一种带LNG冷却的气电并联式船舶混合动力系统的制作方法

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：

随着国际油价快速上涨，以及越来越严格的排放法规的实施，这就对船舶的经济性和排放性提出了更高的要求，节能减排已经成为国民经济发展中的重要任务。船舶是高能耗的运输工具，其节能减排技术成为大家关注和研究的热点之一。

天然气作为发动机的燃料是未来船舶发动机发展的必然趋势，天然气有着绿色环保、经济实惠、安全可靠的优点。燃料电池作为一种发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低、可靠性高、又易于建设的发电装置，是未来船舶电力推进的新方向。为了方便的储存运输，经常把天然气压缩冷却成液体(lng)，使用时再吸热气化成气体，而lng气化时会释放余约840kj/kg的冷能，若直接释放到环境中则会造成能源的浪费；发动机、燃料电池工作过程中燃料释放的化学能只有不到50％用于做功，其他的能量大部分会以热能的形式排放到大气中，因为热流密度太大，发动机、燃料电池常常需要额外的散热系统，则又增加了额外的耗能，增加了燃料消耗。

纯电动船舶电力推进系统是未来船舶技术研究的前沿，具有良好的经济性、操纵性、安全性、低噪声以及低污染等优点。然而，受发电方式、功率密度以及储能技术的影响，现阶段的纯电动船舶并不能达到高性能的速度、加速度和自控性，其续航能力也受其电池容量制约。

混合动力船舶兼有内燃机推进船舶和纯电力推进船舶的优点：相比于内燃机推进船舶，可根据负荷大小选择工作模式，保证所有工况下的燃油经济性，冗余性好；相比于纯电力推进船舶，初期投入成本低，且续航能力强。船舶的混合动力技术，解决能源问题与技术不成熟之间矛盾，实现了燃料的高效利用，同时利用了lng气化冷能，一步提高了燃料的利用效率，降低了eedi指数，为船舶从传统的机械式推进过渡到纯电力推进提供了可行性方案，因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供利用lng气化冷降低燃料消耗率，提高经济性和排放性的一种带lng冷却的气电并联式船舶混合动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带lng冷却的气电并联式船舶混合动力系统，其特征是：包括第一lng发动机、第二lng发动机、齿轮箱、可逆电机、lng罐，第一lng发动机通过第一离合器连接齿轮箱，可逆电机通过第二离合器连接齿轮箱，第二lng发动机通过第三离合器连接齿轮箱，齿轮箱的输出端连接螺旋桨；lng罐的第一出口依次连接bog罐、稳压罐，lng罐的第二出口通过截止阀、lng泵连接分流器，分流器出口分别连接第一lng气化换热装置和第二lng气化换热装置，第一lng气化换热装置的第一出口和第二lng气化换热装置的第一出口均连接稳压罐，稳压罐的出口经干燥器分别连接燃料电池、第一lng发动机、第二lng发动机；第一lng发动机的冷却液出口、第二lng发动机的冷却液出口连接第二冷却液膨胀水箱，第二冷却液膨胀水箱分别流经第二散热器和第二lng气化散热装置，二者汇合后回到第一lng发动机、第二lng发动机；燃料电池的冷却液出口连接第一冷却液膨胀水箱，第一冷却液膨胀水箱分别流经第一散热器和第一lng气化散热装置，二者汇合后回到燃料电池；燃料电池、蓄电池、可逆电机连接船舶电网。

本发明还可以包括：

1、采用机械推进模式：所述机械推进模式包括单气体机推进模式、双气体机推进模式、单气体机+发电机推进模式、双气体机+发电机推进模式；

单气体机推进模式：第一离合器断开，第三离合器接合，第二离合器断开，或者第一离合器闭合，第三离合器断开，第二离合器断开；lng由lng罐经截止阀、lng泵、分流器进入第二lng气化换热装置对部分气体机冷却液进行换热，一部分冷却液经过第二散热器进行散热；

双气体机推进模式：第一离合器和第三离合器闭合，第二离合器断开；lng由lng罐经截止阀、lng泵、分流器进入第二lng气化换热设备对部分气体机冷却液进行换热，一部分冷却液经过第二散热器进行散热；

