本發(fā)明屬于船舶，尤其涉及一種天然氣再液化系統(tǒng)及再液化方法。

背景技術：

1、在lng運輸船上，來自lng艙的蒸發(fā)氣（bog）如果得不到及時處理將導致lng艙的艙壓持續(xù)升高，進而危及到lng艙的結構安全，因此需要由壓縮機升壓后送到雙燃料主機或發(fā)電機消耗。消耗不完的蒸發(fā)氣將由氣體燃燒裝置（gcu）燒掉，但這會造成能源浪費。為了回收這部分未被主機或發(fā)電機消耗的蒸發(fā)氣，船上需要配置再液化裝置，由再液化裝置將蒸發(fā)氣進行液化后回到lng艙。因此，lng船上目前的天然氣系統(tǒng)包括以下工作流程：

2、1、來自lng艙的溫度為-140°c至-100°c左右的蒸發(fā)氣進入低溫壓縮機。

3、2、蒸發(fā)氣經壓縮機壓縮后溫度升高到110°c左右。

4、3、蒸發(fā)氣進入后冷卻器被冷卻到溫度35°c左右。

5、4、冷卻后的蒸發(fā)氣，一部分進入雙燃料發(fā)動機，另外一部分進入再液化裝置，經再液化后回到lng艙。

6、然而，上述現(xiàn)有的lng再液化系統(tǒng)還存在以下兩方面的不足：一方面，由于經壓縮機壓縮后的蒸發(fā)氣溫度非常高，即使經過后冷卻器冷卻，其溫度依然較高，所需要的再液化裝置功率較大，導致能耗較高；另一方面，經制冷劑壓縮機壓縮后的制冷劑溫度較高，因此在傳統(tǒng)的再液化裝置中需要設置淡水冷卻系統(tǒng)以便對制冷劑進行冷卻。

7、此外，經檢索，現(xiàn)有公開號為cn117651677a的中國發(fā)明申請文件公開了一種用于對船舶的蒸發(fā)氣體進行再液化的系統(tǒng)和方法，“系統(tǒng)包括：壓縮機，設置在船舶上且壓縮從存儲液化氣體的存儲罐產生的蒸發(fā)氣體；再液化管線，從壓縮機連接到存儲罐，用于對壓縮氣體進行再液化且將其傳輸?shù)酱鎯?；熱交換器，設置在再液化管線上且接收和冷卻壓縮氣體；第一制冷劑壓縮單元，用于壓縮在熱交換器中冷卻壓縮氣體之后排出的制冷劑；第二制冷劑壓縮單元，用于額外地壓縮在第一制冷劑壓縮單元中壓縮的制冷劑；以及制冷劑膨脹單元，膨脹和冷卻通過第一制冷劑壓縮單元和第二制冷劑壓縮單元壓縮的制冷劑且將其供應到熱交換器，其中通過第一制冷劑壓縮單元和第二制冷劑壓縮單元壓縮的制冷劑在熱交換器中預冷卻，且在制冷劑膨脹單元中膨脹冷卻并作為冷卻熱源供應到熱交換器，以及第一制冷劑壓縮單元或第二制冷劑壓縮單元由從制冷劑膨脹單元傳輸?shù)闹评鋭┑呐蛎浤芰框寗?。”，其中，存在以下幾方面的局限性：首先，該再液化系統(tǒng)完全依賴于膨脹機做工產生的冷能來冷卻bog，并且，該系統(tǒng)中僅通過預熱器加熱來自lng艙的蒸發(fā)氣，這使得bog的部分冷能被帶走，冷能損失；其次，該系統(tǒng)中的預熱器與管路處于并聯(lián)布置，且需要提供單獨額外的熱源。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決以上所述現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種天然氣再液化系統(tǒng)及再液化方法，用于解決再液化系統(tǒng)制冷效率低、能耗高的問題，概括而言，當雙燃料發(fā)動機負荷較大時，來自lng艙的蒸發(fā)氣，經預熱器后進入壓縮機，經壓縮機壓縮后送達雙燃料發(fā)動機；當雙燃料發(fā)動機負荷較小時，無法全部消耗來自lng艙的蒸發(fā)氣，此時開啟再液化裝置，將殘余bog經預冷器冷卻后進入再液化裝置，由于進入再液化裝置的bog溫度較低，可提高再液化效率，還可降低再液化裝置所需要的功率；另外，經制冷劑壓縮機壓縮后的制冷劑流經預冷器，在預冷器內進行熱交換，將自身熱能傳遞給來自lng艙的bog的同時也將自身得到了冷卻。

