郵船柴油發(fā)電機(jī)與電池混合電力推進(jìn)系統(tǒng)排放研究

吳思晨， 李 鐵,b， 依 平， 武 燊， 姚 鋼

(上海交通大學(xué) a.海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心；c.電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240)

0 引 言

環(huán)境問題一直是備受關(guān)注的話題，盡管在全球航運(yùn)排放中郵船所占份額很小，但近年來隨著郵船市場的日益火爆，其排放總量顯著增加。特別是郵船在港口停泊期間仍有較大的生活用電需求，其廢氣排放不會停止，對人類健康的直接影響大于在海上航行期間的影響。因此，研究采用岸電、動(dòng)力電池和限制燃料的含硫量等措施減少船舶在靠港、操縱和巡航期間的能耗和排放具有重要意義。在郵船電力推進(jìn)系統(tǒng)方面開展的研究相對較少，相關(guān)研究人員提出了多種節(jié)能減排措施，包括新能源應(yīng)用、航行優(yōu)化運(yùn)營管理和控制策略等。ZHENG等引入具有較強(qiáng)非線性擬合能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),使目標(biāo)船某航次的油耗最少。CHI等依靠自動(dòng)識別系統(tǒng)和船舶數(shù)據(jù)庫，提出了實(shí)時(shí)能效運(yùn)營指數(shù)及其實(shí)施框架。LARSEN等建立了一個(gè)用來預(yù)測大型船舶燃料消耗和排放的模型。CHATZINKOLAOU等提出了一個(gè)基于生命周期的船舶排放評估創(chuàng)新框架，除了對運(yùn)行效率指數(shù)進(jìn)行評估以外，還側(cè)重于研究政策和業(yè)務(wù)措施對減少排放的影響。LINDSTAD等根據(jù)一個(gè)結(jié)合了船舶航速、海況和船舶特性的評估模型,探究了速度和尺寸對減少排放和節(jié)省運(yùn)營成本的影響。BOUMAN等對技術(shù)措施及其減排潛力進(jìn)行了全面綜述。REHMATULLA等討論了幾項(xiàng)減排技術(shù)措施的執(zhí)行情況。LIAO等研究了路線和港口選擇對減少CO排放的影響。BUREL等分析了使用液化天然氣作為替代燃料的影響。

IMO關(guān)于排放控制區(qū)(Emission Control Area,ECA)的限硫規(guī)定對燃料的硫含量有嚴(yán)格的控制要求。目前大多數(shù)船舶都采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電和推進(jìn)，而柴油機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下工作時(shí)，比如低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會導(dǎo)致燃油消耗和污染物排放量大幅增加。通過合理選擇船舶推進(jìn)系統(tǒng)的配置，優(yōu)化運(yùn)行方案和能量管理策略，可減少船舶能耗和污染物排放。負(fù)載平衡是多發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)功率需求對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)度，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳負(fù)荷下運(yùn)行,可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，節(jié)省燃料。本文以一艘中型郵船為目標(biāo)船，考慮一條完整的航線，引入電池儲能技術(shù)和岸電技術(shù)，研究動(dòng)力系統(tǒng)不同配置方案對能耗和排放的影響，并優(yōu)化能量管理策略，促進(jìn)郵船動(dòng)力系統(tǒng)多電源集成。在提出的柴油機(jī)與電池混合電力推進(jìn)系統(tǒng)方案中，船舶在靠泊時(shí)關(guān)閉發(fā)電機(jī)組，通過連接岸電滿足船上的電力需求，并為電池充電。

1 動(dòng)力系統(tǒng)方案

1.1 原動(dòng)力系統(tǒng)方案

原船為一艘52 000總噸的中型郵船，最高航速為20 kn，巡航航速為18 kn。船上配置有4臺曼恩12缸V型發(fā)電柴油機(jī)、2套主吊艙推進(jìn)器和2套側(cè)推器。以上海—博多航線數(shù)據(jù)為參考，研究各配置方案的燃油消耗，以及CO、NO、SO和PM等4種大氣污染物的排放特性。原船主機(jī)部分參數(shù)見表1。

表1 原船主機(jī)部分參數(shù)

