CN117940338A - 混合式联合循环电力系统 - Google Patents

Abstract

一种船舶混合式联合循环电力和推进系统包括蒸汽涡轮机(6)、至少一个燃气涡轮机(8)、至少一个辅助发电机(3)；电推进驱动系统和能量存储系统(10)，其各自连接到AC母线(20、21)的一个部段。该系统还包括用于蒸汽涡轮机(6)的蒸汽源，以及用于控制蒸汽涡轮机、燃气涡轮机、辅助发电机、电驱动推进系统和能量存储系统的操作的控制系统。用于蒸汽涡轮机的主蒸汽源是来自燃气涡轮机(8)的排气(16)。用于燃气涡轮机(8)的主气体源是来自货舱的蒸发气体。该AC母线包括AC母线的多个部段(20、21、72、75、32、33)，它们通过在正常操作中闭合的母线联接器耦接在一起，从而形成闭环AC母线。该电推进驱动系统包括变速驱动器，从而驱动通过驱动轴(76)耦接到螺旋桨(77)的电动马达(24、25)。

Description

混合式联合循环电力系统

技术领域

本发明涉及一种用于船舶、特别是用于液化天然气(LNG)和氢运载船的混合式联合循环电力和推进系统。

背景技术

船舶运营者要求降低操作成本，而常规船舶受到对可能有害于环境的操作的增加的限制。期望改进性能来解决这些问题。

发明内容

根据本发明，一种混合式联合循环电力和推进系统，所述系统包括蒸汽涡轮机、至少一个燃气涡轮机、至少一个辅助发电机；电推进驱动系统和能量存储系统，其各自连接到AC母线的一个部段；所述系统还包括用于所述蒸汽涡轮机的蒸汽源，以及用于控制所述蒸汽涡轮机、所述燃气涡轮机、所述辅助发电机、所述电驱动推进系统和所述能量存储系统的操作的控制系统；其中，用于所述蒸汽涡轮机的主蒸汽源是来自所述燃气涡轮机的排气；用于所述燃气涡轮机的主气体源是来自货舱的蒸发气体；其中，所述AC母线包括AC母线的多个部段，所述多个部段通过在正常操作中闭合的母线联接器耦接在一起，从而形成闭环AC母线；并且所述电推进驱动系统包括变速驱动器，从而驱动通过驱动轴耦接到螺旋桨的电动马达。

通过具有快速作用开关，例如半导体开关，使得使用闭环系统成为可能。在没有这些的情况下，照常规，母线联接器(bus tie)在正常操作中会保持断开，因为它们在故障的情况下无法足够快地断开，以防止故障传播到系统的其他部分中。在常规系统中供电故障的情况下，母线联接器可被闭合，以允许将来自不同母线的能量供应到用电设备(consumer)，但共享供电并不是标准操作特征，因此所有母线都需要使它们断路的发电机在正常使用中操作，这会降低效率。

该电推进驱动系统可包括永磁马达。

使用永磁马达允许该系统在没有齿轮箱的情况下运行，因为该永磁马达可足够慢地运行，以匹配螺旋桨速度，因此不需要齿轮箱来将马达的速度降低到螺旋桨的速度。照常规马达以大约720rpm运行，并且螺旋桨的运行要慢得多，可能以更接近马达速度的1/10运行。

