混合動(dòng)力系統(tǒng)的海工船舶應(yīng)用

孫冰，楊靜，周毅，李萌，鄭坤

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

隨著船舶排放控制區(qū)的逐步擴(kuò)大，國(guó)際新船訂單中使用LNG作為燃料或者具備后期LNG動(dòng)力改造能力(GAS READY)的訂單比例越來越高。LNG作為新興的船用清潔燃料，在大規(guī)模投入應(yīng)用之前其在排放指標(biāo)上的優(yōu)勢(shì)受到關(guān)注，但是LNG作為車用燃料或者船用燃料都存在著低負(fù)載工況下排放超標(biāo)以及高轉(zhuǎn)速工況下主機(jī)最大功率衰減等問題，一定程度上阻礙了LNG作為船用低碳燃料在雙碳工作中發(fā)揮重要作用。為此，嘗試以氣-電(燃?xì)庵鳈C(jī)-蓄電池)混合動(dòng)力系統(tǒng)作為切入點(diǎn)，以解決船體LNG動(dòng)力船舶排放及動(dòng)力響應(yīng)為目標(biāo)，提出適用于海洋工程船舶的動(dòng)力系統(tǒng)方案。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要應(yīng)用問題

根據(jù)國(guó)際航運(yùn)組織(IMO)對(duì)氮氧化物(NO)排放指標(biāo)的要求，2016年以后新建的船舶需要滿足Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)根據(jù)對(duì)硫氧化物(SO)排放指標(biāo)的要求，至2020年1月1日，限制排放區(qū)對(duì)于使用燃料油的含硫量上限由3.5%調(diào)整為0.5%。至此，使用昂貴的低硫油或是將柴油主機(jī)換成雙燃料主機(jī)成為短期內(nèi)全球船運(yùn)公司僅有的應(yīng)對(duì)措施。

LNG作為清潔燃料，與柴油、重油等傳統(tǒng)船用燃料相比，在排放指標(biāo)上的優(yōu)勢(shì)極大，能夠滿足Tier III的排放標(biāo)準(zhǔn)，特別適用于能耗大、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、排放量大的公共交通車輛，工程機(jī)械車輛以及內(nèi)河、遠(yuǎn)洋船舶。

LNG在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用形式多種多樣，見表1。

表1 LNG發(fā)動(dòng)機(jī)分類

目前燃料利用效率較高，尾氣排放指標(biāo)較好的是采用柴油引燃的方式，將直接噴入氣缸的高壓燃?xì)恻c(diǎn)燃，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，即MEGI高壓直噴技術(shù)。市場(chǎng)上主流的雙燃料主機(jī)廠商包括Wartsila、MAN和Mitsubishi等。

其中Wartsila主要采用進(jìn)氣歧管預(yù)混，缸內(nèi)噴點(diǎn)火油的形式；而MAN研發(fā)了MEGI即高壓直噴模式，使用2套直噴系統(tǒng)，1套用來預(yù)噴點(diǎn)火油，1套用來缸內(nèi)點(diǎn)火成功后噴射LNG。

經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，雙燃料主機(jī)在常規(guī)工況運(yùn)行效率、排放指標(biāo)等方面均表現(xiàn)優(yōu)異，但是由于LNG較差的燃燒特性，在低負(fù)荷工況下，燃燒尾氣中碳?xì)浠衔锏臍埩袅亢虲O的殘留量較高。LNG發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比還存在以下不足。

由于LNG燃燒速度較慢，在高轉(zhuǎn)速(僅適用燃?xì)饽Ｊ?，不增加燃油噴射?時(shí)，LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出有較大損失；LNG作為內(nèi)燃機(jī)燃料使用的目的就是減少排放，但是低負(fù)載工況下CO排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過柴油機(jī)，可達(dá)到柴油機(jī)CO排放量的幾十倍甚至上百倍，這使得雙燃料主機(jī)不得不限定負(fù)載低于15%時(shí)必須切換到燃油模式，禁用燃?xì)饽Ｊ健?/p>

