孫 林

(上海瀚順船舶設(shè)計(jì)有限公司，上海 200135)

0 引言

目前，航運(yùn)業(yè)正向節(jié)能減排、綠色航運(yùn)的方向轉(zhuǎn)型。全球范圍的硫排放限制區(qū)和中國(guó)近海及內(nèi)河航道的硫排放限制要求，都對(duì)目前使用燃燒傳統(tǒng)化石能源的柴油機(jī)進(jìn)行推進(jìn)的船舶提出了挑戰(zhàn)。對(duì)此，營(yíng)運(yùn)船舶都在采用燃燒低硫燃油、安裝脫硫裝置或使用生物燃料LNG的方式進(jìn)行應(yīng)對(duì)[1]。而國(guó)際海事組織(IMO)海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)于2019年5月17日在倫敦召開了會(huì)議，結(jié)合之前在全球范圍內(nèi)設(shè)置的硫排放限制區(qū)，會(huì)議不僅討論了將制定更加嚴(yán)格的硫排放規(guī)則，同時(shí)提出了到2050年在2008年基礎(chǔ)上減少溫室氣體排放50%的長(zhǎng)期目標(biāo)。因此，要切實(shí)降低溫室氣體排放，勢(shì)必要降低柴油機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。而現(xiàn)階段，對(duì)安裝鋰電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能元件，或者燃料電池等新能源的混合推進(jìn)船舶的研究，無(wú)疑是一重要的發(fā)展方向。本文提出了一種適用于頻繁在內(nèi)河航道低速航行的成品油船的直流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)，電源為異步變速發(fā)電機(jī)和鋰動(dòng)力電池，對(duì)雙繞組低速永磁同步電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)螺旋槳。該配電系統(tǒng)可以有效降低溫室氣體排放，且能接駁岸電用于船舶卸貨，實(shí)現(xiàn)港口停泊時(shí)的零排放。

1 混合推進(jìn)模式

以儲(chǔ)能元件鋰動(dòng)力電池為例，適用于電池-柴油機(jī)混合推進(jìn)的模式一般有兩種：(1) 推進(jìn)柴油機(jī)和電池驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳；(2) 柴油發(fā)電機(jī)和電池共同對(duì)推進(jìn)電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)螺旋槳。兩種推進(jìn)方式見(jiàn)圖1。

圖1 混合推進(jìn)模式

第1種模式令推進(jìn)電機(jī)在PTO/PTI模式下切換實(shí)現(xiàn)減排[2]：推進(jìn)功率富余時(shí)，電機(jī)在PTO模式下作為發(fā)電機(jī)供電。由于推進(jìn)柴油機(jī)工作在高負(fù)荷率區(qū)域，油耗較低，通過(guò)減少柴油發(fā)電機(jī)的使用頻率來(lái)降低排放；進(jìn)入排放限制較高的區(qū)域時(shí)，電機(jī)在PTI模式下作為推進(jìn)電機(jī)由鋰電池供電驅(qū)動(dòng)螺旋槳，通過(guò)減少推進(jìn)柴油機(jī)的使用降低排放。這種模式涉及推進(jìn)電機(jī)和推進(jìn)柴油機(jī)之間的機(jī)械配合，復(fù)雜且存在較多損耗。

第2種模式簡(jiǎn)化了柴油機(jī)的數(shù)量，船舶變成純電力推動(dòng)，各動(dòng)力能源之間僅有電氣連接，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。鋰動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能單元可以隨時(shí)介入船舶電網(wǎng)，無(wú)疑是更可靠有效的推進(jìn)模式。

因此，本文設(shè)計(jì)的配電系統(tǒng)基于第2種柴油發(fā)電機(jī)和動(dòng)力電池結(jié)合的混合推進(jìn)模式。

2 推進(jìn)電機(jī)選型

對(duì)于需要在國(guó)際范圍內(nèi)進(jìn)行成品油貨品的運(yùn)輸，同時(shí)又頻繁在內(nèi)河各成品油碼頭進(jìn)行貨物接駁的化學(xué)品成品油船，其航速特性一般為：在外海航行時(shí)一般排放限制要求較低，航速較高，為12～13 kn，推進(jìn)電機(jī)負(fù)荷率較高；而在近海內(nèi)河航行時(shí)一般排放限制要求較高，航速較低，為8～9 kn，推進(jìn)電機(jī)負(fù)荷率較低。表1為某6 500 載重噸化學(xué)品船的航速預(yù)估報(bào)告，以此為依據(jù)，結(jié)合此類船舶的航速特點(diǎn)，進(jìn)行推進(jìn)電機(jī)的選型。

