阮　棟　潘　李　朱顯玲

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢　430064;2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢　430050)

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氣-電混合動(dòng)力系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用

阮棟1潘李1朱顯玲2

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064;2.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430050)

摘要?dú)?電混合動(dòng)力船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)既可以從天然氣發(fā)電機(jī)組獲得電能，也可以從蓄電池獲得電能；既解決了以柴油機(jī)、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的船舶污染問(wèn)題，又解決了直接以天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為直推的動(dòng)力性能不穩(wěn)定問(wèn)題，同時(shí)還解決了以蓄電池作為動(dòng)力的純電動(dòng)船舶的續(xù)航力短的問(wèn)題；氣-電混合動(dòng)力系統(tǒng)將是未來(lái)綠色船舶動(dòng)力的典范，有廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞LNG；插電式混合動(dòng)力；氣-電混合動(dòng)力；燃?xì)鈩?dòng)力船舶；雙燃料

我國(guó)的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，航運(yùn)污染已成為繼機(jī)動(dòng)車尾氣污染、工業(yè)企業(yè)排放之后的第三大大氣污染來(lái)源。我國(guó)內(nèi)陸河流眾多，主要航道運(yùn)輸如京杭運(yùn)河、長(zhǎng)江、西江等均經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的地區(qū)。目前內(nèi)河船舶以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源的占95%以上，這些船舶向大氣中排放大量的CO2、NOx、SOx和PM顆粒物，嚴(yán)重影響周圍城市的空氣質(zhì)量，危害人們健康[1]。

液化天然氣作為一種綠色能源，用以替代傳統(tǒng)燃油作為船舶動(dòng)力燃料的技術(shù)已漸漸出現(xiàn)在人們的視野中。近幾年，隨著LNG相關(guān)規(guī)范的發(fā)布，在國(guó)家大力推進(jìn)下，航運(yùn)企業(yè)已改造和新建了一批燃?xì)鈩?dòng)力船。這些船舶大部分采用雙燃料(柴油-LNG)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的動(dòng)力模式，但檢測(cè)結(jié)果顯示其發(fā)動(dòng)機(jī)排放并不理想。還有一部分采用純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的動(dòng)力模式，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)排放達(dá)到了預(yù)期效果，但是，發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能不足，船舶航行的穩(wěn)定性、安全性得不到保障[2][3]。

而采用純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池組雙動(dòng)力源的氣-電混合式動(dòng)力系統(tǒng)既解決了發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣排放帶來(lái)的污染問(wèn)題，又解決了純氣體動(dòng)力系統(tǒng)船舶的一些弊病，同時(shí)還解決了以蓄電池作為動(dòng)力的純電動(dòng)船舶的續(xù)航力短的問(wèn)題。

1系統(tǒng)構(gòu)成

插電式混合式動(dòng)力系統(tǒng)已很成熟，并廣泛的應(yīng)用在汽車上[4]，該系統(tǒng)由一個(gè)蓄電池動(dòng)力源、一個(gè)或多個(gè)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力源以及一套或多套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。而本文所描述的氣電混合式動(dòng)力系統(tǒng)也屬于插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的一種，內(nèi)燃?xì)獠捎肔NG發(fā)動(dòng)機(jī)。

以京杭運(yùn)河一艘2000噸散貨船為例，該船船長(zhǎng)61 m，型寬12.7 m，型深4.2 m，在航速14km/h時(shí)續(xù)航力48 h， 系統(tǒng)組成如下:

(1)推進(jìn)系統(tǒng)采用兩臺(tái)170kW電動(dòng)機(jī)通過(guò)兩臺(tái)齒輪箱驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)常規(guī)螺旋槳；

(2)采用兩臺(tái)純天然氣發(fā)電機(jī)組作為第一動(dòng)力源,根據(jù)全船電力負(fù)荷計(jì)算，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組功率230 kW；

(3)一組免維護(hù)鉛酸蓄電池為第二動(dòng)力源；

(4)采用插電式混合電力推進(jìn)，控制系統(tǒng)采用交流變頻形式；

(5)發(fā)電機(jī)組燃用的LNG儲(chǔ)存在一個(gè)10 m3雙層不銹鋼低溫儲(chǔ)罐中，儲(chǔ)罐配兩個(gè)氣罐連接處所，各氣罐連接處所分別設(shè)一套供氣系統(tǒng)至一臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。

(6)智能化集中式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖1。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)成

