CN113595139B - 一种充分利用液氢能量的船舶综合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种充分利用液氢能量的船舶综合发电系统，该系统主要包括氢燃料电池发电系统、一级朗肯循环发电系统、二级朗肯循环发电系统。该系统采用了效率较高的氢燃料电池作为电力推进装置中的电力源，并且充分利用了氢燃料的冷能进行朗肯循环发电，实现对氢燃料的化学能和冷能的充分利用，提高了氢燃料的能量利用率，并且没有污染物的产生，符合当前绿色船舶的发展趋势，具有很好的实际应用价值和广阔的发展前景。

Description

一种充分利用液氢能量的船舶综合发电系统
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种充分利用液氢能量的船舶综合发电系统。
背景技术
船舶行业属于能源消耗比较大的产业，目前，船用燃料主要是价格低廉、污染较高的燃料油，燃料油燃烧会伴随着硫氧化物和氮氧化物等大量有害气体的产生，随着国际海事组织(IMO)对船舶尾气排放的要求越来越高，各国寻找船舶可替代清洁能源的速度在不断加快。
氢作为洁净环保的优质能源，热值较高，并且直接燃烧也不会产生污染物，因此是一种比较理想的船舶替代性燃料。在使用氢作为替代性燃料的同时，还要保证氢燃料的能量利用率，船舶的主要燃料消耗是在推动船舶的动力装置上，船舶的主动力推进装置也是多种多样，不同的主动力推进装置热机效率也是不同的，汽轮机热机效率为29％左右，燃气轮机热机效率为36％～39％左右，柴油机的热机效率可以达到50％左右，此外氢燃料电池也可以用于船舶的电力推进，氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，在理论上，燃料电池的效率能达100％，实际效率已达60％至80％，因此相比于其他的氢能源利用方式，氢燃料电池效率较高，另外对环境无污染，是一种比较理想的船舶电力推进装置中的电力源。由于普通的氢气密度小，为了增大船舶对氢气的携带量，通常以液氢(-253℃)形式储存于船舶的燃料舱内，液氢在供给氢燃料电池之前要汽化成常温左右的气体，这样与供气温度存在近300℃的温差，因此液氢汽化时有大量的冷能可以利用。
此外，船舶的吨位较大，所需的推进功率也很大，所以需要的电能也会很多，采用氢燃料电池作为电力推力方式，需要的氢燃料很多，释放的冷能也会更多。
基于以上问题，本发明提出一种可以充分利用氢燃料的化学能和冷能为船舶电网提供电能的方法，此方法不仅采用了效率较高的氢燃料电池作为电力推进装置中的电力源，更为重要的是还可以利用氢燃料的冷能发电为船舶电网提供部分电能，提高了氢燃料能量的利用率，从而减少了每千瓦时系统中氢燃料的消耗，降低船舶的运营成本，因此这种方法具有较大的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的就是针对上述的问题，提出一种充分利用液氢能量的船舶综合发电系统。该系统主要包括：氢燃料电池发电系统、一级朗肯循环发电系统、二级朗肯循环发电系统。
其中，所述氢燃料电池发电系统包括：液氢燃料罐、驳运泵、增压泵、第一海水换热器、一级膨胀机、中间换热器、第三海水换热器、高温水加热器、高温水泵、缓冲罐、氢燃料电池。
一级朗肯循环系统包括：一级膨胀机、第一传动轴、第一发电机、电网处理单元、电动机。
二级朗肯循环系统包括：泵、第二海水换热器、二级膨胀机、中间换热器、第二传动轴、第二发电机、电网处理单元、电动机。
在氢燃料电池发电系统中，驳运泵、增压泵、第一海水换热器、一级膨胀机、中间换热器、第三海水换热器、高温水加热器、氢燃料电池依次通过管道相连接，其中所述高温水加热器、高温水泵、缓冲罐、氢燃料电池依次通过管道相连接。
在一级朗肯循环系统中，所述第一发电机通过第一传动轴与一级膨胀机相连接。
