一种储能式船舶自流冷却系统的制作方法

本发明涉及船舶冷却系统设计领域，特别是涉及一种储能式船舶自流冷却系统。

背景技术：

通海系统是船舶的重要系统之一，用于将蒸汽动力系统、柴油机等船舶动力系统和船内设备运行产生的热量传递给冷却水并排出船外。随着现代船舶逐渐向低能耗、经济性、舒适性等方向发展。为降低泵功损耗，提高能量效率，减少振动噪声，研究人员提出了船舶自流冷却技术，即通过在舷外通海系统入口处设置自流发生器，利用船舶航行的迎流动压克服系统内流动阻力，实现一定船舶航速区间内冷却水的无泵驱动。

系统在自流状态下，冷却水泵切断驱动能源，在冷却水冲击作用下随转。采用泵流供水时，需要调节驱动能源的输入改变冷却水泵转速，使冷却水流量与换热需求相匹配。而在自流航速区间内，自流流量一般要高于换热所需的冷却水量，容易导致船内工作介质过冷。根据流体力学原理，要使自流流量与需求的冷却水量相等，需增加通海系统的流动阻力，且阻力能随船舶航行工况进行调节。而现有技术中的自流流量控制方案一般是在通海管路中增加阻力调节装置或自流口调节装置。其中，被动式调节装置仅能随船舶航速调节，不能根据冷却水温进行调节，主动式调节装置则需要新增其它机械控制结构，整体结构复杂，可靠性差。

技术实现要素：

鉴于上述技术缺陷和应用需求，在不增加其它阻力调节装置的基础上，本发明实施例提供一种储能式船舶自流冷却系统，能够在海水冷却子系统处于泵流状态时以及自流状态时，有效实现冷却系统流量的自动调节。

为解决上述问题，本发明提供一种储能式船舶自流冷却系统，包括：

海水冷却子系统和供电与发电储能子系统；所述海水冷却子系统包括冷却水泵；

所述供电与发电储能子系统包括：供电开关、储能电路、变频器和控制器；所述冷却水泵设有电动状态和发电状态；

所述储能电路与所述变频器的输出端电性连接，船舶电网依次通过所述供电开关、所述变频器与所述冷却水泵电性连接；所述控制器的控制端分别与所述变频器和所述冷却水泵电性连接，以控制所述冷却水泵运行在电动状态或发电状态，并在所述冷却水泵运行在发电状态时，调整所述储能电路的充电功率。

进一步地，所述变频器还包括：整流器、斩波器、逆变器和滤波电容；

所述船舶电网依次通过所述供电开关、所述整流器和所述逆变器与所述冷却水泵电性连接，所述滤波电容并联在所述整流器与所述逆变器之间；所述斩波器和所述储能电路电连接，连接形成的电路并联在所述整流器与所述逆变器之间。

进一步地，所述变频器还包括：第一直流母线和第二直流母线；

所述整流器的第一端通过所述第一直流母线与所述逆变器的第一端电性连接，所述整流器的第二端通过所述第二直流母线与所述逆变器的第二端电性连接；所述滤波电容电性连接在所述第一直流母线和所述第二直流母线上；所述斩波器和所述储能电路电连接，连接形成的电路并联所述第一直流母线和所述第二直流母线上。

