0 引　言

随着全球经济的快速发展，传统的石油与煤炭等能源已无法满足社会发展的需要。天然气作为一种绿色能源，因其液化后具有的运输方便、品质纯净等优点，受到各国能源进口的青睐，已逐渐发展成为全球能源战略的新目标。在天然气的生产和使用过程中，由于许多天然气的产地位于偏远地区，距离商业市场较远，大量天然气需要经过专业设备运输后才能最终投入使用。目前除管道运输外，LNG船舶运输当属天然气最主要的运输方式，全球也涌现了一股大型LNG船舶的建设热潮。在LNG船舶运输液化天然气过程中，由于船舶航行引起的船体晃荡和液化天然气自身所具有的低温性、易燃性、高蒸发性，导致低温LNG进料、出料、储存时极易蒸发气化，进而形成蒸发气^[1]。为了减少蒸发气的产生和解决由其引发的各类安全性问题，亟需构建一套完整的蒸发气处理系统予以应对。当下蒸发气处理系统主要是指与液化天然气各主要生产单元紧密相关的全域性系统，主要由BOG压缩机、分液罐、回流鼓风机和再冷凝器组成。作为LNG船舶的重要组成部分，蒸发气处理系统的成熟与完善直接影响到LNG运输的安全性、经济性与环保性，因此优化LNG船舶蒸发气处理系统，提升其技术水平对减少液化天然气运输损耗、提升运输效率、保障运输安全具有重要意义。

专利是科技创新的重要表现形式，是能够反映科学技术发展水平最新动态的情报文献^[2]。目前，专利分析的应用已经非常成熟，并且已有大量学者从专利角度对船舶、LNG进行专利分析以探究相关领域的技术发展态势。如吴月霞等^[3]基于专利视角，从从焊接材料、焊接工艺、焊接设备和焊接质量检测4个方面揭示LNG燃料船领域的技术演化路径。齐廉文等^[4]从专利角度全面分析了LNG船舶换热器技术的发展现状与趋势，并认为中国在LNG换热器领域主要集中于微细槽道成型技术的研究。吴洁等^[5]利用专利分析方法，从多角度研究了BOG处理技术发展态势，并认为企业应当在涡轮布雷顿制冷技术方面进行重点研发和专利布局。谢颖等^[6]从专利角度对浮式生产储油卸油装置（FPSO）开发技术的演化态势展开分析，研究发现FPSO的技术点主要侧重于标准化船壳设计、模块化FPSO设计和FPSO一体化建造。

然而，现有文献少有从专利角度对LNG船舶蒸发气处理系统领域展开研究，鉴于LNG船舶对国家能源战略实施的重要意义以及蒸发气处理系统之于LNG船舶建造的重要性，本文基于专利视角，对LNG船舶蒸发气处理系统展开专利技术分析，以探究LNG船舶蒸发气处理系统领域的技术现状和发展趋势，为企业和相关科研人员在该领域的专利布局提供理论支撑。

1 专利信息分析

本文在Patsnap全球专利数据库中以“LNG船舶蒸发气处理系统（LNG ship evaporative gas treatment system）”、“LNG船舶蒸发气（Liquefied natural gas (LNG) ships evaporate gas）”等关键词进行初步检索，随后在阅读相关文献的基础上补充“闪蒸汽（flash steam）”、“汽化气体（BOG）”、“冷凝（condensation）”、“再液化（reliquefaction）”等中英文关键词和IPC分类号进行补充检索，以保证检索数据的全面性和准确性。截至2021年6月，得到专利2763件，其中由于专利从申请到公开最长有18个月的滞后期，所以2019年以后的专利申请量变化不能全面反映技术发展趋势，相关数据仅作展示。

