CN104481697B - 一种燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动*** - Google Patents
一种燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动*** Download PDFInfo
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Abstract
一种燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动***，其通过燃气轮机发电***进行发电，为整个船舶提供电能，柴油机组发电***作为辅助发电***，燃气轮机的高温排气作为超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的热源，实现超临界二氧化碳布雷顿动力循环，通过二氧化碳透平拖动发电机组产生电能，以上各种发电***产生的电能，通过电力控制***分配给螺旋桨动力***以及船务配电***。本发明综合了燃气轮机发电***、柴油机组发电***、超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、电力控制***和螺旋桨动力***，提高了能源利用效率，并提供了稳定的供电电源，同时为燃气轮机动力***以及超临界二氧化碳布雷顿动力循环在船舶领域的运用提供了新的思路。
Description
技术领域
本发明属于电力能源技术领域，具体涉及一种燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动***。
背景技术
海洋工业里逐日增加的能源消耗和严格的排放限制要求运营商重新评估船用动力设备的经济性，这些趋势为高效率能源技术应用于商业、军用船舶上提供了发展平台。一个非常有潜力的解决方案是排气热回收(EHR)，其采用二氧化碳作为工质，这项科技可以增加能源利用效率、并具有紧凑性和低维护性等有利于海洋设备的特点。
其基本思路与已经使用了100年的蒸汽动力循环相似，但将传统的水蒸汽工质替换为二氧化碳，这样的***比原来***具有更多的优势：1.效率更高；2.温度适应性更广，体积更小；3.***管道腐蚀性更小，更易维护。
排汽能量的回收在蒸汽循环中是非常常见的，货船及巡航船舶等采用余热锅炉从排放的蒸汽热量中再产生蒸汽，产生的蒸汽在船舶上有很多的辅助作用，包括采暖、辅机动力、燃料预热、船载厨房、甚至可以带动二氧化碳透平产生一定的电能。燃气动力的船舶同样采用蒸汽底循环来提高总的***效率。
利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将换热器运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现较高的效率。超临界流体的这一性质使其作为能量转换工质时具有明显的优势。二氧化碳(CO2)由于其临界压力相对适中(7.38MPa)，具有较好的稳定性和核物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。由于超临界二氧化碳(S-CO2)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳(S-CO2)为工质的压缩机、气轮机等动力***设备结构紧凑、体积较小。布雷顿循环每个组合可以产出20MW的电力，占用空间只有四个立方米。超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环轮机通常用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆，目标是最终取代蒸汽驱动的朗肯循环轮机(效率较低，高温条件存在腐蚀性，同时由于需要非常大的轮机和冷凝器来处理多余的蒸汽，占用空间是30倍)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动***，其能够提高能源利用效率，提供稳定供电电源，同时为燃气轮机动力***以及超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环在船舶领域的运用提供新思路。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动***，包括燃气轮机发电***、柴油机组发电***、超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、电力控制***和螺旋桨动力***；其中，
