船舶氨燃料混合动力系统及其控制方法、装置及存储介质

1.本发明涉及船舶动力技术领域，尤其涉及一种船舶氨燃料混合动力系统及其控制方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.氨燃料混合动力船舶兼顾了氨燃料发动机的续航能力与推进电机的动力响应优点，通过在不同工况下选择合适的推进模式，可有效降低动力系统能耗。氨燃料发动机掺氢燃烧可以大大改善发动机工况，但会提高氮氧化物排放从而污染大气环境。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出船舶氨燃料混合动力系统及其控制方法、装置及存储介质，能够减少氨燃料混合动力船舶对大气环境的氮氧化物排放。
4.一方面，本发明实施例提供了一种船舶氨燃料混合动力系统，包括电力驱动子系统、氨燃料发动子系统、船舶驱动装置、能源清洁子系统和控制装置；
5.所述电力驱动子系统通过第一离合器与所述船舶驱动装置连接；
6.所述氨燃料发动子系统通过第二离合器与所述船舶驱动装置连接；
7.所述能源清洁子系统的第二入口与所述氨燃料发动子系统的第一出口连接，所述能源清洁子系统的第二出口与所述氨燃料发动子系统的第一入口连接；
8.所述控制装置分别与所述电力驱动子系统、所述氨燃料发动子系统、所述第一离合器和所述第二离合器连接，所述控制装置用于根据船舶的工作模式分别控制所述电力驱动子系统和所述氨燃料发动子系统的工作状态以及分别控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合或者断开，控制所述能源清洁子系统的工作状态与所述氨燃料发动子系统的工作状态相同。
9.根据本发明一些实施例，所述电力驱动子系统包括电能存储装置和推进电机，所述氨燃料发动子系统包括氨燃料发动机和氨燃料储罐，所述船舶驱动装置包括混合动力系统并车齿轮箱和螺旋桨；
10.所述混合动力系统并车齿轮箱连接所述螺旋桨；
11.所述电能存储装置连接所述推进电机，所述推进电机通过所述第一离合器与所述混合动力系统并车齿轮箱连接；
12.所述氨燃料储罐连接所述氨燃料发动机，所述氨燃料发动机通过所述第二离合器与所述混合动力系统并车齿轮箱连接。
13.根据本发明一些实施例，所述能源清洁子系统包括选择性催化还原装置和废气-燃料重整再循环装置；
14.所述废气-燃料重整再循环装置的入口连接至所述氨燃料储罐的出口和所述氨燃料发动机的出口；
15.所述废气-燃料重整再循环装置的富氢重整气出口连接至所述氨燃料发动机的入口，所述废气-燃料重整再循环装置的废气出口连接至所述选择性催化还原装置的入口；
16.所述选择性催化还原装置的入口还与所述氨燃料储罐的出口连接；
17.所述废气-燃料重整再循环装置用于将来自所述氨燃料发动机中的废气与所述氨燃料储罐的氨燃料进行重整反应获得富氢重整气，并将所述富氢重整气通入所述燃料发动机；
18.所述选择性催化还原装置用于将来自所述废气-燃料重整再循环装置的废气中的氮氧化物通过所述氨燃料储罐的氨燃料进行还原反应后排出。
19.根据本发明一些实施例，所述能源清洁子系统还包括废气涡轮增压装置和中冷器，所述废气涡轮增压装置的入口与所述废气-燃料重整再循环装置的出口连接，所述废气涡轮增压装置的出口通过所述中冷器连接所述氨燃料发动机的入口；
20.所述废气涡轮增压装置用于将所述富氢重整气与空气进行混合增压得到掺氢预混气；
21.所述中冷器用于将所述掺氢预混气冷却后通入所述氨燃料发动机中。
22.另一方面，本发明实施例还提供一种船舶氨燃料混合动力系统的控制方法，所述控制方法应用于如前面所述船舶氨燃料混合动力系统的控制装置中，所述控制方法包括以下步骤：
23.根据船舶的工作模式分别控制所述电力驱动子系统和所述氨燃料发动子系统的工作状态以及分别控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合或者断开；
24.控制所述能源清洁子系统的工作状态与所述氨燃料发动子系统的工作状态相同。
25.根据本发明一些实施例，所述控制所述能源清洁子系统的工作状态与所述氨燃料发动机的工作状态相同包括以下步骤：
