CN113650768A

CN113650768A - 一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统

Info

Publication number: CN113650768A
Application number: CN202111076550.8A
Authority: CN
Inventors: 赵建辉; 王伟; 陈敬炎
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2041-09-14
Also published as: JP2023042549A; JP7171002B1; CN113650768B

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于氨‑氢驱动的复合型船舶混合动力系统，包括液氨供给装置、氨燃料动力装置、氢燃料动力装置、船舶主母线、变速箱，液氨罐连接电加热器，电加热器连接船舶主母线，电加热器连接氨燃料发动机，氨燃料发动机连接可逆电机，可逆电机连接变速箱，可逆电机连接船舶主母线；氢气罐连接质子交换膜燃料电池，压缩空气连接质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池、第一逆变器、第二断路器依次相连并连接船舶主母线；船舶主母线通过主电动机开关连接主电动机，主电动机通过主离合器连接变速箱，变速箱连接船舶螺旋桨。本发明能解决当前船舶航行时二氧化硫、碳氢化物的过量排放以及余热利用率不高等问题。

Description

一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统

技术领域

本发明涉及的是一种船舶动力装置，具体地说是船舶混合动力装置。

背景技术

随着海上排放法规的日益严格，船舶污染物排放问题越来越受到各国航运部门的重视。并且，全球贸易的不断发展也对于船舶的运载能力提出了更高要求。传统的柴油机推进方式虽然能够迅速满足船舶航行过程中的负载需求，但存在能量利用率低、运行时油耗与噪声过大等缺点。电力推进虽然具有清洁、响应速度快、运行效率高等优点，但存在续航能力不佳、工况频繁切换易对船舶电网造成损坏、运维成本过高等缺点。将柴油机推进与电力推进结合构成船舶混合动力系统可有效结合二者优点，弥补各自不足。相比于纯柴油机推进，混合动力系统减少了运行时的油耗噪声，提高能量利用率；相比于纯电力推进，混合动力系统提升了船舶续航能力，降低船舶电网维护费用。

中国专利“一种新能源船舶用锂离子电池-燃油混合动力系统”(申请公布号为CN112572745A)提出了一种新能源船舶用锂离子电池-燃油混合动力系统，具有运行无噪音，船舶续航里程增长等优势，但其采用燃油作发动机燃料，二氧化硫、一氧化碳等污染物排放较多，而且采用锂离子电池作为电力推进源，存在充电耗时长，运行寿命低等缺点。

中国专利“一种船舶发动机的余热利用系统及方法”(授权公告号为CN109736963B)提出了一种新型船舶发动机的余热利用系统，实现了船舶发动机烟气和冷却水的耦合梯级利用，显著提高了发动机的效率，但采用水蒸汽和有机物作为朗肯循环工质对余热进行回收发电，存在输出功率不稳定、余热利用率不高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供解决当前船舶航行时二氧化硫、碳氢化物的过量排放以及余热利用率不高等问题的一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统，其特征是：包括液氨供给装置、氨燃料动力装置、氢燃料动力装置、船舶主母线、变速箱，所述液氨供给装置包括液氨罐；所述氨燃料动力装置包括电加热器、氨燃料发动机、可逆电机，液氨罐通过第一单向阀连接电加热器，电加热器通过电加热器开关连接船舶主母线，电加热器连接氨燃料发动机，氨燃料发动机通过第一离合器连接可逆电机，可逆电机通过第二离合器连接变速箱，可逆电机通过第一断路器连接船舶主母线；所述氢燃料动力装置包括氢气罐、压缩空气、质子交换膜燃料电池，氢气罐通过第一进气阀连接质子交换膜燃料电池，压缩空气通过第二进气阀连接质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池、第一逆变器、第二断路器依次相连并连接船舶主母线；船舶主母线通过主电动机开关连接主电动机，主电动机通过主离合器连接变速箱，变速箱连接船舶螺旋桨。

本发明还可以包括：

1、还包括蓄电池储能装置，所述蓄电池储能装置包括蓄电池，蓄电池连接第二逆变器，第二逆变器通过蓄电池出口开关连接船舶主母线。

2、还包括余热利用装置，所述余热利用装置包括水箱、换热器、分离器、动力涡轮、回热器、冷凝器，液氨罐通过第二单向阀连接水箱，换热器的两个入口分别连接氨燃料发动机和水箱，换热器的出口连接分离器，分离器通过第三进气阀连接动力涡轮，分离器通过闸阀连接冷凝器，动力涡轮、发电机、第三断路器依次相连并连接船舶主母线，动力涡轮、回热器、冷凝器依次相连，冷凝器通过低压泵连接回热器，回热器连接水箱。

