一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统

1.本发明涉及的是一种船舶动力系统，具体地说是船舶混合动力系统。


背景技术：

2.目前以柴油机为主的船舶动力系统存在高污染，低能耗，碳排放高的缺点，因此亟需寻求一种低碳高效的动力系统来满足日益严格的减碳需求，适应未来低碳化乃至零碳的目标。
3.氨燃料作为一种清洁燃料，广泛的被应用于化学工业中。氨燃料同时作为一种零碳燃料，近年来逐渐引起船舶动力领域广泛关注。尽管目前船舶工业已提出了氨燃料发动机概念但是受限于技术限制目前仍未有成熟的产品。一方面，对于氨燃料发动机的性能缺乏全面的研究，另外一方面，对于氨燃料发动机匹配何种动力系统也未有明确的技术方案。因此，目前氨燃料发动机的研发仍处于初步阶段，氨燃料发动机的混合动力系统更是处于技术空白阶段。
4.船舶混合动力系统兼有传统内燃机推进和纯电力推进的优点，混合动力系统在综合能效，节能减排以及振动噪声方面有着明显的优势，同时相较于纯电力推进系统，匹配小容量的电池就能够满足长续航里程，成本较低。基于氨燃料发动机的混合动力系统能够既满足零碳动力的要求，同时能够弥补氨燃料发动机的低负荷效率低，冷启动困难等问题，电机的引入同时能够改善氨燃料发动机的动态特性，实现多动力源的优势互补。余热利用回收技术能够回收发动机产生的废热，是节能减碳的重要手段之一。混合动力系统由于多能源装置集成的特点，同样存在多热源能够进行余热再回收，目前关于余热回收系统在船舶混合动力系统上的应用技术仍然较少。
5.基于氨燃料发动机的混合动力系统将成为未来零碳动力的最佳动力形式之一，因此，布局氨燃料发动机混合动力系统知识产权对于提前抢占国际技术高地，进行氨燃料发动机混合动力关键技术保护具有非常重大的意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供能实现氨燃料发动机与电机，混合动力推进，同时应用梯度余热回收利用系统减少船舶碳排放的一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.本发明一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，其特征是：包括变距桨、离合器、双馈感应电机、氨燃料电池、氨燃料发动机、蒸发过热器、换热板、高压汽包、汽轮机、蒸汽涡轮、发电机、热电模块、电网、有机朗肯介质，氨燃料发动机输出端通过离合器分别连接双馈感应电机、变距桨，双馈感应电机的转子励磁绕组经过变频器连接到氨燃料电池输出端，双馈感应电机的定子绕组直接与电网连接，有机朗肯介质包括两部分，一部分有机朗肯介质经过换热板与氨燃料电池换热，另一部分经过第一三通阀、第二三通阀与
换热器与双馈感应电机内部冷却水换热，最终汇总生成有机朗肯流体，之后与氨发动机增压中冷后的压缩空气换热，蒸发过热成有机朗肯饱和蒸汽并进入低压汽包，之后经过第二单向阀进入汽轮机做功带动发电机输出电能并网，膨胀做功后的有机介质一部分经过第四三通阀进入到热电模块的热端换热，产生电能为双馈电机供电，流出热电模块的有机工质与流出汽轮机的工质经过第一冷凝器与冷却水换热，经第二有机工质泵重新进行有机朗肯循环进行余热回收。
9.本发明还可以包括：
10.1、经第二冷凝器冷却的水通过第一水泵泵送氨燃料发动机中与滑油、缸套水进行换热，经二者预热之后，水进入到蒸发过热器中，与氨燃料发动机排气进行换热，其中与水进行换热的氨燃料发动机排气分为两部分，一部分为涡轮增压器后的排气，另外一部分为废气再循环过程中的排气；预热水经过与排气换热之后，变为高温的过热蒸汽，过热蒸汽进入到高压汽包后经第一单向阀进入到蒸汽涡轮进行做功，蒸汽涡轮带动发电机发电并网，膨胀后的蒸汽一部分经过第三三通阀进入到热电模块热端进行继续热能利用发电，另一部分与热电模块换热后的蒸汽一起经过第二冷凝器冷却重新进行蒸汽朗肯循环进行余热回收。
11.2、启动模式下，变频器控制双馈感应电机倒拖氨燃料发动机进行启动，双馈感应电机的电力来源即由逆变器控制氨燃料电池与热电模块发出的电力直接提供。
12.3、机械模式下，离合器结合，双馈感应电机不工作，氨燃料发动机经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨。
