王珊珊，徐家潤(rùn)，陳德富，卓金寶

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108）

引言

船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)作為一種新型船舶推進(jìn)型式，發(fā)揮柴油機(jī)推進(jìn)和電力推進(jìn)兩種動(dòng)力型式的綜合優(yōu)勢(shì)，具有經(jīng)濟(jì)、高效、操縱性好、動(dòng)力冗余等優(yōu)點(diǎn)[1]。尤其是對(duì)于內(nèi)河船舶，因?yàn)榇蠖鄶?shù)選用雙機(jī)-雙槳推進(jìn)結(jié)構(gòu)，具有大長(zhǎng)寬比/寬深比特點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間航行在急流、淺水、變水位、狹窄航道等復(fù)雜通航航道，需要頻繁改變運(yùn)行工況，所以適合選用多模式船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力推進(jìn)。隨著船舶能效管理技術(shù)的不斷發(fā)展，具有不同功能或性能的船舶能效管理系統(tǒng)相繼被開發(fā)出來[2-4]。但是，對(duì)于船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)，特別是內(nèi)河近海船舶混合動(dòng)力的能效系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用的報(bào)道還比較少。特別是在船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)和運(yùn)行早期階段，難以獲得足夠完備和準(zhǔn)確的油耗數(shù)據(jù)的情況下，內(nèi)河船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)如何選取最優(yōu)運(yùn)行模式還需要開展大量基礎(chǔ)研究工作。

1 功能分析

根據(jù)功能要求，船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化可分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、油耗預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行模式優(yōu)化。數(shù)據(jù)采集模塊主要采集混合動(dòng)力系統(tǒng)耗能設(shè)備的油耗值以及長(zhǎng)江不同航段的水文氣象數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)水文氣象數(shù)據(jù)以及航段航速要求進(jìn)行船舶推進(jìn)功率分析。油耗預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫為混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真油耗結(jié)果。運(yùn)行模式優(yōu)化模塊為整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，基于智能優(yōu)化算法給出混合動(dòng)力系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行模式和轉(zhuǎn)速等量化控制指令。

2 船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式

目前柴電混合動(dòng)力主要包括串聯(lián)式柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)（CRP 系統(tǒng)）和PTO/PTI 軸帶電機(jī)模式柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)。本文研究的是PTO/PTI 軸帶電機(jī)模式柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)，軸帶電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)，也可以作為電動(dòng)機(jī)使用。運(yùn)行模式包括柴油機(jī)直接推進(jìn)模式、電機(jī)直接推進(jìn)模式（PTH）、電機(jī)輔助推進(jìn)模式（PTI）以及軸帶發(fā)電模式（PTO）。

（1）柴油機(jī)直接推進(jìn)模式?；旌蟿?dòng)力船舶在柴油主機(jī)直接推進(jìn)模式下，單獨(dú)使用柴油機(jī)通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

（2）電機(jī)直接推進(jìn)模式（PTH）。在PTH 模式下，柴油機(jī)處于停車狀態(tài)，由軸帶電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)螺旋槳進(jìn)行推進(jìn)，PTH 模式類似于電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

（3）電機(jī)輔助推進(jìn)模式（PTI）。在PTI 模式下，柴油機(jī)與軸帶電機(jī)通過齒輪箱并車驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

（4）軸帶發(fā)電模式（PTO）。PTO 模式下，柴發(fā)機(jī)組向日用負(fù)載供電，主機(jī)在提供船舶所需推進(jìn)功率的同時(shí)，還利用一部分富余功率驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)，當(dāng)儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)低于設(shè)定值時(shí)向其充電。

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況、航速要求、水文氣象環(huán)境、油耗要求等等因素，在四種模式中選擇一種最優(yōu)的運(yùn)行模式。

圖1 混合動(dòng)力系統(tǒng)總體仿真模型圖

3 數(shù)據(jù)采集與分析

在運(yùn)行模式優(yōu)化前，需要采集和分析得到多種類型的系統(tǒng)運(yùn)行和外部環(huán)境數(shù)據(jù)。主要分為兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)：（1）數(shù)據(jù)采集模塊主要采集混合動(dòng)力系統(tǒng)耗能設(shè)備的油耗值以及長(zhǎng)江不同航段的水文氣象數(shù)據(jù)；（2）數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)水文氣象數(shù)據(jù)以及航段航速要求進(jìn)行船舶推進(jìn)功率分析。

數(shù)據(jù)采集模塊通過在主輔機(jī)燃油管路處安裝油耗儀采集主輔機(jī)的油耗瞬時(shí)值和累積值。其中，油耗瞬時(shí)值用于主輔機(jī)油耗的在線監(jiān)測(cè)，油耗累積值用于一類能效參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析。

接下來，在采集到的水文氣象和航段航速數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)分析模塊分析船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)功率需求。首先針對(duì)選定的船型分析靜水阻力，然后從氣象水文數(shù)據(jù)庫中查詢所航行航段的水文氣象數(shù)據(jù)，考慮內(nèi)河航行時(shí)阻力受淺水、風(fēng)以及水流等影響因素的作用，結(jié)合所航行航段的航速要求，最后計(jì)算得到螺旋槳的推進(jìn)功率需求。

