CN106369273B - 利用主机尾气余热气化lng的淡水温度控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***及方法，***包括冷水管路、热水管路、由电机驱动的三通阀、进水管路、LNG加热器、出水管路、尾气管路和控制器；冷水管与出水管、三通阀连接；热水管路与出水管路、三通阀连接，热水管路上设置有尾气加热器和电加热器；进水管路与三通阀、LNG加热器连接，进水管路上并联安装有两个淡水泵和温度传感器；LNG加热器与LNG管路连接连接；尾气管路与主机尾气管路连接；控制器分别与电加热器、电机、两个淡水泵、温度传感器连接。本发明利用高温废气加热低温淡水，再由水泵将高温淡水输送到LNG气化加热器，使LNG吸热气化，具有节能减排，充分利用废气余热的环保功能。

Description

利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***及方法
技术领域
本发明涉及一种LNG气化温度控制***，具体涉及一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***及方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，和对环境保护要求的提高，LNG船舶的研发和使用在船舶行业取得了巨大的进步。但在气温较低时，高压下的液化LNG难以完全气化，导致其与空气混合不均匀而燃烧不充分，使油耗增大。尤其在高寒地区，情况严重时，柴油机甚至无法维持正常运转。因此，考虑到船舶航行时地域跨度大，温差变化明显，我们要更加关注LNG的气化程度。而合理控制LNG的温度，是使液态LNG气化的关键。
为使LNG充分气化，通常采用以下三种方法：1、降低压力；2、向LNG中加入添加剂；3、利用电加热器或蒸汽加热。第一种方法，虽然可以使LNG充分气化，但是很容易受温度的影响，当温度变化幅度较大时，降压既不足以使LNG充分气化，反而过低的压力不利于LNG和空气的充分混合。第二种方法，虽然可以增大LNG的气化程度，但加入的添加剂会降低LNG所占比例，导致LNG燃烧不充分，同时在温度过低的情况下，加入添加剂仍不足以使LNG充分气化。第三种方法，虽然可以有效解决LNG充分气化的问题，但是需要消耗额外的电能和煤，浪费资源。
发明内容
为了解决现有LNG船舶在航行中要不断的利用电加热器使液态LNG气化而造成的能源浪费的问题，本发明的目的在于提供一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***，该***设置在用于连接LNG储液瓶与气体混合瓶的LNG管路的外周，用于将液态LNG气化使其与空气混合后一起供应给主机，所述***包括冷水管路、热水管路、由电机驱动的三通阀、进水管路、LNG加热器、出水管路、尾气管路和控制器；
所述冷水管路的一端与出水管路连接，其另一端与三通阀的第一端口连接；所述热水管路的一端与出水管路连接，其另一端与三通阀的第二端口连接，所述热水管路上设置有 尾气加热器和电加热器；所述进水管路的一端与三通阀的第三端口连接，其另一端与LNG加热器的进水口连接，所述进水管路上并联安装有第一淡水泵和第二淡水泵，所述进水管路的出口处安装有温度传感器；所述LNG加热器的一侧设有进水口和出气口，其另一侧设有进液口和出水口，所述LNG加热器的出水口与出水管路连接，所述LNG加热器的进液口与液态LNG管路连接，所述LNG加热器的出气口与气态LNG管路连接；所述尾气管路的一端连接主机尾气管路，其另一端与尾气加热器的进气口连接，所述尾气加热器的出气口连接一废气排放管路；所述控制器分别与电加热器、电机、第一淡水泵、第二淡水泵、温度传感器连接；
主机启动前，控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置，即连通热水管路和进水管路、关闭冷水管路和进水管路，然后控制电加热器和第一淡水泵工作，控制器根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动，若水温T0达到最低工作水温T1时，主机启动，主机尾气和电加热器一起加热流经热水管道的水，若水温T0高于最高工作水温T2时，通过三通阀的开度大小判断调节三通阀的开度或关闭电加热器，若水温T0低于最低工作水温T1，启动第二淡水泵。
按上述技术方案，所述LNG加热器和尾气加热器均为板式换热器。
按上述技术方案，所述第一淡水泵、第二淡水泵均为具有自吸能力的IRG型立式单级管道热水离心泵。
一种基于上述***的淡水温度控制方法，包括以下步骤：
S1、***开启，控制器初始化，控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置；
