LNG冷能发电专利技术分析

丁贺

摘  要：LNG冷能发电是LNG冷量回收的重要手段。文章基于CNABS和DWPI数据库，通过检索、筛选、统计以及分析国内外有关LNG冷能发电的专利申请文献，梳理了LNG冷能发电技术领域的技术发展脉络，重点对专利申请的年度分布、地域分布、重点申请人等方面信息进行分析，并归纳出LNG冷能发电的重要技术分支的专利技术演进路线，为国内相关企业，科研院所进行LNG冷能发电的专利技术开发、专利布局提供参考。

关键词：LNG;液化天然气;冷能;发电;专利分析

中图分类号：TM619 文献标志码：A         文章编号：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温度约为-161.5℃，处于超低温状态，最终大多以气态形式加以利用，这就需要先将LNG汽化成天然气，再通过管道输送给用户，LNG汽化过程释放大量的冷能，约为830kJ/kg。在目前回收LNG冷能的诸多方法当中，利用LNG冷能发电是应用较多，技术较为成熟的方法，利用LNG冷能发电，可回收LNG大部分温度段的冷能，而其它的利用方式（例如空温、低温粉碎、冷库等）则主要针对某段温度区域的少量冷能进行回收。目前，世界上已有多套LNG冷能发电装置在运行。可以计算，若LNG蕴含冷能全部转化为电能，则其能量利用价值大约为240kWh/t，以300万吨LNG/年的进口量计算，每年可利用的冷能达到7.5亿kWh[1]。而中国现每年进口的LNG总量不断增加，其携带的冷能非常巨大，利用LNG冷能发电有重要的意义，它不仅可以为LNG接收站设备供电，例如目前日本大阪接收站53%的用电来自于LNG冷能发电，除供接收站自用外，多余电力还可以通过电网输送给用户使用，用以缓解接收站周边地区存在的电力供应紧张的状况。其中，LNG冷能发电的方式主要分为两种，膨胀发电和温差发电，其中前者可进一步细分为直接膨胀法，朗肯循环法和布雷顿循环法。

1 LNG冷能发电技术发展状况

本文选择CNABS中文检索数据库以及DWPI外文检索数据库，通过全面检索获得初步专利数据样本，最后经过去噪、人工筛选、标引得到最终所要分析的数据样本，进一步从专利分析角度对LNG冷能发电进行分析，分析项目及分析结果如下。

1.1 申请量年度分布

本文选用CNABS数据库和DWPI数据库进行检索，检索对象为发明和实用新型专利申请，通过对检索结果进行分析，得到LNG冷能发电专利申请量年度分布图，如图1所示。LNG冷能发电技术始于1969年，并且在2000年以前，全球相关专利的申请量主要由日本所主导，且日本对冷能的利用在世界上处于领先地位，目前全世界的LNG接受站中，日本所占数量居于前列，除了与发电厂配合使用外，还有26台独立的冷能利用设备，其中包括7台空气分离装置，3台生产能力为100t/d的制干冰装置台，16台低温朗肯循环独立发电装置[2]。近年来，随着LNG贸易的迅猛发展，很多国家都增加了对LNG冷能利用的关注。而在2000年以后，随着我国的环保意识的增强以及对清洁能源的需求增大，特别是我国2004年制定的全面能源发展战略，强调了用液化天然气（LNG）来优化我国能源结构。根据制定的发展战略，中海油、中石油和中石化都相继加快了海外天然气的引进步伐。中石油和化学工业协会统计的数字表明，2005年，中国进口液化天然气483吨，而2006年进口67.75万吨，增幅高达1400余倍[3]。随之而来的是我国在LNG冷能发电专利申请数量上的爆发式增长，特别是在2016年，我国相关专利的申请量，占全球总申请量的82.1%。

1.2 专利申请地域分布

专利申请的地域分布可以反映出一个国家或地区在某个技术领域的研发水平和技术实力。由于专利申请人一般會首先在其所在的国家和地区申请专利，然后在利用优先权在其他国家申请专利，本文选择原创国这一指标进行统计分析，得到专利申请原创国分布情况，如图2所示。其中中国和日本占总申请量的36%和27%，其中中日韩美是LNG冷能发电的主要原创国家，上述几个国家的相关申请量占到了全球申请总量的近90%。以上数据表明上述国家是LNG冷能发电最主要的技术原发地和创新市场，这些国家的相关企业和科研院所主导着LNG冷能发电。其中日本对冷能的利用在世界上处于领先地位，特别是在利用半导体材料冷能发电，具有较强的技术积累。而韩国研究的侧重点主要在膨胀法发电能量利用效率的提高上。中国则是全面研究，在上述两个侧重点上均申请了较多专利，但从专利申请的质量上来说，日本仍然相对优于中国。

1.3 重要申请人分析

目前，关于LNG冷能发电专利申请的重要申请人，主要来自中日韩三国，其中中国拥有企业或科研院校各三家，韩国两家，而日本则占有五家。总申请数量上来看，前10位重要申请人的申请量之和也只占全球申请总量的27.3%，说明该领域的研究者多而分散，尚未出现相关领域的龙头企业或研究机构（图3）。

