雙燃料電力推進船舶能量管理系統控制策略研究

汪 敏，祁松林，王永興

應用研究

雙燃料電力推進船舶能量管理系統控制策略研究

汪 敏，祁松林，王永興

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文以中海油某型LNG動力守護供應船為例，展開雙燃料電力推進船舶能量管理系統控制策略研究。通過對雙燃料機組的特性的研究，將全船動力設備視作一個整體，分析其對整個動力系統產生的影響，對比雙燃料電推船能量管理系統與傳統能量管理系統的區別，并在此基礎上得出此類船舶能量管理系統的一般性控制策略。

雙燃料 電力推進 能量管理

0 引言

國家倡導節能減排，綠色發展的大背景下，為實現碳達峰、碳中和目標的達成，各種清潔能源得到大力發展[1～2]。

LNG氣電混合系統兼有經濟性與環保性，雙燃料系統可以進行不同的組合，且不需要額外配備發電設備，節省了船舶空間[3～4]。

2019年，中海油新建2型8艘4000HP雙燃料LNG動力守護供應船，首次在雙燃料電推船使用國產能量管理系統。

本文以該船為例，展開雙燃料電力推進船舶能量管理系統控制策略研究。

1 硬件設計

1.1 基本配置

該批守護供應船主要動力設備基本配置見表1。

表1 動力設備配置

1.2 控制網絡

主控制器采用西門子S7-400H，實現熱備冗余。若使用S7-1500PLC，則S7-1200可以省略。

圖1 控制網絡圖

并車單元采用DEIF公司PPU300，實現機組的并網解列與功率分配功能。每臺機組配置1臺PPU300。PPU300之間以以太網方式連接成冗余環網。由于PPU300取消了均功線，所以對于母聯開關未配置PPU的船舶，母聯開關狀態需關聯至機組PPU。對于DP2以上船舶，母聯必須增配PPU300，直接采集母聯狀態。圖1為控制網絡圖。

2 控制策略

2.1 工作模式

對于雙燃料PMS，傳統PMS所具備的自動起停機、自動并網解列、優先級、二次短路保護、重載問詢、自動恢復供電、優先脫扣、順序起動、功率限制、監測保護等功能仍然繼續有效[5]。本文僅對雙燃料PMS特有的控制策略進行分析與說明。

