綠色混合動(dòng)力拖輪現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)方案

張圣超，李亞楠，王馳明，肖晶晶

（1. 廈門港務(wù)船務(wù)有限公司，福建廈門 361012；2. 廈門理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，福建廈門 361024）

0 引言

“既要綠水青山，也要金山銀山。寧要綠水青山，不要金山銀山，而且綠水青山就是金山銀山?！薄?xí)近平于2013年9月7日在哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)的演講。綠水青山和金山銀山，一個(gè)是自然風(fēng)景，一個(gè)象征財(cái)富，二者本沒有什么關(guān)聯(lián)，但習(xí)近平總書記巧用“綠水青山”和“金山銀山”來作比，形象地揭示了環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系。由此可見，黨和國(guó)家對(duì)于全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)態(tài)度鮮明，主要提出政策如下：

《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知》《長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》《船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案（2015—2020年）》《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》《關(guān)于推進(jìn)電能替代的指導(dǎo)意見》《國(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃的通知》《國(guó)家發(fā)展改革委29號(hào)令——新增純電動(dòng)船舶及其電力推進(jìn)技術(shù)為國(guó)家鼓勵(lì)類產(chǎn)業(yè)》《中國(guó)船舶和港口空氣污染防治白皮書》《深入推進(jìn)綠色港口建設(shè)行動(dòng)方案（2018—2022年）》《港口和船舶岸電管理辦法》《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》等。上述政策明確了船舶排放控制技術(shù)、船舶油電混合技術(shù)、船舶岸電技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃，為未來船舶航運(yùn)和建造的發(fā)展指明了方向。

2018年12月，廈門市政府頒發(fā)了《廈門市打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案》（廈府辦[2018] 367號(hào)），推進(jìn)綠色海港建設(shè)，其中要求“新增、更換拖船全部使用清潔能源”。2020年07月，廈門市政府頒發(fā)《廈門市國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)示范市規(guī)劃（2020—2035年）》（廈府[2020]156號(hào)），推進(jìn)生態(tài)文明城市建設(shè)，其中要求“嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定加強(qiáng)船舶污染防治，開展區(qū)間航行船舶油電混合試點(diǎn)應(yīng)用”。2020年8月，省工信廳等十部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加快新能源汽車推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展推動(dòng)“電動(dòng)福建”建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃（2020—2022年）》，旨在強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力建設(shè)，堅(jiān)持加快新能源汽車、儲(chǔ)能電池和新能源裝備的推廣應(yīng)用，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，建設(shè)“電動(dòng)福建”。

綜上，國(guó)家、省、市各級(jí)政策都對(duì)新能源的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。

1 綠色混合動(dòng)力拖輪國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

世界上建造拖輪的船廠主要集中在荷蘭、挪威、英國(guó)、德國(guó)、新加坡、西班牙和中國(guó)等國(guó)家。近年來，為改進(jìn)傳統(tǒng)拖輪柴油機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷運(yùn)行、油耗高、排放差的情況，荷蘭達(dá)門船廠、加拿大羅伯特設(shè)計(jì)公司等相繼設(shè)計(jì)、建造了采用油電混合動(dòng)力的新型拖輪。

2008年，F(xiàn)OSS船廠建造了世界上第一艘油電混合動(dòng)力拖輪，如圖1所示，主機(jī)采用2臺(tái)卡特彼勒3512D柴油機(jī)，單機(jī)功率5 100 HP，配2臺(tái)軸帶電機(jī)，單機(jī)功率500 kW，航速13 kn。

圖1 世界第一艘油電混合動(dòng)力拖輪—Carolyn Dorothy

2016年，DAMEN（達(dá)門）羅馬尼亞Galati船廠為皇家荷蘭海軍建造了3艘“ASD TUG 2810 HYBRID”系列拖輪，如圖2所示，該系列拖輪采用混合推進(jìn)系統(tǒng)，安裝2臺(tái)主推進(jìn)柴油機(jī)、2臺(tái)推進(jìn)電機(jī)，并配置了電池系統(tǒng)，具有動(dòng)力強(qiáng)勁和可持續(xù)的特點(diǎn)，能在電池模式下全電力航行，最大系柱拉力可達(dá)60 t，基本可以實(shí)現(xiàn)所有重型拖船的作業(yè)要求。

