LNG冷能發(fā)電專利技術分析

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，通過檢索、篩選、統(tǒng)計以及分析國內(nèi)外有關LNG冷能發(fā)電的專利申請文獻，梳理了LNG冷能發(fā)電技術領域的技術發(fā)展脈絡，重點對專利申請的年度分布、地域分布、重點申請人等方面信息進行分析，并歸納出LNG冷能發(fā)電的重要技術分支的專利技術演進路線，為國內(nèi)相關企業(yè)，科研院所進行LNG冷能發(fā)電的專利技術開發(fā)、專利布局提供參考。

關鍵詞：LNG;液化天然氣;冷能;發(fā)電;專利分析

中圖分類號：TM619 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，再通過管道輸送給用戶，LNG汽化過程釋放大量的冷能，約為830kJ/kg。在目前回收LNG冷能的諸多方法當中，利用LNG冷能發(fā)電是應用較多，技術較為成熟的方法，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、冷庫等）則主要針對某段溫度區(qū)域的少量冷能進行回收。目前，世界上已有多套LNG冷能發(fā)電裝置在運行。可以計算，若LNG蘊含冷能全部轉(zhuǎn)化為電能，則其能量利用價值大約為240kWh/t，以300萬噸LNG/年的進口量計算，每年可利用的冷能達到7.5億kWh[1]。而中國現(xiàn)每年進口的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LNG接收站設備供電，例如目前日本大阪接收站53%的用電來自于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，其中前者可進一步細分為直接膨脹法，朗肯循環(huán)法和布雷頓循環(huán)法。

1 LNG冷能發(fā)電技術發(fā)展狀況

本文選擇CNABS中文檢索數(shù)據(jù)庫以及DWPI外文檢索數(shù)據(jù)庫，通過全面檢索獲得初步專利數(shù)據(jù)樣本，最后經(jīng)過去噪、人工篩選、標引得到最終所要分析的數(shù)據(jù)樣本，進一步從專利分析角度對LNG冷能發(fā)電進行分析，分析項目及分析結果如下。

1.1 申請量年度分布

本文選用CNABS數(shù)據(jù)庫和DWPI數(shù)據(jù)庫進行檢索，檢索對象為發(fā)明和實用新型專利申請，通過對檢索結果進行分析，得到LNG冷能發(fā)電專利申請量年度分布圖，如圖1所示。LNG冷能發(fā)電技術始于1969年，并且在2000年以前，全球相關專利的申請量主要由日本所主導，且日本對冷能的利用在世界上處于領先地位，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臺獨立的冷能利用設備，其中包括7臺空氣分離裝置，3臺生產(chǎn)能力為100t/d的制干冰裝置臺，16臺低溫朗肯循環(huán)獨立發(fā)電裝置[2]。近年來，隨著LNG貿(mào)易的迅猛發(fā)展，很多國家都增加了對LNG冷能利用的關注。而在2000年以后，隨著我國的環(huán)保意識的增強以及對清潔能源的需求增大，特別是我國2004年制定的全面能源發(fā)展戰(zhàn)略，強調(diào)了用液化天然氣（LNG）來優(yōu)化我國能源結構。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步伐。中石油和化學工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計的數(shù)字表明，2005年，中國進口液化天然氣483噸，而2006年進口67.75萬噸，增幅高達1400余倍[3]。隨之而來的是我國在LNG冷能發(fā)電專利申請數(shù)量上的爆發(fā)式增長，特別是在2016年，我國相關專利的申請量，占全球總申請量的82.1%。

1.2 專利申請地域分布

專利申請的地域分布可以反映出一個國家或地區(qū)在某個技術領域的研發(fā)水平和技術實力。由于專利申請人一般會首先在其所在的國家和地區(qū)申請專利，然后在利用優(yōu)先權在其他國家申請專利，本文選擇原創(chuàng)國這一指標進行統(tǒng)計分析，得到專利申請原創(chuàng)國分布情況，如圖2所示。其中中國和日本占總申請量的36%和27%，其中中日韓美是LNG冷能發(fā)電的主要原創(chuàng)國家，上述幾個國家的相關申請量占到了全球申請總量的近90%。以上數(shù)據(jù)表明上述國家是LNG冷能發(fā)電最主要的技術原發(fā)地和創(chuàng)新市場，這些國家的相關企業(yè)和科研院所主導著LNG冷能發(fā)電。其中日本對冷能的利用在世界上處于領先地位，特別是在利用半導體材料冷能發(fā)電，具有較強的技術積累。而韓國研究的側(cè)重點主要在膨脹法發(fā)電能量利用效率的提高上。中國則是全面研究，在上述兩個側(cè)重點上均申請了較多專利，但從專利申請的質(zhì)量上來說，日本仍然相對優(yōu)于中國。

1.3 重要申請人分析

目前，關于LNG冷能發(fā)電專利申請的重要申請人，主要來自中日韓三國，其中中國擁有企業(yè)或科研院校各三家，韓國兩家，而日本則占有五家。總申請數(shù)量上來看，前10位重要申請人的申請量之和也只占全球申請總量的27.3%，說明該領域的研究者多而分散，尚未出現(xiàn)相關領域的龍頭企業(yè)或研究機構（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，主要開展LNG的零售，及LNG冷能發(fā)電業(yè)務。大宇公司、現(xiàn)代公司、三菱重工為三家綜合性的大型跨國公司，并擁有多元化的制造技術。

