谷孝利，何炎平，趙永生，黃 超，劉亞東

(上海交通大學 a.海洋工程國家重點實驗室；b.船舶海洋與建筑工程學院；c.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

0 引 言

隨著環(huán)保要求的提高，在碳達峰和碳中和大趨勢下，各高能耗行業(yè)均在探索節(jié)能降耗方案，謀求降低碳排放[1]。近年來鋰電池儲能技術(shù)取得長足的發(fā)展，在新能源汽車領(lǐng)域已具有成熟的應(yīng)用，但在船舶行業(yè)僅在無人船和小型旅游船等小范圍內(nèi)得到應(yīng)用[2-3]。絞吸挖泥船作為高能耗裝備，節(jié)能挖潛的需求迫切。

絞吸挖泥船在施工時，絞刀和泥泵等主要施工設(shè)備受到疏浚土質(zhì)、排距、流量、泥漿體積分數(shù)、管道阻力和管道流速等因素的影響，負載功率變化較大，對整船的動力配置要求較高，更影響設(shè)備壽命、施工效率和燃油消耗量。已提出相關(guān)設(shè)想：在絞吸挖泥船動力系統(tǒng)中配置相當容量的鋰電池儲能系統(tǒng)，在施工過程中采用鋰電池儲能系統(tǒng)負擔突變負載，使主發(fā)電機組穩(wěn)定運行，可提高整船施工經(jīng)濟性并實現(xiàn)節(jié)能降耗[4-5]。但鋰電池儲能系統(tǒng)是否適用于絞吸挖泥船，應(yīng)用是否具有局限性，如何與具體船型和動力系統(tǒng)匹配，需要重點分析。

1 規(guī)范適用性分析

以鋰電池作為動力源的船舶，目前國內(nèi)可依據(jù)的法規(guī)和規(guī)范主要為《純電池動力船舶檢驗指南》和《混合動力船舶檢驗指南》，其中：《純電池動力船舶檢驗指南》于2019年12月1日生效，替代2014年生效的《太陽能光伏系統(tǒng)及磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)檢驗指南》中的第3章“磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)”和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范2016》中的第3篇第3節(jié)“磷酸鐵鋰電池船上應(yīng)用”的安全技術(shù)要求。

《純電池動力船舶檢驗指南》適用于以蓄電池為推進電源的船舶的設(shè)計、建造、檢驗和蓄電池及其電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)的試驗和檢驗[6]。混合動力電動船可參照該指南的適用部分?！痘旌蟿恿Υ皺z驗指南》適用于設(shè)置多種能量源(不含風帆)、可同時作為主推進動力的船舶[7]。上述指南明確，只有以蓄電池作為船舶推進動力源，才需要按照指南中的條款進行相關(guān)設(shè)計、建造和檢驗。鋰電池儲能系統(tǒng)在絞吸挖泥船上應(yīng)用的主要目的是承擔施工設(shè)備頻繁突變的負載，并不作為航行推進的動力源，因此針對法規(guī)和規(guī)范環(huán)節(jié)，鋰電池在絞吸挖泥船上的應(yīng)用并無障礙。但為最大程度保障船舶和船員的安全，建議在實際執(zhí)行中參考上述指南。

2019年，挪威-德國勞氏船級社(DNV GL)發(fā)布的一項有關(guān)船舶電池安全性的報告指出，與三元鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池的安全優(yōu)勢在船舶上更加突出[8]。在現(xiàn)階段，中國船級社(CCS)對國內(nèi)船用鋰電池頒發(fā)的型式認可證書僅認定磷酸鐵鋰電池。

2 動力系統(tǒng)分類

絞吸挖泥船施工設(shè)備多、負載功率大，動力系統(tǒng)配置和驅(qū)動形式與船舶類型、市場定位和初始投資等關(guān)系密切，主要施工設(shè)備為艙內(nèi)泥泵、水下泥泵、絞刀、橫移絞車、橋架絞車和封水泵等。按照動力配置特點和主要施工設(shè)備驅(qū)動形式對絞吸挖泥船分類如下：

(1)柴油機直驅(qū)類，指主要施工設(shè)備由柴油機單對單直接驅(qū)動或由柴油機帶液壓泵站驅(qū)動。

(2)柴油機直驅(qū)和電力驅(qū)動并存類，指艙內(nèi)泥泵由柴油機單對單直接驅(qū)動，絞刀、水下泥泵和/或絞車等由公共電站供電的變頻設(shè)備驅(qū)動。

(3)全電力驅(qū)動類，指所有主要施工設(shè)備由公共電站供電的變頻設(shè)備驅(qū)動。

2.2.1活用增減掛鉤政策，紅利用于扶貧建設(shè)國土資源部從行業(yè)優(yōu)勢出發(fā)，下發(fā)《關(guān)于用好用活增減掛鉤政策積極支持扶貧開發(fā)及易地扶貧搬遷工作的通知》，制定了城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤的“黃金政策”；貴州省國土資源廳依據(jù)貴州省情，進一步出臺《關(guān)于用好用活增減掛鉤政策積極支持扶貧搬遷的實施意見》，規(guī)范增減掛鉤指標流轉(zhuǎn)，實施易地扶貧搬遷掛圖作戰(zhàn)；以市場化方式，規(guī)范、公開、公平、有償流轉(zhuǎn)，充分體現(xiàn)土地級差收益，為扶貧工作多籌集資金。允許省內(nèi)所有貧困縣產(chǎn)生的城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤節(jié)余指標在全省內(nèi)交易使用，收益返還指標產(chǎn)生的農(nóng)村地區(qū)，用于扶貧，支持了農(nóng)民住房、農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)設(shè)施的建設(shè)，達到精準施策、精準扶貧。

