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)的逐步擴大，國際新船訂單中使用LNG作為燃料或者具備后期LNG動力改造能力(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-蓄電池)混合動力系統(tǒng)作為切入點，以解決船體LNG動力船舶排放及動力響應(yīng)為目標(biāo)，提出適用于海洋工程船舶的動力系統(tǒng)方案。

1 天然氣發(fā)動機的主要應(yīng)用問題

根據(jù)國際航運組織(IMO)對氮氧化物(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)，同時根據(jù)對硫氧化物(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換成雙燃料主機成為短期內(nèi)全球船運公司僅有的應(yīng)對措施。

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)勢極大，能夠滿足Tier III的排放標(biāo)準(zhǔn)，特別適用于能耗大、運行時間長、排放量大的公共交通車輛，工程機械車輛以及內(nèi)河、遠(yuǎn)洋船舶。

LNG在發(fā)動機上的應(yīng)用形式多種多樣，見表1。

表1 LNG發(fā)動機分類

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燃，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，即MEGI高壓直噴技術(shù)。市場上主流的雙燃料主機廠商包括Wartsila、MAN和Mitsubishi等。

其中Wartsila主要采用進氣歧管預(yù)混，缸內(nèi)噴點火油的形式；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)噴點火油，1套用來缸內(nèi)點火成功后噴射LNG。

經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，雙燃料主機在常規(guī)工況運行效率、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)動機與柴油發(fā)動機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剑辉黾尤加蛧娚淞?時，LNG發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩輸出有較大損失；LNG作為內(nèi)燃機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，可達(dá)到柴油機CO排放量的幾十倍甚至上百倍，這使得雙燃料主機不得不限定負(fù)載低于15%時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，LNG主機在功率加載階段與柴油機相比會有20%～30%的遲滯，在變負(fù)載工況下，燃?xì)庵鳈C響應(yīng)恢復(fù)轉(zhuǎn)速的時間比柴油機慢5 s左右，而且LNG主機在接近滿載工況下變載時，會發(fā)生燃?xì)鈾C爆燃。

對純汽油和純LNG發(fā)動機外特性的研究表明，LNG發(fā)動機由于充氣效率低，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)丁長健等對中海油雙燃料環(huán)保工作船主機選型分析的研究，環(huán)保工作船總航行時間的45%都是平臺供應(yīng)、巡航守護等主機低負(fù)載狀態(tài)(根據(jù)向單燃料港拖和雙燃料港拖機務(wù)調(diào)研，主機負(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)急或進行消防作業(yè)時，為了保證快速的主機響應(yīng)能力，在上述工況時環(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)濟的多，但是目前來看理論計算中的環(huán)保效果和經(jīng)濟性還得不到保證。

氣-電混合動力系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用分析表明，通過將蓄電池與LNG主機進行結(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 混合動力系統(tǒng)的原理及分類

混合動力系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用在汽車領(lǐng)域(油電混合動力)，通過設(shè)置蓄電池回收車輛剎車時的能量，在車輛起步階段采用電力推進的方式獲得快速的動力響應(yīng)，減少了發(fā)動機怠速狀態(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)濟性獲得了越來越多消費者的青睞?；旌蟿恿ο到y(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)式混合動力系統(tǒng)內(nèi)燃機與驅(qū)動系統(tǒng)不直接相連，內(nèi)燃機將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能，電動馬達(dá)再將電能轉(zhuǎn)化為機械能，帶動齒輪箱進而驅(qū)動車輛前行。當(dāng)車速較低時，電能在驅(qū)動車輛前行的同時還將分出一部分儲存在蓄電池中，以起到節(jié)能的效果。

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)需要進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力系統(tǒng)相比，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)能量利用率不高。

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

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點，混聯(lián)式動力系統(tǒng)的特點是通過發(fā)動機和多個電機的結(jié)合進行驅(qū)動，常用行星齒輪結(jié)構(gòu)組合形式。

與乘用車相比，船舶對于蓄電池帶來的重量增加不敏感，但是對于傳動軸的布置較為敏感，電推船舶的興起很大程度上是因為電力推進系統(tǒng)給軸系布置帶來的便利性以及整個動力系統(tǒng)較低的振動和噪音。結(jié)合對功率的要求，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)更加適合LNG動力船舶，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