S2、控制器控制第一淡水泵和电加热器工作设定时间t1，并根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动，若水温T0在设定时间t1内达到最低工作水温T1时，则输出主机燃料***准备完毕信号，启动主机；
S3、主机运行设定时间t2后，温度传感器检测水温T0：
S301、若水温T0高于最高报警温度T4，则控制器发出报警信号，并发出主机故障停车信号；
S302、若水温T0高于最高工作温度T2，则控制器检测三通阀的正向开度是否大于50％；
若三通阀的正向开度小于50％，则检测电加热器是否工作，若电加热器工作，则关闭电加热器，若电加热器未工作，则检测第二淡水泵是否工作，若第二淡水泵工作，则关闭第二淡水泵，若第二淡水泵未工作，则发出***报警信号，发出报警；
若三通阀的正向开度大于50％，则将三通阀反向开大10％，即开打冷水管路，运行设定 时间t3后，检测水温T0，若高于最高工作温度T2，则重复步骤S3；
S303、若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间，则***处于动态平衡状态；
S304、若水温T0低于最低工作水温T1，则检测三通阀是否正向开度旋至最大，若未旋至最大，则将三通阀正向旋转10％，运行设定时间t3，若三通阀已旋至正向最大，则进行步骤S305；
S305、若水温T0低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3，则控制器控制第二淡水泵工作，第二淡水泵运行设定时间t4后，温度传感器检测水温T0；
若水温T0高于最高工作温度T2，则重复步骤S3；
若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间，则***处于动态平衡状态；
若水温T0依然低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3时，则控制器控制电加热器工作，若水温T0在设定时间t4内高于最低工作水温T1，则进行步骤S3，否则发出水温低温报警；
S306、若水温T0低于最低限制温度T3，则发出水温低温报警。
本发明，具有以下有益效果：本发明充分利用主机尾气余热结合电加热器对低温淡水进行加热，加热后的高温淡水与液态LNG进行换热使其气化，换热后的低温淡水可循环使用，具有节能减排，充分利用废气余热的环保功能。本发明还通过控制器和温度传感器对水温进行比理解分定值控制，既可以自动控制，也可以切换至手动控制，节能效果明显，例如当100％流量时，功率为50kw；当75％-85％流量时，功率为22kw；当40％-60％流量时，功率为4kw，使用有级调节后，淡水泵的温升明显降低，减少了机械磨损和维修工作。本发明还可将控制器与上位机进行通信，便于全船动力装置集中控制和监视。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明中LNG双燃料***的结构示意图；
图2是本发明中淡水温度控制***的原理图；
图3是本发明中淡水温度控制方法的流程图。
图1中：1-LNG储液瓶、2-气体截止阀、3-淡水温度控制***、4-截止阀、5-LNG温度传感器、6-气体减压阀、7-气体单向阀、8-压力传感器、9-LNG管路、10-气体混合瓶、11-主机；
图2中：301-第一淡水泵、302-温度传感器、303-第二淡水泵、304-三通阀、305-电机、306-尾气管路、307-出水管路、308-冷水管路、309-热水管路、310-进水管路、311-电加热器、312-尾气加热器、313-LNG加热器、314-控制器、316-废气排放管路、901-液态LNG管路、902-气态LNG管路。
具体实施方式
为了使本发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，LNG双燃料***包括通过LNG管路9依次连接的LNG储液瓶1、气体混合瓶10和主机11，LNG管路9上位于LNG储液瓶1和气体混合瓶10之间从左至右依次设置有气体截止阀2、LNG温度传感器5、压力传感器8、气体减压阀6、气体单向阀7、气体减压阀6和压力传感器8，LNG管路9上位于气体混合瓶10和主机11之间从左往右依次设置有气体截止阀2和压力传感器8。LNG管路9包括图2所示的液态LNG管路901和气态LNG管路902。LNG温度传感器、压力传感器用于测量经过LNG加热器的气态LNG的温度和压力并显示在面板上。气体减压阀用于降低LNG气体，将LNG气体压力控制在设定值。气体单向阀用于避免高压气体回流。气体混合瓶用于混合LNG气体和空气，便于燃烧。
