綠色混合動力拖輪現(xiàn)狀及設(shè)計方案

張圣超，李亞楠，王馳明，肖晶晶

（1. 廈門港務(wù)船務(wù)有限公司，福建廈門 361012；2. 廈門理工學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，福建廈門 361024）

0 引言

“既要綠水青山，也要金山銀山。寧要綠水青山，不要金山銀山，而且綠水青山就是金山銀山。”——習(xí)近平于2013年9月7日在哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)的演講。綠水青山和金山銀山，一個是自然風(fēng)景，一個象征財富，二者本沒有什么關(guān)聯(lián)，但習(xí)近平總書記巧用“綠水青山”和“金山銀山”來作比，形象地揭示了環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系。由此可見，黨和國家對于全面加強生態(tài)環(huán)境保護態(tài)度鮮明，主要提出政策如下：

《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快推進生態(tài)文明建設(shè)的意見》《水污染防治行動計劃》《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知》《長江經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015—2020年）》《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020年）》《關(guān)于推進電能替代的指導(dǎo)意見》《國家發(fā)展改革委國家能源局關(guān)于印發(fā)能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃的通知》《國家發(fā)展改革委29號令——新增純電動船舶及其電力推進技術(shù)為國家鼓勵類產(chǎn)業(yè)》《中國船舶和港口空氣污染防治白皮書》《深入推進綠色港口建設(shè)行動方案（2018—2022年）》《港口和船舶岸電管理辦法》《智能航運發(fā)展指導(dǎo)意見》等。上述政策明確了船舶排放控制技術(shù)、船舶油電混合技術(shù)、船舶岸電技術(shù)等產(chǎn)業(yè)的頂層設(shè)計和規(guī)劃，為未來船舶航運和建造的發(fā)展指明了方向。

2018年12月，廈門市政府頒發(fā)了《廈門市打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃實施方案》（廈府辦[2018] 367號），推進綠色海港建設(shè)，其中要求“新增、更換拖船全部使用清潔能源”。2020年07月，廈門市政府頒發(fā)《廈門市國家生態(tài)文明建設(shè)示范市規(guī)劃（2020—2035年）》（廈府[2020]156號），推進生態(tài)文明城市建設(shè)，其中要求“嚴格按照有關(guān)規(guī)定加強船舶污染防治，開展區(qū)間航行船舶油電混合試點應(yīng)用”。2020年8月，省工信廳等十部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進一步加快新能源汽車推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展推動“電動福建”建設(shè)三年行動計劃（2020—2022年）》，旨在強化產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力建設(shè)，堅持加快新能源汽車、儲能電池和新能源裝備的推廣應(yīng)用，推動產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，建設(shè)“電動福建”。

綜上，國家、省、市各級政策都對新能源的發(fā)展提供了強有力的支持。

1 綠色混合動力拖輪國內(nèi)外現(xiàn)狀

世界上建造拖輪的船廠主要集中在荷蘭、挪威、英國、德國、新加坡、西班牙和中國等國家。近年來，為改進傳統(tǒng)拖輪柴油機長期在低負荷運行、油耗高、排放差的情況，荷蘭達門船廠、加拿大羅伯特設(shè)計公司等相繼設(shè)計、建造了采用油電混合動力的新型拖輪。

2008年，F(xiàn)OSS船廠建造了世界上第一艘油電混合動力拖輪，如圖1所示，主機采用2臺卡特彼勒3512D柴油機，單機功率5 100 HP，配2臺軸帶電機，單機功率500 kW，航速13 kn。

圖1 世界第一艘油電混合動力拖輪—Carolyn Dorothy

2016年，DAMEN（達門）羅馬尼亞Galati船廠為皇家荷蘭海軍建造了3艘“ASD TUG 2810 HYBRID”系列拖輪，如圖2所示，該系列拖輪采用混合推進系統(tǒng)，安裝2臺主推進柴油機、2臺推進電機，并配置了電池系統(tǒng)，具有動力強勁和可持續(xù)的特點，能在電池模式下全電力航行，最大系柱拉力可達60 t，基本可以實現(xiàn)所有重型拖船的作業(yè)要求。

圖2 DAMEN船廠“ASD TUG 2810 HYBRID”拖輪

油電混合動力拖輪目前在美國、荷蘭、新加坡等發(fā)達國家有較多的市場應(yīng)用（見表1）。

表1 油電混合動力型式拖輪部分國外案例

但是目前國內(nèi)建造和使用的拖輪仍然基本采用柴油機推進動力型式，使用類似油電混合動力形式的拖輪有上海港復(fù)興船務(wù)公司的“海港711”，但“海港711”實船并未配備電池。

2 綠色拖輪技術(shù)路線分析

2.1 純LNG/雙燃料

1）LNG/雙燃料直接推進動力系統(tǒng)與柴油機常規(guī)推進類似，相比常規(guī)柴油機推進，區(qū)別僅為發(fā)動機為氣體發(fā)動機或雙燃料發(fā)動機[1]。

2）類似項目：國內(nèi)目前使用LNG作為燃料的有中海油2艘雙燃料（柴油/LNG）動力拖輪、2艘單燃料（LNG）動力拖輪、寧波舟山港1艘雙燃料（柴油/LNG）動力拖輪“甬港消拖60”號。

3）存在的主要問題：造價高、后續(xù)維護保養(yǎng)困難、廈門暫無LNG專用加注碼頭或加注船、動力響應(yīng)比較遲緩。

2.2 純電池

1）純電池動力系統(tǒng)由電動機驅(qū)動螺旋槳為船舶提供動力，整船的能量來源于動力電池組。

2）類似項目：連云港港口集團有限公司與中國船舶集團第708研究所（中國船舶集團第712研究所進行動力集成）目前正在共同設(shè)計、建造一艘4 000 HP純電動港作拖輪（該船配備5 000 kW·h電池，無任何柴油機發(fā)電機組，目前項目正在實施中，預(yù)計2021年度交付）。