1.1 全球专利申请趋势分析

图1给出了全球与中国LNG船舶蒸发气处理系统领域专利申请趋势以及中国专利占全球比例情况。图中数据显示在1953年以前，LNG船舶蒸发气处理系统领域仅有少量的专利申请，处于发展萌芽期，此阶段以技术积累为主；1954−1996年，随着世界经济发展和对天然气需求的提升，该领域的专利申请有所增加，但由于此期间能源消费主要以煤炭、石油等能源为主，天然气领域的相关技术并未得到全面发展，因而专利数量只呈现微弱的增长态势；1996年以后，伴随着绿色环保理念的深入和天然气在众多领域的应用，LNG船舶蒸发气处理系统技术进入快速发展阶段，此时全球专利申请量大幅增长，并于2013年达到顶峰。此后虽然该领域年专利申请量有所下降，但均保持较高的数量水平，表明该技术仍是液化天然气相关领域研发的热点，处于技术发展的活跃阶段。中国在LNG船舶蒸发气处理系统领域的技术研发起步较晚，专利申请最早出现在2002年，此后申请趋势与全球情况保持一致。从中国专利申请占比来看，占比水平呈逐年上升的趋势，这一方面说明我国对LNG船舶蒸发气处理系统领域技术研发的重视，也反映出我国在该领域的创新能力和影响力正在不断提升。

1.2 全球专利申请人分布

表1给出了LNG船舶蒸发气处理系统领域全球专利申请排名前10的重要申请人情况。从申请数量来看，全球重要申请人排名前3位的分别是大宇造船海洋股份公司、三星重工业株式会社和埃克森美孚，其中韩国申请人占据前两位且数量优势明显，说明韩国在LNG船舶蒸发气处理系统领域占据技术主导地位，具有雄厚的研发实力，而中国申请人未能进入全球重要申请人前10，说明我国在该领域缺少实力雄厚的领军型企业，创新主体竞争力不足。从近5年专利申请所占百分比来看，川崎重工业株式会社、大宇造船海洋股份公司、三星重工业株式会社等日韩企业的占比较高，表明相关国家和企业处在该领域的快速发展阶段，大量专利产出集中在近5年，而美国、澳大利亚、挪威等国的企业近5年专利申请量占比相对较低，说明此类老牌西方技术先进国家近些年在该领域的投入研发较少，大量专利集中在早期。

1.3 技术焦点分析

IPC作为世界各国专利机构均采用的专利分类方法，对其数据进行统计分析可有效掌握相关领域的技术焦点和研发动态，进而为企业、高校等创新主体在该领域的专利布局提供有益参考^[7]。本文对检索到的2763件专利进行数据统计，将全球专利申请的IPC分类号统计至大组并排序，筛选出申请量排名前10的IPC技术作为技术焦点加以分析，具体内容如表2所示。

由表2可知，位列前10位的IPC专利申请中，F17C13（容器或容器装填排放的零部件）、F25J1（气体或气体混合物液化或固化的方法或设备）、F17C9（自非压力容器排放液化或固化气体的方法或装置）的专利申请均占总量的20%以上，说明在LNG船舶蒸发气处理系统领域，容器的优化、气体的固液化以及相关气体排放是该领域的技术焦点。

2 专利技术演化分析 2.1 核心专利筛选 2.1.1 核心专利筛选指标

作为专利分析的重要基础，识别核心专利有助于筛选出相关领域的关键技术，为技术演化路径分析提供高质量样本。在参考国内外已有文献的基础上，借鉴谢颖等^[6]、谢萍等^[8]、张娴等^[9]的方法，构建核心专利筛选指标体系，具体见表3。采用专家打分法和层次分析法确定专利筛选指标权重，并以此计算出LNG船舶蒸发气处理系统领域相关专利的综合得分。

2.1.2 核心专利筛选结果

专利技术演化分析对探究LNG船舶蒸发气处理系统领域的技术发展具有重要意义。以LNG船舶蒸发气处理系统领域的技术焦点和核心专利为样本挑选出重点专利18件，并基于技术的时间演化特征分析LNG船舶蒸发气处理系统领域的技术发展态势，其技术演化路径如图2所示。