表1 某6 500載重噸化學(xué)品船航速預(yù)估報(bào)告

首先，出于節(jié)能的考慮，在推進(jìn)電機(jī)的選擇上須選擇效率更高的電機(jī)。相較于傳統(tǒng)的交流同步電機(jī)(ASM)，永磁同步電機(jī)(PMSM)有更高的效率。電機(jī)效率比較見(jiàn)圖2。從圖中看出，在高負(fù)荷率的狀態(tài)下約有2%的差距。由于船舶所用的推進(jìn)電機(jī)功率較大，以表1中13 kn航速下的功率1 535 kW為例，則ASM和PMSM的功率損耗會(huì)有30.7 kW的差距?？紤]供電線路和器件的損耗，反應(yīng)在發(fā)電機(jī)和電池側(cè)，此差距會(huì)更大。同時(shí)PMSM有著更小的體積利于船內(nèi)布置，因此本文選擇更高效節(jié)能的PMSM作為推進(jìn)電機(jī)。

圖2 電機(jī)效率比較

同時(shí)，加大電機(jī)的極對(duì)數(shù)，降低電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。使用例如32極的電機(jī)，可以使電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速降至112 r/min，適用于低轉(zhuǎn)速的螺旋槳，從而在軸系中省去齒輪箱的損耗，進(jìn)一步提升效率。

通過(guò)對(duì)表1的分析可知，當(dāng)船舶低速航行(航速8～9 kn)時(shí)螺旋槳收到功率為高速航行(航速12～13 kn)時(shí)的50%甚至更小。以航速9 kn為例，推進(jìn)電機(jī)負(fù)荷率僅為航速13 kn滿負(fù)荷時(shí)的31%。通過(guò)圖2中電機(jī)負(fù)荷率與電機(jī)效率的關(guān)系曲線，可知對(duì)PMSM而言，低負(fù)荷率時(shí)電機(jī)效率也會(huì)隨之降低。因此，為了保持電機(jī)的高效運(yùn)行，選擇圖3的雙繞組PMSM。高速航行時(shí)啟用2套繞組在100%額定功率運(yùn)行；低速時(shí)啟用1套繞組，以50%額定功率運(yùn)行，提升電機(jī)的負(fù)荷率從而提升電機(jī)效率，進(jìn)一步減少電能損耗。

圖3 串聯(lián)式雙繞組電機(jī)結(jié)構(gòu)

因此，本文選用雙繞組低速永磁同步電機(jī)作為此類型船舶的推進(jìn)電機(jī)，適合其使用工況，同時(shí)滿足節(jié)能的相關(guān)要求。

3 配電母線選型

對(duì)于使用傳統(tǒng)交流配電母線的純電力推進(jìn)船舶，作為主電源的柴油發(fā)電機(jī)一般為交流同步發(fā)電機(jī)，并車運(yùn)行對(duì)交流配電母線供電，而推進(jìn)電機(jī)經(jīng)變頻器由母線供電驅(qū)動(dòng)。作為直流電源的鋰動(dòng)力電池需經(jīng)逆變器和變壓器與母線連接供電，其配電結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4(a)。這種配電方式存在著低負(fù)荷率時(shí)柴油發(fā)電機(jī)效率、低油耗高，電池與柴油發(fā)電機(jī)并車復(fù)雜等缺陷。

采用圖4(b)所示的直流配電母線結(jié)構(gòu)，將變頻器單元的AC/DC整流模塊和DC/AC逆變模塊進(jìn)行拆分，所有的整流和逆變模塊都共用直流母線，避免了交流配電系統(tǒng)中存在的各變頻器單元在母排上產(chǎn)生的諧波污染。同時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組都經(jīng)過(guò)整流器整流接至直流母排，因此無(wú)需考慮并聯(lián)運(yùn)行需電壓頻率一致的問(wèn)題，可以選用交流異步變速發(fā)電機(jī)組。

