大功率拖轮油电混合动力系统研究

摘要：本项目开展的大功率拖轮油电混合动力系统的关键技术研究，能有效解决由于拖轮作业特点造成的柴油机长期低负荷工况下的燃烧不充分、设备工况恶化与油耗浪费、排放恶化等问题，在拖轮全工况运行范围内，选择合理运行模式，最大限度地使主机运行在最佳最经济工况点，有效提高动力系统效率、大幅度降低CO2和NOX排放、减少港口污染。1.技术概况IMO“防止船舶造成空气污染规则”附则制定了分阶段的船舶NOX

排放限值和燃料含硫量限值标准。我国也在积极推行节能减排相关政策，交通运输部于2018年12月10日公布了《船舶大气污染物排放控制区实施方案》，在2015年8月出台的《船舶与港口污染防治专项行动实施方案》基础上对排放控制区地理范围、污染物控制范围、排放控制标准、实施时间、实施要求等方面进行了调整，降低了船舶硫氧化物、氮氧化物、颗粒物和挥发性有机物等大气污染物的排放。其中，沿海排放控制区由此前的珠三角、长三角、环渤海（京津冀）三个排放控制水域扩大到全国沿海12海里以及海南水域；内河控制区包含长江干线（云南水富至江苏浏河口）、西江干线（广西南宁至广东肇庆段）的通航水域；从控制区要求看，2019年1月1日起，海船在排放控制区应使用硫含量不大于0.5%m/m的船用燃油；2020年1月1日起，船舶在内河控制区应使用硫含量不大于0.1%m/m的船用燃油；2022年1月1日起，海船在沿海控制区海南水域应使用硫含量不大于0.1%m/m的船用燃油。同时增加了对NOx排放的控制要求。如何对应管理规范实现有效减排，大功率油电混合动力系统首次实现了非LNG动力船舶的排放达标。拖轮相对集中在港口进行作业，是港口重要的排放源。国内港口从二十世纪70年代中后期开始引进全回转拖轮，绝大部分采用柴油机直接推进型式，动力系统一般按主机100%功率进行设计，以保证拖轮作业时具备强劲的拖力或推力。但由于其作业特点，拖轮每天大部分工作时间内主机处于低负荷运行状况。由图1典型拖轮负荷曲线可见，在近80%的时间内，柴油机运行在20%负荷以下。拖轮长期在低负荷状态下运行，导致柴油机燃烧不充分，油耗高、排放差，另外长期低负荷运行对柴油机的使用寿命也会产生不利影响。图1典型拖轮负荷曲线目前全国港口共有拖轮800余艘，其中上海港共有拖轮100余艘。国内拖轮在效率、排放、能耗、振动噪声舒适性、智能化水平等方面与国外先进技术有较大差距，尤其是动力系统等关键设备，如柴油机、舵桨、离合器等大都采用国外二十多年前的产品，性能指标低、操纵性差，拖轮建造初期投入及维护成本高，售后服务响应慢，长期以来，拖轮行业在产品、技术、制造、服务等方面受制于人。基于这些因素，当前急需国内能有自主知识产权的创新突破和技术升级，提升中国港口拖轮的技术含量和保障港口安全营运。2.技术原理油电混合动力系统是柴油机和电力混合推进的一种新型推进动力组合系统，分柴油机推进、轴带电机推进、混合动力推进三种模式。其中，柴油机推进PTO（Powertakeout，轴带电机运行在发电状态输出功率工况）/PTI（Powertakein，轴带电机运行在电机状态输入功率工况）。轴带电机模式的油电混合推进动力系统是国外近几年广泛采用的新型推进型式。其中轴带电机既可以做发电机用PTO，也可以逆变成电动机PTI使用，有PTO发电、PTH推进、PTI辅助推进三种工作模式。PTO发电模式是指船舶在经济航行工况运行时，利用主机常规推进，此时轴带电机工作在PTO状态，使得主机带动螺旋桨和轴带发电机运行，利用最少数量的辅机发电，实现动力系统的最经济运行；PTH推进模式是船舶低速、微速航行或主机故障时，将辅机的电能通过配电板输送给轴带电机（PTI）实现电力推进工况；PTI辅助推进模式是当船舶阻力增大或需要加速航行时，轴带电机工作在PTI状态，与主机并车实现混合推进。油电混合动力系统在拖轮上的应用可满足拖轮多工况下经济运行的需求，有效提高动力系统效率、大幅降低排放。据测算，常规柴油动力3000kW港口拖轮年耗油量约450吨，排放量约为1440吨二氧化碳，若采用油电混合动力拖轮，年耗油量约为400吨，排放量约为1300吨二氧化碳，节能率和碳排放强度下降率均在10%以上。油电混合动力系统重点突破技术主要有：定距桨推进的拖轮油电混合动力系统集成设计技术、拖轮油电混合动力系统多工况控制策略技术、紧凑型低背压排气综合治理系统设计技术、套轴异步电机变速发电技术、基于定距桨推进的油电混合动力系统拖轮船型设计及优化等关键技术。针对拖轮特点，开发油电混合动力系统，建立陆上联调试验台，开展混合动力系统关键技术验证，确保示范应用效果。在油电混合动力系统拖轮船型设计优化、布置设计基础上，将自主设计油电混合动力系统安装于示范船，并完成相关试验，各项性能指标满足要求，实现自主研制大功率拖轮油电混合动力系统在国内首次实船示范应用。研究方案如图2所示。图2研究方案图3.