燃气轮机发电***包括压缩机，该压缩机上设有空气进口，压缩机的出口与燃烧器的空气进口连接，燃烧器的燃料进口与燃料储存装置的出口连接，燃烧器的出口与燃气透平的进口连接，燃气透平通过轴系与燃气轮机发电机连接；
柴油机组发电***包括柴油机组，柴油机组通过轴系与柴油机组发电机连接；
超临界二氧化碳布雷顿循环发电***包括换热器，换热器的乏汽进口分别与燃气透平的出口和柴油机组的排气出口相连，换热器的流体出口与二氧化碳透平的进口连通，二氧化碳透平通过轴系与二氧化碳透平发电机连接，二氧化碳透平的出口与回热器的高温侧流体进口相连，回热器的高温侧流体出口与冷凝器的超临界二氧化碳进口连接，冷凝器的超临界二氧化碳出口与超临界二氧化碳流体泵的进口连接，超临界二氧化碳流体泵的出口与回热器的低温侧流体入口连通，回热器的低温侧流体出口与换热器的流体进口相连通，冷凝器的冷却液体出口与冷却液体泵的进口连通，冷凝器的冷却液体进口与冷却液体泵的出口连通；
电力控制***包括中央交流总线及其端口，中央交流总线的电流输入端口分别与燃气轮机发电机、柴油机组发电机以及二氧化碳透平发电机的电流输出端口相连；
螺旋桨动力***包括电动机组，电动机组的电流输入端口与中央交流总线的电流输出端口连接，电动机组通过轴系与螺旋桨动力装置连接。
本发明进一步的改进在于：燃料储存装置的出口与燃烧器的燃料进口连接管路上安装有燃料控制阀门，燃气透平的出口与换热器的乏汽进口连接管路上安装有燃气透平换热排气阀门；柴油机组的排气出口与换热器的乏汽进口连接管路上安装有柴油机组换热排气阀门；燃气透平的出口通向大气的管道上安装有燃气透平排大气阀门，柴油机组的排气出口通向大气的管道上安装有柴油机组排大气阀门。
本发明进一步的改进在于：在整个动力***中，柴油机组发电机作为辅助发电***，正常工作时，关闭柴油机组换热排气阀门、燃气透平排大气阀门以及柴油机组排大气阀门，打开燃料控制阀门、燃气透平换热排气阀门，此时燃气透平正常工作，带动燃气轮机发电机进行发电，经由压缩机压缩的空气和从燃料储存装置流出的燃料在燃烧器中混合燃烧，在燃烧器中，化学能转化为热能，形成高温燃气进入燃气透平做功，带动燃气轮机发电机发电，热能转变为机械能，做完功后，燃气透平的乏汽进入换热器进行换热，换热后的乏汽从换热器气体出口排出，为整个动力***提供电能；当出现意外，燃气轮机发电机组不能正常工作时，此时关闭燃料控制阀门、燃气透平换热排气阀门、燃气透平排大气阀门以及柴油机组排大气阀门，打开柴油机组换热排气阀门，柴油机组发电机开始工作进行发电，燃料进入柴油机组进行燃烧，推动柴油机组做功，燃料的化学能转变为热能，推动柴油机组做功，柴油机组带动柴油机组发电机进行发电，燃烧后的排气进入换热器进行换热，换热后的排气从换热器气体出口排出；
低温低压的二氧化碳气体经超临界二氧化碳流体泵压缩升压，再经回热器高温侧流体预热后，进入换热器进行换热，吸收热量后直接进入二氧化碳透平做功，带动蒸汽轮机发电机发电，做功后的乏气经回热器中低温侧流体冷却后，再由冷凝器冷却至所需的超临界二氧化碳流体泵入口温度，最后从冷凝器出口进入超临界二氧化碳流体泵，实现闭式循环；
中央交流总线由电网接收从燃气轮机发电机、柴油机组发电机以及二氧化碳透平发电机的电能，再由中央交流总线进行电能分配；
电动机组从中央交流总线获得电能运转起来，再通过轴系带动螺旋桨动力装置转动，从而驱动船舶前进。
相对于现有技术，本发明具有如下的技术效果：
