CN113788134B

CN113788134B - 一种带有高低温相变储能的氨-氢燃料船舶混合动力系统

Info

Publication number: CN113788134B
Application number: CN202111076551.2A
Authority: CN
Inventors: 赵建辉; 郭楠
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2041-09-14
Also published as: CN113788134A

Abstract

本发明的目的在于提供一种带有高低温相变储能的氨‑氢燃料船舶混合动力系统，包括氨燃料电池、液氨罐、相变储热器、氨‑氢混合燃料发动机、电解水制氢模块、温差发电模块、ORC发电模块、船舶电网主母线，电解水制氢模块包括电解池、气液分离器；温差发电模块包括低温蓄热式温差发电装置、高温蓄热式温差发电装置、第一整流装置、第二整流装置；ORC发电模块包括工质罐、ORC换热器、闪蒸器、动力涡轮、冷凝器、工质泵、第二发电机；船舶电网主母线连接电动机，电动机通过主离合器连接变速器，变速器连接船舶螺旋桨。本发明添加相变储能装置对该电力推进系统的余热进行回收，从而提高电力推进系统的总效率，以达到提高船舶的动力和续航能力的目的。

Description

一种带有高低温相变储能的氨-氢燃料船舶混合动力系统

技术领域

本发明涉及的是一种船舶动力系统，具体地说是船舶混合动力系统。

背景技术

全球贸易的90％是通过海运完成的，在石油资源日益枯竭的情况下，不仅是燃油能耗的增加，还有日益突出的环境污染问题，国际海事组织不断制定和出台各项防止船舶污染环境的强制性规定。电力推进系统具有自动化程度高、操作性能好、灵活性高以及低排放等优点，交流电力推进系统作为一种进步的推进方式在船舶领域得到广泛应用，成为国内外现代船舶推进方式新的发展方向，在船舶领域得到广泛应用，逐渐代替了传统的柴油机推进方式。随着清洁能源技术的发展，氨气有较大的体积能量密度，生产储运技术成熟，氨-氢混合燃料发动机的热效率可达到50％甚至近60％，采用氨作为燃料的动力系统是具有良好的应用前景。

在船舶电力推进系统实际工作中，燃料电池在发电过程中产生大量的热，这部分余热品位低，利用难，但能量较大，约占总能量的40％～60％，内燃机燃烧产生的能量中有30％～45％都由高温尾气携带，这部分余热品位高，若能合理回收利用船舶电力推进系统中的余热，是提高电力推进系统效率的有效方法，进而提高船舶的动力和续航能力。中国专利“具有飞轮储能系统的电池动力船舶”(公开号为CN210212742U)提出一种具有飞轮储能系统的电池动力船舶，提高了电池动力船舶电力系统的动态响应速度与稳定性，采用飞轮储能系统回收船舶制动时剩余能量，但其采用单一氢燃料动力电池组作为电力推进源，具有装置复杂、储氢罐易爆等缺点，同时没有回收燃料电池产生的余热，氢燃料电池的燃料利用率低。

发明内容

本发明的目的在于提供提高电力推进系统的总效率，以达到提高船舶的动力和续航能力目的的一种带有高低温相变储能的氨-氢燃料船舶混合动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带有高低温相变储能的氨-氢燃料船舶混合动力系统，其特征是：包括氨燃料电池、压缩空气、液氨罐、相变储热器、氨-氢混合燃料发动机、电解水制氢模块、温差发电模块、ORC发电模块、船舶电网主母线，液氨罐经第一截止阀连接预热器，预热器通过第一进气阀连接氨燃料电池，预热器通过第二进气阀连接氨-氢混合燃料发动机，压缩空气连接氨燃料电池，氨燃料电池通过第一逆变装置、第一断路器连接船舶电网主母线，氨-氢混合燃料发动机通过经第一发电机、第二断路器连接船舶电网主母线；所述电解水制氢模块包括电解池、气液分离器，电解池分别连接船舶电网主母线和气液分离器，电解池和船舶电网主母线之间设置电解池开关，气液分离器依次连接干燥器、气包、第二截止阀、氨-氢混合燃料发动机，相变储热器分别连接氨燃料电池和电解池；所述温差发电模块包括低温蓄热式温差发电装置、高温蓄热式温差发电装置、第一整流装置、第二整流装置，高温蓄热式温差发电装置分别连接氨-氢混合燃料发动机和第一整流装置，第一整流装置分别连接第二整流装置和蓄电池，第二整流装置连接低温蓄热式温差发电装置，低温蓄热式温差发电装置分别连接水箱、电解池和氨燃料电池，蓄电池通过第二逆变装置、第三断路器连接船舶电网主母线；所述ORC发电模块包括工质罐、ORC换热器、闪蒸器、动力涡轮、冷凝器、工质泵、第二发电机，ORC换热器分别连接工质罐、闪蒸器、高温蓄热式温差发电装置，闪蒸器、动力涡轮、冷凝器、工质泵、工质罐依次相连，动力涡轮通过第二发电机、第四断路器连接船舶电网主母线；船舶电网主母线连接电动机，电动机通过主离合器连接变速器，变速器连接船舶螺旋桨。