大宇公司是韓國著名的大型艦船制造商，其涉及的相關專利主要側(cè)重點在LNG船中LNG冷能的利用，特別是將一部分的LNG汽化過程中膨脹發(fā)電，并將該部分提供給LNG船的燃氣輪機作為燃料，同時將燃氣輪機的廢熱進行回收。三菱重工業(yè)務涵蓋機械、船舶、航空航天、原子能、電力、交通等領域，而現(xiàn)代集團是一家以建筑、造船、汽車行業(yè)為主，兼營鋼鐵、機械、貿(mào)易、運輸、水泥生產(chǎn)、冶金、金融、電子工業(yè)等幾十個行業(yè)的綜合性企業(yè)集團，上述兩家企業(yè)在LNG冷能發(fā)電中擁有一定數(shù)量的基礎性專利。

中海油集團是全球第三大LNG進口商，全球第五家擁有大型天然氣液化技術的公司。在其帶領下，中國已成為世界第三大LNG進口國，是繼美國、德國之后全球第三個擁有大型天然氣液化技術的國家。截止2015年底，中海油已經(jīng)擁有7個世界級大型LNG接收站，LNG年接收能力達到2780萬噸，2015年其進口LNG達到1316萬噸，中國目前近80%的LNG通過中海油進口。伴隨而來的是，中海油集團在LNG接收站至天然氣運輸管網(wǎng)的過程中，對LNG冷能回收研究的重視，其專利布局的側(cè)重點在于提高LNG冷能發(fā)電循環(huán)的能量利用效率上。中國科學研究院是中國頂級的自然科學學術機構，其利用在半導體、超導材料、熱電材料上研究的優(yōu)勢，在LNG溫差發(fā)電以及熱聲發(fā)電系統(tǒng)中積極進行專利布局。

1.4 LNG冷能發(fā)電專利國內(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，主要是國內(nèi)三大石油公司以及中國科學研究院等眾多科研院校均位于北京，而上海市緊隨其后，其申請人主要為上海電力大學、上海交通大學等科研院校。

1.5 專利技術發(fā)展演進

通過對LNG冷能發(fā)電技術各個時期的專利文獻進行梳理和分析，可以得到該領域的專利技術演進路線，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)，而隨后的改進主要是通過結構調(diào)整來提高整個流程的發(fā)電效率，其中直接膨脹法在其演進路線上的主要改進點是結合一級或多級朗肯循環(huán)，以及采用更多的膨脹機串聯(lián)來提高能量回收效率，亦或是借助的汽輪機的廢熱將朗肯循環(huán)中工作介質(zhì)汽化。

朗肯循環(huán)在其演進路線上的主要改進點是增加朗肯循環(huán)的復雜程度，在LNG從液化狀態(tài)吸熱變化到具有一定過熱度的完全氣態(tài)的過程中，設置多個與之換熱的朗肯循環(huán)，例如將朗肯循環(huán)的布置形態(tài)設置成：多級串聯(lián)或者并聯(lián)、相互耦合，這樣布置的深層次原因在于，通過增加朗肯循環(huán)的復雜程度來更好地回收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)的配比需要精確計算，應用起來有一定困難。

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、氮氣、二氧化碳，相比于朗肯循環(huán)采用壓縮機替換泵來實現(xiàn)對工質(zhì)的增壓，布雷頓循環(huán)在其演進路線上的主要改進點是結合直接膨脹法或者朗肯循環(huán)，以及增加膨脹機的數(shù)量。

溫差發(fā)電主要改進方向半導體材料性能以及低溫換熱器結構，在設計溫差發(fā)電裝置時必須對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，才能使半導體元件具有較高的熱電效率。從演進圖中可以清楚的看到半導體元件從常見的PN熱電元件，向管狀熱電元件、超導材料、納米級熱電元件發(fā)展。同時在溫差發(fā)電裝置中采用發(fā)動機廢熱或間接使用太陽能作為熱源，提高了溫差發(fā)電裝置的適用性。

2 結論

本文對LNG冷能發(fā)電相關專利進行了檢索和統(tǒng)計，從該領域的技術概況、技術分支、申請量態(tài)勢、地域分布以及申請人等切入點展開分析，歸納出該領域的技術演進路線，有助于審查員及相關科技工作者快速詳實全面了該領域的專利申請情況，從而提高理解和檢索的效率。

同時，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，我國在LNG冷能發(fā)電領域與發(fā)達國家相比，仍然處于跟隨者的位置，均是由發(fā)達國家設計出基礎發(fā)明，我國據(jù)此進行細微結構調(diào)整或結構組合來進一步優(yōu)化，在技術上依賴度較高，特別是在溫差發(fā)電這一技術分支中，我國在材料方面的差距比較明顯，未來我國需要加強在基礎理論，基礎材料上的研究，才能防止受制于人。

參考文獻：

[1]賀紅明，林文勝.基于LNG冷能的發(fā)電技術[J].低溫與超導，2006，34（6）.

[2]饒文姬.利用LNG冷能與低溫太陽能的新型聯(lián)合動力循環(huán)研究[D].重慶大學，2014.

[3]羅惠芳.液化天然氣冷能利用的研究[D].華中科技大學，2011.