盧 翔，張 張，李文豪

純電池動(dòng)力系統(tǒng)在港作拖輪上的應(yīng)用研究

盧 翔1，張 張2，李文豪1

（1. 連云港港口控股集團(tuán)有限公司，江蘇連云港 22200；2. 連云港港口集團(tuán)有限公司輪駁分公司，江蘇連云港 22200）

本文深入調(diào)研了港作拖輪現(xiàn)狀、設(shè)備特點(diǎn)和作業(yè)環(huán)境，對(duì)比了目前世界各國(guó)多種新能源動(dòng)力船舶的優(yōu)劣特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，通過收集大量數(shù)據(jù)分析了港作拖輪的能耗特性，并與純電池動(dòng)力系統(tǒng)的主要特性進(jìn)行比對(duì)，論證了純電池動(dòng)力系統(tǒng)在港作拖輪應(yīng)用的可行性，并以實(shí)際案例說明了純電池動(dòng)力系統(tǒng)在特定工況、特定環(huán)境下，特別是有限區(qū)域作業(yè)下的港作拖輪領(lǐng)域具有較為廣闊的推廣前景。

電池動(dòng)力系統(tǒng) 新能源 港作拖輪

0 引言

港作拖輪為滿足其高機(jī)動(dòng)，大功率輸出，操作靈活等要求，一般在船舶中采用四沖程中速大功率柴油機(jī)作為其動(dòng)力輸出。但隨著國(guó)家實(shí)施“碳達(dá)峰”和“碳中和”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)及綠色低碳港口建設(shè)需要，各大港口和船廠對(duì)新能源船舶及節(jié)能型船舶加大了相關(guān)研究和研發(fā)力度。另一方面由于拖輪的工作性質(zhì)，其間歇性作業(yè)于固定海域，具備隨時(shí)靠泊補(bǔ)給的優(yōu)勢(shì)。因此，較其他形式動(dòng)力系統(tǒng)，純電池動(dòng)力系統(tǒng)在拖輪上具備更優(yōu)的應(yīng)用條件。

1 港作拖輪的發(fā)展現(xiàn)狀

港作拖輪主要用于主港區(qū)水域協(xié)助大型船舶靠離碼頭，可進(jìn)行頂推、拖帶和倒拖等助泊作業(yè)。其一般采用大功率柴油機(jī)配合全回轉(zhuǎn)舵槳作為推進(jìn)系統(tǒng)，具備操作靈活、拖力大、有限區(qū)域間歇作業(yè)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)主要港口港作拖輪功率主要分布在2 000 kW至5 000 kW，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備大多采用日本和歐洲產(chǎn)品。據(jù)輪駁協(xié)會(huì)內(nèi)部統(tǒng)計(jì)，2 000 kW左右的拖輪年消耗柴油約300 t，直接產(chǎn)生900 t碳氧化物、12 t硫化物，相當(dāng)于400多輛小汽車的排放量[1]。此外，其日常維護(hù)過程中也產(chǎn)生大量的油污水及固體廢棄垃圾，給港口環(huán)境保護(hù)和廢污處理帶來較大壓力。

目前全球性能源緊張以及氣候變化已成為國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的重大問題，節(jié)能減排已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)的共同責(zé)任。我國(guó)計(jì)劃2030年達(dá)到碳峰值，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，2018年7月國(guó)務(wù)院發(fā)布的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》重點(diǎn)提出了以船舶和港口為核心的減排對(duì)象，并提出“推進(jìn)船舶更新升級(jí)，加快船舶油品質(zhì)量升級(jí)，加強(qiáng)船舶污染防治，推動(dòng)靠港船舶使用岸電等”重要舉措[2]。

港口作為我國(guó)現(xiàn)代物流供應(yīng)鏈中的重要環(huán)節(jié)，其能源消耗在整個(gè)交通行業(yè)中占有一定的比重，港口行業(yè)的節(jié)能降耗工作是交通行業(yè)節(jié)能工作的重點(diǎn)之一。

2 港作拖輪的作業(yè)模式和設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)

2.1 港作拖輪具有航程小、短時(shí)間歇作業(yè)等特點(diǎn)

港作拖輪一般作業(yè)區(qū)域?yàn)楦蹆?nèi)水域，在進(jìn)行大型船舶進(jìn)港助泊作業(yè)、接送引航員時(shí)作業(yè)區(qū)域會(huì)擴(kuò)大至錨地，作業(yè)和航行水域相對(duì)固定。以連云港港為例，其主力港作拖輪單次作業(yè)時(shí)間一般在75分鐘左右，且通常為間歇作業(yè)，非作業(yè)時(shí)段常?？看a頭，這意味著港作拖輪可隨時(shí)獲得岸基能源和生活物資補(bǔ)給。如圖1所示，港助泊拖輪包括航行、頂推、待時(shí)等幾個(gè)工況，其中頂推、拖拽作業(yè)時(shí)間較短，約45%的時(shí)間處于待時(shí)狀態(tài)。