2、為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

3、本發(fā)明的第一方面，提供一種天然氣再液化系統(tǒng)，設置于lng艙與發(fā)動機之間，包括預熱器、蒸發(fā)氣壓縮機組、預冷器和再液化裝置；

4、蒸發(fā)氣壓縮機組包括依次連通的一級壓縮機、中間冷卻器、二級壓縮機和后冷卻器；一級壓縮機和二級壓縮機均為常溫壓縮機；中間冷卻器出口和一級壓縮機進口之間通過設有循環(huán)閥一的調溫管線一連通；同時，一級壓縮機進口經進氮閥連通至氮氣入口；后冷卻器出口和一級壓縮機進口之間通過設有循環(huán)閥二的調溫管線二連通；預熱器通過調溫管線三并聯(lián)接入二級壓縮機和后冷卻器之間的通路，且進口處設有三通閥一；

5、再液化裝置包括制冷劑壓縮機、膨脹機、冷箱、供冷管線和多級循環(huán)管線，并經供冷管線在冷箱處進行冷熱能交換，同時經多級循環(huán)管線在預冷器處進行冷熱能交換；

6、蒸發(fā)氣壓縮機組入口處通過蒸發(fā)氣供氣管線連通至lng艙出口；蒸發(fā)氣供氣管線并聯(lián)設置有所述預熱器和所述預冷器，并分別設有用于控制預熱器和預冷器各自對應通路通斷的進口閥一和進口閥二；預熱器用于將蒸發(fā)氣供氣管線與調溫管線三進行冷熱能交換；預冷器用于將蒸發(fā)氣供氣管線內同時與再液化管線和多級循環(huán)管線進行冷熱能交換；

7、蒸發(fā)氣壓縮機組出口處分別連通至透氣出口、發(fā)動機和lng艙，并分別設有用于控制對應通路通斷的透氣閥、出口閥一和出口閥二；后冷卻器出口和lng艙進口之間通過設有所述出口閥二的再液化管線連通，且再液化管線依次途經預冷器和冷箱后接入lng艙。

8、作為優(yōu)選的技術方案，所述蒸發(fā)氣供氣管線包括并聯(lián)設置的供氣管線一和供氣管線二；所述預熱器位于供氣管線一通路上，且供氣管線一上設有所述進口閥一，所述預冷器位于供氣管線二通路上，且供氣管線二上設有所述進口閥二。

9、作為進一步優(yōu)選的技術方案，在所述再液化裝置中，所述制冷劑壓縮機包括一級制冷劑壓縮機和二級制冷劑壓縮機；所述供冷管線包括供冷管線一、供冷管線二和供冷管線三；所述多級循環(huán)管線包括一級循環(huán)管線和二級循環(huán)管線；

10、膨脹機出口和一級制冷劑壓縮機進口之間通過供冷管線一連通；一級制冷劑壓縮機出口和二級制冷劑壓縮機進口之間通過供冷管線二連通；二級制冷劑壓縮機出口和膨脹機進口之間通過供冷管線三連通；供冷管線一和供冷管線三均經過所述冷箱；供冷管線二上接入有一級循環(huán)管線，一級循環(huán)管線入口處設有三通閥二，供冷管線三上接入有二級循環(huán)管線，二級循環(huán)管線入口處設有三通閥三，一級循環(huán)管線和二級循環(huán)管線均經過所述預冷器。