13.4、电力推进模式下，双馈感应电机启动，离合器断开，氨发动机不工作，双馈感应电机驱动变距桨，当船舶船速较低时，齿轮箱选择高转速比档位，当船舶船速较高时，选择低转速比档位；当船舶处于靠岸或泊行时，变距桨螺距减小以满足双馈感应电机的转速范围，同时齿轮箱转速比选择高转速比档位。
14.5、混合推进模式离合器结合，双馈感应电机与氨燃料发动机经由齿轮箱联合驱动变桨距螺旋桨，下双馈感应电机由船舶电网供电经由变频器控制，氨燃料发动机工作在恒功率模式或者最优经济曲线模式，通过调节变距桨螺距比与双馈感应电机转速来进行发动机工作区间优化。
15.6、发电模式下离合器结合，氨燃料发动机一部分功率带动双馈感应电机发电，一部分功率经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，双馈感应电机包括两种方式向电网馈电，采用调节变距桨螺距比使氨发动机转速为额定转速发出50hz频率电力时，直接向船舶电网馈电，此时变频器不工作，双馈感应电机作为异步电机；当双馈感应电机转速小于额定转速时，通过变压变频器控制输出电力的频率电压船舶电网馈电。
16.本发明的优势在于：
17.1、本发明提出一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，设置有氨燃料发动机、双馈感应电机、双速比齿轮箱、离合器，功率覆盖范围广，可以满足船舶在各种工况下的动力需求，减少了污染物及二氧化碳的排放，具有明显技术效果如下：首先，采用双馈感应电机能够减少变频器容量，相较于传统船舶设置的pto感应或同步电机，其变频器容量降低50％；同时由于设置了氨燃料电池以及热电模块，使得双馈感应电机在启动时无需设置启动发电机组且双馈感应电机转子绕组所需的交流电是直接从氨燃料电池获得直
流经过逆变器变频而来，相较于传统双馈感应电机少了交直交变换环节，提高了能量传递效率。双速比齿轮箱的设计克服了双馈感应电机转差范围较小导致难以满足船舶低航速航行的需要，同时配合变距桨的设计能够避免双馈感应电机在低速下扭矩较小的问题，更能够满足低速航行大扭矩的需求，提高了动力系统推进效率。氨燃料发动机与双馈感应电机的设置，一方面能够通过双馈感应电机调节氨燃料发动机的工作空间，提高氨燃料发动机的工作效率；另一方面能够解决大功率氨燃料发动机由于氨燃料着火点高导致启困难的难题，同时氨燃料发动机在低负荷工况燃烧不充分，动态特性差，通过的双馈感应电机能够利用快速扭矩响应进行扭矩协调控制以满足航行需求。
18.2、双馈感应电机向船舶电网具有两种馈能模式，一是氨燃料发动机定转速运行，船舶可以通过可变桨距进行变航速运行，双馈电机可以直接与船舶电网并网，二是当氨燃料发动机与可变桨距螺旋桨都采用变速运行双馈电机通过变频器调节转子励磁绕组同步发电的频率与相位实现与船舶电网并网，可以看到明显技术效果两种馈电方式避免了电力损耗仅仅依靠软件控制实现并网，并且以小容量的变频器控制双馈感应电机转子绕组，实现变速发电，提升了发电效率与成本。两者进行不同模式下的选择能够实现氨燃料发动机的效率最佳优化。
19.3、本发明提出一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，实现了船舶混合动力系统热能的梯级利用，根据系统不同废热源的温度，设计了有机朗肯循环，蒸汽朗肯循环双回路余热回收系统，采用了氨燃料发动机润滑油、缸套水余热，排气过热的思路来进行蒸汽朗肯循环；采用氨燃料电池排气预热，氨燃料发动机压缩后中冷空气过热的思路进行有机朗肯循环，充分兼顾了不同品质的热源的利用，提高了废热回收的能量与效率，同时热电发电模块的引入也对于低温热源进行了进一步的利用，降低了系统能耗。
20.4、采用本系统提供的船舶混合动力系统，适用于大型远洋船舶动力系统，既能够满足零碳航行的要求，又能够保证氮氧化物等污染物排放少，同时保证远洋航行的续航里程。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
