一种双燃料动力船lng冷能梯级综合利用系统及方法
阅读说明：本技术 一种双燃料动力船lng冷能梯级综合利用系统及方法 (LNG cold energy cascade comprehensive utilization system and method for dual-fuel power ship ) 是由 姚寿广 张子敬 冯国增 刘锐 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双燃料动力船LNG冷能梯级综合利用系统,采用横向三级嵌套的朗肯循环发电将LNG燃料冷能逐级利用发电,并且将第三级跨临界CO-2朗肯循环与蓄冷循环、冷库+空调循环并联,从而共同形成实现春、秋、冬季需用的发电+冷库的冷能利用,实现夏季需用的发电+冷库+空调的冷能综合利用,实现春、秋、冬季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库的正常运转和实现夏季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库和空调的正常运转四种系统的工作方式。通过有效整合LNG/柴油机双燃料主机缸套冷却水回路和高温烟气冷却回路,根据不同时空的工况条件,系统能通过相应功能模块的调节,在满足船舶需求的基础上提高冷综合利用率,降低营运成本。(The invention discloses an LNG cold energy cascade comprehensive utilization system of a dual-fuel power ship, which adopts horizontal three-level nested Rankine cycle power generation to utilize LNG fuel cold energy step by step for power generation, and uses a third level transcritical CO 2 Rankine cycle and storageThe cold circulation, the refrigeration house and the air conditioner are connected in parallel, so that four working modes of realizing the electricity generation and the cold energy utilization of the refrigeration house required in spring, autumn and winter, realizing the comprehensive utilization of the electricity generation and the cold energy of the refrigeration house and the air conditioner required in summer, realizing the normal operation of the refrigeration house maintained by the cold storage system when the ship is stopped in spring, autumn and winter for a short time, and realizing the normal operation of the refrigeration house and the air conditioner maintained by the cold storage system when the ship is stopped in summer for a short time are formed together. By effectively integrating the LNG/diesel engine dual-fuel main engine cylinder jacket cooling water loop and the high-temperature flue gas cooling loop, the system can improve the cooling performance on the basis of meeting the ship requirements through the adjustment of corresponding functional modules according to the working conditions of different time and space Comprehensive utilization rate and reduced operation cost.)
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体是涉及一种双燃料动力集装箱船液化天然气冷能梯级综合利用系统及方法。
背景技术
进入21世纪，人类面临着巨大的环境污染问题和传统能源枯竭危机，节能减排已成为当今时代发展的主题，并且国际海事组织对船舶污染物的排放的要求也日益严格。与传统燃料相比，LNG(Liquefied Natural Gas)作为船舶燃料，它的SOX排放量将会减少100％，NOX排放量将会减少92％，CO2排放量将会减少23％。而且全球天然气储量非常丰富，基于以上优势，LNG必将成为全球未来船舶燃料的首选。
