CN114044119A - 一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进***，该***主要包括氨燃料发动机发电***、氨燃料电池发电***、朗肯循环发电***。本发明***采用效率较高的氨燃料电池与氨燃料发动机混合电力推进***，在实现船舶电力推进过程中不仅有效利用了氨燃料的冷能和氨燃料发动机的高温烟气废热进行朗肯循环发电，提高了朗肯循环发电***的效率，进而提高了整个船舶电力推进***的综合发电效率，并且本发明提出的船舶电力推进***会大大减轻船舶污染和海洋环境污染，充分体现了“绿色航运”和“绿色船舶”的环保节能理念，具有很好的实际应用价值和发展前景。
Description
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进***。
背景技术
近些年来船舶的电力推进***以其调速范围广、易于正反转、高效率、高可靠性、体积小、便于维修、振动和噪音小等优点，逐渐成为高性能船舶青睐的主推进***，加之随着国际海事组织(IMO)在船舶排放方面制定的标准越来越严格，绿色环保的电力推进***或将成为未来船舶动力发展的方向。
目前船舶电力推进装置主要还是依靠传统的内燃机发电，然后通过电动机带动螺旋桨旋转，以此来提高船舶的操纵性，但如上述传统的内燃机会对环境产生较大的负担，加之近几年，IMO不断提出更为严格的要求，制定了到2050年将温室气体排放量实现从2008年的水平减50％的长期碳减排目标，这更是使得降低航行业的废气排放变得愈发迫切。
因此，为了满足IMO提出的船舶尾气排放要求，出现了各种清洁能源，氨无碳无硫，采用氨燃料发动机也能满足IMO严格的排放要求，因此，氨燃料受到越来越多的关注。更为重要的是，随着技术的不断进步，氨燃料电池也已被一些学者提出，燃料电池是一种电化学装置，是不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置，绿色环保，不会有污染物的产生，是一种比较理想的船舶电力推进的电力源。
采用氨燃料电池不会产生污染物氨燃料电池效率较高，一般能达60％至80％，环境污染小，但是船舶由于尺寸较大，所需要的推进功率较大，氨燃料电池的功率密度比较小，因此仅仅使用氨燃料电池作为船舶电力推进装置的电力源会面临造价较高的问题，而燃用氨的氨燃料发动机虽然效率比氨燃料电池略低，但由于内燃机输出功率大、稳定性好，仍是一种比较好的船舶电力推进***的电力源。
另一方面，为节省燃料存储空间，氨燃料在船舶上以液体状态存储，温度约为-33℃，但是氨燃料送至氨燃料电池和氨燃料发动机前需要汽化至供气温度，这一过程会释放大量冷能，这部分冷能主要是被海水和其他热源带走，造成氨燃料冷能的浪费，此外船舶所需要的推进功率一般比较大，因此电力推进装置需要电能也比较多，并且氨燃料发动机工作时会产生高温烟气和高温水，这部分废热也具有很多能量没有得到利用。
基于以上问题，若是将氨燃料发动机和效率较高的氨燃料电池相结合，并利用液氨的冷能和氨燃料发动机的高温烟气实现朗肯循环发电，既实现了船舶上利用氨燃料的能量进行多动力源电力推进，又解决了氨燃料冷能浪费和船舶产生的废热浪费的问题，那么该方法将具有较好的应用前景和实际应用价值。
发明内容
本发明的目的就是针对上述的问题，提出一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进***。该***主要包括：氨燃料发动机发电***、氨燃料电池发电***、朗肯循环发电***。
其中氨燃料发动机发电***包括：液氨燃料罐、驳运泵、高压增压泵、第一换热器、第一缸套水加热器、氨燃料发动机、第一传动轴、氨燃料发电机、电网处理单元、电动机、氨燃料发动机燃料供给管道。
氨燃料电池发电***包括：低压增压泵、第二换热器、第二缸套水加热器、氨燃料电池、氨燃料电池燃料供给管道。
朗肯循环发电***包括：加热器、膨胀机、第二传动轴、发电机、压缩机、排烟管道。
在氨燃料发动机发电***中，驳运泵、高压增压泵、第一换热器、第一缸套水加热器、氨燃料发动机依次通过氨燃料发动机燃料供给管道相连接，所述氨燃料发动机与氨燃料发电机通过第一传动轴相连接。其中氨燃料发动机燃料供给管道的一端与驳运泵相连接，另一端与氨燃料发动机相连接。
在氨燃料电池发电***中，驳运泵、低压增压泵、第二换热器、第二缸套水加热器、氨燃料电池依次通过氨燃料电池燃料供给管道相连接。其中氨燃料电池燃料供给管道一端与氨燃料发动机燃料供给管道相连接，一端与氨燃料电池相连接。