单气体机+发电机推进模式：第一离合器断开，第三离合器闭合或者第一离合器闭合，第三离合器断开；第二离合器闭合，第一lng发动机或第二lng发动机所发出的部分功率用于船舶推进，另一部分功率用于带动可逆电机发电；lng由lng罐经截止阀、lng泵、分流器进入第二lng气化换热设备对部分气体机冷却液进行换热，一部分冷却液经过第二散热器进行散热；

双气体机+发电机推进模式：第一离合器、第二离合器、第三离合器闭合，第一lng发动机和第二lng发动机所发出的部分功率用于船舶推进，另一部分用于带动可逆电机发电。lng由lng罐经截止阀、lng泵、分流器进入第二lng气化换热设备对部分气体机冷却液进行换热，一部分冷却液经过第二散热器进行散热。

2、采用电力推进模式：所述电力推进模式包括燃料电池推进模式、蓄电池推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式；

燃料电池推进模式：第一离合器、第三离合器断开，第二离合器闭合，可逆电机处于电动机模式，螺旋桨由可逆电机提供动力，可逆电机所需电力由燃料电池发出电能并汇入船舶电网后提供；lng由lng罐经截止阀、lng泵、分流器进入第一lng气化换热设备对部分燃料电池冷却液进行换热，一部分燃料电池冷却液经过第一散热器进行散热；

蓄电池推进模式：第一离合器、第三离合器断开，第二离合器闭合，可逆电机处于电动机模式，螺旋桨由可逆电机提供动力，可逆电机所需电力由蓄电池发出电能并汇入船舶电网后提供；

混合供电推进模式：第一离合器、第三离合器断开，第二离合器闭合，可逆电机处于电动机模式，螺旋桨由可逆电机提供动力，可逆电机所需电力由燃料电池和蓄电池发出电能并汇入船舶电网后提供；lng由lng罐经截止阀、lng泵、分流器进入第一lng气化换热设备对部分燃料电池冷却液进行换热，一部分燃料电池冷却液经过第一散热器进行散热；

岸电充电模式：船舶通过岸电充电转装置外接电源为蓄电池充电。

3、采用混合推进模式：所述混合推进模式包括单气体机+电动机推进模式、双气体机+电动机推进模式；

单气体机+电动机推进模式：第一离合器断开、第三离合器闭合，或者第一离合器闭合、第三离合器断开，第二离合器闭合，可逆电机工作在电动机模式，螺旋桨由可逆电机提供动力，可逆电机所需电力由燃料电池、蓄电池发出电能并汇入船舶电网后提供；lng由lng罐经截止阀、lng泵、分流器进入第一lng气化换热设备、第二lng气化换热设备对部分气体机冷却液燃料电池冷却液进行换热，一部分冷却液经过第一散热器、第二散热器进行散热；

双气体机+电动机推进模式：第一离合器、第二离合器、第三离合器闭合，可逆电机工作在电动机模式，螺旋桨由可逆电机提供动力，可逆电机所需电力由燃料电池、蓄电池发出电能并汇入船舶电网后提供；lng由lng罐经截止阀、lng泵、分流器进入第一lng气化换热设备、第二lng气化换热设备对部分气体机冷却液燃料电池冷却液进行换热，一部分冷却液经过第一散热器、第二散热器进行散热。

本发明的优势在于：

1.本发明提出一种带有lng冷却的气电并联式船舶混合动力系统，设置有气体机、发电机、电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在各种工况下的动力需求，并能使气体机和电机更好的工作在高效率区，从而降低了发动机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性，同时有效改善了船舶航行时的动力响应，提升了船舶的加减速性能和倒船性能。

2.蓄电池具有调峰削谷功能，可以均衡船舶负载。电池在需要高功率的时段提供电力，并在需要较少的电力时进行充电，可以保证发动机高效运行并降低装机功率。电池可以从陆地电网充电，这样能减少燃料消耗和排放，而且蓄电池可以在柴油发电机发生故障时提供备用电源。

3.多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过各个离合器的闭合及断开，本发明所提供的混合动力系统可以实现多种工作模式，有效提高了船舶混合动力系统的效率，可根据实际动力需求和船舶航行环境，选择适合的工作模式。