26.在所述氨燃料发动子系统开启的第一预设时间段前控制所述能源清洁子系统开启；
27.在所述氨燃料发动子系统关闭的第二预设时间段后控制所述能源清洁子系统关闭。
28.根据本发明一些实施例，当所述工作模式为机械推进模式，所述根据船舶的工作模式分别控制所述电力驱动子系统和所述氨燃料发动子系统的工作状态以及分别控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合或者断开包括以下步骤：
29.控制所述电力驱动子系统关闭并控制所述氨燃料发动子系统开启；
30.控制所述第一离合器断开并控制所述第二离合器闭合；
31.当所述工作模式为纯电力推进模式，所述根据船舶的工作模式分别控制所述电力驱动子系统和所述氨燃料发动子系统的工作状态以及分别控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合或者断开包括以下步骤：
32.控制所述电力驱动子系统开启并处于驱动模式，控制所述氨燃料发动子系统关闭；
33.控制所述第一离合器闭合并控制所述第二离合器断开。
34.根据本发明一些实施例，当所述工作模式为混合推进模式，所述根据船舶的工作模式分别控制所述电力驱动子系统和所述氨燃料发动子系统的工作状态以及分别控制所
述第一离合器和所述第二离合器闭合或者断开包括以下步骤：
35.控制所述电力驱动子系统开启并处于驱动模式，控制所述氨燃料发动子系统开启；
36.控制所述第一离合器和所述第二离合器均闭合；
37.当所述工作模式为轴带发电模式，所述根据船舶的工作模式分别控制所述电力驱动子系统和所述氨燃料发动子系统的工作状态以及分别控制所述第一离合器和所述第二离合器闭合或者断开包括以下步骤：
38.控制所述电力驱动子系统开启并处于发电模式，控制所述氨燃料发动子系统开启；
39.控制所述第一离合器和所述第二离合器均闭合。
40.另一方面，本发明实施例还提供一种船舶氨燃料混合动力系统的控制装置，包括：
41.至少一个处理器；
42.至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
43.当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得至少一个所述处理器实现如前面所述的船舶氨燃料混合动力系统的控制方法。
44.另一方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如前面所述的船舶氨燃料混合动力系统的控制方法。
45.本发明上述的技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：船舶氨燃料混合动力系统包括电力驱动子系统、氨燃料发动子系统、船舶驱动装置、能源清洁子系统和控制装置。控制装置用于根据船舶的工作模式分别控制电力驱动子系统和氨燃料发动子系统的工作状态以及分别控制第一离合器和第二离合器闭合或者断开，控制装置能够使电力驱动子系统和氨燃料发动子系统在不同的船舶工作模式需求下混合驱动船舶驱动装置，以降低船舶动力系统的能耗。控制装置还能使能源清洁子系统的工作状态与氨燃料发动子系统的工作状态保持同步，从而使能源清洁子系统能够及时处理氨燃料发动子系统排出的废气，减少氨燃料发动子系统排出向大气环境排出废气。
附图说明
46.图1是本发明实施例提供的船舶氨燃料混合动力系统示意图；
47.图2是本发明实施例提供的船舶氨燃料混合动力系统的控制方法流程图；
48.图3是本发明实施例提供的船舶氨燃料混合动力系统的控制装置示意图。
具体实施方式
49.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或者类似的标号表示相同或者类似的原件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
50.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、左、右等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者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。