在工況發(fā)生突變時(shí)，LNG主機(jī)在功率加載階段與柴油機(jī)相比會(huì)有20%～30%的遲滯，在變負(fù)載工況下，燃?xì)庵鳈C(jī)響應(yīng)恢復(fù)轉(zhuǎn)速的時(shí)間比柴油機(jī)慢5 s左右，而且LNG主機(jī)在接近滿載工況下變載時(shí)，會(huì)發(fā)生燃?xì)鈾C(jī)爆燃。

對(duì)純汽油和純LNG發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的研究表明，LNG發(fā)動(dòng)機(jī)由于充氣效率低，可燃混合氣熱值偏低，LNG著火溫度較高，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢等原因，隨著轉(zhuǎn)速上升，最大功率和最大轉(zhuǎn)矩有所下降。

以中海油雙燃料環(huán)保船為例，根據(jù)丁長(zhǎng)健等對(duì)中海油雙燃料環(huán)保工作船主機(jī)選型分析的研究，環(huán)保工作船總航行時(shí)間的45%都是平臺(tái)供應(yīng)、巡航守護(hù)等主機(jī)低負(fù)載狀態(tài)(根據(jù)向單燃料港拖和雙燃料港拖機(jī)務(wù)調(diào)研，主機(jī)負(fù)荷通常在29%～31%)，另外考慮到工作環(huán)境較復(fù)雜，在船舶靠泊碼頭、裝卸貨物、溢油回收應(yīng)急或進(jìn)行消防作業(yè)時(shí)，為了保證快速的主機(jī)響應(yīng)能力，在上述工況時(shí)環(huán)保工作船都直接切換到輕柴油模式。雖然LNG作為燃料比輕柴油要經(jīng)濟(jì)的多，但是目前來看理論計(jì)算中的環(huán)保效果和經(jīng)濟(jì)性還得不到保證。

氣-電混合動(dòng)力系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用分析表明，通過將蓄電池與LNG主機(jī)進(jìn)行結(jié)合，可以解決低負(fù)載工況下必須切換燃油模式的問題。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)的原理及分類

混合動(dòng)力系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用在汽車領(lǐng)域(油電混合動(dòng)力)，通過設(shè)置蓄電池回收車輛剎車時(shí)的能量，在車輛起步階段采用電力推進(jìn)的方式獲得快速的動(dòng)力響應(yīng)，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速狀態(tài)的出現(xiàn)，特別適合頻繁加減速的城市交通，以其超高的燃油經(jīng)濟(jì)性獲得了越來越多消費(fèi)者的青睞?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)主要有以下3種形式：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不直接相連，內(nèi)燃機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電動(dòng)馬達(dá)再將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)齒輪箱進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輛前行。當(dāng)車速較低時(shí)，電能在驅(qū)動(dòng)車輛前行的同時(shí)還將分出一部分儲(chǔ)存在蓄電池中，以起到節(jié)能的效果。

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)需要進(jìn)行兩次完整的能量轉(zhuǎn)換，先天條件限制決定了與別的混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)能量利用率不高。

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與發(fā)電機(jī)相連的同時(shí)也和車輪有耦合關(guān)系，相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)有部分功率輸出可以用來直接推動(dòng)車輪，部分功率輸出用來給蓄電池充電。與串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相比，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的能量利用效率，在乘用車市場(chǎng)中占據(jù)較大的份額。

混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過發(fā)動(dòng)機(jī)和多個(gè)電機(jī)的結(jié)合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，常用行星齒輪結(jié)構(gòu)組合形式。

與乘用車相比，船舶對(duì)于蓄電池帶來的重量增加不敏感，但是對(duì)于傳動(dòng)軸的布置較為敏感，電推船舶的興起很大程度上是因?yàn)殡娏ν七M(jìn)系統(tǒng)給軸系布置帶來的便利性以及整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)較低的振動(dòng)和噪音。結(jié)合對(duì)功率的要求，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)更加適合LNG動(dòng)力船舶，尤其是工況頻繁發(fā)生變化的工作船，如拖輪、環(huán)保船、加注船等。

3 多能源系統(tǒng)的能量管理策略

混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)存在兩個(gè)動(dòng)力源——內(nèi)燃機(jī)和蓄電池，是否能得到最優(yōu)的能量利用效率取決于不同工況下不同動(dòng)力源的配合輸出效果，因此能量管理邏輯的建立是多能源系統(tǒng)能量管理的核心內(nèi)容。