23.结合图1，本发明一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，包括变距桨1、齿轮箱2、离合器3、双馈感应电机4、双馈感应电机变频器5、氨燃料电池6、氨燃料发动机7、压缩空气换热器8、涡轮增压器9、排气管10、进气管11、中冷器12、滑油及缸套水13、蒸发过热器14、换热板15、三通阀16a、16b、16c、高压汽包17、低压汽包18、汽轮机19a、有机工质汽轮机19b、单向阀20a、20b、发电机21、冷凝器22a、22b、水泵23a、有机工质泵23b、热电模块24。氨燃料发动机7输出端经过齿轮箱2中的离合器3分别与双馈感应电机4以及变距桨1机械连接；双馈感应电机4转子励磁绕组经过变频器5连接到氨燃料电池6输出端，定子绕组直接与电网连接。
24.低压有机朗肯回路中的一部分有机朗肯介质经过换热板15与氨燃料电池6换热，
另一部分经过三通阀16a、16b与换热器8与双馈感应电机4内部冷却水换热，最终汇总生成具有一定温度的有机朗肯流体，之后与氨发动机7增压中冷12后的压缩空气换热，蒸发过热成有机朗肯饱和蒸汽并进入低压汽包12，之后经过单向阀20b进入有机朗肯汽轮19a做功带动发电机21输出电能并网。膨胀做功后的有机介质一部分经过三通阀16d进入到热电模块24的热端换热，产生电能为双馈电机4供电，流出热电模块24的有机工质与流出有机工质汽轮机19a的工质经过冷凝器22a与冷却水换热，最后经有机工质泵23b重新进行有机朗肯循环进行余热回收。蒸汽朗肯循环回路为：经冷凝器22b冷却的水通过水泵23a泵送氨燃料发动机7中的与滑油、缸套水13进行换热，经二者预热之后，具有一定温度的水进入到蒸发过热器14中，与高温度的氨燃料发动机7排气进行换热，其中与水进行换热的氨燃料发动机7排气分为两部分，一部分为涡轮增压器9后的排气，另外一部分为废气再循环过程中的排气。预热水经过与排气换热之后，变为高温的过热蒸汽，过热蒸汽进入到高压汽包17后经单向阀20a进入到蒸汽涡轮19b进行做功，汽轮机19b带动发电机21发电并网。膨胀后的蒸汽一部分经过16c进入到热电模块24热端进行继续热能利用发电，另一部分与热电模块换热后的蒸汽一起经过冷凝器22b冷却重新进行蒸汽朗肯循环进行余热回收。
25.本发明的工作模式主要以下几种工作模式
26.启动模式为船舶备车工况时由变频器5控制双馈感应电机4倒拖氨燃料发动机7进行启动，双馈感应电机4的电力来源即由逆变器5控制氨燃料电池6与热电模块24发出的电力直接提供。此设置既能防止船舶电网故障导致动力不足，又能减少电力传递过程中的能量损耗；
27.机械模式下，离合器3结合，此时双馈感应电机4不工作，氨燃料发动机7经过齿轮箱2驱动变桨距螺旋桨1。
28.电力推进模式下，双馈感应电机4启动，离合器3断开，氨发动机7不工作，由双馈感应电机4驱动变距桨1，此时可以根据航速、螺距比选择齿轮箱的转速比。其控制规则为当船舶船速较低时，此时齿轮箱2选择高转速比档位，当船舶船速较高时，选择低转速比档位；当船舶处于靠岸或泊行时，此时将变距桨1螺距减小以满足双馈感应电机4的转速范围，同时齿轮箱2转速比也应选择高转速比档位。
29.混合推进模式离合器3结合，双馈感应电机4与氨燃料发动机7经由齿轮箱2联合驱动变桨距螺旋桨1，该模式下双馈感应电机4由船舶电网供电经由变频器5控制。该模式下，氨燃料发动机7可以工作在恒功率模式或者最优经济曲线模式，通过调节变距桨1螺距比与双馈感应电机4转速来进行发动机工作区间优化。
30.发电模式下离合器3结合，氨燃料发动机7一部分功率带动双馈感应电机4发电，一部分功率经过齿轮箱2驱动变桨距螺旋桨1，此时双馈感应电机4可以有可以由两种方式向电网馈电，采用调节变距桨1螺距比使氨发动机7转速为额定转速发出50hz频率电力时，直接向船舶电网馈电，此时变频器5不工作，此时双馈感应电机4可以作为异步电机；当双馈感应电机4转速小于额定转速时，通过变压变频器5控制输出电力的频率电压船舶电网馈电。

技术特征：