由图2可知，LNG船舶蒸发气处理系统领域的技术演化最早可追溯到1955年，主要以直接压缩工艺、再冷凝工艺、再液化工艺^[10]为轴点展开技术演化，具体涉及压缩机组及其控制方法、冷凝器耐用性提升、压力控制、热交换器优化、降低设备运行成本、压缩制冷等方面的技术。

2.2 核心专利技术分析 2.2.1 直接压缩工艺

根据图3可以看出，直接压缩工艺的专利技术路线演变主要围绕低温压力处理到一整套压缩机组控制方法的优化展开。具体而言，其主要涉及压缩机的结构优化、压缩机组的控制方法、压缩负荷的调控和提升压缩机运行稳定性等技术领域。

早期涉及直接压缩工艺专利技术主要以增强压缩机的低温压力为主，日本大阪瓦斯株式会社通过低温侧热交换器、泵送装置和液体压缩装置的有效组合以提升低温压力^[11]。与此同时，美国埃克森美孚上游研究公司通过利用低温冷却流程产生的能量回路使得压缩阶段所需的能量大幅减少，并在此基础上通过膨胀装置和热交换介质的能量传输提升了压缩机的压力供给^[12]。

随着直接压缩工艺的不断完善，直接压缩工艺专利技术主要以提升压缩机的运行稳定性为主。川崎造船厂提出一种压缩机控制方法：通过控制低负荷压缩机中的导叶来调节转速，进而达到提升压缩机的工作稳定性的效果^[13]。壳牌国际研究公司通过将压缩机的调节比降低到压缩机额定流量的30%和运用导向叶片控制膨胀机流量的方法有效避免了压缩机的喘振，进而提升其运行稳定性^[14]。

为解决气缸高压化时向压缩气缸供给润滑油所导致的LNG蒸发气处理系统发生故障的问题，三井易艾斯机械有限公司设计了一种无需向压缩后的气体混入润滑油的压缩机，该发明通过在气缸套内配置圆滑的活塞环和导向环以减少杆密封件的摩擦^[15]。气体运输技术公司（GTT）提供一种专用于LNG船舶的压力控制系统，该控制系统将通对压缩机旁通管路、连接流路和旁通阀的优化改进，令压力系统失效问题得到明显改善^[16]。

2.2.2 再冷凝工艺

图4为再冷凝工艺的专利技术演化情况。就再冷凝工艺而言，其重点专利的技术路线演变主要集中在冷凝性能研发与优化、缩小制冷成本、压力控制、冷凝器耐用性提升、减除杂质、增强结构稳定性等方面的研究。

早期再冷凝工艺技术主要集中于冷凝性能的研发和降低制冷成本。林德股份公司发明一种利用海水进行真空蒸发和冷凝的技术工艺，其主要通过热交换器和和压力容器将压缩液体由进料泵输送到闪蒸器与冷凝器中实现再冷凝^[17]。埃克森美孚上游研究公司则在使用相对廉价材料的基础上，通过构建混合制冷系统实现冷冻流的有效循环，使制冷成本大大降低^[18]。

随着再冷凝工艺相关技术的成熟，中期再冷凝工艺专利技术主要集中再冷凝装置的优化和压力控制。现代重工股份公司设计了一种热交换器与供应管线为一体的灰分循环再冷凝器，该冷凝器将供应管线与蒸发系统的热源连接到带有供给滚筒的喷嘴以此提高填充柱的热传递和混合效率^[19]。SENER工程系统控股公司通过减小再冷凝器的尺寸和设置LNG缓冲区来简化操作步骤且使压力值保持在安全范围内^[20]。