3、船舶启动模式下，第一单向阀打开，第二单向阀关闭，蓄电池出口开关闭合，蓄电池经过第二逆变器将直流电转化为交流电给船舶主母线充电，主电动机开关断开，主电动机不启动，电加热器开关闭合，船舶主母线对电加热器供电，电加热器启动，对液氨进行加热，液氨气化后进入氨燃料发动机燃烧，第一离合器、第二离合器结合，第一断路器断开，可逆电机切换至电动机工况，输出动力经过变速箱驱动船舶螺旋桨转动。

4、船舶加速模式下，第一进气阀、第二进气阀打开，氢气罐接入电堆阳极，压缩空气接入电堆阴极，质子交换膜燃料电池工作，输出电力经过第二逆变器将直流电转为交流电，给船舶主母线充电，蓄电池出口开关断开，质子交换膜燃料电池向电加热器供电，主电动机开关闭合，主离合器结合，船舶主母线与氨燃料发动机一起驱动主变速箱工作。

5、船舶减速模式下，蓄电池出口开关闭合，蓄电池经过第二逆变装置将直流电转化为交流电给船舶主母线充电，断路器断开，第一进气阀、第二进气阀关闭，氢燃料动力装置停止工作，第一断路器闭合，第二离合器断开，可逆电机切换至发电机工况，发出电力供给船舶主母线，蓄电池出口开关断开，船舶由氨燃料发动机带动可逆电机发电供给船舶主母线，由船舶主母线供电给主电动机，驱动船舶螺旋桨。

6、余热利用模式下，第二单向阀打开，部分液氨通过液氨罐第二出口进入水箱混合成氨水溶液，第二出口流出的液氨体积达到设定值时，第二单向阀关闭，氨燃料发动机的出口尾气在换热器里对氨水溶液进行加热，氨水溶液在分离器中分离为饱和氨蒸汽与稀氨溶液，第三进气阀打开，饱和氨蒸汽进入动力涡轮膨胀做功，推动发电机工作，第三断路器、蓄电池出口开关闭合，余热利用装置输出的电力通过船舶主母线分配并储存至蓄电池，闸阀打开，做完功的氨蒸汽通过回热器进入冷凝器，稀氨溶液通过闸阀进入冷凝器与氨蒸汽一起冷凝，低压泵将冷凝后的氨水溶液经过回热器回到水箱进行下一次热工循环。

本发明的优势在于：

1、采用氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统，船舶运行中燃料完全燃烧的产物为氮气和水，能减少二氧化硫、碳氢化物、碳烟、一氧化碳等污染物的排放，达到节能减排、绿色低碳、保护海洋环境的目的。

2、采用氨水混合物作为工质参与热工循环，利用氨水混合物能在变温过程中实现沸腾的特点，可有效减少吸热过程中的不可逆损失，从而提高氨燃料发动机废气余热利用率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明包括：液氨供给装置1、氨燃料动力装置2、余热利用装置3、蓄电池储能装置4、氢燃料动力装置5、船舶主母线6、主电动机开关7、主电动机8、主离合器9、变速箱10、船舶螺旋桨11。

上述液氨供给装置1包括液氨罐101、压力表102、压力报警器103、控制单元104、第一单向阀105、第二单向阀106。压力表102安装于第一液氨罐101顶端，压力表102与压力报警器103相连，压力报警器103与控制单元104相连，控制单元104与第一单向阀105的电磁阀芯相连，液氨罐第一出口与第一单向阀105入口相连，第一单向阀105出口连接至电加热器201入口。液氨罐101的第二出口与第二单向阀106入口相连，第二单向阀106出口连接至水箱301入口。

所述氨燃料动力装置2包括电加热器201、氨燃料发动机202、第一离合器203、可逆电机204、第二离合器205、断路器206、电加热器开关207。电加热器201通过电加热器开关207连接至船舶主母线6。电加热器201出口与氨燃料发动机202入口相连，氨燃料发动机202与第一离合器203同轴相连，第一离合器203连接可逆电机204，可逆电机204分别与第二离合器205、断路器206相连，断路器206连接至船舶主母线6、第二离合器205连接至变速箱10，变速箱10连接至船舶螺旋桨11。