圖2 DAMEN船廠“ASD TUG 2810 HYBRID”拖輪

油電混合動(dòng)力拖輪目前在美國(guó)、荷蘭、新加坡等發(fā)達(dá)國(guó)家有較多的市場(chǎng)應(yīng)用（見表1）。

表1 油電混合動(dòng)力型式拖輪部分國(guó)外案例

但是目前國(guó)內(nèi)建造和使用的拖輪仍然基本采用柴油機(jī)推進(jìn)動(dòng)力型式，使用類似油電混合動(dòng)力形式的拖輪有上海港復(fù)興船務(wù)公司的“海港711”，但“海港711”實(shí)船并未配備電池。

2 綠色拖輪技術(shù)路線分析

2.1 純LNG/雙燃料

1）LNG/雙燃料直接推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)與柴油機(jī)常規(guī)推進(jìn)類似，相比常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)，區(qū)別僅為發(fā)動(dòng)機(jī)為氣體發(fā)動(dòng)機(jī)或雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。

2）類似項(xiàng)目：國(guó)內(nèi)目前使用LNG作為燃料的有中海油2艘雙燃料（柴油/LNG）動(dòng)力拖輪、2艘單燃料（LNG）動(dòng)力拖輪、寧波舟山港1艘雙燃料（柴油/LNG）動(dòng)力拖輪“甬港消拖60”號(hào)。

3）存在的主要問題：造價(jià)高、后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)困難、廈門暫無LNG專用加注碼頭或加注船、動(dòng)力響應(yīng)比較遲緩。

2.2 純電池

1）純電池動(dòng)力系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳為船舶提供動(dòng)力，整船的能量來源于動(dòng)力電池組。

2）類似項(xiàng)目：連云港港口集團(tuán)有限公司與中國(guó)船舶集團(tuán)第708研究所（中國(guó)船舶集團(tuán)第712研究所進(jìn)行動(dòng)力集成）目前正在共同設(shè)計(jì)、建造一艘4 000 HP純電動(dòng)港作拖輪（該船配備5 000 kW·h電池，無任何柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組，目前項(xiàng)目正在實(shí)施中，預(yù)計(jì)2021年度交付）。

3）存在的主要問題：動(dòng)力電池組續(xù)航能力有限，且大功率電池組的安全性有待評(píng)估，在廈門臺(tái)風(fēng)季節(jié)，如遇避臺(tái)風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)的情況，拖輪的安全性難以保證（長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)、搶險(xiǎn)救助也有類似隱患）；碼頭上需建設(shè)充電電壓高、充電電流大的岸電充電樁，附加投資較大；連云港全電動(dòng)拖輪作業(yè)環(huán)境特殊，不適用廈門港區(qū)情況。

4）電池更換模式：以連云港4 000 HP純電動(dòng)拖輪為例，實(shí)船配置5 000 kW·h動(dòng)力電池，共分為8組電池，每組電池尺寸為長(zhǎng)度6.18 m、寬度0.666 m、高度1.65 m，單組電池重量約5.75 t，電池總重量約49.92 t，受限于拖輪船型空間狹小等客觀因素，電池更換模式的可行性極低。

2.3 混合動(dòng)力電力推進(jìn)系統(tǒng)

（柴油發(fā)電機(jī)組＋磷酸鐵鋰電池組）

相較于純電動(dòng)船舶，“混合動(dòng)力船舶”可以定義為以2種或2種以上儲(chǔ)能器、能量源或能量轉(zhuǎn)換器作為動(dòng)力源，且其中至少有一種可以提供電能的船舶[2-3]。混合動(dòng)力拖輪擬使用電池組和柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能，并以電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，如圖3所示。在港內(nèi)自由航行期間，使用電池組作為動(dòng)力推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)綠色無污染。