混合動力系統(tǒng)內(nèi)存在兩個動力源——內(nèi)燃機和蓄電池，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閾值高點時，關(guān)閉發(fā)動機，依靠蓄電池的電能推動車輛前行。當(dāng)蓄電池的能量不足，低于SOC閾值低點時，啟動發(fā)動機，并控制其工作狀態(tài)為燃油經(jīng)濟性最佳的點，輸出恒定的功率，部分功率用來驅(qū)動汽車，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)動機就會頻繁啟停，蓄電池頻繁充放電，動態(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，還需要劃出燃油經(jīng)濟性比較好的主機輸出功率上下限。同恒溫器式能量管理策略限定主機輸出功率為燃油經(jīng)濟性最佳的點相比，功率跟隨式能量管理策略允許主機輸出功率在一個燃油經(jīng)濟性比較高的范圍內(nèi)波動。即當(dāng)蓄電池能量高于SOC閾值高點時，允許主機調(diào)整輸出功率為較小的值，而不是直接關(guān)閉主機。這樣減少了主機的啟停次數(shù)，同時也能保證主機處在一個燃油經(jīng)濟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景考慮，功率跟隨式能量控制策略更為適合。

4 初步設(shè)計

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

混合動力系統(tǒng)能量管理策略不能脫離實際工況獨立存在，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主機運轉(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/在航時間比例直接影響主機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，與混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點較為契合，因此以采油公司港作拖輪及其工況為對象，進行氣電混合動力系統(tǒng)及能量管理策略的初步設(shè)計。

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的推進系統(tǒng)由2臺瓦錫蘭六缸四沖程 W6L34DF柴油機組成，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，主機的燃油經(jīng)濟性也會降低。

該船航時-功率分配見圖1。

圖1 拖船航時-功率分布

根據(jù)統(tǒng)計，拖船約85%的工作時間處于主機負(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。即整個航次對功率的平均需求為1 624 kW。

根據(jù)實際需求情況，氣電混合動力系統(tǒng)配置一大一小兩臺氣體機，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，同時實現(xiàn)氣體機高效運轉(zhuǎn)(氣體機負(fù)載85%)；在中功耗階段使用3 000 kW氣體機，以便滿足功耗2 400 kW的功率輸出要求并實現(xiàn)氣體機高效運轉(zhuǎn)；在高功耗階段使用3 000 kW氣體機+蓄電池滿足短時間高功率的需求。

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，以便實現(xiàn)910 kW的功率輸出要求，高功率輸出時間可延長至約1.5 h，完全滿足拖輪服務(wù)時間要求。

根據(jù)混合動力系統(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氣體機提供動力，到達(dá)港區(qū)后由3 000 kW氣體機提供動力，高功率頂推期間由電池組和3 000 kW氣體機提供動力，電池組放電閾值低點設(shè)置為30% SOC，一旦電池的狀態(tài)低于30%SOC，則同時啟動1 500 kW和3 000 kW氣體機；滿足高功率頂推要求的同時，對電池組進行充電，充電閾值高點設(shè)置為95%SOC，達(dá)到95%SOC時，不再對電池組進行充電，由兩臺氣體機對外做功滿足頂推要求。

5 經(jīng)濟性考量

適用于港作拖輪的氣電混合動力系統(tǒng)應(yīng)由兩臺LNG氣體機作為原動機，采用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，充分發(fā)揮蓄電池對提升拖輪最大輸出功率的優(yōu)勢，采用直流電力推進系統(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)與變頻器進行集成，實現(xiàn)更高的整體效率，延長發(fā)電機的壽命，對電池系統(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)目前電動船舶的電池使用和中國船級社的發(fā)證情況，氣電混合動力系統(tǒng)宜選用寧德時代生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池，含電池管理系統(tǒng)及框架的價格約為315萬元，重量約為15 t。采用混合動力系統(tǒng)的海工船舶總造價與采用LNG動力+電推系統(tǒng)的總造價相似；但是在低工況(守護、待機、緩行)占總航行時間比較較高時，LNG作為燃料的使用率及發(fā)電機整體效率均有大幅提升，與常規(guī)柴油動力拖輪相比，年節(jié)約燃料費用約668.5萬元。

6 結(jié)論

采用1 500 kW+3 000 kW兩臺天然氣主機，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港作拖船動力系統(tǒng)的功率需求，降低主機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。LNG與動力電池的結(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，有助于實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)要求。