CN109904868A - 船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法，包括：为船舶提供电力的发电机组、主配电板、用电设备、飞轮储能系统和能量管理系统，主配电板接收发电机组或飞轮储能系统提供的电力，用电设备接收主配电板分配的电力；飞轮储能系统包括电力变换器和飞轮储能装置，电力变换器连接至所述主配电板，且用于接收所述主配电板分配的电力或反馈电力至所述主配电板。本发明所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法，将飞轮储能技术应用于船舶电力系统中，通过能量管理系统协调船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作，使发电柴油机可持续工作于高效区，降低油耗，减少磨损，增加了船舶的经济性。

Description

船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及船舶发电柴油机领域，具体而言，尤其涉及一种船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法。

背景技术

海上货物运输以其运量大、运费低以及对货物适应性强等优点，成为国际贸易中主要的运输方式，国际贸易的蓬勃发展，从客观上要求作为主要运输工具的船舶向着大型化、高速化和自动化等方面发展，电站容量及负载功率也不断增大，这一切都对船舶电力系统的要求也越来越高。

而发电柴油机一直处于负荷不稳定状态运行，因为船上会有很多间断运行设备，且大功率设备运行期间功率波动也比较大。包括航行和停泊，例如船舶普通重吊船起重机(300t左右)，运行最大功率可达到200kW，2台同时运行就需要船舶电网具有400kW的功率储备，目前均是由运行柴油机运行功率与最大额定功率差值作为功率储备，此种工况运行柴油机平均功率会很低，对柴油机会非常不利，并且柴油机负荷低时会导致油耗率增加；燃烧性能变差、排放性能下降。而起重机落货时，又会有很大能量反馈到电网，目前基本采用电阻消耗功率做逆功保护，大量能量没有被利用。

发明内容

根据上述提出目前由运行柴油机运行功率与最大额定功率差值作为功率储备，此种工况下运行柴油机平均功率很低，对柴油机非常不利，并且柴油机负荷低时会导致油耗率增加；而重型起重机落货时，又会有很大能量反馈到电网，目前基本采用电阻消耗功率做逆功保护，大量能量没有被利用的技术问题，而提供一种船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法。本发明主要将飞轮储能技术应用于船舶电力系统中，通过能量管理系统协调船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作，使发电柴油机可持续工作于高效区，降低油耗，减少磨损，同时增强了船舶电力系统的稳定性与安全性，并且还可以回收反馈到电网的能量，增加了船舶的经济性。

本发明采用的技术手段如下：

一种船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置，包括：

发电机组，包括发电柴油机和发电机，所述发电柴油机工作驱动所述发电机发电，且将电力输送至配电设备；

主配电板，作为配电设备，接收发电机组或飞轮储能系统提供的电力，且输送分配至用电设备；

用电设备，接收主配电板分配的电力，且用于驱动用电设备工作；

飞轮储能系统，包括电力变换器和飞轮储能装置，所述电力变换器连接至所述主配电板，且用于接收所述主配电板分配的电力或反馈电力至所述主配电板，所述飞轮储能装置包括飞轮、电机和密封壳体，所述飞轮和电机设于所述密封壳体内，且所述电机用于驱动所述飞轮旋转蓄能或在飞轮的惯性旋转驱动下带动所述电机发电；

当船舶电力系统的用电负荷减小至指定值，所述主配电板将电力分配至所述飞轮储能系统，其电力变换器将接收的电力传输至飞轮储能装置，驱动电机旋转，进而带动飞轮旋转蓄能；

当船舶电力系统的用电负荷增大至指定值，所述飞轮惯性旋转带动所述电机发电，且将电力通过电力变换器传输至主配电板。

进一步地，所述的发电机组设有多组发电设备，每组发电设备包括一个发电柴油机和一个发电机。

进一步地，所述的发电机组设有三组发电设备，每组发电设备分别同所述主配电板连接。

进一步地，所述飞轮为高强度复合材料制成的高速飞轮。

进一步地，所述电机为电动/发电互逆式电机。

进一步地，所述飞轮储能系统还设有监测飞轮转速的监控仪表。

进一步地，所述用电设备包括锚机、起货机、舵机、绞缆机、压缩机、泵以及生活用电设备。

本发明还提供了一种上述船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置的使用方法，包括以下步骤：

当船舶上的能量管理系统检测到用电负荷减小后，飞轮储能系统工作于充电模式，主配电板向电力变换器配电，电机以电动机方式运行，飞轮在电机带动下加速旋转，将电能储存为飞轮旋转的动能，此时，飞轮储能系统充当一个用电负载设备，补偿用电负荷的减小，使发电柴油机维持工作于高效区；

