內河船舶混合動力系統運行模式優化設計

王珊珊，徐家潤，陳德富，卓金寶

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108）

引言

船舶混合動力系統作為一種新型船舶推進型式，發揮柴油機推進和電力推進兩種動力型式的綜合優勢，具有經濟、高效、操縱性好、動力冗余等優點[1]。尤其是對于內河船舶，因為大多數選用雙機-雙槳推進結構，具有大長寬比/寬深比特點，長時間航行在急流、淺水、變水位、狹窄航道等復雜通航航道，需要頻繁改變運行工況，所以適合選用多模式船舶混合動力系統實現船舶動力推進。隨著船舶能效管理技術的不斷發展，具有不同功能或性能的船舶能效管理系統相繼被開發出來[2-4]。但是，對于船舶混合動力系統，特別是內河近海船舶混合動力的能效系統開發及應用的報道還比較少。特別是在船舶混合動力系統設計開發和運行早期階段，難以獲得足夠完備和準確的油耗數據的情況下，內河船舶混合動力系統如何選取最優運行模式還需要開展大量基礎研究工作。

1 功能分析

根據功能要求，船舶混合動力系統運行模式優化可分為數據采集模塊、數據分析模塊、油耗預測數據庫和運行模式優化。數據采集模塊主要采集混合動力系統耗能設備的油耗值以及長江不同航段的水文氣象數據。數據分析模塊根據水文氣象數據以及航段航速要求進行船舶推進功率分析。油耗預測數據庫為混合動力系統仿真油耗結果。運行模式優化模塊為整個系統的核心模塊，基于智能優化算法給出混合動力系統的最優運行模式和轉速等量化控制指令。

2 船舶混合動力系統運行模式

目前柴電混合動力主要包括串聯式柴電混合動力系統（CRP 系統）和PTO/PTI 軸帶電機模式柴電混合動力系統。本文研究的是PTO/PTI 軸帶電機模式柴電混合動力系統，軸帶電機既可以作為發電機，也可以作為電動機使用。運行模式包括柴油機直接推進模式、電機直接推進模式（PTH）、電機輔助推進模式（PTI）以及軸帶發電模式（PTO）。

（1）柴油機直接推進模式。混合動力船舶在柴油主機直接推進模式下，單獨使用柴油機通過傳動系統驅動螺旋槳。

（2）電機直接推進模式（PTH）。在PTH 模式下，柴油機處于停車狀態，由軸帶電機單獨驅動螺旋槳進行推進，PTH 模式類似于電力推進系統的運行工況。

（3）電機輔助推進模式（PTI）。在PTI 模式下，柴油機與軸帶電機通過齒輪箱并車驅動螺旋槳。

（4）軸帶發電模式（PTO）。PTO 模式下，柴發機組向日用負載供電，主機在提供船舶所需推進功率的同時，還利用一部分富余功率驅動軸帶發電機，當儲能裝置的荷電狀態低于設定值時向其充電。

在實際運行時，船舶混合動力系統需要根據實際運行工況、航速要求、水文氣象環境、油耗要求等等因素，在四種模式中選擇一種最優的運行模式。

圖1 混合動力系統總體仿真模型圖

3 數據采集與分析

在運行模式優化前，需要采集和分析得到多種類型的系統運行和外部環境數據。主要分為兩個模塊實現：（1）數據采集模塊主要采集混合動力系統耗能設備的油耗值以及長江不同航段的水文氣象數據；（2）數據分析模塊根據水文氣象數據以及航段航速要求進行船舶推進功率分析。

數據采集模塊通過在主輔機燃油管路處安裝油耗儀采集主輔機的油耗瞬時值和累積值。其中，油耗瞬時值用于主輔機油耗的在線監測，油耗累積值用于一類能效參數的統計分析。

接下來，在采集到的水文氣象和航段航速數據的基礎上，通過數據分析模塊分析船舶混合動力系統推進功率需求。首先針對選定的船型分析靜水阻力，然后從氣象水文數據庫中查詢所航行航段的水文氣象數據，考慮內河航行時阻力受淺水、風以及水流等影響因素的作用，結合所航行航段的航速要求，最后計算得到螺旋槳的推進功率需求。

