船用LNG再液化技術專利分析

楊 靜，周 毅，何金平，王炳軒，王連佳

(中海油能源發展采油服務公司 天津 300452)

0 引 言

1 國內外專利態勢分析

專利信息具有規范、可靠、內容詳實、時效性強等特點，進行船用LNG 專利綜合分析能夠獲取船用LNG 再液化技術發展現狀及趨勢。我國正在進行船用LNG 再液化技術研發工作，需要針對LNG 再液化系統、膨脹/壓縮機、電磁軸承、高速電機和換熱器5 項關鍵技術進行攻關[1]。本文針對船用LNG 再液化技術的專利進行了全面檢索[2]，篩選出了1965 年1 月1 日至2021 年5 月18 日申請的666 項專利，并從申請趨勢、技術構成、申請區域、申請人排名和創新主體等維度進行了專利態勢分析，從而全景呈現了船用LNG 再液化技術的發展現狀和趨勢，助力了我國相關單位研究主體了解全球技術創新發展情況，并為相關技術研發提供了啟示借鑒，推動了我國船用LNG 再液化技術的快速發展[3]。

1.1 技術構成分析

對篩選去噪后的666 項專利按照技術分支進行專利量統計分析，以了解船用LNG 再液化相關專利的技術構成情況。

如圖1 所示，LNG 再液化系統是船用LNG 再液化技術的研發重點。LNG 再液化系統的相關專利申請最多，達到544 項，占總申請量的82%；換熱器技術專利申請量有42 項，占總申請量的6%；膨脹機/壓縮機技術專利申請量有42 項，占總申請量的6%；電磁軸承技術專利申請量有24 項，占總申請量的4%；高速電機技術專利申請量有8 項，占總申請量的1%；其他技術專利申請量有6 項，占總申請量的1%，主要涉及LNG 泵相關技術。

圖1 專利技術構成占比分析Fig.1 Patent technology composition analysis

1.2 專利申請區域分析

對666 項專利申請的優先權國家(技術產出國)進行統計，獲得如圖2 所示的產出國分布圖。可以看出船用LNG 再液化技術的專利申請主要由韓國、美國、法國、中國和日本提出，這5 個國家總的申請量占世界總申請量的82%，可見該技術主要掌握在這幾個國家手中。

圖2 專利申請區域分布Fig.2 Patent application area distribution

韓國的專利申請最多達到236 項，占總申請量的36%，將這236 項專利同族拓展有458 件申請，發現其專利大部分在本國布局外，部分專利在中國、日本、歐洲、世界知識產權組織和美國等國家地區也有布局；美國排名第二，共93 項專利申請，占總申請量的14%，將這93 項專利同族拓展有448 件申請，其中約有1/3 的專利技術在本土布局，大部分專利技術布局在澳洲、歐洲和亞洲；法國排名第三，共91 項專利申請，占總申請量的14%，將這91 項專利同族拓展有450 件申請，其中約有1/4 的專利技術在本土布局，大部分專利技術都布局在美國、歐洲和亞洲等國家和地區；中國排名第四，共75 項專利申請，占總申請量的11%，將這75 項專利同族拓展有89 件申請，我國僅有幾件專利在國外布局；日本排名第五，共49 項專利申請，占總申請量的7%，將這49 項專利同族拓展有135 件申請，其中有約一半的專利技術在本土布局，其余都布局在中國、美國、歐洲和韓國等國家或地區。

對專利申請量排名前5 位的主要國家按照技術構成進行分類統計后獲得如圖3 所示的主要國家技術構成分析圖。在LNG 再液化技術上，韓國的專利量最多，其次是美國和法國。在膨脹/壓縮機上，美國專利最多。在換熱器技術上，中國專利最多。在電磁軸承和高速電機上，5 個國家的專利量均比較少。

圖3 主要區域技術構成分布Fig.3 Distribution of technical composition in main regions

韓國在LNG 再液化系統技術領域的專利申請量最多，達到226 項，占韓國總申請量的96%，高于LNG 再液化系統技術在世界總申請量的占比，說明韓國在該領域的技術優勢明顯，在換熱器和膨脹/壓縮機技術方向上分別有6 項和4 項申請；美國在LNG 再液化系統技術領域的專利申請量占比65%，低于LNG 再液化系統技術在世界總申請量的占比，在膨脹機/壓縮機技術領域的專利申請量占比26%，高于膨脹機/壓縮技術在世界總申請量的占比6%，說明美國膨脹機/壓縮技術的優勢明顯，在換熱器和電磁軸承技術方向分別有4 項和3 項申請；法國在LNG 再液化系統技術領域的專利申請量占比83%，高于LNG 再液化系統技術在世界總申請量的占比，法國在換熱器技術領域的占比11%，高于換熱器占世界專利總申請量6%的占比，說明法國LNG 再液化系統技術和換熱器技術具有較強優勢，在膨脹/壓縮機、電磁軸承和高速電機技術方向上分別有3 項、3 項和1 項申請；日本在LNG 再液化系統技術領域的專利申請量占比91%，高于LNG 再液化系統技術在世界總申請量的占比，在膨脹/壓縮機和換熱器技術方向各有2 項申請。