当船舶上的能量管理系统检测到用电负荷增大时，飞轮储能系统工作于放电模式，电机以发电机方式运行，飞轮依靠惯性拖动电机发电，经过电力变换器后反馈给主配电板，向用电设备供电，使发电柴油机负荷保持恒定。

进一步地，当船舶在港口时，如果不接岸电，采用发电柴油机间歇、高负荷的为飞轮储能系统充电，再由飞轮储能系统持续为船舶用电设备供电。

进一步地，当发电柴油机故障，飞轮储能系统充当过渡能源为一些重要设备供电，等待备用发电机组启动、并网。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、发电柴油机可持续工作于高效区，降低油耗，减少磨损，减少排放，提高柴油机运行寿命。

2、增强了船舶电力系统的稳定性与安全性，并且还能够回收反馈到电网的能量，增加了船舶的经济性。

3、在港口时，通过发电柴油机与飞轮储能系统协同工作，可有效减少有害排放，减小噪音污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置示意图。

图2为为曼恩柴油机与透平公司公司的四冲程船用发电机组的最优燃油消耗率示意图。

其中：1、发电柴油机，2、发电机，3、主配电板，4、用电设备，5、飞轮，6、电机，7、第一轴承，8、第二轴承，9、密封壳体，10、真空室，11、电力变换器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置，包括：为船舶提供电力的发电机组、主配电板3、用电设备4、飞轮储能系统和能量管理系统(EMS)，所述发电机组包括发电柴油机1和发电机2，所述发电柴油机1作为原动机，工作驱动所述发电机2发电，且将电力输送至配电设备；所述主配电板3作为配电设备，接收发电机组或飞轮储能系统提供的电力，且输送分配至用电设备4，实现发电机组通过主配电板3为用电设备4提供电能；所述用电设备4接收主配电板3分配的电力，且用于驱动用电设备4工作；所述飞轮储能系统包括电力变换器11和飞轮储能装置，所述电力变换器11连接至所述主配电板3，且用于接收所述主配电板3分配的电力或反馈电力至所述主配电板3，所述飞轮储能装置包括飞轮5、电机6和密封壳体9，所述飞轮5和电机6设于所述密封壳体9内，且所述电机6用于驱动所述飞轮5旋转蓄能或在飞轮5的惯性旋转驱动下带动所述电机6发电。所述的电力变换器11是供电系统和所述电机6的媒介，可以实现能量的双向流动，具有调频、调压和整流功能。

当船舶电力系统的用电负荷减小至指定值，所述主配电板3将电力分配至所述飞轮储能系统，其电力变换器11将接收的电力传输至飞轮储能装置，驱动电机6旋转，进而带动飞轮5旋转蓄能；当船舶电力系统的用电负荷增大至指定值，所述飞轮5惯性旋转带动所述电机6发电，且将电力通过电力变换器11传输至主配电板3。

所述的能量管理系统包括发电管理子系统、负载管理子系统、配电管理子系统；所述的负载管理子系统具有负载功率检测、功率限制、负载解列等功能；所述的发电管理子系统可以控制发电机组的启动、停止、并车以及解列，对供电网络实时监测、控制；所述的配电管理子系统可实现电力配置及次序控制；能量管理系统检测发电机1发出功率与用电负载4功率，当用电负载4功率低于一定值(可设定)时，给飞轮储能系统发出信号，控制飞轮储能系统充电动作，充当一个用电负载，维持发电柴油机1工作于高效区，同理，当用电负载4功率高于一定值(可设定)时，控制飞轮储能系统放电动作。

在本发明的实施方式中，所述的发电机组设有多组发电设备，每组发电设备包括一个发电柴油机1和一个发电机2。优选的，如图1所示，以一般货船上三组发电机设置为例，所述的发电机组设有三组发电设备，每组发电设备分别同所述主配电板3连接，当然，在本发明的其他实施方式中，所述的发电机组可以根据电网的需要进行设计，设有一组、二组或四组发电设备，进而实现所述的发电机组可以单台发电机向电网供电，也可以由多台发电机并入电网为用电设备4供电。

