CN115285277A - 一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统及方法，所述系统包括相互连接的主机、轴带发电机、整流器、供电装置、发电机组、废气涡轮、空气压缩机机组、马达、压缩空气储藏舱、空气释放装置、空气过滤器、空气加热器、空气膨胀机。船舶航行时，压缩空气主要由主机的裕度功率产生的电力与主机废气驱动废气涡轮带动压缩机产生，也可以利用发电机组输出的多余电力通过马达驱动压缩机产生，并存储在压缩空气储藏舱内供空气润滑系统或船上需要压缩空气的设备使用，当船舶的供电装置供电能力不足时，压缩空气释放至空气膨胀机中带动发电机发电，从而主机在经济性较好的高负荷工况下运行，同时解决较为经济的压缩空气来源问题。

Description

一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统及方法

技术领域

本发明属于船舶建造技术领域，具体涉及一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统及方法。

背景技术

随着碳达峰、碳中和目标的确定和能源成本的上涨，对于船舶的节能与减排提出了更高的要求，船舶能耗的减少是设计者不断努力的目标。当下船舶主机的能耗主要是按照最恶劣工况设计的，但是在正常工况下，主机的负荷一般不高，低负荷状态下的主机很不经济，且主机产生的高温废气浪费了大量热能。而空气润滑系统(ALS)是利用空气与水在密度和黏度上的差异，向船体底部注入压缩空气减小船舶摩擦阻力，降低船舶阻力。但是目前压缩空气主要由压缩机消耗船舶发电机的电力产生，增加了船舶电站供电负荷与电网波动。如何提供低能耗的压缩空气是降低高冗余、高能耗空气润滑系统船舶供电系统的关键。

发明专利CN113525586A提出了一种船舶的空气润滑系统，通过向船体的船底部表面喷射空气来减小船舶的摩擦阻力，给出了空气喷射口布置方法与位置，虽然船体压缩空气存在减小了船舶航行阻力，但是压缩空气生成的能耗问题在该发明未考虑。发明专利CN107406124B通过从喷射器向气泡喷出部供给高压空气和低压空气，而能够增大空气流量。在不增大空气流量的情况下减小设备尺寸与能耗，该发明使用的高压空气来源问题未明确，而且喷射器的使用会造成空气输出压力不稳定因素。

为了解决空气润滑系统船舶主机在较为经济工况长时间运行，同时生成足量的经济性压缩空气，且空气压力较为稳定等问题，本发明拟提出以下方案。

发明内容

针对现有技术中大型空气润滑系统压缩空气能耗较大、主机长期处于较低符合工况下运行造船运行经济性下降的问题，本发明提供一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，实现了大型空气润滑系统船舶进一步降低了能耗与能量综合利用。此外，本发明还要提供一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，包括主机、轴带发电机、供电装置、发电机组、废气涡轮、第一空气压缩机机组、第二空气压缩机机组、空气过滤器、马达、压缩空气储藏舱、空气释放装置、空气加热器、发电机；

所述主机的主轴与所述轴带发电机通过离合器连接，所述轴带发电机通过整流器连接所述供电装置，所述主机的废气出口通道与所述废气涡轮的进口连接，所述废气涡轮的主轴与所述第一空气压缩机机组的主轴连接并集成在一个公共底座上，所述废气涡轮的出口与大气环境连接，所述第一空气压缩机机组、所述第二空气压缩机机组的进口与空气过滤器的出口连接，所述空气过滤器的进口与大气环境连接，所述第一空气压缩机机组、所述第二空气压缩机机组的出口通过管道连接压缩空气储藏舱，所述空气加热器的进口连接所述压缩空气储藏舱，所述空气加热器的出口连接所述空气膨胀机的进口，所述空气膨胀机的出口连通大气环境，所述空气膨胀机连接发电机，所述发电机通过整流器连接所述供电装置，所述马达连接所述供电装置，所述马达的主轴通过离合器连接所述第二空气压缩机机组。

作为优选的技术方案，所述压缩空气储藏舱的舱体底部设置有排污阀，所述压缩空气储藏舱与船体底部的空气释放装置通过控制阀连接。

作为优选的技术方案，所述压缩空气储藏舱的舱体顶部设置有泄放阀，所述压缩空气储藏舱通过调压阀连接船用设备。

作为优选的技术方案，所述压缩空气储藏舱内部储存压力为0.25MPa～0.65MPa。

作为优选的技术方案，所述空气储存舱与所述空气加热器之间设置有控制阀。

作为优选的技术方案，所述空气加热器的热源来自主机缸套水或船上蒸汽。

作为优选的技术方案，所述马达为变频马达。

作为优选的技术方案，所述压缩空气存储舱采用碳素钢或合金钢制作而成。

本发明的第二方面，提供一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能方法，采用上述的压缩空气储能系统，包括以下步骤：

