基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统

1.本发明涉及的是一种供能系统，具体地说是基于零碳内燃机的供能系统。


背景技术：

2.目标，唯有从燃料源头着手解决排放问题是可行的技术路径。而动力系统又广泛应用于生产生活中，遍布于交通运输业以及非道路动力行业，例如发电站以及分布式供能等。氨被认为是理想燃料，因此氨燃料能源动力系统也成为了实现动力系统近零排放目标的先进核心技术之一。针对氨燃料存在的燃点高、热值低、火焰传播速度慢等问题，导致氨燃料发动机体积效率低，燃烧效果差，限制了氨发动机性能。而当前的内燃机分布式动力系统又存在着供能效率低、排放差以及系统体积较大等问题。为了实现零碳分布式供能系统的稳定、可靠运行，考虑装备经济性以及大功率需求的趋势，研究大功率零碳内燃机的分布式供能系统，进一步开发零碳储能燃料，提升能源综合利用效率，对实现零碳排放具有重要意义。
3.和传统采用柴油机作为驱动的内燃机式分布式供能系统不同的是，基于大功率零碳内燃机的分布式多源供能集成系统是以零碳内燃机为动力核心，在实现系统零碳排放的同时，通过后处理系统对排放物质进行处理。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供解决传统分布式能源系统的问题和满足未来能源系统需要的基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统，其特征是：包括零碳燃料发动机(6)、热—电联供系统(7)、多源可逆型热管理系统(15)，零碳燃料发动机(6)与热—电联供系统(7)通过排气管连接，零碳燃料发动机(6)通过输氢管连接燃料供给储存装置(1)，多源可逆型热管理系统(15)通过供氨管路(16)连接燃料供给储存装置(1)。
7.本发明还可以包括：
8.1、所述零碳燃料发动机(6)包括氨燃料共轨管(20)、氨裂解器(4)、发动机主动型预燃室(19)，氨燃料储存罐(1)通过氨燃料供给泵(17)与氨裂解器(4)以及氨燃料共轨管(20)相连，裂解器(4)与发动机主动型预燃室(19)相连，氨燃料喷射器连接零碳燃料发动机(6)的气缸。
9.2、所述热—电联供系统(7)包括蒸发器(27)、储水塔(34)、汽轮机(30)、电机(31)、冷凝器(32)，蒸发器(27)一方面分别连接低温尾气管道(28)和零碳燃料发动机(6)的排气管(21)，另一方面与汽轮机(30)形成循环管路，汽轮机(30)连接电机(31)，循环管路上安装水泵(33)，循环管路还连接储水塔(34)。
10.3、所述多源可逆型热管理系统(15)包括吸收式热泵单元(35)、蒸汽压缩式热泵单元(41)；
11.吸收式热泵单元(35)包括第一换热器(23)、第二换热器(32)、第三换热器(55)、第四换热器(56)、第五换热器(58)，氨工质经过三通阀(37)、缓冲罐(36)和开关阀(53)进入内部换热器(55)，经过第四换热器(56)、膨胀阀(57)、第五换热器(58)进入第二换热器(32)，工质在第二换热器(32)处吸收朗肯循环中的热量再经过氨燃料供给泵(52)进行循环，水箱(11)中的工质经管路(10)进入第二换热器(32)吸收朗肯循环中的废热进行预热后进入第一换热器(23)，吸收氨发动机气缸处油冷下来的热量，再经第一换热器(23)被工质带入第三换热器(55)经电磁膨胀阀(60)进入第二换热器(32)、第一换热器(23)完成循环；
12.所述蒸汽压缩式热泵单元(41)包括第六散热器(64)、第七散热器(67)、第八散热器(68)、第九散热器(71)，氨工质经过三通阀(37)和氨燃料供给泵(38)从三通阀(62)进入循环，在高功率压缩泵(61)压缩后进入第九换热器(71)换热后，经三通阀(70)在膨胀阀(63)处进行膨胀进入第六换热器(64)再进入高功率压缩泵(61)完成循环，另一循环则是通过第六换热器(64)进入低压泵(66)压缩后在第七换热器(67)处散热，进入第八换热器(68)在通过三通阀(69)、膨胀阀(65)流回第六换热器(64)完成循环。
13.本发明的优势在于：
