一种带发电机组并车的气电混合船舶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。

作为未来的环境战略，我们以减少能源消耗和减少co2、sox、nox及pm排放为目标。有许多方法可以减少船舶的污染和排放，其中最好的方法是利用替代能源。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。但受现阶段天然气发动机技术水平不高的限制，天然气发动机存在动力响应性差、功率不足等缺点。

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，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改善船舶的动力性、经济性和排放性的一种带发电机组并车的气电混合船舶动力系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带发电机组并车的气电混合船舶动力系统，其特征是：包括气体机主机、发电用气体机、齿轮箱、电动机、发电机、lng罐，所述齿轮箱包括第一-第四齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮啮合，气体机主机通过第一离合器连接齿轮箱的第一齿轮，电动机通过第二离合器连接齿轮箱的第一齿轮，第二齿轮与第三齿轮通过第三离合器相连，发电用气体机通过第四离合器连接齿轮箱的第四齿轮，发电机通过第五离合器连接齿轮箱的第四齿轮，螺旋桨连接电动机，lng罐通过气化换热装置分别连接气体机主机、发电用气体机、燃料电池，燃料电池、蓄电池和发电机分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置、船舶负载连接船舶电网。

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气体机推进模式、发电机组并车推进模式、气体机辅助发电推进模式；

气体机推进模式：第一离合器和第二离合器闭合，其他离合器断开，电动机电源断开，螺旋桨由气体机主机驱动；

发电机组并车推进模式：第五离合器断开，其他离合器闭合，电动机电源断开，螺旋桨由气体机主机和发电用气体机共同驱动；或者，第一离合器和第五离合器断开，其它离合器闭合，螺旋桨由发电用气体机驱动；

气体机辅助发电推进模式：所有离合器闭合，电动机电源断开，气体机主机和发电用气体机共同驱动螺旋桨和发电机发电，所发电能汇入船舶电网；或者，第三离合器断开，其他离合器闭合，电动机电源断开，气体机主机驱动螺旋桨，发电用气体机带动发电机发电，所发电能汇入船舶电网；或者，第四离合器断开，其他离合器闭合，电动机电源断开，气体机主机发出的功率驱动螺旋桨和发电机，发电机所发电能汇入船舶电网。

2、采用电力推进模式，所述电力推进模式包括蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、发电机组发电推进模式、混合电推进模式、岸电充电模式；

蓄电池推进模式：所有离合器断开，电动机处于工作状态，螺旋桨由电动机驱动，电动机所需电能由蓄电池经过船舶电网提供；

燃料电池推进模式：所有离合器断开，电动机处于工作状态，螺旋桨由电动机驱动，电动机所需电能由燃料电池经过船舶电网提供；

发电机组发电推进模式：第二离合器断开、第三离合器断开、第四离合器闭合、第五离合器闭合，发电机处于工作状态，螺旋桨由电动机驱动，电动机所需电能由发电机经过船舶电网提供；

混合电力推进模式：第二离合器断开、第三离合器断开、第四离合器闭合，发电机处于工作状态，螺旋桨由电动机驱动，电动机所需电能由蓄电池、燃料电池和发电机组经过船舶电网提供；

岸电充电模式：船舶停靠在港口时，由岸电装置对蓄电池进行充电。

3、采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+电动机推进模式、发电机组并车+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式；

气体机+电动机推进模式：第一离合器、第二离合器闭合，其它离合器断开，电动机电源接通，螺旋桨由电动机和气体机主机共同驱动，电动机电源由船舶电网提供；

发电机组并车+电动机推进模式：所有离合器闭合，电动机电源接通，螺旋桨由电动机、气体机主机和发电用气体机共同驱动，发电机由发电用气体机驱动，发电机所发电能汇入船舶电网，电动机电能由船舶电网提供；或者，第五离合器断开，其它离合器闭合，螺旋桨由电动机、气体机主机和发电用气体机共同驱动，电动机所需电能由船舶电网提供；

气体机+电动机辅助发电推进模式：第四离合器断开，其它离合器断开，电动机电源接通，螺旋桨由气体机主机和电动机共同驱动，电动机电源由船舶电网提供，发电机由气体机主机带动，所发电能汇入船舶电网。

本发明的优势在于：

本发明提出了一种带发电机组并车的气电混合船舶动力系统，设置有气体机、电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在更多工况下的动力需求，并能使气体机和电动机更好的工作在高效率区，从而降低了气体机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性。

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，最大限度地提高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。该方案不仅能够满足不同港口和海域的排放标准，还能有效缓解技术不成熟与愈加严格的排放标准之间的矛盾，提高了船舶的经济性和排放性。

通过离合器的断开闭合，发电机组和船舶动力系统实现并车解列，增强了系统的动力性能，提高了发电机组的工作效率，和发电潜力，并可实现长时间的电力推进。

电动机具有优秀的动力响应，可以随时的关闭和开启，在船舶变工况时可以迅速的调整动力输出，提高船舶的动力响应，减少了系统维护。

在电力推进时可以实现大幅度的降噪，增大了船舶的适航区域，提高了船员的生活舒适性。

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，本发明一种带发电机组并车的气电混合船舶动力系统，包括船舶电网1、岸电装置2、船舶负载3、蓄电池4、蓄电池变电装置5、发电机变电装置6、燃料电池变电装置7、燃料电池8、lng罐9、气化换热装置10、气体机主机11a、发电用气体机11b、离合器12a、12b、12c、12d、12e、电动机13、螺旋桨14、齿轮箱15、发电机16。气体机主机11a和发电用气体机11b输出端通过离合器12a、12d与齿轮箱15的输入端相连，发电机16、电动机13分别通过离合器12e、12b与齿轮箱相连，螺旋桨14与电动机13的输出端相连。lng罐9通过气化换热装置10与气体机主机11a、发电用气体机11b、燃料电池8相连。燃料电池8、蓄电池4和发电机16分别通过变电装置7、5、6与船舶电网相连，岸电装置2、船舶负载3与船舶电网1相连。