圖1 港作拖輪時(shí)間分配關(guān)系圖

2.2 港作拖輪具有航程小、短時(shí)間歇作業(yè)等特點(diǎn)

港作拖輪由于其大多時(shí)間處于主機(jī)怠速或低負(fù)荷航行狀態(tài)，即使在助泊狀態(tài)下其主機(jī)大功率輸出時(shí)段也較為有限。從連云港港口主力（中速柴油機(jī)）拖輪近三年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和調(diào)取數(shù)據(jù)分析來看，動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)荷特性高度吻合，其20%負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)間占比高達(dá)60%以上，如下圖所示。

圖2 港作拖輪（中速機(jī)）負(fù)荷與時(shí)間關(guān)系圖

3 船舶新能源動(dòng)力系統(tǒng)的形式及適用環(huán)境

3.1 船舶新能源動(dòng)力系統(tǒng)的形式

船舶新能源動(dòng)力系統(tǒng)目前主要有雙燃料、純LNG、油電混合、純電池動(dòng)力等形式[3]。

目前全球范圍內(nèi)在船用雙燃料柴油機(jī)領(lǐng)域以MAN公司的和WIN G&D公司的產(chǎn)品為典型代表，該型柴油機(jī)主要配置兩套燃料供給系統(tǒng)，可在不同條件下在燃油和LNG間切換。純LNG動(dòng)力主機(jī)只能由LNG作為燃料來源。

油電混合動(dòng)力的配置種類較多，一般以電池容量大小和主動(dòng)力源分為柴電推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)械混動(dòng)系統(tǒng)、電混動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)。機(jī)械混動(dòng)系統(tǒng)一般由電機(jī)和一套適配功率的主機(jī)共同為船舶提供動(dòng)力，電機(jī)和主機(jī)并聯(lián)，額定輸出功率為電機(jī)和主機(jī)輸出之和。柴電推進(jìn)系統(tǒng)由發(fā)電柴油機(jī)為電池充電，電池為電機(jī)供電，只有電機(jī)驅(qū)動(dòng)船舶。電混動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)一般配置發(fā)電柴油機(jī)為電池或電機(jī)供電，通過電機(jī)為船舶提供動(dòng)力。

純電池動(dòng)力系統(tǒng)船舶只配置大容量電池組，利用大功率電機(jī)為船舶提供動(dòng)力，結(jié)構(gòu)配置上較為簡(jiǎn)單，但需要較為先進(jìn)可靠的BMS和PMS對(duì)整套動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行管理控制。

3.2 各種船舶新能源動(dòng)力系統(tǒng)的適用環(huán)境

液化天然氣是一種常用的清潔能源，能減少碳氧化物和氮氧化物等排放，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)類型不同，溫室氣體減排潛力為10%～23%。如上所述LNG在船舶上的應(yīng)用通常有兩種型式，一種是單一LNG發(fā)動(dòng)機(jī)，另一種是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。單一LNG發(fā)動(dòng)機(jī)由于其特殊的存儲(chǔ)和管理要求多適用于運(yùn)輸LNG的船舶。目前國(guó)內(nèi)在拖輪上有采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)先例，但受限于碼頭配套加注難、安全管理風(fēng)險(xiǎn)大等因素，短期內(nèi)推廣難度大。而且整船初期投資較高，且LNG價(jià)格波動(dòng)較大，同時(shí)受船舶利用率影響，經(jīng)濟(jì)效益性并不十分明顯。船舶設(shè)計(jì)時(shí)還需要充分考慮LNG罐體和管路的布置、空間利率、甲烷逃逸等一系列問題。

混合動(dòng)力由于電機(jī)參與動(dòng)力輸出，不僅可獲得較好的動(dòng)力響應(yīng)，還在節(jié)能降耗、減少碳排放方面具備優(yōu)勢(shì)?；旌蟿?dòng)力目前在國(guó)內(nèi)部分港口都有試用先例，如上海港混合動(dòng)力拖輪就采用一種機(jī)械混動(dòng)模式，在主機(jī)與舵槳間的傳動(dòng)軸配置同軸電機(jī)（發(fā)電機(jī)），可與主機(jī)配合為船舶輸出動(dòng)力。混合動(dòng)力充分利用柴油機(jī)負(fù)荷功率特性，要么讓柴油機(jī)始終工作在高效區(qū)，要么減少低效區(qū)功率浪費(fèi)，可有效降低燃油消耗，但因其系統(tǒng)的配置較為復(fù)雜，無論是初期建造成本還是后期維護(hù)成本都相較其他形式的動(dòng)力系統(tǒng)成本較高。

