一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统技术方案

本发明专利技术的目的在于提供一种带PTI‑PTO的气电混联式船舶混合动力系统，包括气体机、发电机、电动机、蓄电池、燃料电池、离合器、齿轮箱、螺旋桨、天然气存储供给装置、变电装置、岸电装置、船舶电网、船舶负载。气体机输出端通过离合器与齿轮箱输入端相连，PTI电动机和PTO发电机分别通过离合器与齿轮箱输出端相连，电力源为蓄电池、PTO发电机和燃料电池。本发明专利技术采用多样化的能量布置形式，通过离合器的断开和闭合可实现多种工作模式，可以满足船舶在各种环境和工况下的需求，可以使气体机、电动机始终维持在高效率区，降低了气体机的燃料消耗和排放，同时改善了船舶的动力响应，并扩大了船舶的适航区域。

A Pneumatic-Electric Hybrid Ship Power System with PTI-PTO

The object of the present invention is to provide a pneumatic-electric hybrid power system for ships with PTI PTO, including a gas engine, a generator, a motor, a storage battery, a fuel cell, a clutch, a gear box, a propeller, a natural gas storage and supply device, a power transformer, a shore power device, a ship power grid and a ship load. The output end of the gas engine is connected with the input end of the gear box through the clutch. The PTI motor and the PTO generator are connected with the output end of the gear box through the clutch respectively. The power source is the battery, the PTO generator and the fuel cell. The invention adopts a variety of energy arrangement forms, realizes various working modes through the opening and closing of clutch, meets the needs of ships in various environments and working conditions, keeps gas engines and motors in a high efficiency area, reduces fuel consumption and emissions of gas engines, improves the dynamic response of ships, and enlarges the seaworthiness area of ships.

