一种兼顾巡航和加速的高效船用液氨燃料动力系统

本发明涉及船舶动力领域，尤其是涉及一种兼顾巡航和加速的高效船用液氨燃料动力系统。

背景技术：

1、目前，在内河与近海船舶上重点推动纯电池动力技术的应用，但在远洋船舶运输或舰船应用上，电池由于较低的能量密度和功率密度均难以胜任。因此，使用清洁燃料成为远洋船舶动力减排最主要的技术途径，其中，氢和氨在使用过程中完全不会产生二氧化碳，作为无碳清洁能源被寄予厚望。

2、氢和氨的特性各有优劣，氢气热值高但易燃易爆，且储运难度很高，氨气热值低、燃点高、不易燃烧，但容易储运。近年来，氨氢混合燃料作为新型燃料形式获得关注和研究，一方面，氨氢混合提高了氨的层流燃烧速度，优化氨的燃烧性能，优于二者单独燃烧时的表现；另一方面，氨是氢能载体，随着“氨分解制氢”催化剂产业发展，在船舶上独立实现“制氢—用氢”流程成为可能，只需携带液氨一种燃料即可满足氨气和氢气两种燃料的需求。因此，以氨储氢、供氢成为了未来船用动力系统装备的主要技术路线。然而，将传统的化石燃料替换成液氨，对动力系统甚至整个船舶设计也带来了新的挑战。传统柴油或者煤油的热值一般为39mj/l(常温、常压)，而液氨在的热值一般为12.7mj/l(-33℃、常压)，意味着相比于使用传统化石燃料的船舶，推动船舶行驶相同的航程，需要携带至少3倍体积的液氨，还需额外配备相应的低温装置，在一定程度上将迫使船舶动力及其他系统尽可能设计为集成度更高的综合系统。因此，如何在有限的空间范围充分利用液氢为整个船舶系统提供高效的推进动力、电力、冷气和蒸汽成为当前需要解决的问题。

3、远洋船舶或舰船在航行过程会面临多变的环境，对船舶动力提出多工况要求，其中巡航工况和加速工况对功率要求差别特别大，典型的巡航工况的功率只有加速工况(即最大功率)功率的1/4到1/5。一般而言，传统柴油机的功率范围较小，其抗过载能力低，比额定功率提高10％时只能维持1小时左右，为实现多工况要求只能配两种功率等级的柴油机，且柴油机无法提供足够的蒸汽和冷气，需要船舶上需额外配置的设备实现“制氢—用氢”流程，综合能效偏低。而传统船用燃气轮机动力一般设计为最大功率的效率最大，不可避免其他工况的效率较低，所以也是采用一台中等的巡航燃气轮机和一台大功率的加速燃气轮机交替驱动，以此来满足高功率和高效率的工况。但是双燃气轮机作为交替驱动的动力系统可能增加了系统的复杂性，需要更多的控制和监测来确保动力转换的顺畅，这会导致更高的维护成本和技术支持需求，尤其是在切换过程中需要特别注意系统的稳定性和安全性，交替驱动系统会造成一定程度上的能源浪费，也会出现运行效率降低和燃料的消耗增加的问题。

4、因此，针对以液氨为燃料的远洋船舶或舰船，需设计一种能满足高效率巡航和高功率加速，且均衡提供电力、冷气和蒸汽的动力系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中的上述问题，提供一种兼顾巡航和加速的高效船用液氨燃料动力系统，同时能为船舶均衡提供电力、冷气和蒸汽。其主要包括一台兼顾两种工况的燃气轮机和一组燃料电池，通过合理设计使燃气轮机在巡航工况时具有最大效率，最大工况时则利用较多的高温排气裂解纯氢，通过燃料电池发电弥补燃气轮机最大工况时的低效率。与此同时，两者不存在切换工作导致的一系列问题，还可以为船舶系统提供合适的电力、蒸汽和冷气。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种兼顾巡航和加速的高效船用液氨燃料动力系统，包括液氨储罐、制冷换热器、换热汽化装置、氨裂解装置、压气机、燃烧室、燃气涡轮、预热器、脱硝装置、换热器锅炉、船舶用热设备、船舶空调设备、氢气分离器、氢气储罐、氢气压缩机、氢燃料电池、减速器、起发电机、锂电池组、驱动电机、齿轮箱、螺旋桨、船舶电网母线、船舶用电设备；第一节流阀、分流阀、第一汇流阀、第二汇流阀、第二节流阀、第三节流阀、第四节流阀、第五节流阀、电路开关；