11、本發(fā)明的第二方面，提供上述任意一種天然氣再液化系統(tǒng)的再液化方法，包括以下步驟，

12、s1、開啟進氮閥、循環(huán)閥一和蒸發(fā)氣壓縮機組，注入氮氣，形成一級升溫循環(huán)路徑，使氮氣初步升溫并預熱管線；

13、s2、在充滿氮氣且完成升溫和預熱后，關閉進氮閥和循環(huán)閥一，開啟三通閥一和循環(huán)閥二，并調節(jié)三通閥一，停止注入氮氣并切斷調溫管線一，形成二級升溫循環(huán)路徑，使氮氣二次升溫并預熱管線；

14、s3、在預熱完成后且在氮氣二次升溫過程中，調節(jié)三通閥一至接入預熱器，形成二級升溫-預熱循環(huán)路徑，使氮氣繼續(xù)升溫并預熱預熱器和管線；

15、s4、在預熱均完成后，關閉循環(huán)閥二，逐漸同步開啟進口閥一和透氣閥，同時接入lng艙入口和透氣出口，形成蒸發(fā)氣進入并替換氮氣的預熱-排空路徑；

16、s5、在氮氣被蒸發(fā)氣完全替換后，關閉透氣閥，開啟出口閥一，形成預熱器預熱-供能路徑，使蒸發(fā)氣在預熱器處進行冷熱能交換后進入雙燃料發(fā)動機以供能；

17、s6、根據(jù)雙燃料發(fā)動機的負荷，決定再液化裝置的啟停：

18、s6-1、當負荷較大，無殘余蒸發(fā)氣時，維持再液化裝置停機，維持預熱器預熱-供能路徑；

19、s6-2、當負荷較小，存在殘余蒸發(fā)氣時，啟動再液化裝置，使制冷劑在內部形成制冷劑換熱循環(huán)路徑；開啟進口閥二并關閉進口閥一，將預熱器處的熱交換替換為預冷器處的熱交換，形成預冷器預熱-供能路徑；同時，開啟出口閥二，形成預冷-再液化循環(huán)路徑。

20、作為優(yōu)選的技術方案，所述步驟s1包括以下具體步驟：

21、s1-1、開啟進氮閥輸送氮氣，同時首次開啟蒸發(fā)氣壓縮機組，在注入一定量氮氣后，氮氣進入一級壓縮機壓縮并升溫；

22、s1-2、開啟循環(huán)閥一，使氮氣經調溫管線一再次經過一級壓縮機，并在一級升溫循環(huán)路徑內循環(huán)，使氮氣初步升溫，直至路徑內充滿氮氣并且氮氣的第一次升溫和管線的預熱均完成。

23、作為優(yōu)選的技術方案，所述步驟s2包括以下具體步驟：

24、s2-1、關閉進氮閥，切斷氮氣輸送通路，停止氮氣的持續(xù)注入；并關閉循環(huán)閥一，切斷一級升溫循環(huán)路徑；

25、s2-2、開啟三通閥一和循環(huán)閥二，并調節(jié)三通閥一，使來自二級壓縮機的氮氣僅進入后冷卻器，從而使氮氣經調溫管線二再次經過一級壓縮機和二級壓縮機，并在二級升溫循環(huán)路徑內循環(huán)，使氮氣二次升溫，直至完成管線的預熱。

26、作為優(yōu)選的技術方案，所述步驟s3包括以下具體步驟：

27、在二級升溫循環(huán)路徑內的管線預熱完成后，且在氮氣的第二次升溫過程中，調節(jié)三通閥一通路，連通調溫管線三通路，使來自二級壓縮機的氮氣僅進入預熱器，通過將預熱器經調溫管線三通路接入氮氣經調溫管線二的二級升溫循環(huán)路徑，使氮氣依次經過調溫管線三、預熱器、調溫管線二，形成二級升溫-預熱循環(huán)路徑，使氮氣在第二次升溫的過程中經調溫管線三對預熱器進行預加熱，同時，升溫的氮氣對預熱器進行預加熱，直至完成氮氣的第二次升溫和管線的預熱。