該郵船在港口1停泊一段時(shí)間之后離港進(jìn)入操縱狀態(tài)，隨后進(jìn)入巡航模式，一段時(shí)間之后駛出排放控制區(qū)1并巡航至排放控制區(qū)2，之后減速進(jìn)入操縱狀態(tài)開始進(jìn)港，最后在港口2停泊。選取上海港為始發(fā)港，博多港為目的港，相關(guān)的航速信息從FleetMon網(wǎng)站獲取。圖1顯示出郵船在目標(biāo)航線上的航速和功率信息。船舶總功率是根據(jù)IMO推薦的航速-推進(jìn)功率建模公式進(jìn)行最小二乘擬合，兼顧推進(jìn)功率和生活用電功率得到的。船舶在停泊期間仍有負(fù)荷消耗，總功率基本上維持在4 400 kW。船舶在離港前期和進(jìn)港后期需要一段時(shí)間的側(cè)推，因此這2個(gè)階段的總功率有一段高峰期。操縱過程在離岸5 n mile內(nèi)完成。基線外12 n mile的水域?yàn)轭I(lǐng)海，船舶在離岸5～12 n mile范圍內(nèi)處于巡航狀態(tài)，航速在18 kn上下波動(dòng)，最高總功率為15 874 kW。

圖1 原船航速和功率曲線

1.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)方案

1.2.1 電池

電池的選擇必須符合預(yù)期的使用要求，放電深度會影響電池的使用壽命。為延長電池的使用壽命，在設(shè)計(jì)階段要考慮到足夠的電池剩余容量，以應(yīng)對未來電池效用退化的情況。為不影響船舶的運(yùn)載能力，在滿足動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能地選擇質(zhì)量較小的電池。本文采用電池替代一臺主機(jī)，船舶停泊時(shí)依靠岸電為電池充電，在進(jìn)出港時(shí)盡可能地利用電池放電，同時(shí)保證在船舶航行期間電池的電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)維持在20%～90%。電池容量是基于最大功率條件, 根據(jù)IEEE Std. 485技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的。假設(shè)電池在70%放電深度(Depth of Discharge,DOD) 、20%～90%充電狀態(tài)下工作，其在船舶航行期間的最大能量需求為5 014 kW,得出單位時(shí)間內(nèi)所需電池容量

E

為

E

=5 014 kW×1 h=5 014 kW·h

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：

k

為電池DOD, %;

k

為電池老化因子,%;

k

為額定容量因子,%;

k

為溫度校正系數(shù),%;

k

為系統(tǒng)效率,%；

r

為安全裕度;

B

為所需電池容量。本文設(shè)綜合系數(shù) (

k

,

k

,

k

,

k

)為經(jīng)驗(yàn)值1.2，同時(shí)考慮10%的安全裕度

r

，確定

B

約為6.622 MW·h。

本文采用Corvus公司提供的標(biāo)準(zhǔn)鋰電池，單個(gè)電池模塊的容量為43 kW·h，電池室的最大重量密度為9.1 kg/(kW·h)。可置換154個(gè)電池模塊，總質(zhì)量為60 260.2 kg，比替代的質(zhì)量為117 000 kg的柴油主機(jī)小，滿足要求。圖2為用電池替代1臺柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力系統(tǒng)布置示意。

圖2 用電池替代1臺柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力系統(tǒng)布置示意

1.2.2 岸電

岸電可采用碼頭發(fā)電或?qū)⒀b置連接到城市主干電網(wǎng)上2種方式。岸電技術(shù)幾乎可完全消除船舶靠港時(shí)的大氣污染物排放，是實(shí)現(xiàn)“綠色航運(yùn)”的一種有效方法。近年來，國際上一些重要郵船母港已陸續(xù)采用岸電為靠港郵船供電。本文所述目標(biāo)船為中型豪華郵船，所需岸電設(shè)施的供電電壓為11 kV，頻率為60 Hz。

