LNG冷能發(fā)電專利技術(shù)分析

丁賀

摘? 要：LNG冷能發(fā)電是LNG冷量回收的重要手段。文章基于CNABS和DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)檢索、篩選、統(tǒng)計(jì)以及分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)LNG冷能發(fā)電的專利申請(qǐng)文獻(xiàn)，梳理了LNG冷能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，重點(diǎn)對(duì)專利申請(qǐng)的年度分布、地域分布、重點(diǎn)申請(qǐng)人等方面信息進(jìn)行分析，并歸納出LNG冷能發(fā)電的重要技術(shù)分支的專利技術(shù)演進(jìn)路線，為國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)，科研院所進(jìn)行LNG冷能發(fā)電的專利技術(shù)開(kāi)發(fā)、專利布局提供參考。

關(guān)鍵詞：LNG;液化天然氣;冷能;發(fā)電;專利分析

中圖分類號(hào)：TM619 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）09-0024-03

Abstract： LNG cold energy generation is significant method of LNG cold energy recovery， patent applications about LNG cold energy generation are searched， sorted， analyzed statistically for presenting their technology development， which is based on CNABS and DWPI database. In particular， annual development trend of relevant patent application， geographical distribution， key applicants are analyzed systematically， meanwhile， the patent technical evolution of the main branches of LNG cold energy generation is acquired and presented. It provides references for domestic enterprises and scientific research institutions to develop and layout patent technology of LNG cold energy generation.

Keywords： LNG; liquefied natural gas; cold energy; power generation; patent analysis

引言

LNG溫度約為-161.5℃，處于超低溫狀態(tài)，最終大多以氣態(tài)形式加以利用，這就需要先將LNG汽化成天然氣，再通過(guò)管道輸送給用戶，LNG汽化過(guò)程釋放大量的冷能，約為830kJ/kg。在目前回收LNG冷能的諸多方法當(dāng)中，利用LNG冷能發(fā)電是應(yīng)用較多，技術(shù)較為成熟的方法，利用LNG冷能發(fā)電，可回收LNG大部分溫度段的冷能，而其它的利用方式（例如空溫、低溫粉碎、冷庫(kù)等）則主要針對(duì)某段溫度區(qū)域的少量冷能進(jìn)行回收。目前，世界上已有多套LNG冷能發(fā)電裝置在運(yùn)行。可以計(jì)算，若LNG蘊(yùn)含冷能全部轉(zhuǎn)化為電能，則其能量利用價(jià)值大約為240kWh/t，以300萬(wàn)噸LNG/年的進(jìn)口量計(jì)算，每年可利用的冷能達(dá)到7.5億kWh[1]。而中國(guó)現(xiàn)每年進(jìn)口的LNG總量不斷增加，其攜帶的冷能非常巨大，利用LNG冷能發(fā)電有重要的意義，它不僅可以為L(zhǎng)NG接收站設(shè)備供電，例如目前日本大阪接收站53%的用電來(lái)自于LNG冷能發(fā)電，除供接收站自用外，多余電力還可以通過(guò)電網(wǎng)輸送給用戶使用，用以緩解接收站周邊地區(qū)存在的電力供應(yīng)緊張的狀況。其中，LNG冷能發(fā)電的方式主要分為兩種，膨脹發(fā)電和溫差發(fā)電，其中前者可進(jìn)一步細(xì)分為直接膨脹法，朗肯循環(huán)法和布雷頓循環(huán)法。

1 LNG冷能發(fā)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

本文選擇CNABS中文檢索數(shù)據(jù)庫(kù)以及DWPI外文檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)全面檢索獲得初步專利數(shù)據(jù)樣本，最后經(jīng)過(guò)去噪、人工篩選、標(biāo)引得到最終所要分析的數(shù)據(jù)樣本，進(jìn)一步從專利分析角度對(duì)LNG冷能發(fā)電進(jìn)行分析，分析項(xiàng)目及分析結(jié)果如下。

