CN111946411B - 船舶超临界二氧化碳储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种船舶超临界二氧化碳储能系统，包括：第一循环子系统、中间换热器、第二循环子系统和储能子系统，其中，第一循环子系统与第二循环子系统通过中间换热器热耦合，以使第二循环子系统内的超临界二氧化碳工质热交换后形成高温超临界二氧化碳工质，第二循环子系统与储能子系统连接，以使储能子系统内的介质与高温超临界二氧化碳工质热交换后形成热能和冷能。本发明实施例提供的船舶超临界二氧化碳储能系统，在为船舶提供电力的同时，实现了有限空间下能量的存储。在船舶需要发生改变时，储能子系统释放能量，产生电能，使船舶超临界二氧化碳储能系统能够在多种工况条件下进行切换，提高了能量的利用率以及动力系统变工况灵敏度。

Description

船舶超临界二氧化碳储能系统

技术领域

本发明涉及船舶动力技术领域，尤其涉及一种船舶超临界二氧化碳储能系统。

背景技术

动力系统是船舶等海洋平台的重要组成部分，直接决定了海洋平台的航速、续航能力、机动性以及日常运行及人员生活所需能源、电力等。北极地区地理与自然环境特殊，蕴含丰富的各类资源，逐渐成为各海洋强国发展的重点，核动力破冰船是极地海洋资源开发与极地勘探的重要设备，相比常规动力破冰船，核动力破冰船具有续航时间长、经济性较好等优点。压水堆结合蒸汽朗肯循环是当前较为常见的核动力破冰船动力系统形式，其技术较为成熟，然而相比于先进核能系统，其效率较低，体积重量大，且由于核动力船舶工况切换较为频繁，需要压水堆以及蒸汽动力系统具有较好的工况切换能力，这给核动力船舶动力系统的设计带来了巨大挑战。因此，设计一种工况切换能力强的核动力系统成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种船舶超临界二氧化碳储能系统，用以解决现有技术中核动力系统体积重量大、工况切换能力差的缺陷。

本发明实施例提供一种船舶超临界二氧化碳储能系统，包括：第一循环子系统、中间换热器、第二循环子系统和储能子系统，其中，所述第一循环子系统与所述第二循环子系统通过所述中间换热器热耦合，以使所述第二循环子系统内的超临界二氧化碳工质热交换后形成高温超临界二氧化碳工质，所述第二循环子系统与所述储能子系统连接，以使所述储能子系统内的介质与所述高温超临界二氧化碳工质热交换后形成热能和冷能。

根据本发明一个实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统，所述储能子系统包括：热换热器和蓄冷罐，所述热换热器的第一入口与所述第二循环子系统通过第一管路连接，所述热换热器的第二入口与所述蓄冷罐的出口连接，其中，所述第一管路上设置有第一调节阀。

根据本发明一个实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统，所述储能子系统还包括第一压缩机，所述第一压缩机的入口与所述热换热器的第一出口连接。

根据本发明一个实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统，所述储能子系统还包括：蓄热罐和冷换热器，所述蓄热罐的入口与所述第一压缩机的出口连接，所述蓄热罐的出口与所述冷换热器的第一入口连接，所述冷换热器的第二入口通过第二管路注入海水，所述冷换热器的第一出口用于排出热交换后的海水，其中，所述第二管路上设置有第二调节阀。

根据本发明一个实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统，所述储能装置还包括第一透平膨胀机，所述第一透平膨胀机的入口与所述冷换热器的第二出口连接，所述第一透平膨胀机的出口与所述蓄冷罐的入口连接。

根据本发明一个实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统，所述热换热器和所述蓄冷罐、所述冷换热器和所述蓄热罐分别设置在船舶两侧的减摇鳍位置。

根据本发明一个实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统，所述第二循环子系统包括：第二透平膨胀机、发电机和回热器，所述第二透平膨胀机的入口与所述中间换热器的出口连接，所述第二透平膨胀机的出口与所述回热器的第一入口连接，所述回热器的第一出口与所述中间换热器连接，所述第二透平膨胀机与所述发电机电连接。

根据本发明一个实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统，所述第二循环子系统还包括：冷却器，所述冷却器的第一入口用于注入海水，所述冷却器的第一出口用于排出热交换后的海水；所述冷却器的第二入口与所述回热器的第二出口连接，且所述冷却器的第二入口还与所述热换热器的第二出口连接。

根据本发明一个实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统，所述第二循环子系统还包括：第二压缩机，所述第二压缩机的入口与所述冷却器的第二出口连接，所述第二压缩机的出口与所述回热器的第二入口连接。