14.1、本发明实现了零碳发动机系统与热管理系统的高效耦合，充分利用了发动机烟气以及废热能，通过耦合朗肯循环以及热管理系统，提高了能源利用效率。
15.2、本发明设计了多源可逆型热管理系统，复合多级型热泵设计，双源供热运行机制拓宽工作区域，并且提高了系统供能的稳定性和可靠性；另外，复合型热泵与热—电联供系统实现双源供能，可规避热电系统电能入网，一定程度上提高系统效率；
16.3、本发明通过二次回路的设计，避免了氨燃料工质泄露造成的安全问题，并实现终端供能单一化，与多源可逆型热管理系统配合工作减少了一次能源的消耗，充分利用低品味能源；
17.4、多源可逆型热管理系统是以含氨燃料为工质，通过吸收式循环与压缩式循环的整合，实现多源热管理系统的集成化，解决分布式能源体积效率低的问题；
18.5、系统零碳燃料发动机以氨为主要燃料，并以含氨燃料作为工质进行能量管理的同时，以氨作为后处理系统的还原剂，实现系统终端集成并保证系统排放的无碳化。
附图说明
19.图1为本发明的结构示意图；
20.图2为预燃式零碳燃料发动机单元结构示意图；
21.图3为热—电供能系统结构示意图；
22.图4为多源可逆型热管理系统结构示意图；
23.图5为吸收式热泵单元结构示意图；
24.图6为蒸汽压缩式热泵单元结构示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
26.结合图1-6，图1为本发明整体结构示意图，基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统，包括零碳燃料发动机、燃料供给储存系统、多源可逆型热管理系统、热—电供能系
统、后处理装置和电池以及供能管线若干。系统所包括零碳燃料发动机此实例中为预燃式氨氢燃料发动机6、氨裂解器4、燃料供给储存装置1、多源可逆型热管理系统15、热—电供能系统7、供氨管路2、3、16、氢管路5、scr后处理装置9、水箱11、转换器13、电池或电网14。预燃式氨氢燃料发动机6所产生的废气经过朗肯循环进行发电储热后经scr装置9尾气处理后排放。通过预燃式氨氢燃料发动机6的冷却油回路和朗肯循环7中的余热进入可逆型热管理系统15，通过发电-储能-供热一体化，充分利用各级能量，实现动力系统零碳排放和能量的高效利用。
27.图2为预燃式氨氢燃料发动机6的结构示意图，包括氨燃料供给泵17、氨燃料共轨管20、氨燃料喷射器18、进气阀26、进气管25、排气管21、预燃室19、曲轴22、发电机24、换热器23。
28.图3为热—电供能系统7的结构示意图，包括高温尾气管道21、低温尾气管道28、蒸发器27、蒸发器出口管道29、汽轮机30、电机31、冷凝器32、水泵33、储水塔34。
29.图4为多源可逆型热管理系统15结构示意图，包括吸收式热泵单元35、蒸汽压缩式热泵单元41、进氨管路16、供氨泵40、储氨罐39、三向阀37、供氨泵38、缓冲罐36、吸收式热泵单元35、蒸汽压缩式热泵二回路管路51、吸收式热泵二回路管路46、换热器48、45、自循环泵44、47、50。
30.图5为吸收式热泵单元35结构示意图，包括余热换热器23、余热换热器32、内部换热器55、氨燃料开关阀53、氨燃料入口管道54、氨泵52、节流阀57、内部换热器58、内部换热器56、电磁膨胀阀60。
31.图6为蒸汽压缩式热泵单元结构示意图，包括高功率压缩泵61、低功率压缩泵66、蒸发器64、冷凝器71、68、散热器67、三向阀70、69、62、膨胀阀63、65。
32.零碳燃料发动机与热—电联供系统通过排气管连接，热—电联供系统通过换热器以及烟气管道与多源可逆型热管理系统相连，最终接入后处理系统；
33.零碳燃料发动机通过输氢管和燃料供给系统连接，氨燃料储存罐1通过氨燃料供给泵17与氨裂解器4以及氨燃料共轨管20相连，裂解器4通过管路和气轨与发动机主动型预燃室19相连，氨燃料喷射器喷射18至气缸内，燃料在气缸内燃烧，曲轴22输出做功驱动发电机发电。发电系统包括电机31，逆变器13以及传输线路，电机运转发电后通过输送线路传输至耗电单元并储存于蓄电池中。
