一种面向LNG-IHES的全船冷热能梯级调度系统及方法

一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度系统及方法
技术领域
1.本发明涉及lng动力船舶技术领域，尤其涉及一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度系统、方法、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.当前越来越多船舶将液化天然气（lng）作为船舶燃料，推广lng动力船舶成为国家重点任务。船舶能效规则及船舶污染物排放要求日趋严格，船用燃料油价格不断上涨，各国航运业正面临巨大挑战，寻找代用燃料作为船舶燃料成为各国船舶研究的重心。
3.lng是国家优先推广的清洁能源，据计算，完全以lng为燃料的发动机，其氮氧化物的排放量约为柴油发动机的25%，碳氢化合物的排放量约为30%，碳氧化合物的排放量约为12%，硫化物排放量为0%，颗粒物的排放量几乎为零。因此将lng替代燃油作为船舶动力燃料从而优化能源结构、节能减排、防治大气污染的措施日益受到青睐。
4.内河lng动力船在近十几年得到迅速发展，发展前景广阔。我国河川水资源丰富，大江大河横跨东西，主要支流南北延伸，水网地区河道密布，使得内河航运规模不断增大，发展质量不断提升。为响应国家号召减少排放和污染，内河船舶将lng作为船舶燃料已成大势所趋。
5.对于已有内河lng动力船舶而言，存在几大问题成待解决：(1) 虽然lng作为燃料相比柴油等更绿色低碳且具有更高的经济效益，但内河船舶动力装置如果完全以lng作为单一能量来源，极可能存在燃烧不充分、动力响应慢等问题。
6.(2) 由于内河航道蜿蜒崎岖，并且在实际运行过程中需面临众多复杂工况，使得发动机难以长时间保持高效率运行，排放不降反升。
7.(3)将lng作为燃料时，lng需要释放出830~860kj/kg的冷能汽化到主机所需温度后才能使用，假设这部分能量完全转化为电力，则一吨lng可利用的冷能折合电量约为231kwh，可见其中蕴含的能量十分巨大。大部分的内河lng动力船利用汽化器汽化lng，忽略了lng汽化所释放的这部分冷能，造成了大量高品质冷能的耗散，使得能量利用率降低。另一方面，发动机高温烟气和冷却介质携带了大量高品质热能，约占整个能源系统的50%。这些能量不仅没能得到合理利用，而且还会对环境造成污染。


技术实现要素：

8.有鉴于此，有必要提供一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度系统、方法、电子设备及存储介质，用以解决lng动力船舶中能源无法有效利用的问题。
9.为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：第一方面，本发明提供一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度系统，包括：产能模块、用能模块以及与产能模块、用能模块相连接的集散中心；所述产能模块用以释放能量；
所述用能模块用以接收能量；所述集散中心用以接收所述产能模块释放的能量、并将能量按照温度梯度分区储存，所述集散中心根据所述用能模块的能量需求所处的温度梯度，将能量供给给所述用能模块。
10.在其中一些实施例中，所述产能模块包括船舶上的各个产能设备，所述产能模块释放的能量为各个产能设备在运行的过程中，所需释放的热能以及冷能。
11.在其中一些实施例中，所述用能模块包括船舶上的各个用能设备，所述用能模块接收的能量为各个用能设备在运行的过程中，所需接收的热能以及冷能。
12.在其中一些实施例中，所述集散中心具有多个能量储存区域，多个所述能量储存区域的温度呈阶梯分布，多个能量储存区域用以释放或接收对应温度的热能以及冷能。
13.在其中一些实施例中，相邻两个所述能量存储区域之间可实现温度互补。
14.在其中一些实施例中，所述集散中心通过相变材料释放或接收热能以及冷能。
15.在其中一些实施例中，所述产能模块以及所述用能模块通过换能设备与所述集散中心连接，以实现能量的传递。
16.第二方面，本发明还提供一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法，适用于如上所述的面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度系统，还包括以下步骤；获取全船产能设备的能量释放数据，以及全船的各个用能设备的能量需求数据，其中，所述能量释放数据按照温度梯度被划分为多个区间；根据所述能量释放数据以及所述能量需求数据，建立能量供给策略，其中，所述能量供给策略用于根据各个用能设备的能量需求数据所处的温度梯度，将能量供给给各个用能设备。
17.第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括：处理器和存储器；所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法中的步骤。