LNG用于运输和储存的主要优点是LNG的体积比气态NG少600倍，其密度约为400kg/m3，使得LNG的能量密度明显高于NG。在运输和储存期间，LNG保持在几乎大气压和-162℃的温度。双燃料动力船舶航行过程中使用LNG，则需要重新将其汽化为气态天然气。LNG所蕴含的冷能是非常大的，每千克的LNG汽化能够释放出830kJ的冷能，但目前大多数LNG动力船舶在使用LNG的过程中，没能合理利用这部分能量，更多地是选择将这部分冷能排到海水或缸套水中，造成极大的能量浪费。倘若能够合理地利用或回收LNG汽化所释放的这部分冷能，必定能收获相当可观的经济和环境效益。
目前，就LNG的冷能利用来说，国内外已有很多研究成果，然而这些成果中绝大多数在陆地LNG终端使用简单的汽化技术，且规模较为庞大，不适宜应用在船舶上。当然也有少量的针对船舶实现LNG冷能梯级利用的工艺，主要包括：
(1)中国实用新型专利CN 204415698 U提出了一种船上LNG多级利用系统，包括双燃料柴油机、天然气透平膨胀发电机、第一热量交换器、第二热量交换器、LNG储罐、舱室蒸发器、第三热量交换器、甲烷透平膨胀发电机和海水泵，所述双燃料柴油机通过管路依次连接天然气透平膨胀机发电、第一热量交换器、第二热量交换器和LNG储罐，甲烷透平膨胀发电机通过管路依次连接第二热量交换器和第三热量交换器，并形成闭合循环管路，第三热量交换器左侧连接海水泵和舱室蒸发器。该系统将LNG冷能应用于船舶发电，且采用了低温海水做朗肯循环的热源，以及最后利用缸套水加热LNG并将其直接膨胀，系统收益低下，浪费了大量能量。
(2)中国实用新型专利CN 207006622 U提出了一种LNG运输船的冷能梯级利用系统，包括LNG加压泵、压缩机、制氮循环系统、两级朗肯循环发电系统、海水淡化循环系统、低温冷库循环系统、高温冷库循环系统、船舶空调系统和汽轮机乏汽加热装置。该系统虽具有结构紧凑、节约能耗、成本低、应用范围广等特点，但是它将海水淡化模块放置低温冷库前，此时LNG温度仍较低，换热器换热温差大，导致冷能回收效率也较低，
因此并没有完全实现能量高效的利用。
(3)中国发明专利CN 109268095 A提出了一种用于双燃料动力船的LNG燃料冷能综合利用方法及系统，包括LNG储液罐、LNG泵、单级朗肯循环发电系统、低温冷库系统、海水淡化系统、高温冷库系统和空调系统。该发明适用于双燃料动力船，但是其为空调模块提供冷能的LNG温度跨度过大，一方面温差过大造成损增大，另一方面满足船舶空调冷负荷需求过量，造成能量的浪费，即没有实现LNG冷能的梯级高效地利用。
除了以上专利，还有许多专利都是针对船舶上单一功能进行的设计，并没有实现对LNG动力船上LNG冷能的梯级高效地利用。
从上述现有的报道可知，针对船舶进行LNG冷能利用的研究已有不少，但还存在一些不足之处，而目前以大型集装箱船为原型船进行LNG冷能利用的研究也尚处于空白，目前大多数集装箱LNG动力船在使用LNG的过程中往往将大量冷能排入海水或缸套水中，造成环境的污染和能量的浪费。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术存在的问题和不足,提供一种双燃料动力船LNG冷能梯级综合利用系统及方法。
本发明通过采用横向三级嵌套的朗肯循环发电将LNG燃料冷能逐级利用发电，并且将第三级跨临界CO2朗肯循环与蓄冷循环、冷库+空调循环并联，从而共同形成四种不同的系统工作模式。通过有效整合LNG/柴油机双燃料主机缸套冷却水回路和高温烟气冷却回路，根据不同时空条件下的工况条件，使系统能通过相应功能模块的调节，在满足船舶相应制冷需求的基础上提高冷能和冷的综合利用率，降低船舶的营运成本。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种双燃料动力船LNG冷能梯级综合利用系统，包括：
LNG蒸发侧，所述LNG蒸发侧，包括依次通过管道连接的LNG储罐1、LNG增压泵2、第一级LNG换热器3的冷源输入端301、第一级LNG换热器3的冷源输出端302、第二级LNG换热器4的冷源输入端401、第二级LNG换热器4的冷源输出端402、LNG分流器5，NG从分流器5出来后分为三股流，第一股连接第一阀门32、第三级LNG换热器6的冷源输入端601、第三级LNG换热器6的冷源输出端602，然后通过LNG汇流器30流入主机；第二股连接第二阀门33、冷库换热器18的冷源输入端1801、冷库换热器18的冷源输出端1802，再通过LNG分流器21分为两股流，一股连接第六阀门37、空调换热器23的冷源输入端2301、空调换热器23的冷源输出端2302，然后汇入LNG汇流器26，另一股直接连接第五阀门36、LNG汇流器26，从LNG汇流器26出来后的NG连接LNG温度调节器29的冷源输入端2901、LNG温度调节器29的冷源输出端2902，最后通过LNG汇流器30流入主机；第三股连接第四阀门35、蓄冷罐28的冷源输入端2801、蓄冷罐28的冷源输出端2802，然后通过LNG汇流器30流入主机。
第一级朗肯循环发电单元，所述第一级朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第一级LNG换热器3的热源输出端304、第一级发电工质泵7、第二级LNG换热器4冷源输入端403、第二级LNG换热器4冷源输出端404、第三级LNG换热器6的冷源输入端603、第三级LNG换热器6的冷源输出端604、第一级冷却水换热器8的冷源输入端801、第一级冷却水换热器8的冷源输出端802、第一级透平膨胀机9及第一级LNG换热器3的热源输入端303。第一级透平膨胀机9驱动第一级发电机组工作。
