電力推進(jìn)船舶功率容量的優(yōu)化配置

孫 盼，孫 俊，尚前明，楊祥國，于 桐，楊 誠，吳書禮

(1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430063;2.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)所，四川成都 610213)

近年來，能源危機(jī)和大氣污染一定程度上影響了社會(huì)的發(fā)展，節(jié)能減排已成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。航運(yùn)是不可再生能源的消耗途徑之一，同時(shí)也是大氣污染的主要來源之一。電力推進(jìn)系統(tǒng)憑借其能耗低、排放少、機(jī)動(dòng)性好、經(jīng)濟(jì)性好、操作靈活等特點(diǎn)受到了行業(yè)的關(guān)注，并成為艦船推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的主要方式之一［1］。電力推進(jìn)船舶的發(fā)電機(jī)組為柴油機(jī)。圖1為柴油機(jī)負(fù)荷與耗油量的關(guān)系，由圖可以看出，柴油機(jī)的耗油量在80%負(fù)荷左右時(shí)最低，該點(diǎn)被稱為柴油機(jī)的最佳工況點(diǎn)。當(dāng)負(fù)荷偏離最佳工況點(diǎn)時(shí)，燃油的燃燒不完全，耗油量增加，氮氧化物和硫化物的排放增多［2］。

圖1 柴油機(jī)負(fù)荷與耗油量關(guān)系曲線

因此，控制柴油機(jī)工作在最佳工況點(diǎn)附近是船舶降低油耗，減少排放的主要途徑之一。傳統(tǒng)的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)由多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)而成，可以根據(jù)負(fù)載的變化選取柴油發(fā)電機(jī)組的工作臺(tái)數(shù)，從而使發(fā)電機(jī)組工作在最佳工況點(diǎn)附近，但是該方式動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。本文以6 500 kW耙吸式挖泥船為例，通過加入復(fù)合儲(chǔ)能裝置，可在降低主機(jī)功率要求的同時(shí)滿足各工況下的功率需求，還能提高能源利用效率，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1 復(fù)合儲(chǔ)能裝置的總體設(shè)計(jì)

1.1 工況分析

由于挖泥船通常情況下在內(nèi)河航運(yùn)和作業(yè)，其在正常航行時(shí)負(fù)載的擾動(dòng)比挖泥作業(yè)時(shí)小很多，因此用采樣挖泥作業(yè)時(shí)負(fù)載的變化來做計(jì)算。某艘負(fù)載額定功率為6 500 kW的耙吸式挖泥船在一個(gè)作業(yè)周期 (36 h)的實(shí)際負(fù)載功率變化曲線如圖2所示。

圖2 挖泥船負(fù)載功率變化曲線圖

由圖2可知，挖泥船在作業(yè)時(shí)負(fù)載功率變化很頻繁，最大變化可在瞬間達(dá)到額定功率的80%。利用采樣的負(fù)載功率曲線求平均值可得船舶的平均負(fù)載功率為3 105 kW。而船舶的額定功率為6 500 kW，挖泥船有大部分時(shí)間處于較低功率需求的狀況，高功率需求工況只占很小的時(shí)間比例，從而導(dǎo)致多數(shù)工況下柴油機(jī)功率配置過分冗余。另一方面，柴油機(jī)的設(shè)計(jì)決定了燃油消耗率SFC隨負(fù)荷功率的增加而降低，在80% ～90%額定功率時(shí)達(dá)到最低［3］，意味著多數(shù)情況下，挖泥船配置的柴油機(jī)燃油效率較低。在不影響船舶動(dòng)力性能的前提下，為了提高挖泥船的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放，考慮通過加入復(fù)合儲(chǔ)能裝置的方法，來降低主機(jī)功率和燃油消耗率的同時(shí)滿足挖泥船的功率需求。

1.2 儲(chǔ)能元件的選擇

船舶儲(chǔ)能技術(shù)主要針對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，其目的是利用儲(chǔ)能裝置的充放電來對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而起到降低電網(wǎng)波動(dòng)，提高發(fā)電機(jī)組的工作效率，提高船舶運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性等作用［4］。電化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能以及電磁儲(chǔ)能是儲(chǔ)能的主要形式。目前船舶儲(chǔ)能裝置的研究應(yīng)用主要集中在以下4種:飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能以及超導(dǎo)儲(chǔ)能［5－7］。這4種典型的儲(chǔ)能裝置具有各自的性能特征，如表1所示。