34.所述的零碳燃料发动机包括零碳燃料发动机以及发电机等，应具备以下功能：稳定运行的同时提供相对稳定且满足条件的排温，额定工况负荷下，循环波动相对平稳。
35.多源可逆型热管理系统15包括吸收式循环单元35和蒸汽压缩式循环单元41，吸收式循环单元包括换热器45、48、循环泵44、47、膨胀阀65等组件构成，蒸汽压缩式循环单元41包括蒸发器64、冷凝器71、68、压缩机61、66以及节流元件组成。
36.多源可逆型热管理系统为以含氨工质为冷媒的复合热管理系统，多源可逆型热管理系统集成了吸收式循环和蒸汽压缩式循环，通过含氨工质为冷媒，将以氨—水为冷媒的吸收式热泵以及以氨为冷媒的压缩式热泵进行集成化设计，实现终端供能单一化并稳定供能效果。
37.所述多源可逆型热管理系统热泵机组使用热—电联供系统产生的电能，规避热电联供系统产生的电能与公共电网间的关联性，避免牵制作用。
38.所述多源可逆型热管理系统设计二回路进行热量(冷量)的用户端配送，以保证含氨燃料工质发生泄漏所引起的安全事故。
39.热—电联供系统为依据朗肯循环为原理的热电联供系统，包括热力锅炉27，汽轮机30，换热器32，循环泵33等结构。
40.热—电联供系统循环工质包括但不限于蒸汽以及有机工质等，循环产生的电能进行储能处理以及为本系统内热管理系统的耗能部件提供能量，避免“垃圾能源”的产生和浪费；所产生的热能配合热管理系统进行双源供热。
41.基于零碳内燃机的分布式多源供能系统，设置有供电模式以及供热(冷)模式，两种模式之间不存在运行限制作用。
42.在进行电能供给模式时，如果发电量大于供能需求，经逆变器13储存于电池等储能设备；如果当天用电需求激增，供电不足以满足用电需求，通过储能装置进行补充供电。同时热—电联供系统伴随零碳发电机组共同工作，工作过程中，通过汽轮机30带动发电机31所产生的电能进行储存，一方面可以为多源热管理系统中的压缩机进行供能，避免其能量浪费。当零碳发电机发电量满足用户使用需求时，热—电联供系统产生电能除用于热管理系统功耗外可通过蓄电池14进行储存；如果不满足用户使用需求，也可使用热—电联供系统储存的能量作为额外电能进行补充。
43.在进行热量(冷量)供给模式时，判断环境热负荷的需求，系统采用多源热管理系统进行供给，热电联供系统与多源热管理系统中的吸收式热泵单元配合工作进行双源供热，当吸收式热泵模式满足用户供热(制冷)需求时，即热量(冷量)供给大于需求量，则实现满负荷工作。当吸收式热泵模式不满足用户供热(制冷)需求时，即热量(冷量)供给小于需求量，则在吸收式热泵模式的基础上增加使用蒸汽压缩式热泵进行宽温域多级供能。
44.实例中本系统的零碳燃料发动机采用氢预喷燃烧，火焰引燃氨燃料的燃烧模式实现了动力系统的零碳运行，对于整个系统的工作过程如下：
45.氨燃料在高压低温下储存在储存罐1中，部分通过氨裂解器入口管路2进入氨裂解器4，裂解器内置电加热装置，但不限于电加热一种形式，在氨裂解器中将氨裂解为氢气、氮气以及未反应完全的氨气，所得含有氢气的混合气通入发动机主动型预燃室19中，在预燃室中被火花塞点燃，所得火焰在气缸中引燃氨燃料，实现氨燃料的高效燃烧。作为发动机主要的燃料，一路氨燃料经管路3在高压泵17加压后进入共轨管20中，再通过氨燃料喷射器18喷射至气缸内，燃料在气缸内燃烧，通过动曲轴22输出做功。空气经电子节气门26进入气缸参与燃烧反应后，废气经排气管21进入换热器27进行换热，低温废气经过管路28后进入后处理装置8，废气中的未燃氨与氮氧化物在后处理装置中进行处理后方可排入大气。
46.系统供电主要有两种方式，其一是电机24通过零碳燃料发动机的动力输出端与曲轴22连接，发动机运行带动电机发电，此部分产生的电能较为稳定，供给给电能用户或者上层电网；另一方面是系统的热—电联供系统产生的电能，热—电联供系统是基于朗肯循环的余热利用系统，工质经换热器27蒸发后从管路29进入汽轮机30，从汽轮机出来的高温工质经换热器32变成低温工质，在同循环泵33进入换热器27完成朗肯循环。汽轮机带动发电机31发电，将热能转换为电能经逆变器13储存在电池中。
47.本示例中氨燃料作为零碳发动机的燃料和裂解器的原料的同时，也充当后处理装置中的还原剂和热管理系统中的工质。作为还原剂时，氨燃料从储氨罐1中经管路16经氨燃