【技术实现步骤摘要】
一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统
本专利技术涉及的是一种船舶动力系统，具体地说是船舶混合动力系统。
技术介绍
随着国际油价快速上涨，以及越来越严格的排放法规的实施，这就对船舶的经济性和排放性提出了更高的要求，节能减排已经成为国民经济发展中的重要任务。船舶是高能耗的运输工具，其节能减排技术成为大家关注和研究的热点之一。作为未来的环境战略，我们以减少能源消耗和减少CO2、SOx、NOx及PM排放为目标。有许多方法可以减少船舶的污染和排放，其中最好的方法是利用替代能源。天然气作为发动机的燃料是未来船舶发动机发展的必然趋势，天然气有着绿色环保、经济实惠、安全可靠的优点。但受现阶段天然气发动机技术水平不高的限制，天然气发动机存在动力响应性差、功率不足等缺点。纯电动船舶电力推进系统是未来船舶技术研究的前沿，具有良好的经济性、操纵性、安全性、低噪声以及低污染等优点。然而，受发电方式、功率密度以及储能技术的影响，现阶段的纯电动船舶并不能达到高性能的速度、加速度和自控性，其续航能力也受其电池容量制约。混合动力船舶兼有内燃机推进船舶和纯电力推进船舶的优点：相比于内燃机推进船舶，可根据负荷大小选择工作模式，保证所有工况下的燃油经济性，冗余性好；相比于纯电力推进船舶，初期投入成本低，且续航能力强。船舶的混合动力技术，解决能源问题与技术不成熟之间矛盾，实现了燃料的高效利用，为船舶从传统的机械式推进过渡到纯电力推进提供了可行性方案，因此，发展混合动力船舶具有非常重大的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供改善船舶的动力性、经济性和排放性的一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括气体机、PTI电动机、PTO电动机、齿轮箱、LNG储液罐，齿轮箱包括第一-第四齿轮，第二齿轮分别与第一齿轮和第三齿轮啮合，第四齿轮与第五齿轮啮合，第二齿轮与第四齿轮同轴，PTI电动机通过第一离合器连接齿轮箱的第一齿轮，气体机通过第二离合器连接齿轮箱的第四齿轮，PTO电动机通过第三离合器连接齿轮箱的第五齿轮，螺旋桨连接齿轮箱的第三齿轮；LNG储液罐通过气化换热装置分别连接气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池和PTO发电机分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置、船舶负载连接船舶电网。本专利技术还可以包括：1、采用机械推进模式，所述机械推进模式包括气体机推进模式、气体机+PTO推进模式；气体机推进模式：第二离合器闭合，其他离合器断开，PTI电动机电源断开，螺旋桨由气体机驱动；气体机+PTO推进模式：第一离合器断开，第二离合器、第三离合器闭合，气体机驱动螺旋桨的同时带动PTO发电机发电，所发电能汇入船舶电网。2、采用电力推进模式，所述电力推进模式包括蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、混合电推进模式、岸电充电模式；蓄电池推进模式：第一离合器闭合，其它离合器断开，PTI电动机处于工作状态，螺旋桨由PTI电动机驱动，PTI电动机所需电能由蓄电池经过船舶电网提供；燃料电池推进模式：第一离合器闭合，其它离合器断开，PTI电动机处于工作状态，螺旋桨由PTI电动机驱动，PTI电动机所需电能由燃料电池经过船舶电网提供；混合电力推进模式：第一离合器闭合，其它离合器断开，PTI电动机处于工作状态，螺旋桨由PTI电动机驱动，PTI电动机所需电能由蓄电池和燃料电池经过船舶电网提供；岸电充电模式：船舶停靠在港口，由岸电装置对蓄电池进行充电。3、采用混合推进模式，所述混合推进模式包括气体机+PTI推进模式、气体机+PTI-PTO推进模式；气体机+PTI推进模式：第二离合器闭合，其它离合器断开，PTI电动机电源接通，螺旋桨由PTI电动机和气体机共同驱动，PTI电动机电源由船舶电网提供；气体机+PTI-PTO推进模式：所有离合器闭合，PTI电动机电源接通，螺旋桨由PTI电动机和气体机的部分功率共同驱动，PTO发电机由气体机的另一部分功率驱动，PTO发电机所发电能汇入船舶电网，PTI电动机1电能由船舶电网提供。本专利技术的优势在于：本专利技术提出了一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统，设置有气体机、PTI电动机，功率覆盖范围广，可以满足船舶在更多工况下的动力需求，并能使气体机和电动机更好的工作在高效率区，从而降低了气体机的燃料消耗，提高了船舶的经济性和排放性。多种动力源的布置方案提高了船舶的可靠性和适用性，通过离合器的闭合及断开，本专利技术所提供的混合动力系统可以实现多种工作模式，最大限度地提高船舶混合动力系统的效率，可根据实际动力需求和船舶航行环境，选择适合的工作模式。该方案不仅能够满足不同港口和海域的排放标准，还能有效缓解技术不成熟与愈加严格的排放标准之间的矛盾，提高了船舶的经济性和排放性。通过离合器的断开闭合，可以实现PTO发电机和PTI电动机的不同工作模式，增强了系统的动力性能，提高了发电机组的工作效率，PTO发电机可以部分的或者全部的取代船舶电站。电动机具有优秀的动力响应，可以随时的关闭和开启，在船舶变工况时可以迅速的调整动力输出，提高船舶的动力响应、操作性、推进冗余度，减少了系统维护。在电力推进时可以实现大幅度的降噪，增大了船舶的适航区域，提高了船员的生活舒适性。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：结合图1，本专利技术一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统，包括PTI电动机1、离合器2a、2b、2c、齿轮箱3、LNG储液罐4、气化换热装置5、气体机6、燃料电池7、燃料电池变电装置8、船舶电网9、PTO发电机10、PTO发电机变电装置11、螺旋桨12、船舶负载13、蓄电池变电装置14、蓄电池15、岸电装置16。气体机6和PTI电动机输出端通过离合器2b与齿轮箱3的输入端相连，PTO发电机通过离合器2c与齿轮箱3输出端相连，螺旋桨12与齿轮箱3的输出端相连。LNG储液罐4通过气化换热装置5与气体机6、燃料电池7相连。燃料电池7、蓄电池15和PTO发电机10分别通过变电装置8、14、11与船舶电网9相连，岸电装置16、船舶负载13与船舶电网9相连。本实施例中，气体机6优选纯天然气发动机或双燃料发动机，PTO发电机10、PTI电动机1优选具有高效率、高功率密度、寿命长等优点永磁电机，蓄电池15优选功率密度高、体积重量小的磷酸铁锂电池。燃料电池7优选可直接使用天然气作为燃料的固体氧化物型燃料电池，气化换热器5优选具有多级冷能换热的耐超低温换热器。本专利技术的工作模式主要包括机械推进模式，电力推进模式，混合推进模式。1.机械推进模式机械推进模式可分为：气体机推进模式、气体机+PTO推进模式。(1)气体机推进模式：在该种工作模式下，气体机6与齿轮箱间3的离合器2b闭合，其他离合器断开，PTI电动机1电源断开，螺旋桨12由气体机6驱动。(2)气体机+PTO推进模式：在该种工作模式下，气体机6和PTO发电机10与齿轮箱3间的离合器2b、2c闭合，PTI电动机1与齿轮箱3间的离合器2a断开，气体机6驱动螺旋桨12的同时带动PTO发电机10发电，所发电能汇入船舶电网9。2.电力推进模式电力推进模式可分为：蓄电池推进模式、燃料电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带PTI‑PTO的气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括气体机、PTI电动机、PTO电动机、齿轮箱、LNG储液罐，齿轮箱包括第一‑第四齿轮，第二齿轮分别与第一齿轮和第三齿轮啮合，第四齿轮与第五齿轮啮合，第二齿轮与第四齿轮同轴，PTI电动机通过第一离合器连接齿轮箱的第一齿轮，气体机通过第二离合器连接齿轮箱的第四齿轮，PTO电动机通过第三离合器连接齿轮箱的第五齿轮，螺旋桨连接齿轮箱的第三齿轮；LNG储液罐通过气化换热装置分别连接气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池和PTO发电机分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置、船舶负载连接船舶电网。