51.本发明的描述中，如果有描述到第一、第二等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
52.本发明实施例提供了一种船舶氨燃料混合动力系统，参照图1，船舶氨燃料混合动力系统包括电力驱动子系统100、氨燃料发动子系统200、船舶驱动装置300、能源清洁子系统400和控制装置(图中未示出)。电力驱动子系统通过第一离合器500与船舶驱动装置连接，氨燃料发动子系统通过第二离合器600与船舶驱动装置连接，能源清洁子系统的第二入口与氨燃料发动子系统的第一出口连接，能源清洁子系统的第二出口与氨燃料发动子系统的第一入口连接。
53.控制装置分别与电力驱动子系统、氨燃料发动子系统、第一离合器和第二离合器电性连接，控制装置用于根据船舶的工作模式分别控制电力驱动子系统和氨燃料发动子系统的工作状态以及分别控制第一离合器和第二离合器闭合或者断开，控制能源清洁子系统的工作状态与氨燃料发动子系统的工作状态相同。
54.在本实施例中，控制装置根据船舶不同的工作模式分别控制电力驱动子系统和氨燃料发动子系统的开启或者关闭，相应地分别控制第一离合器和第二离合器闭合或者断开，从而使得电力驱动子系统和氨燃料发动子系统在不同的船舶工作模式需求下联合驱动船舶驱动装置，降低船舶动力系统的能耗，提高动力系统响应速度。此外，控制装置还能使能源清洁子系统的工作状态与氨燃料发动子系统的工作状态保持同步，从而使能源清洁子系统在氨燃料发动子系统开启时能够及时处理氨燃料发动子系统排出的废气，减少氨燃料发动子系统排出向大气环境排出废气，在氨燃料发动子系统关闭时能够自动关闭燃料发动子系统，减少能源的消耗。
55.根据本发明一些具体实施例，电力驱动子系统包括电能存储装置110和推进电机120，氨燃料发动子系统包括氨燃料发动机210和氨燃料储罐220，船舶驱动装置包括混合动力系统并车齿轮箱310和螺旋桨320。混合动力系统并车齿轮箱连接螺旋桨，电能存储装置连接推进电机，推进电机通过第一离合器与混合动力系统并车齿轮箱连接。氨燃料储罐连接氨燃料发动机，氨燃料发动机通过第二离合器与混合动力系统并车齿轮箱连接。
56.在本实施例中，船舶氨燃料混合动力系统可以采用两种动力进行驱动，一种是电能存储装置为推进电机提供电能，推进电机驱动混合动力系统并车齿轮箱进而带动螺旋桨。另一种是氨燃料储罐为氨燃料发动机提供氨燃料产热以驱动混合动力系统并车齿轮箱进而带动螺旋桨。
57.在本实施例中，电能存储装置的电能的来源可以由船舶电站搭建电力专线进行供电，也可以建立船舶动力专用电网，也可以是多种绿色发电设备，例如，光伏发电设备、燃料电池发电、废热发电、太阳能热发电等。储能介质可以是磷酸铁锂电池、三元锂电池、超级电容等或者其中的一种或几种的组合。
58.根据本发明一些具体实施例，能源清洁子系统包括选择性催化还原装置410和废气-燃料重整再循环装置420。废气-燃料重整再循环装置的入口连接至氨燃料储罐的出口和氨燃料发动机的出口。废气-燃料重整再循环装置的富氢重整气出口连接至氨燃料发动机的入口，废气-燃料重整再循环装置的废气出口连接至选择性催化还原装置的入口。选择
性催化还原装置的入口还与氨燃料储罐的出口连接。
59.废气-燃料重整再循环装置用于将来自氨燃料发动机中的废气与氨燃料储罐的氨燃料进行裂解重整反应获得富氢重整气，并将富氢重整气通入燃料发动机。选择性催化还原装置用于将来自废气-燃料重整再循环装置的废气中的氮氧化物通过氨燃料储罐的氨燃料进行还原反应后排出。
60.在本实施例中，氨燃料发动机排除的废气一部分在废气-燃料重整再循环装置中与氨燃料发生反应得到富氢重整气，富氢重整气通入燃料发动机中进行再次利用，另一部分为通入废气-燃料重整再循环装置并为废气-燃料重整再循环装置中的重整反应提供反应热。从废气-燃料重整再循环装置排出的氮氧化物废气进入选择性催化还原装置还原成氮气和水后排出。通过废气-燃料重整再循环装置将废气处理成富氢重整气，使得氨燃料发动机掺氢燃烧可以改善发动机工况，且不需要增加额外的储氢设备。选择性催化还原装置能够减少掺氢后的氨燃料发动机氮氧化物排放量。