料供给泵40进入储氨罐39中储存，随后进入后处理装置参与氮氧化物的还原；作为热管理系统工质时，氨燃料以氨和氨—水混合物两种形式存在于热管理系统中。
48.多源可逆型热管理系统中的蒸汽压缩式热泵单元以氨为工质运行，进入蒸汽压缩式热泵的氨工质经过三通阀37和氨燃料供给泵38从三通阀62进入循环，在高功率压缩泵61压缩后进入换热器71换热后，经三通阀70在膨胀阀63处进行膨胀进入换热器64再进入高功率压缩泵61完成循环。另一循环则是通过换热器64进入低压泵66压缩后在换热器67处散热，进入换热器68在通过三通阀69、膨胀阀65流回换热器64完成循环。
49.多源可逆型热管理系统中的吸收式热泵单元以氨—水混合物为工质运行，进入吸收式热泵的氨工质经过三通阀37、缓冲罐36和开关阀53进入内部换热器55，在经过换热器56、膨胀阀57、换热器58进入换热器32，工质在换热器32处吸收朗肯循环中的热量再经过氨燃料供给泵52进行循环。水箱11中的工质经管路10进入换热器32吸收朗肯循环中的废热进行预热后进入换热器23，吸收氨发动机气缸处油冷下来的热量，再经换热器23被工质带入换热器55经电磁膨胀阀60进入换热器32、23完成循环。
50.本实例基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统在用户需求端，可根据用户的实况调整系统的工作模式，因此系统也涉及多种能量间的转换和控制需求。此多源能量热管理系统系统包括多种工作模式，接下来就不同供电制热制冷需求所使用的不同模式以及工作方法进行介绍：
51.电能供给模式：对于用户所需体量较大的电能可由零碳内燃机带动发电机运转发电提供给电能用户或者上层电网，本示例中侧重于分布式供能。针对用户的电能使用情况进行评估，确定发电装置的发电量并进行供能，如果发电量大于供能需求，经逆变器13储存于电池等储能设备；如果当天用电需求激增，供电不足以满足用电需求，通过储能装置进行补充供电。同时热—电联供系统伴随零碳发电机组共同工作，工作过程中，通过汽轮机30带动发电机31所产生的电能进行储存，一方面可以为多源热管理系统中的压缩机进行供能，避免其能量浪费。当零碳发电机发电量满足用户使用需求时，热—电联供系统产生电能除用于热管理系统功耗外可通过蓄电池14进行储存；如果不满足用户使用需求，也可使用热—电联供系统储存的能量作为额外电能进行补充。
52.热量(冷量)供给模式：对于用户的热量(冷量)需求，系统采用多源热管理系统进行供给，热电联供系统与多源热管理系统中的吸收式热泵单元配合工作进行双源供热，当吸收式热泵模式满足用户供热(制冷)需求时，即热量(冷量)供给大于需求量，则实现满负荷工作。当吸收式热泵模式不满足用户供热(制冷)需求时，即热量(冷量)供给小于需求量，则在吸收式热泵模式的基础上增加使用蒸汽压缩式热泵进行宽温域多级供能。
53.本发明基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统采用氨燃料以及氢燃料实现稳定高效供给。双源供能与热—电联供系统配合运行，可规避热电系统电能入网，一定程度上提高系统效率。同时，氨再作为后处理系统的还原剂的同时，也作为热管理系统工质，一氨多用的设计提高了系统的集成化程度，减少了系统的冗余性，增加了系统的安全性和可靠性，并且，后处理系统与热管理系统的协同作用对排放进行吸收，实现供能系统零碳化的同时，也起到了节能减排的作用。针对本系统所设计的多源可逆型能量热管理系统，在对预燃式氨氢燃料发动机进行能量管理，提高系统的整体热效率的同时，也通过复合型热泵设计，通过吸收式循环与压缩式循环的整合，拓宽了双源供热运行工作区域，并且提高了系统
供能的稳定性和可靠性。另外，通过二次回路的设计，避免了氨燃料工质泄露造成的安全问题，并实现终端供能单一化，与多源可逆型热管理系统配合工作减少了一次能源的消耗，充分利用低品味能源。上述分布式多源供能集成系统实现了多源热管理系统的集成化，一定程度上优化分布式能源体积效率低的问题。

技术特征：