进一步地，所述储能电路包括：充电开关、转换器和蓄电池；

所述斩波器、所述充电开关、所述转换器和所述蓄电池依次电性连接，连接形成的电路并联所述第一直流母线和所述第二直流母线上。

进一步地，所述斩波器为igbt斩波器，所述转换器为dc/dc转换器。

进一步地，所述海水冷却子系统包括：依次连通的冷却水入口、冷却水泵、冷却器和冷却水出口；所述船舶电网依次通过所述变频器与所述冷却水泵电性连接。

进一步地，所述海水冷却子系统还包括：入口舷侧阀和出口舷侧阀；

所述入口舷侧阀安装在所述冷却水入口和所述冷却水泵之间；所述出口舷侧阀安装在所述冷却器和所述冷却水出口之间。

进一步地，所述冷却水泵为轴流式冷却水泵或离心式冷却水泵。

进一步地，所述冷却器为管壳式换热器，管侧为冷却水，壳侧为要冷却工质。

进一步地，所述冷却水泵为交流电机，以通过所述冷却水泵内部的功率转换开关控制所述冷却水泵运行在电动状态或发电状态。

本发明提供的储能式船舶自流冷却系统，通过设置海水冷却子系统和供电与发电储能子系统，将船舶电网依次通过供电开关、变频器与冷却水泵电性连接，将控制器的控制端分别与变频器和冷却水泵电性连接，以控制冷却水泵运行在电动状态或发电状态，并在冷却水泵运行在发电状态时，调整储能电路的充电功率。使得该海水冷却子系统处于泵流状态时，能够直接通过变频器调节水泵转速和流量。而在海水冷却子系统处于自流状态时，能够利用水轮机原理发电储能，通过控制充电功率控制冷却水泵转速，使自流流量调整至需求冷却水量，有效实现冷却系统流量的自动调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的储能式船舶自流冷却系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的变频器和储能电路的结构示意图；

附图标记说明：1、冷却水入口；2、入口舷侧阀；3、冷却水泵；4、变频器；5、冷却器；6、控制器；7、供电开关；8、充电开关；9、转换器；10、蓄电池；11、出口舷侧阀；12、冷却水出口；41、整流器；42、第一直流母线；43、逆变器；44、滤波电容；45、斩波器；46、第二直流母线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

从抽水蓄能电站的工作原理可知，水泵水轮机组以水泵方式工作时叶片反转，耗电抽水蓄能，以水轮机方式工作时叶片正转，发出电力，前者与电动冷却水泵泵流状态一致，后者与自流状态较为类似，所不同的是通海系统来流方向始终相同，且自流时处于空载状态。如果让冷却水泵以水轮机形式工作，利用冷却水泵自身来调节通海系统阻力，则不需要额外增加阻力调节装置。

由此本发明实施例提供一种储能式船舶自流冷却系统，如图1所示，该储能式船舶自流冷却系统包括：海水冷却子系统和供电与发电储能子系统。

海水冷却子系统包括冷却水泵3。供电与发电储能子系统包括：供电开关7、变频器4和控制器6。变频器4包括储能电路；冷却水泵3设有电动状态和发电状态；船舶电网依次通过供电开关7、变频器4与冷却水泵3电性连接；控制器6的控制端分别与变频器4和冷却水泵3电性连接，以控制冷却水泵3运行在电动状态或发电状态，并在冷却水泵3运行在发电状态时，调整储能电路的充电功率。

其中，控制器6接收船舶传感器输入信号，用于控制冷却水泵3以及变频器4。

本实施例提供的储能式船舶自流冷却系统具体运行方式为：

船舶航行过程中，冷却水流过海水冷却子系统带走船内热量，并有泵流和自流两种供水方法。在自流航速区间内，自流流量能够完全满足冷却水量需求，多余水量导致船内工作介质过冷。所需的冷却水量主要由航行工况即航速和冷却水温度决定，自流水量则由航速所决定。通过本发明提出的一种储能式船舶自流冷却系统使通过通海系统的实际冷却水流量与冷却所需水量向匹配。

当船舶航行在泵流区间时，供电开关7闭合，储能电路断开，控制器6控制冷却水泵3电机处于电动状态，电机转速和转矩均为正，从船舶电网吸取电能驱动冷却水泵3转动，获得所需的冷却水流量。

当船舶航行在自流区间时，供电开关7断开，储能电路连通，控制器6控制冷却水泵3电机处于发电状态，即电机转速为正，转矩为负，自流冷却水带动冷却水泵3叶轮转动，使其处于水轮机状态，带动冷却水泵3电机发电，向储能电路充电。