根据本发明一个实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统，所述第一循环子系统包括：反应堆和主泵，所述反应堆为液态金属堆，所述反应堆的出口经过所述中间换热器与所述主泵的入口连接，所述主泵的出口与所述反应堆的入口连接。

本发明实施例提供的船舶超临界二氧化碳储能系统，结构紧凑，体积小，循环效率高。在为船舶提供电力的同时，充分利用环境冷能，合理布置，实现了有限空间下能量的存储。在船舶需要发生改变时，储能子系统释放能量，产生电能，使船舶超临界二氧化碳储能系统能够在多种工况条件下进行切换，提高了能量的利用率以及船舶超临界二氧化碳储能系统变工况灵敏度。

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作一简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种船舶超临界二氧化碳储能系统的结构示意图。

附图标记：

1：反应堆；2：中间换热器；3：主泵；4：第二透平膨胀机；5：发电机；6：第二压缩机；7：回热器；8：冷却器；9：海水；10：第一调节阀；11：第一压缩机；12：蓄热罐；13：冷换热器；14：第一透平膨胀机；15：蓄冷罐；16：热换热器；17：第二调节阀；21：第一管路；22：第二管路。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

下面结合图1描述本发明实施例的船舶超临界二氧化碳储能系统。

在本发明的一个实施例中，船舶超临界二氧化碳储能系统包括：第一循环子系统、中间换热器2、第二循环子系统和储能子系统。具体来说，第一循环子系统为船舶动力系统提供热能，第二循环子系统内的工质为超临界二氧化碳。第二循环子系统中的超临界二氧化碳工质在中间换热器2中与第一循环子系统进行热交换，热交换后超临界二氧化碳工质成为高温超临界二氧化碳工质，其既可在第二循环子系统中热交换使第二循环子系统发电，为船舶提供电力和动力，同时也可进入储能子系统中，与储能子系统中的介质发生热交换后形成热能和冷能。

进一步地，当第一循环子系统提供的能量大于船舶需求或降工况时，储能子系统开始储存热能和冷能，当第一循环子系统提供的能量难以满足船舶需求、升工况或者应急状态下，储能子系统中的能量释放，用于发电，为船舶提供电能。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第二循环子系统可采用超临界二氧化碳布雷顿循环形式，储能子系统可采用热泵超临界二氧化碳布雷顿循环储能形式。其中，第二循环子系统的超临界二氧化碳布雷顿循环可采用一级回热或二级回热。

本发明实施例提供的船舶超临界二氧化碳储能系统，通过第一循环子系统提供热能、第二循环子系统与储能子系统采用超临界二氧化碳布雷顿循环，显著提高了船舶超临界二氧化碳储能系统的紧凑度，节约了船舶超临界二氧化碳储能系统的空间，提高了系统转换效率。同时，储能子系统可根据船舶的不同需求将能量进行存储或释放，提高了船舶超临界二氧化碳动力系统的机动性，使船舶超临界二氧化碳动力系统能够快速适应各种工况条件。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，储能子系统包括：热换热器16、蓄冷罐15和第一压缩机11。具体来说，当第一循环子系统提供的能量大于船舶需求或降工况时，第二循环子系统内的超临界二氧化碳工质在中间换热器2中与第一循环子系统热交换后成为高温超临界二氧化碳工质，并通过第一管路21进入热换热器16中，低温低压超临界二氧化碳工质从蓄冷罐15流入热换热器16中，被高温超临界二氧化碳工质加热，加热后的超临界二氧化碳工质进入第一压缩机11内被压缩成高温高压超临界二氧化碳。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一管路21上设置有第一调节阀10，以控制高温超临界二氧化碳工质的走向。当第一调节阀10关闭时，高温超临界二氧化碳工质在第二循环子系统内流动；当第一调节阀10打开时，部分高温超临界二氧化碳工质在第二循环子系统内流动，部分高温超临界二氧化碳工质进入储能子系统中加热储能系统中的超临界二氧化碳。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，储能子系统还包括：蓄热罐12、冷换热器13和第一透平膨胀机14。具体来说，经第一压缩机11压缩后形成的高温高压超临界二氧化碳工质进入蓄热罐12中，与蓄热罐12中的介质发生热交换，储存热能。经过蓄热罐12散热后的高压超临界二氧化碳工质进入冷换热器13中。冷换热器13通过第二管路22注入海水9，海水9可进一步冷却高压超临界二氧化碳工质，冷却后的高压超临界二氧化碳工质进入第一透平膨胀机14内做功，超临界二氧化碳工质的温度和压力进一步降低，随后进入蓄冷罐15中，与蓄冷罐15内的介质热交换后，储存冷能。低温低压超临界二氧化碳再次进入热换热器16中与高温超临界二氧化碳工质发生热交换，进而形成储能循环回路。进一步地，蓄热罐12外敷设保温材料，以防止热能散失。蓄冷罐15的外部不需要设置保温材料，可充分利用环境冷能进行冷能的储存。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第二管路22上还设置有第二调节阀17，以调节海水9对冷换热器13的冷却程度。