本发明通过燃气轮机发电***进行发电，为整个船舶提供电能，柴油机组发电***作为辅助发电***，燃气轮机的高温排气作为超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环发电***的热源，实现超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环，通过二氧化碳透平拖动发电机组产生电能，以上各种发电***产生的电能，通过电力控制***分配给螺旋桨动力***以及船务配电***，提高了能源利用效率，并提供了稳定的供电电源。本发明综合了燃气轮机发电***、柴油机组发电***、超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环发电***、电力控制***和螺旋桨动力***，提高了能源利用效率，并提供了稳定的供电电源，同时为燃气轮机动力***以及超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环在船舶领域的运用提供了新的思路。
附图说明
图1是本发明一种燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动***的结构示意图；
图中：1、压缩机，2、燃烧器，3、燃气透平，4、燃料储存装置，5、燃气轮机发电机，6、柴油机组，7、柴油机组发电机，8、中央交流总线，9、电动机，10、螺旋桨动力***，11、换热器，12、回热器，13、二氧化碳透平，14、二氧化碳透平发电机，15、冷凝器，16、超临界二氧化碳流体泵，17、冷却液体泵，F1、燃料控制阀门，F2、燃气透平换热排气阀门，F3、柴油机组换热排气阀门，F4、燃气透平排大气阀门，F5、柴油机组排大气阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明一种燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动***，包括燃气轮机发电***、柴油机组发电***、超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环发电***、电力控制***和螺旋桨动力***。
其中，燃气轮机发电***包括压缩机1、燃烧器2、燃气透平3、燃料储存装置4、燃气轮机发电机5、燃料控制阀门F1以及燃气透平换热排气阀门F2，压缩机1的进口与空气进口连通，压缩机1的出口与燃烧器2的空气进口连接，燃烧器2的燃料进口与燃料储存装置4的出口连接，燃烧器2的出口与燃气透平3的进口连接，燃气透平3的出口与换热器11的乏汽进口连接，燃气透平3通过轴系与燃气轮机发电机5连接，燃气轮机发电机5通过电网与中央交流总线8连接，燃料储存装置4的出口与燃烧器2的燃料进口连接管路上安装有燃料控制阀门F1，燃气透平3的出口与换热器11的乏汽进口连接管路上安装有燃气透平换热排气阀门F2，燃气透平3的出口通向大气的管道上安装有燃气透平排大气阀门F4；经由压缩机1压缩的空气和从燃料储存装置4流出的燃料在燃烧器2中混合燃烧，在燃烧器2中，化学能转化为热能，形成高温燃气进入燃气透平3做功，带动燃气轮机发电机5发电，热能转变为机械能，做完功后，燃气透平3的排气根据情况选择进入换热器11进行换热，换热后的乏汽从换热器11气体出口排出(此时关闭燃气透平排大气阀门F4，打开燃气透平换热排气阀门F2)，或者通过旁通管道直接排入大气(此时关闭燃气透平换热排气阀门F2，打开燃气透平排大气阀门F4)。
柴油机组发电***包括柴油机组6、柴油机组发电机7以及柴油机组换热排气阀门F3和柴油机组排大气阀门F5，柴油机组6通过轴系与柴油机组发电机7连接，柴油机组发电机7通过电网与中央交流总线8连接，柴油机组6的排气出口与换热器11的乏汽进口连接，柴油机组6的排气出口与换热器11的乏汽进口连接管路上安装有柴油机组换热排气阀门F3，柴油机组6的排气出口通向大气的管道上安装有柴油机组排大气阀门F5；经过预处理的燃料进入柴油机组6进行燃烧，燃料的化学能转变为热能，推动柴油机组6做功，热能转变为机械能，带动柴油机发电机7进行发电，燃烧后的排气根据情况进入换热器11进行换热，换热后的排气从换热器11气体出口排出(此时关闭柴油机组排大气阀门F5，打开柴油机组换热排气阀门F3)，或者通过旁通管道直接排入大气(此时关闭柴油机组换热排气阀门F3，打开柴油机组排大气阀门F5)。