水面蓝藻作业船混合动力系统的制作方法

1.本公开涉及水体治理技术领域，尤其涉及一种水面蓝藻作业船混合动力系统。


背景技术：

2.随着城市规模的不断扩大和经济的高速发展，污染日趋严重，蓝藻水华已经成为最突出的环境问题之一。现有的蓝藻打捞及处理工艺过程包括原位藻水富集、藻浆提升、藻水分离暨藻水同治、藻泥脱水、清水回湖等，各部分分离作业，中间还包括运输、存储等，各部分分散作业，没有形成完整的一体化系统，导致蓝藻打捞及处理整体的成本高，作业效率低。
3.水面蓝藻作业船用于水面蓝藻的打捞和处理，船舶动力系统是整个船舶的心脏，由动力系统提供船舶行驶动力、蓝藻打捞处理的作业电力以及全船其余设备使用电力。
4.研究表明，船舶柴油机大气污染物排放是影响内河港口及沿岸空气质量的重要因素之一，发展内河船舶清洁燃料是解决内河船舶大气污染的重要渠道和未来内河绿色船舶的发展方向。目前采用混合动力的技术采用新能源发电与火力发电结合供电的手段，如采用光伏发电或风力发电与火力发电结合供电，但依然不能实现零排放、零污染，并且混合动力源没有实现在船舶各个运行设备之间的智能切换与调配，导致没有实现能量的最佳利用率和转化率，经济性较低。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本公开实施例提供一种水面蓝藻作业船混合动力系统，该水面蓝藻作业船为完整的一体化系统，将蓝藻打捞及处理工艺设备集成在作业船上，最终实现高效原位抽吸表层富集蓝藻水，高效快速原位实现藻水分离，清水就近回补入水体，实现标本兼治和治污与补水相结合的实效；并且，该水面蓝藻作业船上配置的混合动力系统使用了天然气发电机和储能电池的新能源混合动力型式，可以实现零排放或超低排放，可以对电网的用电负荷的高低进行匹配和调节，保证发电机组长期运行于高效率区间，并且lng动力与电池动力可智能切换与调配，实现能量的最优利用，经济性得以提高。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种水面蓝藻作业船混合动力系统，包括：
8.设置于所述水面蓝藻作业船上的供电系统、推进系统、配电系统、电站管理装置及综合管理系统；所述供电系统包括lng气体发电系统、储能系统，所述lng气体发电系统和所述储能系统互为备用冗余，向所述配电系统单独或并网供电；
9.所述lng气体发电系统包括天然气供气系统和lng气体发电机，所述天然气供气系统包括加注站、lng储罐和控制监测安保系统，以向所述lng气体发电机供应气源；
10.所述储能系统包括电池组和电池管理系统，所述电池管理系统用于控制所述电池组正常工作，同时与船舶上的用电设备及所述lng气体发电机组进行信息交换；
11.所述推进系统包括变频驱动器和环形推进器，所述变频驱动器通过接收并调节来
自所述配电系统的电流，输出到所述环形推进器的电流的频率，控制所述环形推进器的转速；
12.所述电站管理装置用于对所述供电系统的多个供应端与船舶上的用电设备之间进行智能切换与管理；
13.所述综合管理系统用于对船舶上的用电设备及混合动力系统提供监测控制和报警。
14.进一步地，所述供电系统还包括岸电接入口，用于在船舶停靠在有岸电接入条件的码头时，通过将岸电接入口接入岸电，为所述电池组充电，或为所述船舶上的用电设备供电。
15.进一步地，lng气体发电机由进气系统、排气系统、润滑系统、冷却系统、点火控制系统、空燃比控制系统及调速系统组成。
16.进一步地，所述天然气供气系统敞开设置在船舶甲板上，所述lng气体发电机设置在对应所述天然气供气系统甲板正下方的发动机舱内。
17.进一步地，所述天然气供气系统到所述lng气体发电机的供气管路采用不锈钢双壁管，管内为真空，连接形式为焊接型式；所述控制监测安保系统连接船舶报警系统，所述控制监测安保系统包括设置在所述供气管路及所述发动机舱内的泄漏探头，当所述泄露探头探测到有天然气泄漏时，所述控制监测安保系统触发所述船舶报警系统进行报警，并控制切断所述天然气供气系统。
18.进一步地，所述船舶上的用电设备包括筒式微纳米分子筛气浮装置、过滤装置、脱水装置；