第二级朗肯循环发电单元，所述第二级朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第二级LNG换热器4的热源输出端406、第二级发电工质泵10、第三级LNG换热器6的冷源输入端605、第三级LNG换热器6的冷源输出端606、第二级冷却水换热器11的冷源输入端1101、第二级冷却水换热器11的冷源输出端1102、第二级透平膨胀机12及第二级LNG换热器4的热源输入端405。第二级透平膨胀机12驱动第二级发电机组工作。
第三级跨临界朗肯循环发电单元,所述第三级跨临界朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第三级LNG换热器6的热源输出端608、第三级发电工质泵13、回热器14的冷源输入端1401、回热器14的冷源输出端1402、高温烟气换热器15的冷源输入端1501、高温烟气换热器15的冷源输出端1502、第三级透平膨胀机16、回热器14的热源输入端1403、回热器14的热源输出端1404、及第三级LNG换热器6的热源输入端607。第三级透平膨胀机16驱动第三级发电机组工作。
冷库+空调循环制冷单元，所述冷库+空调循环制冷单元，包括串联的冷库循环和空调循环，其中所述冷库循环包括依次通过管道连接的冷库换热器18热源输出端1806、冷库制冷工质泵19、冷库制冷工质蒸发器20及冷库换热器18热源输入端1805，所述空调循环包括通过管道连接的空调换热器23的热源输出端2306、空调制冷工质泵24、空调制冷工质蒸发器25及空调换热器23的热源输入端2305。冷库制冷工质蒸发器20和空调制冷工质蒸发器25通过蒸发吸热降温。
蓄冷循环单元，所述蓄冷循环单元，包括依次通过管道连接的蓄冷罐28热源输出端2803、蓄冷循环工质泵17、第三阀门34、冷库换热器18的冷源输入端1803、冷库换热器18的冷源输出端1804、蓄冷循环工质分流器22，从蓄冷循环工质分流器22出来的蓄冷循环工质分为两股流，一股连接第八阀门39、空调换热器23的冷源输入端2303、空调换热器23的冷源输出端2304，然后流入蓄冷循环工质汇流器27，另一股直接连接第七阀门38、蓄冷循环工质汇流器27，从蓄冷循环工质汇流器27出来的蓄冷循环工质流回蓄冷罐28热源输入端2804形成封闭回路。蓄冷罐28中的冷量通过蓄冷工质传递给冷库换热器18和空调换热器23，再通过冷库换热器18和空调换热器23传递给冷库制冷工质蒸发器20和空调制冷工质蒸发器25。
冷却水侧，所述冷却水侧，包括从船舶主机中流出的冷却水，通过冷却水分流器31分为三股流，一股连接第一级冷却水换热器8的热源输入端803、第一级冷却水换热器8的热源输出端804；一股连接第二级冷却水换热器11的热源输入端1103、第二级冷却水换热器11的热源输出端1104；一股连接LNG温度调节器29的热源输入端2903、LNG温度调节器29的热源输出端2904。冷却水通过这三个换热器将热量分别传递给各冷源工质。
高温烟气侧，所述高温烟气侧，包括从船舶余热锅炉流出的高温烟气，连接高温烟气换热器15的热源输入端1503、高温烟气换热器15的热源输出端1504。高温烟气通过高温烟气换热器15将热量传递给第三级发电工质。
进一步的，所述第一级朗肯发电循环中设置有第一级发电工质；所述第二级朗肯发电循环中设置有第二级发电工质；所述第三级朗肯发电循环中设置有第三级发电工质；所述的冷库制冷循环中设置有冷库制冷工质；所述的空调制冷循环中设置有空调制冷工质；所述的蓄冷罐中设置有蓄冷介质；所述的蓄冷循环中设置有蓄冷循环工质。
进一步的，所述第一级发电工质的露点低于所述第二级发电工质的露点，第二级发电工质的露点低于所述第三级发电工质的露点。
进一步的，所述的第一级至第三级发电工质、冷库制冷工质、空调制冷工质、蓄冷介质和蓄冷循环工质均为制冷剂。
进一步的，所述的第一级发电工质选用R1150，第二级发电工质选用R1270,第三级发电工质选用二氧化碳，冷库制冷工质选用R600，空调制冷工质选用CL2-C1，蓄冷罐中蓄冷介质选用53％乙二醇，蓄冷循环工质选用60％乙二醇。
上述双燃料动力船LNG冷能梯级综合利用系统的工作方法,根据需求分为四种工作方式。
一、实现春、秋、冬季需用的发电+冷库的冷能利用，系统的工作方式如下：
第一阀门32、第二阀门33、第五阀门36开启，第三阀门34、第四阀门35、第六阀门37、第七阀门38、第八阀门39关闭，实现春、秋、冬季可用的发电+冷库冷能利用系统。
LNG流程：LNG燃料从LNG储罐1出来后经LNG增压泵2增压，然后依次进入第一级LNG换热器3、第二级LNG换热器4换热，LNG均吸热升温,汽化后以气态进入LNG分流器5，NG被分为两股流，一股与第三级LNG换热器6换热，然后通过LNG汇流器30进入船舶主机；一股与冷库换热器18换热，然后经过LNG分流器21、第五阀门36、LNG汇流器26后，进入LNG温度调节器29与缸套冷却水换热，温度达到船舶主机进气要求后通过LNG汇流器30与流过第三级朗肯循环的NG汇集为一股，连入动力船主机进气。