用于能量存储系统的主能量源可以是由蒸汽涡轮机、燃气涡轮机或辅助发电机中的一者产生的电。

该系统还可包括岸电连接，以使得船舶用电设备能够由岸电供应装置供电。

该系统可包括单燃料燃气涡轮机以及一个或多个火花点火辅助发电机。

这有助于最小化排放。

推进系统电动马达可包括耦接到船舶的每个驱动轴和螺旋桨的低速双向马达。

推进系统还可包括电耦接到AC母线的船首推进器(bow thruster)。这些是可选的。

船舶可包括液化天然气运载船、LPG运载船、氢气运载船以及其他大型船。

所述电动马达可包括双向马达。

这避免了需要齿轮箱以在前向和反向之间移动。变频/变速驱动器用于调整前向或反向推进的速度。

该系统还可包括用于燃气涡轮机的船载气体供应装置。

附图说明

现在将参考附图来描述根据本发明的船舶混合式联合循环电力和推进系统的示例，附图中：

图1是根据本发明的混合式联合循环电力和推进系统的示例的框图；

图2更详细地图示了图1的系统的一部分；

图3是图示了根据本发明的图1的示例的更多细节的电路图；

图4是更详细地图示了图1的示例的替代布置结构的电路图；

图5图示了使用根据本发明的系统的空转和等待的电力系统操作的示例；

图6图示了使用根据本发明的系统的操纵和低速操作的电力系统操作的示例；

图7图示了使用根据本发明的系统的货物卸载的电力系统操作的示例；

图8图示了使用根据本发明的系统的货物装载的电力系统操作的示例；

图9图示了使用根据本发明的系统的海上航行的电力系统操作的示例；

图10图示了用于与图5至图9的任何示例一起使用的系统的推进部分的更多细节。

具体实施方式

本发明解决了减少船舶的操作支出以及使船舶能够以更加环境友好的方式操作的需要。通常，船安装有三个或四个四冲程发动机，以用于在操纵和码头活动期间的电功率产生，并且具有低速二冲程发动机，以用于推进。LNG运载船在航行期间必须处理从货舱罐蒸发的气体，并且传统上，这种气体被用作发动机和辅助蒸汽锅炉的燃料。

本发明提出了混合式联合循环发电设备中的能源与高效永磁推进马达的组合。

包括能量存储系统(ESS)以确保发电设备的最高效操作，从而在仅一个燃烧发动机在闭环分配系统中运行的情况下允许安全和可靠的操作。

电功率分配被包括在混合式系统中，并且可通过使用能量存储装置来减少所需的发电机数量。船舶上的总燃料消耗包括用于蒸汽和电两者的燃料。照常规，燃气涡轮机中的故障将会使蒸汽涡轮机跳闸，并且使得船舶在一段时间内没有电力。因此，以这种方式操作的船舶必须在运行发电机方面具有冗余性。能量存储装置与蒸汽和燃气涡轮机的结合使用避免了停电的发生，并且能量存储装置还有助于缓冲可变峰值负载，从而使得燃气涡轮机和蒸汽涡轮机能够以稳定的负载并且以最大操作效率操作。因此，船舶可仅利用与其他类型的辅助发电机安装在一起的一个燃气涡轮机和一个蒸汽涡轮机来操作，因为主推进发电机由AC母线供给，在主电能供应故障的情况下，在需要时，该AC母线能够接入能量存储系统。除了燃气涡轮机和蒸汽涡轮机之外，在恶劣天气中海上航行期间所需的高功率(海上功率裕度，sea-margin)由操作的辅助发电机补偿。这意味着具有来自能量存储装置的支持的相对小的燃气涡轮机和蒸汽涡轮机，两者通常在90-100％负载下操作，即以最佳效率操作，在排放和燃料消耗方面产生了显著的减少。

蒸汽涡轮机由燃气涡轮机排气驱动，这减少了船舶的总排放，并且由于仅需要具有一个燃气涡轮机，也存在资本成本的降低。辅助发电机被用作冗余发电机，并且在高负载需求、操纵、等待和码头操作期间操作。能量存储装置充当短期备用，以从蒸汽涡轮机或燃气涡轮机转移到一个或多个辅助性火花点火四冲程燃气发动机。在正常操作中，一旦船舶达到一定的最小巡航速度，主要推进力就来自由燃气涡轮机产生的电。该四冲程燃气发动机足以充当“带我回家”的发动机。利用这种混合式联合循环布置结构可实现操作成本的进一步降低，因为通常仅需要辅助发动机中的一个来装载和卸载货物，特别是在由能量存储装置提供的帮助下。由于需要更多功率来卸载船舶，因此通常会为此使用两个四冲程发动机，而燃气涡轮机处于备用状态。由于燃气涡轮机启动需要大约6至10分钟，因此如果四冲程发动机中的一个发生故障，则另一个燃气四冲程发动机和能量存储装置为此进行补偿，并且对装载或卸载操作应几乎没有影响。燃气涡轮机和四冲程燃气发动机两者都可由来自货舱的蒸发气体作为燃料，否则该蒸发气体将被液化并返回到货舱罐，或者被烧掉并浪费。另外，设置单独的罐用于装燃料，例如零碳燃料，诸如bioLNG和eLNG，允许船即使在空货舱罐的情况下仍能操作。

