范振斌,丁治潔,范金健,計曉龍,陳 剛
(上海水域環(huán)境發(fā)展有限公司,上海 200433)
近年來,交通運輸部一直大力推進綠色清潔能源和綠色技術在內(nèi)河航運的應用?!笆奈濉笔翘歼_峰的關鍵期、窗口期。2020 年6 月交通運輸部印發(fā)的《內(nèi)河航運發(fā)展綱要》重點提出加大“新能源清潔能源推廣應用力度”的要求。綠色船舶和智能船舶將是船舶發(fā)展更新?lián)Q代的主流趨勢[1-2]。為了適應長三角一體化示范區(qū)內(nèi)水域環(huán)境治理的新要求,綠色、多功能的新型環(huán)保作業(yè)裝備的設計研究[3]是未來發(fā)展趨勢和重要方向。
同時,目前電池動力船的主要應用船型[4-5]受限。國外電動船舶發(fā)展較早,其中挪威是全球大型電動船舶運營最多的國家。國外電動船舶主要應用于小型豪華郵輪、客船等對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和舒適度要求較高的船型,以及工程船、海岸救援船等。我國電動船發(fā)展略晚于國外,但發(fā)展速度快、應用船型廣。內(nèi)河已建各種電動船舶20 余艘,應用船型包括客船、渡船、公務船和干散貨船等[6-7]。目前,在鋰離子動力電池方面,盡管我國在鋰離子電池儲能系統(tǒng)的關鍵技術上已經(jīng)取得了重大突破,但基于安全性和經(jīng)濟性考慮,我國的純電動船舶發(fā)展仍然不足。從市場規(guī)模來看,我國電動船舶的廣泛應用尚存諸多瓶頸[8-9]。例如,船用電池應用成本偏高;電池技術在電池能量密度、充電時間和使用壽命等方面有待進一步提高;船用配套設施及標準有待完善等。
基于此,本文所研究的長三角示范區(qū)水域保潔作業(yè)船舶以上海市綠化和市容管理局發(fā)布的《上海市水域保潔作業(yè)設施設備配置導則》中系列化、標準化的28 m 清掃船為研究對象,以功能多樣性、檢測實時性、作業(yè)連續(xù)性、綠色環(huán)?;⒓夹g集成化和控制智能化等諸多創(chuàng)新集成技術作為裝備一體化的前提條件,針對28 m 清掃船適用的作業(yè)水域特點研究不同功能配置的基本船型,并且根據(jù)實際需要搭載各項不同功能的作業(yè)模塊,有利于新型環(huán)保作業(yè)裝備的設計發(fā)展需要。
設計思路:新船借鑒高速客船的外觀概念設計,流線型的外觀造型與多功能的技術集成,實現(xiàn)現(xiàn)代風格與多元科技的引領示范,開敞式的保潔作業(yè)清掃船轉變成為全封閉的特色旅游船舶,成為都市水域的“普通”船舶,流連忘返于湖光山色中。作為全新的純電池動力作業(yè)船舶,融合“綠色保潔、智能保潔、智慧保潔、精準保潔”四大全新理念。
技術性能:推進功率:2×150 kW;設計航速:16 km/h;主電源:磷酸鐵鋰電池;電池容量:1 400 度電。
動力裝置:無軸輪緣電力推進器、變頻控制電力推進系統(tǒng)、純電池動力系統(tǒng)及船岸定制充電系統(tǒng)、直流組網(wǎng)配電系統(tǒng)。
純電池動力28 m 清掃船總布置如圖1 所示。
圖1 總布置圖
新船為單體、單甲板、尾機型,全鋼質(zhì)主船體及二層上層建筑,全焊接結構形式的內(nèi)河機動工作船。動力裝置采用無軸輪緣電力推進器驅動的純電池動力推進方式。適航于內(nèi)河B 級航區(qū)。
基于適用水域的實際作業(yè)需求,28 m 清掃船主要功能包括,在線式(船用)水質(zhì)監(jiān)測設備、潛水型微納米氣泡曝氣機、消防水炮及基于光學感知的圖像識別系統(tǒng)實現(xiàn)精準清掃;兩舷伸縮式抽吸清掃裝置、船載式藻水分離裝置(包括鏟吸汲取裝置、氣浮分離裝置和藻渣脫水裝置)。由此配置的主要作業(yè)設備包括,一套伸縮式圍油欄裝置,一套液壓升降式浮箱收集裝置,一套消防水炮噴射裝置,一套在線式(船用)水質(zhì)檢測設備,一套潛水型微納米氣泡曝氣機,一套船載式藻水分離裝置,一套基于光學感知的圖像識別系統(tǒng),全部作業(yè)設備的控制系統(tǒng)均考慮設置于駕駛室進行遙控操縱。
在線式(船用)水質(zhì)檢測設備通過采集一體機配合每個功能電極完成水質(zhì)檢測。結合藍藻處理作業(yè)的實際特點,初步考慮相關電極安裝在主船體的垃圾艙內(nèi),實現(xiàn)實時在線水質(zhì)檢測功能。檢測內(nèi)容包括:pH 值、濁度、電導率、溶解氧、COD(化學需氧量)、BOD(生化需氧量)、懸浮物、氨氮、藍綠藻和葉綠素等,多參數(shù)PLC一體機安裝于駕駛室。