19.所述筒式微纳米分子筛气浮装置设置于船舶甲板中部靠近船头的一侧，所述船舶的尾部设有进水口，所述进水口连接进水管道，所述筒式微纳米分子筛气浮装置与所述进水管道连接，用于对打捞的富藻水进行藻水分离；
20.所述过滤装置设置于所述筒式微纳米分子筛气浮装置的后方甲板上，所述过滤装置与所述筒式微纳米分子筛气浮装置的出水端连接，用于对藻水分离后的出水进行过滤；
21.所述脱水装置设置于所述筒式微纳米分子筛气浮装置的后方甲板上，所述脱水装置与所述筒式微纳米分子筛气浮装置的藻浆排出端连接，用于对藻水分离后的藻浆进行脱水。
22.进一步地，所述筒式微纳米分子筛气浮装置对应的甲板下方设置循环泵舱，所述循环泵舱中设置循环管道，所述循环管道将所述筒式微纳米分子筛气浮装置的出水端和藻浆排出端分别与所述过滤装置和所述脱水装置连接。
23.进一步地，所述过滤装置和脱水装置对应的甲板下方设置药剂舱，所述药剂舱内设置反应池，所述反应池连接在所述进水管道与所述筒式微纳米分子筛气浮装置的输入端之间，使通过所述进水管道流入的富藻水先进入所述反应池进行混凝反应后，再进入所述筒式微纳米分子筛气浮装置。
24.进一步地，所述过滤装置的输入端还与所述进水管道连接，该连接管路上设置阀门。
25.进一步地，所述脱水装置包括蓝藻脱水机，所述蓝藻脱水机的输出端连接螺旋输送机将藻泥输送至藻泥运输船。
26.本发明中的水面蓝藻作业船，通过水上移动式藻水分离装置可行驶至蓝藻聚集区域，在蓝藻聚集区进行原位离子气浮，将富藻水由悬浮态或部分漂浮态全部转化为完全漂浮态的藻浆，移动蓝藻表面收集器将水体表面层漂浮态的蓝藻抽吸进入船舱下微纳米离子气浮系统进行处理(在船舱下形成一个相对密闭可控的处理空间，利用该空间对富藻水进行气浮作业)，并在综合作业船上实现包括：原位藻水富集-藻浆提升-藻水分离暨藻水同治-藻泥脱水-清水回湖的整个过程，蓝藻打捞、藻水处理装置处理后的清水回补入水体，且作业船上设有蓝藻脱水机，藻浆经蓝藻脱水机脱水后，藻泥经运输船转运至岸上进行后续处置。该水面蓝藻作业船为完整的一体化系统，最终实现高效原位抽吸表层富集蓝藻水，高效快速原位实现藻水分离，清水就近回补入水体，实现标本兼治和治污与补水相结合的实效。
27.本发明的水面蓝藻作业船的混合动力系统，根据目前船舶所使用动力技术，结合水面蓝藻作业船在节能、环保、智能、安全等方面的具体要求，蓝藻作业船采用目前较为环保和先进的气电混合动力技术，即用天然气和储能电池作为船舶动力源，将天然气动力、储能电池、综合电力推进系统等应用到蓝藻作业船的动力系统设计中。具体表现如下：
28.(1)使用了天然气发电机和锂电池的新能源混合动力型式，可以实现零排放或超低排放。天然气发电机在工作时是燃烧天然气，主要排放物是水和二氧化碳，少量的氮氧化物。锂电池在工作时不排放任何有害气体，环保效果明显。
29.(2)混合动力型式充分利用了两种能量来源的特点，在纯电模式下，可以保证船舶极低噪音和振动，满足船舶平稳航行；在天然气发电机供电模式下，可以提供足够大的电力，满足蓝藻打捞处理全套工艺设备的运行用电；同时，在天然气发电机供电模式下，储能电池可以对电网的用电负荷的高低进行匹配和调节，保证发电机组长期运行于高效率区间；船舶停靠码头时，将船舶电力来源切换到岸电，可以大幅度节约运行成本。
30.(3)本船配置的综合电站及电站管理装置(pms)系统、综合监控系统，将实现船舶动力系统的智能控制和监测。根据船舶用电负荷的变化，使用不同的电力源，在两种动力源之间实现智能自动切换，实现与船舶岸电的安全切换。
附图说明
31.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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它的附图。
32.图1为本发明实施例中水面蓝藻作业船侧视图；
33.图2为本发明实施例中水面蓝藻作业船俯视图；
34.图3为本发明实施例中水面蓝藻作业船动力系统示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