在整个动力***中，柴油机组发电机7作为辅助发电***，正常工作时，关闭柴油机组换热排气阀门F3、燃气透平排大气阀门F4以及柴油机组排大气阀门F5，打开燃料控制阀门F1、燃气透平换热排气阀门F2，此时燃气透平3正常工作，带动燃气轮机发电机5进行发电，经由压缩机1压缩的空气和从燃料储存装置4流出的燃料在燃烧器2中混合燃烧，在燃烧器2中，化学能转化为热能，形成高温燃气进入燃气透平3做功，带动燃气轮机发电机5发电，热能转变为机械能，做完功后，燃气透平3的乏汽进入换热器11进行换热，换热后的乏汽从换热器11气体出口排出，为整个动力***提供电能；当出现意外，燃气轮机发电机组不能正常工作时，此时关闭燃料控制阀门F1、燃气透平换热排气阀门F2、燃气透平排大气阀门F4以及柴油机组排大气阀门F5，打开柴油机组换热排气阀门F3，柴油机组发电机开始工作进行发电，燃料进入柴油机组6进行燃烧，推动柴油机组6做功，燃料的化学能转变为热能，推动柴油机组6做功，柴油机组6带动柴油机组发电机7进行发电，燃烧后的排气进入换热器11进行换热，换热后的排气从换热器11气体出口排出。
超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环动力***包括换热器11、回热器12、二氧化碳透平13、二氧化碳透平发电机14、冷凝器15以及超临界二氧化碳流体泵16，换热器11的乏汽进口分别与燃气透平3的出口和柴油机组6的排气出口相连，换热器11的流体出口与二氧化碳透平13的进口连通，二氧化碳透平13通过轴系与二氧化碳透平发电机14连接，二氧化碳透平发电机14通过电网与中央交流总线8连接，二氧化碳透平13的出口与回热器12的高温侧流体进口相连，回热器12的高温侧流体出口与冷凝器15的超临界二氧化碳进口连接，冷凝器15的超临界二氧化碳出口与超临界二氧化碳流体泵16的进口连接，超临界二氧化碳流体泵16的出口与回热器12的低温侧流体入口连通，回热器12的低温侧流体出口与换热器11的流体进口相连通，冷凝器15的冷却液体出口与冷却液体泵17的进口连通，冷凝器15的冷却液体进口与冷却液体泵17的出口连通；低温低压的二氧化碳气体经超临界二氧化碳流体泵16压缩升压，再经回热器12高温侧流体预热后，进入换热器11进行换热，吸收热量后直接进入二氧化碳透平13做功，带动蒸汽轮机发电机14发电，做功后的乏气经回热器12中低温侧流体冷却后，再由冷凝器15冷却至所需的超临界二氧化碳流体泵16入口温度，最后从冷凝器15出口进入超临界二氧化碳流体泵16，实现闭式循环。
电力控制***包括中央交流总线8及其端口，中央交流总线8的电流输入端口分别与燃气轮机发电机5、柴油机组发电机7以及二氧化碳透平发电机14的电流输出端口相连，中央交流总线8的电流输出端口分别与电动机组9和船务配电电流输入端口连接；中央交流总线8由电网接收从燃气轮机发电机5、柴油机组发电机7以及二氧化碳透平发电机14的电能，再由中央交流总线8进行电能分配。
螺旋桨动力***包括电动机组9和螺旋桨动力装置10，电动机组9的电流输入端口与中央交流总线的电流输出端口连接，电动机组9通过轴系与螺旋桨动力装置10连接；电动机组9从中央交流总线8获得电能运转起来，再通过轴系带动螺旋桨动力装置10转动，从而驱动船舶前进。
超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环动力***中，由于超临界二氧化碳(S-CO2)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳(S-CO2)为工质的压缩机、气轮机等动力***设备结构紧凑、体积较小，既节约成本，又节省空间。
Claims (3)
1.一种燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动***，其特征在于：包括燃气轮机发电***、柴油机组发电***、超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、电力控制***和螺旋桨动力***；其中，
燃气轮机发电***包括压缩机(1)，该压缩机(1)上设有空气进口，压缩机(1)的出口与燃烧器(2)的空气进口连接，燃烧器(2)的燃料进口与燃料储存装置(4)的出口连接，燃烧器(2)的出口与燃气透平(3)的进口连接，燃气透平(3)通过轴系与燃气轮机发电机(5)连接；