第一级朗肯发电单元：从第一级透平膨胀机9出来的第一级发电工质进入第一级LNG换热器3中与LNG换热后冷凝,然后经过第一级发电工质泵7增压,再进入第二级LNG换热器4中与第二级发电工质换热并升温,再进入第三级LNG换热器6中与第三级发电工质换热后温度继续升高,再进入第一级冷却水换热器8中与缸套冷却水换热并蒸发，然后以气态进入第一级透平膨胀机9膨胀做功完成循环。
第二级朗肯发电单元：从第二级透平膨胀机12出来的第二级发电工质进入第二级LNG换热器4中与第一级发电工质及LNG换热并冷凝,经第二级发电工质泵10增压后,再进入第三级LNG换热器6中与三级发电工质换热并升温,再进入第二级冷却水换热器11中与缸套冷却水换热并蒸发，然后以气态进入第二级透平膨胀机12膨胀做功完成循环。
第三级朗肯发电单元：从第三级透平膨胀机16出来的第三级发电工质进入回热器14与经冷凝增压后的第三级发电工质换热后温度降低，然后进入第三级LNG换热器6中换热并冷凝,经第三级发电工质泵13增压后,再依次进入回热器14预热、进入高烟气换热器15与烟气换热并蒸发,然后以气态进入第三级透平膨胀机16膨胀做功完成循环。高温烟气与第三级发电工质换热后温度降低。
冷库制冷循环单元：从冷库制冷工质蒸发器20出来的冷库制冷工质进入冷库换热器18与NG换热后温度降低，然后经过冷库制冷工质泵19增压后，进入冷库制冷工质蒸发器20释放冷能，最后流回冷库换热器18完成循环。
冷却水侧：从船舶主机中流出的冷却水，通过冷却水分流器31分为三股流，一股通过第一级冷却水换热器8与第一级发电工质换热并降温；一股通过第二级冷却水换热器11与第二级发电工质换热并降温；一股通过LNG温度调节器29与NG换热并降温。
高温烟气侧：从船舶余热锅炉流出的高温烟气，通过高温烟气换热器15与二氧化碳进行换热并降温。
二、实现夏季需用的发电+冷库+空调的冷能综合利用，系统的工作方式如下：
将第一阀门32、第二阀门33、第六阀门37开启，第三阀门34、第四阀门35、第五阀门36、第七阀门38、第八阀门39关闭，实现夏季需使用空调时可用的发电+冷库+空调的冷能综合利用系统。
LNG流程：LNG燃料从LNG储罐1出来后经LNG增压泵2增压，然后依次进入第一级LNG换热器3、第二级LNG换热器4换热，LNG均吸热升温,汽化后以气态进入LNG分流器5，NG被分为两股流，一股与第三级LNG换热器6换热，然后通过LNG汇流器30进入船舶主机；一股与冷库换热器18换热，然后通过LNG分流器21、第六阀门37，与空调换热器23换热，然后通过LNG汇流器26后，进入LNG温度调节器29与缸套冷却水换热，温度达到船舶主机进气要求后通过LNG汇流器30与流过第三级朗肯循环的NG汇集为一股，连入动力船主机进气。
第一级朗肯发电单元：从第一级透平膨胀机9出来的第一级发电工质进入第一级LNG换热器3中与LNG换热后冷凝,然后经过第一级发电工质泵7增压,再进入第二级LNG换热器4中与第二级发电工质换热并升温,再进入第三级LNG换热器6中与第三级发电工质换热后温度继续升高,再进入第一级冷却水换热器8中与缸套冷却水换热并蒸发，然后以气态进入第一级透平膨胀机9膨胀做功完成循环。
第二级朗肯发电单元：从第二级透平膨胀机12出来的第二级发电工质进入第二级LNG换热器4中与第一级发电工质及LNG换热并冷凝,经第二级发电工质泵10增压后,再进入第三级LNG换热器6中与三级发电工质换热并升温,再进入第二级冷却水换热器11中与缸套冷却水换热并蒸发，然后以气态进入第二级透平膨胀机12膨胀做功完成循环。
第三级朗肯发电单元：从第三级透平膨胀机16出来的第三级发电工质进入回热器14与经冷凝增压后的第三级发电工质换热后温度降低，然后进入第三级LNG换热器6中换热并冷凝,经第三级发电工质泵13增压后,再依次进入回热器14预热、进入高烟气换热器15与烟气换热并蒸发,然后以气态进入第三级透平膨胀机16膨胀做功完成循环。高温烟气与第三级发电工质换热后温度降低。
冷库制冷循环单元：从冷库制冷工质蒸发器20出来的冷库制冷工质进入冷库换热器18与NG换热后温度降低，然后经过冷库制冷工质泵19增压后，进入冷库制冷工质蒸发器20释放冷能，最后流回冷库换热器18完成循环。
空调制冷循环单元：从空调制冷工质蒸发器25出来的空调制冷工质进入空调换热器23与NG换热后温度降低，然后经过空调制冷工质泵24增压后，进入空调制冷工质蒸发器25释放冷能，最后流回空调换热器23完成循环。
冷却水侧：从船舶主机中流出的冷却水，通过冷却水分流器31分为三股流，一股通过第一级冷却水换热器8与第一级发电工质换热并降温；一股通过第二级冷却水换热器11与第二级发电工质换热并降温；一股通过LNG温度调节器29与NG换热并降温。
高温烟气侧：从船舶余热锅炉流出的高温烟气，通过高温烟气换热器15与二氧化碳进行换热并降温。
三、实现春、秋、冬季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库的正常运转，系统的工作方式如下：
第三阀门34、第七阀门38开启，第一阀门32、第二阀门33、第四阀门35、第五阀门36、第六阀门37、第八阀门39关闭，实现春、秋、冬季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库的正常运转。
蓄冷循环单元：当船舶停运、停航时，此系统不再为船舶主机输送NG，因此LNG线路全部关闭，此时通过蓄冷罐对冷库系统持续供冷。蓄冷罐28中已经凝结的蓄冷介质通过融化吸热的形式为将冷量传递给蓄冷循环工质，蓄冷循环工质在蓄冷循环工质泵17的推动下，经过第三阀门34，与冷库换热器18换热并升温；然后依次经过分流器22、第七阀门38、汇流器27，最后流回蓄冷罐28完成循环。