所述余热利用装置3包括水箱301、换热器302、分离器303、进气阀304、动力涡轮305、发电机306、断路器307、闸阀308、回热器309、冷凝器310、低压泵311。液氨罐101通过第二单向阀106将液氨输送至水箱301，将液氨与水进行混合。水箱301出口与换热器302第一入口相连，换热器302第二入口与氨燃料发动机202尾气出口相连，换热器302出口与分离器303入口相连。在分离器303中，氨水溶液分离成饱和氨蒸汽与稀氨溶液。饱和氨蒸汽通过进气阀304进入动力涡轮305膨胀做功，动力涡轮305与发电机306同轴相连，发电机306通过断路器307连接至船舶主母线6输出电力。做完功的饱和氨蒸汽经过回热器309进入冷凝器310，稀氨溶液通过闸阀308进入冷凝器310一起冷凝。冷凝器310出口液体经过低压泵311，先流入回热器309，再回到水箱301，参与下一次热工循环。

所述蓄电池储能装置4包括蓄电池401、逆变器402、蓄电池出口开关403。蓄电池401连接至逆变器402、逆变器402与蓄电池出口开关403相连，蓄电池出口开关403连接至船舶主母线6。

所述氢燃料动力装置5包括氢气罐501、压缩空气502、进气阀503、进气阀504、质子交换膜燃料电池505、逆变器506、断路器507。氢气罐501通过进气阀503连接至质子交换膜燃料电池电堆505阳极、压缩空气502通过进气阀504连接至质子交换膜燃料电池505电堆阴极，电堆出口连接逆变器506，逆变器506出口连接断路器507，再连接至船舶主母线6。

所述船舶主母线6通过主电动机开关7与主电动机8相连，主电动机8连接主离合器9，主离合器9连接变速箱10，再连接至船舶螺旋桨11。

船舶启动模式下：压力表102显示压力示数在正常范围内，压力报警器103、控制单元104不动作，第一单向阀105打开，第二单向阀106关闭。闭合蓄电池出口开关403，蓄电池401经过逆变装置402将直流电转化为交流电给船舶主母线6充电。主电动机开关7断开，主电动机8不启动。电加热器开关207闭合，船舶主母线6对电加热器201供电。电加热器201启动，对液氨进行加热，液氨气化后进入氨燃料发动机202燃烧，第一离合器203、第二离合器205结合，断路器206断开，可逆电机205切换至电动机工况，输出动力经过变速箱10驱动船舶螺旋桨11转动。此时船舶启动。

船舶加速模式:船舶启动后，进气阀503、进气阀504打开，氢气罐501接入电堆阳极、压缩空气502接入电堆阴极、质子交换膜燃料电池505工作，输出电力经过逆变装置506将直流电转为交流电，给船舶主母线6充电。断开蓄电池出口开关403，切断蓄电池401与船舶主母线6的连接，由质子交换膜燃料电池505向电加热器201供电。闭合主电动机开关7，主电动机8启动，主离合器9结合，船舶主母线与氨燃料发动机202一起驱动主变速箱10工作，使得船舶螺旋桨11工作。此时，船舶由氨燃料发动机-电力混合推进，提供的动力增大，可满足船舶进入加速模式的负载需求。

船舶减速模式：闭合蓄电池出口开关403，蓄电池401经过逆变装置402将直流电转化为交流电给船舶主母线6充电。断路器507断开，切断质子交换膜燃料电池505与船舶主母线6的连接。进气阀503、进气阀504关闭，氢燃料动力装置5停止工作。闭合断路器206，断开第二离合器205，可逆电机205切换至发电机工况，发出电力供给船舶主母线6。断开蓄电池出口开关403，切断蓄电池401与船舶主母线6的连接。此时，船舶由氨燃料发动机202带动发电机204发电供给船舶电网6，由船舶电网6供电给电动机8，驱动船舶螺旋桨11。

余热利用模式：第二单向阀106打开，部分液氨通过液氨罐第二出口进入水箱301混合成氨水溶液。当第二出口流出的液氨体积达到设定值时，关闭第二单向阀106。氨燃料发动机202的出口尾气在换热器302里对氨水溶液进行加热。氨水溶液在分离器303中分离为饱和氨蒸汽与稀氨溶液，打开进气阀304，饱和氨蒸汽进入动力涡轮305膨胀做功，推动发电机306工作，断路器307、蓄电池出口开关403闭合，余热利用装置输出的电力通过船舶主母线分配并储存至蓄电池401。闸阀308打开，做完功的氨蒸汽通过回热器309进入冷凝器310。稀氨溶液也通过闸阀308进入冷凝器310与氨蒸汽一起冷凝。低压泵311将冷凝后的氨水溶液经过回热器309回到水箱301进行下一次热工循环。