36.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实
施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
37.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
38.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
39.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
40.如图1-2所示，本公开实施例提供一种水面蓝藻作业船，包括：船体，船体上设有甲板1，所述船体头部甲板1上设置主控室101，主控室101顶部设有淡水柜102，尾部甲板1上设置机舱集控台105，所述船体的尾部设有进水口，所述进水口连接进水管道；筒式微纳米分子筛气浮装置103，所述筒式微纳米分子筛气浮装置103设置于所述船体甲板1中部靠近船头的一侧，所述筒式微纳米分子筛气浮装置103与所述进水管道连接，用于对打捞的富藻水进行藻水分离；过滤装置104，所述过滤装置104设置于所述筒式微纳米分子筛气浮装置103的后方甲板1上，所述过滤装置104与所述筒式微纳米分子筛气浮装置103的出水端连接，用于对藻水分离后的出水进行过滤；脱水装置106，所述脱水装置106设置于所述筒式微纳米分子筛气浮装置103的后方甲板上，所述脱水装置106与所述筒式微纳米分子筛气浮装置103的藻浆排出端连接，用于对藻水分离后的藻浆进行脱水。
41.本实施例的水面蓝藻作业船行走的过程中，水面蓝藻收集装置放置于船用吊车附近的甲板上，行驶到作业区域以后，船用吊车将水面蓝藻收集装置分散布置到蓝藻富集区域。水面蓝藻收集装置抽吸水体表面富藻水通过蓝藻作业船尾部的进水口进入管道，再由管道输送至蓝藻作业船上的筒式微纳米分子筛气浮装置。在蓝藻收集打捞时，配合使用蓝藻导流收集围隔，提高收集打捞效率。
42.在一种优选实施方式中，所述筒式微纳米分子筛气浮装置103对应的甲板下方设置循环泵舱205，所述循环泵舱205中设置循环管道，所述循环管道将所述筒式微纳米分子筛气浮装置103的出水端和藻浆排出端分别与所述过滤装置104和所述脱水装置106连接。上述循环管道上设置循环泵，将管道设置于甲板1下方的舱内，不用占用甲板空间，且便于管道的维护。
43.所述过滤装置104和脱水装置106对应的甲板下方设置药剂舱206，所述药剂舱206内设置反应池，所述反应池连接在所述进水管道与所述筒式微纳米分子筛气浮装置103的
输入端之间，使通过所述进水管道流入的富藻水先进入所述反应池进行混凝反应后，再进入所述筒式微纳米分子筛气浮装置103。
44.本实施例中，所述反应池为三格式折流反应池，且所述反应池上配设加药装置。加药装置利用加药泵将混凝剂及助凝剂泵入反应池及蓝藻脱水机的预处理装置。折流反应池分三格，在第一格入口加入复配混凝剂，在第三格末端加入复配助凝剂，富藻水和药剂在水流的分流、交叉混合的作用下，迅速、均匀地扩散混合并产生混凝反应。细小分散的蓝藻在药剂的混凝作用下迅速反应为体积较大的絮体，絮体随水流进入筒式微纳米筛气浮装置。反应池和加药装置设置在舱底不占用甲板空间，通过水面蓝藻收集装置的余压将蓝藻水送至甲板上的筒式微纳米分子筛气浮装置103。
45.上述筒式微纳米分子筛气浮装置103是藻水分离的关键设备，水面蓝藻收集装置从水体表面打捞的富藻水通过管道先进入折流反应池然后进入筒式微纳米分子筛气浮装置103。在筒式微纳米分子筛气浮装置103内利用大剂量空气源气体制备微纳米泡溶气液，对水体进行气浮布气作业。微纳米分子筛产生的微纳米泡溶气液导入“反冲激气泡释放器”后，带压的溶气液在反冲激气泡释放器中经过冲激、激发后压力骤然提高再经释放器的突然消能降压，促使微纳米气泡均匀、稳定地从喷头中释放出来，在水中形成乳白色的微纳米级气泡，微纳米气泡在水中不易破裂，微纳米气泡多而微小，因此比表面积是常规气泡的万倍以上，在水中的溶气效率是常规方法的多倍，促进了蓝藻絮体及污染物与水的气浮分离，藻水分离的下层清水自流进入高精度电自动冲洗过滤器过滤。上层浮渣经刮渣机刮入藻浆池。