61.根据本发明一些具体实施例，能源清洁子系统还包括废气涡轮增压装置430和中冷器440，废气涡轮增压装置的入口与废气-燃料重整再循环装置的出口连接，废气涡轮增压装置的出口通过中冷器连接氨燃料发动机的入口。废气涡轮增压装置用于将富氢重整气与空气进行混合增压得到掺氢预混气，中冷器用于将掺氢预混气冷却后通入氨燃料发动机中。
62.在本实施例中，废气涡轮增压装置利用氨燃料发动机排出的废气驱动涡轮增压，从而将通入废气涡轮增压装置中的富氢重整气与空气的混合气压缩得到掺氢预混气，掺氢预混气经过中冷器冷却后进入氨燃料发动机中。进一步地，废弃涡轮增压装置的空气入口和富氢重整气入口处均设置有电磁阀，控制装置可以根据船舶的总驱动功率需求和船舶工作模式确定氨燃料发动机的发动功率需求，根据发动功率需求确定空气与富氢重整气的比例，根据空气与富氢重整气的比例分别控制废弃涡轮增压装置的空气入口和富氢重整气入口处的电磁阀。通过调整空气与富氢重整气的比例来调整氢气含量实现氨燃料发动机可控燃烧速率，进而控制氨燃料发动机的发动功率。
63.本发明实施例还提供一种船舶氨燃料混合动力系统的控制方法，控制方法应用于上述船舶氨燃料混合动力系统的控制装置中，控制方法包括但不限于步骤s110和步骤s120。
64.步骤s110，根据船舶的工作模式分别控制电力驱动子系统和氨燃料发动子系统的工作状态以及分别控制第一离合器和第二离合器闭合或者断开；
65.步骤s120，控制能源清洁子系统的工作状态与氨燃料发动子系统的工作状态相同。
66.在本实施例中，根据船舶不同的工作模式分别控制电力驱动子系统和氨燃料发动子系统的开启或者关闭，相应地分别控制第一离合器和第二离合器闭合或者断开，从而使得电力驱动子系统和氨燃料发动子系统在不同的船舶工作模式需求下联合驱动船舶驱动装置，降低船舶动力系统的能耗，提高动力系统响应速度。此外，控制装置还能使能源清洁子系统的工作状态与氨燃料发动子系统的工作状态保持同步，从而使能源清洁子系统在氨燃料发动子系统开启时能够及时处理氨燃料发动子系统排出的废气，减少氨燃料发动子系统排出向大气环境排出废气，在氨燃料发动子系统关闭时能够自动关闭燃料发动子系统，
减少能源的消耗。
67.根据本发明一些具体实施例，步骤s120包括但不限于步骤s210和步骤s220。
68.步骤s210，在氨燃料发动子系统开启的第一预设时间段前控制能源清洁子系统开启；
69.步骤s220，在氨燃料发动子系统关闭的第二预设时间段后控制能源清洁子系统关闭。
70.在本实施中，第一预设时间段可以设置为5秒，即在氨燃料发动机开启之前的10秒提前开启能源清洁子系统，第二预设时间段可以设置为10秒，即在氨燃料发动机关闭之后的10秒钟再关闭能源清洁子系统，本实施例能够进一步减少废气的排放。
71.根据本发明一些具体实施例，当工作模式为机械推进模式，步骤s110包括但不限于步骤s310和步骤s320。
72.步骤s310，控制电力驱动子系统关闭并控制氨燃料发动子系统开启；
73.步骤s320，控制第一离合器断开并控制第二离合器闭合。
74.在本实施中，当工作模式为机械推进模式，控制装置第一离合器断开，第二离合器闭合，氨燃料发动机直接推进船舶。此时，能源清洁子系统与氨燃料发动机联合运行，富氢重整气通入氨燃料发动机中，不仅能够使氨燃料发动机高效、稳定运行，还能实现内部净化废气，降低氨燃料发动机的向大气的排放量，同时通过选择性催化还原装置将来自废气-燃料重整再循环装置的尾气中的氮氧化物还原为氮气与水蒸气，实现近零排放。氨燃料发动机工作负荷控制在75％左右，能够持续高效运行。
75.根据本发明一些具体实施例，当工作模式为纯电力推进模式，步骤s110包括但不限于步骤s410和步骤s420。
76.步骤s410，控制电力驱动子系统开启并处于驱动模式，控制氨燃料发动子系统关闭；
77.步骤s420，控制第一离合器闭合并控制第二离合器断开。
78.在本实施例中，当工作模式为纯电力推进模式，控制装置控制氨燃料发动机和能源清洁子系统关闭，推进电机打开并由电网供电，第一离合器闭合，第二离合器断开，推进电机单独驱动混合动力系统并车齿轮箱以驱动螺旋桨运转。