本发明还可以包括：

1、启动时，第一进气阀关闭，第二进气阀开启，第二截止阀关闭，氨-氢混合燃料发动机关闭，氨燃料电池启动，液氨罐中的液氨经过第一截止阀进入预热器，预热器启动对液氨进行加热，氨燃料经过第二进气阀进入氨燃料电池的电堆阳极，压缩空气进入电堆的阴极，氨燃料电池工作，冷却水经过温差发电冷侧流入电解池，电解池开关关闭，电解池开始工作将水电解产生氢气，产生气体经电解池出口进入气液分离器，吸收气体中带出的水分，经过气液分离器的气体进入干燥器进行干燥后进入气包中，第二截止阀关闭。

2、低负载时，第一进气阀开启，第二进气阀关闭，氨-氢混合燃料发动机启动，氨燃料电池关闭，第二截止阀打开，氢气经第二截止阀进入氨-氢混合燃料发动机燃烧，氨燃料经过第一进气阀进入氨-氢混合燃料发动机燃烧，氨-氢混合燃料发动机带动第一发电机进行发电并将电力输出至船舶电网主母线，氨-氢混合燃料发动机的尾气依次经过高温蓄热式温差发电装置热侧、ORC换热器后从ORC换热器的尾气出口排出，温差发电组件利用高温相变材料吸收氨-氢混合燃料发动机尾气的热量进行热电转化，产生电力经过整流装置储存在蓄电池中，蓄电池与第二逆变装置连接将直流电转化成交流电，第二逆变装置经过第三断路器与船舶电网主母线连接。

3、高负载时，第一进气阀开启，第二进气阀关闭，第二截止阀打开，氨-氢混合燃料发动机启动，氨燃料电池启动，电解池模块、温差发电模块、ORC发电模块均工作，当船舶负载与动力推进系统需求少时，船舶电网先给负载及动力推进系统供电，剩余通过第二逆变装置对蓄电池充电，当船舶负载与动力推进系统需求多时，蓄电池通过第二逆变装置对船舶主母线提供电力，为负载及动力推进系统供电。

本发明的优势在于：

1、采用氨-氢混合燃料发动机，解决因氨气的惰性而点火性较差不易燃烧，尤其是在低负荷低转速下燃烧不充分的问题，同时避免二氧化硫、碳氢化合物等污染物的排放，减小环境污染。

2、采用高低温相变储能装置将电力推进系统中的余热回收利用，实现了余热梯级利用，提高了电力推进系统的总效率，以实现提高船舶动力输出和续航能力。通过蓄热式温差发电装置对废热进行回收，其中添加相变材料可有效稳定温差发电片的热端温度，减小因排气温度变化对温差发电片工作性能的影响缓解稳压电路的负担，当排气温度低于材料相变温度时，相变材料会释放储存的潜热以维持温差发电片的热端温度，延长发电时间。

3、采用ORC回收中低温余热进行发电，当发电机的发电频率为额定工况时无需经过变电装置，减少能量传递环节，提高了发电效率；采用缸套冷却水作为ORC发电模块中的冷凝介质，不需要使用单独的冷却液，降低了ORC发电模块的成本。

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，本发明一种带有高低温相变储能的氨-氢燃料船舶电力推进系统，包括电解水制氢模块1、温差发电模块2、ORC发电模块3、压缩空气4、液氨罐5、截止阀6、预热器7、第一进气阀8a、第二进气阀8b、氨燃料电池9、逆变装置10a、10b、氨-氢混合燃料发动机11、第一发电机12、相变储热器13、水箱14、水泵15、蓄电池16、断路器17a、17b、17c、17d、电解池开关18、电动机19、主离合器20、变速器21、船舶螺旋桨22。所述电解水制氢模块1包括电解池101、气液分离器102、干燥器103、气包104、截止阀105，所述温差发电模块2包括低温蓄热式温差发电装置201、整流装置202、204、高温蓄热式温差发电装置203，所述ORC发电模块3包括工质罐301、ORC换热器302、闪蒸器303、动力涡轮304、冷凝器305、工质泵306、第二发电机307。

液氨罐5出口经截止阀6进入预热器7，经过预热后的氨燃料在预热器7出口分为两路，一路经过第一进气阀8a与氨-氢混合燃料发动机11连接，所述氨-氢混合燃料发动机11与第一发电机12连接，第一发电机12经过断路器17b与船舶电网主母线连接，另一路经过第二进气阀8b与氨燃料电池9连接，所述空气4经过压缩机进入氨燃料电池9，所述氨燃料电池9产生的电力经逆变装置10a、断路器17a与船舶电网主母线连接。