在二级朗肯循环系统中，所述泵、第二海水换热器、二级膨胀机、中间换热器之间依次通过管道相连接，构成循环管路，所述二级膨胀机通过第二传动轴与第二发电机相连接。
所述第一发电机、第二发电机、氢燃料电池分别通过线路与电网处理单元相连接，电网处理单元通过线路与电动机相连接。
当船舶航行需要电力推进时，驳运泵把氢燃料从液氢燃料罐里被驳运出来，然后经过增压泵的增压，增压至13MPa左右，进入第一海水换热器，利用海水把氢燃料加热到10℃～20℃左右，此时氢燃料已经汽化为气体，然后进入一级膨胀机，进行膨胀做功，通过第一传动轴驱动第一发电机发电，把机械能转换为电能，膨胀后的氢气经过第三海水换热器再次利用海水进行加热，然后进入高温水加热器，氢燃料电池产生的高温水先进入缓冲罐，然后通过高温水泵进入高温水加热器对氢气进行加热，加热至氢燃料电池的供气温度供氢燃料电池发电。另外经过一级膨胀机膨胀后的氢气温度降低，与外界仍存在较大的温差，因此还有很多冷能可以利用。其中二级朗肯循环系统中的冷媒首先经过泵的增压进入第二海水换热器，利用海水的加热使冷媒汽化，然后进入二级膨胀机进行膨胀做功，通过第二传动轴驱动第二发电机发电，把机械能转换为电能，经过膨胀后的气体进入中间换热器，利用氢气的冷能进行液化，完成一个循环。第一发电机、第二发电机和氢燃料电池发出的电能并网进入电网处理单元进行处理，然后输出电能驱动电动机，从而带动螺旋桨旋转，实现船舶的电力推进。
本发明的优点：
1.本发明系统不仅采用了效率较高的氢燃料电池作为电力推进装置中的电力源，而且采用一级朗肯循环发电系统利用液氢的冷能实现了对氢燃料直接膨胀做功产生电能，提高了氢燃料能量的综合利用率。
2.本发明系统通过二级朗肯循环发电系统可以对一级朗肯循环发电系统膨胀后的氢燃料冷能进行再次利用，使氢燃料的冷能得到更加充分的利用，提高了氢燃料冷能的利用率。
3.本发明可以实现对氢燃料的化学能和冷能的充分利用，且整个过程不会有污染物的产生，符合当前绿色船舶的发展趋势，具有很好的实际应用价值和发展前景。
附图说明
图1为本发明的系统图；
附图中：1.液氢燃料罐；2.驳运泵；3.增压泵；4.第一海水换热器；5.一级膨胀机；6.第一发电机；7.泵；8.第二海水换热器；9.二级膨胀机；10.中间换热器；11.第二发电机；12.第三海水换热器；13.高温水加热器；14.高温水泵；15.缓冲罐；16.氢燃料电池；17.电网处理单元；18.电动机；19.第一传动轴；20.第二传动轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种充分利用液氢能量的船舶综合发电系统，如图1，该系统主要包括：氢燃料电池发电系统，一级朗肯循环发电系统、二级朗肯循环发电系统。
其中，所述氢燃料电池发电系统包括：液氢燃料罐1、驳运泵2、增压泵3、第一海水换热器4、一级膨胀机5、中间换热器10、第三海水换热器12、高温水加热器13、高温水泵14、缓冲罐15、氢燃料电池16。
一级朗肯循环系统包括：一级膨胀机5、第一传动轴19、第一发电机6、电网处理单元17、电动机18。
二级朗肯循环系统包括：泵7、第二海水换热器8、二级膨胀机9、中间换热器10、第二传动轴20、第二发电机11、电网处理单元17、电动机18。
在氢燃料电池发电系统中，驳运泵2、增压泵3、第一海水换热器4、一级膨胀机5、中间换热器10、第三海水换热器12、高温水加热器13、氢燃料电池16依次通过管道相连接，其中所述高温水加热器13、高温水泵14、缓冲罐15、氢燃料电池16依次通过管道相连接。
在一级朗肯循环系统中，所述第一发电机6通过第一传动轴19与一级膨胀机5相连接。
在二级朗肯循环系统中，所述泵7、第二海水换热器8、二级膨胀机9、中间换热器10之间依次通过管道相连接，构成循环管路，其中的冷媒可以选择乙烷，所述二级膨胀机9通过第二传动轴20与第二发电机11相连接。