28、作為優(yōu)選的技術方案，所述步驟s4包括以下具體步驟：

29、在預熱器和二級升溫-預熱循環(huán)路徑內的管線的預熱均完成后，關閉循環(huán)閥二，切斷調溫管線二的通路，同時，逐漸同步開啟進口閥一和透氣閥，使進口閥一和透氣閥同時緩慢打開，將lng艙入口和透氣出口同時接入二級升溫-預熱循環(huán)路徑內，形成蒸發(fā)氣進入并替換氮氣的預熱-排空路徑，從而將蒸發(fā)氣自lng艙入口經進口閥一在預熱器處進行熱交換，同時使氮氣經透氣閥自透氣出口處排出，確保所有氮氣逐漸被來自lng艙內的蒸發(fā)氣替換，直至氮氣完全排空，且路徑內充滿蒸發(fā)氣。

30、作為優(yōu)選的技術方案，所述步驟s5包括以下具體步驟：

31、在氮氣被排空且完全由來自lng艙的蒸發(fā)氣替換后，關閉透氣閥，切斷透氣出口處的通路，同時，開啟出口閥一，連通供能管線的通路，通過蒸發(fā)氣在預熱器處的冷熱能交換，形成蒸發(fā)氣經供能管線進入雙燃料發(fā)動機的預熱-供能路徑，在向雙燃料發(fā)動機供給蒸發(fā)氣的同時，通過預熱器處的冷熱能交換，利用加壓后的高壓蒸發(fā)氣對未加壓的低溫蒸發(fā)氣進行加熱。

32、作為優(yōu)選的技術方案，所述步驟s6-2包括以下具體步驟：

33、當雙燃料發(fā)動機的負荷較小，來自lng艙的蒸發(fā)氣未被雙燃料發(fā)動機全部消耗而存在殘余蒸發(fā)氣時，啟動再液化裝置，并開啟三通閥二和三通閥三，將一級循環(huán)管線和二級循環(huán)管線接入在再液化裝置內部的初始循環(huán)路徑，使制冷劑在再液化裝置內部形成制冷劑換熱循環(huán)路徑；開啟進口閥二并關閉進口閥一，將預熱器處的熱交換替換為預冷器處的熱交換，形成來自lng艙內的蒸發(fā)氣的預冷器預熱-供能路徑；同時，開啟出口閥二，接入與lng艙出口連通的再液化管線，形成殘余蒸發(fā)氣的預冷-再液化循環(huán)路徑，使來自lng艙的蒸發(fā)氣初步升溫，并使殘余蒸發(fā)氣初步降溫，同時，使再液化裝置的制冷劑兩次降溫，進而使初步降溫后的殘余蒸發(fā)氣在冷箱處二次降溫。

34、如上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：

35、（1）本發(fā)明的一種天然氣再液化系統(tǒng)及再液化方法，通過預熱器充分利用了壓縮后蒸發(fā)氣的熱能，通過預冷器充分利用了殘余蒸發(fā)氣的熱能；并且，通過預熱器處或預冷器處與來自lng艙的蒸發(fā)氣的熱交換，不僅可將系統(tǒng)中的熱能用于加熱預熱器、通路、以及來自lng艙的低溫蒸發(fā)氣，實現(xiàn)了各路徑下的預熱，還可使進入一級壓縮機的溫度達到常溫壓縮機的進氣溫度要求，進而突破常規(guī)蒸發(fā)氣壓縮機的選擇局限性，使得本發(fā)明中的蒸發(fā)氣壓縮機均可采用常溫壓縮機，有效縮減了成本。