图1所示，一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***，该淡水温度控制***3设置在用于连接LNG储液瓶1与气体混合瓶10的LNG管路9的外周，用于将液态LNG气化使其与空气混合后一起供应给主机11，淡水温度控制***的进水管路上安装有截止阀4，如图2所示，淡水温度控制***3包括冷水管路308、热水管路309、由电机305驱动的三通阀304、进水管路310、LNG加热器313、出水管路307、尾气管路306和控制器314；
冷水管路308的一端与出水管路307连接，其另一端与三通阀304的第一端口连接；热水管路309的一端与出水管路307连接，其另一端与三通阀304的第二端口连接，热水管路309上设置有尾气加热器312和电加热器311；进水管路310的一端与三通阀304的第三端口连接，其另一端与LNG加热器313的进水口连接，进水管路310上并联安装有第一淡水泵301和第二淡水泵303，进水管路310的出口处安装有温度传感器302；LNG加热器313的一侧设有进水口和出气口，其另一侧设有进液口和出水口，LNG加热器313的出水口与出水管路307连接，LNG加热器313的进液口与液态LNG管路901连接，LNG加热器313的出气口与气态LNG管路902连接；尾气管路306的一端连接主机尾气管路，其另一端与尾气加热器312的进气口连接，尾气加热器312的出气口连接一废气排放管路316；控制器314分别与电加热器311、电机305、第一淡水泵301、第二淡水泵303、温度传感 器302连接；
主机11启动前，控制器314通过电机305控制三通阀304处于正向最大位置，即连通热水管路309和进水管路310、关闭冷水管路308和进水管路310，然后控制电加热器311和第一淡水泵301工作，控制器314根据温度传感器302检测的进水管路310内的水温T0判断主机11能否启动，若水温T0达到最低工作水温T1时，主机11启动，主机尾气和电加热器一起加热流经热水管道的水，若水温T0高于最高工作水温T2时，通过三通阀的开度大小判断调节三通阀的开度或关闭电加热器，若水温T0低于最低工作水温T1，启动第二淡水泵。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，LNG加热器313和尾气加热器312均为板式换热器。LNG板式换热器为BB ZL系列丹尼尔板式换热器，每一板片上有两种不同的波纹角度，可获得六种流道组合，使所选型号在传热性能、压力降及经济性之间获得最佳匹配。尾气板式换热器，每一板片上有两种不同的波纹角度，可获得六种流道组合，使所选型号在传热性能、压力降及经济性之间获得最佳匹配。LNG加热器和尾气加热器都是以板式换热器的形式经行换热，在柴油机启动之初，排气温度不足时，启用电加热器进行辅助加热以使LNG能够完全汽化，且LNG输送管道始终处于高压状态下。本实施例中采用的板式换热器可选用平行板式换热器，由于型板的特殊形状，板片间的流道方向和截面不断发生变化，流体在通道中形成强烈的扰动，使热边界层不断地被破坏，从而有效地降低热阻，提高传热系数。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，第一淡水泵、第二淡水泵均为具有自吸能力的IRG型立式单级管道热水离心泵。两个淡水泵受控制器自动控制，低负荷时仅用一台淡水泵向LNG加热器提供淡水，当负荷增加且三通阀的开度已开得足够大而仍不能满足负荷要求时，则并入另一台淡水泵以加大流量。此时两台淡水泵分别以50％的负荷就能够达到冷却***的最大淡水流量(100％)的负荷要求。由流体力学可知，轴功率P与转速n的三次方成正比，因此，当水量减少，水泵转速下降时，功率要降低很多，故可达到明显的节能效果。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，温度传感器为PT00，属于热电阻式温度传感器。这种传感器是利用金属材料电阻值随温度的升高而增大，安装于淡水管道之中。PT100传感器的检测元件直接***淡水中，不用壳体保护，以避免热电阻与壳体之间的空气影响传热速度。为防止更换或检修传感器时介质外逸，采用了特殊的弹簧囊结构，且这种传感器的热惯性很小，能即时感受温度的变化。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，控制器为ENGARD控制器，该控制器采用8032单片机，具有比例积分控制规律的全自动控制功能，由印刷电电路板、固态继电器、电源滤波器、变压器和接线端子排等组成，印刷电路板上有8位微分处理器、存储器及输入输出借口。控制器对淡水温度进行比例积分(PI)定值控制，既可以自动控制，必要时经转换也可以手动控制。控制器根据温度信号控制伺服电机动作以改变三通阀的开度。