冷库制冷循环单元：从冷库制冷工质蒸发器20出来的冷库制冷工质进入冷库换热器18与NG换热后温度降低，然后经过冷库制冷工质泵19增压后，进入冷库制冷工质蒸发器20释放冷能，最后流回冷库换热器18完成循环。
四、实现夏季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库和空调的正常运转，系统的工作方式如下：
第三阀门34、第八阀门39开启，第一阀门32、第二阀门33、第四阀门35、第五阀门36、第六阀门37、第七阀门38关闭，实现夏季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库和空调的正常运转。
蓄冷循环单元：当船舶停运、停航时，此系统不再为船舶主机输送NG，因此LNG线路全部关闭，此时通过蓄冷罐对冷库系统和空调系统持续供冷。蓄冷罐28中已经凝结的蓄冷介质通过融化吸热的形式为将冷量传递给蓄冷循环工质，蓄冷循环工质在蓄冷循环工质泵17的推动下，经过第三阀门34，与冷库换热器18换热并升温；然后通过分流器22、第八阀门39，与空调换热器32换热，最后通过汇流器27后流回蓄冷罐28完成循环。
冷库制冷循环单元：从冷库制冷工质蒸发器20出来的冷库制冷工质进入冷库换热器18与NG换热后温度降低，然后经过冷库制冷工质泵19增压后，进入冷库制冷工质蒸发器20释放冷能，最后流回冷库换热器18完成循环。
空调制冷循环单元：从空调制冷工质蒸发器25出来的空调制冷工质进入空调换热器23与NG换热后温度降低，然后经过空调制冷工质泵24增压后，进入空调制冷工质蒸发器25释放冷能，最后流回空调换热器23完成循环。
进一步的，所述工作方法，还包括实现短暂的开机蓄冷过程，所述系统的工作方式是：开启第四阀门35，关闭第一阀门32、第二阀门33、第三阀门34、第五阀门36、第六阀门37、第七阀门38和第八阀门39，LNG燃料从LNG储罐1出来后经LNG增压泵2增压，依次进入第一级LNG换热器3、第二级LNG换热器换热4，LNG均吸热升温,汽化后以气态进入LNG分流器5，然后进入蓄冷罐28中与蓄冷介质换热，其中，LNG温度升高至船舶主机进气要求，通过LNG汇流器30流入船舶主机；蓄冷介质吸收NG的冷量后凝结为固态，储存在蓄冷罐中作为备用冷源。
进一步的，LNG燃料提升至30MPa作为船舶主机进气。
进一步的，当夏季需使用空调时，将第一阀门32、第二阀门33、第六阀门37开启，第三阀门34、第四阀门35、第五阀门36、第七阀门38、第八阀门39关闭，使得NG与冷库换热器18换热后，接着与空调换热器23换热，实现发电+冷库+空调的冷能综合利用系统；当春、秋、冬季空调关闭时，将第一阀门32、第二阀门33、第五阀门36开启，第三阀门34、第四阀门35、第六阀门37、第七阀门38、第八阀门39关闭，此时NG与冷库换热器18换热后直接进入LNG温度调节器29，实现春、秋、冬季可用的发电+冷库冷能利用系统。
进一步的，当船舶停运、停航时，此系统不再为船舶主机输送NG，此时通过蓄冷循环工质与冷库和空调循环换热，来维持冷库和空调设备的正常运转。若停运时间为夏季，第三阀门34、第八阀门39开启，第一阀门32、第二阀门33、第四阀门35、第五阀门36、第六阀门37、第七阀门38关闭，蓄冷罐28中已经凝结的蓄冷介质通过融化吸热的形式将冷量传递给蓄冷循环工质，在蓄冷循环工质泵17的推动下，与冷库换热器18换热，然后继续与空调换热器23换热，最后流回蓄冷罐28；若停运时间为春、秋、冬季，则第三阀门34、第七阀门38开启，第一阀门32、第二阀门33、第四阀门35、第五阀门36、第六阀门37、第八阀门39关闭，蓄冷罐28中已经凝结的蓄冷介质通过融化吸热的形式将冷量传递给蓄冷循环工质，在蓄冷循环工质泵17的推动下，与冷库换热器18换热，蓄冷循环工质从冷库换热器18出来后直接流回蓄冷罐28。
有益效果:与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明采用横向三级嵌套的朗肯循环发电将LNG燃料冷能逐级利用发电，同时在第一级和第二级朗肯发电循环中利用船舶主机产生的缸套冷却水作为热源，在第三级朗肯发电循环中利用船舶主机产生的高温烟气作为热源，实现LNG冷能的梯级利用以及低品位余热用于发电；
2、将第三级跨临界CO2朗肯循环与蓄冷循环、冷库+空调循环并联，从而共同形成四种不同的系统工作模式：春、秋、冬季可用的发电+冷库冷能利用系统；夏季需使用空调时可用的发电+冷库+空调的冷能综合利用系统；春、秋、冬季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库的正常运转；夏季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库+空调的正常运转，使系统能通过相应功能模块的调节，在满足船舶相应制冷需求的基础上提高冷综合利用率，降低船舶的营运成本。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图；