Claims

1.一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统，其特征是：包括液氨供给装置、氨燃料动力装置、氢燃料动力装置、船舶主母线、变速箱，所述液氨供给装置包括液氨罐；所述氨燃料动力装置包括电加热器、氨燃料发动机、可逆电机，液氨罐通过第一单向阀连接电加热器，电加热器通过电加热器开关连接船舶主母线，电加热器连接氨燃料发动机，氨燃料发动机通过第一离合器连接可逆电机，可逆电机通过第二离合器连接变速箱，可逆电机通过第一断路器连接船舶主母线；所述氢燃料动力装置包括氢气罐、压缩空气、质子交换膜燃料电池，氢气罐通过第一进气阀连接质子交换膜燃料电池，压缩空气通过第二进气阀连接质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池、第一逆变器、第二断路器依次相连并连接船舶主母线；船舶主母线通过主电动机开关连接主电动机，主电动机通过主离合器连接变速箱，变速箱连接船舶螺旋桨。

2.根据权利要求1所述的一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统，其特征是：还包括蓄电池储能装置，所述蓄电池储能装置包括蓄电池，蓄电池连接第二逆变器，第二逆变器通过蓄电池出口开关连接船舶主母线。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统，其特征是：还包括余热利用装置，所述余热利用装置包括水箱、换热器、分离器、动力涡轮、回热器、冷凝器，液氨罐通过第二单向阀连接水箱，换热器的两个入口分别连接氨燃料发动机和水箱，换热器的出口连接分离器，分离器通过第三进气阀连接动力涡轮，分离器通过闸阀连接冷凝器，动力涡轮、发电机、第三断路器依次相连并连接船舶主母线，动力涡轮、回热器、冷凝器依次相连，冷凝器通过低压泵连接回热器，回热器连接水箱。

4.根据权利要求3所述的一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统，其特征是：船舶启动模式下，第一单向阀打开，第二单向阀关闭，蓄电池出口开关闭合，蓄电池经过第二逆变器将直流电转化为交流电给船舶主母线充电，主电动机开关断开，主电动机不启动，电加热器开关闭合，船舶主母线对电加热器供电，电加热器启动，对液氨进行加热，液氨气化后进入氨燃料发动机燃烧，第一离合器、第二离合器结合，第一断路器断开，可逆电机切换至电动机工况，输出动力经过变速箱驱动船舶螺旋桨转动。

5.根据权利要求3所述的一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统，其特征是：船舶加速模式下，第一进气阀、第二进气阀打开，氢气罐接入电堆阳极，压缩空气接入电堆阴极，质子交换膜燃料电池工作，输出电力经过第二逆变器将直流电转为交流电，给船舶主母线充电，蓄电池出口开关断开，质子交换膜燃料电池向电加热器供电，主电动机开关闭合，主离合器结合，船舶主母线与氨燃料发动机一起驱动主变速箱工作。

6.根据权利要求3所述的一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统，其特征是：船舶减速模式下，蓄电池出口开关闭合，蓄电池经过第二逆变装置将直流电转化为交流电给船舶主母线充电，断路器断开，第一进气阀、第二进气阀关闭，氢燃料动力装置停止工作，第一断路器闭合，第二离合器断开，可逆电机切换至发电机工况，发出电力供给船舶主母线，蓄电池出口开关断开，船舶由氨燃料发动机带动可逆电机发电供给船舶主母线，由船舶主母线供电给主电动机，驱动船舶螺旋桨。

7.根据权利要求3所述的一种基于氨-氢驱动的复合型船舶混合动力系统，其特征是：余热利用模式下，第二单向阀打开，部分液氨通过液氨罐第二出口进入水箱混合成氨水溶液，第二出口流出的液氨体积达到设定值时，第二单向阀关闭，氨燃料发动机的出口尾气在换热器里对氨水溶液进行加热，氨水溶液在分离器中分离为饱和氨蒸汽与稀氨溶液，第三进气阀打开，饱和氨蒸汽进入动力涡轮膨胀做功，推动发电机工作，第三断路器、蓄电池出口开关闭合，余热利用装置输出的电力通过船舶主母线分配并储存至蓄电池，闸阀打开，做完功的氨蒸汽通过回热器进入冷凝器，稀氨溶液通过闸阀进入冷凝器与氨蒸汽一起冷凝，低压泵将冷凝后的氨水溶液经过回热器回到水箱进行下一次热工循环。