46.上述筒式微纳米分子筛气浮装置103运行时荷载410t，是本系统中运行荷载最大的设备，因此将其布置在船体中间位置，以保持船体的整体平衡，配套的微纳米分子筛、气液泵、消能减压混合装置、储气罐、空压机等设备均放置于下方的循环泵舱内。本实施例中所述筒式微纳米分子筛气浮装置采用现有技术中(zl200910218212.6)的自动排渣筒式微纳米筛污水处理气浮系统。
47.筒式微纳米分子筛气浮装置103的出水中含有一小部分细小藻类和胶体，为使藻水分离得更彻底，最大程度的提高蓝藻及叶绿素a的去除率，需要有一定的吸附能力、精度高的过滤装置实现此功能，本实施例中必须采用体积小、处理量大且能自流尽量增加运行成本的过滤装置。本实施例优选采用现有技术(zl201420389640.1)中的高精度自动反冲洗过滤器，通过10-20um的滤网对气浮装置出水进行过滤，过滤装置104进出水均采用自流，出水经管道自流回补至水体。滤网上截流的蓝藻用反洗水冲洗，反洗水来自于过滤后的清水，反洗后的反洗水自流排入藻浆池。
48.根据另一优选实施方式，过滤装置104的输入端还连接进水管道，通过阀门的调整，过滤装置104可直接过滤水面蓝藻收集装置收集的富藻水，此时过滤装置104和筒式微纳米分子筛气浮装置103并联运行，在保障出水要求的前提下，提高藻泥产量。
49.过滤装置104放置在船体尾部靠甲板中间位置，运行荷载约10t，过滤后的出水从船体尾部回到水体。
50.上述脱水装置106采用蓝藻脱水机，其目的是对筒式微纳米分子筛气浮装置103及过滤装置104排出的藻浆进行脱水。藻浆存储在藻浆池，藻浆池内投加复配助凝剂，在助凝剂作用下，藻浆絮凝成大块的蓝藻絮团。用提升泵将絮团提升至蓝藻脱水机，蓝藻脱水机前
段有特殊的预处理装置，预处理部分的药剂由反应池单元的加药装置供给，预处理装置设有滤网，滤网可预先将藻浆里的水分部分外排，提高蓝藻脱水机的脱水效率。脱水后的藻泥含水率≤90％，由螺旋输送机107及溜槽将藻泥直接从蓝藻打捞处理船输送至藻泥运输船。藻泥运输船将藻泥运送至岸边进行后续处置。
51.本实施例中，船体设计为右侧靠岸，因此将蓝藻脱水机放置在船体右侧，运行荷载约20t，便于藻泥运输船靠近蓝藻处理船接驳藻泥。
52.所述机舱集控台105一侧设置lng储罐108，lng储罐108对应的甲板下方设置发动机舱207，所述发动机舱207内设置lng气体发电机，lng储罐108与lng气体发电机之间通过供气管道连接。本实施例中，该作业船设置5m
3 lng气罐1只，一次性加注lng约3000nm3，根据本船天然气发电机热耗率(215g/kwh+5％)计算，满负荷时，约3-5天需加注一次lng。其中，储罐架空高度4.5m的安全距离。
53.本实施例中，所述主控室101对应的甲板下方设有防撞舱201。所述防撞舱201和所述循环泵舱205之间还包括储存舱，本实施例的储存舱包括第一储存舱202和第二储存舱204，所述第一储存舱202中设有污水柜203，用于存储作业中产生的污水，将污水送至岸边进行后续处置。所述船体甲板1下方尾部还设有艉舱208。
54.本实施例中的主控部分采用可编程序控制器(plc)自控，以实现工艺流程的自动操作与监控。整个系统包括控制台，电气开关屏，具有灯光显示和报警功能，可以直接监视整个处理过程，对水泵的开/停进行控制。为保证运行可靠、安全和方便维护，控制系统具有自动和手动两种运行方式。控制程序可任意调节，并备有过流、缺相、过压、欠压等故障情况自动保护及声光报警功能。
55.参考附图3，本实施例中的混合动力系统，包括：
56.设置于所述水面蓝藻作业船上的供电系统、推进系统、配电系统、电站管理装置及综合管理系统；所述供电系统包括lng气体发电系统、储能系统，所述lng气体发电系统和所述储能系统互为备用冗余，向所述配电系统单独或并网供电。
57.所述lng气体发电系统包括天然气供气系统和lng气体发电机，所述天然气供气系统包括加注站、lng储罐和控制监测安保系统，以向所述lng气体发电机供应气源；