表1 不同儲(chǔ)能裝置的性能特征

由表1可知，蓄電池屬于能量型儲(chǔ)能器件，其能量密度大，技術(shù)成熟，成本較低，可以長時(shí)間給電網(wǎng)供電，維持電網(wǎng)的功率平衡，但是其功率密度較低，循環(huán)壽命較短。超級(jí)電容屬于功率型儲(chǔ)能器件，其功率密度大，響應(yīng)速度快，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，而且其安裝簡單、體積小，可工作在各種環(huán)境，但其能量密度較低，高功率持續(xù)時(shí)間較短。為滿足儲(chǔ)能裝置需要具有功率密度大、能量密度高、瞬時(shí)充放電電流大、循環(huán)使用壽命長、性價(jià)比好等技術(shù)性能要求，采用超級(jí)電容和蓄電池組成的復(fù)合儲(chǔ)能裝置。

1.3 復(fù)合儲(chǔ)能裝置的接入形式

該挖泥船主要由2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，2臺(tái)泥泵、雙螺旋槳和其它負(fù)載組成。將超級(jí)電容組和蓄電池組組成復(fù)合儲(chǔ)能裝置，通過多端口DC/DC變換器與直流母線相連.該方法很好的結(jié)合了超級(jí)電容功率密度大和蓄電池能量密度大的優(yōu)勢(shì)，不僅有效減小了加速或者啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)大功率對(duì)蓄電池造成的沖擊，而且減輕了在正常行駛或者巡航時(shí)超級(jí)電容的體積和重量，此方法可以很好地提高船舶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性增強(qiáng)負(fù)載的適應(yīng)能力［8］，如圖3示。

2 發(fā)電機(jī)組的油耗與排放建模

2.1 燃油消耗模型

根據(jù)柴油機(jī)技術(shù)產(chǎn)品規(guī)格書可獲取柴油機(jī)的燃油消耗率及其負(fù)荷百分比的關(guān)系，如表2所示。

圖3 帶儲(chǔ)能裝置的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表2 柴油機(jī)的燃油消耗率及其負(fù)荷百分比的關(guān)系表

根據(jù)柴油機(jī)的需求功率Pd以折算出負(fù)荷百分比η，根據(jù)表2利用插值法可以得出不同負(fù)荷下的燃油消耗率b，進(jìn)而可以求得實(shí)時(shí)的燃油消耗量B(L/s)為:

式中:Pd為柴油機(jī)需求功率，kW;μSFC為燃油消耗率，g/(kW·h);ρ為燃油密度，991 g/L，按照ISO8217∶2010規(guī)范取值。

燃油消耗總量Vsum(L)為:

2.2 氣體排放模型

美國聯(lián)邦環(huán)保署 (EPA)2 000年簽署了柴油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所有非公路柴油機(jī)實(shí)施嚴(yán)格的第二階段法規(guī)。于2001—2004年執(zhí)行，法規(guī)的實(shí)施因發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出大小不同而不同，該法規(guī)規(guī)定，當(dāng)柴油機(jī)的功率在2 000～17 000 kW時(shí)，排放量(單位為 g) 計(jì)算按以下公式進(jìn)行［9－10］。

NOx的排放量為:

SO2的排放量為:

CO2排放量為:

式中:wS為燃油中的含硫百分比;wC為基于燃油

含碳量的燃油消耗和CO2排放量的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.3 發(fā)電機(jī)組的油耗與排放計(jì)算

將柴油機(jī)的參數(shù)代入到建立的數(shù)學(xué)模型中，以6 h內(nèi)的平均負(fù)載作為一個(gè)輸入，計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)組的燃油消耗率和排放量如表3。

表3 柴油機(jī)的燃油和排放的計(jì)算結(jié)果

3 仿真實(shí)驗(yàn)

由圖2得到的負(fù)載實(shí)時(shí)變化功率，根據(jù)滿足該挖泥船的各個(gè)工況的功率需求，在降低主機(jī)額定功率為5 000 kW，選取蓄電池的最大功率為2 MW、容量為2×107W·h，超級(jí)電容的最大功率為3 MW、容量為5×105W·h。根據(jù)在Matlab/Simulink環(huán)境中建立帶有復(fù)合儲(chǔ)能裝置的電力推進(jìn)船舶的模型、燃油消耗率模型和排放模型，以工作時(shí)的功率需求歷史數(shù)據(jù)作為模型的輸入，以燃油消耗和廢氣排放量作為輸出。