氨-氢混合燃料发动机11的尾气依次经过高温蓄热式温差发电装置热侧203、ORC换热器302后从ORC换热器302的尾气出口排出，所述温差发电组件利用高温相变材料吸收氨-氢混合燃料发动机11尾气的热量进行热电转化，产生电力经过整流装置204储存在蓄电池16中。所述氨燃料电池9的尾气经过低温蓄热式温差发电装置201热侧后从低温蓄热式温差发电装置201热侧出口排出，所述温差发电组件利用低温相变材料吸收氨燃料电池9的热量进行热电转化，产生电力经过整流装置202储存在蓄电池16中；蓄电池16与逆变装置10b连接将直流电转化成交流电，逆变装置10b经过断路器17c与船舶电网主母线连接。

工质罐301的出口与ORC换热器302的入口连接，有机工质在ORC换热器302中吸热后进入闪蒸器303，经过闪蒸器303的过热蒸汽进入动力涡轮304膨胀做功，动力涡轮304与第二发电机307连接，第二发电机307经断路器17d与船舶电网主母线连接，经过动力涡轮304做功后的乏汽进入冷凝器305，冷凝器305内的饱和工质液体经过工质泵306进入工质罐301中，进行下一次工作循环。

电解池101通过电解池开关18连接至船舶主母线，由船舶电网提供电力，水箱14中的水经过水泵15进入低温蓄热式温差发电装置201的冷侧入口，所述低温蓄热式温差发电装置201冷侧出口与电解池101入口连接，所述电解池101气体出口与气液分离器102入口连接，所述气液分离器102出口与干燥器103入口连接，经干燥器103的氢气进入气包104中储存，气包104的出口与截止阀105连接，其中，电解池101电解时产生的热量传递至相变储热器13，相变储热器13给氨燃料电池9进行预热。

船舶主母线与电动机19相连，电动机19连接主离合器20、主离合器20连接变速箱21，再连接至船舶螺旋桨22。

相变储能装置内部填充的相变材料应优选适宜的相变温度，应具有较大的相变潜热值，可以是单一的相变材料也可是复合相变材料。其中相变储热器13中优选相变温度为20～50℃的相变材料进行填充，低温蓄热式温差发电装置201中优选相变温度为70～90℃的相变材料进行填充，高温蓄热式温差发电装置203中优选相变温度为200～300℃的相变材料进行填充。本发明所选相变材料如下所示，相变储能装置13中的相变材料选择石蜡，相变温度可从0～80℃调节，相变潜热为150～250kJ·kg^-1，低温蓄热式温差发电装置201中填充材料选择Ba(OH)₂·8H₂O，该相变材料相变温度为78℃，相变潜热为278kJ·kg^-1，高温蓄热式温差发电装置203中储能装置内部填充的相变材料优选料LiNO₃-NaCl，其中LiNO₃的质量占比13.5％、NaCl的质量占比86.5％，该相变材料相变温度为255℃，相变潜热为354kJ·kg^-1。

启动时，第一进气阀8a关闭，第二进气阀8b开启，关闭截止阀105，氨-氢混合燃料发动机11关闭，氨燃料电池9启动。液氨罐5中的液氨经过截止阀6进入预热器7，预热器7启动对液氨进行加热，打开第二进气阀8b，氨燃料经过第二进气阀8b进入氨燃料电池9的电堆阳极，压缩空气4进入电堆的阴极，氨燃料电池工作，冷却水经过温差发电冷侧流入电解池101，关闭电解池开关18，电解池101开始工作将水电解产生氢气，产生气体经电解池101出口进入气液分离器102，吸收气体中带出的水分，经过气液分离器102的气体进入干燥器103进行干燥后进入气包104中，截止阀105关闭。

低负载时，第一进气阀8a开启，第二进气阀8b关闭，氨-氢混合燃料发动机11启动，氨燃料电池9关闭。打开截止阀105，氢气经截止阀105进入氨-氢混合燃料发动机11燃烧，氨燃料经过第一进气阀4a进入氨-氢混合燃料发动机11燃烧，氨-氢混合燃料发动机11带动第一发电机12进行发电并将电力输出至船舶电网主母线，氨-氢混合燃料发动机11的尾气依次经过高温蓄热式温差发电装置热侧203、ORC换热器302后从ORC换热器302的尾气出口排出，所述温差发电组件利用高温相变材料吸收氨-氢混合燃料发动机11尾气的热量进行热电转化，产生电力经过整流装置204储存在蓄电池16中，蓄电池16与逆变装置10b连接将直流电转化成交流电，逆变装置10b经过断路器17c与船舶电网主母线连接。