潛水型微納米氣泡曝氣機選用雙頭單向型,采用純304 不銹鋼高壓噴嘴結構,可生成微納米氣泡具有增氧化作用,最大線性傳播距離可達20 m。25 m3/h 潛水型微納米氣泡機的技術規(guī)格:流量25 m3/h、揚程15 m水柱、電機功率2.2 kW。
船載式藻水分離裝置通過集成箱柜形式提供,主要包括設置藍藻汲取裝置(獨立設置)、氣浮藻水分離裝置、藻渣脫水裝置和電氣控制系統(tǒng)4 部分組成,其中氣浮分離裝置是設備的核心處理單元,由溶藥單元、溶氣發(fā)生單元和氣浮分離區(qū)3 大部分構成,整套裝置的用電負荷約為40 kW。其技術規(guī)格是:吸藻量約100 m3/h、藻泥產(chǎn)量大于5 t/d、藻泥含水率小于90%。
消防水炮噴射裝置布置于船首位置,包括一套消防水炮,其技術規(guī)格為噴射流量17 L/s×射程40 m,配套一臺消防炮專用泵,其技術規(guī)格為60 m3/h×0.75 MPa。作為水炮噴射裝置的動力水源,提供具有較高壓力的消防水,進行船舶特殊作業(yè)時的人工噴水造流,可以更好地打撈收集靠岸死角處的漂浮垃圾,消防炮專用泵的功率配備為22 kW。
基于光學感知的圖像識別系統(tǒng),對水面漂浮物的檢測主要從監(jiān)控攝像機所捕捉的序列圖像中檢測是否有漂浮物的存在,利用當前圖像幀與背景圖像的相差分技術檢測圖像中的變化區(qū)域,再從所有變化區(qū)域中將對應的漂浮物區(qū)域單獨提取出來。由于受限于背景光照的自然條件,特征維數(shù)比較高,數(shù)據(jù)量很大,圖像特征降維又會產(chǎn)生較大的誤差率。目前采用多波段成像監(jiān)控,通過識別漂浮物面積大小進行報警,具有一定的操作性。其本質(zhì)是智能視頻監(jiān)控技術對現(xiàn)有數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一個彌補。目前相關產(chǎn)品的技術特點是利用AI 畸變處理技術實現(xiàn)超大視角前視場景,最大限度降低航行盲區(qū),利用多源信息融合技術提供離岸測距測速和預警功能,利用AI 圖像學習功能識別特征明顯的對航行安全有威脅的物標并進行預警。
新船配置4 組由磷酸鐵鋰電池構成的動力電池組作為船舶主電源,其標稱電量為1 396 kWh,標稱電壓為DC644 V;電池芯采用的磷酸鐵鋰電池,標稱容量271 Ah,標稱電壓DC3.22 V,最大持續(xù)充/放電電流1 C。電池包(箱)連接方式1P8S,標稱電壓DC25.76 V,標稱容量217 Ah,標稱電量6.98 kWh,冷卻方式為自然冷卻。每組動力電池由50 個電池包(箱)和1 個高壓盒、1個域管理盒組成,組合方式1P200S,標稱電壓DC644 V,標稱容量271 Ah,標稱電量349 kWh。動力電池組可以為船舶推進電動機和其他電氣設備提供電源,在作業(yè)服務航速狀態(tài)下,可滿足全船4 h 用電需求。
電池管理系統(tǒng)BMS 實現(xiàn)動力電池的充放電監(jiān)控管理。在正常運行情況下,BMS 向能源管理模塊ECM提供電池充放電狀態(tài)與功率以及電池的荷電狀態(tài);BMS 應對與電池安全有關的主要參數(shù)(如電壓、電流和溫度等)進行監(jiān)控,當電池參數(shù)超出制造商的建議范圍,將采取適當?shù)陌踩胧?。BMS 能對電池的充放電、電池溫度、單體電池間的均衡進行控制,能對單體電壓、電池串聯(lián)結構電流、單體溫度、環(huán)境溫度和絕緣電阻進行監(jiān)測。
純電池動力船舶的充電管理系統(tǒng)具備岸電容量參數(shù)設定、采集岸電電能品質(zhì)、連接器狀態(tài)和溫度信號,確保岸電供電的安全性和可靠性。充電管理系統(tǒng)可以調(diào)度岸電供電容量、實時日用負載和電池充電SOP 的算法,保證電池平穩(wěn)期快速充電和末端均衡充電,同時在各設備極端情況下快速保護和協(xié)調(diào)控制。對于集裝箱式移動電源的充電模式具有廣泛互聯(lián)、智能互動、靈活柔性及安全可控等特點。