交流異步變速發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)是：當(dāng)與交流同步發(fā)電機(jī)工作在同一功率點(diǎn)時(shí)，異步變速發(fā)電機(jī)可以工作在其他燃油消耗率更低的轉(zhuǎn)速下，不必像同步發(fā)電機(jī)一樣恒速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能的效果。另外，儲(chǔ)能元件如電池的標(biāo)準(zhǔn)輸出一般為直流電，使用直流母排，更利于儲(chǔ)能元件接入配電系統(tǒng)，節(jié)省了器件。因此，本文選用直流配電母線，以異步變速發(fā)電機(jī)為主電源的配電系統(tǒng)服務(wù)于此類型船舶。

4 配電系統(tǒng)

結(jié)合分析和選型，設(shè)計(jì)的新型直流配電推進(jìn)船舶的配電系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

主推進(jìn)電機(jī)的2個(gè)繞組分別由2臺(tái)逆變器供電：一臺(tái)逆變器可在船舶靠泊碼頭時(shí)兼用于驅(qū)動(dòng)艏側(cè)推電機(jī)；另一臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)電機(jī)的1組繞組，實(shí)現(xiàn)船舶的機(jī)動(dòng)操縱。

船舶上AC380 V/2.21 kW/50 Hz的工作及生活用電由母排經(jīng)逆變器、濾波單元和變壓器供給，保證交流母排上的諧波量不超過(guò)規(guī)定值。用于船舶卸貨的貨油泵電機(jī)經(jīng)相應(yīng)的逆變器由直流母排供電。

由岸電接駁至船上的岸電可經(jīng)由其中1臺(tái)發(fā)電機(jī)的整流器對(duì)直流母排供電。電能可以用于鋰動(dòng)力電池組的充電、船舶在港時(shí)的工作及生活用電，以及卸貨時(shí)貨油泵電機(jī)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了船舶在港時(shí)的零排放。同時(shí)，由于整流器的存在，當(dāng)船舶靠泊國(guó)外港口時(shí)，岸電規(guī)格為AC440 V/2.21 kW/50 Hz時(shí)，也不影響使用，具有更廣泛的適用性。

5 節(jié)能減排

6 500 載重噸化學(xué)品船，依據(jù)圖5的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了配電系統(tǒng)。主電源為2臺(tái)異步變速柴油發(fā)電機(jī)組，規(guī)格為AC690 V/1 020 kW；輔助電源約為1 000 kWh的鋰動(dòng)力電池組。船舶螺旋槳由1臺(tái)雙繞組低速永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，規(guī)格為AC690 V/29.9 Hz/112(r·min-1)/(1 000 kW×2)。配電母線為1 000 V的直流配電母線，與相應(yīng)容量的整流和逆變器件均安裝在直流配電板內(nèi)。

設(shè)置船舶的運(yùn)行工況為在內(nèi)河以9 kn航行，船舶所需功率約700 kW，船舶航行10 h，則航程所需總電量約為7 000 kWh。在此工況下優(yōu)先使用1 000 kWh的鋰動(dòng)力電池單獨(dú)供電驅(qū)動(dòng)船舶，則柴油機(jī)的運(yùn)行時(shí)間降低了1.4 h。

6 結(jié)論

(1)減少了柴油機(jī)的溫室氣體排放。靈活的直流配電網(wǎng)絡(luò)和作為儲(chǔ)能元件的鋰動(dòng)力電池的介入供電，降低了柴油發(fā)電機(jī)的在網(wǎng)功率和時(shí)間，切實(shí)降低了排放。

(2)損耗的降低。選用PMSM電機(jī)提升了電機(jī)效率；低速電機(jī)減少了軸系損耗；雙繞組提升了低負(fù)荷工況下的電機(jī)效率。因而從推進(jìn)的角度整體提升了供電效率，降低了損耗。

(3)有著優(yōu)良的擴(kuò)展性。目前新型的儲(chǔ)能元件如鋰電池和超級(jí)電容等，以及新能源如燃料電池等，其輸出的電制大都為直流電，直流母排對(duì)新能源的支持，為未來(lái)船舶電站進(jìn)一步提升新能源比重，降低傳統(tǒng)能源比重設(shè)置了良好的升級(jí)能力。