面的空气接口则是由融霜的外界空气第一融霜进口电磁阀(17)进入，前面的空气接口则由出来的空气经第一融霜出口电磁阀(19)通向船舶的机舱。同理，若是图2表示第二换热器(5)与第二凝水柜(13)的结构示意图。图2左为bog入口，右为bog出口，前后为空气接口。当在第二换热器(5)中制备淡水时，前面的空气接口则由制备淡水的外界空气通过第二供给空气进口电磁阀(8)进入，后面的空气接口则由出来的空气经第一供给空气出口电磁阀(10)通向船舶的空调系统。当为第二换热器(5)融霜时，后面的空气接口则是由融霜的外界空气通过第二融霜进口电磁阀(18)进入，前面的空气接口则由出来的空气经第二融霜出口电磁阀(20)通向船舶的机舱。

若是利用第一换热器(4)作为淡水制备单元中的一部分时，也即使用第一方案时，则图1中第一bog电磁阀(2)、第一供给空气进口电磁阀(7)、第一供给空气出口电磁阀(9)、第二凝水电磁阀(14)、第二融霜进口电磁阀(18)和第二融霜出口电磁阀(20)打开，第二bog电磁阀(3)、第二供给空气进口电磁阀(8)、第二供给空气出口电磁阀(10)、第一凝水电磁阀(12)、第一融霜进口电磁阀(17)、第一融霜出口电磁阀(19)关闭。

在bog供给单元中，来自lng船舶货舱的bog经bog压缩机(1)压缩，然后经过第一bog电磁阀(2)进入第一换热器(4)中，如图2，释放冷量，此时若是bog的温度仍然达不到规定要求，bog可以经加热器(21)利用主机废热加热达到规定温度后供船舶主机燃用。其中，bog压缩机(1)的作用是为了保证压缩之后的bog具有合适的气体压力。

在淡水制备单元中，来自船舶航行周围的湿热空气在第一风机(6)的作用下，可以通过打开的第一供给空气进口电磁阀(7)进入第一换热器(4)中，吸收bog供给单元中bog在第一换热器(4)释放的冷量。其中，空气中携带的水蒸气吸收冷量，在第一换热器(4)中凝结成水珠，这种由空气中的水蒸气所凝结的水珠就是制备的淡水，且完全可以满足船舶对淡水水质的标准。此外，bog的温度过低，可能会在第一换热器(4)中发生结霜现象，久而久之，当霜层过厚时，可能会阻塞管道，造成风阻过大，换热量不足。

在空调低温新风供给单元中，用于制备淡水的外界空气在第一换热器(4)中吸收bog冷量，空气中的水蒸气遇冷凝结，这时的空气温度较低，且较为干燥。之后这种低温干燥空气从第一换热器(4)中出来，经第一供给空气出口电磁阀(9)进入船舶的空调系统中，为其提供低温新风，以满足空调房间空气清新度的要求，既保证船上人员的健康，又降低了船舶空调系统的负荷，节省电力的消耗。

进一步的，考虑到bog从lng货舱蒸发出后，在第一换热器(4)中造成的凝霜现象，久而久之，可能会造成第一换热器(4)中阻塞，妨碍系统的运行，所以本实用新型中还设有融霜单元。若是第一换热器(4)中凝霜较为严重，可以通过控制第一bog电磁阀(2)、第一供给空气进口电磁阀(7)和第一供给空气出口电磁阀(9)关闭，控制第二bog电磁阀(3)、第二供给空气进口电磁阀(8)和第二供给空气出口电磁阀(10)打开，使用第二方案行淡水的制备，此时，图1中第二bog电磁阀(3)、第二供给空气进口电磁阀(8)、第二供给空气出口电磁阀(10)、第一凝水电磁阀(12)、第一融霜进口电磁阀(17)、第一融霜出口电磁阀(19)打开，第一bog电磁阀(2)、第一供给空气进口电磁阀(7)、第一供给空气出口电磁阀(9)、第二凝水电磁阀(14)、第二融霜进口电磁阀(18)和第二融霜出口电磁阀(20)关闭。