3）存在的主要問題：動力電池組續(xù)航能力有限，且大功率電池組的安全性有待評估，在廈門臺風(fēng)季節(jié)，如遇避臺風(fēng)時間較長的情況，拖輪的安全性難以保證（長時間作業(yè)、搶險救助也有類似隱患）；碼頭上需建設(shè)充電電壓高、充電電流大的岸電充電樁，附加投資較大；連云港全電動拖輪作業(yè)環(huán)境特殊，不適用廈門港區(qū)情況。

4）電池更換模式：以連云港4 000 HP純電動拖輪為例，實船配置5 000 kW·h動力電池，共分為8組電池，每組電池尺寸為長度6.18 m、寬度0.666 m、高度1.65 m，單組電池重量約5.75 t，電池總重量約49.92 t，受限于拖輪船型空間狹小等客觀因素，電池更換模式的可行性極低。

2.3 混合動力電力推進系統(tǒng)

（柴油發(fā)電機組＋磷酸鐵鋰電池組）

相較于純電動船舶，“混合動力船舶”可以定義為以2種或2種以上儲能器、能量源或能量轉(zhuǎn)換器作為動力源，且其中至少有一種可以提供電能的船舶[2-3]。混合動力拖輪擬使用電池組和柴油發(fā)電機組產(chǎn)生的電能，并以電機驅(qū)動螺旋槳，如圖3所示。在港內(nèi)自由航行期間，使用電池組作為動力推進，實現(xiàn)綠色無污染。

3 混合動力拖輪節(jié)能減排效果分析

2010年，美國加利福尼亞大學(xué)環(huán)境研究和技術(shù)工程中心開展了“混合動力拖輪排放優(yōu)勢評估”的工作。以Foss海運公司的2條船為研究對象，Alta June為常規(guī)拖輪，Carolyn Dorothy為柴/電池混合動力系統(tǒng)推進拖輪，它們都屬于“海豚號”船型，均裝備有四沖程、Tier II排放的發(fā)動機，主要都運行在美國的洛杉磯和長灘島港口，拖船布置圖如圖4所示。電板提供給推進電機和負載，富余電能還可同時給動力電池組充電。該模式工作原理如圖9所示，涂底色的設(shè)備為工作設(shè)備（不含推進器）。

圖3 混合動力電力推進系統(tǒng)示意圖

圖8 動力電池供電推進模式工作原理圖

圖9 單臺或雙臺柴油發(fā)電機組供電推進、電池充電模式工作原理圖

4.3 多臺柴油發(fā)電機組供電推進模式

當(dāng)拖輪處于負荷低于80%的高速航行或作業(yè)時，可由多臺柴油發(fā)電機組供電。柴油發(fā)電機組提供的電能經(jīng)配電板提供給推進電機和負載，富余電能還可同時給動力電池組充電。該模式工作原理如圖10所示，涂底色的設(shè)備為工作設(shè)備（不含推進器）[4-5]。

圖10 多臺柴油發(fā)電機組供電推進、電池充電模式工作原理圖

4.4 發(fā)電機組、電池組同時供電推進模式

當(dāng)拖輪處于負荷高于80%的作業(yè)時，可由多臺柴油發(fā)電機組和電池同時供電，提供的電能經(jīng)配電板提供給推進電機和負載。該模式工作原理如圖11所示，涂底色的設(shè)備為工作設(shè)備（不含推進器）。

圖11 發(fā)電機組、電池組同時供電推進模式工作原理圖

該模式存在的主要問題在于造價較高且柴油機組功率未實現(xiàn)大幅下降。

各方案特性對比如表2所示。

表2 各方案特性對比

綜上所述，對上述三種動力型式總結(jié)如下：

1）常規(guī)推進方案：初期投資低；柴油機負荷率低，油耗較高。

2）柴電混合方案：油耗較低，系統(tǒng)冗余性好，投資回收周期短。

3）電力推進方案：油耗低，舒適性好；初期投資高，投資回收周期長。

根據(jù)本船的運行工況，綜合考慮3種動力型式的經(jīng)濟性、可靠性、適裝性、機動性、舒適性、維修性、傳遞效率，建議選擇本船動力型式為電力推進系統(tǒng)或柴電混合動力系統(tǒng)。

綜上，幾種技術(shù)方案優(yōu)缺各異，但從造價、安全、技術(shù)成熟等方面考慮，“油電混合動力”型式拖輪是目前最符合廈門港實際需求的新型能源拖輪。

5 結(jié)論

結(jié)合中央提出的節(jié)能減排政策以及廈門本地的綠色發(fā)展戰(zhàn)略，本文對拖輪動力系統(tǒng)的幾種設(shè)計方案進行了對比，結(jié)論如下：

1）綠色拖輪技術(shù)路線分為純LNG/雙燃料、純電池、混合動力電力推進系統(tǒng)3種，其中混合動力拖輪的能效利用率和性價比最高。

2）動力系統(tǒng)的推進方案分為常規(guī)柴油機推進、柴電混合推進、電力推進，綜合考慮3種動力型式的經(jīng)濟性、可靠性、適裝性、機動性、舒適性、維修性、傳遞效率，建議選擇本船動力型式為電力推進系統(tǒng)或柴電混合動力系統(tǒng)。

3）綜上，幾種技術(shù)方案優(yōu)缺各異，但從造價、安全、技術(shù)成熟等方面考慮，“油電混合動力”型式拖輪是目前最符合廈門港實際需求的新型能源拖輪。