18.第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法中的步骤。
19.与现有技术相比，先建立基于温度梯度的集散中心，集散中心具有能够储存不同温度的区间，多个不同温度的区间形成阶梯式的分布，船舶上的目标装置在工作的过程中，存在释放的热能或冷能、以及吸收热能或冷能的需求，通过集散中心，实现不同装置之间的热能和冷能之间的互换，集散中心起到承接转换的功能，提高了能源的利用率，例如液化天然气（lng）汽化时，需要吸收热量，此时可通过集散中心将空调等装置释放的热量转送至液化天然气的汽化室，从而实现船舶上多个装置工作时的能源互不过程，集散中心对上述能源进行阶梯制管理，使多个装置之间的能源转换相匹配，提高能源转化的匹配度，进一步提高了能源利用率。
附图说明
20.图1为本发明提供的一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度系统的一实施例的
示意图；图2为本发明提供的一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度系统中全船冷热能具体等级划分方法图；图3为本发明提供的一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法的一实施例的流程图；图4为本发明提供的一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度程序的一实施例的运行环境示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
22.lng-ihes是lng-inland hybrid electric ship的英文缩写的，指代面向内河液化天然气的混合动力船舶。由于内河航道通常蜿蜒崎岖，并且在实际运行过程中需面临众多复杂工况，使得发动机难以长时间保持高效率运行，排放不降反升。
23.针对于此，本发明实施例提供一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度系统、方法、电子设备及存储介质，以解决上述问题，有效提高内河液化天然气混合动力船舶lng冷能、冷却水热能与废气热能的利用效率以及降低能耗，带来可观经济效益。
24.本发明实施例提供一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度系统，如图1所示，包括产能模块、用能模块以及与产能模块、用能模块相连接的集散中心；所述产能模块用以释放能量；所述用能模块用以接收能量；所述集散中心用以接收所述产能模块释放的能量、并将能量按照温度梯度分区储存，所述集散中心根据所述用能模块的能量需求所处的温度梯度，将能量供给给所述用能模块。
25.其中，所述产能模块包括船舶上的各个产能设备，所述产能模块释放的能量为各个产能设备在运行的过程中，所需释放的热能以及冷能。
26.其中，所述用能模块包括船舶上的各个用能设备，所述用能模块接收的能量为各个用能设备在运行的过程中，所需接收的热能以及冷能。
27.需要说明的是，上述所阐述的“热能”指代船舶上的装置在工作过程中，所要释放的热量，相反，“冷能”指代船舶上的装置在工作过程中，所释放的冷量。
28.为了便于理解，对“冷能”的含义做进一步的说明，以lng发动机的工作为例，在lng发动机工作的过程中，需要往lng发动机注入汽化的天然气，然而，船舶上存放的是液态的天然气，液态天然气在送入lng发动机前需要汽化处理，以提高天然气的利用率，液态天然气汽化需要吸收大量的热能，此时，周围的环境温度降低，通过集散中心可将驱使环境降低的能量收集起来，即将冷能收集起来。
29.在一些实施例中，所述集散中心通过相变材料释放或接收热能以及冷能。当然，在其它一些实施例中，集散中心还可以采用其它形式的结构来实现收集热能或冷能的功能。
30.其中，所述集散中心具有多个能量储存区域，多个所述能量储存区域的温度呈阶梯分布，多个能量储存区域用以释放或接收对应温度的热能以及冷能。
31.在一些优选的实施例中，所述产能模块以及所述用能模块通过换能设备与所述集散中心连接，以实现能量的传递。
32.在进一步优选的实施例中，相邻两个所述能量存储区域之间可实现温度互补一，以提高整个集散中心bd1的稳定性。
33.在一些实施例中，所述产能模块包括lng储罐2、温差发电机9、lng换热器7、lng发动机1、废气换热器8、冷却水库3、管壳式换热器5、若干电磁阀（v1、v2、v3、v4、v5、v6、v7）、水泵（p1、p2、p3、p4）、流量计a以及温度传感器b，即图4中所示的管路i、iii、iv、v、vi、vii、viii。
34.在一些实施例中，所述集散中心还包括储能设备10，其中，所述储能设备10为储存电能的设备。