其中：1.LNG储罐，2.LNG增压泵，3.第一级LNG换热器，4.第二级LNG换热器，5.LNG分流器，6.第三级LNG换热器，7.第一级发电工质泵，8.第一级冷却水换热器，9.第一级透平膨胀机，10.第二级发电工质泵，11.第二级冷却水换热器，12.第二级透平膨胀机，13.第三级发电工质泵，14.回热器，15.高温烟气换热器，16.第三级透平膨胀机，17.蓄冷循环工质泵，18.冷库换热器，19.冷库制冷工质泵，20.冷库制冷工质蒸发器，21.LNG分流器，22.蓄冷循环工质分流器，23.空调换热器，24.空调制冷工质泵，25.空调制冷工质蒸发器，26.LNG汇流器，27.冷循环工质汇流器，28.蓄冷罐，29.LNG温度调节器，30.LNG汇流器，31.冷却水分流器，32.第一阀门，33.第二阀门，34.第三阀门，35.第四阀门，36.第五阀门，37.第六阀门，38.第七阀门，39.第八阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如附图1所示，为本发明的一种双燃料动力船LNG冷能梯级综合利用系统，包括：
LNG蒸发侧，所述LNG蒸发侧，包括依次通过管道连接的LNG储罐1、LNG增压泵2、第一级LNG换热器3的冷源输入端301、第一级LNG换热器3的冷源输出端302、第二级LNG换热器4的冷源输入端401、第二级LNG换热器4的冷源输出端402、LNG分流器5，NG从分流器5出来后分为三股流，第一股连接第一阀门32、第三级LNG换热器6的冷源输入端601、第三级LNG换热器6的冷源输出端602，然后通过LNG汇流器30流入主机；第二股连接第二阀门33、冷库换热器18的冷源输入端1801、冷库换热器18的冷源输出端1802，再通过LNG分流器21分为两股流，一股连接第六阀门37、空调换热器23的冷源输入端2301、空调换热器23的冷源输出端2302，然后汇入LNG汇流器26，另一股直接连接第五阀门36、LNG汇流器26，从LNG汇流器26出来后的NG连接LNG温度调节器29的冷源输入端2901、LNG温度调节器29的冷源输出端2902，最后通过LNG汇流器30流入主机；第三股连接第四阀门35、蓄冷罐28的冷源输入端2801、蓄冷罐28的冷源输出端2802，然后通过LNG汇流器30流入主机。
第一级朗肯循环发电单元，所述第一级朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第一级LNG换热器3的热源输出端304、第一级发电工质泵7、第二级LNG换热器4冷源输入端403、第二级LNG换热器4冷源输出端404、第三级LNG换热器6的冷源输入端603、第三级LNG换热器6的冷源输出端604、第一级冷却水换热器8的冷源输入端801、第一级冷却水换热器8的冷源输出端802、第一级透平膨胀机9及第一级LNG换热器3的热源输入端303。第一级透平膨胀机9驱动第一级发电机组工作。
第二级朗肯循环发电单元，所述第二级朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第二级LNG换热器4的热源输出端406、第二级发电工质泵10、第三级LNG换热器6的冷源输入端605、第三级LNG换热器6的冷源输出端606、第二级冷却水换热器11的冷源输入端1101、第二级冷却水换热器11的冷源输出端1102、第二级透平膨胀机12及第二级LNG换热器4的热源输入端405。第二级透平膨胀机12驱动第二级发电机组工作。
第三级跨临界朗肯循环发电单元,所述第三级跨临界朗肯循环发电单元，包括依次通过管道连接形成闭合回路的第三级LNG换热器6的热源输出端608、第三级发电工质泵13、回热器14的冷源输入端1401、回热器14的冷源输出端1402、高温烟气换热器15的冷源输入端1501、高温烟气换热器15的冷源输出端1502、第三级透平膨胀机16、回热器14的热源输入端1403、回热器14的热源输出端1404、及第三级LNG换热器6的热源输入端607。第三级透平膨胀机16驱动第三级发电机组工作。
冷库+空调循环制冷单元，所述冷库+空调循环制冷单元，包括串联的冷库循环和空调循环，其中所述冷库循环包括依次通过管道连接的冷库换热器18热源输出端1806、冷库制冷工质泵19、冷库制冷工质蒸发器20及冷库换热器18热源输入端1805，所述空调循环包括通过管道连接的空调换热器23的热源输出端2306、空调制冷工质泵24、空调制冷工质蒸发器25及空调换热器23的热源输入端2305。冷库制冷工质蒸发器20和空调制冷工质蒸发器25通过蒸发吸热降温。
蓄冷循环单元，所述蓄冷循环单元，包括依次通过管道连接的蓄冷罐28热源输出端2803、蓄冷循环工质泵17、第三阀门34、冷库换热器18的冷源输入端1803、冷库换热器18的冷源输出端1804、蓄冷循环工质分流器22，从蓄冷循环工质分流器22出来的蓄冷循环工质分为两股流，一股连接第八阀门39、空调换热器23的冷源输入端2303、空调换热器23的冷源输出端2304，然后流入蓄冷循环工质汇流器27，另一股直接连接第七阀门38、蓄冷循环工质汇流器27，从蓄冷循环工质汇流器27出来的蓄冷循环工质流回蓄冷罐28热源输入端2804形成封闭回路。蓄冷罐28中的冷量通过蓄冷工质传递给冷库换热器18和空调换热器23，再通过冷库换热器18和空调换热器23传递给冷库制冷工质蒸发器20和空调制冷工质蒸发器25。
冷却水侧，所述冷却水侧，包括从船舶主机中流出的冷却水，通过冷却水分流器31分为三股流，一股连接第一级冷却水换热器8的热源输入端803、第一级冷却水换热器8的热源输出端804；一股连接第二级冷却水换热器11的热源输入端1103、第二级冷却水换热器11的热源输出端1104；一股连接LNG温度调节器29的热源输入端2903、LNG温度调节器29的热源输出端2904。冷却水通过这三个换热器将热量分别传递给各冷源工质。