图1是图示了根据本发明的混合式联合循环电力和推进系统的示例的框图。利用所选设备的组合，可使发动机室比常规的混合式联合循环系统中更加紧凑。该系统包括用于产生蒸汽的至少一个辅助锅炉1，该锅炉被耦接到低压(LP)蒸汽加热分配网络2。两个辅助发电机3通常从四冲程燃气发动机4接收功率并且将其馈送到AC母线18上。每个燃气发动机还将排气供给到节热器15中，来产生蒸汽，以添加到蒸汽加热分配网络2。能量存储系统10还通过DC-AC转换器11(CGC)和变压器12来连接到电功率分配网络18。来自分配网络2中的各种源的蒸汽通过热交换器14，并且该输出19与热回收蒸汽发生器17的输出16结合，该热回收蒸汽发生器17从燃气涡轮机8获取排气并将该排气转化为蒸汽。蒸汽输出16、19的结合被供给到蒸汽涡轮机6中，以为发电机5供能。燃气涡轮机8中产生的能量在发电机7中转换成AC功率并输入到AC母线18。燃气涡轮机8的主燃料源是来自船的液化天然气货物的蒸发气体。

能量存储系统10包括合适的能量存储器，例如：化学或电能存储装置，例如电池；动能存储装置，例如飞轮；或者其他类型的能量存储装置，例如电容器或超级电容器。低压蒸汽加热分配网络2通过低压至高压蒸汽热交换器14耦接到高压蒸汽管线，并且连接到蒸汽涡轮机以及辅助发动机排气废热回收的节热器15。辅助锅炉1、辅助发电机3和燃气涡轮机8中的每一个被耦接到燃料计量装置13，该燃料计量装置13向控制系统(未示出)提供数据，使得可优化操作能量源的组合。蒸汽涡轮机6通常产生燃气涡轮机8的功率输出的一半到三分之一。适合于该应用的燃气涡轮机7的示例是SGT400燃气涡轮机，其产生12.9MW的功率，而蒸汽涡轮机6的功率输出通常较低，大约为5.6MW。新的电力系统将联合循环发电设备与蒸汽加热系统集成。热回收蒸汽发生器节热器可向两个蒸汽闪蒸器供应热水，该蒸汽闪蒸器向蒸汽涡轮机提供更多蒸汽，以及向热交换器提供热水，该热交换器预热给辅助锅炉的给水，从而减少辅助锅炉的燃料消耗。另外，可使用热交换对燃料气体施加预热，以冷却燃烧空气，从而减少所需的能量。这使得能够实现总燃料消耗的显著改善。对于本文给出的所有示例，具体的功率输出、操作电压以及所使用的燃气涡轮机类型和能量存储类型将取决于客户需求，并且示例不应被视为限制。

图2示出了图1的元件的替代视图，以说明如何在液化天然气(LNG)运载船中实现效率改进。一个或多个燃料罐或货舱罐97中的LNG燃料80自然地产生蒸发气体96，该蒸发气体96沿管道84朝向燃料气体蒸汽加热器85和泵86供给，该泵86将燃料气体朝向燃料管线泵送至发电机93、94、辅助锅炉95和燃气涡轮机8以及相关联的发电机7。附加的燃料80可由泵81直接从货舱罐或燃料罐中的一个或多个沿另一管道82通过强制蒸发器蒸汽加热器83泵送到燃料气体蒸汽加热器85的输入部100。在压载操作期间通常需要泵送的燃料，此时存在高负载，但自然蒸发气体产量低。由于蒸发气体96或泵送的燃料80相对冷，其通常在-80℃和-160℃之间，并且必须被加热到高于2.5℃的温度(并且对于燃气涡轮机8，以19.6至28Bar(g)之间的表压供应)，然后被提供给各种发电机、锅炉或涡轮机，因此该特性可用于冷却用于涡轮机8的燃烧空气98。

燃烧空气冷却通过如下方式来实现，即：使用燃烧空气冷却泵89使来自燃烧空气源91的燃烧空气循环通过管92。燃烧空气分别流过与蒸发气体管道84或泵送燃料管道82接触的热交换器87、88，并且被冷却，然后被泵送回，以将冷却的空气98供应至涡轮机。该系统中的元件的这种组合的效果在于减少加热用于涡轮机8的燃料气体99所需的能量的量，以及减少冷却用于涡轮机的燃烧空气98所需的能量。例如，对于在170℃6至7Bar(g)下的压载期间的典型蒸汽消耗，燃料气体加热器85具有100至400kg/h的蒸汽容量，从而在650kW的典型额定功率下需要80至300kW，并且强制蒸发器具有300至1400kg/h的蒸汽容量，从而在1650kW的典型额定功率下需要220至1050kW。为了在船舶上提供冗余，图2的示例实际上被复制，使得即使一个部分中发生故障，船舶仍然能够操纵。