中國LNG 再液化系統技術的專利申請量最大，占中國專利總申請量的61%，低于LNG 再液化系統技術占世界專利總申請量82%的占比，與國外相比仍有差距；中國在換熱器技術領域的占比為20%，高于換熱器占世界專利總申請量6%的占比，說明中國在該領域的優勢明顯；中國在膨脹機/壓縮機、高速電機和電磁軸承技術方向上分別有6 項、3 項和1 項申請。

1.3 專利申請趨勢分析

圖4 展示了排名前五位的主要申請國家的專利申請趨勢的對比情況。法國相關專利在20 世紀60 年代就出現，是研究船用LNG 再液化技術最早的國家。2016 年專利申請量到達第一次小高峰(13 項)，這是因為法國液化空氣集團申請了10 余項相關專利；2017 年至今專利申請量每年仍有不少于7 項，并于2019 年再次達到第二次小高峰(15 項)，主要是因為法國液化空氣集團對LNG 再液化系統和換熱器進行了一定的技術研究。

圖4 主要技術產出國家申請趨勢對比Fig.4 Comparison of application trends in major technology output countries

美國的專利申請在20 世紀60 年代就出現，與法國時間相近。從開始到2019 年，除2014 年外，其余年份專利申請量均不超過6 項；2014 年專利申請量到達高峰，年申請專利12 項。

韓國在該領域的專利申請量排名第一，專利申請量在2005 年才開始出現，自2005 年起專利申請量一直保持較高水平，在 2008 年達到第一次小高峰(20 項)，主要是因為大宇造船海洋株式會社、三星重工集團和現代重工業株式會社在LNG 再液化系統及換熱器技術上進行了技術研究。2009 年至今，專利申請除個別年份申請量不足10 項外，其余年份的專利申請量在10～45 項之間，并于2015 年達到45 項專利申請高峰，這主要是由于大宇造船海洋株式會社加大了船用LNG 再液化技術的研發。

日本對船用LNG 再液化技術的研究起步較美國和法國晚，于20 世紀70 年代開始出現，專利申請量在5 項以內，并于2019 年達到5 項專利申請高峰，但近年申請量有緩慢上升趨勢。

中國在該領域的專利申請于20 世紀90 年代出現，涉及膨脹機/壓縮機技術，在2007 年出現了首項船用LNG 再液化技術專利。近年來，專利申請量處于較高水平，在2015 年達到了13 項的專利申請高峰。這主要是因為成都深冷液化設備股份有限公司、中國空分設備有限公司和中海石油氣電集團有限責任公司等創新主體都在進行相關領域的研究。2016 年至今，我國相關高校和公司也有一定技術創新，如浙江海洋大學、上海海威斯特保溫工程有限公司和哈爾濱理工大學等。

1.4 申請人排名

圖5 主要申請人排名Fig.5 Ranking of major applicants

有限責任公司(8 項)。可見在船用LNG 再液化技術方面的主要申請人中，韓國、美國和歐洲國家較多。

由各申請人技術分布可見，除SKF 公司技術僅涉及電磁軸承和高速電機技術研究外，LNG 再液化系統技術方向是主要申請人的研究重點，在膨脹機/壓縮機技術方向上，埃克森美孚公司和法國液化空氣集團分別有6 項和4 項申請；在換熱器技術方向上，法國液化空氣集團、現代重工業株式會社和林德集團分別有10 項、3 項和3 項申請。

2 主要創新主體專利分析

2.1 法國液化空氣集團

法國液化空氣集團的專利申請趨勢如圖6 所示。法國液化空氣集團在1967 年申請了首件專利；伴隨著其技術的合作發展和產品市場的開拓，于2019 年達到專利申請量18 項高峰，近2 年因未公開數據導致統計不完整使得申請量呈下降趨勢。

圖6 法國液化空氣集團專利申請趨勢分析圖Fig.6 Analysis diagram of patent application trends of French liquefied air group

從圖7 可以看出法國液化空氣集團在LNG 再液化系統技術領域中的專利申請量最大，共68 項專利申請，達到總申請量的82%；其次是換熱器，共10 項專利申請，達到總申請量的12%。膨脹/壓縮機和高速電機分別有4 項和1 項專利申請。可見法國液化空氣集團的研究重點主要集中在LNG 再液化系統領域。