当海况条件较好或需要的推进功率较低时，主机通过离合器控制轴带发电机工作，船上发电机组功率开始下调或停止工作，轴带发电机利用主机的裕度产生电力补偿船上供电装置，供第二空气压缩机机组或船上用电设备使用；当海况条件恶劣或需要的推进功率较高时，主机通过离合器控制轴带发电机停止工作，船上发电机组功率开始上调或启动运行，船上供电装置通过马达带动第二空气压缩机机组源源不断产生压缩空气，废气涡轮在各类工况下一直运行，主机产生的高温废气进入废气涡轮带动第一空气压缩机机组工作从而产生压缩空气，船上供电装置在各类工况下出现裕度时，通过马达带动第二空气压缩机机组产生压缩空气从而实现储能功能。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)本发明的系统与方法实现了主机在大多数工况下经济运行与燃料的高效利用；本发明利用主机的裕度功率产生的电力、船舶供电装置裕度电力与主机废气驱动废气涡轮带动压缩机产生压缩空气，实现了主机在大多数工况下经济经济性运行与储能，起到空气润滑系统循船舶供电装置平衡作用，同时解决了压缩空气经济性来源问题，且通过设置压缩空气储藏舱实现压缩空气的压力稳定性。

(2)本发明的系统与方法实现主机废热经济性利用；目前大型船舶主机仅40％热量通过主机废气方式直接释放到大气环境中，而使用高温废气发电经济性很差无法实际应用。而本发明通过在主机口设置废气涡轮产生动力供给空气压缩机生产压缩空气供空气润滑系统使用，提高了主机废热利用的经济性。

(3)本发明的系统与方法结构紧凑，应用范围广。本发明使用的空气压缩机机组、空气膨胀机及轴带发电机等设备成熟度高、结构紧凑、体积小，降低了系统安装占地空间，提高了船舶系统安全性，可以广泛应用于各类大型的运输船上。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明压缩空气储能系统的结构示意图。

其中，附图标记具体说明如下：主机1、轴带发电机2、整流器3、供电装置4、发电机组5、废气涡轮6、第一空气压缩机机组7、空气过滤器8、马达9、压缩空气储藏舱10、空气释放装置11、空气加热器12、空气膨胀机13、发电机14、泄放阀15、控制阀16、排污阀17、调压阀18。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例提供一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，主机1的主轴与轴带发电机2通过离合器连接，轴带发电机2输出电流经过整流器3后送入供电装置4，主机1废气出口通道与废气涡轮6进口连接，上气涡轮6主轴与第一空气压缩机机组7主轴连接并集成在一个公共底座上，废气涡轮6出口与大气环境连接，第一空气压缩机机组7、第二空气压缩机机组的进口与空气过滤器8出口连接，空气过滤器8进口与环境大气连接，第一空气压缩机机组7与第二空气压缩机机组的出口通过管道与压缩空气储藏舱10连接，空气加热器12进口与控制阀与压缩空气储藏舱10连接，空气加热器12出口与空气膨胀机13进口连接，空气膨胀机13出口与大气环境连接，空气膨胀机13与发电机14连接，发电机14与供电装置连接，马达9通过供电装置4供电，马达9主轴通过离合器与第二空气压缩机机组连接。

压缩空气储藏舱10由普通碳素钢或合金钢组成，形状、尺寸及位置可按照船体舱体布置及发电机14发电持续时间要求调整。压缩空气储藏舱10内部存储压力在0.25MPa～0.65MPa范围。压缩空气储藏舱10的舱体底部设有排污口与排污阀17供排污使用，舱体顶部设有泄放阀15供舱内压力突变应急使用，压缩空气储藏舱10通过调压阀18连接船用设备。空气释放装置11在船舶航行时持续工作，通过压缩空气储藏舱10与船体底部空气释放装置11之间的控制阀16连接。空气加热器12进口处控制阀在空气压力达到上限或船舶电网开启，压缩空气释放至空气膨胀机13中带动发电机14发电快速补偿船舶电网4，船上发电机组5功率可以下调或停止工作，上述空气加热器12的热源来自主机缸套水或船上蒸汽发生器产生的蒸汽。