图3为单线图，其给出了发电在两个AC母线之间分配的布置结构的示例的更多细节，而不是图1的单AC母线，并且其中AC母线连接在闭环布置结构中，以提高整体效率。具有能量存储装置的闭环电分配设备使得能够通过最小化操作的发电机数量来实现燃料的最少使用。能量存储装置10，在此示例中为产生4.5MW功率的电池包；辅助发电机3a、4a中的一个，例如可产生大约5.3MW功率的火花点火燃气发动机；以及可产生5.6MW功率的蒸汽涡轮机6，可全部被连接到一个AC母线或配电盘20。这些功率源可产生相当相似的电量。燃气涡轮机8、另一个辅助发电机3b、4b和可选的岸电供应连接22可被设置在第二AC母线21上。通常处于双发动机船舶上的左舷和右舷的这两个AC母线20、21可经由耦接器23耦接在一起，其中开关常闭(NC)。这些配电盘通常以6.6kV AC操作。主推进力由电动变速马达24、25提供，其各自产生大约10.2MW的功率，每个配电盘20、21耦接一个马达。从AC母线产生的功率通过AC-AC转换器电路26a、26b、27a、27b和变压器馈送到马达。AC/AC转换级经由DC连接103连接在一起，并且AC/AC转换器可包括制动电阻器(breaking resistor)30、31，因为当降低船的速度时，螺旋桨被水旋转并且产生需要耗散的电能。在该示例中，能量在制动电阻器中被耗尽。可替代地，能量可被存储在能量存储系统10中。

电功率还通过连接75、72从主配电盘20、21供应到附属配电盘，例如也以6.6kV AC操作的直接连接的货物配电盘32、33，其中开关常闭。货物配电盘32、33通过连接71耦接在一起，其中开关常闭。货物配电盘32、33经由变压器38、40连接到较低压用电设备配电盘34、35，该较低压用电设备配电盘34、35在该示例中以440V AC操作，或者经由其他变压器39、41连接到在该示例中以220V AC操作的其他用电设备配电盘36、37。较低压配电盘34、35之间的连接73具有常开(NO)的开关。类似地，其他用电设备配电盘34、35之间的连接74具有常开的开关。主配电盘还具有经由变压器42、44到以440V AC操作的公用配电盘46、47的连接43、45，其中开关常闭。在该示例中，左舷公用配电盘47被示出为利用常闭的开关连接到紧急配电盘48，该紧急配电盘48也在440V AC下，由紧急发电机49供应，并且由此，经由变压器连接到在该示例中处于220V AC下的第一和第二紧急配电盘51、52，该第一和第二紧急配电盘51、52可通过耦接器53耦接在一起，该耦接器53设置成开关常开。在该示例中，紧急配电盘在左舷侧和右舷侧两者上均供应220V AC通用UPS 56、57。(尽管未示出，但输入部58a还通过来自输出部58b的连接来连接到紧急配电盘48)。公用配电盘还可通过AC/DC整流器(未示出)连接到处于110V DC下的不间断电源(UPS)，以及通过变压器连接到220V AC配电盘59、60。与主配电盘一样，公用配电盘46、47和220V配电盘59、60的左舷侧和右舷侧也可通过具有常开开关的连接61、62耦接在一起。该设计的低压部分，440V、220V和110V，也是客户特定的，并且所示的低压配电盘的布置结构只是一种选择，并且不仅限于这种布置结构。

可选的船首隧道推进器63、64可从主配电盘20、21的相应侧供应。变压器65、67和AC/AC转换器66、68将供电转换成用于推进器马达69、70的正确电压。所示示例是基于具有容纳舱室以及安装在船舶后端处的主配电盘的船舶的典型布置结构。

图4是示出了该布置结构的替代示例的单线图，其同样具有在两个AC母线之间分配的发电，而不是图1的单AC母线。与图3对比，船首推进器被连接到前部AC母线，并且酬载(hotel load)也从这些母线卸除，因为这种布置结构适合于容纳舱室和船桥位于船舶的前端处的船舶。和之前一样，使AC母线连接在闭环布置结构中提高了整体效率。

