雙燃料電力推進(jìn)(DFDE)系統(tǒng)集成研究

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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與電力推進(jìn)技術(shù)的結(jié)合，為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船行業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)很好的發(fā)展方向。但是，LNG運(yùn)輸船雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)，作為一個(gè)新興的技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外實(shí)船使用實(shí)例不多，所以其系統(tǒng)的集成并非非常完善，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，有很大的優(yōu)化空間。

雙燃料電力推進(jìn)(DFDE)系統(tǒng)集成研究，源自3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船實(shí)際建造的需要。通過(guò)對(duì)正在建造的3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船雙燃料電力推進(jìn)(DFDE)系統(tǒng)集成的分析研究，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)方案的梳理及細(xì)化分析，優(yōu)化完善各個(gè)設(shè)備之間的物理接口、軟件接口及控制邏輯等，使整個(gè)系統(tǒng)更具合理性、安全可靠性、良好的可操作性及較高的經(jīng)濟(jì)性，從而減少在建船舶的系統(tǒng)集成缺陷，降低設(shè)計(jì)建造風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)性[1-2]。

1 雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)狀

雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)作為一個(gè)新興的船舶推進(jìn)技術(shù)，其發(fā)展大致經(jīng)過(guò)了3個(gè)階段：常規(guī)柴油機(jī)與可調(diào)槳電力推進(jìn)及常規(guī)柴油機(jī)全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)、雙燃料電力推進(jìn)。對(duì)于LNG運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)，雙燃料電力推進(jìn)所擁有的特殊性及突出優(yōu)勢(shì)，使得其本身倍受青睞[3]。

隨著LNG運(yùn)輸船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雙燃料電力推進(jìn)設(shè)備的技術(shù)革新推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。瓦錫蘭、羅羅、MAN等廠家的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能更加優(yōu)越，其排放、維護(hù)保養(yǎng)、經(jīng)濟(jì)性等都較常規(guī)柴油機(jī)有很大優(yōu)勢(shì)；西門子、ABB、GE等電氣專業(yè)廠家在雙燃料主機(jī)控制、電站管理、供配電、自動(dòng)控制、變頻電力推進(jìn)等技術(shù)方面更加完善，其控制更加集成、簡(jiǎn)單，電力系統(tǒng)的裕度更大，設(shè)備運(yùn)行可靠性更高；加之羅羅、ABB、瓦錫蘭等廠家在推進(jìn)器方面的新技術(shù)，使電力推進(jìn)更加簡(jiǎn)單化，推進(jìn)裝置趨于模塊化設(shè)計(jì)，占用空間小，布置靈活，安裝、管理及維護(hù)都更加簡(jiǎn)便。所以，LNG運(yùn)輸船產(chǎn)業(yè)推動(dòng)設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展，同樣設(shè)備的革新推動(dòng)了雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)的更加完善。

然而，雙燃料電力推進(jìn)船舶的初始建造成本較常規(guī)推進(jìn)方式高，前期投資較大。LNG運(yùn)輸船本身是公認(rèn)的高技術(shù)、高附加值船舶，所以投資成本是其發(fā)展的一個(gè)瓶頸。同時(shí)，雙燃料電力推進(jìn)作為一項(xiàng)新技術(shù)，其市場(chǎng)占有份額不大，應(yīng)用實(shí)踐較少，其控制邏輯、接口的完整性、可靠性等都存在一定風(fēng)險(xiǎn)，這也是一直以來(lái)困擾市場(chǎng)的一大顧慮。但是，隨著LNG運(yùn)輸船產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，這一技術(shù)將會(huì)有很大的發(fā)展空間。

2 雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)研究

2.1 雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)配置

目前，雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)各個(gè)設(shè)備都有很多選擇性，可以集成出很多搭配。本文依據(jù)3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船現(xiàn)有配置，就該系統(tǒng)做集成研究。該船雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)主要配置見(jiàn)表1，整個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖見(jiàn)圖1。

表1 雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備配置

圖1 雙燃料電力推進(jìn)DFDE系統(tǒng)單線圖

系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備廠家都是行業(yè)內(nèi)的知名廠家，其設(shè)備成熟的功能、良好的性能得到很好的市場(chǎng)反饋。但是，將好的設(shè)備如何搭建出一個(gè)好的系統(tǒng)，是面臨的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。所以，研究雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)集成，論證研究設(shè)備之間的軟硬件接口，梳理控制邏輯及響應(yīng)等，是該系統(tǒng)集成優(yōu)劣的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 基于雙燃料機(jī)組特性的電力推進(jìn)系統(tǒng)控制

雙燃料電力推進(jìn)DFDE系統(tǒng)集成，主要內(nèi)容有系統(tǒng)接口與功能實(shí)現(xiàn)、控制邏輯與響應(yīng)。雙燃料主發(fā)電機(jī)組較常規(guī)柴油機(jī)組有很大不同，它是將減壓后的壓縮天然氣CNG與空氣混合后引入氣缸內(nèi)，形成混合氣。少量噴入氣缸內(nèi)的引燃柴油起點(diǎn)火作用。這種系統(tǒng)對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)不做變動(dòng)，在沒(méi)有足夠氣體燃料來(lái)源時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)易于恢復(fù)原機(jī)的工作方式。