本实施例中，气体机11优选纯天然气发动机或双燃料发动机，发电机16、电动机13优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，蓄电池4优选成本低、可靠性好的铅酸蓄电池或功率密度高、体积重量小的锂离子电池。燃料电池8优选固体氧化物型燃料电池，气化换热器10优选具有多级冷能换热的耐超低温换热器。

本发明的工作模式主要包括机械推进模式，电力推进模式，混合推进模式。

1.机械推进模式

机械推进模式可分为：气体机推进模式、发电机组并车推进模式、气体机辅助发电推进模式。

1)气体机推进模式：在该种工作模式下，离合器12a、12b闭合，其他离合器断开，电动机13电源断开，螺旋桨14由气体机主机11a驱动。

2)发电机组并车推进模式：在该种工作模式下，离合器12e断开，其他离合器闭合，电动机13电源断开，螺旋桨14由气体机主机11a和发电用气体机11b共同驱动；或者，离合器12a、12e断开，其它离合器闭合，螺旋桨14由发电用气体机11b驱动。

3)气体机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，所有离合器闭合，电动机13电源断开，气体机主机11a和发电用气体机11b共同驱动螺旋桨14和发电机16发电，所发电能汇入船舶电网1；或者，齿轮箱15内部离合器12c断开，其他离合器闭合，电动机13电源断开，气体机主机11a驱动螺旋桨14，发电用气体机11b带动发电机16发电，所发电能汇入船舶电网1；或者，发电用气体机11b与齿轮箱15间的离合器12c断开，其他离合器闭合，电动机13电源断开，气体机主机11a发出的功率驱动螺旋桨14和发电机16，发电机16所发电能汇入船舶电网1。

2.电力推进模式

电力推进模式可分为：蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、发电机组发电推进模式、混合电推进模式、岸电充电模式。

1)蓄电池推进模式：在该种工作模式下，所有离合器断开，电动机13处于工作状态，螺旋桨14由电动机13驱动，电动机13所需电能由蓄电池4经过船舶电网1提供。

2)燃料电池推进模式：在该种工作模式下，所有离合器断开，电动机13处于工作状态，螺旋桨14由电动机13驱动，电动机13所需电能由燃料电池8经过船舶电网1提供。

3)发电机组发电推进模式：在该种工作模式下，电动机13与齿轮箱15的离合器12b断开，齿轮箱15内部离合器12c断开，发电机16和发电用气体机11b与齿轮箱15间的离合器12e、12d闭合，发电机组处于工作状态，螺旋桨14由电动机13驱动，电动机13所需电能由发电机组经过船舶电网1提供。

4)混合电力推进模式：在该种工作模式下，电动机13与齿轮箱15间的离合器12b断开，齿轮箱15内部离合器12c断开，发电机16和发电用气体机11b与齿轮箱15间的离合器12d闭合，发电机组处于工作状态，螺旋桨14由电动机13驱动，电动机13所需电能由蓄电池4、燃料电池8和发电机组16经过船舶电网1提供。

5)岸电充电模式：在该种工作模式下，船舶停靠在港口时，由岸电装置2对蓄电池4进行充电。

3.混合推进模式

混合推进模式可分为：气体机+电动机推进模式、发电机组并车+电动机推进模式、气体机+电动机辅助发电推进模式。

气体机+电动机推进模式：在该种工作模式下，电动机13和气体机主机11a与齿轮箱15间的离合器12a、12b闭合，其它离合器断开，电动机13电源接通，螺旋桨14由电动机13和气体机主机11a共同驱动，电动机13电源由船舶电网1提供。

发电机组并车+电动机推进模式：在该种工作模式下，所有离合器闭合，电动机13电源接通，螺旋桨14由电动机13、气体机主机11a和发电用气体机11b共同驱动，发电机16由发电用气体机11b部分功率驱动，发电机16所发电能汇入船舶电网1，电动机13电能由船舶电网1提供；或者，发电机16与齿轮箱15间的离合器12e断开，其它离合器闭合，螺旋桨14由电动机13和两台气体机11a、11b共同驱动，电动机13所需电能由船舶电网1提供。

(3)气体机+电动机辅助发电推进模式：在该种工作模式下，发电用气体机11b与齿轮箱15间的离合器12d断开，其它离合器断开，电动机13电源接通，螺旋桨14由气体机主机11a和电动机13共同驱动，电动机13电源由船舶电网1提供，发电机16由气体机主机11a的部分功率带动，所发电能汇入船舶电网1。

上述模式中：机械推进模式适用于船舶运行工况稳定的长时间巡航，或者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靠岸或者离港时的低功率需求的情况，或者是航行在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。

采用本发明提供的船舶混合动力系统将发电用的船舶辅机集成在动力系统中，不用配置额外的发电机组，船舶负载3所需要的电力由蓄电池4或燃料电8提供，若发电机16运行时则优先使用其发出的电能，船舶负载3用电的优先级是：发电机16大于燃料电池8大于蓄电池4。