能量存储装置10可包括电池包，在该示例中，为产生6MW功率的电池包。与能量存储装置10一样，辅助发电机3b、4b中的一个，例如可产生大约5.3MW功率的火花点火燃气发动机；以及可产生5.7MW功率的蒸汽涡轮机6，可全部被连接到一个AC母线或配电盘20，在这种情况下为左舷后部配电盘。这些功率源可产生相当相似的电量。燃气涡轮机8、另一个辅助发电机3a、4a和可选的岸电供应连接22可被设置在第二AC母线21上。通常处于双发动机船舶上的左舷和右舷后部的这两个AC母线20、21可经由耦接器23耦接在一起，其中开关101常闭。这些配电盘通常以6.6kV AC操作。主推进力由电动变速马达24、25提供，其各自产生大约10.5MW的功率，每个配电盘20、21耦接一个马达。从AC母线20、21产生的功率通过变压器28a、28b、29a、29b独立地沿电缆102、104馈送到AC/DC、DC/AC转换器电路26a、26b、27a、27b到马达。与图1的示例对比，AC/AC转换级不经由DC连接103连接在一起，而是保持独立，因此每个AC/AC转换器26a、26b、27a、27b可能需要制动电阻器30、31，而不是具有用于AC/AC转换的公共电阻器。当降低船的速度时，这些电阻器会消耗在螺旋桨被水旋转时产生的电能。制动电阻器30、31的替代方案是将产生的能量存储在能量存储系统10中。

后部主配电盘还具有经由变压器42、44到以440V AC操作的后部公用配电盘46、47的连接43、45，其中开关106常开。在该示例中，左舷和右舷后部配电盘47、46中的每一个被示出为利用常闭的开关连接到由紧急配电盘48供应的通用230V UPS，该紧急配电盘48同样处于440V AC下，由位于前部的紧急发电机49供应。靠近船尾的配电盘46、47还经由变压器供应较低压配电盘59、60，该较低压配电盘59、60在该示例中处于230V的较低电压下。配电盘59、60还能够经由常开的开关106耦接在一起。

电功率还从主配电盘20、21供应到附属配电盘，例如也以6.6kV AC操作的直接连接的左舷和右舷前部配电盘32、33。该供应至由连接75、72、71形成的闭环，其中所有开关105常闭。两个前部配电盘32、33通过连接71耦接在一起，其中开关105常闭。每个前部配电盘32、33可支持可选的船首隧道推进器63、64，该推进器63、64包括三相变压器65、67、AC/AC转换器66、68以及推进器马达69、70。前部配电盘32、33可经由每个配电盘上的变压器38、40连接到较低压用电设备配电盘34、35。较低压配电盘34、35之间的连接73具有在操作中常开的开关106。在该示例中，用电设备配电盘以440V AC操作。这些配电盘34、35中的每一个都可供应位于前部并且在该示例中以230V操作的通用UPS。可提供经由其他变压器107到在该示例中以230V AC操作的其他用电设备配电盘108、109的另一组连接。这些用电设备配电盘34、35之间的连接110具有常开的开关106。

与图3的示例不同，紧急配电盘48不连接到后部主配电盘20、21中的一个，而是连接到前部较低压配电盘35，在该示例中通过直接连接112连接到440V配电盘35，其中开关常闭。也处于440V AC下的前部紧急配电盘48由紧急发电机49供应，并且由此，可经由变压器50供应另外的230V紧急配电盘51、52。这些紧急配电盘51、52可通过耦接器53耦接在一起，该耦接器53设置成开关106常开。前部紧急配电盘48还经由连接113供应处于440V下的后部紧急配电盘114。前部和后部紧急配电盘48、114两者都供应通用UPS116。后部紧急配电盘114还经由变压器117供应另一个后部紧急配电盘115，该后部紧急配电盘115处于较低电压下，在该示例中处于230V AC下。该UPS可通过AC/DC整流器(未示出)来连接。该设计的低压部分是客户特定的，并且也可使用其他布置结构。