在本发明的实施方式中，所述飞轮5为高强度复合材料制成的高速飞轮，所述高强度复合材料优选为碳纤维或玻璃纤维等高强度复合材料，以使所述飞轮5可以承受起告诉旋转时的离心力。所述飞轮5装配于旋转轴上，所述旋转轴同所述电机6的转子同轴设置，所述旋转轴的前后端装配有用于支撑润滑的第一轴承7和第二轴承8，所述飞轮5、电机6、第一轴承7和第二轴承8密封设置于所述密封壳体9内，使所述密封壳体9内部空间形成真空室10。所述第一轴承7和第二轴承8为磁悬浮轴承，且在旋转轴上配备相应的机械轴承，磁悬浮轴承可以在真空环境中以无摩擦的状态承载，机械轴承作为磁轴承失效时的备用。所述的密封壳体9采用高强度材料制成，防止飞轮5碎裂后对外界人员或设备造成损害。所述的真空室10为所述飞轮5、电机6、及第一轴承7以及第二轴承8提供一个真空的工作环境，减小空气阻力造成的能量损耗。

在本发明的实施方式中，所述电机6为电动/发电互逆式电机，例如，现有产品GTR200采用的可达36000转的高速永磁电机，作为发电机使用时它是永磁同步发电机，它既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的特点。

在本发明的实施方式中，所述飞轮储能系统还设有监测飞轮5转速的监控仪表，所述的监控仪还可以表监测轴承温度、电流、电压、绕组温度、主功率回路温度等参数，保证系统的正常运行。

在本发明的实施方式中，所述用电设备4包括锚机、起货机、舵机、绞缆机、压缩机、泵以及生活用电设备。此时，实现所述主配电板3将发电机发出的电能分配至各种负载设备或分配电板。

如图1所示，一种上述船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置的使用方法，包括以下步骤：以1号发电机单独运行为例，船舶上用电设备4经常处于间断工作的状态，电力系统的负荷也随用电设备4的启停不断波动。

当船舶上的能量管理系统检测到用电负荷减小至A后，飞轮储能系统工作于充电模式，主配电板3向电力变换器11配电，电机6(可逆电机)以电动机方式运行，飞轮5在电机6带动下加速旋转，将电能储存为飞轮5旋转的动能，此时，飞轮储能系统充当一个用电负载设备，补偿用电负荷的减小，使发电柴油机1维持工作于高效区，有效的降低油耗。当船舶上的能量管理系统检测到用电负荷增大至B时，飞轮储能系统工作于放电模式，电机6(可逆电机)以发电机方式运行，飞轮5依靠惯性拖动电机6发电，经过电力变换器11后反馈给主配电板3，向用电设备4供电，使发电柴油机1负荷保持恒定，有利于发电柴油机1的运转；除此以外，由于飞轮储能系统的响应速度很快，在负荷变化时可以迅速反应，增加了船舶电力系统的稳定性。最终使电力系统的用电负荷维持在一个恒定的区间，在本发明的实施方式中，用电负荷减小至的A值为发电机组额定功率的60％，用电负荷增大至的B值为发电机组额定功率的80％，此时用电负荷会维持在发电机组额定功率60％-80％的区间内，当然，在本发明的其他实施方式中，根据指定的用电负荷设计要求，用电负荷减小至的A值为发电机组额定功率的60％，用电负荷增大至的B值为发电机组额定功率的85％，或用电负荷减小至的A值为发电机组额定功率的65％，用电负荷增大至的B值为发电机组额定功率的85％。如图2所示，为曼恩柴油机与透平公司(MAN Diesel&Turbo)公司的四冲程船用发电机组的最优燃油消耗率示意图，设计人员综合考虑各规定指标，设定用电负荷区间。

当船舶在港口时，如果不接岸电，采用发电柴油机2间歇、高负荷的为飞轮储能系统充电，再由飞轮储能系统持续为船舶用电设备4供电，既能使发电柴油机1处于良好工作状态，也减少了排放污染和噪声污染。