柴油机组发电***包括柴油机组(6)，柴油机组(6)通过轴系与柴油机组发电机(7)连接；
超临界二氧化碳布雷顿循环发电***包括换热器(11)，换热器(11)的乏汽进口分别与燃气透平(3)的出口和柴油机组(6)的排气出口相连，换热器(11)的流体出口与二氧化碳透平(13)的进口连通，二氧化碳透平(13)通过轴系与二氧化碳透平发电机(14)连接，二氧化碳透平(13)的出口与回热器(12)的高温侧流体进口相连，回热器(12)的高温侧流体出口与冷凝器(15)的超临界二氧化碳进口连接，冷凝器(15)的超临界二氧化碳出口与超临界二氧化碳流体泵(16)的进口连接，超临界二氧化碳流体泵(16)的出口与回热器(12)的低温侧流体入口连通，回热器(12)的低温侧流体出口与换热器(11)的流体进口相连通，冷凝器(15)的冷却液体出口与冷却液体泵(17)的进口连通，冷凝器(15)的冷却液体进口与冷却液体泵(17)的出口连通；
电力控制***包括中央交流总线(8)及其端口，中央交流总线(8)的电流输入端口分别与燃气轮机发电机(5)、柴油机组发电机(7)以及二氧化碳透平发电机(14)的电流输出端口相连；
螺旋桨动力***包括电动机组(9)，电动机组(9)的电流输入端口与中央交流总线的电流输出端口连接，电动机组(9)通过轴系与螺旋桨动力装置(10)连接。
2.根据权利要求1所述的燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动***，其特征在于：燃料储存装置(4)的出口与燃烧器(2)的燃料进口连接管路上安装有燃料控制阀门(F1)，燃气透平(3)的出口与换热器(11)的乏汽进口连接管路上安装有燃气透平换热排气阀门(F2)；柴油机组(6)的排气出口与换热器(11)的乏汽进口连接管路上安装有柴油机组换热排气阀门(F3)；燃气透平(3)的出口通向大气的管道上安装有燃气透平排大气阀门(F4)，柴油机组(6)的排气出口通向大气的管道上安装有柴油机组排大气阀门(F5)。
3.根据权利要求2所述的燃气、柴油及超临界二氧化碳发电船舶动力驱动***，其特征在于：
在整个动力***中，柴油机组发电机(7)作为辅助发电***，正常工作时，关闭柴油机组换热排气阀门(F3)、燃气透平排大气阀门(F4)以及柴油机组排大气阀门(F5)，打开燃料控制阀门(F1)、燃气透平换热排气阀门(F2)，此时燃气透平(3)正常工作，带动燃气轮机发电机(5)进行发电，经由压缩机(1)压缩的空气和从燃料储存装置(4)流出的燃料在燃烧器(2)中混合燃烧，在燃烧器(2)中，化学能转化为热能，形成高温燃气进入燃气透平(3)做功，带动燃气轮机发电机(5)发电，热能转变为机械能，做完功后，燃气透平(3)的乏汽进入换热器(11)进行换热，换热后的乏汽从换热器(11)气体出口排出，为整个动力***提供电能；当出现意外，燃气轮机发电机组不能正常工作时，此时关闭燃料控制阀门(F1)、燃气透平换热排气阀门(F2)、燃气透平排大气阀门(F4)以及柴油机组排大气阀门(F5)，打开柴油机组换热排气阀门(F3)，柴油机组发电机开始工作进行发电，燃料进入柴油机组(6)进行燃烧，推动柴油机组(6)做功，燃料的化学能转变为热能，推动柴油机组(6)做功，柴油机组(6)带动柴油机组发电机(7)进行发电，燃烧后的排气进入换热器(11)进行换热，换热后的排气从换热器(11)气体出口排出；
低温低压的二氧化碳气体经超临界二氧化碳流体泵(16)压缩升压，再经回热器(12)高温侧流体预热后，进入换热器(11)进行换热，吸收热量后直接进入二氧化碳透平(13)做功，带动蒸汽轮机发电机(14)发电，做功后的乏气经回热器(12)中低温侧流体冷却后，再由冷凝器(15)冷却至所需的超临界二氧化碳流体泵(16)入口温度，最后从冷凝器(15)出口进入超临界二氧化碳流体泵(16)，实现闭式循环；
中央交流总线(8)由电网接收从燃气轮机发电机(5)、柴油机组发电机(7)以及二氧化碳透平发电机(14)的电能，再由中央交流总线(8)进行电能分配；
电动机组(9)从中央交流总线(8)获得电能运转起来，再通过轴系带动螺旋桨动力装置(10)转动，从而驱动船舶前进。
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