【技术特征摘要】
1.一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：包括气体机、PTI电动机、PTO电动机、齿轮箱、LNG储液罐，齿轮箱包括第一-第四齿轮，第二齿轮分别与第一齿轮和第三齿轮啮合，第四齿轮与第五齿轮啮合，第二齿轮与第四齿轮同轴，PTI电动机通过第一离合器连接齿轮箱的第一齿轮，气体机通过第二离合器连接齿轮箱的第四齿轮，PTO电动机通过第三离合器连接齿轮箱的第五齿轮，螺旋桨连接齿轮箱的第三齿轮；LNG储液罐通过气化换热装置分别连接气体机和燃料电池，燃料电池、蓄电池和PTO发电机分别通过各自的变电装置连接船舶电网，岸电装置、船舶负载连接船舶电网。2.根据权利要求1所述的一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：采用机械推进模式，所述机械推进模式包括气体机推进模式、气体机+PTO推进模式；气体机推进模式：第二离合器闭合，其他离合器断开，PTI电动机电源断开，螺旋桨由气体机驱动；气体机+PTO推进模式：第一离合器断开，第二离合器、第三离合器闭合，气体机驱动螺旋桨的同时带动PTO发电机发电，所发电能汇入船舶电网。3.根据权利要求1或2所述的一种带PTI-PTO的气电混联式船舶混合动力系统，其特征是：采用电力推进模式，所述电力推进模式包括蓄电池推进模式、燃料电池推进模式、混合电推进模式、岸电充电模式；蓄电池推进模式：第一离合器闭合，其它离合器断开，PTI电动机处于工作状态，螺旋桨由PTI电动机驱动，PTI电动机所需电能由蓄电池经过船舶电网提供；燃料电池推进模式：第一离合器闭合，其它离合器断开，PTI电动机处于工作状态，螺旋桨由PTI电动机驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：范立云，肖朝辉，卢耀文，鲁仲阳，鲁宏伟，顾远琪，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23