大阪及东京两家气体公司以及新奥科技，其处于LNG产业链的下游，主要开展LNG的零售，及LNG冷能发电业务。大宇公司、现代公司、三菱重工为三家综合性的大型跨国公司，并拥有多元化的制造技术。

大宇公司是韩国著名的大型舰船制造商，其涉及的相关专利主要侧重点在LNG船中LNG冷能的利用，特别是将一部分的LNG汽化过程中膨胀发电，并将该部分提供给LNG船的燃气轮机作为燃料，同时将燃气轮机的废热进行回收。三菱重工业务涵盖机械、船舶、航空航天、原子能、电力、交通等领域，而现代集团是一家以建筑、造船、汽车行业为主，兼营钢铁、机械、贸易、运输、水泥生产、冶金、金融、电子工业等几十个行业的综合性企业集团，上述两家企业在LNG冷能发电中拥有一定数量的基础性专利。

中海油集团是全球第三大LNG进口商，全球第五家拥有大型天然气液化技术的公司。在其带领下，中国已成为世界第三大LNG进口国，是继美国、德国之后全球第三个拥有大型天然气液化技术的国家。截止2015年底，中海油已经拥有7个世界级大型LNG接收站，LNG年接收能力达到2780万吨，2015年其进口LNG达到1316万吨，中国目前近80%的LNG通过中海油进口。伴随而来的是，中海油集团在LNG接收站至天然气运输管网的过程中，对LNG冷能回收研究的重视，其专利布局的侧重点在于提高LNG冷能发电循环的能量利用效率上。中国科学研究院是中国顶级的自然科学学术机构，其利用在半导体、超导材料、热电材料上研究的优势，在LNG温差发电以及热声发电系统中积极进行专利布局。

1.4 LNG冷能发电专利国内地域分布分析

从图4可以看出，LNG冷能发电的专利主要分布在北京、上海、辽宁、江苏、广州、河北、浙江、四川等省市，其中北京排名第一位，主要是国内三大石油公司以及中国科学研究院等众多科研院校均位于北京，而上海市紧随其后，其申请人主要为上海电力大学、上海交通大学等科研院校。

1.5 专利技术发展演进

通过对LNG冷能发电技术各个时期的专利文献进行梳理和分析，可以得到该领域的专利技术演进路线，如图5所示：LNG冷能发电所采用直接膨胀法、朗肯循环法、布雷顿法均是比较传统的发电方式，在1990年前，三种发电方式就已经出现，而随后的改进主要是通过结构调整来提高整个流程的发电效率，其中直接膨胀法在其演进路线上的主要改进点是结合一级或多级朗肯循環，以及采用更多的膨胀机串联来提高能量回收效率，亦或是借助的汽轮机的废热将朗肯循环中工作介质汽化。

朗肯循环在其演进路线上的主要改进点是增加朗肯循环的复杂程度，在LNG从液化状态吸热变化到具有一定过热度的完全气态的过程中，设置多个与之换热的朗肯循环，例如将朗肯循环的布置形态设置成：多级串联或者并联、相互耦合，这样布置的深层次原因在于，通过增加朗肯循环的复杂程度来更好地回收LNG从-162～30℃，这一范围较大的温度区间上的冷量。朗肯循环中的工质（主要是制冷剂）可以是纯净物，也可以是多种制冷剂的混合物，常见的工质有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯，朗肯循环采用混合工质发电效率更好，但是混合工质的配比需要精确计算，应用起来有一定困难。

布雷顿循环是以气体为工质的制冷循环，工质主要有氦气、氩气、氮气、二氧化碳，相比于朗肯循环采用压缩机替换泵来实现对工质的增压，布雷顿循环在其演进路线上的主要改进点是结合直接膨胀法或者朗肯循环，以及增加膨胀机的数量。

温差发电主要改进方向半导体材料性能以及低温换热器结构，在设计温差发电装置时必须对所用的材料选取合适的工作温区，使传热系数处于较低的水平，才能使半导体元件具有较高的热电效率。从演进图中可以清楚的看到半导体元件从常见的PN热电元件，向管状热电元件、超导材料、纳米级热电元件发展。同时在温差发电装置中采用发动机废热或间接使用太阳能作为热源，提高了温差发电装置的适用性。

2 结论

本文对LNG冷能发电相关专利进行了检索和统计，从该领域的技术概况、技术分支、申请量态势、地域分布以及申请人等切入点展开分析，归纳出该领域的技术演进路线，有助于审查员及相关科技工作者快速详实全面了该领域的专利申请情况，从而提高理解和检索的效率。

同时，根据数据分析，我国在LNG冷能发电领域与发达国家相比，仍然处于跟随者的位置，均是由发达国家设计出基础发明，我国据此进行细微结构调整或结构组合来进一步优化，在技术上依赖度较高，特别是在温差发电这一技术分支中，我国在材料方面的差距比较明显，未来我国需要加强在基础理论，基础材料上的研究，才能防止受制于人。

参考文献：

[1]贺红明，林文胜.基于LNG冷能的发电技术[J].低温与超导，2006，34（6）.

[2]饶文姬.利用LNG冷能与低温太阳能的新型联合动力循环研究[D].重庆大学，2014.

[3]罗惠芳.液化天然气冷能利用的研究[D].华中科技大学，2011.