基于蓄電池供電的續(xù)航力要根據(jù)具體船舶的特點(diǎn)如過(guò)閘時(shí)間、停泊時(shí)間、充電時(shí)間、航道、造價(jià)等因素綜合確定。

蓄電池容量可按YD5040‐97《通信電源設(shè)備安裝設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定計(jì)算

式中：Q—蓄電池容量(AH)

K—安全系數(shù)，取1.25

I—負(fù)荷電流(A)

T—放電小時(shí)數(shù)(H，取50 分鐘)

t—實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度值(按照CCS 規(guī)范環(huán)境溫度0‐40°，此處取0°)

α—電池溫度系數(shù)(1/℃，當(dāng)放電小時(shí)率≥10 時(shí)，α=0.006；當(dāng)10>放電小時(shí)率≥1 時(shí)，α=0.008；當(dāng)放電小時(shí)率<1 時(shí)，α=0.01)

η—放電容量系數(shù)

2性能優(yōu)勢(shì)

2.1動(dòng)力穩(wěn)定性

船舶配一臺(tái)帶兩個(gè)氣罐連接處所的天然氣低溫儲(chǔ)罐，每個(gè)氣罐連接處所分別設(shè)一套供氣系統(tǒng)至一臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，任意一路供氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障不會(huì)影響到另外一路。

當(dāng)船舶的工況需要使用兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組時(shí)，若一臺(tái)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障，另外一臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行不會(huì)受到影響，此時(shí)，蓄電池組會(huì)提供電力保證當(dāng)前船舶工況的電力不受影響。

當(dāng)船舶的工況僅需要使用一臺(tái)發(fā)電機(jī)組時(shí)，若這臺(tái)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障，蓄電池組會(huì)立即提供電力保證當(dāng)前船舶工況的電力不受影響。然后，船員可以起動(dòng)另外一臺(tái)發(fā)電機(jī)組替換蓄電池。

當(dāng)前船舶在當(dāng)前工況使用一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，當(dāng)緊急情況下需要突然加速時(shí)，蓄電池會(huì)提供電力保證船舶的加速性能[5]。

2.2節(jié)能

2.2.1航行時(shí)

無(wú)論是柴油機(jī)還是燃?xì)鈾C(jī)，其設(shè)計(jì)都是在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出額定功率時(shí)的燃料耗率最低。但是內(nèi)河水域環(huán)境復(fù)雜多變，船舶很難長(zhǎng)期穩(wěn)定在一個(gè)航速，故難以保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定功率，達(dá)到最低的油耗。

而氣電混合式推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，發(fā)動(dòng)機(jī)能長(zhǎng)期穩(wěn)定在最低燃?xì)夂穆蕰r(shí)的額定工況下運(yùn)行。

船舶在設(shè)計(jì)航速航行時(shí)，推進(jìn)電機(jī)收到的功率不變，生活用電功率有一定的波動(dòng)，此時(shí)，僅有少量的電量可用于給蓄電池充電。

在船舶在低于設(shè)計(jì)航速航行時(shí)，推進(jìn)電機(jī)收到的功率低于額定功率，此時(shí)，相對(duì)較多的電量可用于給蓄電池充電。

當(dāng)船舶在航速高于設(shè)計(jì)航速航行時(shí)，而此時(shí)生活用電也在最大功率使用時(shí)，發(fā)電機(jī)組也不需要超出額定功率運(yùn)行，此時(shí)，蓄電池會(huì)提供電量來(lái)保證推進(jìn)電機(jī)的功率。

除此之外，船舶過(guò)閘或短期航行時(shí)，可由蓄電池提供動(dòng)力源，避免了頻繁起動(dòng)發(fā)電機(jī)組，造成能源浪費(fèi)。

2.2.2停泊時(shí)

船舶靠岸時(shí)可接岸電給蓄電池充電，蓄電池的電量可提供一定續(xù)航力。岸電較便宜，可減少一定的運(yùn)營(yíng)成本。船舶停泊無(wú)岸電時(shí)，蓄電池的電量可以為船舶提供生活用電，不需要開啟發(fā)電機(jī)組。蓄電池還可為船舶的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、燃?xì)獗O(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供電源。

2.3環(huán)保

2.3.1尾氣排放

目前國(guó)內(nèi)改裝的雙燃料模式的船只，發(fā)動(dòng)機(jī)排放并不理想，如“蘇宿貨1260”,在雙燃料模式下，相對(duì)于燃油模式，CO2排放減少15%-20%，NOx排放減少85%-90%，SOx排放減小了98～100%[6]。