高温烟气侧，所述高温烟气侧，包括从船舶余热锅炉流出的高温烟气，连接高温烟气换热器15的热源输入端1503、高温烟气换热器15的热源输出端1504。高温烟气通过高温烟气换热器15将热量传递给第三级发电工质。
本发明的一种双燃料动力船LNG冷能梯级综合利用系统的工作方法，根据需求分为四种工作方式。
一、实现春、秋、冬季需用的发电+冷库的冷能利用，系统的工作方式如下：
第一阀门32、第二阀门33、第五阀门36开启，第三阀门34、第四阀门35、第六阀门37、第七阀门38、第八阀门39关闭。
LNG流程：从LNG储罐1出来的LNG燃料为450kPa、-162℃,船舶主机进气所需LNG汽化流量为5440kg/h,经LNG增压泵2增压到30MPa,LNG增压泵2耗功129kW,进入第一级LNG换热器3中与第一级发电工质R1150换热至-87℃,再进入第二级LNG换热器4中与二级发电工质R1270及LNG换热至-45℃,并汽化为气态，然后经过LNG分流器5被平均分为两股流，一股通过第一阀门32后进入第三级LNG换热器6中与三级发电工质二氧化碳换热至2℃；一股通过第二阀门33后进入冷库换热器18与冷库循环工质R600换热至-30℃，然后通过LNG分流器21、第五阀门36、LNG汇流器26后进入LNG温度调节器29，与缸套冷却水换热至2℃，最后两股流通过LNG汇流器30汇集为一股，进入船舶主机燃烧。
第一级朗肯发电单元：从第一级透平膨胀机9出来的210kPa、-16℃的第一级发电工质R1150，流量为1692kg/h,进入一级LNG换热器3中与LNG换热,冷凝至-145℃,经第一级发电工质泵7增压至2000kPa,一级发电工质泵耗功2.138kW,再进入第二级LNG换热器4中与二级发电工质R1270换热至-87℃,再进入第三级LNG换热器6中与第三级发电工质二氧化碳换热至2℃,再进入第一级冷却水换热器8中与缸套冷却水换热至85℃，然后以气态进入第一级透平膨胀机9膨胀做功完成循环o
第二级朗肯发电单元：从第二级透平膨胀机12出来的149kPa,-30℃的第二级发电工质R1270，流量为1223kg/h,进入第二级LNG换热器4中与第一级发电工质R1150及LNG换热至-40℃,经第二级发电工质泵10增压到3500kPa,再进入第三级LNG换热器6中与三级发电工质二氧化碳换热至2℃,再进入第二级冷却水换热器11中与缸套冷却水换热至85℃，然后以气态进入第二级透平膨胀机12膨胀做功完成循环。
第三级朗肯发电单元：从第三级透平膨胀机16出来的3251kPa、30℃的第三级发电工质二氧化碳,流量为1576kg/h,进入回热器14与经冷凝增压后的低温二氧化碳换热至8℃后，进入第三级LNG换热器6中冷凝至-10℃,经第三级发电工质泵13增压到18MPa,再依次进入回热器14预热至15℃、进入高烟气换热器15与烟气换热至160℃,然后以气态进入第三级透平膨胀机16膨胀做功完成循环。
冷库制冷循环单元：从冷库制冷工质蒸发器20出来的260kPa,-25℃的冷库制冷工质R600，流量为3099kg/h,进入冷库换热器18与NG换热后温度降低至-35℃，然后经过冷库制冷工质泵19增压至1000kPa，然后进入冷库制冷工质蒸发器20释放冷能，最后流回冷库换热器18完成循环。
冷却水侧：从船舶主机中流出的冷却水，温度为90℃，流量为24920kg/h,通过冷却水分流器31分为三股流，一股通过第一级冷却水换热器8与第一级发电工质换热，温度降低至70℃；一股通过第二级冷却水换热器11与第二级发电工质换热，温度降低至70℃；一股通过LNG温度调节器29与NG换热，温度降低至70℃。
高温烟气侧：从船舶余热锅炉流出的高温烟气，温度为165℃，流量为65720kg/h，通过高温烟气换热器15与二氧化碳进行换热，出口温度150℃。
二、实现夏季需用的发电+冷库+空调的冷能综合利用，系统的工作方式如下：
第一阀门32、第二阀门33、第六阀门37开启，第三阀门34、第四阀门35、第五阀门36、第七阀门38、第八阀门39关闭。
LNG流程：从LNG储罐1出来的LNG燃料为450kPa、-162℃,船舶主机进气所需LNG汽化流量为5440kg/h,经LNG增压泵2增压到30MPa,LNG增压泵2耗功129kW,进入第一级LNG换热器3中与第一级发电工质R1150换热至-87℃,再进入第二级LNG换热器4中与二级发电工质R1270及LNG换热至-45℃,并汽化为气态，然后经过LNG分流器5被平均分为两股流，一股通过第一阀门32后进入第三级LNG换热器6中与三级发电工质二氧化碳换热至2℃；一股通过第二阀门33后进入冷库换热器18与冷库循环工质R600换热至-30℃，然后通过LNG分流器21、第六阀门37，进入空调换热器23与空调制冷工质CL2-C1换热至2℃，然后通过LNG汇流器26后进入LNG温度调节器29与缸套冷却水换热，温度达到主机进气温度，最后两股流通过LNG汇流器30汇集为一股，进入船舶主机燃烧。
第一级朗肯发电单元：从第一级透平膨胀机9出来的210kPa、-16℃的第一级发电工质R1150，流量为1692kg/h,进入一级LNG换热器3中与LNG换热,冷凝至-145℃,经第一级发电工质泵7增压至2000kPa,一级发电工质泵耗功2.138kW,再进入第二级LNG换热器4中与二级发电工质R1270换热至-87℃,再进入第三级LNG换热器6中与第三级发电工质二氧化碳换热至2℃,再进入第一级冷却水换热器8中与缸套冷却水换热至85℃，然后以气态进入第一级透平膨胀机9膨胀做功完成循环o