1.1 申請(qǐng)量年度分布

本文選用CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)和DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，檢索對(duì)象為發(fā)明和實(shí)用新型專利申請(qǐng)，通過(guò)對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行分析，得到LNG冷能發(fā)電專利申請(qǐng)量年度分布圖，如圖1所示。LNG冷能發(fā)電技術(shù)始于1969年，并且在2000年以前，全球相關(guān)專利的申請(qǐng)量主要由日本所主導(dǎo)，且日本對(duì)冷能的利用在世界上處于領(lǐng)先地位，目前全世界的LNG接受站中，日本所占數(shù)量居于前列，除了與發(fā)電廠配合使用外，還有26臺(tái)獨(dú)立的冷能利用設(shè)備，其中包括7臺(tái)空氣分離裝置，3臺(tái)生產(chǎn)能力為100t/d的制干冰裝置臺(tái)，16臺(tái)低溫朗肯循環(huán)獨(dú)立發(fā)電裝置[2]。近年來(lái)，隨著LNG貿(mào)易的迅猛發(fā)展，很多國(guó)家都增加了對(duì)LNG冷能利用的關(guān)注。而在2000年以后，隨著我國(guó)的環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及對(duì)清潔能源的需求增大，特別是我國(guó)2004年制定的全面能源發(fā)展戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)了用液化天然氣（LNG）來(lái)優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)。根據(jù)制定的發(fā)展戰(zhàn)略，中海油、中石油和中石化都相繼加快了海外天然氣的引進(jìn)步伐。中石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)字表明，2005年，中國(guó)進(jìn)口液化天然氣483噸，而2006年進(jìn)口67.75萬(wàn)噸，增幅高達(dá)1400余倍[3]。隨之而來(lái)的是我國(guó)在LNG冷能發(fā)電專利申請(qǐng)數(shù)量上的爆發(fā)式增長(zhǎng)，特別是在2016年，我國(guó)相關(guān)專利的申請(qǐng)量，占全球總申請(qǐng)量的82.1%。

1.2 專利申請(qǐng)地域分布

專利申請(qǐng)的地域分布可以反映出一個(gè)國(guó)家或地區(qū)在某個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)水平和技術(shù)實(shí)力。由于專利申請(qǐng)人一般會(huì)首先在其所在的國(guó)家和地區(qū)申請(qǐng)專利，然后在利用優(yōu)先權(quán)在其他國(guó)家申請(qǐng)專利，本文選擇原創(chuàng)國(guó)這一指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到專利申請(qǐng)?jiān)瓌?chuàng)國(guó)分布情況，如圖2所示。其中中國(guó)和日本占總申請(qǐng)量的36%和27%，其中中日韓美是LNG冷能發(fā)電的主要原創(chuàng)國(guó)家，上述幾個(gè)國(guó)家的相關(guān)申請(qǐng)量占到了全球申請(qǐng)總量的近90%。以上數(shù)據(jù)表明上述國(guó)家是LNG冷能發(fā)電最主要的技術(shù)原發(fā)地和創(chuàng)新市場(chǎng)，這些國(guó)家的相關(guān)企業(yè)和科研院所主導(dǎo)著LNG冷能發(fā)電。其中日本對(duì)冷能的利用在世界上處于領(lǐng)先地位，特別是在利用半導(dǎo)體材料冷能發(fā)電，具有較強(qiáng)的技術(shù)積累。而韓國(guó)研究的側(cè)重點(diǎn)主要在膨脹法發(fā)電能量利用效率的提高上。中國(guó)則是全面研究，在上述兩個(gè)側(cè)重點(diǎn)上均申請(qǐng)了較多專利，但從專利申請(qǐng)的質(zhì)量上來(lái)說(shuō)，日本仍然相對(duì)優(yōu)于中國(guó)。

1.3 重要申請(qǐng)人分析

目前，關(guān)于LNG冷能發(fā)電專利申請(qǐng)的重要申請(qǐng)人，主要來(lái)自中日韓三國(guó)，其中中國(guó)擁有企業(yè)或科研院校各三家，韓國(guó)兩家，而日本則占有五家。總申請(qǐng)數(shù)量上來(lái)看，前10位重要申請(qǐng)人的申請(qǐng)量之和也只占全球申請(qǐng)總量的27.3%，說(shuō)明該領(lǐng)域的研究者多而分散，尚未出現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域的龍頭企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)（圖3）。