图5示出了当所需功率仅用于空转和等待时混合式系统如何操作。通常为火花点火燃气发动机的一个辅助发电机4a或4b用于给整个船供应电功率，一个辅助发电机4a或4b处于热备用模式，并且将在故障和高负载需求时自动启动。可替代地，可使用柴油发动机或双燃料发动机。火花点火燃气发动机具有减少排放以及简化船舶燃料系统或降低船舶燃料系统的成本的优点，这是因为仅需要单一燃料，即燃气。能量存储装置10开启，并且用于调峰和停电预防。四个AC母线部段20、21、32和33之间通过23、71、72和75的常闭环连接分配允许将功率根据需要从一个部段传递到另一个部段，因此对于空转和等待中的预期需求水平，仅需要一个辅助发电机操作。在这些状况下，蒸汽涡轮机6和燃气涡轮机8不正常运行，因此不需要开启燃烧空气冷却或空气润滑。连续测量辅助发电机的效率，并且如果确定其低于其额定值，则采取措施来确定原因并解决该原因，例如通过清洁过滤器。为负载超过单个辅助发电机的规定的时间长度设置预定阈值，并且如果被超过，则将备用辅助发电机投入操作，或者如果在两个辅助发电机操作时负载或效率和功率低于单个辅助发电机的标准，则一个辅助发电机被停止并且返回到备用模式中。推进马达24、25在等待时、例如在锚定时通常不操作。

图6图示了如何供应用于操纵和低速操作的功率。在这种情况下，两个辅助发电机4a、3a、4b、3b都为整个船供应电功率，其中燃气涡轮机8处于热备用状态，其设置为在高负载需求和/或辅助发电机中的一个跳闸的情况下自动启动。蒸汽涡轮机6也处于备用模式中。能量存储装置10开启，并且用于调峰和停电预防。两个推进马达24和25通常在低负载下操作。空气润滑和燃烧空气冷却关闭。监测效率降到低于给定阈值的任何下降都将触发原因调查和适当的维护动作。

图7示出了电力系统的为卸载货物而操作的部分。与图6中的状况一样，两个辅助发电机4a、3a、4b、3b都为整个船供应电功率，其中燃气涡轮机8通常处于热备用状态，其设置为在高负载需求和/或辅助发电机中的一个跳闸的情况下自动启动。蒸汽涡轮机6通常也处于备用模式中。能量存储装置开启，并且用于调峰和停电预防。推进马达24、25通常关闭并且断开。空气润滑和燃烧空气冷却关闭。持续监测辅助发电机效率，以使得能够在需要时采取合适的维护动作。如果负载或效率测量结果低并且功率小于由单个辅助发电机供应的功率持续超过预定时间，则将两个辅助发电机中的一个停止并返回到备用模式中。

图8图示了电力系统如何操作以用于货物装载。一个辅助发电机4a、3a或4b、3b用于为整个船供应电功率，另一个辅助发电机4a、3a或4b、4b处于热备用模式中，并且将在故障和高负载需求时自动启动。能量存储装置10开启，并且用于调峰和停电预防。燃烧空气冷却和空气润滑关闭。连续测量辅助发电机的效率，并且如果确定其低于其额定值，则采取措施来确定原因并解决该原因，例如通过清洁过滤器。如果负载增加高于单个辅助发电机可供应的负载，则备用发电机启动。如果负载或效率测量结果低并且功率小于由单个辅助发电机供应的功率持续超过预定时间，则将两个辅助发电机中的一个停止并返回到备用模式中。燃气涡轮机和蒸汽涡轮机通常不操作。推进马达通常关闭并且断开。

图9图示了用于海上航行的电力系统操作，其中燃气涡轮发电机8和蒸汽涡轮发电机6开启，并且针对在为整个船供应电功率时的功率和效率优化。在该示例中，两个辅助发电机4a、3a、4b、3b都处于热备用状态，并且在高负载需求或者燃气涡轮发电机8由于任何原因而跳闸的情况下自动启动。能量存储系统10开启并且操作以用于调峰和停电预防。空气润滑和燃烧空气冷却开启，辅助锅炉给水加热和天气定航也开启。推进系统和马达24、25操作以推进船舶，从而从AC母线接收电，该电主要由燃气涡轮机和蒸汽涡轮机产生。

设置最小速度，以满足下一港口处的期望到达时间。推进功率增加到燃气涡轮发电机和蒸汽涡轮发电机以高于90％额定功率操作的点，并且如所有其他模式中一样，在组合燃气涡轮发电机和蒸汽涡轮发电机的这种情况下，连续测量效率。如果该效率下降到低于额定值，则采取合适的补救动作。控制系统控制空气润滑和推进功率，同时通过谨慎使用天然蒸发气体来最小化给再液化装置的功率。最具燃料效率的操作速度是优选的，并且进行燃料消耗和行进距离的测量，以不断对此进行检查并做出合适的调整。