35.在一些实施例中，本实施例中的所述用能模块包括中央空调df1、冷库12、冰库13、干冰制造器14、生活用水系统（图中未示）、若干电磁阀（v1、v2、v3、v4、v5、v6、v7）、水泵（p1、p2、p3、p4）、流量计a和温度传感器b，即图4中所示的管路ix、x、xi、xii、xii、xiii、xiv。
36.下面对各个管路中的输送介质进行介绍，本实施例中的管路i中是lng，管路iii中是经温差发电机9和lng换热器7后的天然气输送管路，管路iv中为循环冷却水，管路v中为高温废气，管路xiv中为空气，其余管路中均为冷媒r22（即为相变材料）。
37.本发明实施例在实现将能量储存至集散中心bd1的过程中，具有以下过程，所述管路i中lng经过温差发电后到达lng换热器7，与冷媒r22换热气化，最终抵达lng发动机1，而lng换热器7中的冷媒r22则携带能量通过管路viii进入到集散中心bd1中，所述管路v中高温废气从lng发动机1中排出regr系统4中处理后再到废气换热器8进行换热再回到lng发动机1，而废气换热器8中另一冷媒r22则携带能量通过管路vii进入到集散中心bd1中，所述管路iv中冷却水从冷却水库3中排出冷水，冷却完lng发动机1后进入管壳式换热器5中流出为冷水进入冷却水库3形成循环冷却水，而管壳式换热器5另一方冷媒r22则携带能量通过管路vii进入到集散中心bd1中，从而实现储存能量的目的。
38.本发明实施例中的所述集散中心bd1在收集好上述情况得到的能量后，根据温度与全船能量的均衡程度自行分配，实现集散中心bd1内部换热。
39.在一些实施例中，所述管路ix、x、xi、xii、xii、xiii、xiv除由于目的不一换热介质不同外，换热模式相同，以ix与xiv为例描述，假设全船目前需要制冷，-20℃的冷媒r22从集散中心bd1通过水泵p4和电磁阀v7的作用到达管壳式换热器6，换热后的r22温度升高到约0℃重新进入到集散中心bd1中，而管壳式换热器6另一管路xiv中空气由常温32℃降为20℃，从而实现空调降温。
40.在一些实施例中，所述管路x和xi与冷库12和冰库13的换热介质为乙二醇，所述管路xii与干冰制造器14换热介质为乙二醚，所述管路xiii与生活用水的换热介质为水。
41.在一些实施例中，上述管路均布置有电磁阀、水泵、流量计和温度传感器，从而形成自感控一体化的控制系统，且其所监测的数据均可上传至人机交互系统，以实现对管路的实时监控，来保证每条管路的工况均符合要求。
42.在一些实施例中，为了应对在lng动力船舶停靠码头、维修等情况下无lng冷能利用或发动机未启动，船舶上拥有一套普通系统，用于在lng冷能、冷却水热能和废气热能不足时与本发明用于内河lng船舶系统冷热能利用装置配合使用。
43.本发明实施例中的regr系统4（即废气重整再循环系统）将废气进行处理得到需要的氢气等气体，且处理过程需要高温环境。
44.本发明实施例中的管壳式换热器5通过冷却水库3与lng发动机连接，其中，所述冷却水库3中的水源来自于海水，通过水泵补充水源，将lng发动机1的高温冷却水进行闭式循环换热后，可继续冷却lng发动机，同时，管壳式换热器5与集散中心bd1连接。
45.本发明实施例中的废气换热器8与lng发动机1以及regr系统4连接，通过废气换热器8对regr系统4提供高温环境，同时连接集散中心bd1，将多余热量通过冷媒r22收集至集散中心bd1中。
46.其中，中央空调df1、冷库12、冰库13、干冰制造器14和生活用水系统则是冷能和热能所利用的地方，均可通过管壳式换热器6进行能量传递，从而实现中央空调df1的制冷与制热、冷库12和冰库13制冷以及干冰制造器14制作干冰的工作。
47.在一个优选的实施例中，根据船舶上不同设备所需温度进行分级，将其分为五个等级，如图2所示，在本发明中所述中央空调为10~30℃，冷库为0~10℃，冰库为-30~0℃，干冰制造器为-60~-40℃，生活用水系统为20-100℃，regr系统高温环境为300-500℃，温差发电为-100~-50℃，进一步地将集散中心分为五个等级，即一级为-100~-40℃（一般为-60℃），二级为-40~0℃（一般为-25℃），三级为0-50℃（一般为25℃），四级为50~200℃（一般为100℃），五级为大于200℃（一般为350℃）。
48.与现有技术相比：1）针对高品质冷热能浪费的问题，通过综合分析lng-ihes不同温度区间的能量储存区域，基于“温度对口，梯级利用”的原则，收集lng-ihes所产生不同温度梯度的冷热能，构建多负荷的冷热能梯级调度系统，实现高品质冷热能梯级管理与再利用，降低船舶运行成本，提高船舶运行经济性。
49.2）通过使用lng燃料作为主要能量来源，从根源上实现了全船脱硫，又由于lng燃料本身具有制冷效益，将其直接作为一种制冷剂/载冷剂与需要制冷或散热的地方连用，既省去了lng转为燃料供发动机使用时需要的蒸发器，又省去了大量需要制冷的设备。