采用茲萬科夫公式計算混合動力船舶處于不同航速下的靜水阻力。內河航行阻力受淺水、風、水流等影響因素的作用，船舶阻力會發生變化。淺水阻力采用胡緒昌法計算，該方法是將深水阻力換算成淺水阻力修正系數，對于內河船舶的淺水阻力計算具有較好的適用性。對任意相對風向角的平均縱向風阻力RAA可采用以下公式進行計算：

式（1）中：k 為風影響系數；ρA為空氣的密度；ATV為船體水線以上部分在橫剖面上的投影面積；CX為平均風阻力系數。

通常認為水流速度對船體運動的影響只是表現在速度上，對于直線勻速航行的船舶，認為均勻流不會產生阻力，僅考慮水流速度對于船舶航速的影響，即船舶對水速度等于船舶對地速度加減表面水流速度。

據此，可得出船舶在指定航段下，船舶總阻力R 與船舶對水速度V 之間的關系，則船舶推進所需的有效功率為Pship=R×V。最終，得到螺旋槳推進功率為Ppropellor=Pship/ηship，式中：ηship為船身效率，ηship=（1-t）/（1-ω），t 為推力減額；ω 為伴流分數。

4 運行模式優化設計

在Visual Studio 環境中基于C 語言開發混合動力系統運行模式優化軟件。在船舶混合動力系統設計開發和運行早期階段時，難以獲得動力系統不同運行模式下足夠完備和準確的油耗數據。針對此種情況，可以基于AMESim 仿真軟件建立船舶混合動力系統油耗仿真模型，將仿真結果存儲在油耗預測數據庫中，作為后續運行模式優化計算時油耗參數的數據來源。

應用AMESim 仿真軟件對混合動力不同運行模式下的不同工況進行油耗仿真，混合動力系統仿真總體仿真模型圖如圖1 所示。

由圖1 可知，混合動力系統仿真模型由單機組組成，包括一臺柴油機、一臺可逆軸帶電機、齒輪箱、聯軸器、螺旋槳以及船體。TBD234V6 不可逆高速柴油機為主機，每臺主機通過齒輪箱與可逆軸帶電機并聯，通過軸系驅動螺旋槳組成混合推進動力系統，可實現柴油機主推進模式、軸帶電機發電模式PTO、軸帶電機電動模式與主機共同驅動螺旋槳以及軸帶電機單獨帶動螺旋槳的純電力推進模式。

表1 不同穩態轉速下各參數的誤差分析

圖2 混合動力系統最佳運行模式界面圖

通過對比仿真結果以及臺架試驗結果來驗證仿真數據的可靠性，文中選取轉速為1101rpm-1898rpm 各轉速點的臺架實驗數據，通過對比得到功率、增壓器轉速、渦輪前排溫以及油耗參數，對比結果見表1。

從表1 中可以看出仿真結果可以滿足油耗預測的工程應用要求。將在不同運行模式（柴油機推進、PTH、PTI、PTO）下不同工況的仿真結果以及對應的主機轉速、主機功率、主機燃油消耗率、軸帶電機轉速、軸帶電機功率、柴發機組功率等數據記錄并保存在MySQL8.0 開發的油耗預測數據庫中。

以內河不同航段的水文氣象條件和航速要求為約束條件，以整個動力系統油耗最低為目標，建立船舶混合動力系統運行模式優化模型，通過粒子群算法求解優化得到船舶混合動力系統的最佳運行模式。所建立的優化模型的主要輸入參數為：水文氣象條件、航速要求、推進功率需求和油耗仿真數據，輸出參數為：最優運行模式及其相應的油耗、轉速等量化控制指令。運行模式得到可選項包括柴油機直推模式、PTH 模式、PTI 模式和PTO 模式。粒子群優化模型除了完成基本的優化功能外，還需要考慮兩點：（1）在輸入參數缺損或不足情況下的可靠性；（2）在大數據計算過程中的快速性。在迭代到200 次或目標函數誤差小于等于0.01 時停止，輸出最終的優化結果（見圖 2）。

5 結束語

本文設計了一種內河船舶混合動力運行模式優化方法，以整個系統油耗最低為目標，優化得到船舶混合動力系統的最佳運行模式。此方法將油耗仿真數據作為油耗預測數據庫的主要數據來源，適合于油耗數據尚未完全獲取的情況。在后續研究中，需要進一步完善水文氣象數據庫和油耗仿真數據庫，提高運行模式優化的快速性和準確性等性能。