一种基于LNG的船用电力推进系统

一种基于lng的船用电力推进系统
技术领域
1.本发明属于船舶控制技术领域，具体涉及一种基于lng的船用电力推进系统。


背景技术：

2.近年来，出于可持续发展的人类需要，针对海上污染物排放的限制性要求愈发严苛，且特定区域的控制排放工作也愈发紧张。传统化石燃料在很长一段时间内都作为主要能源为人类的生存发展做出了不可磨灭的贡献，在海上船运领域也长期作为船舶动力的主要来源，但是在前述背景条件下，由于传统燃料本身存在储量有限、能源利用率低和污染严重等问题，后续对化石燃料的应用必将受到诸多方面的限制。
3.为了在降低污染的前提下解决海上船运领域的能源供应问题，本领域技术人员提出了基于lng(liquefied natural gas，液化天然气)冷能利用的固体氧化物燃料电池和有机朗肯循环联合发电系统，参见中国专利cn 102628402 a公开的技术方案，其将燃料电池燃气轮机联合循环、有机朗肯循环和lng冷能利用进行系统集成，固体氧化物燃料电池本身是一种能够很好地解决化石燃料发电效率与环境污染这一矛盾的新型发电方式，燃料中的氢借助于电解质与空气中的氧直接转化为电能，不受卡诺循环效率的限制，且固体氧化物燃料电池的反应温度很高，所以可对其排放的余热进行回收利用，再结合对液化天然气冷能的有效利用，可大大增加系统的发电量，实现能源的梯级利用，在提高能源的利用效率的同时减少大气环境污染。
4.但是，当整套系统中同时有燃气轮机和其他较多的动力设备参与、且lng主要供应给燃气管网时，并不能最大化地发挥液化天然气本身的清洁优势，整套系统运行时所造成的污染问题在当前环境下、特别是航运大环境下依旧是不容忽视的现实问题。所以，如能设计出单纯基于lng的船用电力推进系统，将朗肯循环和lng冷能利用进行系统集成，既使得天然气得到高效转换，又能积极利用lng冷能和品位余热系统提升朗肯循环的效率，将充分提升系统经济性和节能性，使其在环保和节能减排方面发挥更大的作用，更好地适应当前国际趋势，为人类的可持续发展做出卓越的贡献。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中存在的系统污染和能源利用率低的问题，提供一种基于lng的船用电力推进系统，纯电系统充分发挥了天然气的清洁优势，且本技术通过利用lng冷能和反应余热来提高朗肯循环的效率，使得系统的经济性、节能性和环保性都得到了综合提升。
6.本发明是这样来实现的：一种基于lng的船用电力推进系统，包括lng发电模块、朗肯循环模块和电推模块；lng发电模块包括顺次相接的lng储液罐、lng低压汽化器和lng燃料电池反应器；朗肯循环发电模块中流动的介质依次在工质泵、换热器二、汽轮机和换热器一间循环流动，完成机械功的收集，汽轮机与直流发电机连接进行发电；lng燃料电池反应器和直流发电机均与电推模块连接以进行电力存储；换热器一与lng低压汽化器间、lng燃
料电池反应器与换热器二间分别构建有一个换热循环通路用以增大朗肯循环模块高低温端的势能差。
7.进一步地，换热器一与lng低压汽化器间构建的换热循环用以将lng低压汽化器中的冷能与朗肯循环模块中流动的介质进行热交换，降低流至换热器一处的介质温度。
8.进一步地，lng燃料电池反应器与换热器二间构建的换热循环用以将lng燃料电池反应器反应过程中产生的品位余热与朗肯循环模块中流动的介质进行热交换，提高流至换热器二处的介质的温度。
9.进一步地，电推模块包括储能电池和电动螺旋桨，储能电池中存储的电量用于驱动电动螺旋桨工作。
10.进一步地，lng燃料电池反应器和直流发电机所产生的电力均存储到储能电池中。
11.进一步地，在lng储液罐和lng低压汽化器的连接管路上设有lng阀门。
12.进一步地，在lng低压汽化器与lng燃料电池反应器间设有再热器。
13.有益效果：
14.1、本技术公开的船用电力推进系统分别以lng燃料电池反应器和直流发电机作为主要电力来源，构建了一个纯电力的供电系统，相比于依托固相氧化物燃料构建的推进系统而言，该系统可最大化地发挥出液化天然气本身的清洁优势，降低系统对环境的污染，有效解决海上污染物的排放问题；
15.2、本技术在利用lng冷能降低朗肯循环低温端温度的同时，还利用lng燃料电池反应器的品位余热提升朗肯循环高温端的温度，继而明显增大了朗肯循环高低温端势能差，可有效提升朗肯循环效率；
16.3、朗肯循环高低温端的势能差是基于对lng冷能的利用和反应器余热的利用实现的，实现了lng冷能利用的最大化，因而该系统具有明显的节能性和经济性；
17.4、本技术公开的电力推进系统中储能电池存储的电力同时来自于朗肯循环中直流电机产生的电能和lng燃料电池反应器产生的电能，两端供电既实现了电力存储的最大化，又能为船用电力的供应提供双重的保障。
附图说明
18.图1是一种基于lng的船用电力推进系统的系统结构图；
19.其中，11-lng储液罐，12-lng低压汽化器，13-lng燃料电池反应器，14-lng阀门，15-再热器；
20.21-换热器一，22-工质泵，23-换热器二，24-汽轮机，25-直流发电机；
21.31-储能电池，32-电动螺旋桨。
具体实施方式
22.下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
