混合動力系統的海工船舶應用

孫冰，楊靜，周毅，李萌，鄭坤

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

隨著船舶排放控制區的逐步擴大，國際新船訂單中使用LNG作為燃料或者具備后期LNG動力改造能力(GAS READY)的訂單比例越來越高。LNG作為新興的船用清潔燃料，在大規模投入應用之前其在排放指標上的優勢受到關注，但是LNG作為車用燃料或者船用燃料都存在著低負載工況下排放超標以及高轉速工況下主機最大功率衰減等問題，一定程度上阻礙了LNG作為船用低碳燃料在雙碳工作中發揮重要作用。為此，嘗試以氣-電(燃氣主機-蓄電池)混合動力系統作為切入點，以解決船體LNG動力船舶排放及動力響應為目標，提出適用于海洋工程船舶的動力系統方案。

1 天然氣發動機的主要應用問題

根據國際航運組織(IMO)對氮氧化物(NO)排放指標的要求，2016年以后新建的船舶需要滿足Tier III排放標準，同時根據對硫氧化物(SO)排放指標的要求，至2020年1月1日，限制排放區對于使用燃料油的含硫量上限由3.5%調整為0.5%。至此，使用昂貴的低硫油或是將柴油主機換成雙燃料主機成為短期內全球船運公司僅有的應對措施。

LNG作為清潔燃料，與柴油、重油等傳統船用燃料相比，在排放指標上的優勢極大，能夠滿足Tier III的排放標準，特別適用于能耗大、運行時間長、排放量大的公共交通車輛，工程機械車輛以及內河、遠洋船舶。

LNG在發動機上的應用形式多種多樣，見表1。

表1 LNG發動機分類

目前燃料利用效率較高，尾氣排放指標較好的是采用柴油引燃的方式，將直接噴入氣缸的高壓燃氣點燃，將化學能轉化為機械能，即MEGI高壓直噴技術。市場上主流的雙燃料主機廠商包括Wartsila、MAN和Mitsubishi等。

其中Wartsila主要采用進氣歧管預混，缸內噴點火油的形式；而MAN研發了MEGI即高壓直噴模式，使用2套直噴系統，1套用來預噴點火油，1套用來缸內點火成功后噴射LNG。

經過數年的發展，雙燃料主機在常規工況運行效率、排放指標等方面均表現優異，但是由于LNG較差的燃燒特性，在低負荷工況下，燃燒尾氣中碳氫化合物的殘留量和CO的殘留量較高。LNG發動機與柴油發動機相比還存在以下不足。

由于LNG燃燒速度較慢，在高轉速(僅適用燃氣模式，不增加燃油噴射量)時，LNG發動機的轉矩輸出有較大損失；LNG作為內燃機燃料使用的目的就是減少排放，但是低負載工況下CO排放量遠遠超過柴油機，可達到柴油機CO排放量的幾十倍甚至上百倍，這使得雙燃料主機不得不限定負載低于15%時必須切換到燃油模式，禁用燃氣模式。

在工況發生突變時，LNG主機在功率加載階段與柴油機相比會有20%～30%的遲滯，在變負載工況下，燃氣主機響應恢復轉速的時間比柴油機慢5 s左右，而且LNG主機在接近滿載工況下變載時，會發生燃氣機爆燃。

對純汽油和純LNG發動機外特性的研究表明，LNG發動機由于充氣效率低，可燃混合氣熱值偏低，LNG著火溫度較高，層流火焰傳播速度較慢等原因，隨著轉速上升，最大功率和最大轉矩有所下降。

以中海油雙燃料環保船為例，根據丁長健等對中海油雙燃料環保工作船主機選型分析的研究，環保工作船總航行時間的45%都是平臺供應、巡航守護等主機低負載狀態(根據向單燃料港拖和雙燃料港拖機務調研，主機負荷通常在29%～31%)，另外考慮到工作環境較復雜，在船舶靠泊碼頭、裝卸貨物、溢油回收應急或進行消防作業時，為了保證快速的主機響應能力，在上述工況時環保工作船都直接切換到輕柴油模式。雖然LNG作為燃料比輕柴油要經濟的多，但是目前來看理論計算中的環保效果和經濟性還得不到保證。