而純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排放則普遍比較理想。據(jù)RR的一型火花塞點(diǎn)火的稀薄燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)資料顯示,其排放較柴油發(fā)動(dòng)機(jī)減少約92%的NOx排放、22%的CO2排放、98%～100%的SOx排放、98%的顆粒排放。調(diào)查顯示目前市場(chǎng)上大部分純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)排放能達(dá)到IMOTierIII的標(biāo)準(zhǔn)。

研究分析顯示，一般發(fā)動(dòng)機(jī)在其恒速工況和優(yōu)化負(fù)荷點(diǎn)附近運(yùn)行時(shí)，其有害氣體的比排放量最低。氣電混合式動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期在額定工況下運(yùn)行。相比純氣體動(dòng)力的其它類型的推進(jìn)方式,如直推、純電力推進(jìn)等，本系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)壞境造成的污染最少[7]。

2.3.2油污水污染

機(jī)艙污油水污染源主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油、燃油、液壓油等的泄露。而純氣體發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有燃油系統(tǒng)，設(shè)有氣電混合式推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，船上沒(méi)有燃油，不會(huì)因?yàn)槿加托孤抖斐晌廴尽?/p>

2.3.3噪音污染

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一般爆壓低、運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，其產(chǎn)生的噪音相對(duì)小很多，本系統(tǒng)中恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組噪音會(huì)更小。當(dāng)用蓄電池作為動(dòng)力源運(yùn)行時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生噪音。

3存在的問(wèn)題

3.1蓄電池組的配置

船用蓄電池一般采用鉛酸蓄電池，其價(jià)格昂貴，使用壽命一般在5年左右。作為第二動(dòng)力源使用，其容量大小關(guān)系著船舶的續(xù)航力。較久的續(xù)航力需要較大的蓄電池的容量，帶來(lái)的問(wèn)題就是電池的體積、質(zhì)量也就越大，增加了船舶的質(zhì)量，減少船舶的載貨量，增加船舶的布置難度,增加了船舶的造價(jià)和維修成本。

3.2LNG動(dòng)力船產(chǎn)業(yè)發(fā)展問(wèn)題

LNG動(dòng)力船產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙，不單包括基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)滯后，商業(yè)模式不成熟也是因素之一。只有前期項(xiàng)目盡快實(shí)現(xiàn)盈利，才能實(shí)現(xiàn)LNG動(dòng)力船工程的良性運(yùn)轉(zhuǎn)，才能吸引更多的投資人進(jìn)入LNG動(dòng)力船產(chǎn)業(yè)，從而推動(dòng)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

此外，由于缺乏國(guó)家層面的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，導(dǎo)致即使改造好的LNG動(dòng)力船也難以運(yùn)行。目前船東主要選擇以LNG-柴油雙燃料動(dòng)力改造為主,國(guó)內(nèi)施行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，一直落后于LNG動(dòng)力船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐，致使LNG船用市場(chǎng)發(fā)展比預(yù)期的緩慢[9]。

參考文獻(xiàn)

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3葛正柏.淺談內(nèi)河LNG動(dòng)力船舶的性能[J].中國(guó)水運(yùn)，2012.4(12)：5-7

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8中國(guó)船級(jí)社.綠色船舶規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015

(責(zé)任編輯：譚銀元)

Application of Gas-Electric Hybrid Power System on Ship

RUAN Dong1,PAN Li1,ZHU Xian-Ling2

(1.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064,China;2.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan 430050,China)

Abstract:Electric propulsion system of hybrid gas-electric ship can get electricity not only from LNG generator set, but also from the battery group. The marine pollution problems, which usually exist on the ship with diesel engine and dual fuel engine, don’t exist on the hybrid gas-electric ship. What’s more, the dynamic instability of natural gas-powered engine and the short endurance of battery-powered engine don’t exist on the hybrid gas-electric ship, either. It is believed in the essay that there is a great prospect for gas-electric hybrid power system development.

Key words:LNG; plug-in hybrid power; gas-electric hybrid power; gas powered ship; dual fuel

收稿日期：2016-02-18

作者簡(jiǎn)介：阮棟，男，大學(xué)本科，工程師，研究方向：船舶設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào)U664.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1671-8100(2016)02-0016-04