ENGARD控制器具有以下优点：节能效果明显，例如当100％流量时，功率为50kw；当75％-85％流量时，功率为22kw；当40％-60％流量时，功率为4kw；使用有级调节后，水泵电机温升明显下降，同时减少了机械磨损和维修工作；保护功能可靠，消除电机因过载或单相运行造成的烧坏电机的现象；具有完善的自检、控制、显示、多种故障报警等功能，提高了***的可靠性。淡水泵与三通阀通过控制器的相关参数进行控制，具有很强的适应性和灵活性。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，三通阀为ZDLQ(X)电子式电动三通阀，电动三通调节阀由3810L系列电子式执行机构与三通调节阀组成。内含饲服功能，接受统一的4-20MA或I-5V·DC的标准信号，将电流信号转变成相对应的直线位移，自动的控制调节阀开度，达到对管道内流体的温度。三通阀的电机由控制器自动控制，当负荷增加时，ENGARD控制单元自动控制电机启动以减小三通调节阀的开度并减少旁通量，从而可以增大流经尾气加热器的淡水流量。
在本发明的优选实施例中，如图2所示，电加热器为DDR U F(50)-380/80-ex电加热器，管状电加热器，加热管形状，结构形式：法兰连接，法兰通径为50mm，额定电压为380V，额定功率为80kw的防爆电加热器。电加热器在仅在两种情况下会启用，一是刚启动柴油机时，排气温度不足，为使LNG充分汽化，应启用电加热加热淡水；二是在负荷过大导致30分钟内淡水温度始终无法达到设定温度时，启用电加热器。
本发明中，淡水可以循环使用。LNG加热器利用淡水加热液态LNG使其充分气化。电加热器用于在主机启动的初始阶段，当尾气热量不足时，进行辅助加热。温度传感器位于LNG加热器的进口，用于检测进入LNG加热器的淡水温度。电机用于改变三通阀的开度，控制流经尾气加热器的淡水的流量。尾气加热器用于将尾气的热量传递给淡水，换热后的废气经废气排放管路排出。
一种基于上述***的淡水温度控制方法，包括以下步骤：
S1、***开启，控制器初始化，控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置，具体的，控制器检测判断三通阀是否处于正向最大位置(注：正向最大即为三通阀热水管路开至最大，冷水管路关闭)，如果不是则控制三通阀开启至正向最大；
S2、控制器控制计时器开始计时，控制第一淡水泵和电加热器工作设定时间t1，并根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动，若水温T0在设定时间t1内达到最低工作水温T1时，则输出主机燃料***准备完毕信号，启动主机，若在设定时间t1内未达到设定水温，则发出电加热器故障报警；
S3、主机启动时，控制器输出计时器计时信号t2，延时设定时间t2，主机运行设定时间t2后，温度传感器检测水温T0：
S301、若水温T0高于最高报警温度T4，则控制器发出报警信号，并发出主机故障停车信号；
S302、若水温T0高于最高工作温度T2，则控制器检测三通阀的正向开度是否大于50％；
若三通阀的正向开度小于50％，则检测电加热器是否工作，若电加热器工作，则输出电加热器关闭信号，关闭电加热器，若电加热器未工作，则检测第二淡水泵是否工作，若第二淡水泵工作，则输出第二淡水泵关闭信号，关闭第二淡水泵，若第二淡水泵未工作，则发出***报警信号，发出报警；
若三通阀的正向开度大于50％，则将三通阀反向(注：反向即开打冷水管路)开大10％，即开打冷水管路，控制器输出启动计时器计时信号t3，运行设定时间t3后，检测水温T0，若高于最高工作温度T2，则重复步骤S3；
S303、若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间，即T2≧T0≧T1时，则***处于动态平衡状态，温度传感器保持水温检测，并将信息输入控制器；
S304、若水温T0低于最低工作水温T1，则检测三通阀是否正向开度旋至最大，若未旋至最大，则将三通阀正向旋转10％，控制器启动计时器，延时t3，运行设定时间t3，若三通阀已旋至正向最大，则进行步骤S305；
S305、若水温T0低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3，即T1>T0≧T3，则控制器输出第二淡水泵工作信号，第二淡水泵工作，同时控制器控制计时器工作，延时t4，第二淡水泵运行设定时间t4后，温度传感器检测水温T0；
若水温T0高于最高工作温度T2，即T0>T2，则重复步骤S3；
若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间，即T2≧T0≧T1，则***处于动态平衡状态；
若水温T0依然低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3时，则控制器开启计时器，设定限制时间t4，控制电加热器工作，若水温T0在设定时间t4内高于最低工作水温T1，则进行步骤S3，否则发出水温低温报警；