50.3）加入了rege装置，将lng燃料发动机的尾气进一步净化的同时改善了发动机缸内燃烧条件，避免了lng燃料单独作为发动机燃料带来的诸如响应慢等一系列问题，然后利用lng燃料作为尾气处理装置，将尾气中的氮氧化物进行还原，有望使发动机实现近零排放。
51.本发明实施例提供一种面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法，如图3所示，包括如下步骤：s100、获取全船产能设备的能量释放数据，以及全船的各个用能设备的能量需求数据，其中，所述能量释放数据按照温度梯度被划分为多个区间；s200、根据所述能量释放数据以及所述能量需求数据，建立能量供给策略，其中，所述能量供给策略用于根据各个用能设备的能量需求数据所处的温度梯度，将能量供给给各个用能设备。
52.本实施例中，根据全船产能设备所释放的能量建立能量释放数据，同时根据全船的各个用能设备的能量需求建立能量需求数据，根据能量释放数据按照温度梯度进行分区，根据分区进行存储，同时按照能量供给策略，对各个用能设备的能量需求数据所处的温度梯度，将能量供给给各个用能设备。
53.基于上述面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法，本发明还提供一种计算机可
读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法中的步骤。
54.如图4所示，基于上述面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法，本发明还相应提供了一种电子设备，该电子设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该电子设备包括处理器01、存储器02及显示器03。仅示出了电子设备的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件，以实现如上所述的面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法中的步骤。
55.存储器02在一些实施例中可以是该电子设备的内部存储单元，例如电子设备的硬盘或内存。存储器02在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储设备，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡（smart media card， smc），安全数字（secure digital， sd）卡，闪存卡（flash card）等。进一步地，存储器02还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器02用于存储安装于电子设备的应用软件及各类数据，例如安装电子设备的程序代码等。存储器02还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器02上存储有面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度程序04，该面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度程序04可被处理器01所执行，从而实现本发明各实施例的面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法。
56.处理器01在一些实施例中可以是一中央处理器（central processing unit， cpu），微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器02中存储的程序代码或处理数据，例如执行面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法等。
57.显示器03在一些实施例中可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled（organic light-emitting diode，有机发光二极管）触摸器等。显示器03用于显示在所述面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备的部件10-30通过系统总线相互通信，以实现如上所述的面向lng-ihes的全船冷热能梯级调度方法中的步骤。
58.当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件（如处理器，控制器等）来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
59.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。