当发电柴油机1故障，飞轮储能系统充当过渡能源为一些重要设备供电，等待备用发电机组启动、并网，增强了船舶的安全性。

本发明所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置及其使用方法，该飞轮储能系统包括电力变换器和飞轮储能装置，电力变换器连接至主配电板，且用于接收主配电板分配的电力或反馈电力至主配电板，飞轮储能装置包括飞轮、电机和密封壳体，飞轮和电机设于密封壳体内，且电机用于驱动飞轮旋转蓄能或在飞轮的惯性旋转驱动下带动电机发电，将飞轮储能技术应用于船舶电力系统中，通过能量管理系统协调船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作，使发电柴油机可持续工作于高效区，降低油耗，减少磨损，同时增强了船舶电力系统的稳定性与安全性，并且还可以回收反馈到电网的能量，增加了船舶的经济性。

对于发电柴油机1而言，需要有一定功率储备用来满足用电设备4最大负荷，此装置通过能量管理系统使飞轮储能系统提供这部分功率，可选择功率更小的柴油机，提高发电柴油机1的工作效率，节省成本。且与现行的备用发电机组或应急发电机起动供电相比，可做到不间断切换。

对于船舶起货机，通常采用能耗制动，落货时产生的能量被能耗电阻消耗，白白浪费了这些能量，加入飞轮储能系统后，货物下降时反过来带动电机产生能量，反馈给电网后供给处于充电模式的飞轮储能系统，转化为飞轮5的动能储存起来。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，包括：

发电机组，包括发电柴油机和发电机，所述发电柴油机工作驱动所述发电机发电，且将电力输送至配电设备；

主配电板，作为配电设备，接收发电机组或飞轮储能系统提供的电力，且输送分配至用电设备；

用电设备，接收主配电板分配的电力，且用于驱动用电设备工作；

飞轮储能系统，包括电力变换器和飞轮储能装置，所述电力变换器连接至所述主配电板，且用于接收所述主配电板分配的电力或反馈电力至所述主配电板，所述飞轮储能装置包括飞轮、电机和密封壳体，所述飞轮和电机设于所述密封壳体内，且所述电机用于驱动所述飞轮旋转蓄能或在飞轮的惯性旋转驱动下带动所述电机发电；

当船舶电力系统的用电负荷减小至指定值，所述主配电板将电力分配至所述飞轮储能系统，其电力变换器将接收的电力传输至飞轮储能装置，驱动电机旋转，进而带动飞轮旋转蓄能；

当船舶电力系统的用电负荷增大至指定值，所述飞轮惯性旋转带动所述电机发电，且将电力通过电力变换器传输至主配电板。

2.根据权利要求1所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，

所述的发电机组设有多组发电设备，每组发电设备包括一个发电柴油机和一个发电机。

3.根据权利要求2所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，

所述的发电机组设有三组发电设备，每组发电设备分别同所述主配电板连接。

4.根据权利要求1所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，

所述飞轮为高强度复合材料制成的高速飞轮。

5.根据权利要求1所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，

所述电机为电动/发电互逆式电机。

6.根据权利要求1所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，

所述飞轮储能系统还设有监测飞轮转速的监控仪表。

7.根据权利要求1所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置，其特征在于，

所述用电设备包括锚机、起货机、舵机、绞缆机、压缩机、泵以及生活用电设备。

8.一种上述权利要求1所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

当船舶上的能量管理系统检测到用电负荷减小后，飞轮储能系统工作于充电模式，主配电板向电力变换器配电，电机以电动机方式运行，飞轮在电机带动下加速旋转，将电能储存为飞轮旋转的动能，此时，飞轮储能系统充当一个用电负载设备，补偿用电负荷的减小，使发电柴油机维持工作于高效区；

当船舶上的能量管理系统检测到用电负荷增大时，飞轮储能系统工作于放电模式，电机以发电机方式运行，飞轮依靠惯性拖动电机发电，经过电力变换器后反馈给主配电板，向用电设备供电，使发电柴油机负荷保持恒定。

9.根据权利要求8所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置的使用方法，其特征在于，

当船舶在港口时，如果不接岸电，采用发电柴油机间歇、高负荷的为飞轮储能系统充电，再由飞轮储能系统持续为船舶用电设备供电。

10.根据权利要求8所述的船舶发电柴油机与飞轮储能系统联合工作装置的使用方法，其特征在于，

当发电柴油机故障，飞轮储能系统充当过渡能源为一些重要设备供电，等待备用发电机组启动、并网。