36、（2）本發(fā)明的一種天然氣再液化系統(tǒng)及再液化方法，通過預冷器，充分利用了來自lng艙的低溫蒸發(fā)氣的冷能用于冷卻經壓縮后的制冷劑和殘余蒸發(fā)氣，實現(xiàn)了殘余蒸發(fā)氣的初步預冷，降低了再液化裝置中膨脹機的能耗，同時使得再液化系統(tǒng)無須設置額外的淡水冷卻系統(tǒng)；在此基礎上，通過預冷器，還充分利用了殘余蒸發(fā)氣的熱能及經制冷劑壓縮機壓縮后的制冷劑的熱能，用于加熱來自lng艙的低溫蒸發(fā)氣；并且，通過冷箱，充分利用了經膨脹機冷卻的制冷劑的冷能和經預冷器冷卻的制冷劑的冷能，用于冷卻殘余蒸發(fā)氣，實現(xiàn)了殘余蒸發(fā)氣的二次預冷；因此，通過預冷器和冷箱處與來自lng艙的低溫蒸發(fā)氣進行的兩次多級熱交換，可以有效降低再液化裝置中膨脹機所需要的功率，換言之，當液化相同數(shù)量的殘余蒸發(fā)氣時，相比傳統(tǒng)再液化系統(tǒng)所用的膨脹機，本發(fā)明的再液化系統(tǒng)所需要的膨脹機外形尺寸更小、所占空間更小、重量更輕、功率更低、能耗更低，解決了傳統(tǒng)再液化系統(tǒng)制冷效率低、能耗高的問題，同時還具有降低成本并提高天然氣再液化系統(tǒng)中設備使用壽命的優(yōu)勢，更是能夠直接設置于船上，而無需依賴來源于岸站管網的lng的冷能。

37、（3）本發(fā)明的一種天然氣再液化系統(tǒng)及再液化方法，通過將進液口與后冷卻器的進口連通，并將出液口與中間冷卻器的出口連通，能夠確保后冷卻器處的作為冷卻液體的淡水溫度更低，從而通過熱交換能提供更多的冷能，確保降溫效率，使蒸發(fā)氣在經后冷卻器冷卻后達到雙燃料發(fā)動機所需的溫度，避免雙燃料發(fā)動機進口處的蒸發(fā)氣溫度過高。

38、綜上所述，相對于常規(guī)系統(tǒng)和常規(guī)方法，以前述公開號為cn117651677a的中國發(fā)明申請文件《用于對船舶的蒸發(fā)氣體進行再液化的系統(tǒng)和方法》為例，本發(fā)明具有以下幾方面的優(yōu)勢：首先，本發(fā)明通過利用來自lng艙的蒸發(fā)氣的冷能先預冷殘余蒸發(fā)氣，從而有效降低再液化裝置中膨脹機所需要的功率，因此本發(fā)明可采用外形尺寸更小、所占空間更小、重量更輕、功率更低、能耗更低的膨脹機來液化相同數(shù)量的蒸發(fā)氣，從而在能夠滿足lng運輸船在船上的再液化需求的基礎上，還能有效節(jié)省系統(tǒng)的搭建成本、提高效率，同時也能降低系統(tǒng)的維護成本、提高lng船的安全性；其次，本發(fā)明設置的預熱器，熱源來自于蒸發(fā)氣本身，通過充分利用壓縮后蒸發(fā)氣自身的熱能，可實現(xiàn)自己給自己加熱，在運行過程中通過自身即能實現(xiàn)熱交換，不需要額外提供熱源；最后，對比上述文件內系統(tǒng)中的制冷劑循環(huán)，本發(fā)明中的制冷劑雖然也被來自lng艙的低溫蒸發(fā)氣冷卻，但同時殘余的蒸發(fā)氣還參與來自lng艙的低溫蒸發(fā)氣熱交換過程，從而通過本發(fā)明的系統(tǒng)進行蒸發(fā)氣的再液化時，不僅可以充分利用冷能，再液化系統(tǒng)無需額外的淡水冷卻系統(tǒng)，還可以有效降低再液化系統(tǒng)的功耗。