純電池動(dòng)力系統(tǒng)較早的應(yīng)用于潛艇，目前主流是鋰電池。鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命久、充放電特性好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電池正極所用的材料，目前主要有兩種型式：三元鋰和磷酸鐵鋰，已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。其中，磷酸鐵鋰雖然能量密度不及三元鋰，但其電池電化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性更好，對(duì)環(huán)境溫度相對(duì)不敏感，安全性更高，目前在船舶上暫時(shí)只有磷酸鐵鋰電池獲得CCS認(rèn)可，典型船舶如國(guó)內(nèi)首艘CCS認(rèn)證純電池動(dòng)力客船“君旅號(hào)”、豪華觀光游覽船 “大灣區(qū)一號(hào)”等。為了確保磷酸鐵鋰電池使用安全性，需要配套性能優(yōu)異的電池管理系統(tǒng)，以充分監(jiān)控其電壓、電流、溫度、SOC、SOH等參數(shù)，避免異常情況，防止熱失控。由于船舶體積較大，對(duì)能量密度要求并不高，磷酸鐵鋰以其高安全性特點(diǎn)將會(huì)在船舶行業(yè)贏得廣闊的應(yīng)用空間。純電池動(dòng)力船舶由于其續(xù)航問題、充電問題等限制，只能航行于有限水域或短途航線。

如圖3所示，從初期投資、建造周期、運(yùn)營(yíng)成本、系統(tǒng)架構(gòu)、航程、管理要求、污染程度幾方面對(duì)比，對(duì)于航程要求不高的船型，采用純電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的型式，在運(yùn)營(yíng)成本和節(jié)能減排方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖3 新能源動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)比

3.3 其他幾種潛在能源形式應(yīng)用前景

氫燃料電池以零排放、噪音低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)著稱，且被業(yè)界認(rèn)為是解決環(huán)保問題的最終方向。無論是汽車行業(yè)還是船舶行業(yè)，氫燃料電池都屬于重點(diǎn)研究范疇。近期，大連海事大學(xué)聯(lián)合企業(yè)研發(fā)國(guó)內(nèi)第一艘燃料電池游艇，標(biāo)志著該技術(shù)在實(shí)船應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。但現(xiàn)階段，氫燃料電池功率有限，規(guī)模化推廣還需時(shí)日。而且在PEM、GDL、催化劑等關(guān)鍵材料或核心組件方面還需要技術(shù)攻關(guān)，制氫、儲(chǔ)氫、加氫等環(huán)節(jié)鏈上還需要完善，使用成本仍需要降低。據(jù)有關(guān)資料顯示，到2035年，國(guó)內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)成本有望下降到當(dāng)前1/5（約800元/kW）。

近年來，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在小型船舶應(yīng)用較多，但受制于天氣和區(qū)域等外部影響較大，只能作為輔助動(dòng)力或者局部系統(tǒng)動(dòng)力。太陽(yáng)能本身能量密度不高，同時(shí)還需要考慮光伏轉(zhuǎn)化率低、與儲(chǔ)能裝置的匹配和運(yùn)行模式切換等問題。

超級(jí)電容具有充放電響應(yīng)快、功率密度高、循環(huán)次數(shù)久（十萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)次）、溫度范圍廣、抗沖擊性能好等特點(diǎn)，一般多用于短程等。但其能量密度低，不能進(jìn)行大容量?jī)?chǔ)能，配合儲(chǔ)能電池使用效果更優(yōu)。而且，短期內(nèi)高昂的價(jià)格也是影響超級(jí)電容規(guī)模使用的瓶頸之一[5]。

4 純電池動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用在港作拖輪上的優(yōu)勢(shì)

4.1 純電池動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)

純電池動(dòng)力系統(tǒng)完全采用鋰電池作為主動(dòng)力源，這是與常規(guī)船舶動(dòng)力系統(tǒng)最大的區(qū)別，給船舶動(dòng)力系統(tǒng)帶來革命性的變化?；炯軜?gòu)為電池提供直流電源經(jīng)DC/DC模塊穩(wěn)壓后供給直流母排，再經(jīng)DC/AC模塊將直流逆變?yōu)榻涣鞴┙o推進(jìn)電機(jī)和低壓負(fù)載使用。如圖4所示，這種方式相較于各類柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單、占空間小、布置方便、投資少、易于維保等特點(diǎn)，沒有了柴油發(fā)電機(jī)組或主機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放、零污染和超靜音，舒適度和節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)更加明顯。而且，純電池動(dòng)力系統(tǒng)智能化和自動(dòng)化程度很高，可以大大減輕人員工作強(qiáng)度，對(duì)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)艙乃至無人駕駛均提供了良好的試驗(yàn)平臺(tái)。