以該挖泥船的一個(gè)完整工作循環(huán)36 h為一個(gè)工作循環(huán)。實(shí)船采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為2 s，和未加入復(fù)合儲(chǔ)能裝置之前相同，以6個(gè)完整的工作循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。輸入同樣的實(shí)時(shí)負(fù)載功率數(shù)據(jù)，對(duì)燃油消耗率和氣體排放進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到的燃油消耗率和氣體排放如表4，得到的主機(jī)輸出功率如圖4。

將表3和表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在6個(gè)循環(huán)共36 h的工作過程中，接入超級(jí)電容和蓄電池組成的電力推進(jìn)系統(tǒng)，燃油消耗降低了8.52%，CO2的排放減少了8.65%，SO2的排放減少了8%，NOx的排放減少了5.3%，同時(shí)經(jīng)過仿真模擬，對(duì)圖5和圖2進(jìn)行對(duì)比，在加入復(fù)合儲(chǔ)能裝置主機(jī)功率由6 500 kW降到5 000 kW后，主機(jī)的輸出功率波動(dòng)更平緩，滿足挖泥船各個(gè)工況的功率需求，實(shí)現(xiàn)了降低主機(jī)功率冗余量，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

表4 接入復(fù)合儲(chǔ)能裝置后系統(tǒng)的油耗和排放結(jié)果

圖4 優(yōu)化容量后后主機(jī)的實(shí)時(shí)輸出功率

而超級(jí)電容和蓄電池的容量是比較大的，雖然在主機(jī)排放方面做到了有效的控制，但在儲(chǔ)能裝置的布置方面還需考慮經(jīng)濟(jì)型問題，如何做到既滿足推進(jìn)系統(tǒng)供需平衡，又可以使儲(chǔ)能裝置成本達(dá)到最低，本文仿真實(shí)驗(yàn)中，超級(jí)電容的荷電狀態(tài)的最大值為0.9，最小值為0.1，初始值為0.5;蓄電池荷電狀態(tài)的最大值為0.8，最小值為0.2，初始值為0.5;超級(jí)電容成本為25 000元/(千瓦·小時(shí))，蓄電池成本為1 800元/(千瓦·小時(shí));超級(jí)電容的能量轉(zhuǎn)換效率為0.9，蓄電池為0.8，根據(jù)超級(jí)電容和蓄電池在挖泥船36 h內(nèi)的使用情況仿真數(shù)據(jù)如圖5。

由圖5的仿真結(jié)果可知，在36 h內(nèi)，超級(jí)電容的容量上限為3×105W·h，蓄電池的容量上限為1×107W·h，根據(jù)仿真結(jié)果，可以減少復(fù)合儲(chǔ)能裝置的冗余量降低成本。如表5所示。

表5 優(yōu)化配置后的容量對(duì)比

圖5 超級(jí)電容和蓄電池的實(shí)時(shí)容量仿真

經(jīng)過仿真對(duì)比，超級(jí)電容的容量減少了40%，蓄電池容量減少了50%，所以在布置復(fù)合儲(chǔ)能裝置時(shí)，每瓦·時(shí)單價(jià)不變的情況下，經(jīng)濟(jì)型得到了明顯改善。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)發(fā)電機(jī)額定功率為6 500 kW的挖泥船，通過對(duì)實(shí)時(shí)負(fù)載的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)主機(jī)功率冗余量過高，大多數(shù)工況下都未在最佳工況點(diǎn)下運(yùn)行，通過建立燃油消耗率和氣體排放數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過計(jì)算得到燃油消耗率，CO2、SO2、NOx等氣體排放量過高，通過采取加入復(fù)合儲(chǔ)能裝置，降低發(fā)電機(jī)額定功率，使極大多數(shù)工況接近于最佳工況點(diǎn)，在Matlab/Simulink環(huán)境中建立帶有復(fù)合儲(chǔ)能裝置的電力推進(jìn)船舶模型、燃油消耗和氣體排放模型，通過仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)燃油消耗率，CO2、SO2、NOx均得到顯著降低，達(dá)到了節(jié)能減排的目的，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能裝置超級(jí)電容和蓄電池的容量進(jìn)行了仿真配比，在滿足挖泥船的正常運(yùn)行情況下，使復(fù)合儲(chǔ)能裝置的成本達(dá)到最低，經(jīng)濟(jì)型得到了明顯改善。

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