1.2.3 方案配置

基于原船配置的4臺相同的柴油發(fā)電機(jī)，本文提出的動(dòng)力系統(tǒng)方案聯(lián)合了柴油發(fā)電機(jī)組和動(dòng)力電池，用于進(jìn)行船舶電力供應(yīng)。原船在靠港期間仍需啟動(dòng)柴油發(fā)電組滿足船上4 400 kW的用電需求，會產(chǎn)生大量的能耗和排放。若采用新方案，郵船在靠港期間使用岸電即可，能實(shí)現(xiàn)零排放。船舶在進(jìn)出港和巡航期間使用動(dòng)力電池滿足部分負(fù)荷需求，能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，減少能耗和排放。通過MATLAB建立目標(biāo)船原動(dòng)力系統(tǒng)方案和新動(dòng)力系統(tǒng)方案的能量流模型，并以船舶的航行工況數(shù)據(jù)為輸入進(jìn)行仿真。在新方案中嵌入充放電控制算法，使電池模塊的SOC在運(yùn)行中保持在20%～90%。

船舶在目標(biāo)航線上航行單個(gè)航次所需時(shí)間為40 h，分為靠港停泊(14.5 h)、操縱(2.6 h)和巡航(22.9 h)等3種模式。在有岸電的情況下，郵船在靠港時(shí)可關(guān)閉發(fā)電機(jī)組，由岸電為其供應(yīng)電力并給電池充電。在操縱和巡航模式下，利用電池充放電進(jìn)行調(diào)節(jié)，由電池承擔(dān)部分負(fù)荷，盡可能地保持主機(jī)在75%～90%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)高效運(yùn)行。在主機(jī)運(yùn)行過程中，負(fù)荷大于90%時(shí)不僅油耗率會增大，對主機(jī)也有一定的損害，這種情況通常是要避免的。若主機(jī)負(fù)荷超過90%，則需啟動(dòng)另一臺主機(jī)，并保證發(fā)動(dòng)機(jī)之間的負(fù)載平衡。例如每臺發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為7.2 MW，若瞬時(shí)功率需求為13.2 MW，此時(shí)最低要求是2臺發(fā)動(dòng)機(jī)在91.7%負(fù)荷水平下運(yùn)行，但實(shí)際中將啟動(dòng)3臺主機(jī)，每臺主機(jī)的負(fù)荷為61.1%。

2 仿真結(jié)果

圖3為原方案與新方案功率分配結(jié)果對比。由圖3a可知，原方案在船舶航行過程中至少保持1臺主機(jī)工作，隨著功率的增加，再依次調(diào)用其他主機(jī)。運(yùn)行3臺主機(jī)即可滿足最大功率需求，另一臺備用。但是，在主機(jī)運(yùn)行過程中，其功率波動(dòng)幅度大，甚至?xí)霈F(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行的情況。由圖3b可知，電池的引入可填補(bǔ)總功率與主機(jī)最優(yōu)功率之間的缺口，有效改善主機(jī)的工作區(qū)間，使主機(jī)的功率輸出更加平穩(wěn)，基本穩(wěn)定在5.40～6.48 MW的高效區(qū)內(nèi)。動(dòng)力電池在船舶停泊期間由岸電充電，而在海上，當(dāng)主機(jī)負(fù)荷和電池SOC均較小時(shí)，可提高主機(jī)功率到85%額定值，用多余的電力為電池充電。能量管理策略充分結(jié)合電池充放電策略和主機(jī)調(diào)度策略，根據(jù)SOC值和總功率需求分配主機(jī)和電池功率，在盡可能減小能耗的情況下，保證有足夠的動(dòng)力輸出。圖3b左上角為船舶從始發(fā)港駛出到進(jìn)入目的港停泊期間電池SOC的變化情況。為減少郵船在排放控制區(qū)的排放，在操縱期間會盡可能地使用電池供電。由于電池的容量較小，在船舶航行期間并不會長期用電池替代主機(jī)單獨(dú)運(yùn)行，而是盡量地在負(fù)荷超過主機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)時(shí)用電池承擔(dān)部分負(fù)荷，電池放電，SOC下降。當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，可通過給電池充電使主機(jī)運(yùn)行至高效區(qū)，此時(shí)SOC上升。船舶進(jìn)港結(jié)束時(shí)電池SOC為0.201，到目的港停泊充電，充滿電所需電量為5 224.758 kW·h。