與傳統柴油機組不同，雙燃料機組具備三種工作模式。三種模式的工作條件及差異見表2。

表2 工作模式

2.2 燃氣模式

燃氣模式為雙燃料機組的期望工作模式。該模式下燃料為天然氣，天然氣由引燃油點燃。

2.2.1燃油模式

燃油模式下燃料為燃油，工作方式與傳統的柴油機組相同。但是引燃油的噴射仍然處于激活狀態。

2.2.2后備模式

后備模式可視作一種特殊的燃油模式。該模式下機組輸出功率受限，引燃油噴嘴被關閉。

2.2.3模式轉換

正常情況下，三種模式之間可人為任意轉換。特定條件下，會進行非人為的被動轉換。被動轉換關系見表3。

表3 被動轉換

一旦機組在運行狀態中被動進入后備模式，將無法重新回到燃氣模式或燃油模式，必須將機組停機重新起動。

優先保證機組處于燃氣模式下運行，盡可能避免機組轉燃油模式，應視作雙燃料機組控制的重要原則[6]。

2.2.4燃氣轉燃油

燃氣轉燃油分為主動轉換與異常轉換，均能在1 s之內完成。氣轉油的優先級高于油轉氣的優先級。燃氣轉燃油的流程見圖2。

圖2 燃氣轉燃油流程

2.2.5 燃油轉燃氣

燃油轉燃氣需在負荷率低于80%時進行。轉換前需進行供氣申請。圖3為燃油轉燃氣流程。

圖3 燃油轉燃氣流程

2.3 加減載

燃氣與燃油模式使用兩條特性曲線，對應不同的加減載特性。圖4，圖5分別為該船燃油、燃氣模式加載特性。特性曲線可在PPU300中進行設置。

燃氣模式下，加減載需嚴格按照特性表限定范圍執行，若超出范圍，將跳轉至燃油模式。兩次最大加載需間隔15 s。

燃油模式下減載可不受幅度限制。燃氣模式下減載斜坡為15 s。

圖4 燃油模式加載特性

圖5 燃氣模式加載特性

2.4 運行限制

2.4.1功率輸出限制

燃氣模式下機組運行需滿足一定的甲烷值條件，曲線見圖6。只有當甲烷值大于80時，機組才具備滿負荷運行的能力。

圖6 甲烷值與功率輸出限制表

燃油模式下，無特定的輸出功率限制。

2.4.2后備模式限制

后備模式下引燃油噴嘴不會激活，若重油燃油超過30分鐘或輕油燃燒超過5小時，會導致引燃油噴嘴閉塞。同時后備模式下，機組負載不能超過70%。如果雙燃料機組以異常跳轉方式進入后備模式，則無法在運行中切換至燃氣或燃油模式。

因此，當機組處于后備模式時，需對運行時間與機組負荷進行嚴格控制。

在設計時后備模式應視作一種報警，對操作人員進行提醒，通過人為干預，主動退出該模式。

2.4.3空載及輕載模式限制

空載模式含義為空載運行，未并網狀態。停機前持續空載時間不宜超過10 min，建議設置為3 min。

輕載時，根據燃料類別，負載低于特定下限值，機組存在最大運行時間限制。高于該下限值運行，則不存在最大時間限制。

當雙燃料機組處于空載輕載模式時，須具備對運行時間的管理功能，在超時前發出預報警。

2.5 黑船模式

當全船失電進入黑船模式時，PMS向所有機組發出黑船信號，將全部機組轉入后備模式。采用自動或手動的方式將其中一臺機組投網，恢復全船供電。

恢復供電后，未并網機組將恢復為燃氣或燃油模式。為使在網機組退出后備模式，需另起一臺機組并網，替換已在網機組。停機后將后備模式機組解列重起。

2.6 重載問詢

由于燃氣模式下加載曲線的限制，當功率突增超過曲線的斜率，會出現異常油轉氣。燃氣模式下重載問詢需要根據當前負荷值與在網機組數的關系，動態修正增機裕量[7]。

2.7 功率限制

2.7.1動態功率限制

由于后備模式下負荷率不允許超過70%，所以后備模式時機組負荷率需要增加修正系數。

2.7.2 快速功率限制

為確保快速功率限制后的功率恢復過程不超過機組的加載曲線。在燃氣模式下發生快速功率限制時，除正常向變頻器發出指令外，需同時將機組由燃氣模式主動轉為燃油模式。

3 結論

由于雙燃料機組不同的加減載特性、三種工作模式的轉換關系以及燃氣機組的諸多特殊限制，使雙燃料機組的能量管理系統與傳統的能量管理呈現出明顯的差異。

這些差異，體現在加減載限制、運行限制、黑船模式、重載問詢、功率限制等功能上。通過對這些差異進行有針對性的處理，可以較好地實現雙燃料電力推進船舶的能量管理功能。

[1] 羅明漢, 莫斌珍, 黃欽文. LNG燃料動力船舶發展前景[J]. 中國船檢, 2019,（01）: 58-62.

[2] 吳思晨, 李鐵, 武燊. 郵輪電力推進系統綜合能效研究[J]. 裝備制造技術, 2021,（02）: 7-12+16.

[3] 李永鵬, 陳愛玲, 汪洋. 新型LNG船舶采用雙燃料電力推進的優勢分析[J]. 青島遠洋船員學院學報, 2005, (04): 21-23.

[4] 楊舒, LNG雙燃料發動機在大型耙吸挖泥船的應用[D]. 上海, 上海交通大學, 2020.

[5] 翟燕, 艦船混合動力系統優化配置與控制策略仿真研究[D]. 北京, 北京交通大學, 2016.

[6] 龐水, 電推船儲能容量配置與能量管理策略優化設計[D]. 大連, 大連海事大學, 2020.

[7] 周祎隆, 傅曉紅, 夏駿. 雙燃料超大型集裝箱船電氣設計要點[J]. 2021, 50（04）: 5-9.

Control strategy research on power management system of dual fuel electrical propulsion marine

Wang Min, Qi Songlin, Wang Yongxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM41

A

1003-4862（2022）04-0046-03

2021-08-30

汪敏(1984-)，男，工程師，研究方向：船舶電力系統。E-mail: wangminhbhs@163.com