大阪及東京兩家氣體公司以及新奧科技，其處于LNG產(chǎn)業(yè)鏈的下游，主要開(kāi)展LNG的零售，及LNG冷能發(fā)電業(yè)務(wù)。大宇公司、現(xiàn)代公司、三菱重工為三家綜合性的大型跨國(guó)公司，并擁有多元化的制造技術(shù)。

大宇公司是韓國(guó)著名的大型艦船制造商，其涉及的相關(guān)專利主要側(cè)重點(diǎn)在LNG船中LNG冷能的利用，特別是將一部分的LNG汽化過(guò)程中膨脹發(fā)電，并將該部分提供給LNG船的燃?xì)廨啓C(jī)作為燃料，同時(shí)將燃?xì)廨啓C(jī)的廢熱進(jìn)行回收。三菱重工業(yè)務(wù)涵蓋機(jī)械、船舶、航空航天、原子能、電力、交通等領(lǐng)域，而現(xiàn)代集團(tuán)是一家以建筑、造船、汽車行業(yè)為主，兼營(yíng)鋼鐵、機(jī)械、貿(mào)易、運(yùn)輸、水泥生產(chǎn)、冶金、金融、電子工業(yè)等幾十個(gè)行業(yè)的綜合性企業(yè)集團(tuán)，上述兩家企業(yè)在LNG冷能發(fā)電中擁有一定數(shù)量的基礎(chǔ)性專利。

中海油集團(tuán)是全球第三大LNG進(jìn)口商，全球第五家擁有大型天然氣液化技術(shù)的公司。在其帶領(lǐng)下，中國(guó)已成為世界第三大LNG進(jìn)口國(guó)，是繼美國(guó)、德國(guó)之后全球第三個(gè)擁有大型天然氣液化技術(shù)的國(guó)家。截止2015年底，中海油已經(jīng)擁有7個(gè)世界級(jí)大型LNG接收站，LNG年接收能力達(dá)到2780萬(wàn)噸，2015年其進(jìn)口LNG達(dá)到1316萬(wàn)噸，中國(guó)目前近80%的LNG通過(guò)中海油進(jìn)口。伴隨而來(lái)的是，中海油集團(tuán)在LNG接收站至天然氣運(yùn)輸管網(wǎng)的過(guò)程中，對(duì)LNG冷能回收研究的重視，其專利布局的側(cè)重點(diǎn)在于提高LNG冷能發(fā)電循環(huán)的能量利用效率上。中國(guó)科學(xué)研究院是中國(guó)頂級(jí)的自然科學(xué)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，其利用在半導(dǎo)體、超導(dǎo)材料、熱電材料上研究的優(yōu)勢(shì)，在LNG溫差發(fā)電以及熱聲發(fā)電系統(tǒng)中積極進(jìn)行專利布局。

1.4 LNG冷能發(fā)電專利國(guó)內(nèi)地域分布分析

從圖4可以看出，LNG冷能發(fā)電的專利主要分布在北京、上海、遼寧、江蘇、廣州、河北、浙江、四川等省市，其中北京排名第一位，主要是國(guó)內(nèi)三大石油公司以及中國(guó)科學(xué)研究院等眾多科研院校均位于北京，而上海市緊隨其后，其申請(qǐng)人主要為上海電力大學(xué)、上海交通大學(xué)等科研院校。

1.5 專利技術(shù)發(fā)展演進(jìn)