根據(jù)現(xiàn)在世界各國(guó)研究人員的研究成果，可以將能量管理方法大致分為基于規(guī)則的能量管理策略和基于優(yōu)化的能量管理策略。

基于規(guī)則的能量管理策略在混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用中較為普遍。常見的基本能量管理規(guī)則包括恒溫器式和功率跟隨式。恒溫器式能量管理策略設(shè)置了一組管理閾值，即以蓄電池的狀態(tài)SOC(state of charge)作為能量管理的依據(jù)。當(dāng)蓄電池的能量充足，超過SOC閾值高點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，依靠蓄電池的電能推動(dòng)車輛前行。當(dāng)蓄電池的能量不足，低于SOC閾值低點(diǎn)時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并控制其工作狀態(tài)為燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的點(diǎn)，輸出恒定的功率，部分功率用來驅(qū)動(dòng)汽車，剩余的功率用來給蓄電池充電。在車輛行駛速度較低，頻繁加減速并且蓄電池容量較大的情況下，恒溫器式能量管理策略表現(xiàn)較好，但是當(dāng)功率需求大，蓄電池容量較小的情況下，按照恒溫器式能量管理策略的控制，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)頻繁啟停，蓄電池頻繁充放電，動(dòng)態(tài)損耗增加，整體能量利用效率降低。

功率跟隨式能量管理策略在設(shè)置蓄電池SOC閾值的同時(shí)，還需要?jiǎng)澇鋈加徒?jīng)濟(jì)性比較好的主機(jī)輸出功率上下限。同恒溫器式能量管理策略限定主機(jī)輸出功率為燃油經(jīng)濟(jì)性最佳的點(diǎn)相比，功率跟隨式能量管理策略允許主機(jī)輸出功率在一個(gè)燃油經(jīng)濟(jì)性比較高的范圍內(nèi)波動(dòng)。即當(dāng)蓄電池能量高于SOC閾值高點(diǎn)時(shí)，允許主機(jī)調(diào)整輸出功率為較小的值，而不是直接關(guān)閉主機(jī)。這樣減少了主機(jī)的啟停次數(shù)，同時(shí)也能保證主機(jī)處在一個(gè)燃油經(jīng)濟(jì)性較好的功率輸出范圍內(nèi)，提高了能量利用效率。

從海工船舶的使用場(chǎng)景考慮，功率跟隨式能量控制策略更為適合。

4 初步設(shè)計(jì)

選擇能夠放大混合動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的功率跟隨式能量管理策略，采用并聯(lián)式混合動(dòng)力船舶將能夠在保證動(dòng)力性的同時(shí)兼具良好的燃油效率和排放特性，當(dāng)燃料經(jīng)濟(jì)性帶來的優(yōu)勢(shì)大于混合動(dòng)力系統(tǒng)成本的劣勢(shì)，且布置符合安全規(guī)定時(shí)，混合動(dòng)力船舶就能具備良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

混合動(dòng)力系統(tǒng)能量管理策略不能脫離實(shí)際工況獨(dú)立存在，設(shè)置蓄電池的最主要目的是過濾掉功率需求的突然變化對(duì)主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不利影響。因此，不同的最大功率需求、工況比例和在港/在航時(shí)間比例直接影響主機(jī)配置與能量管理策略的選擇與制定。

港作拖船具有工況變化頻繁，功率需求變化大的特點(diǎn)，與混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)較為契合，因此以采油公司港作拖輪及其工況為對(duì)象，進(jìn)行氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)及能量管理策略的初步設(shè)計(jì)。

以海洋石油521/522為例，主要配置及相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 海洋石油521/522配置表

海洋石油521/522的推進(jìn)系統(tǒng)由2臺(tái)瓦錫蘭六缸四沖程 W6L34DF柴油機(jī)組成，其燃油消耗的最佳轉(zhuǎn)速范圍在額定轉(zhuǎn)速的85%～90%之間，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，主機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性也會(huì)降低。

該船航時(shí)-功率分配見圖1。

圖1 拖船航時(shí)-功率分布

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，拖船約85%的工作時(shí)間處于主機(jī)負(fù)荷30%的狀態(tài)，高負(fù)荷的狀態(tài)占比僅為4%。