在燃油和燃?xì)饽Ｊ较?，由于燃油和燃?xì)鈨煞N燃料的熱值、壓縮比等不同，雙燃料發(fā)電機(jī)組在對(duì)應(yīng)模式下的負(fù)荷加載曲線也不同，見(jiàn)圖2。

圖2 不同模式下的負(fù)荷加載變化

根據(jù)特性曲線，在電站管理系統(tǒng)PMS以及推進(jìn)控制系統(tǒng)DCS中，必須要根據(jù)主發(fā)電機(jī)組的加載特性來(lái)設(shè)計(jì)負(fù)荷的加載過(guò)程。燃油模式下的負(fù)荷加載較快，燃?xì)饽Ｊ较螺^為緩慢。如系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中，只按燃油模式曲線設(shè)計(jì)，則會(huì)導(dǎo)致在燃?xì)饽Ｊ较?，?fù)荷響應(yīng)跟不上，使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)為油模式，更有可能造成電站關(guān)停；另外，如只按燃?xì)饽Ｊ角€設(shè)計(jì)，則在燃油工況下，達(dá)不到快速響應(yīng)的能力，大大抑制了船舶的操控性能。[4]所以，在系統(tǒng)集成中，針對(duì)雙燃料機(jī)組特性，設(shè)計(jì)負(fù)荷加載曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 不同模式下的負(fù)荷加載匹配情況

雙燃料機(jī)組運(yùn)用于電力推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，主要面臨的就是大負(fù)荷的加載，對(duì)于LNG運(yùn)輸船來(lái)說(shuō)，涉及的大負(fù)載設(shè)備主要來(lái)自推進(jìn)系統(tǒng)，上述主推進(jìn)控制系統(tǒng)DCS與PMS的匹配與響應(yīng)很好地解決了推進(jìn)系統(tǒng)的集成問(wèn)題。

對(duì)于單個(gè)的大負(fù)荷，其控制系統(tǒng)獨(dú)立與主推進(jìn)控制系統(tǒng)DCS，如1 500 kW側(cè)推系統(tǒng)。在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中，充分考慮加載對(duì)電站的影響。在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中采用負(fù)荷保留設(shè)計(jì)。主要原理是要啟動(dòng)側(cè)推時(shí)，采用握手信號(hào)，先詢問(wèn)PMS電站功率是否許可，PMS得到啟動(dòng)信號(hào)后，使得電站保持1 500 kW裕度負(fù)荷，信號(hào)反饋給側(cè)推系統(tǒng)，使得信號(hào)握手，以滿足側(cè)推系統(tǒng)的負(fù)荷隨時(shí)進(jìn)網(wǎng)。

常規(guī)柴油機(jī)對(duì)于負(fù)荷的突加能力都有一定的限制，瓦錫蘭34DF機(jī)組在燃油模式下，理解為常規(guī)柴油機(jī)，其突加能力為5 s內(nèi)33%。其在燃?xì)饽Ｊ较?，其?duì)應(yīng)負(fù)荷下的突加能力見(jiàn)圖4。在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中，電站管理系統(tǒng)PMS必須依據(jù)對(duì)應(yīng)的模式，對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷的突加做出限制，必須使電站負(fù)荷突加值曲線在機(jī)組能力曲線下方，才能保證在運(yùn)行中，負(fù)荷的突加不至于使電站關(guān)停。

圖4 燃?xì)饽Ｊ较峦患幽芰ψ兓?/p>

所以，對(duì)于雙燃料電力推進(jìn)(DFDE)系統(tǒng)，只有充分考慮各個(gè)設(shè)備的特性，區(qū)分于常規(guī)設(shè)備的不同點(diǎn)，在系統(tǒng)集成中基于設(shè)備的特性， 解決系統(tǒng)集成中的接口、邏輯與響應(yīng)。使得整個(gè)系統(tǒng)功能完善，集成設(shè)計(jì)合理才是初衷。

3 結(jié)束語(yǔ)

雙燃料電力推進(jìn)(DFDE)系統(tǒng)，作為一項(xiàng)新興的技術(shù)。其諸多的優(yōu)點(diǎn)，推動(dòng)了其快速發(fā)展。尤其是近些年來(lái)，電站管理系統(tǒng)PMS及電力推進(jìn)控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，給雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。特別是近年來(lái)由于能源經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保排放等要求的提高，雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展勢(shì)在必行。

本文依托3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船建造項(xiàng)目，通過(guò)雙燃料電力推進(jìn)(DFDE)系統(tǒng)集成研究，可以解決系統(tǒng)集成中的接口、控制邏輯與響應(yīng)，完善雙燃料電力推進(jìn)(DFDE)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。將系統(tǒng)集成研究成果運(yùn)用到實(shí)際建造中，同時(shí)為后續(xù)船舶建造具有很好的借鑒意義。

[1] 金德昌，姜孟文，云俊峰.船舶電力推進(jìn)原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1993.

[2] 朱永凱，時(shí)光志，汪偉奎，等.國(guó)內(nèi)3萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船開(kāi)發(fā)研究[J].船海工程，2014，43(2)：71-73.

[3] 朱運(yùn)裕，冀路明.常規(guī)潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)控制方案的研究[J].船電技術(shù)，2001,(2):5-8.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南[S].北京：人民交通出版社，2011.