采用茲萬科夫公式計(jì)算混合動(dòng)力船舶處于不同航速下的靜水阻力。內(nèi)河航行阻力受淺水、風(fēng)、水流等影響因素的作用，船舶阻力會(huì)發(fā)生變化。淺水阻力采用胡緒昌法計(jì)算，該方法是將深水阻力換算成淺水阻力修正系數(shù)，對(duì)于內(nèi)河船舶的淺水阻力計(jì)算具有較好的適用性。對(duì)任意相對(duì)風(fēng)向角的平均縱向風(fēng)阻力RAA可采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中：k 為風(fēng)影響系數(shù)；ρA為空氣的密度；ATV為船體水線以上部分在橫剖面上的投影面積；CX為平均風(fēng)阻力系數(shù)。

通常認(rèn)為水流速度對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的影響只是表現(xiàn)在速度上，對(duì)于直線勻速航行的船舶，認(rèn)為均勻流不會(huì)產(chǎn)生阻力，僅考慮水流速度對(duì)于船舶航速的影響，即船舶對(duì)水速度等于船舶對(duì)地速度加減表面水流速度。

據(jù)此，可得出船舶在指定航段下，船舶總阻力R 與船舶對(duì)水速度V 之間的關(guān)系，則船舶推進(jìn)所需的有效功率為Pship=R×V。最終，得到螺旋槳推進(jìn)功率為Ppropellor=Pship/ηship，式中：ηship為船身效率，ηship=（1-t）/（1-ω），t 為推力減額；ω 為伴流分?jǐn)?shù)。

4 運(yùn)行模式優(yōu)化設(shè)計(jì)

在Visual Studio 環(huán)境中基于C 語言開發(fā)混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化軟件。在船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)和運(yùn)行早期階段時(shí)，難以獲得動(dòng)力系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下足夠完備和準(zhǔn)確的油耗數(shù)據(jù)。針對(duì)此種情況，可以基于AMESim 仿真軟件建立船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗仿真模型，將仿真結(jié)果存儲(chǔ)在油耗預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫中，作為后續(xù)運(yùn)行模式優(yōu)化計(jì)算時(shí)油耗參數(shù)的數(shù)據(jù)來源。

應(yīng)用AMESim 仿真軟件對(duì)混合動(dòng)力不同運(yùn)行模式下的不同工況進(jìn)行油耗仿真，混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真總體仿真模型圖如圖1 所示。

由圖1 可知，混合動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型由單機(jī)組組成，包括一臺(tái)柴油機(jī)、一臺(tái)可逆軸帶電機(jī)、齒輪箱、聯(lián)軸器、螺旋槳以及船體。TBD234V6 不可逆高速柴油機(jī)為主機(jī)，每臺(tái)主機(jī)通過齒輪箱與可逆軸帶電機(jī)并聯(lián)，通過軸系驅(qū)動(dòng)螺旋槳組成混合推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)主推進(jìn)模式、軸帶電機(jī)發(fā)電模式PTO、軸帶電機(jī)電動(dòng)模式與主機(jī)共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳以及軸帶電機(jī)單獨(dú)帶動(dòng)螺旋槳的純電力推進(jìn)模式。

表1 不同穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下各參數(shù)的誤差分析

圖2 混合動(dòng)力系統(tǒng)最佳運(yùn)行模式界面圖

通過對(duì)比仿真結(jié)果以及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)的可靠性，文中選取轉(zhuǎn)速為1101rpm-1898rpm 各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比得到功率、增壓器轉(zhuǎn)速、渦輪前排溫以及油耗參數(shù)，對(duì)比結(jié)果見表1。

從表1 中可以看出仿真結(jié)果可以滿足油耗預(yù)測(cè)的工程應(yīng)用要求。將在不同運(yùn)行模式（柴油機(jī)推進(jìn)、PTH、PTI、PTO）下不同工況的仿真結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)功率、主機(jī)燃油消耗率、軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速、軸帶電機(jī)功率、柴發(fā)機(jī)組功率等數(shù)據(jù)記錄并保存在MySQL8.0 開發(fā)的油耗預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫中。

以內(nèi)河不同航段的水文氣象條件和航速要求為約束條件，以整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)油耗最低為目標(biāo)，建立船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行模式優(yōu)化模型，通過粒子群算法求解優(yōu)化得到船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的最佳運(yùn)行模式。所建立的優(yōu)化模型的主要輸入?yún)?shù)為：水文氣象條件、航速要求、推進(jìn)功率需求和油耗仿真數(shù)據(jù)，輸出參數(shù)為：最優(yōu)運(yùn)行模式及其相應(yīng)的油耗、轉(zhuǎn)速等量化控制指令。運(yùn)行模式得到可選項(xiàng)包括柴油機(jī)直推模式、PTH 模式、PTI 模式和PTO 模式。粒子群優(yōu)化模型除了完成基本的優(yōu)化功能外，還需要考慮兩點(diǎn)：（1）在輸入?yún)?shù)缺損或不足情況下的可靠性；（2）在大數(shù)據(jù)計(jì)算過程中的快速性。在迭代到200 次或目標(biāo)函數(shù)誤差小于等于0.01 時(shí)停止，輸出最終的優(yōu)化結(jié)果（見圖 2）。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種內(nèi)河船舶混合動(dòng)力運(yùn)行模式優(yōu)化方法，以整個(gè)系統(tǒng)油耗最低為目標(biāo)，優(yōu)化得到船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)的最佳運(yùn)行模式。此方法將油耗仿真數(shù)據(jù)作為油耗預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫的主要數(shù)據(jù)來源，適合于油耗數(shù)據(jù)尚未完全獲取的情況。在后續(xù)研究中，需要進(jìn)一步完善水文氣象數(shù)據(jù)庫和油耗仿真數(shù)據(jù)庫，提高運(yùn)行模式優(yōu)化的快速性和準(zhǔn)確性等性能。