4、液氨储罐出口与制冷换热器相通，再与第一节流阀相接，经过换热汽化装置后汽化为氨气，进入分流阀后分为两路，分别连接至氨裂解装置及第一汇流阀，氨裂解装置出口连接氢气分离器，分离的气体出口分为两路，一路是纯氢出口分别连接第三节流阀、第四节流阀、第五节流阀，另一路是分解的混合气体出口连接至第一汇流阀；经过第一汇流阀掺混后的气体与经过第三节流阀的纯氢连接至第二汇流阀的入口混合，第二汇流阀的出口连接至燃烧室；

5、压气机的轴端连接燃气涡轮，与燃烧室组成燃气轮机；压气机压缩空气并经过预热器预热，后通至燃烧室燃烧，燃烧室出口高温高压燃气对燃气涡轮做功，并经过预热器散热，再通至氨裂解装置利用高温气体对氨裂解，之后经过脱销装置进一步降温后通往换热器锅炉，最后尾气在换热汽化装置中发挥余热后排至大气；

6、第四节流阀连接氢气压缩机，并通往氢气储罐，氢气储罐的出口经过第二节流阀连接至燃烧室；第五节流阀连接氢燃料电池，氢燃料电池的出口通过电缆连接船舶电网母线；电网母线上除了氢燃料电池，还挂有一个锂电池组、起发电机、氢气压缩机和驱动电机；

7、燃气涡轮的输出轴端连接减速器，减速器另一端和起发电机相连，同时也通过齿轮箱与驱动电机进行动力耦合，最后齿轮箱与螺旋桨相连；

8、制冷换热器将空气制冷为船舶空调设备提供所需冷气，换热器锅炉通过换热为船舶用热设备提供高温蒸汽；电网母线通过挂有氢燃料电池、锂电池组和起发电机，可共同为船舶用电设备提供所需电力。

9、本发明还包括一台兼顾两种工况的燃气轮机(压气机、燃烧室和燃气涡轮及连接轴组成)，类似航空发动机的设计理念，根据船舶的巡航功率要求，将燃气轮机的巡航工况设计为最高效率，同时排气温度设计满足经过预热器后到达氨裂解装置可实现氨气完全裂解的要求。

10、该系统主要包括以下过程：

11、启动预热阶段，锂电池组给起发电机供电，起发电机通过减速器带转燃气轮机至点火转速，燃烧室点火器通电工作，打开氢气储罐经第二节流阀进入燃烧室进行预热燃烧，同时开启液氨储罐，打开第一节流阀，液氨经过制冷换热器通过部分汽化为氨气，再经过换热汽化装置进一步汽化，此时先关闭分流阀的上端口并打开分流阀的下端口，关闭第一汇流阀上端入口以及第二汇流阀的左端入口，此时从换热汽化装置出来的氨气经过第一汇流阀和第二汇流阀通到燃烧室，燃烧室在氨气掺混燃烧后排气温度逐步提高，高温燃气对燃气涡轮做功增加，空气经压气机的转速上升也增加了燃烧室的入口空气，燃气轮机转速随之提高；与此同时，燃气涡轮出口的高温排气通过预热器给进入燃烧室的高压空气加热，随后通过氨裂解装置，再通往脱硝装置进行氮氧化物处理，温度进一步降低，后在换热器锅炉中换热产生蒸汽，最后通过换热汽化装置换热后排至大气；整个过程动态变化，随着转速提高、排气温度上升，整个燃气轮机供气和排气的热交换逐渐加剧，第一节流阀逐步开大，整机热效率也随之提高，直至达到燃气轮机慢车状态，此时逐渐关闭调节第二节流阀，关闭起发电机并切开减速器中离合器，燃气涡轮带转齿轮箱进而驱动螺旋桨；此时燃气轮机处于较低工况且纯氨气燃烧做功，至此启动预热结束。