氣-電混合動力系統在船舶上的應用分析表明，通過將蓄電池與LNG主機進行結合，可以解決低負載工況下必須切換燃油模式的問題。

2 混合動力系統的原理及分類

混合動力系統目前廣泛應用在汽車領域(油電混合動力)，通過設置蓄電池回收車輛剎車時的能量，在車輛起步階段采用電力推進的方式獲得快速的動力響應，減少了發動機怠速狀態的出現，特別適合頻繁加減速的城市交通，以其超高的燃油經濟性獲得了越來越多消費者的青睞。混合動力系統主要有以下3種形式：串聯式、并聯式、混聯式。

串聯式混合動力系統內燃機與驅動系統不直接相連，內燃機將化學能轉化為機械能，發電機將機械能轉化為電能，電動馬達再將電能轉化為機械能，帶動齒輪箱進而驅動車輛前行。當車速較低時，電能在驅動車輛前行的同時還將分出一部分儲存在蓄電池中，以起到節能的效果。

串聯式混合動力系統需要進行兩次完整的能量轉換，先天條件限制決定了與別的混合動力系統相比，串聯式混合動力系統能量利用率不高。

并聯式混合動力系統內燃機與發電機相連的同時也和車輪有耦合關系，相當于內燃機有部分功率輸出可以用來直接推動車輪，部分功率輸出用來給蓄電池充電。與串聯式混合動力系統相比，并聯式混合動力系統可以實現更高的能量利用效率，在乘用車市場中占據較大的份額。

混聯式混合動力系統結合了串聯式和并聯式混合動力系統的優點，混聯式動力系統的特點是通過發動機和多個電機的結合進行驅動，常用行星齒輪結構組合形式。

與乘用車相比，船舶對于蓄電池帶來的重量增加不敏感，但是對于傳動軸的布置較為敏感，電推船舶的興起很大程度上是因為電力推進系統給軸系布置帶來的便利性以及整個動力系統較低的振動和噪音。結合對功率的要求，并聯式混合動力系統更加適合LNG動力船舶，尤其是工況頻繁發生變化的工作船，如拖輪、環保船、加注船等。

3 多能源系統的能量管理策略

混合動力系統內存在兩個動力源——內燃機和蓄電池，是否能得到最優的能量利用效率取決于不同工況下不同動力源的配合輸出效果，因此能量管理邏輯的建立是多能源系統能量管理的核心內容。

根據現在世界各國研究人員的研究成果，可以將能量管理方法大致分為基于規則的能量管理策略和基于優化的能量管理策略。

基于規則的能量管理策略在混合動力汽車的應用中較為普遍。常見的基本能量管理規則包括恒溫器式和功率跟隨式。恒溫器式能量管理策略設置了一組管理閾值，即以蓄電池的狀態SOC(state of charge)作為能量管理的依據。當蓄電池的能量充足，超過SOC閾值高點時，關閉發動機，依靠蓄電池的電能推動車輛前行。當蓄電池的能量不足，低于SOC閾值低點時，啟動發動機，并控制其工作狀態為燃油經濟性最佳的點，輸出恒定的功率，部分功率用來驅動汽車，剩余的功率用來給蓄電池充電。在車輛行駛速度較低，頻繁加減速并且蓄電池容量較大的情況下，恒溫器式能量管理策略表現較好，但是當功率需求大，蓄電池容量較小的情況下，按照恒溫器式能量管理策略的控制，發動機就會頻繁啟停，蓄電池頻繁充放電，動態損耗增加，整體能量利用效率降低。

功率跟隨式能量管理策略在設置蓄電池SOC閾值的同時，還需要劃出燃油經濟性比較好的主機輸出功率上下限。同恒溫器式能量管理策略限定主機輸出功率為燃油經濟性最佳的點相比，功率跟隨式能量管理策略允許主機輸出功率在一個燃油經濟性比較高的范圍內波動。即當蓄電池能量高于SOC閾值高點時，允許主機調整輸出功率為較小的值，而不是直接關閉主機。這樣減少了主機的啟停次數，同時也能保證主機處在一個燃油經濟性較好的功率輸出范圍內，提高了能量利用效率。

從海工船舶的使用場景考慮，功率跟隨式能量控制策略更為適合。

4 初步設計

選擇能夠放大混合動力系統優勢的功率跟隨式能量管理策略，采用并聯式混合動力船舶將能夠在保證動力性的同時兼具良好的燃油效率和排放特性，當燃料經濟性帶來的優勢大于混合動力系統成本的劣勢，且布置符合安全規定時，混合動力船舶就能具備良好的市場競爭力。