来自自然界的空气在第二风机(16)的作用下，通过第一融霜进口电磁阀(17)进入第一换热器(4)中，将第一换热器(4)中的凝霜融化。另外，来自外界的空气在融霜的同时，空气中携带的水蒸气也会遇冷结露，从而制备更多的淡水。

进一步的，在淡水收集单元中，第一换热器(4)中产生的凝水被贮存在第一凝水柜(11)中，当为第一换热器(4)融霜时，第一凝水电磁阀(12)打开，第一凝水柜(11)贮存的淡水加上融霜产生的淡水通过淡水泵(15)被输送到船舶的淡水舱中，供船舶日常使用。

进一步的，在本实用新型机舱降温单元中，外界的融霜空气将第一换热器(4)中凝霜融化后变成温度相对较低的空气，在第二风机(16)的作用下，经过第一融霜出口电磁阀(17)进入船舶机舱的底部，与船舶机舱中的空气进行热交换，从而达到给船舶机舱降温的目的。

与此同时，在bog供给单元中，来自lng船舶货舱的bog经bog压缩机(1)压缩，然后经过第二bog电磁阀(3)进入第二换热器(5)中，释放冷量，此时若是bog的温度仍然达不到规定要求，bog可以经加热器(21)利用主机废热加热达到规定温度后，供船舶主机燃用。

在淡水制备单元中，来自船舶航行周围的湿热空气在第一风机(6)的作用下，可以通过第二供给空气进口电磁阀(8)进入第二换热器(5)中，吸收bog供给单元中bog在第一换热器(4)释放的冷量。其中，空气中携带的水蒸气吸收冷量，在第一换热器(4)中凝结成水珠或者造成结霜现象。

然后，在空调低温新风供给单元中，用于制备淡水的外界空气在第一换热器(4)中吸收bog冷量，空气中的水蒸气遇冷凝结，这时的空气温度较低，且较为干燥。之后这种低温干燥空气从第一换热器(4)中出来，经第一供给空气出口电磁阀(9)进入船舶的空调系统中，为其提供低温新风。

当第二换热器(5)中的霜层达到一定厚度时，使用第一换热器(4)制备淡水，同时为第二换热器(5)除霜，也就是使用第一方案。当第一换热器(4)中的霜层再次达到一定厚度时，替换为第二方案，如此循环，从而保障系统的持续运行。

所述第一换热器(4)和第二换热器(5)的结构如图2所示。以第一换热器(4)为例，若是图2表示第一换热器(4)与第一凝水柜(11)的结构示意图。图2左为bog入口，右为bog出口，前后为空气接口。当在第一换热器(4)中制备淡水时，前面的空气接口则由制备淡水的外界空气通过第一供给空气进口电磁阀(7)进入，后面的空气接口则由出来的空气经第一供给空气出口电磁阀(9)通向船舶的空调系统。当为第一换热器(4)融霜时，后面的空气接口则是由融霜的外界空气第一融霜进口电磁阀(17)进入，前面的空气接口则由出来的空气经第一融霜出口电磁阀(19)通向船舶的机舱。同理，若是图2表示第二换热器(5)与第二凝水柜(13)的结构示意图。图2左为bog入口，右为bog出口，前后为空气接口。当在第二换热器(5)中制备淡水时，前面的空气接口则由制备淡水的外界空气通过第二供给空气进口电磁阀(8)进入，后面的空气接口则由出来的空气经第一供给空气出口电磁阀(10)通向船舶的空调系统。当为第二换热器(5)融霜时，后面的空气接口则是由融霜的外界空气通过第二融霜进口电磁阀(18)进入，前面的空气接口则由出来的空气经第二融霜出口电磁阀(20)通向船舶的机舱。

另外，以上方案都是船舶在夏季工况下航行时，船舶周围自然界的空气温度较高，若是在冬季工况下，由于空气中的含湿量较低，停止使用该系统。但是，应当指出的是，lng运输船每年至少有一半以上的时间是在夏天的环境航行，所以，本实用新型有巨大的实际应用意义。

以上所述仅是本实用新型的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

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