船舶控制中心通过监测船舶换热工作介质温度、流量等信号来计算当前冷却水流量是否满足冷却需求，将控制信号传输给控制器6。

当船舶航速处于泵流区间时，如果冷却水流量等于换热所需流量，冷却水泵3转速不变。如果冷却水流量高于换热所需流量，控制器6控制变频器4，使冷却水泵3电机和叶轮转速下降，从而冷却水流量下降；如果冷却水流量低于换热所需流量，控制器6控制变频器4，使冷却水泵3电机和叶轮转速上升，从而冷却水流量上升。

当船舶航速处于自流区间时，如果冷却水流量等于冷却所需流量，冷却水泵3转速不变；如果冷却水流量高于换热所需流量，控制器6控制变频器4，储能电路充电功率增大，对冷却水泵3的制动转矩增大，从而水泵叶轮转速下降，冷却水流量下降；如果冷却水流量低于换热所需流量，控制器6控制变频器4，储能电路充电功率减小，对冷却水泵3的制动转矩减小，从而水泵叶轮转速上升，冷却水流量上升。

本发明实施例提供的储能式船舶自流冷却系统，通过设置海水冷却子系统和供电与发电储能子系统，将船舶电网依次通过供电开关、变频器与冷却水泵电性连接，将控制器的控制端分别与变频器和冷却水泵电性连接，以控制冷却水泵运行在电动状态或发电状态，并在冷却水泵运行在发电状态时，调整储能电路的充电功率。使得该海水冷却子系统处于泵流状态时，能够直接通过变频器调节水泵转速和流量。而在海水冷却子系统处于自流状态时，能够利用水轮机原理发电储能，通过控制充电功率控制冷却水泵转速，使自流流量调整至需求冷却水量，有效实现冷却系统流量的自动调节。

基于上述实施例，在本发明提供的另一实施例中，如图1和图2所示，变频器4优先采用电压源型变频器，其谐波较电流源型变频器小，包括：整流器41、斩波器45、逆变器43和滤波电容44；船舶电网依次通过依供电开关7、整流器41和逆变器43与冷却水泵3电性连接，滤波电容44并联在整流器41与逆变器43之间；斩波器45和储能电路电连接，连接形成的电路并联在整流器41与逆变器43之间。整流器41用于将船舶电网交流电整流为直流电。逆变器43用于将直流电逆变为电压和频率都可调的交流电。滤波电容44用于滤波获得波形平直的直流电流。

其中，变频器4还包括：第一直流母线42和第二直流母线46；整流器41的第一端通过第一直流母线42与逆变器43的第一端电性连接，整流器41的第二端通过第二直流母线46与逆变器43的第二端电性连接；滤波电容44的两端电性连接在第一直流母线42和第二直流母线46上；斩波器45和储能电路电连接，连接形成的电路并联第一直流母线42和第二直流母线46上。

冷却水泵3电机可选用为交流电机，以通过冷却水泵3内部的功率转换开关控制冷却水泵3运行在电动状态或发电状态。

其中，储能电路包括：充电开关8、转换器9和蓄电池10；斩波器45可选用igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)斩波器。转换器9可选用dc/dc转换器。斩波器45、充电开关8、转换器9和蓄电池10依次电性连接，连接形成的电路并联在第一直流母线42和第二直流母线46上。

控制器6接收船舶传感器输入信号后，对冷却水泵3和变频器4进行控制。一是控制冷却水泵3电机内部的功率转换开关，二是控制逆变器43的输出频率和电压，三是控制斩波器45的导通比。

工作过程中，变频器4通过供电开关7连接船舶电网，首先船舶高压交流电经整流器41整流为直流电，并由滤波电容44滤波获得波形平直的直流电流，然后直流电经直流母线连接到逆变器43，逆变为频率和电压都可调的交流电，实现对冷却水泵3供电的调频调压。第一直流母线42和第二直流母线46间并联的储能电路，由斩波器45连接转换器9和蓄电池10，充电开关8闭合和且斩波器45导通时直流母线向蓄电池10充电。

本实施例中，海水冷却子系统包括：依次连通的冷却水入口1、冷却水泵3、冷却器5和冷却水出口12。船舶电网依次通过变频器4与冷却水泵3电性连接。海水通过冷却水入口1进入海水冷却子系统，依次通过冷却水泵3和冷却器5，从冷却水出口12排出。