在朗肯循环发电***中，所述压缩机、加热器、膨胀机、第一换热器、第二换热器依次通过管道相连接，形成循环管路，所述膨胀机通过第二传动轴与发电机相连接，所述加热器通过排烟管道与氨燃料发动相连接。
所述氨燃料发电机、发电机、氨燃料电池分别通过线路与电网处理单元相连接，所述电网处理单元通过线路与电动机相连接。
当船舶需要实现电力推进时，液氨燃料罐里的氨燃料通过驳运泵被驳运出来，驳运出的氨燃料分为两路，分别进入氨燃料发动机燃料供给管道和氨燃料电池燃料供给管道。在氨燃料发动机供电***中，氨燃料首先经过高压增压泵进行增压，增压至8MPa左右，然后依次流经第一换热器、第一缸套水加热器，通过第一换热器先消耗部分冷能，然后经过第一缸套水加热器利用来自氨燃料发动机的缸套水对氨燃料进行加热，加热至氨燃料发动机的供气温度供氨燃料发动机燃用，氨燃料发动机输出功通过第一传动轴带动氨燃料发电机发电；在氨燃料电池发电***中，氨燃料首先经过低压增压泵增压至0.2MPa～0.3MPa，然后依次流经第二换热器、第二缸套水加热器，通过第二换热器先消耗部分冷能，然后经过第二缸套水加热器利用来自氨燃料发动机的缸套水对氨燃料进行加热，加热至氨燃料电池的供气温度供氨燃料电池发电使用；在朗肯循环发电***中，采用可以相变的冷媒，冷媒首先经过压缩机进行压缩，然后进入到加热器中，来自氨燃料发动机的高温烟气通过排烟管道进入加热器，高温烟气对冷媒进行加热汽化，汽化后的冷媒进入膨胀机中进行膨胀做功，通过第二传动轴带动发电机发电，膨胀后的冷媒依次流经第一换热器、第二换热器，分别吸收氨燃料的冷能，从而冷媒进行液化，这样就完成了一个朗肯循环。
上述过程中发电机、氨燃料发电机、氨燃料电池发出的电分别进入电网处理单元，处理后的电共同输送给电动机，从而带动螺旋桨，实现船舶的电力推进。
本发明的优点：
1.本发明***采用效率较高的氨燃料电池和氨燃料发动机混合电力推进***，并且利用液氨的冷能实现朗肯循环发电，实现了船舶上利用氨燃料的能量进行多动力源电力推进，对氨燃料进行了充分的利用。
2.本发明***利用氨燃料发动机产生的高温烟气对朗肯循环发电***中的冷媒进行加热，不仅可以使船舶产生的高温烟气废热得到利用，还可以利用液氨汽化过程中的冷能，从而提高了朗肯循环发电***的效率，进而提高了整个船舶电力推进***的综合发电效率。
3.本发明***采用的电力推进***可以实现对氨燃料的冷能和船舶废热进行充分的利用，并且会大大减轻船舶污染和海洋环境污染，充分体现了“绿色航运”和“绿色船舶”的环保节能理念，具有很好的实际应用价值和发展前景。
附图说明
图1为本发明的***图；
附图中：1.液氨燃料罐； 2.驳运泵； 3.低压增压泵； 4.高压增压泵； 5.第一换热器； 6.第一缸套水加热器； 7.氨燃料发动机； 8.第一传动轴； 9.氨燃料发电机；10.电网处理单元； 11.电动机； 12.加热器； 13.膨胀机； 14.第二传动轴； 15.发电机； 16.第二换热器； 17.压缩机； 18.第二缸套水加热器； 19.氨燃料电池； 20.氨燃料发动机燃料供给管道； 21.氨燃料电池燃料供给管道； 22.排烟管道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进***，如图1，该***主要包括：氨燃料发动机发电***、氨燃料电池发电***、朗肯循环发电***。
其中氨燃料发动机发电***包括：液氨燃料罐1、驳运泵2、高压增压泵4、第一换热器5、第一缸套水加热器6、氨燃料发动机7、第一传动轴8、氨燃料发电机9、电网处理单元10、电动机11、氨燃料发动机燃料供给管道20。
氨燃料电池发电***包括：低压增压泵3、第二换热器16、第二缸套水加热器18、氨燃料电池19、氨燃料电池燃料供给管道21。
朗肯循环发电***包括：加热器12、膨胀机13、第二传动轴14、发电机15、压缩机17、排烟管道22。
在氨燃料发动机发电***中，驳运泵2、高压增压泵4、第一换热器5、第一缸套水加热器6、氨燃料发动机7依次通过氨燃料发动机燃料供给管道20相连接，所述氨燃料发动机7与氨燃料发电机9通过第一传动轴8相连接。其中氨燃料发动机燃料供给管道20的一端与驳运泵2相连接，另一端与氨燃料发动机7相连接。
在氨燃料电池发电***中，驳运泵2、低压增压泵3、第二换热器16、第二缸套水加热器18、氨燃料电池19依次通过氨燃料电池燃料供给管道21相连接。其中氨燃料电池燃料供给管道21一端与氨燃料发动机燃料供给管道20相连接，另一端与氨燃料电池19相连接。
在朗肯循环发电***中，所述压缩机17、加热器12、膨胀机13、第一换热器5、第二换热器16依次通过管道相连接，形成循环管路，所述膨胀机13通过第二传动轴14与发电机15相连接，所述加热器12通过排烟管道22与氨燃料发动7相连接。