高负载时，第一进气阀8a开启，第二进气阀8b关闭，打开截止阀105，氨-氢混合燃料发动机11启动，氨燃料电池9启动，电解池模块1、温差发电模块2、ORC发电模块3均正常工作。当船舶负载与动力推进系统需求较少时，船舶电网先给负载及动力推进系统供电，剩余则通过逆变装置10b对蓄电池16充电，当船舶负载与动力推进系统需求较多时，蓄电池16通过逆变装置10bb对船舶主母线提供电力，为负载及动力推进系统供电。

Claims

1.一种带有高低温相变储能的氨-氢燃料船舶混合动力系统，其特征是：包括氨燃料电池、压缩空气、液氨罐、相变储热器、氨-氢混合燃料发动机、电解水制氢模块、温差发电模块、ORC发电模块、船舶电网主母线，液氨罐经第一截止阀连接预热器，预热器通过第一进气阀连接氨燃料电池，预热器通过第二进气阀连接氨-氢混合燃料发动机，压缩空气连接氨燃料电池，氨燃料电池通过第一逆变装置、第一断路器连接船舶电网主母线，氨-氢混合燃料发动机通过经第一发电机、第二断路器连接船舶电网主母线；所述电解水制氢模块包括电解池、气液分离器，电解池分别连接船舶电网主母线和气液分离器，电解池和船舶电网主母线之间设置电解池开关，气液分离器依次连接干燥器、气包、第二截止阀、氨-氢混合燃料发动机，相变储热器分别连接氨燃料电池和电解池；所述温差发电模块包括低温蓄热式温差发电装置、高温蓄热式温差发电装置、第一整流装置、第二整流装置，高温蓄热式温差发电装置分别连接氨-氢混合燃料发动机和第一整流装置，第一整流装置分别连接第二整流装置和蓄电池，第二整流装置连接低温蓄热式温差发电装置，低温蓄热式温差发电装置分别连接水箱、电解池和氨燃料电池，蓄电池通过第二逆变装置、第三断路器连接船舶电网主母线；所述ORC发电模块包括工质罐、ORC换热器、闪蒸器、动力涡轮、冷凝器、工质泵、第二发电机，ORC换热器分别连接工质罐、闪蒸器、高温蓄热式温差发电装置，闪蒸器、动力涡轮、冷凝器、工质泵、工质罐依次相连，动力涡轮通过第二发电机、第四断路器连接船舶电网主母线；船舶电网主母线连接电动机，电动机通过主离合器连接变速器，变速器连接船舶螺旋桨；

低负载时，第一进气阀开启，第二进气阀关闭，氨-氢混合燃料发动机启动，氨燃料电池关闭，第二截止阀打开，氢气经第二截止阀进入氨-氢混合燃料发动机燃烧，氨燃料经过第一进气阀进入氨-氢混合燃料发动机燃烧，氨-氢混合燃料发动机带动第一发电机进行发电并将电力输出至船舶电网主母线，氨-氢混合燃料发动机的尾气依次经过高温蓄热式温差发电装置热侧、ORC换热器后从ORC换热器的尾气出口排出，温差发电组件利用高温相变材料吸收氨-氢混合燃料发动机尾气的热量进行热电转化，产生电力经过整流装置储存在蓄电池中，蓄电池与第二逆变装置连接将直流电转化成交流电，第二逆变装置经过第三断路器与船舶电网主母线连接；

高负载时，第一进气阀开启，第二进气阀关闭，第二截止阀打开，氨-氢混合燃料发动机启动，氨燃料电池启动，电解池模块、温差发电模块、ORC发电模块均工作，当船舶负载与动力推进系统需求少时，船舶电网先给负载及动力推进系统供电，剩余通过第二逆变装置对蓄电池充电，当船舶负载与动力推进系统需求多时，蓄电池通过第二逆变装置对船舶主母线提供电力，为负载及动力推进系统供电。

2.根据权利要求1所述的一种带有高低温相变储能的氨-氢燃料船舶混合动力系统，其特征是：启动时，第一进气阀关闭，第二进气阀开启，第二截止阀关闭，氨-氢混合燃料发动机关闭，氨燃料电池启动，液氨罐中的液氨经过第一截止阀进入预热器，预热器启动对液氨进行加热，氨燃料经过第二进气阀进入氨燃料电池的电堆阳极，压缩空气进入电堆的阴极，氨燃料电池工作，冷却水经过温差发电冷侧流入电解池，电解池开关关闭，电解池开始工作将水电解产生氢气，产生气体经电解池出口进入气液分离器，吸收气体中带出的水分，经过气液分离器的气体进入干燥器进行干燥后进入气包中，第二截止阀保持关闭。