79.根据本发明一些具体实施例，当所述工作模式为混合推进模式，步骤s110包括但不限于步骤s510和步骤s520。
80.步骤s510，控制电力驱动子系统开启并处于驱动模式，控制氨燃料发动子系统开启；
81.步骤s520，控制第一离合器和第二离合器均闭合。
82.在本实施例中，当工作模式为混合推进模式，控制装置控制氨燃料发动机与推进电机开启，且推进电机处于驱动模式，第一离合器和第二离合器均闭合，此时，能源清洁子系统与氨燃料发动机联合运行，富氢重整气通入氨燃料发动机中，不仅能够使氨燃料发动机高效、稳定运行，还能实现内部净化废气，降低氨燃料发动机的向大气的排放量，同时通过选择性催化还原装置将来自废气-燃料重整再循环装置的尾气中的氮氧化物还原为氮气与水蒸气，实现近零排放。氨燃料发动机工作负荷控制在75％左右，能够持续高效运行。由推进电机补足船舶总需求功率，保障船舶动力系统整体的动力性能。
83.根据本发明一些具体实施例，当所述工作模式为轴带发电模式，步骤s110包括但不限于步骤s610和步骤s620。
84.步骤s610，控制电力驱动子系统开启并处于发电模式，控制氨燃料发动子系统开启；
85.步骤s620，控制第一离合器和第二离合器均闭合。
86.在本实施例中，当工作模式为轴带发电模式，控制装置控制氨燃料发动机与推进电机开启，且推进电机处于发电模式，第一离合器和第二离合器均闭合，此时，能源清洁子系统与氨燃料发动机联合运行，富氢重整气通入氨燃料发动机中，不仅能够使氨燃料发动机高效、稳定运行，还能实现内部净化废气，降低氨燃料发动机的向大气的排放量，同时通过选择性催化还原装置将来自废气-燃料重整再循环装置的尾气中的氮氧化物还原为氮气与水蒸气，实现近零排放。氨燃料发动机工作负荷控制在75％左右，能够持续高效运行，氨燃料发动机的冗余功率带动推进电机发电，并将电能存储进电能存储装置。
87.在另外一些实施例中，混合动力系统除了上述四种工作模式外，可以有其他工作模式，例如，螺旋桨与混合动力系统并车齿轮箱间设有第三离合器，临时断开第三离合器可以实现氨燃料发动机倒拖推进电机发电的驻船发电模式或推进电机倒拖氨燃料发动机的电机辅助发动机启动模式等。
88.在一些实施例中，氨燃料发动机可以采用缸内直喷式发动机，也可以采用预混式氨燃料发动机、lng发动机等。
89.参照图3，图3是本发明一个实施例提供的船舶氨燃料混合动力系统的控制装置的示意图。本发明实施例的船舶氨燃料混合动力系统的控制装置包括一个或多个控制处理器和存储器，图3中以一个控制处理器及一个存储器为例。
90.控制处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。
91.存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于控制处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该控制装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
92.本领域技术人员可以理解，图3中示出的装置结构并不构成对控制装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
93.实现上述实施例中应用于控制装置的船舶氨燃料混合动力系统的控制方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被控制处理器执行时，执行上述实施例中应用于控制装置的船舶氨燃料混合动力系统的控制方法。
94.此外，本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，可使得上述一个或多个控制处理器执行上述方法实施例中的船舶氨燃料混合动力系统的控制方法。
95.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可
以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
96.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。