12、高效巡航阶段，打开分流阀的上端口，从换热汽化装置出来的氨气一部分通过氨裂解装置进行裂解制氢，此时裂解尚不完全，裂解后的混合气体经过氢气分离器分离出纯氢和未完全裂解的氨气、氢气、氮气混合气体；分离出的纯氢通过第三节流阀和第五节流阀分别进入燃烧室和燃料电池，第四节流阀依然关闭；此时，燃烧室燃料供应发生变化，未完全裂解的氨气、氢气、氮气混合气体和通过第一汇流阀的纯氨气混合，并与通过第三节流阀的纯氢气再次混合进入燃烧室燃烧；燃料电池同时开始化学反应发电，发电配送至船舶电网母线供船舶用电设备使用；逐渐开大第一节流阀，燃气轮机转速进一步升高，并达到巡航工况，此时船舶处于巡航状态；补充说明的是，调节分流阀的分流比例将影响总制氢量，而调节第三节流阀和第五节流阀的开度会决定燃烧室燃烧和燃料电池发电的用氢比例，三者的调节会综合决定能量的分配，实现液氨在船舶上功、电、热联供的多样化分配需求；本发明中的液氨燃料动力系统旨在提供一种设计方案，具体的优化指标可根据不同船舶的用电、冷气和蒸汽需求来设计。

13、高功加速阶段，此时需要将绝大部分能量用于船舶加速，持续时间较短；第一节流阀开至最大，燃烧室燃料供应增加，提高转速至最大工况，排气温度随之升高，提高氨裂解装置裂解速率，加大制氢量，燃料电池的氢供应增加从而提高发电量，锂电池同时接通至船舶电网母线，闭合电路开关，驱动电机通电，通过齿轮箱与燃气轮机共同驱动螺旋桨加速航行；补充说明的是，调节分流阀、第三节流阀、第五节流阀同样会综合影响液氨的能量利用效率，具体的优化指标可根据不同燃料电池、电机等特性来综合设计。

14、相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

15、1、本发明是一种兼顾高功率和高效率的动力系统，可以实现船舶高功加速阶段和巡航阶段的有效功率输出，同时满足高效率。

16、2、本发明是一种以纯液氨作为能量来源的船舶动力系统，主要通过一台兼顾两种工况的燃气轮机和氢燃料电池，实现对液氨的充分利用，为整个船舶提供推进功率、电力、冷气和蒸汽，实现高效的能量转化。

17、3、本发明的船舶动力系统更为紧凑，不需要额外专门的传统锅炉、制冷设备、发电设备，更适应未来清洁能源船舶对动力系统的空间占比要求。

18、3、燃气轮机作为推进功率的主动力，同时提供蒸汽供应；燃料电池主要作为巡航阶段的电力供应装置，高功模式时提供推进功率所需电力，两者不存在切换工作导致的一系列问题。

19、4、本发明以液氨为燃料，使用清洁能源满足无碳燃烧，并通过氨裂解解决氢气的储运问题。

20、5、本发明可以通过氨裂解出的氢气补充预热阶段掺混燃烧所需要的氢气，除了首次点火预热要补充氢气外不要再储存氢气。

21、6、通过燃气涡轮的出口排气高温依次经过换热器、氨裂解装置、脱硝装置、换热器锅炉和换热汽化装置，利用上述装备的用热温度要求，按温度阶梯依次流过，充分提高尾气的余热回收利用率，从而提高综合能效。

22、7、本发明中的减速器和齿轮箱中均带有离合器，减速器中离合器可灵活接入起发电机实现燃气轮机的起动以及发电需求，齿轮箱中离合器可在高功加速阶段接入驱动电机，加力推动螺旋桨。

23、8、船舶电网母线上同时挂有燃料电池、锂电池组和起发电机作为电功率补充设备，另外挂有氢压缩机和驱动电机，满足高功率工况和氢气储罐加氢需求。

24、9、分流阀的分流比例将影响总制氢量，第三节流阀和第五节流阀的开度会决定燃烧室燃烧和燃料电池发电的用氢比例，三者的调节会综合决定能量的分配，实现液氨在船舶上功、电、热联供的多样化分配需求。

25、10、本发明的液氨燃料动力系统框架，可面向不同的船舶航线和环境，根据对应不同的用电、冷气和蒸汽需求来优化定制指标，具备较高的适应性。