對2000年后國內(nèi)疏浚市場建成使用的67艘大型絞吸挖泥船進行分類：柴油機直驅(qū)類42艘，占比62.69%，以航絞2001和天獅為代表；柴油機直驅(qū)和電力驅(qū)動并存類22艘，占比32.84%，以天麒號和新海旭為代表；全電力驅(qū)動類3艘，占比4.48%，以天鯤號和長獅18為代表。

柴油機直驅(qū)類在2012年后少有企業(yè)投資建設(shè)；柴油機直驅(qū)和電力驅(qū)動并存類自2007年開始陸續(xù)投資建設(shè)，并一直持續(xù)至今；全電力驅(qū)動類自2016年開始投資建設(shè)。由國內(nèi)現(xiàn)有絞吸挖泥船動力系統(tǒng)配置和發(fā)展時間軸可知：電力驅(qū)動是發(fā)展趨勢，并為鋰電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)造條件。

3 鋰電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 柴油機直驅(qū)類

柴油機直驅(qū)類絞吸挖泥船動力系統(tǒng)配置如圖1所示，其中：G為發(fā)電機。對于在該類船上應(yīng)用鋰電池儲能系統(tǒng)，除施工設(shè)備本體改動小外，其他如驅(qū)動系統(tǒng)和原動機等均需要徹底改造才具備可能性。整個應(yīng)用過程工作量較大、投入費用高、性價比低，因此鋰電池儲能系統(tǒng)在該類船上不具備應(yīng)用的優(yōu)勢和潛力。

圖1 柴油機直驅(qū)類絞吸挖泥船動力系統(tǒng)配置

3.2 柴油機直驅(qū)和電力驅(qū)動并存類

對于在該類船上應(yīng)用鋰電池儲能系統(tǒng)，根據(jù)第3.1節(jié)的論述，柴油機直驅(qū)的施工設(shè)備不太可能開展混動應(yīng)用，但電力驅(qū)動的施工設(shè)備可為鋰電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用提供條件，動力系統(tǒng)配置方案以天麒號同類船和新海旭同類船為代表。

3.2.1 天麒號同類船

天麒號同類船動力系統(tǒng)的特點是船舶電站為低壓電站，絞刀和水下泥泵采用低壓單傳動變頻驅(qū)動系統(tǒng)，橋架絞車和橫移絞車等采用低壓多傳動變頻驅(qū)動系統(tǒng)。天麒號電力系統(tǒng)單線圖如圖2所示，其中：AC為交流電；DC為直流電；DC Bus為直流母線。

圖2 天麒號電力系統(tǒng)單線圖

鋰電池儲能系統(tǒng)在天麒號同類船上的應(yīng)用分2種方案。方案一：鋰電池組通過DC/AC單元直接接入主配電板，如圖3所示。方案二：將鋰電池組通過DC/DC單元接入變頻器的直流環(huán)節(jié)，如圖4所示。所有的應(yīng)用均以對原船改動量最小為前提。加裝的鋰電池儲能系統(tǒng)及相關(guān)附屬設(shè)備應(yīng)盡可能設(shè)計為整體式，具有較高防護等級，可方便吊裝和安裝，與原船的動力系統(tǒng)盡可能進行插拔式連接。

圖3 鋰電池組接入主配電板示例

圖4 鋰電池組接入變頻器直流環(huán)節(jié)示例

方案一的優(yōu)點：方便統(tǒng)籌管理全船電能，鋰電池儲能系統(tǒng)可有效覆蓋所有設(shè)備的突變負載，系統(tǒng)整體性更優(yōu)；較少數(shù)量的電源轉(zhuǎn)換模塊和鋰電池組即可滿足系統(tǒng)功能需求，減少對布置空間的要求。方案一的缺點：鋰電池組通過DC/AC逆變模塊接入交流配電網(wǎng)絡(luò)，逆變單元會帶來諧波，干擾原船配電網(wǎng)，降低船舶電能質(zhì)量，對發(fā)電系統(tǒng)、控制設(shè)備合信號傳輸?shù)仍斐善茐暮透蓴_；鋰電池儲能系統(tǒng)在工作時需要與主發(fā)電機組并車，對電站并車功能和功率管理系統(tǒng)要求高。