圖7 法國液化空氣集團專利技術構成分析圖Fig.7 Analysis diagram of patented technology composition of French liquefied air group

如圖8 所示，法國液化空氣集團公司的83 項專利對應364 件專利申請，其在法國本國的專利申請最多，達到63 件申請；另外，法國液化空氣集團公司非常注重美國、日本、歐洲、中國、加拿大、韓國、澳大利亞等LNG 再液化市場，并進行了15～50 件以上的專利布局。其布局國家的選擇，一方面是為其自身的技術出口鋪平道路，另一方面是為潛在的競爭對手設置專利障礙。另外，該公司注重通過PCT 申請的方式進入各個國家申請專利，值得參考借鑒。

圖8 法國液化空氣集團專利布局分析圖Fig.8 Analysis diagram of patent layout of French liquefied air group

2.2 德國林德集團

如圖9 所示，林德集團(Cryostar)最早開始從1969 年進行專利申請，共申請專利28 項，雖每年申請量均不超過2 項，但其技術研究持續時間長，研究的延續性較好。2019 年至今，專利可能尚未公開或仍在審查導致統計不完整。

圖9 德國林德集團(Cryostar)專利申請趨勢分析圖Fig.9 Analysis diagram of patent application trends of Cryostar

從圖10 可以看出林德集團(Cryostar)在LNG 再液化系統技術領域中的專利申請量最大，共22 項專利申請，達到總申請量的78%；其次是換熱器，有3 項專利申請；膨脹/壓縮機有2 項申請；其他相關技術有1 項。

圖10 林德集團(Cryostar)專利技術構成分析圖Fig.10 Analysis diagram of patent technology composition of Cryostar

如圖11 所示，林德集團(Cryostar)在全球布局了125 件專利，主要在美國、歐洲、中國、韓國和日本，其中本土申請專利10 件，中國申請13 件，有8 件仍有效，故研發過程應注意風險規避，而其余5 件已失效，可直接借鑒(CN108507234A、CN108507394A、CN105593114A、CN102216668B、CN1172149C)。由于林德集團的產品主要用于出口，其重點是在技術出口國家進行專利布局。

圖11 林德集團(Cryostar)專利布局分析圖Fig.11 Analysis diagram of patent layout of Cryostar

3 技術發展建議

3.1 LNG再液化系統技術

當前全球LNG 應用市場不斷擴大，環境法規日益嚴格，需要提高LNG 再液化系統靈活性。LNG 再液化系統已然成為大型LNG 船的標配，LNG 逐漸成為一種普遍接受的燃料，并由此增加了小型LNG 船的使用。使用氮氣循環可提高操作的靈活性，因此，建議研發緊湊型、小型化氮氣膨脹式LNG 再液化系統，以增強LNG 再液化系統的靈活性及適用場景，同時優化LNG 再液化系統關鍵組件的布置，提高系統再液化效率的同時使系統更加節能環保、安全、高效、經濟。從瓦錫蘭公司最新專利成果來看，其設計采用緊湊的模塊化設計：所有設備位于同一橇裝裝置上，包括壓縮機、驅動電機、熱交換器、閥門控制器、儀表板，具有極好的負載調節功能，且操作靈活。

3.2 膨脹/壓縮機技術

傳統的液驅壓縮機能耗較高、氫氣易受到污染，離子液壓縮機使用一種特殊的幾乎不可壓縮的離子液替代傳統壓縮機中的活塞，氣體在氣缸中隨著離子液的上下運動所產生的容積變化被壓縮。離子液是一種具有特殊物理及化學性質的鹽分子，離子液體本身幾乎不可壓縮，并且幾乎沒有蒸汽壓，替代金屬活塞可以在等溫條件下產生高壓，能長期服役而無需維護，從而節省20%的能耗。離子液的主要優點是無飽和蒸氣壓和極低的氣體可溶性。建議研發基于離子壓縮的膨脹/壓縮機，且使用并聯支路分別為2 臺不同于離心式壓縮機的電機提供各自的冷卻，既可減少部件數量，同時可為氣體循環提供必要的驅動力。

3.3 換熱器技術

LNG 換熱器是低溫天然氣加工步驟的核心，按類型分為盤管式和板翅式。板翅式換熱器包括LNG一級制冷五股流、二級制冷四股流、三級制冷三股流和LNG 混合制冷劑多股流板翅式換熱器等，均屬于相變制冷型多股流低溫換熱器。板翅式換熱器板束結構緊湊，具有二次換熱特性，換熱效率高，可用于36～-164 ℃的LNG 低溫液化領域。建議研發高效節能型板翅式換熱器，同時關注主要國際市場參與者，如法液空、林德集團、氣體產品與化學等公司的最新產品和技術改進方向。■