1.一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，其特征是：包括变距桨、离合器、双馈感应电机、氨燃料电池、氨燃料发动机、蒸发过热器、换热板、高压汽包、汽轮机、蒸汽涡轮、发电机、热电模块、电网、有机朗肯介质，氨燃料发动机输出端通过离合器分别连接双馈感应电机、变距桨，双馈感应电机的转子励磁绕组经过变频器连接到氨燃料电池输出端，双馈感应电机的定子绕组直接与电网连接，有机朗肯介质包括两部分，一部分有机朗肯介质经过换热板与氨燃料电池换热，另一部分经过第一三通阀、第二三通阀与换热器与双馈感应电机内部冷却水换热，最终汇总生成有机朗肯流体，之后与氨发动机增压中冷后的压缩空气换热，蒸发过热成有机朗肯饱和蒸汽并进入低压汽包，之后经过第二单向阀进入汽轮机做功带动发电机输出电能并网，膨胀做功后的有机介质一部分经过第四三通阀进入到热电模块的热端换热，产生电能为双馈电机供电，流出热电模块的有机工质与流出汽轮机的工质经过第一冷凝器与冷却水换热，经第二有机工质泵重新进行有机朗肯循环进行余热回收。2.根据权利要求1所述的一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，其特征是：经第二冷凝器冷却的水通过第一水泵泵送氨燃料发动机中与滑油、缸套水进行换热，经二者预热之后，水进入到蒸发过热器中，与氨燃料发动机排气进行换热，其中与水进行换热的氨燃料发动机排气分为两部分，一部分为涡轮增压器后的排气，另外一部分为废气再循环过程中的排气；预热水经过与排气换热之后，变为高温的过热蒸汽，过热蒸汽进入到高压汽包后经第一单向阀进入到蒸汽涡轮进行做功，蒸汽涡轮带动发电机发电并网，膨胀后的蒸汽一部分经过第三三通阀进入到热电模块热端进行继续热能利用发电，另一部分与热电模块换热后的蒸汽一起经过第二冷凝器冷却重新进行蒸汽朗肯循环进行余热回收。3.根据权利要求1所述的一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，其特征是：启动模式下，变频器控制双馈感应电机倒拖氨燃料发动机进行启动，双馈感应电机的电力来源即由逆变器控制氨燃料电池与热电模块发出的电力直接提供。4.根据权利要求1所述的一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，其特征是：机械模式下，离合器结合，双馈感应电机不工作，氨燃料发动机经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨。5.根据权利要求1所述的一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，其特征是：电力推进模式下，双馈感应电机启动，离合器断开，氨发动机不工作，双馈感应电机驱动变距桨，当船舶船速较低时，齿轮箱选择高转速比档位，当船舶船速较高时，选择低转速比档位；当船舶处于靠岸或泊行时，变距桨螺距减小以满足双馈感应电机的转速范围，同时齿轮箱转速比选择高转速比档位。6.根据权利要求1所述的一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，其特征是：混合推进模式离合器结合，双馈感应电机与氨燃料发动机经由齿轮箱联合驱动变桨距螺旋桨，下双馈感应电机由船舶电网供电经由变频器控制，氨燃料发动机工作在恒功率模式或者最优经济曲线模式，通过调节变距桨螺距比与双馈感应电机转速来进行发动机工作区间优化。7.根据权利要求1所述的一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，其特征是：发电模式下离合器结合，氨燃料发动机一部分功率带动双馈感应电机发电，一部分功率经过齿轮箱驱动变桨距螺旋桨，双馈感应电机包括两种方式向电网馈电，采用调节变距
桨螺距比使氨发动机转速为额定转速发出50hz频率电力时，直接向船舶电网馈电，此时变频器不工作，双馈感应电机作为异步电机；当双馈感应电机转速小于额定转速时，通过变压变频器控制输出电力的频率电压船舶电网馈电。

技术总结
本发明的目的在于提供一种基于综合余热梯度利用的船舶氨-电混合动力系统，包括氨燃料发动机、双馈感应电机、螺旋桨、齿轮箱、离合器、余热回收系统、变电装置、燃料电池、热电发电模块以及冷凝器等。本发明的技术方案，能够实现氨燃料发动机与双馈感应电机的混合推进，同时能够实现混合而动力系统余热梯度利用，充分提高能量利用率，进一步提高了整船推进效率。率。率。


技术研发人员：范立云 徐超 徐魁 陈澳雪 陈雅
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/5