所述第一发电机6、第二发电机11、氢燃料电池16分别通过线路与电网处理单元17相连接，电网处理单元17通过线路与电动机18相连接。
当船舶航行需要电力推进时，驳运泵2把氢燃料从液氢燃料罐1里被驳运出来，然后经过增压泵3的增压，增压至13MPa左右，进入第一海水换热器4，利用舷外的海水把氢燃料加热到10℃～20℃左右，此时氢燃料已经汽化为气体，然后进入一级膨胀机5，进行膨胀做功，通过第一传动轴19驱动第一发电机6发电，把机械能转换为电能，膨胀后的氢气经过第三海水换热器12再次利用海水进行加热，然后进入高温水加热器13，氢燃料电池16产生的高温水先进入缓冲罐15，然后通过高温水泵14进入高温水加热器13对氢气进行加热，加热至氢燃料电池16的供气温度供氢燃料电池16发电，另外经过一级膨胀机5膨胀后的氢气温度降低，与外界仍存在较大的温差，因此还有很多冷能可以利用。其中二级朗肯循环系统中的冷媒首先经过泵7的增压进入第二海水换热器8，利用海水的加热使冷媒汽化，然后进入二级膨胀机9进行膨胀做功，通过第二传动轴20驱动第二发电机11发电，把机械能转换为电能，经过膨胀后的气体进入中间换热器10，利用氢气的冷能进行液化，完成一个朗肯循环。第一发电机6、第二发电机11和氢燃料电池16发出的电能并网进入电网处理单元17进行处理，然后输出电能驱动电动机18，从而带动螺旋桨旋转，实现船舶的电力推进。
上述过程可以对氢燃料的化学能和冷能进行充分的利用，氢燃料电池16利用的是氢燃料的化学能，在氢燃料汽化供给氢燃料电池16的过程中，通过一级朗肯循环发电系统和二级朗肯循环发电系统可以对氢燃料的冷能进行充分的利用，以上过程不会产生任何污染物，不会对环境造成污染，符合绿色船舶发展的趋势。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种充分利用液氢能量的船舶综合发电系统，其特征在于：该系统包括氢燃料电池发电系统，一级朗肯循环发电系统、二级朗肯循环发电系统；
其中，所述氢燃料电池发电系统包括：液氢燃料罐（1）、驳运泵（2）、增压泵（3）、第一海水换热器（4）、一级膨胀机（5）、中间换热器（10）、第三海水换热器（12）、高温水加热器（13）、高温水泵（14）、缓冲罐（15）、氢燃料电池（16）；
一级朗肯循环系统包括：一级膨胀机（5）、第一传动轴（19）、第一发电机（6）、电网处理单元（17）、电动机（18）；
二级朗肯循环系统包括：泵（7）、第二海水换热器（8）、二级膨胀机（9）、中间换热器（10）、第二传动轴（20）、第二发电机（11）、电网处理单元（17）、电动机（18）；
所述一级朗肯循环系统中的一级膨胀机（5）与二级朗肯循环系统中的中间换热器（10）通过管道连接，所述二级朗肯循环发电系统可以对一级朗肯循环发电系统膨胀后的氢燃料冷能进行再次利用，
所述第一发电机（6）通过第一传动轴（19）与一级膨胀机（5）相连接，
所述泵（7）、第二海水换热器（8）、二级膨胀机（9）、中间换热器（10）之间依次通过管道相连接，所述二级膨胀机（9）通过第二传动轴（20）与第二发电机（11）相连接；
所述驳运泵（2）、增压泵（3）、第一海水换热器（4）、一级膨胀机（5）、中间换热器（10）、第三海水换热器（12）、高温水加热器（13）、氢燃料电池（16）依次通过管道相连接。
2.根据权利要求1中所述的一种充分利用液氢能量的船舶综合发电系统，其特征在于：所述第一发电机（6）、第二发电机（11）、氢燃料电池（16）分别通过线路与电网处理单元（17）相连接，电网处理单元（17）通过线路与电动机（18）相连接。
3.根据权利要求1中所述的一种充分利用液氢能量的船舶综合发电系统，其特征在于：所述高温水加热器（13）、高温水泵（14）、缓冲罐（15）、氢燃料电池（16）依次通过管道相连接。
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