圖3 原方案與新方案功率分配結(jié)果對比

3 能耗和排放分析

我國的船舶排放控制區(qū)已由原有區(qū)域延伸至領(lǐng)海基線外12 n mile內(nèi)的所有海域和港口，排放控制區(qū)范圍擴(kuò)大，沿海將全部限硫。根據(jù)2020年1月1日起正式實(shí)施的IMO公約規(guī)定的船舶排放物控制標(biāo)準(zhǔn)，本方案在排放控制區(qū)內(nèi)采用硫含量為 0.1%的船用柴油，在全球非排放控制區(qū)內(nèi)采用硫含量為0.5%的船用柴油。岸電基本上不產(chǎn)生排放物，這里認(rèn)為船舶在停泊期間使用岸電時(shí)為零排放。由此計(jì)算航程中燃料的消耗量，以及CO、NO、SO和PM等4種大氣污染物的排放量，其分別對應(yīng)的排放因子

EF

的計(jì)算公式見表2。

表2 排放因子計(jì)算公式

表2中：

n

為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

S

為燃油消耗率， g/(kW·h)；

S

為燃油的硫含量；

g

CO為每

g

(每

g

燃料)能產(chǎn)生的CO的量。由此得到排放物

k

的排放量的計(jì)算公式為

E

=

EF

×

P

×

Δt

(3)

式(3)中:下標(biāo)

k

為排放物的類別；

P

為發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前功率，kW。

表3和表4分別為不同方案的燃料消耗情況和大氣污染物排放情況。根據(jù)國際防止船舶造成污染公約(MARPOL)附則VI中NO的排放限制，在排放控制區(qū)和非排放控制區(qū)需分別滿足Tier III和Tier II的規(guī)定，采用表3中的計(jì)算公式可得NO的限制值分別為9.6 g/(kW·h)和2.4 g/(kW·h)，此值取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。表3和表4中的結(jié)果皆是在滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的情況下計(jì)算得到的。然而，當(dāng)機(jī)組不配置選擇性催化還原技術(shù)(Selective Catalytic Reduction,SCR)時(shí)，僅滿足Tier Ⅱ的要求。

表3 不同方案的燃料消耗情況

表4 不同方案的大氣污染物排放情況

表5為不同技術(shù)方案和措施下NO的排放水平，對比了2種動(dòng)力系統(tǒng)方案分別在采用和未采用SCR時(shí)在排放控制區(qū)內(nèi)/外的NO排放情況。要滿足Tier III階段的NO排放標(biāo)準(zhǔn)，僅優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)是不夠的，需借助多種技術(shù)(如尾氣后處理裝置或廢氣再循環(huán)等技術(shù))，而與電池相結(jié)合的混合動(dòng)力方案正是一種有潛力的技術(shù)方案。日漸成熟的電池技術(shù)已使得采用更大容量的電池成為可能。

表5 不同技術(shù)方案和措施下NOx排放水平

4 結(jié) 語

本文基于中型豪華郵船的柴油發(fā)電機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)，提出一種新型電池與發(fā)電機(jī)混合電力推進(jìn)系統(tǒng)，并充分利用岸電減少港口大氣污染物的排放。使用MATLAB/Simulink軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)合航行工況評估原方案和新方案對船舶能耗和排放的影響。結(jié)果表明：結(jié)合岸電的電池與發(fā)電機(jī)混合系統(tǒng)有助于減少郵船的油耗和排放；通過將儲能系統(tǒng)(Energy Storage System,ESS)集成到電力系統(tǒng)中，可優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況，使主機(jī)負(fù)荷維持在75%～85%，保持較高的燃油效率。新方案在排放控制區(qū)的減排效果更明顯，在單次航程的排放控制區(qū)內(nèi)，能減少燃油消耗12.7 t，分別減少CO、NO、SO和PM排放39.5 t、0.17 t、0.025 t和0.013 t。同時(shí)，重點(diǎn)討論了新方案對NO排放水平的影響，結(jié)果表明，該電池與發(fā)電機(jī)組混合動(dòng)力系統(tǒng)方案在滿足Tier III NO排放要求方面具有巨大潛力。