23.实施例1、一种基于lng的船用电力推进系统
24.为了进一步增强对lng冷能和系统品位余热的利用，便于充分提高朗肯循环的效率，进而有效提升船用电力推进系统的经济性和节能性，本实施例中公开一种基于lng的船
用电力推进系统，包括lng发电模块、朗肯循环模块和电推模块，通过三个模块的配合实现系统的优化。
25.lng发电模块包括顺次相接的lng储液罐11、lng低压汽化器12和lng燃料电池反应器13，lng储液罐11中存储的液态天然气进入lng低压汽化器12低压气化，汽化后形成的气态天然气经过管路被送往lng燃料电池反应器13以将天然气的化学能转化为电能，完成lng燃料电池的发电过程。
26.朗肯循环模块包括换热器一21、工质泵22、换热器二23和汽轮机24，朗肯循环发电模块中流动的介质依次在工质泵22、换热器二23、汽轮机24和换热器一21间循环流动，完成机械功的收集，汽轮机24与直流发电机25连接实现朗肯循环的发电过程。
27.换热器一21与lng低压汽化器12间构建换热循环，用以将lng低压汽化器12中的冷能与朗肯循环模块中流动的介质进行热交换，降低流至换热器一21处的介质温度；在lng燃料电池反应器13与换热器二23间也构建有一个换热循环，用以将lng燃料电池反应器13反应过程中产生的品位余热与朗肯循环模块中流动的介质进行热交换，提高流至换热器二23处的介质的温度；这样设计可以有效增大朗肯循环高低温端势能差，提升朗肯循环效率，且温差的构成是基于对lng冷能的利用和反应器余热的利用实现的，所以具有明显的节能性和经济性。
28.电推模块包括储能电池31和电动螺旋桨32，储能电池31中存储的电量用于驱动电动螺旋桨32工作；lng燃料电池反应器13和直流发电机25所产生的电力均存储到储能电池31中共同作为电动螺旋桨32的动力源，两端电力共同供应可实现电力存储的最大化。
29.在lng储液罐11和lng低压汽化器12的连接管路上设有控制流量用的lng阀门14，还可在lng低压汽化器12与lng燃料电池反应器13间设置再热器15，再热器15可在气态天然气流至反应器反应前对其温度进行可控调节。
30.本系统中所用到的各电性元件均与主控制器电性连接便于通过主控制端进行整体调控，以提高运行过程的流畅性，所用lng阀门14也为电子阀门，便于通过主控制器对阀门开度进行调节。
31.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于lng的船用电力推进系统，其特征在于，包括lng发电模块、朗肯循环模块和电推模块；lng发电模块包括顺次相接的lng储液罐、lng低压汽化器和lng燃料电池反应器；朗肯循环发电模块中流动的介质依次在工质泵、换热器二、汽轮机和换热器一间循环流动，完成机械功的收集，汽轮机与直流发电机连接进行发电；lng燃料电池反应器和直流发电机均与电推模块连接以进行电力存储；换热器一与lng低压汽化器间、lng燃料电池反应器与换热器二间分别构建一个换热循环通路用以增大朗肯循环模块高低温端的势能差。2.如权利要求1所述的一种基于lng的船用电力推进系统，其特征在于，换热器一与lng低压汽化器间构建的换热循环用以将lng低压汽化器中的冷能与朗肯循环模块中流动的介质进行热交换，降低流至换热器一处的介质温度。3.如权利要求1所述的一种基于lng的船用电力推进系统，其特征在于，lng燃料电池反应器与换热器二间构建的换热循环用以将lng燃料电池反应器反应过程中产生的品位余热与朗肯循环模块中流动的介质进行热交换，提高流至换热器二处的介质的温度。4.如权利要求1所述的一种基于lng的船用电力推进系统，其特征在于，电推模块包括储能电池和电动螺旋桨，储能电池中存储的电量用于驱动电动螺旋桨工作。5.如权利要求4所述的一种基于lng的船用电力推进系统，其特征在于，lng燃料电池反应器和直流发电机所产生的电力均存储到储能电池中。6.如权利要求1所述的一种基于lng的船用电力推进系统，其特征在于，在lng储液罐和lng低压汽化器的连接管路上设有lng阀门。7.如权利要求1所述的一种基于lng的船用电力推进系统，其特征在于，在lng低压汽化器与lng燃料电池反应器间设有再热器。

技术总结
本发明公开一种基于LNG的船用电力推进系统，属于船舶控制技术领域，系统中的LNG发电模块用于将低压汽化后的LNG反应器反应发电；朗肯循环发电模块中流动的介质依次在工质泵、换热器二、汽轮机和换热器一间循环流动，完成机械功的收集，汽轮机与直流发电机连接进行发电；LNG燃料电池反应器和直流发电机均与电推模块连接以进行电力存储；换热器一与LNG低压汽化器间、LNG燃料电池反应器与换热器二间分别构建一个换热循环通路用以增大朗肯循环模块高低温端的势能差。该系统作为纯电系统充分体现了清洁能源的环保优势，且提出的利用LNG冷能和反应余热来提高朗肯循环效率的思路使得系统的经济性、节能性均得到了综合提升。节能性均得到了综合提升。节能性均得到了综合提升。


技术研发人员：仇程慧 袁小璐 杨家铭 吴重天 吴林煦 蔡玉飞 陈育平 施红
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/3/21