图10图示了在没有齿轮箱的情况下使用低速推进马达作为原动机的高效传动线路的示例。该船设有两个双向马达24、25，它们由变速驱动器驱动。马达可在每分钟0到75转的范围内操作。通常，每个马达具有两个绕组集，每个绕组为三相和4.16kV。功率范围取决于应用，例如，它们可被设置为8MW至16MW。在如所描述的系统中，马达是非常高效的。马达24、25各自驱动轴76上的螺旋桨77。从AC母线获得的电功率通过AC/AC转换器26a、26b、27a、27b和变压器28a、28b、29a、29b。这种布置结构允许通过二极管整流器的单向功率流。双向永磁慢速推进马达不需要齿轮箱，这进一步提高了推进效率，并且减小了推进马达所需的发动机室空间。

本发明具有许多益处。特别是，它允许降低船舶的操作成本，因为船舶可在船上具有最少维护船员和机械空间无人的情况下操作。与双燃料柴油电动(DFDE)以及带有辅助发动机的低速二冲程直接驱动相比，通过使用能量存储和燃料优化，燃料支出减少。与常规动力的LNG运载船相比，通过在混合式联合循环系统中使用燃气涡轮机，碳排放和甲烷逃逸减少。与常规的LNG运载船和其他船相比，润滑油消耗也减少。根据本发明的操作减少了针对船员和海洋生态系统的噪声和振动。由于机器物理上更小并且更轻，船舶可装载更多货物，从而提供了降低的单位货运成本。可实现用氢替代LNG作为燃料，从而使得从长远来看该设计也具有吸引力，因为运营者可能不得不放弃使用化石燃料以满足政府要求。

使用电推进提高了船舶的操纵能力以及操作灵活性，同时最小化了针对船员和海洋生态系统的噪声和振动。与基于状态的监测相结合，对维护的需求减少，并且可在岸上远程提供操作支持。本发明使得船舶能够在更高的速度下以更高的效率操作，从而减少了对于相同航行距离的海上天数。随着速度的提高以及可用时间内可运载的附加货物的增加，单位货运成本可能显著降低。使用本发明的混合式联合循环系统，蒸汽锅炉的燃料消耗可显著降低。与2冲程解决方案相比，机器所需的热量最少。推进管理系统(PMS)设置有燃料优化功能(ECO模式)。仅单一燃料被用于所有能量产生系统，这简化了物流并减少了总体资本支出。存在更少的需要加热的燃料罐和燃料系统，并且总体而言，存在更多可用于货物的空间。例如为火花塞点火燃气发动机的4冲程辅助发电机本质上比2冲程发动机更高效。

Claims (10)

1.一种船舶混合式联合循环电力和推进系统，所述系统包括蒸汽涡轮机、至少一个燃气涡轮机、至少一个辅助发电机；电推进驱动系统和能量存储系统，其各自连接到AC母线的一个部段；所述系统还包括用于所述蒸汽涡轮机的蒸汽源，以及用于控制所述蒸汽涡轮机、所述燃气涡轮机、所述辅助发电机、所述电驱动推进系统和所述能量存储系统的操作的控制系统；其中，用于所述蒸汽涡轮机的主蒸汽源是来自所述燃气涡轮机的排气；用于所述燃气涡轮机的主气体源是来自货舱的蒸发气体；其中，所述AC母线包括AC母线的多个部段，所述多个部段通过在正常操作中闭合的母线联接器耦接在一起，从而形成闭环AC母线；并且所述电推进驱动系统包括变速驱动器，从而驱动通过驱动轴耦接到螺旋桨的电动马达。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电推进驱动系统包括永磁马达。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，用于所述能量存储系统的主能量源是由所述蒸汽涡轮机、所述燃气涡轮机或所述辅助发电机中的一者产生的电。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括岸电连接，以使得船舶用电设备能够由岸电供应装置供电。

5.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述系统包括单燃料燃气涡轮机以及一个或多个火花点火辅助发电机。

6.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，推进系统电动马达包括耦接到所述船舶的每个驱动轴和螺旋桨的低速双向马达。

7.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述推进系统还包括电耦接到所述AC母线的船首推进器。

8.根据至少权利要求5所述的系统，其中，所述船舶包括液化天然气运载船、LPG运载船、H2运载船以及其他大型船。

9.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述电动马达包括双向马达。

10.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述系统还包括用于所述燃气涡轮机的船载气体供应装置。