單航次對(duì)功率的需求大致分為3部分：11 h需要在1 440 kW的輸出功率下工作，1.5 h需要在2 400 kW的輸出功率下工作，0.5 h需要在3 360 kW的輸出功率下工作。即整個(gè)航次對(duì)功率的平均需求為1 624 kW。

根據(jù)實(shí)際需求情況，氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)配置一大一小兩臺(tái)氣體機(jī)，功率配置分別為1 500 kW和3 000 kW，以便滿足在低功耗階段1 440 kW的功率輸出要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣體機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)(氣體機(jī)負(fù)載85%)；在中功耗階段使用3 000 kW氣體機(jī)，以便滿足功耗2 400 kW的功率輸出要求并實(shí)現(xiàn)氣體機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)；在高功耗階段使用3 000 kW氣體機(jī)+蓄電池滿足短時(shí)間高功率的需求。

根據(jù)電池組放電通?？刂圃?.5～0.7 C范圍內(nèi)的要求，電池組配置1.5 MW容量，以便實(shí)現(xiàn)910 kW的功率輸出要求，高功率輸出時(shí)間可延長(zhǎng)至約1.5 h，完全滿足拖輪服務(wù)時(shí)間要求。

根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)配置情況，制定能量管理策略如下。

在拖輪到達(dá)作業(yè)港區(qū)前，由1 500 kW氣體機(jī)提供動(dòng)力，到達(dá)港區(qū)后由3 000 kW氣體機(jī)提供動(dòng)力，高功率頂推期間由電池組和3 000 kW氣體機(jī)提供動(dòng)力，電池組放電閾值低點(diǎn)設(shè)置為30% SOC，一旦電池的狀態(tài)低于30%SOC，則同時(shí)啟動(dòng)1 500 kW和3 000 kW氣體機(jī)；滿足高功率頂推要求的同時(shí)，對(duì)電池組進(jìn)行充電，充電閾值高點(diǎn)設(shè)置為95%SOC，達(dá)到95%SOC時(shí)，不再對(duì)電池組進(jìn)行充電，由兩臺(tái)氣體機(jī)對(duì)外做功滿足頂推要求。

5 經(jīng)濟(jì)性考量

適用于港作拖輪的氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)由兩臺(tái)LNG氣體機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，采用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，充分發(fā)揮蓄電池對(duì)提升拖輪最大輸出功率的優(yōu)勢(shì)，采用直流電力推進(jìn)系統(tǒng)，省去配電盤中的并車裝置和部分變壓器，將部分配電盤的交流開關(guān)與變頻器進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)更高的整體效率，延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)的壽命，對(duì)電池系統(tǒng)具備更好的兼容性。

以功率為4 800 kW的港作拖船為例，根據(jù)目前電動(dòng)船舶的電池使用和中國(guó)船級(jí)社的發(fā)證情況，氣電混合動(dòng)力系統(tǒng)宜選用寧德時(shí)代生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池，含電池管理系統(tǒng)及框架的價(jià)格約為315萬(wàn)元，重量約為15 t。采用混合動(dòng)力系統(tǒng)的海工船舶總造價(jià)與采用LNG動(dòng)力+電推系統(tǒng)的總造價(jià)相似；但是在低工況(守護(hù)、待機(jī)、緩行)占總航行時(shí)間比較較高時(shí)，LNG作為燃料的使用率及發(fā)電機(jī)整體效率均有大幅提升，與常規(guī)柴油動(dòng)力拖輪相比，年節(jié)約燃料費(fèi)用約668.5萬(wàn)元。

6 結(jié)論

采用1 500 kW+3 000 kW兩臺(tái)天然氣主機(jī)，配合1.5 MW容量的電池組和直流電推系統(tǒng)，能夠滿足原4 800 kW港作拖船動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求，降低主機(jī)投資并提升燃料利用效率。LNG作為一種低碳燃料，與甲醇、氫、氨等低碳/零碳能源在可供性、經(jīng)濟(jì)可接受性、技術(shù)成熟度、法規(guī)完備性等方面具備明顯優(yōu)勢(shì)。LNG與動(dòng)力電池的結(jié)合將顯著提升負(fù)荷需求變化較大的海工船舶燃料利用效率，有助于實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求。