所述氨燃料发电机9、发电机15、氨燃料电池19分别通过线路与电网处理单元10相连接，所述电网处理单元10通过线路与电动机11相连接。
当船舶需要实现电力推进时，液氨燃料罐1里的氨燃料通过驳运泵2被驳运出来，驳运出的氨燃料分为两路，分别进入氨燃料发动机燃料供给管道20和氨燃料电池燃料供给管道21。在氨燃料发动机供电***中，氨燃料首先经过高压增压泵4进行增压，增压至8MPa左右，然后依次流经第一换热器5、第一缸套水加热器6，通过第一换热器5先消耗部分冷能，然后经过第一缸套水加热器6利用来自氨燃料发动机7的缸套水对氨燃料进行加热，加热至氨燃料发动机7的供气温度供氨燃料发动机7燃用，氨燃料发动机7输出功通过第一传动轴8带动氨燃料发电机9发电；在氨燃料电池发电***中，氨燃料首先经过低压增压泵3增压至0.2MPa～0.3MPa，然后依次流经第二换热器16、第二缸套水加热器18，通过第二换热器16先消耗部分冷能，然后经过第二缸套水加热器18利用来自氨燃料发动机7的缸套水对氨燃料进行加热，加热至氨燃料电池19的供气温度供氨燃料电池19发电使用，此外氨燃料发动机燃烧氨燃料不会产生任何污染物；在朗肯循环发电***中，采用可以相变的冷媒，冷媒首先经过压缩机17进行压缩，然后进入到加热器12中，来自氨燃料发动机7的高温烟气通过排烟管道22进入加热器12，高温烟气对冷媒进行加热汽化，然后直接排入大气中，汽化后的冷媒进入膨胀机13中进行膨胀做功，通过第二传动轴14带动发电机15发电，膨胀后的冷媒依次流经第一换热器5、第二换热器16，分别吸收氨燃料的冷能，从而冷媒进行液化，这样就完成了一个朗肯循环。
上述过程中发电机15、氨燃料发电机9、氨燃料电池19发出的电分别进入电网处理单元10，处理后的电共同输送给电动机11，从而带动螺旋桨，实现船舶的电力推进。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进***，其特征在于：该***包括氨燃料发动机发电***、氨燃料电池发电***、朗肯循环发电***；
其中所述氨燃料发动机发电***包括：液氨燃料罐(1)、驳运泵(2)、高压增压泵(4)、第一换热器(5)、第一缸套水加热器(6)、氨燃料发动机(7)、第一传动轴(8)、氨燃料发电机(9)、电网处理单元(10)、电动机(11)、氨燃料发动机燃料供给管道(20)；
氨燃料电池发电***包括：低压增压泵(3)、第二换热器(16)、第二缸套水加热器(18)、氨燃料电池(19)、氨燃料电池燃料供给管道(21)；
朗肯循环发电***包括：加热器(12)、膨胀机(13)、第二传动轴(14)、发电机(15)、压缩机(17)、排烟管道(22)；
所述驳运泵(2)、高压增压泵(4)、第一换热器(5)、第一缸套水加热器(6)、氨燃料发动机(7)依次通过氨燃料发动机燃料供给管道(20)相连接，所述氨燃料发动机燃料供给管道(20)的一端与驳运泵(2)相连接，另一端与氨燃料发动机(7)相连接；
所述驳运泵(2)、低压增压泵(3)、第二换热器(16)、第二缸套水加热器(18)、氨燃料电池(19)依次通过氨燃料电池燃料供给管道(21)相连接，所述氨燃料电池燃料供给管道(21)一端与氨燃料发动机燃料供给管道(20)相连接，一端与氨燃料电池(19)相连接；
所述压缩机(17)、加热器(12)、膨胀机(13)、第一换热器(5)、第二换热器(16)依次通过管道相连接。
2.根据权利要求1中所述的一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进***，其特征在于：所述加热器(12)通过排烟管道(22)与氨燃料发动机(7)相连接。
3.根据权利要求1中所述的一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进***，其特征在于：所述膨胀机(13)通过第二传动轴(14)与发电机(15)相连接。
4.根据权利要求1中所述的一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进***，其特征在于：所述氨燃料发动机(7)与氨燃料发电机(9)通过第一传动轴(8)相连接。
5.根据权利要求1中所述的一种利用氨燃料的船舶多动力源电力推进***，其特征在于：所述氨燃料发电机(9)、发电机(15)、氨燃料电池(19)分别通过线路与电网处理单元(10)相连接，所述电网处理单元(10)通过线路与电动机(11)相连接。
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