方案二的優(yōu)點：鋰電池儲能系統(tǒng)在工作時不需要與主發(fā)電機組并車，僅作為補充能源直接承擔變頻器驅(qū)動設(shè)備的突變負載，與主發(fā)電機組做好功率分配即可[9]。方案二的缺點：僅對接入鋰電池儲能系統(tǒng)的負載可起到能源補充的作用，無法覆蓋整船設(shè)備突變的負載；鋰電池儲能系統(tǒng)每接入1處變頻器直流環(huán)節(jié)即需要1個DC/DC模塊，一般來說，會需要較多DC/DC模塊，且需要對接入的每個變頻器進行改造，工作量較大。

3.2.2 新海旭同類船

新海旭同類船動力系統(tǒng)的特點是船舶電站為高壓電站，通過降壓移相變壓器帶動具有公共DC Bus的低壓多傳變頻系統(tǒng)，用于驅(qū)動絞刀、水下泥泵、橋架絞車和橫移絞車等施工設(shè)備。新海旭電力系統(tǒng)單線圖如圖5所示。

圖5 新海旭電力系統(tǒng)單線圖

鋰電池儲能系統(tǒng)在新海旭同類船上的應(yīng)用分2種方案。方案一：類似圖3的改造方案，受限于高電壓的DC/AC模塊和鋰電池儲能系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，現(xiàn)階段儲能系統(tǒng)電壓以DC 1 000 V以下為主，因此需要在圖3的DC/AC模塊與電網(wǎng)之間增加升壓變壓器，通過升壓變壓器使儲能系統(tǒng)電壓與電網(wǎng)電壓一致，達到并車要求。方案二：得益于具有公共DC Bus的低壓多傳變頻系統(tǒng)，可在公共DC Bus上通過DC/DC模塊接入鋰電池儲能系統(tǒng)，其單線圖類似圖4；鋰電池儲能系統(tǒng)可作為補充能源支持主電源，并在主電源功率充足時可通過公共DC Bus為鋰電池儲能系統(tǒng)充電。

方案一的優(yōu)缺點在第3.2.1節(jié)中已介紹，不再展開。

方案二的優(yōu)勢在于：鋰電池儲能系統(tǒng)直接接在低壓多傳變頻系統(tǒng)的公共DC Bus上，無須考慮與主電源并車的問題，省去并車單元和程序；鋰電池儲能系統(tǒng)接在公共DC Bus上，對于整船來說，類似未增加諧波源，對船舶電能質(zhì)量的影響較?。慌c圖4接入變頻器直流端不同，整船僅需要1套公共DC Bus即可兼顧所有施工設(shè)備的突變負載。

3.3 全電力驅(qū)動類

全電力驅(qū)動類絞吸挖泥船動力系統(tǒng)的主要特點是船舶電站為高壓電站，所有主要施工設(shè)備由公共電站供電的變頻設(shè)備驅(qū)動，以天鯤號和長獅18為代表。天鯤號主要施工設(shè)備均采用高壓單傳動變頻驅(qū)動系統(tǒng)，通過在高壓變頻器輸出端增加切換柜提高系統(tǒng)冗余性。長獅18采用高壓變頻傳動與低壓變頻驅(qū)動結(jié)合，艙內(nèi)泥泵和推進電機共用高壓變頻傳動、分時切換，其他主要施工設(shè)備采用具有公共DC Bus的低壓多傳變頻驅(qū)動系統(tǒng)，公共DC Bus由隔離開關(guān)分為3段，可有效切除故障段、最大限度保持施工連續(xù)性。

天鯤號動力系統(tǒng)與鋰電池儲能系統(tǒng)結(jié)合，可從主配電板和變頻器端入手：從主配電板端入手，優(yōu)缺點在天麒號同類船中已介紹，需要額外增加2個大容量升壓變壓器；從變頻器端入手，以單傳動變頻器為主，與鋰電池結(jié)合應(yīng)用改動工作太大，操作性不強。

長獅18電力系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計延續(xù)新海旭的思路，鋰電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用具有與新海旭同樣的優(yōu)勢和競爭力。

4 結(jié) 論

通過對2000年后國內(nèi)疏浚市場建成使用的67艘大型絞吸挖泥船動力系統(tǒng)配置進行分類，對其中典型船舶的鋰電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用進行研究，分析混動方案應(yīng)用的可行性和應(yīng)用利弊，得出如下結(jié)論：

(1)占比62.69%的柴油機直驅(qū)類絞吸挖泥船：單純從應(yīng)用鋰電池儲能系統(tǒng)方面分析，由于投入資金高、工作量大，因此鋰電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用的意義不大；若船舶動力系統(tǒng)自身需要進行較大的升級改造，則鋰電池儲能系統(tǒng)可作為局部系統(tǒng)的備選方案?？偟膩碚f，該類船不具備鋰電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用的潛力。

(2)占比32.84%的柴油機直驅(qū)和電力驅(qū)動并存類絞吸挖泥船：動力系統(tǒng)配置與鋰電池儲能系統(tǒng)的結(jié)合更容易、方案靈活、適應(yīng)性強，具有較高的可行性。該類船具備鋰電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用的較大潛力。

(3)占比4.48%的全電力驅(qū)動類絞吸挖泥船：存在動力系統(tǒng)與鋰電池儲能系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用的潛力，特別是對于配置具有公共DC Bus的低壓多傳變頻系統(tǒng)的船舶，結(jié)合性更強。