3 混合動(dòng)力拖輪節(jié)能減排效果分析

2010年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)環(huán)境研究和技術(shù)工程中心開展了“混合動(dòng)力拖輪排放優(yōu)勢(shì)評(píng)估”的工作。以Foss海運(yùn)公司的2條船為研究對(duì)象，Alta June為常規(guī)拖輪，Carolyn Dorothy為柴/電池混合動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)拖輪，它們都屬于“海豚號(hào)”船型，均裝備有四沖程、Tier II排放的發(fā)動(dòng)機(jī)，主要都運(yùn)行在美國(guó)的洛杉磯和長(zhǎng)灘島港口，拖船布置圖如圖4所示。電板提供給推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載，富余電能還可同時(shí)給動(dòng)力電池組充電。該模式工作原理如圖9所示，涂底色的設(shè)備為工作設(shè)備（不含推進(jìn)器）。

圖3 混合動(dòng)力電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

圖8 動(dòng)力電池供電推進(jìn)模式工作原理圖

圖9 單臺(tái)或雙臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電推進(jìn)、電池充電模式工作原理圖

4.3 多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電推進(jìn)模式

當(dāng)拖輪處于負(fù)荷低于80%的高速航行或作業(yè)時(shí)，可由多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電。柴油發(fā)電機(jī)組提供的電能經(jīng)配電板提供給推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載，富余電能還可同時(shí)給動(dòng)力電池組充電。該模式工作原理如圖10所示，涂底色的設(shè)備為工作設(shè)備（不含推進(jìn)器）[4-5]。

圖10 多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供電推進(jìn)、電池充電模式工作原理圖

4.4 發(fā)電機(jī)組、電池組同時(shí)供電推進(jìn)模式

當(dāng)拖輪處于負(fù)荷高于80%的作業(yè)時(shí)，可由多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組和電池同時(shí)供電，提供的電能經(jīng)配電板提供給推進(jìn)電機(jī)和負(fù)載。該模式工作原理如圖11所示，涂底色的設(shè)備為工作設(shè)備（不含推進(jìn)器）。

圖11 發(fā)電機(jī)組、電池組同時(shí)供電推進(jìn)模式工作原理圖

該模式存在的主要問題在于造價(jià)較高且柴油機(jī)組功率未實(shí)現(xiàn)大幅下降。

各方案特性對(duì)比如表2所示。

表2 各方案特性對(duì)比

綜上所述，對(duì)上述三種動(dòng)力型式總結(jié)如下：

1）常規(guī)推進(jìn)方案：初期投資低；柴油機(jī)負(fù)荷率低，油耗較高。

2）柴電混合方案：油耗較低，系統(tǒng)冗余性好，投資回收周期短。

3）電力推進(jìn)方案：油耗低，舒適性好；初期投資高，投資回收周期長(zhǎng)。

根據(jù)本船的運(yùn)行工況，綜合考慮3種動(dòng)力型式的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、適裝性、機(jī)動(dòng)性、舒適性、維修性、傳遞效率，建議選擇本船動(dòng)力型式為電力推進(jìn)系統(tǒng)或柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)。

綜上，幾種技術(shù)方案優(yōu)缺各異，但從造價(jià)、安全、技術(shù)成熟等方面考慮，“油電混合動(dòng)力”型式拖輪是目前最符合廈門港實(shí)際需求的新型能源拖輪。

5 結(jié)論

結(jié)合中央提出的節(jié)能減排政策以及廈門本地的綠色發(fā)展戰(zhàn)略，本文對(duì)拖輪動(dòng)力系統(tǒng)的幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)論如下：

1）綠色拖輪技術(shù)路線分為純LNG/雙燃料、純電池、混合動(dòng)力電力推進(jìn)系統(tǒng)3種，其中混合動(dòng)力拖輪的能效利用率和性價(jià)比最高。

2）動(dòng)力系統(tǒng)的推進(jìn)方案分為常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)、柴電混合推進(jìn)、電力推進(jìn)，綜合考慮3種動(dòng)力型式的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、適裝性、機(jī)動(dòng)性、舒適性、維修性、傳遞效率，建議選擇本船動(dòng)力型式為電力推進(jìn)系統(tǒng)或柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)。

3）綜上，幾種技術(shù)方案優(yōu)缺各異，但從造價(jià)、安全、技術(shù)成熟等方面考慮，“油電混合動(dòng)力”型式拖輪是目前最符合廈門港實(shí)際需求的新型能源拖輪。