混合動力系統能量管理策略不能脫離實際工況獨立存在，設置蓄電池的最主要目的是過濾掉功率需求的突然變化對主機運轉產生的不利影響。因此，不同的最大功率需求、工況比例和在港/在航時間比例直接影響主機配置與能量管理策略的選擇與制定。

港作拖船具有工況變化頻繁，功率需求變化大的特點，與混合動力系統的優點較為契合，因此以采油公司港作拖輪及其工況為對象，進行氣電混合動力系統及能量管理策略的初步設計。

以海洋石油521/522為例，主要配置及相關參數見表2。

表2 海洋石油521/522配置表

海洋石油521/522的推進系統由2臺瓦錫蘭六缸四沖程 W6L34DF柴油機組成，其燃油消耗的最佳轉速范圍在額定轉速的85%～90%之間，當轉速較低時，主機的燃油經濟性也會降低。

該船航時-功率分配見圖1。

圖1 拖船航時-功率分布

根據統計，拖船約85%的工作時間處于主機負荷30%的狀態，高負荷的狀態占比僅為4%。

單航次對功率的需求大致分為3部分：11 h需要在1 440 kW的輸出功率下工作，1.5 h需要在2 400 kW的輸出功率下工作，0.5 h需要在3 360 kW的輸出功率下工作。即整個航次對功率的平均需求為1 624 kW。

根據實際需求情況，氣電混合動力系統配置一大一小兩臺氣體機，功率配置分別為1 500 kW和3 000 kW，以便滿足在低功耗階段1 440 kW的功率輸出要求，同時實現氣體機高效運轉(氣體機負載85%)；在中功耗階段使用3 000 kW氣體機，以便滿足功耗2 400 kW的功率輸出要求并實現氣體機高效運轉；在高功耗階段使用3 000 kW氣體機+蓄電池滿足短時間高功率的需求。

根據電池組放電通常控制在0.5～0.7 C范圍內的要求，電池組配置1.5 MW容量，以便實現910 kW的功率輸出要求，高功率輸出時間可延長至約1.5 h，完全滿足拖輪服務時間要求。

根據混合動力系統配置情況，制定能量管理策略如下。

在拖輪到達作業港區前，由1 500 kW氣體機提供動力，到達港區后由3 000 kW氣體機提供動力，高功率頂推期間由電池組和3 000 kW氣體機提供動力，電池組放電閾值低點設置為30% SOC，一旦電池的狀態低于30%SOC，則同時啟動1 500 kW和3 000 kW氣體機；滿足高功率頂推要求的同時，對電池組進行充電，充電閾值高點設置為95%SOC，達到95%SOC時，不再對電池組進行充電，由兩臺氣體機對外做功滿足頂推要求。

5 經濟性考量

適用于港作拖輪的氣電混合動力系統應由兩臺LNG氣體機作為原動機，采用并聯式混合動力系統，充分發揮蓄電池對提升拖輪最大輸出功率的優勢，采用直流電力推進系統，省去配電盤中的并車裝置和部分變壓器，將部分配電盤的交流開關與變頻器進行集成，實現更高的整體效率，延長發電機的壽命，對電池系統具備更好的兼容性。

以功率為4 800 kW的港作拖船為例，根據目前電動船舶的電池使用和中國船級社的發證情況，氣電混合動力系統宜選用寧德時代生產的磷酸鐵鋰電池，含電池管理系統及框架的價格約為315萬元，重量約為15 t。采用混合動力系統的海工船舶總造價與采用LNG動力+電推系統的總造價相似；但是在低工況(守護、待機、緩行)占總航行時間比較較高時，LNG作為燃料的使用率及發電機整體效率均有大幅提升，與常規柴油動力拖輪相比，年節約燃料費用約668.5萬元。

6 結論

采用1 500 kW+3 000 kW兩臺天然氣主機，配合1.5 MW容量的電池組和直流電推系統，能夠滿足原4 800 kW港作拖船動力系統的功率需求，降低主機投資并提升燃料利用效率。LNG作為一種低碳燃料，與甲醇、氫、氨等低碳/零碳能源在可供性、經濟可接受性、技術成熟度、法規完備性等方面具備明顯優勢。LNG與動力電池的結合將顯著提升負荷需求變化較大的海工船舶燃料利用效率，有助于實現碳達峰碳中和目標要求。