冷却水泵3可在船舶全工况范围内工作，在泵流工况下，冷却水泵3以电动状态工作，通过变频器4改变交流电频率，对冷却水泵3的电机和叶轮进行无级调速。在自流工况下，冷却水泵3以发电状态工作，通过改变斩波器45导通比，对充电功率进行控制，进而控制冷却水泵3电机转速，调节自流流量。

其中，冷却水泵3为轴流式冷却水泵或离心式冷却水泵，优先采用轴流式冷却水泵，适用于大流量、低扬程的海水冷却子系统使用环境。冷却器5为管壳式换热器，管侧为冷却水，壳侧为要冷却工质，如蒸汽、滑油、淡水等。

为避免海水冷却子系统发生泄漏时产生不良后果，在该子系统中设置入口舷侧阀2和出口舷侧阀11。入口舷侧阀2安装在冷却水入口1和冷却水泵3之间。出口舷侧阀11安装在冷却器5和冷却水出口12之间。

本实施例提供的储能式船舶自流冷却系统具体运行方式为：

船舶航行过程中，冷却水流过海水冷却子系统带走船内热量，并有泵流和自流两种供水方法。在自流航速区间内，自流流量能够完全满足冷却水量需求，多余水量导致船内工作介质过冷。所需的冷却水量主要由航行工况即航速和冷却水温度决定，自流水量则由航速所决定。通过本发明提出的一种储能式船舶自流冷却系统使通过海水冷却子系统的实际冷却水流量与冷却所需水量向匹配。

当船舶航行在泵流区间时，供电开关7闭合，充电开关8断开，控制器6控制冷却水泵3电机处于电动状态，即电机转速和转矩均为正，从船舶电网吸取电能驱动冷却水泵3叶轮转动，获得所需的冷却水流量。

当船舶航行在自流区间时，供电开关7断开，充电开关8闭合，控制器6控制冷却水泵3电机处于发电状态，即电机转速为正，转矩为负，自流冷却水带动冷却水泵3叶轮转动，使其处于水轮机状态，带动冷却水泵3电机发电，导通斩波器45，通过转换器9使发电电压满足充电要求，向蓄电池10充电。

船舶控制中心通过监测船舶换热工作介质温度、流量等信号来计算当前冷却水流量是否满足冷却需求，将控制信号传输给控制器6。

当船舶航速处于泵流区间时，如果冷却水流量等于换热所需流量，冷却水泵3转速不变；如果冷却水流量高于换热所需流量，控制器6控制逆变器43输出频率和功率下降，使冷却水泵3电机和叶轮转速下降，从而冷却水流量下降；如果冷却水流量低于换热所需流量，控制器6控制逆变器43输出频率和功率上升，使冷却水泵3电机和叶轮转速上升，从而冷却水流量上升。

当船舶航速处于自流区间时，如果冷却水流量等于冷却所需流量，冷却水泵3转速不变；如果冷却水流量高于换热所需流量，控制器6控制斩波器45导通比增大，充电功率增大，对冷却水泵3的制动转矩增大，从而水泵叶轮转速下降，冷却水流量下降；如果冷却水流量低于换热所需流量，控制器6控制斩波器45导通比减小，充电功率减小，对冷却水泵3的制动转矩减小，从而水泵叶轮转速上升，冷却水流量上升。

综上所述，本发明实施例提供的储能式船舶自流冷却系统，通过设置海水冷却子系统和供电与发电储能子系统，将船舶电网依次通过供电开关、变频器与冷却水泵电性连接，将控制器的控制端分别与变频器和冷却水泵电性连接，以控制冷却水泵运行在电动状态或发电状态，并在冷却水泵运行在发电状态时，调整储能电路的充电功率。使得该海水冷却子系统处于泵流状态时，能够直接通过变频器调节水泵转速和流量。而在海水冷却子系统处于自流状态时，能够利用水轮机原理发电储能，通过控制充电功率控制冷却水泵转速，使自流流量调整至需求冷却水量，有效实现冷却系统流量的自动调节。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。

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