新船的停泊碼頭配置2 套充電樁,在5 h 內(nèi)將動力電池組充足。充電樁采用標準充電槍以直流形式為船舶的動力電池組充電,具有均衡電路實現(xiàn)串聯(lián)成組的各單體電池的電壓平衡。充電樁能與BMS 系統(tǒng)通信,并在BMS 系統(tǒng)限定的條件下運行。充電樁在電流和電壓超過預設值時,發(fā)出報警并停止充電。電池系統(tǒng)出現(xiàn)不可接受的溫度時,應立即停止充電。充電樁基本參數(shù)為:輸入電壓AC380 V、輸出電壓DC750 V、輸出功率150 kW、防護等級IP56(可露天安裝)。
動力電池組通過集中式直流母線變頻電控設備在直流母線進行并網(wǎng),驅動二臺150 kW 主推電機,經(jīng)過獨立的日用逆變器逆變成交流電供日用負荷使用,經(jīng)過獨立的作業(yè)逆變器逆變成交流電供作業(yè)負荷使用。
全船動力系統(tǒng)配置一套綜合控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)兼?zhèn)淠芰抗芾?、推進控制和監(jiān)測報警功能,保證船舶動態(tài)響應和可靠的安全性能。推進控制系統(tǒng)由駕控臺遙控單元和機旁應急控制單元組成,實現(xiàn)推進器的駕駛室遙控與監(jiān)測,主要功能包括:正常起動停車、緊急停車、故障越控、部位轉換、調(diào)速、應急控制和功率限制等。
新船在配電間配置變頻直流柜1 套,主要包含動力電池雙向變換器4 套、推進逆變器2 套、日用逆變器2 套、綜合控制系統(tǒng)1 套以及母排隔離開關。變頻直流柜配置絕緣監(jiān)測裝置,對直流母排進行絕緣監(jiān)測,在絕緣電阻異常低時發(fā)出聲光報警。主要設備包括以下設備。
4.1.1 動力電池雙向變換器
雙向變換器的一端連接動力電池,另一端連接直流母排,控制動力電池的能量流向和功率數(shù)值,維持直流母排電壓穩(wěn)定。共4 套,額定容量200 kW。
4.1.2 推進逆變器
推進逆變器將直流母排提供的直流逆變?yōu)轭l率與電壓可變的三相交流電,驅動推進電動機。共2 套,額定容量125 kW,輸出電壓AC380 V。
4.1.3 日用逆變器(含正弦波濾波器)
日用逆變器將直流母排提供的直流逆變成三相交流400 V,為船上日常使用和作業(yè)裝備的電氣設備提供交流電源。共2 套,額定容量100 kVA,輸出電壓3ΦAC400 V。
4.1.4 能量管理模塊ECM
能量管理模塊ECM,能夠與BMS 進行數(shù)據(jù)傳輸,應能控制和調(diào)度動力電池組,根據(jù)電網(wǎng)負荷變化,實現(xiàn)動力電池組的自動負荷分配、過負載自動卸載、功率限制功能、重載問詢和電池充放電控制等功能。
4.1.5 充電連接柜
新船配置1 個充電連接柜,連接碼頭上的充電槍,將充電電能送入動力電池。充電連接柜應始終檢測與碼頭充電槍的連接,當處于連接狀態(tài)時,應禁止船舶推進系統(tǒng)誤動作。充電連接柜應設置必要的安全措施,防止充電過程中電纜被拔出。共1 套,額定容量150 kW,最高電壓DC750 V。
新船在配電間配置交流主配電板1 套,用于400 V和230 V 交流電的供電控制和監(jiān)測。主配電板為板前開啟、板前維修,防護等級為IP22。
集成2 套組合起動屏,其一包括艙底泵、總用泵、粉碎泵、自動供水泵和風機等;其二包括所有作業(yè)設備、消防水泵、潛水泵及液壓泵站等。
配電設備中還包括AC220 V 分電箱、DC24 V 分電箱以及應急充放電板和啟動蓄電池充電箱。
本文對現(xiàn)有內(nèi)河28 m 清掃船進行純電池動力的升級,并優(yōu)化船型結構,從主尺度、主要性能參數(shù)及船體結構等進行船型設計;同時,基于適用水域的實際作業(yè)需求,考慮28 m 純電池動力清掃船的主要功能,分析了基于光學感知的圖像識別系統(tǒng)、在線式(船用)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、船載式藍藻抑制(藻水分離)系統(tǒng)、潛水型微納米氣泡曝氣(增氧)系統(tǒng)以及水上輔助消防系統(tǒng)等,并確定了相應的裝置,以滿足在長三角示范區(qū)大面積水域,以打撈處理藍藻為主,兼顧打撈收集水生植物、水面漂浮廢棄物的功能需求。純電池動力電力推進系統(tǒng)在保潔作業(yè)船舶上的升級應用以及配置多功能裝備的作業(yè)模塊,對城鎮(zhèn)景觀水域保潔作業(yè)的服務能級提升有一定促進作用。