58.所述lng气体发电机由进气系统、排气系统、润滑系统、冷却系统、点火控制系统、空燃比控制系统及调速系统组成。本实施例中，lng气体发电机的功率为340kw，工艺设备最大同时使用功率为250.9kw，船舶系统用电功率不大于50kw，船舶行驶推进总功率为150kw，船舶行驶时，工艺设备不运行。lng气体发电机发电的冗余向储能电池充电。在储能电池电能充足时，蓝藻作业船的行驶动力由储能电池提供。在储能电池电能不足以支撑船舶行驶时，启动lng气体发电机组进行发电。
59.所述天然气供气系统敞开设置在船舶甲板上，所述lng气体发电机设置在对应所述天然气供气系统甲板正下方的发动机舱内。将lng储罐及供气系统区设置在开敞甲板上，避免在密闭舱室中，减少了泄漏造成的危险性。同时在此区域配置了承液盘及满足规范要求数量的灭火器。天然气供气管路从开敞甲板供气系统区向下穿一层甲板后即到达天然气发动机区域，避免了穿越其它舱室时的泄漏危险。
60.所述天然气供气系统到所述lng气体发电机的供气管路采用不锈钢双壁管，管内为真空，连接形式为焊接型式，无可拆卸连接，避免了管路的泄漏；所述控制监测安保系统
连接船舶报警系统，所述控制监测安保系统包括设置在所述供气管路及所述发动机舱内的泄漏探头，当所述泄露探头探测到有天然气泄漏时，所述控制监测安保系统触发所述船舶报警系统进行报警，并控制第一时间自动切断天然气供气系统(小于30秒)。系统还配置了应急切断按钮，在紧急情况下，可选择手动切断供气系统。
61.所述储能系统包括电池组和电池管理系统，所述电池管理系统用于控制所述电池组正常工作，同时与船舶上的用电设备及所述lng气体发电机组进行信息交换；所述电池管理系统(bms)由主控模块(bcu)、从控模块(bmu)、温控模块(btu)、显示模块bdu组成。bcu通过can接口与bmu、btu进行高速通信，bcu通过对电池组数据的实时分析，动态制定电池管理策略，通过热管理、均衡管理、充电/放电管理、边界管理等手段控制电池工作在合适的工况，同时与船舶及充电机进行信息交换。
62.所述推进系统包括变频驱动器和环形推进器，所述变频驱动器通过接收并调节来自所述配电系统的电流，输出到所述环形推进器的电流的频率，控制所述环形推进器的转速；
63.所述电站管理装置用于对所述供电系统的多个供应端与船舶上的用电设备之间进行智能切换与管理，在能源利用效率和自动化程度上大幅提高；所述电站管理装置根据功率的实时需求对每台主发电机及推进系统进行监控同时协调各发电机的工作，并可以对供电系统进行故障报警和处理，为推进系统和其他用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源。在供电系统出现故障时，电站管理装置会采取各种措施，尽可能保证对负载的连续供电，避免电站断电，确保船舶的安全性。
64.所述综合管理系统用于对船舶上的用电设备及混合动力系统提供监测控制和报警，实现良好的人机交互。具备如下特点：
65.分布及开放式系统架构：基于分布式的数据处理及数据采集模块，船上不同的控制区域对应不同的处理站，采用冗余通讯网络连接，可以进行分布式布置及开放性设计。
66.模块化、可扩展设计：基于冗余工业以太网通信，采用工作站、信号采集箱、延伸报警器等硬件的模块化设计概念，可以根据需要灵活方便的配置最优方案，增加新的标准功能块。
67.统一和直观的用户界面：显示界面丰富，操作简便。每个操作站可实时显示全船设备工作状态。
68.安全性和可靠性：系统采用冗余设计，包括工作站，通讯连接以及供电系统，最大限度保证系统的安全可靠运行。内置自我诊断功能，监测所有系统的组成部分和内部通讯，在系统部件出现故障时故障安全机制会自动启动。
69.另外，本实施例的动力系统配置了400kva的岸电接入口，当船舶停靠在有岸电接入条件的码头时，将岸电接口接入岸电，岸电既可以为储能电池充电，也可以提供全船的作业及其余设备的用电需求，运营成本将大大降低。
70.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。