目前，再冷凝专利技术主要聚焦于去除堵塞杂志、增强结构防护性和稳定气压等方面。乔治洛德液化天然气有限公司提供一种新型BOG再冷凝装置。该装置通过调控制冷缓冲器与冷凝器之间的输送管道压力、优化调节阀装置的气流返回路径等措施使相关杂质堵塞管道问题得到有效解决^[21]。沪东中惠生(南通)重工有限公司提供了一种能够有效防止装置底部因碰撞而导致损坏的方案。同时该方案也可减少装置内部LNG气压不稳的情况发生^[22]。

2.2.3 再液化工艺

图5为再液化工艺的专利技术演化情况。就再液化工艺而言，其重点专利的技术路线演变主要集中在降低设备运行成本、热交换器的优化、多功能再液化装置的研制、扩大装置处理容量、提升再液化效率、降低能耗等方面。

早期再液化工艺专利技术主要集中于减少设备运行成本、降低热交换器压力损失与提升设备耐用性方面的研究。大宇造船海洋株式会社提供了一种再液化处理系统，该系统减少了再液化过程中蒸发气体的含氮量，使设备运行成本大大降低^[23]。东京瓦斯株式会社通过在LNG储罐中增加管线以降低饱和蒸气压和去除水、甲醇等杂质使得再液化热交换器的压力损失以及热交换性能降低的问题得到有效解决^[24]。

为妥善处理运输过程中产生的汽化气问题，三星重工业株式会社开发了能够同时装载LNG和LPG的船舶存储装置，该装置将LPG液化器安装在连接LNG储罐和LNG蒸发气体压缩机的循环管线上，这使得该装置能够兼顾处理石油气与天然气的液化^[25]。大宇造船海洋株式会社通过去除LD压缩机和再液化装置之间的支撑部件以及将液化天然气的外部热源进行集中化处理，使得装置容量明显增加^[26]。

为提升再液化效率，大宇造船海洋株式会社发明一种用于LNG船的蒸发气再液化方法，该方法主要通过控制再液化气体流通到热交换器时产生的能量波动来提高整体再液化效率^[27]。同时，国鸿液化气机械工程(大连)有限公司通过将LNG储存舱的一路排气出口连接于五级换热器的壳程冷侧和将一级换热器的壳程冷侧出口与天然气压缩机的入口连接，有效降低了船舶运行能耗和船东运营成本^[28]。

3 结　语

从专利发展态势来看，全球LNG船舶蒸发气处理系统技术专利申请具有明显的阶段性特征，近20年是该领域技术发展的快速增长期，但近些年的研究热度有所下降；该领域的主要申请人以韩国、日本、美国企业为主且申请人之间的专利数量和影响力差距较大，韩国企业在该领域有绝对的技术优势；中国虽然在该领域的技术研发起步较晚，但创新能力和影响力正在不断提升，具有较大的发展潜力。

从技术演化路径来看，LNG船舶蒸发气处理系统领域的技术研发主要集中在直接压缩工艺、再冷凝工艺、再液化工艺3个方面。具体而言，直接压缩工艺的技术研发主要围绕压缩机的结构优化、压缩机组的控制方法、压缩负荷的调控和提升压缩机运行稳定性展开，其中压缩负荷的调控和提升压缩机运行稳定性目前的技术热点；再冷凝工艺的技术重点主要集中在集中在冷凝性能研发与优化、缩小制冷成本、压力控制、冷凝器耐用性提升、减除杂质、增强结构稳定性方面，而减少杂质、提升装置防护性与耐用性是该领域的发展方向；再液化工艺主要集中于降低设备运行成本、热交换器的优化、多功能再液化装置的研制、扩大装置处理容量、提升再液化效率、降低能耗等方面的研究，而提升再液化效率和降低设备运行成本是当下发展的侧重点。未来企业可结合自身实力和行业发展需求，着重在LNG船舶蒸发气处理系统领域的压缩机负荷调控、提升压缩机与再液化装置运行稳定性、降低能耗、增强设备防护性与耐用性等方面加大研发投入，实现该领域专利的精准布局。