4.利用了lng气化冷能，能对气体机和燃料电池进行冷却，降低了气体机和燃料电池冷却液循环泵及散热风扇的耗能，进一步降低了能耗，更加提高了船舶的经济性和排放性。

5.采用本系统提供的船舶混合动力系统，船舶可以不用安装发电用的柴油辅机，船舶负载的电力供给可主要由燃料电池和轴带电机代替，紧急情况还可使用蓄电池代替，故可有效节省船舱空间以及减少一定的初期投入。

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lng气化冷却发动机及燃料电池的并联式船舶混合动力系统，包括燃料电池1、燃料电池变电装置2、蓄电池3、蓄电池变电装置4、船舶负载5、岸电充电装置6、船舶电网7、lng发动机8a、8b、可逆电机变电装置9、可逆电机10、离合器11a、11b和11c、螺旋桨12、齿轮箱13、lng储液罐14、截止阀15、lng泵16、分流器17、bog罐18、lng气化冷能换热装置19a、19b、散热器20a和20b、冷却液膨胀水箱21a、21b、稳压罐22、气体过滤及干燥器23。气体机8a、8b分别通过离合器11a、11c与齿轮箱13相连，可逆电机通过离合器11b与齿轮箱13相连，齿轮箱输出端与螺旋桨相连。lng罐14与bog罐18相连将bog输送到稳压罐22。lng由lng罐14经过截止阀15，lng泵16，由分流器17分别送到lng气化换热装置19a和19b，气化完成的lng送到稳压罐22，经过过滤及干燥装置23送到燃料电池1和气体机8a、8b。气体机冷却液由气体机8a、8b流出到膨胀水箱21b，然后分流分别经过散热器20b和lng气化散热装置19b再回到气体机8a、8b。燃料电池冷却液由燃料电池1流出到膨胀水箱21a，然后分流分别经过散热器20a和lng气化散热装置19a再回到燃料电池1。燃料电池1、蓄电池3和可逆电机10分别经过变电设备2、4、9与船舶电网7相连。

本实施例中，气体机8a和8b优选天然气发动机，可逆电机10优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，燃料电池1优选可直接使用天然气作为燃料的固体氧化物型燃料电池，蓄电池3优选功率密度高、体积重量小的磷酸铁锂电池。lng气化换热装置19a和19b优选具有多级冷能换热的耐超低温换热器，同时需要耐超低温冷媒。

本发明包括机械推进模式，电力推进模式，混合动力推进模式。

1.机械推进模式

机械推进模式可分为：单气体机推进模式、双气体机推进模式、单气体机+发电机推进模式、双气体机+发电机推进模式。

单气体机推进模式：在该种工作模式下，离合器11a断开，离合器11c接合(或者离合器11a闭合，离合器11c断开)，离合器11b断开，气体机8a或8b所发出的所有功率用于船舶推进。lng由lng罐14经截止阀15、lng泵16、分流器17进入lng气化换热设备19b对部分气体机冷却液进行换热，还有一部分冷却液经过散热器20b进行散热。

双气体机推进模式：在该种工作模式下，离合器11a和11c闭合，离合器11b断开，气体机8a或8b所发出的所有功率用于船舶推进。lng由lng罐14经截止阀15、lng泵16、分流器17进入lng气化换热设备19b对部分气体机冷却液进行换热，还有一部分冷却液经过散热器20b进行散热。

单气体机+发电机推进模式：在该种工作模式下，离合器11a断开，离合器11c闭合(或者离合器11a闭合，离合器11c断开)，离合器11b闭合，气体机8a或8b所发出的部分功率用于船舶推进，另一部分功率用于带动可逆电机(10)发电。lng由lng罐14经截止阀15、lng泵16、分流器17进入lng气化换热设备19b对部分气体机冷却液进行换热，还有一部分冷却液经过散热器20b进行散热。

双气体机+发电机推进模式：在该种工作模式下，离合器11a、11c、11b闭合，气体机8a合8b所发出的部分功率用于船舶推进，另一部分用于带动可逆电机(10)发电。lng由lng罐14经截止阀15、lng泵16、分流器17进入lng气化换热设备19b对部分气体机冷却液进行换热，还有一部分冷却液经过散热器20b进行散热。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：燃料电池冷却就节能推进模式、蓄电池推进模式、混合供电推进模式、岸电充电模式。