当第一循环子系统提供的能量难以满足船舶需求、升工况或者在应急状态下，储能子系统中的能量释放，用于发电，为船舶系统提供能量。在能量释放过程中，热换热器16和冷换热器13不投入使用，第一调节阀10和第二调节阀17关闭。常温低压超临界二氧化碳进入蓄冷罐15中吸收冷能，温度降低后进入第一压缩机11内压缩成高温高压超临界二氧化碳，随后进入蓄热罐12中，吸收蓄热罐12中的热能，升温后进入第一透平膨胀机14内做功，带动发电机5发电，完成一个发电循环，然后向外部输出电能。

进一步地，热换热器16和蓄冷罐15设置在船舶一侧的减摇鳍位置，冷换冷器13和蓄热罐12设置在船舶另一侧的减摇鳍位置。如此设置可减小船舶超临界二氧化碳储能系统对空间的占用，使船舶超临界二氧化碳储能系统结构紧凑。

本发明实施例提供的船舶超临界二氧化碳储能系统，在为船舶提供电力的同时，实现了能量的存储。在船舶需要发生改变时，船舶超临界二氧化碳储能系统释放能量，产生电能，提高了船舶超临界二氧化碳储能系统的机动性，使船舶超临界二氧化碳储能系统能够适应各种工况条件。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，第二循环子系统包括：第二透平膨胀机4、发电机5和回热器7。具体来说，超临界二氧化碳工质在中间换热器2中进行热交换后，成为高温超临界二氧化碳进入第二透平膨胀机4内做功，带动发电机5发电。做功后的超临界二氧化碳温度降低进入回热器7的热侧，部分热量被回收利用，提高了第二循环子系统的能源利用率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，回热器7为紧凑高效印刷电路板式换热器。需要说明的是：回热器7也可为其他形式的回热器，而不局限于本发明实施例所限定的范围。

在本发明的一个实施例中，第二循环子系统还包括：冷却器8和第二压缩机6。具体来说，回热器7热侧出口处的超临界二氧化碳继续进入冷却器8内，冷却器8的冷侧通入海水9，对冷却器8内的超临界二氧化碳进行冷却，冷却后的超临界二氧化碳进入第二压缩机6中，在第二压缩机6内压缩成高温高压的超临界二氧化碳后，进入回热器7的冷侧，在回热器7内被加热后，进入中间换热器2内，形成发电循环。

热换热器16中的高温超临界二氧化碳与蓄冷罐15中的低温低压超临界二氧化碳进行热交换后，降温降压后的超临界二氧化碳进入冷却器8内进行热交换成为低温低压的超临界二氧化碳，低温低压的超临界二氧化碳进入第二压缩机6内压缩成高温高压的超临界二氧化碳后进入回热器7的冷侧，在回热器7内被加热后，进入中间换热器2内。

本发明实施例提供的船舶超临界二氧化碳储能系统，以海水作为冷换热器和回热器的冷源，充分吸收环境冷能，降低了船舶超临界二氧化碳储能系统的能源消耗。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，第一循环子系统包括：反应堆1和主泵3。具体来说，铅铋合金冷却剂在主泵3的驱动下进入反应堆1内并被加热，加热后高温的铅铋合金冷却剂进入中间换热器2中与第二循环子系统中的超临界二氧化碳工质进行热交换，热交换后低温的铅铋合金冷却剂在主泵3的驱动下再次进入反应堆1内加热。

第一循环子系统采用铅铋快堆，铅铋快堆相比压水堆具有更好的自然循环能力、更高的功率密度以及更好的固有安全性，体积更小，系统紧凑，十分适于用作船舶动力，同时铅铋快堆提供了较高冷却剂温度，从而为超临界二氧化碳布雷顿循环提供良好的初参数。

以下以图1所示的实施例为例详细说明本发明实施例提供的船舶超临界二氧化碳储能系统的工作原理。

铅铋合金冷却剂在主泵3的驱动下进入反应堆1内并被加热，加热后高温的铅铋合金冷却剂进入中间换热器2中与第二循环子系统中的超临界二氧化碳工质进行热交换。

热交换后高温超临界二氧化碳工质进入第二透平膨胀机4内做功，带动发电机5发电。做功后的超临界二氧化碳温度降低进入回热器7的热侧，部分热量被回收利用，回热器7热侧出口处的超临界二氧化碳继续进入冷却器8内，冷却器8的冷侧通入海水9，对冷却器8内的超临界二氧化碳进行冷却，冷却后的超临界二氧化碳进入第二压缩机6中，在第二压缩机6内压缩成高温高压的超临界二氧化碳后，进入回热器7的冷侧，在回热器7内被加热后，进入中间换热器2内，形成发电循环。