1.基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统，其特征是：包括零碳燃料发动机(6)、热—电联供系统(7)、多源可逆型热管理系统(15)，零碳燃料发动机(6)与热—电联供系统(7)通过排气管连接，零碳燃料发动机(6)通过输氢管连接燃料供给储存装置(1)，多源可逆型热管理系统(15)通过供氨管路(16)连接燃料供给储存装置(1)。2.根据权利要求1所述的基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统，其特征是：所述零碳燃料发动机(6)包括氨燃料共轨管(20)、氨裂解器(4)、发动机主动型预燃室(19)，氨燃料储存罐(1)通过氨燃料供给泵(17)与氨裂解器(4)以及氨燃料共轨管(20)相连，裂解器(4)与发动机主动型预燃室(19)相连，氨燃料喷射器连接零碳燃料发动机(6)的气缸。3.根据权利要求1所述的基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统，其特征是：所述热—电联供系统(7)包括蒸发器(27)、储水塔(34)、汽轮机(30)、电机(31)、冷凝器(32)，蒸发器(27)一方面分别连接低温尾气管道(28)和零碳燃料发动机(6)的排气管(21)，另一方面与汽轮机(30)形成循环管路，汽轮机(30)连接电机(31)，循环管路上安装水泵(33)，循环管路还连接储水塔(34)。4.根据权利要求1所述的基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统，其特征是：所述多源可逆型热管理系统(15)包括吸收式热泵单元(35)、蒸汽压缩式热泵单元(41)；吸收式热泵单元(35)包括第一换热器(23)、第二换热器(32)、第三换热器(55)、第四换热器(56)、第五换热器(58)，氨工质经过三通阀(37)、缓冲罐(36)和开关阀(53)进入内部换热器(55)，经过第四换热器(56)、膨胀阀(57)、第五换热器(58)进入第二换热器(32)，工质在第二换热器(32)处吸收朗肯循环中的热量再经过氨燃料供给泵(52)进行循环，水箱(11)中的工质经管路(10)进入第二换热器(32)吸收朗肯循环中的废热进行预热后进入第一换热器(23)，吸收氨发动机气缸处油冷下来的热量，再经第一换热器(23)被工质带入第三换热器(55)经电磁膨胀阀(60)进入第二换热器(32)、第一换热器(23)完成循环；所述蒸汽压缩式热泵单元(41)包括第六散热器(64)、第七散热器(67)、第八散热器(68)、第九散热器(71)，氨工质经过三通阀(37)和氨燃料供给泵(38)从三通阀(62)进入循环，在高功率压缩泵(61)压缩后进入第九换热器(71)换热后，经三通阀(70)在膨胀阀(63)处进行膨胀进入第六换热器(64)再进入高功率压缩泵(61)完成循环，另一循环则是通过第六换热器(64)进入低压泵(66)压缩后在第七换热器(67)处散热，进入第八换热器(68)在通过三通阀(69)、膨胀阀(65)流回第六换热器(64)完成循环。

技术总结
本发明的目的在于提供基于零碳内燃机的分布式多源供能集成系统，包括零碳燃料发动机(6)、热—电联供系统(7)、多源可逆型热管理系统(15)，零碳燃料发动机(6)与热—电联供系统(7)通过排气管连接，零碳燃料发动机(6)通过输氢管连接燃料供给储存装置(1)，多源可逆型热管理系统(15)通过供氨管路(16)连接燃料供给储存装置(1)。本发明实现了零碳发动机系统与热管理系统的高效耦合，充分利用了发动机烟气以及废热能，通过耦合朗肯循环以及热管理系统，提高了能源利用效率。系统零碳燃料发动机以氨为主要燃料，并以含氨燃料作为工质进行能量管理的同时，以氨作为后处理系统的还原剂，实现系统终端集成并保证系统排放的无碳化。实现系统终端集成并保证系统排放的无碳化。实现系统终端集成并保证系统排放的无碳化。


技术研发人员：范立云 李美斯 礼博 毛运涛 魏云鹏 张佃浩 徐魁 孙榆承
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/6