重慶-上海散貨船混合動力推進方案分析

周啟學(xué)，趙潔，毛奇志，任晉宇

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院 船舶與航運學(xué)院，武漢 430065；2.武漢長江船舶設(shè)計院有限公司，武漢 430062)

干散貨船目前是長江運輸主力船型，占長江船舶總運力85%左右，承擔(dān)著長江干線煤炭、金屬礦石、鋼鐵、建筑沙石料等物品運輸，其營運的經(jīng)濟性及環(huán)保性對船舶市場的發(fā)展和長江流域的環(huán)境保護具有深遠意義。重慶—上海航線，航行在長江A、B、C級航區(qū)及J2航段，沿程水流速度和水流方向變化多，航行工況變化較大。盡管激流航段只占全航程約5%，但是為了保障航行的安全性，主機裝機功率需滿足該航段所需最大功率；也因此，在超過85%航程的上水和下水航段，主機只能長時間在低負荷或極低負荷下工作。主機偏離設(shè)計工況，長期在低負荷區(qū)間運行將帶來油耗高、冒黑煙、排放差、維修量大等問題。由于目前長江干線無合適純氣體主機可選，雙燃料主機低負荷燃氣替代率也不理想，故所選 主機僅限于柴油機。為此，考慮對比分析，尋找一種適應(yīng)多變工況的動力推進方案。

1 目標船

目標船在最大吃水6.2 m時，推進功率發(fā)出85%(最大持續(xù)功率)，船體清潔、深水、無風(fēng)浪的條件下，航速不小于19.00 km/h，設(shè)雙機雙槳。單機裝機功率為800～1 000 kW。

目標船航行工況見表1，目標船螺旋槳推進特性(雙機雙槳)見表2。

表1 目標船航行工況表

表2 螺旋槳推進特性(雙機雙槳)

2 工況分析

由表1目標船航行工況表可看到，在下水工況，船舶靜水航速低于9 km/h，主機一直在低于10%的極低負荷率下工作。此時，主機燃燒不充分，油耗曲線陡升，經(jīng)濟性很差；排放差；維護保養(yǎng)時間增加。所以，主機直推方案不適合船舶下水工況。在上水工況，船舶靜水航速約為13 km/h，負荷接近主機額定功率的20%，主機負荷率也比較低，留有較大的儲備功率；排放和經(jīng)濟性也不太好。在上水激流航段和上水近海航段，航速較大，接近18 km/h，主機負荷率高，油耗低，排放好，工況優(yōu)良。所以，柴油機主機直推方案盡管簡單高效，但是在多變工況下存在較大的局限性。

電力推進方案可適應(yīng)多變工況，能在推進電力和其他電力負荷中靈活分配能量，但能量全部經(jīng)過電網(wǎng)傳遞，損耗大，電網(wǎng)設(shè)備投資也大，營運船舶對價格比較敏感，故暫不予考慮。

混合動力推進方案介于前兩種方案之間，推進動力分別來自于主機直推和電力推進，既保留了主機直推的簡單高效，兼有電力推進的靈活多變，電網(wǎng)投資也較電力推進降低了很多，不失為一種可取方案。

3 混合動力推進方案

混合動力推進方案主要由主機、推進電機、混合動力齒輪箱和發(fā)電機組組成。主機、推進電機雙輸入齒輪箱，共同驅(qū)動螺旋槳，發(fā)電機組為推進電機和其他船上電力負載供電。

混合動力推進方案，集成電力推進和常規(guī)推進的優(yōu)點，通過引入可逆電機，在低負荷時采用電力推進模式(PTH)、主機軸帶電機發(fā)電模式(PTO)，高負荷時采用常規(guī)直推模式、混合推進模式(PTI)，可有效提升主機、發(fā)電機組的負荷率。電網(wǎng)采用直流母排，可增配動力電池，航行時，用于推進動力削峰填谷；待閘停泊時，可用于日常供電，停止發(fā)電機組工作，減少污染物的排放及船員工作量。

混合動力推進模型見圖1。

圖1 混合動力推進模型

混合動力推進方案主要有以下運行模式：

1)PTI推進模式。主機和推進電機共同驅(qū)動螺旋槳，發(fā)電機組為推進電機及船上其他電力負載供電。此時船舶軸系輸出功率最大，滿足設(shè)計航速，主要用于急流航段和潮汐航段。主機、發(fā)電機組的負荷率最大，燃油消耗率低，運行工況好。

2)主機推進模式。主機驅(qū)動螺旋槳，電力負荷由發(fā)電機組供電，類似于常規(guī)動力系統(tǒng)。由于主機額定功率小于最大航速下軸系功率，因此主機負荷率有明顯提高，燃油消耗率有明顯下降，能夠較好地發(fā)揮主機本身性能。

3)PTO推進模式。主機同時驅(qū)動螺旋槳和軸帶電機，軸帶電機發(fā)電，發(fā)電機組停止工作。可有效提升主機負荷率，提升船舶能效水平。在主機功率儲備充足的情況下，PTO模式可廣泛應(yīng)用于日常航行工況，提升船舶經(jīng)濟性。

