阮　棟　潘　李　朱顯玲

(1.中國艦船研究設計中心，湖北武漢　430064;2.武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北武漢　430050)

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氣-電混合動力系統(tǒng)在船舶上的應用

阮棟1潘李1朱顯玲2

(1.中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064;2.武漢船舶職業(yè)技術學院，湖北武漢430050)

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

關鍵詞LNG；插電式混合動力；氣-電混合動力；燃氣動力船舶；雙燃料

我國的環(huán)境污染日益嚴重，航運污染已成為繼機動車尾氣污染、工業(yè)企業(yè)排放之后的第三大大氣污染來源。我國內陸河流眾多，主要航道運輸如京杭運河、長江、西江等均經過經濟發(fā)達、人口稠密的地區(qū)。目前內河船舶以柴油發(fā)動機為動力源的占95%以上，這些船舶向大氣中排放大量的CO2、NOx、SOx和PM顆粒物，嚴重影響周圍城市的空氣質量，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)燃油作為船舶動力燃料的技術已漸漸出現(xiàn)在人們的視野中。近幾年，隨著LNG相關規(guī)范的發(fā)布，在國家大力推進下，航運企業(yè)已改造和新建了一批燃氣動力船。這些船舶大部分采用雙燃料(柴油-LNG)直接驅動螺旋槳的動力模式，但檢測結果顯示其發(fā)動機排放并不理想。還有一部分采用純氣體發(fā)動機直接驅動螺旋槳的動力模式，雖然發(fā)動機排放達到了預期效果，但是，發(fā)動機加速性能不足，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)動機和蓄電池組雙動力源的氣-電混合式動力系統(tǒng)既解決了發(fā)動機的尾氣排放帶來的污染問題，又解決了純氣體動力系統(tǒng)船舶的一些弊病，同時還解決了以蓄電池作為動力的純電動船舶的續(xù)航力短的問題。

1系統(tǒng)構成

插電式混合式動力系統(tǒng)已很成熟，并廣泛的應用在汽車上[4]，該系統(tǒng)由一個蓄電池動力源、一個或多個內燃機動力源以及一套或多套驅動系統(tǒng)組成。而本文所描述的氣電混合式動力系統(tǒng)也屬于插電式混合動力系統(tǒng)的一種，內燃氣采用LNG發(fā)動機。

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

(1)推進系統(tǒng)采用兩臺170kW電動機通過兩臺齒輪箱驅動兩臺常規(guī)螺旋槳；

(2)采用兩臺純天然氣發(fā)電機組作為第一動力源,根據(jù)全船電力負荷計算，每臺發(fā)電機組功率230 kW；

(3)一組免維護鉛酸蓄電池為第二動力源；

(4)采用插電式混合電力推進，控制系統(tǒng)采用交流變頻形式；

(5)發(fā)電機組燃用的LNG儲存在一個10 m3雙層不銹鋼低溫儲罐中，儲罐配兩個氣罐連接處所，各氣罐連接處所分別設一套供氣系統(tǒng)至一臺燃氣發(fā)電機組。

(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)構成

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

蓄電池容量可按YD5040‐97《通信電源設備安裝設計規(guī)范》中的規(guī)定計算

式中：Q—蓄電池容量(AH)

K—安全系數(shù)，取1.25

I—負荷電流(A)

T—放電小時數(shù)(H，取50 分鐘)

t—實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/℃，當放電小時率≥10 時，α=0.006；當10>放電小時率≥1 時，α=0.008；當放電小時率<1 時，α=0.01)

η—放電容量系數(shù)

2性能優(yōu)勢

2.1動力穩(wěn)定性

船舶配一臺帶兩個氣罐連接處所的天然氣低溫儲罐，每個氣罐連接處所分別設一套供氣系統(tǒng)至一臺燃氣發(fā)電機組，任意一路供氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障不會影響到另外一路。

當船舶的工況需要使用兩臺發(fā)電機組時，若一臺發(fā)電機組出現(xiàn)故障，另外一臺發(fā)電機組運行不會受到影響，此時，蓄電池組會提供電力保證當前船舶工況的電力不受影響。

當船舶的工況僅需要使用一臺發(fā)電機組時，若這臺發(fā)電機組出現(xiàn)故障，蓄電池組會立即提供電力保證當前船舶工況的電力不受影響。然后，船員可以起動另外一臺發(fā)電機組替換蓄電池。

當前船舶在當前工況使用一臺發(fā)電機組，當緊急情況下需要突然加速時，蓄電池會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

無論是柴油機還是燃氣機，其設計都是在發(fā)動機發(fā)出額定功率時的燃料耗率最低。但是內河水域環(huán)境復雜多變，船舶很難長期穩(wěn)定在一個航速，故難以保證發(fā)動機運行在額定功率，達到最低的油耗。