通過(guò)對(duì)LNG冷能發(fā)電技術(shù)各個(gè)時(shí)期的專利文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析，可以得到該領(lǐng)域的專利技術(shù)演進(jìn)路線，如圖5所示：LNG冷能發(fā)電所采用直接膨脹法、朗肯循環(huán)法、布雷頓法均是比較傳統(tǒng)的發(fā)電方式，在1990年前，三種發(fā)電方式就已經(jīng)出現(xiàn)，而隨后的改進(jìn)主要是通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整來(lái)提高整個(gè)流程的發(fā)電效率，其中直接膨脹法在其演進(jìn)路線上的主要改進(jìn)點(diǎn)是結(jié)合一級(jí)或多級(jí)朗肯循環(huán)，以及采用更多的膨脹機(jī)串聯(lián)來(lái)提高能量回收效率，亦或是借助的汽輪機(jī)的廢熱將朗肯循環(huán)中工作介質(zhì)汽化。

朗肯循環(huán)在其演進(jìn)路線上的主要改進(jìn)點(diǎn)是增加朗肯循環(huán)的復(fù)雜程度，在LNG從液化狀態(tài)吸熱變化到具有一定過(guò)熱度的完全氣態(tài)的過(guò)程中，設(shè)置多個(gè)與之換熱的朗肯循環(huán)，例如將朗肯循環(huán)的布置形態(tài)設(shè)置成：多級(jí)串聯(lián)或者并聯(lián)、相互耦合，這樣布置的深層次原因在于，通過(guò)增加朗肯循環(huán)的復(fù)雜程度來(lái)更好地回收LNG從-162～30℃，這一范圍較大的溫度區(qū)間上的冷量。朗肯循環(huán)中的工質(zhì)（主要是制冷劑）可以是純凈物，也可以是多種制冷劑的混合物，常見(jiàn)的工質(zhì)有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯、丙烯，朗肯循環(huán)采用混合工質(zhì)發(fā)電效率更好，但是混合工質(zhì)的配比需要精確計(jì)算，應(yīng)用起來(lái)有一定困難。

布雷頓循環(huán)是以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，工質(zhì)主要有氦氣、氬氣、氮?dú)狻⒍趸迹啾扔诶士涎h(huán)采用壓縮機(jī)替換泵來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工質(zhì)的增壓，布雷頓循環(huán)在其演進(jìn)路線上的主要改進(jìn)點(diǎn)是結(jié)合直接膨脹法或者朗肯循環(huán)，以及增加膨脹機(jī)的數(shù)量。

溫差發(fā)電主要改進(jìn)方向半導(dǎo)體材料性能以及低溫?fù)Q熱器結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)溫差發(fā)電裝置時(shí)必須對(duì)所用的材料選取合適的工作溫區(qū)，使傳熱系數(shù)處于較低的水平，才能使半導(dǎo)體元件具有較高的熱電效率。從演進(jìn)圖中可以清楚的看到半導(dǎo)體元件從常見(jiàn)的PN熱電元件，向管狀熱電元件、超導(dǎo)材料、納米級(jí)熱電元件發(fā)展。同時(shí)在溫差發(fā)電裝置中采用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱或間接使用太陽(yáng)能作為熱源，提高了溫差發(fā)電裝置的適用性。

2 結(jié)論

本文對(duì)LNG冷能發(fā)電相關(guān)專利進(jìn)行了檢索和統(tǒng)計(jì)，從該領(lǐng)域的技術(shù)概況、技術(shù)分支、申請(qǐng)量態(tài)勢(shì)、地域分布以及申請(qǐng)人等切入點(diǎn)展開(kāi)分析，歸納出該領(lǐng)域的技術(shù)演進(jìn)路線，有助于審查員及相關(guān)科技工作者快速詳實(shí)全面了該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)情況，從而提高理解和檢索的效率。

同時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，我國(guó)在LNG冷能發(fā)電領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然處于跟隨者的位置，均是由發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)計(jì)出基礎(chǔ)發(fā)明，我國(guó)據(jù)此進(jìn)行細(xì)微結(jié)構(gòu)調(diào)整或結(jié)構(gòu)組合來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化，在技術(shù)上依賴度較高，特別是在溫差發(fā)電這一技術(shù)分支中，我國(guó)在材料方面的差距比較明顯，未來(lái)我國(guó)需要加強(qiáng)在基礎(chǔ)理論，基礎(chǔ)材料上的研究，才能防止受制于人。

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