圖4 純電池動(dòng)力拖輪動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

4.2 純電池動(dòng)力系統(tǒng)在港作拖輪上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

實(shí)際上，如果給純電池動(dòng)力船舶精準(zhǔn)定位，續(xù)航力也并非是首要考慮的因素，比如用于固定航線的島際班輪、港口作業(yè)拖輪等。這好比上下班通勤用的電動(dòng)汽車，一旦明確使用目的和工作環(huán)境，續(xù)航問題完全可由使用者掌控，港作拖輪的作業(yè)情況也是如此。

電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)舵槳，調(diào)速范圍大、扭矩響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)速度快、調(diào)速精度高。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可頻繁進(jìn)行加減速和正反轉(zhuǎn)操作，這樣緊急狀態(tài)時(shí)的反應(yīng)時(shí)間更短，進(jìn)一步增加了安全性。與此同時(shí)，由于機(jī)動(dòng)性好，操縱靈活，拖輪作業(yè)的工作效率也將大大提高。

純電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)由于采用變頻控制，低速下可以獲得較大扭矩，對(duì)于具有強(qiáng)制散熱措施的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，在零轉(zhuǎn)速都能獲得額定轉(zhuǎn)矩，這種特性有利于拖輪實(shí)現(xiàn)以穩(wěn)定低速接近目標(biāo)，靠離碼頭。螺旋槳不受原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，機(jī)動(dòng)性能更好。

電力推進(jìn)堵轉(zhuǎn)特性好。港作拖輪長(zhǎng)期在港口內(nèi)運(yùn)行，難免會(huì)遇到漁網(wǎng)或水下繩索的纏繞。短時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)可以保持堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，持續(xù)一段時(shí)間后變頻器進(jìn)行堵轉(zhuǎn)停機(jī)保護(hù)，保護(hù)設(shè)備和船舶安全。

船舶振動(dòng)噪聲主要來自燃?xì)鈾C(jī)、柴油機(jī)等熱機(jī)。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，振動(dòng)噪聲水平較低。另外，設(shè)備可分散布置，通過合理的艙室布置也可以降低重要艙室噪聲。

港作拖輪具有平均負(fù)荷低、作業(yè)范圍有限（航程短）、平均作業(yè)時(shí)間短、間歇作業(yè)、常規(guī)時(shí)間碼頭待命（有充電時(shí)間）等特點(diǎn)，與純電池動(dòng)力系統(tǒng)放電范圍寬廣、低放電率壽命更長(zhǎng)、占地小、續(xù)航弱等特征相吻合，因此純電池動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于港作拖輪具有一定的優(yōu)勢(shì)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，連云港4000 HP純電拖輪配備5000 kWh磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組，試運(yùn)行期間2 h可充滿電，作業(yè)時(shí)長(zhǎng)10 h左右。即充電一次可滿足全天作業(yè)需要，靠碼頭期間也可隨時(shí)補(bǔ)電。拖輪運(yùn)營(yíng)一年時(shí)間，相比常規(guī)柴油機(jī)拖輪年均可節(jié)省燃油約300 t，相當(dāng)于減排二氧化碳900 t。從試運(yùn)行情況來看，環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益相比較傳統(tǒng)拖輪優(yōu)勢(shì)明顯。

5 結(jié)論

港作拖輪其特殊的航行區(qū)域和作業(yè)模式，高度吻合純電池動(dòng)力船舶的適用場(chǎng)景。結(jié)合目前綠色低碳港口岸電配套設(shè)施的使用，可大大降低船舶建造周期和使用成本。純電池動(dòng)力港作拖輪具備其他能源形勢(shì)拖輪有著較大的優(yōu)勢(shì)，且隨著電池價(jià)格降低和單位密度容量的提升，其會(huì)具備較為廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)港口節(jié)能減排具有促進(jìn)作用。

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Study on the Application of Pure Battery Power System in Craft Tugs

Lu Xiang1, Zhang Zhang2, Li Wenhao1

（1. Lianyungang Port Holdings Group Co., LTD, Lianyungang 222000, Jiangsu, China; 2. Lianyungang Port Group Co., Ltd. Tug&Barge Branch, Lianyungang 222000, Jiangsu, China)

U469.72

A

1003-4862（2022）08-0053-04

2022-01-17

盧翔(1985-)，男，工程師。研究方向：船泊與海洋工程。E-mail: 29599160@qq.com