第二级朗肯发电单元：从第二级透平膨胀机12出来的149kPa,-30℃的第二级发电工质R1270，流量为1223kg/h,进入第二级LNG换热器4中与第一级发电工质R1150及LNG换热至-40℃,经第二级发电工质泵10增压到3500kPa,再进入第三级LNG换热器6中与三级发电工质二氧化碳换热至2℃,再进入第二级冷却水换热器11中与缸套冷却水换热至85℃，然后以气态进入第二级透平膨胀机12膨胀做功完成循环。
第三级朗肯发电单元：从第三级透平膨胀机16出来的3251kPa、30℃的第三级发电工质二氧化碳,流量为1576kg/h,进入回热器14与经冷凝增压后的低温二氧化碳换热至8℃后，进入第三级LNG换热器6中冷凝至-10℃,经第三级发电工质泵13增压到18MPa,再依次进入回热器14预热至15℃、进入高烟气换热器15与烟气换热至160℃,然后以气态进入第三级透平膨胀机16膨胀做功完成循环。
冷库制冷循环单元：从冷库制冷工质蒸发器20出来的260kPa,-25℃的冷库制冷工质R600，流量为3099kg/h,进入冷库换热器18与NG换热后温度降低至-35℃，然后经过冷库制冷工质泵19增压至1000kPa，然后进入冷库制冷工质蒸发器20释放冷能，最后流回冷库换热器18完成循环。
空调制冷循环单元：从空调制冷工质蒸发器25出来的260kPa,15℃的空调制冷工质CL2-C1，流量为2304kg/h,进入空调换热器23与NG换热后温度降低至5℃，然后经过空调制冷工质泵24增压至1000kPa，然后进入空调制冷工质蒸发器25释放冷能，最后流回空调换热器23完成循环。
冷却水侧：从船舶主机中流出的冷却水，温度为90℃，流量为24920kg/h,通过冷却水分流器31分为三股流，一股通过第一级冷却水换热器8与第一级发电工质换热，温度降低至70℃；一股通过第二级冷却水换热器11与第二级发电工质换热，温度降低至70℃；一股通过LNG温度调节器29与NG换热，温度降低至70℃。
高温烟气侧：从船舶余热锅炉流出的高温烟气，温度为165℃，流量为65720kg/h，通过高温烟气换热器15与二氧化碳进行换热，出口温度150℃。
三、实现春、秋、冬季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库的正常运转，系统的工作方式如下：
第三阀门34、第七阀门38开启，第一阀门32、第二阀门33、第四阀门35、第五阀门36、第六阀门37、第八阀门39关闭。
蓄冷循环单元：当船舶停运、停航时，此系统不再为船舶主机输送NG，因此LNG线路全部关闭，此时通过蓄冷罐对冷库系统持续供冷。蓄冷罐28中已经凝结的53％乙二醇通过融化吸热的形式为将冷量传递给蓄冷循环工质60％乙二醇，蓄冷循环工质60％乙二醇换热后温度为-40℃，在蓄冷循环工质泵17的推动下通过第三阀门34，然后与冷库换热器18换热，温度升至-30℃；然后依次通过分流器22、第七阀门38、汇流器27，最后流回蓄冷罐28完成循环。
冷库制冷循环单元：从冷库制冷工质蒸发器20出来的260kPa,-25℃的冷库制冷工质R600，流量为3099kg/h,进入冷库换热器18与60％乙二醇换热后温度降低至-35℃，然后经过冷库制冷工质泵19增压至1000kPa，然后进入冷库制冷工质蒸发器20释放冷能，最后流回冷库换热器18完成循环。
四、实现夏季短时停船停机使用蓄冷系统维持冷库和空调的正常运转，系统的工作方式如下：
第三阀门34、第八阀门39开启，第一阀门32、第二阀门33、第四阀门35、第五阀门36、第六阀门37、第七阀门38关闭。
蓄冷循环单元：当船舶停运、停航时，此系统不再为船舶主机输送NG，因此LNG线路全部关闭，此时通过蓄冷罐对冷库系统和空调系统持续供冷。蓄冷罐28中已经凝结的53％乙二醇通过融化吸热的形式为将冷量传递给蓄冷循环工质60％乙二醇，蓄冷循环工质60％乙二醇换热后温度为-40℃，在蓄冷循环工质泵17的推动下通过第三阀门34，然后与冷库换热器18换热，温度升至-30℃；然后通过分流器22、第八阀门39，与空调换热器32换热，温度升至2℃，然后通过汇流器27后流回蓄冷罐28完成循环。
冷库制冷循环单元：从冷库制冷工质蒸发器20出来的260kPa,-25℃的冷库制冷工质R600，流量为3099kg/h,进入冷库换热器18与60％乙二醇换热后温度降低至-35℃，然后经过冷库制冷工质泵19增压至1000kPa，然后进入冷库制冷工质蒸发器20释放冷能，最后流回冷库换热器18完成循环。
空调制冷循环单元：从空调制冷工质蒸发器25出来的260kPa,15℃的空调制冷工质CL2-C1，流量为2304kg/h,进入空调换热器23与60％乙二醇换热后温度降低至5℃，然后经过空调制冷工质泵24增压至1000kPa，然后进入空调制冷工质蒸发器25释放冷能，最后流回空调换热器23完成循环。
所述工作方法，还包括实现短暂的开机蓄冷过程，所述系统的工作方式是：开启第四阀门35，关闭第一阀门32、第二阀门33、第三阀门34、第五阀门36、第六阀门37、第七阀门38和第八阀门39，LNG燃料从LNG储罐1出来后经LNG增压泵2增压，依次进入第一级LNG换热器3、第二级LNG换热器换热4，LNG均吸热升温,汽化后以气态进入LNG分流器5，然后进入蓄冷罐28中与蓄冷介质换热，其中，LNG温度升高至船舶主机进气要求，通过LNG汇流器30流入船舶主机；蓄冷介质吸收NG的冷量后凝结为固态，储存在蓄冷罐中作为备用冷源。
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