S306、若水温T0低于最低限制温度T3，则发出水温低温报警。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用主机尾气余热气化LNG的淡水温度控制***，该***设置在用于连接LNG储液瓶与气体混合瓶的LNG管路的外周，用于将液态LNG气化使其与空气混合后一起供应给主机，其特征在于，所述***包括冷水管路、热水管路、由电机驱动的三通阀、进水管路、LNG加热器、出水管路、尾气管路和控制器；
所述冷水管路的一端与出水管路连接，其另一端与三通阀的第一端口连接；所述热水管路的一端与出水管路连接，其另一端与三通阀的第二端口连接，所述热水管路上设置有尾气加热器和电加热器；所述进水管路的一端与三通阀的第三端口连接，其另一端与LNG加热器的进水口连接，所述进水管路上并联安装有第一淡水泵和第二淡水泵，所述进水管路的出口处安装有温度传感器；所述LNG加热器的一侧设有进水口和出气口，其另一侧设有进液口和出水口，所述LNG加热器的出水口与出水管路连接，所述LNG加热器的进液口与液态LNG管路连接，所述LNG加热器的出气口与气态LNG管路连接；所述尾气管路的一端连接主机尾气管路，其另一端与尾气加热器的进气口连接，所述尾气加热器的出气口连接一废气排放管路；所述控制器分别与电加热器、电机、第一淡水泵、第二淡水泵、温度传感器连接；
主机启动前，控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置，即连通热水管路和进水管路、关闭冷水管路和进水管路，然后控制电加热器和第一淡水泵工作，控制器根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动，若水温T0达到最低工作水温T1时，主机启动，主机尾气和电加热器一起加热流经热水管道的水，若水温T0高于最高工作水温T2时，通过三通阀的开度大小判断调节三通阀的开度或关闭电加热器，若水温T0低于最低工作水温T1，启动第二淡水泵。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述LNG加热器和尾气加热器均为板式换热器。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一淡水泵、第二淡水泵均为具有自吸能力的IRG型立式单级管道热水离心泵。
4.一种基于以上任一权利要求所述***的淡水温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、***开启，控制器初始化，控制器通过电机控制三通阀处于正向最大位置；
S2、控制器控制第一淡水泵和电加热器工作设定时间t1，并根据温度传感器检测的进水管路内的水温T0判断主机能否启动，若水温T0在设定时间t1内达到最低工作水温T1时，则输出主机燃料***准备完毕信号，启动主机；
S3、主机运行设定时间t2后，温度传感器检测水温T0：
S301、若水温T0高于最高报警温度T4，则控制器发出报警信号，并发出主机故障停车信号；
S302、若水温T0高于最高工作温度T2，则控制器检测三通阀的正向开度是否大于50％；
若三通阀的正向开度小于50％，则检测电加热器是否工作，若电加热器工作，则关闭电加热器，若电加热器未工作，则检测第二淡水泵是否工作，若第二淡水泵工作，则关闭第二淡水泵，若第二淡水泵未工作，则发出***报警信号，发出报警；
若三通阀的正向开度大于50％，则将三通阀反向开大10％，即开打冷水管路，运行设定时间t3后，检测水温T0，若高于最高工作温度T2，则重复步骤S3；
S303、若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间，则***处于动态平衡状态；
S304、若水温T0低于最低工作水温T1，则检测三通阀是否正向开度旋至最大，若未旋至最大，则将三通阀正向旋转10％，运行设定时间t3，若三通阀已旋至正向最大，则进行步骤S305；
S305、若水温T0低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3，则控制器控制第二淡水泵工作，第二淡水泵运行设定时间t4后，温度传感器检测水温T0；
若水温T0高于最高工作温度T2，则重复步骤S3；
若水温T0位于最低工作水温T1和最高工作水温T2之间，则***处于动态平衡状态；
若水温T0依然低于最低工作水温T1高于设定最低限制温度T3时，则控制器控制电加热器工作，若水温T0在设定时间t4内高于最低工作水温T1，则进行步骤S3，否则发出水温低温报警；
S306、若水温T0低于最低限制温度T3，则发出水温低温报警。
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