燃料电池推进模式：在该种工作模式下，离合器11a、11c断开，离合器11b闭合，可逆电机10处于电动机模式，螺旋桨12由可逆电机10提供动力，可逆电机10所需电力由燃料电池1发出电能经过变电设备2汇入船舶电网7后提。lng由lng罐14经截止阀15、lng泵16、分流器17进入lng气化换热设备19a对部分燃料电池冷却液进行换热，还有一部分燃料电池冷却液经过散热器20a进行散热。

蓄电池推进模式：在该种工作模式下，离合器11a、11c断开，离合器11b闭合，可逆电机10处于电动机模式，螺旋桨12由可逆电机10提供动力，可逆电机10所需电力由需电池3发出电能经过变电设备4汇入船舶电网7后提供。

混合供电推进模式：在该种工作模式下，离合器11a、11c断开，离合器11b闭合，可逆电机10处于电动机模式，螺旋桨12由可逆电机10提供动力，可逆电机10所需电力由燃料电池1和蓄电池3发出电能分别经过变电设备2、4汇入船舶电网7后提供。lng由lng罐14经截止阀15、lng泵16、分流器17进入lng气化换热设备19a对部分燃料电池冷却液进行换热，还有一部分燃料电池冷却液经过散热器20a进行散热。

岸电充电模式：当船舶在港口和岸边停靠时，可通过岸电充电转装置6外接电源为蓄电池3充电。

3.混合推进模式

混合推进模式可分为：单气体机+电动机推进模式、双气体机+电动机推进模式。

单气体机+电动机推进模式：在该工作模式下，离合器11a(或11c)断开，离合器11c(或11a)、11b闭合，可逆电机10工作在电动机模式，螺旋桨12由可逆电机10提供动力，电动机10所需电力由燃料电池1、蓄电池3发出电能经过变电设备2和变电设备4汇入船舶电网7后提供。lng由lng罐14经截止阀15、lng泵16、分流器17进入lng气化换热设备19a、19b对部分气体机冷却液燃料电池冷却液进行换热，还有一部分冷却液经过散热器20a、20b进行散热。

双气体机+电动机推进模式：在该工作模式下，离合器11a、11b、11c闭合，可逆电机10工作在电动机模式，螺旋桨12由可逆电机10提供动力，可逆电机10所需电力由燃料电池1、蓄电池3发出电能经过变电设备2和变电设备4汇入船舶电网7后提供。lng由lng罐14经截止阀15、lng泵16、分流器17进入lng气化换热设备19a、19b对部分气体机冷却液燃料电池冷却液进行换热，还有一部分冷却液经过散热器20a、20b进行散热。

机械推进模式适用于当船舶离开港口或码头后，进入海域稳定航行时，以及对船舶排放和噪声要求不高的区域；电力推进模式适用于船舶进出港口或码头，船舶加减速、倒船、靠岸，以及对船舶排放和噪声有较高要求的区域；混合推进模式适用于船舶对推进功率或航速有一定需求时。

燃料电池的发电效率在40％左右，有一半以上的燃料化学能以热量的形式散失，当燃料电池功率达到一定程度时就需要额外的散热系统；气体机的最高效率在40％左右，气缸会以热能的形式散失25％左右的燃料化学能，随着发动机的设计转速提高和机构设计要求加强，机体产生的热流密度也越来越大，散热问题也越来越突出。不管是燃料电池还是气体机都需要散热系统，冷却液循环泵和散热器风扇会额外的消耗一部分的功率。利用lng气化时的冷能可以显著的吸收燃料电池和气体机产生的热量，从而减少冷却液循环泵和散热器风扇所消耗的能量，而且可以减小散热器面积，提高系统的集成度。

采用本发明提供的利用lng气化冷却发动机和燃料电池的船舶混合动力系统可以不用布置发电用的船舶柴油辅机，船舶负载5所需要的电力主要由燃料电池1提供，可逆电机10工作在发电机模式发电时也可提供部分电力，遇到紧急情况再使用蓄电池3提供，以此延长蓄电池3的使用寿命。