本实施例还提供一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能方法，包括以下步骤：

当海况条件较好或需要的推进功率较低时，上述主机1通过配置轴带发电机2通过离合控制开始工作，而船上发电机组5功率开始下调或停止工作，实现主机在长时间在额定负荷状态附近运行从而提高燃油使用效率。上述轴带发电机2利用主机1的裕度产生的电力补偿船上供电装置4，主要供第二空气压缩机机组或船上用电设备使用；当海况条件恶劣或需要的推进功率较高时，上述主机1通过配置轴带发电机2通过离合控制停止工作，而船上发电机组5功率开始上调或启动运行，上述船上供电装置4通过可变频马达9带动第二空气压缩机机组源源不断产生压缩空气；上述废气涡轮6在各类工况下一直运行，上述主机2生成的高温废气进入废气涡轮6带动第一空气压缩机机组7工作从而产生压缩空气。上述船舶供电网4在各类工况下出现裕度时，通过变频马达9带动第二空气压缩机机组产生压缩空气从而实现储能功能。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，如在压缩空气储藏舱内增加喷淋装置或在压缩机出口增加冷却器来控制舱内温度，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (9)

1.一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，其特征在于，包括主机、轴带发电机、供电装置、发电机组、废气涡轮、第一空气压缩机机组、第二空气压缩机机组、空气过滤器、马达、压缩空气储藏舱、空气释放装置、空气加热器、发电机；

所述主机的主轴与所述轴带发电机通过离合器连接，所述轴带发电机通过整流器连接所述供电装置，所述主机的废气出口通道与所述废气涡轮的进口连接，所述废气涡轮的主轴与所述第一空气压缩机机组的主轴连接并集成在一个公共底座上，所述废气涡轮的出口与大气环境连接，所述第一空气压缩机机组、所述第二空气压缩机机组的进口与空气过滤器的出口连接，所述空气过滤器的进口与大气环境连接，所述第一空气压缩机机组、所述第二空气压缩机机组的出口通过管道连接压缩空气储藏舱，所述空气加热器的进口连接所述压缩空气储藏舱，所述空气加热器的出口连接所述空气膨胀机的进口，所述空气膨胀机的出口连通大气环境，所述空气膨胀机连接发电机，所述发电机通过整流器连接所述供电装置，所述马达连接所述供电装置，所述马达的主轴通过离合器连接所述第二空气压缩机机组。

2.如权利要求1所述的一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩空气储藏舱的舱体底部设置有排污阀，所述压缩空气储藏舱与船体底部的空气释放装置通过控制阀连接。

3.如权利要求1所述的一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩空气储藏舱的舱体顶部设置有泄放阀，所述压缩空气储藏舱通过调压阀连接船用设备。

4.如权利要求1所述的一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩空气储藏舱的内部储存压力为0.25MPa～0.65MPa。

5.如权利要求1所述的一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气储存舱与所述空气加热器之间设置有控制阀。

6.如权利要求1所述的一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，其特征在于，所述空气加热器的热源来自主机缸套水或船上蒸汽。

7.如权利要求1所述的一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，其特征在于，所述马达为变频马达。

8.如权利要求1所述的一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能系统，其特征在于，所述压缩空气存储舱采用碳素钢或合金钢制作而成。

9.一种用于空气润滑系统船舶的压缩空气储能方法，采用权利要求1-8任一项所述的压缩空气储能系统，其特征在于，包括以下步骤：

当海况条件较好或需要的推进功率较低时，主机通过离合器控制轴带发电机工作，船上发电机组功率开始下调或停止工作，轴带发电机利用主机的裕度产生电力补偿船上供电装置，供第二空气压缩机机组或船上用电设备使用；当海况条件恶劣或需要的推进功率较高时，主机通过离合器控制轴带发电机停止工作，船上发电机组功率开始上调或启动运行，船上供电装置通过马达带动第二空气压缩机机组源源不断产生压缩空气，废气涡轮在各类工况下一直运行，主机产生的高温废气进入废气涡轮带动第一空气压缩机机组工作从而产生压缩空气，船上供电装置在各类工况下出现裕度时，通过马达带动第二空气压缩机机组产生压缩空气从而实现储能功能。

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