而氣電混合式推進系統(tǒng)的船舶，發(fā)動機能長期穩(wěn)定在最低燃氣耗率時的額定工況下運行。

船舶在設計航速航行時，推進電機收到的功率不變，生活用電功率有一定的波動，此時，僅有少量的電量可用于給蓄電池充電。

在船舶在低于設計航速航行時，推進電機收到的功率低于額定功率，此時，相對較多的電量可用于給蓄電池充電。

當船舶在航速高于設計航速航行時，而此時生活用電也在最大功率使用時，發(fā)電機組也不需要超出額定功率運行，此時，蓄電池會提供電量來保證推進電機的功率。

除此之外，船舶過閘或短期航行時，可由蓄電池提供動力源，避免了頻繁起動發(fā)電機組，造成能源浪費。

2.2.2停泊時

船舶靠岸時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，可減少一定的運營成本。船舶停泊無岸電時，蓄電池的電量可以為船舶提供生活用電，不需要開啟發(fā)電機組。蓄電池還可為船舶的安全監(jiān)測系統(tǒng)、燃氣監(jiān)測系統(tǒng)提供電源。

2.3環(huán)保

2.3.1尾氣排放

目前國內改裝的雙燃料模式的船只，發(fā)動機排放并不理想，如“蘇宿貨1260”,在雙燃料模式下，相對于燃油模式，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)動機的排放則普遍比較理想。據(jù)RR的一型火花塞點火的稀薄燃燒天然氣發(fā)動機資料顯示,其排放較柴油發(fā)動機減少約92%的NOx排放、22%的CO2排放、98%～100%的SOx排放、98%的顆粒排放。調查顯示目前市場上大部分純氣體發(fā)動機排放能達到IMOTierIII的標準。

研究分析顯示，一般發(fā)動機在其恒速工況和優(yōu)化負荷點附近運行時，其有害氣體的比排放量最低。氣電混合式動力系統(tǒng)運行時，天然氣發(fā)動機能夠長期在額定工況下運行。相比純氣體動力的其它類型的推進方式,如直推、純電力推進等，本系統(tǒng)中發(fā)動機對壞境造成的污染最少[7]。

2.3.2油污水污染

機艙污油水污染源主要來源于發(fā)動機的滑油、燃油、液壓油等的泄露。而純氣體發(fā)動機沒有燃油系統(tǒng)，設有氣電混合式推進系統(tǒng)的船舶，船上沒有燃油，不會因為燃油泄露而造成污染。

2.3.3噪音污染

天然氣發(fā)動機相對柴油發(fā)動機一般爆壓低、運行相對平穩(wěn)，其產生的噪音相對小很多，本系統(tǒng)中恒轉速運行的燃氣發(fā)電機組噪音會更小。當用蓄電池作為動力源運行時，不會產生噪音。

3存在的問題

3.1蓄電池組的配置

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

3.2LNG動力船產業(yè)發(fā)展問題

LNG動力船產業(yè)發(fā)展的障礙，不單包括基礎配套設施建設滯后，商業(yè)模式不成熟也是因素之一。只有前期項目盡快實現(xiàn)盈利，才能實現(xiàn)LNG動力船工程的良性運轉，才能吸引更多的投資人進入LNG動力船產業(yè)，從而推動該產業(yè)的發(fā)展。

此外，由于缺乏國家層面的執(zhí)行標準、規(guī)范，導致即使改造好的LNG動力船也難以運行。目前船東主要選擇以LNG-柴油雙燃料動力改造為主,國內施行的規(guī)范標準，一直落后于LNG動力船產業(yè)的發(fā)展步伐，致使LNG船用市場發(fā)展比預期的緩慢[9]。

參考文獻

1嚴新平，萬江龍，袁裕鵬，等.運河船舶岸基能源推進技術的系統(tǒng)構建[J].航海工程，2015(3)：159-163

2金凌.LNG混合動力船舶優(yōu)勢幾何[J].中國船檢，2011(4)：63-65

3葛正柏.淺談內河LNG動力船舶的性能[J].中國水運，2012.4(12)：5-7

4瞿緒方.氣-電混合動力公交車在寧波公交的應用[J].人民公交，2013(9)：45

5李衛(wèi)民.混合動力汽車控制系統(tǒng)與能量管理策略研究[D].上海交通大學博士學位論文，2008，10

6王世榮.我國內河柴油LNG雙燃料動力船舶的現(xiàn)狀分析與建議[J].中國水運，2011(7)：4-7

7冀路明，汪慶周.二十一世紀的Azipod吊艙式電力推進系統(tǒng)[J].船舶工程，2002(2)：64

8中國船級社.綠色船舶規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015

(責任編輯：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

作者簡介：阮棟，男，大學本科，工程師，研究方向：船舶設計。

中圖分類號U664.13

文獻標志碼A

文章編號1671-8100(2016)02-0016-04