当第一循环子系统提供的能量大于船舶需求或降工况时，第二循环子系统内的超临界二氧化碳工质在中间换热器2中与第一循环子系统热交换后成为高温超临界二氧化碳工质，并通过第一管路21进入热换热器16中，低温低压超临界二氧化碳工质从蓄冷罐15流入热换热器16中，被高温超临界二氧化碳工质加热，加热后的超临界二氧化碳工质进入第一压缩机11内被压缩成高温高压的超临界二氧化碳。高温高压的超临界二氧化碳工质进入蓄热罐12中，与蓄热罐12中的介质发生热交换，储存热能。经过蓄热罐12散热后的高压超临界二氧化碳工质进入冷换热器13中。冷换热器13通过第二管路22注入海水9，海水9可进一步冷却高压超临界二氧化碳工质，冷却后的高压超临界二氧化碳工质进入第一透平膨胀机14内做功，超临界二氧化碳工质的温度和压力进一步降低，随后进入蓄冷罐15中，与蓄冷罐15内的介质热交换后，储存冷能。低温低压超临界二氧化碳再次进入热换热器16中与高温超临界二氧化碳工质发生热交换，进而形成储能循环回路。

当第一循环子系统提供的能量难以满足船舶需求、升工况或者在应急状态下，储能子系统中的能量释放，用于发电，为船舶系统提供能量。在能量释放过程中，热换热器16和冷换热器13不投入使用。常温低压超临界二氧化碳进入蓄冷罐15中吸收冷能，温度降低后进入第一压缩机11内压缩成高温高压的超临界二氧化碳，随后进入蓄热罐12中，吸收蓄热罐12中的热能，升温后进入第一透平膨胀机14内做功，带动发电机5发电，完成一个发电循环，然后向外部输出电能。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (4)

1.一种船舶超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，包括：第一循环子系统、中间换热器、第二循环子系统和储能子系统，

其中，所述第一循环子系统与所述第二循环子系统通过所述中间换热器热耦合，以使所述第二循环子系统内的超临界二氧化碳工质热交换后形成高温超临界二氧化碳工质，所述第二循环子系统与所述储能子系统连接，以使所述储能子系统内的介质与所述高温超临界二氧化碳工质热交换后形成热能和冷能；

所述储能子系统包括：热换热器、蓄冷罐、第一压缩机、蓄热罐、冷换热器和第一透平膨胀机，所述热换热器的第一入口与所述第二循环子系统通过第一管路连接，所述热换热器的第一出口与所述第一压缩机的入口连接，所述第一压缩机的出口与所述蓄热罐的入口连接，所述蓄热罐的出口与所述冷换热器的第一入口连接，所述冷换热器的第一出口用于排出热交换后的海水，所述冷换热器的第二入口通过第二管路注入海水，所述冷换热器的第二出口与所述第一透平膨胀机的入口连接，所述第一透平膨胀机的出口与所述蓄冷罐的入口连接，所述热换热器的第二入口与所述蓄冷罐的出口连接，所述第一管路上设置有第一调节阀，所述第二管路上设置有第二调节阀；

所述第二循环子系统包括：第二透平膨胀机、发电机和回热器，所述第二透平膨胀机的入口与所述中间换热器的出口连接，所述第二透平膨胀机的出口与所述回热器的第一入口连接，所述回热器的第一出口与所述中间换热器连接，所述第二透平膨胀机与所述发电机电连接；

所述第二循环子系统还包括：冷却器，所述冷却器的第一入口用于注入海水，所述冷却器的第一出口用于排出热交换后的海水；所述冷却器的第二入口与所述回热器的第二出口连接，且所述冷却器的第二入口还与所述热换热器的第二出口连接。

2.根据权利要求1所述的船舶超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述热换热器和所述蓄冷罐、所述冷换热器和所述蓄热罐分别设置在船舶两侧的减摇鳍位置。

3.根据权利要求1所述的船舶超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第二循环子系统还包括：第二压缩机，所述第二压缩机的入口与所述冷却器的第二出口连接，所述第二压缩机的出口与所述回热器的第二入口连接。

4.根据权利要求1所述的船舶超临界二氧化碳储能系统，其特征在于，所述第一循环子系统包括：反应堆和主泵，所述反应堆为液态金属堆，所述反应堆的出口经过所述中间换热器与所述主泵的入口连接，所述主泵的出口与所述反应堆的入口连接。

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