技术创新点（1）针对拖轮平均负荷率低和工况多变的运行需求，开展拖轮节能工况模式研究，国内首次开发出基于定距桨推进的拖轮油电混合动力系统并实现实船示范应用。（2）针对拖轮油电混合动力系统控制精度和可靠性要求高的难点，国内首次开发出适用于拖轮节能工况的油电混合动力控制策略和控制系统，实现油电混合系统各模式的安全、可靠、智能、便捷操控。（3）针对拖轮油电混合动力系统关键设备依赖进口的现状，开展高指标中速柴油机推进特性匹配研究，实现了在国内油电混合动力拖轮上的首例应用。（4）国内首次在拖轮上开展高效喷氨、混氨、消音一体化的排气综合治理系统研制，并实现了实船示范应用。（5）母型船船型优化。合适的船舶船型（尤其是线型）可以降低船舶运行阻力，降低能耗，起到节能的效果。委托中国船舶重工集团公司第七〇二研究所进行船型优化水动力试验。船型优化结果与初始船型相比，优化船型排水体积不变；航速为12kn时，优化船型的船模阻力下降了4.80%，实船阻力和有效功率下降了5.23%4.技术应用关键点（1）基于定距桨推进的拖轮油电混合动力系统集成设计定距桨具有固定的水动力特性，配置定距桨的拖轮油电混合动力系统需满足多运行工况和不同工作模式的匹配要求。本项目在拖轮节能工况研究基础上，开展柴油机推进和电力推进的优化配合研究，设备优化配置，使拖轮动力系统高效节能，功能满足不同工况作业需求。在港作拖轮低速自由航行时，采用电机单独推进（PTH）；在港作拖轮高速自由航行时，采用柴油机单独推进（在部分转速区间可以进行可逆电机PTO发电）；在港作拖轮中低载荷拖带作业情况下，采用柴油机单独推进（可逆电机PTO发电不可用）；在港作拖轮高载荷拖带作业情况下，采用柴油机和可逆电机并车推进（PTI）。经实船验证，满足拖轮拖力、航速等指标要求。（2）拖轮油电混合动力系统多工况控制策略拖轮油电混合动力系统可根据工况需求，进行PTI电力推进模式、油电混动的并车模式、PTO发电模式以及柴油机单独推进模式的转换。动力系统在不同模式下的可靠切换是保证拖轮安全运营的关键，通过研究油电混合动力系统模式切换过程特性，优化模式切换控制策略，简化模式切换控制流程，可提高模式切换可靠性、便捷性。本项目在研究柴电混合动力系统模式切换过程基础上，针对6个切换过程开展控制流程设计及安保策略研究，通过内部逻辑控制单元实现自动化操作，最终实现柔性、智能化的模式切换。经实船验证，各模式间切换时间从理论设计不超过35s到实际优化实现为3~25s。（3）紧凑型低背压排气综合治理系统设计本项目排气综合治理系统包含除NOX、消音等功能，需要喷氨及混氨管路、催化反应器、排气消音器等多部件来实现。通过合理的结构设计及内部流场优化，研制出满足拖轮减排性能及空间要求的紧凑型低背压排气综合治理系统。经陆上联调试验台及实船验证，排放满足TierⅢ要求。（4）套轴异步电机变速发电由于异步电机变转速发电产生的电压、频率不恒定，不能直接连接至船舶电网，需通过开展套轴电机变速发电控制策略和变速恒频技术研究，将异步电机变速发电产生的电能转化为恒压恒频的电能，实现套轴电机与电站机组并网和能量综合利用。当主机变速推进时，使用套轴异步电机发电，可实现主机功率充分利用，减少辅机运行数量，实现能量综合利用，达到节能目的。5.技术应用情况拖轮油电混合动力系统可根据工况需求实现不同模式下的可靠切换，保证拖轮安全运营。模式切换过程中，拖轮运行不受影响，模式切换可靠性、便捷性非常高，保障了船舶安全作业连续。拖轮油电混合动力系统可以根据不同工况的需要使用柴油机推进、PTO发电、PTI电力推进、油电并车推进等多种运行模式，适用于工况多且复杂的船舶，可满足船舶多动力工况下经济运行的需求，实现能源最经济、高效的利用。该套装置已在“海港711”拖轮上实现应用，还可推广应用于各类海工拖轮、工程船舶、江海运输船舶、救助船舶、科考船舶、车客渡船等工况复杂且对动力系统冗余度要求高的船舶。6.技术效益分析5.1节能低碳效益根据拖轮运行功率区间统计，选取拖轮典型工况进行油耗测试，基于测试工况测量油耗，结合油耗结果和典型工况运行时间占比，计算全船年度油耗，并与常规动力拖轮进行油耗分析比较，分析油电混合动力拖轮节油效果。实船油耗测试数据如表1所示。表1

测试工况数据相较于传统拖轮，油电混合拖轮年节油量约为52.87吨，折算标准煤为77.05吨、减排163.68吨二氧化碳。按油电混合拖轮生命周期为30年进行计算，整个生命周期油电混合拖轮共节约柴油1586.10吨，折算标准煤为2311.50

吨，减少碳排放4910.40吨。6.2经济效益随着国家节能环保低碳减排工作顺利推进，按照每年计划新建拖轮数量在40~50艘，20%客户选择油电混合动力拖轮计算，每年可新接油电混合动力拖轮项目8~10艘，每艘建造产值4000万元，每年可新增产值32000~40000万元，利润按每艘200万元计，每年可产生利润1600~2000万元，具有良好的市场前景和经济效益。在节能经济效益上，每年每艘拖轮节油量52.87吨，按市场普通柴油7500元/吨价格计算，