4)PTH推進模式。推進電機驅(qū)動螺旋槳，類似于電力推進系統(tǒng)。該模式可用于低速下行航段，避免主機運行在低效區(qū)間，提升船舶經(jīng)濟性。同時，在主機發(fā)生故障時，也可保證船舶具備動力冗余性，可航行至港口，避免阻塞航道。

4 混合動力推進與柴油機直推方案的綜合比較

4.1 柴油機直推方案的優(yōu)勢

柴油機直推方案優(yōu)勢見表3。

由表3可見，柴油機直推方案作為經(jīng)典的船舶動力，簡單成熟穩(wěn)定，具有天然的優(yōu)勢。

表3 柴油機直推方案優(yōu)勢

4.2 混合動力推進方案的優(yōu)勢

混合動力推進方案優(yōu)勢見表4。

由表4可見，混合動力推進作為新型的船舶動力，具有動力冗余、適應(yīng)多變工況的特點；其電力推進(PTH)模式具有優(yōu)良舒適性、機動靈活性，特別是如果發(fā)電機組采用LNG(液化天然氣)氣體發(fā)電機組，能將LNG應(yīng)用到推進動力中，有利于改善能源結(jié)構(gòu)，減少污染物排放，具有環(huán)保性。所以混合動力推進在船舶動力裝置升級優(yōu)化上具有優(yōu)勢。

表4 混合動力推進方案優(yōu)勢

4.3 兩種方案不確定方面

柴油機直推與混合動力推進方案不確定方面見表5。混合動力推進比柴油機直推在燃料消耗經(jīng)濟性和運行維護的優(yōu)劣需要具體分析，各自沒有明顯的優(yōu)勢。

表5 柴油機直推與混合動力推進方案不確定方面

5 混合動力推進與柴油機直推方案的經(jīng)濟性對比

各方案經(jīng)濟性對比見表6。

表6 各方案經(jīng)濟性對比

混合動力推進方案按照使用的燃料不同，可分為兩種：主機燃用柴油、發(fā)電機組燃用柴油的稱為油電混合動力推進方案，主機燃用柴油、發(fā)電機組燃用LNG(液化天然氣)燃料的稱為油電氣混合動力推進方案。

5.1 柴油機直推方案

組成。2臺882 kW柴油主機+2套50 kW柴油發(fā)電機組+1套250 kW柴油發(fā)電機組。

柴油主機通過齒輪箱直接驅(qū)動定距槳，柴油發(fā)電機組提供全船電力負荷，250 kW柴油發(fā)電機組用于進出港驅(qū)動電動首側(cè)推和全船電力負荷。

5.2 油電混合動力推進方案

方案為柴油主機+推進電機+柴油發(fā)電機組。

組成為2臺648 kW柴油主機+2臺250 kW電機+3套230 kW柴油發(fā)電機組+1臺停泊柴油發(fā)電機組。

柴油主機和推進電機雙輸入齒輪箱，齒輪箱輸出帶動軸系運轉(zhuǎn)驅(qū)動定距螺旋槳，柴油發(fā)電機組提供推進電機、電動首側(cè)推及全船電力。

5.3 油電氣混合動力推進方案

方案為柴油主機+推進電機+LNG氣體發(fā)電機組。

組成為2臺648 kW柴油主機+2臺250 kW電機+3套230 kW氣體發(fā)電機組+1臺停泊柴油發(fā)電機組+50 m氣罐系統(tǒng)。

柴油主機和推進電機雙輸入齒輪箱，齒輪箱輸出帶動軸系運轉(zhuǎn)驅(qū)動定距螺旋槳，氣體發(fā)電機組提供推進電機、電動首側(cè)推及全船電力負荷。50 m氣罐系統(tǒng)供給LNG燃氣。

5.4 經(jīng)濟性對比

因設(shè)備報價不完全準確,螺旋槳輸入功率留有余量，各季節(jié)水流速度不同、能量傳遞效率有偏差，致使數(shù)據(jù)不完全精確，但是不影響采用數(shù)據(jù)分析的方法的結(jié)果趨勢。

5.5 方案對比分析

5.5.1 方案二與方案一對比

由表6可知，方案二比方案一初投資增加259萬元，每年燃料價格也增加19.4萬元，無法收回成本。

在使用柴油燃料的前提下，油電混合動力推進方式的經(jīng)濟性不如柴油機直推方式。

5.5.2 方案三與方案二比較

方案三的發(fā)電機組使用氣體機，并配置LNG氣罐系統(tǒng)。由表6可知：方案三比方案一初投資增加較大，為617萬元，但是，由于LNG燃料價格比柴油價格低，每年燃料價格減少79.3萬元，約7.8年可望收回成本。此外，因為LNG能源的應(yīng)用，船舶在通行三峽船閘時擁有“優(yōu)先通行權(quán)”，可減少待閘時間8天/次左右，往返周期至少減少13 d，營運效率顯著提高。

由上面比較分析，推薦采用油電氣混合動力推進方案用于目標船。

6 結(jié)論

油電混合動力推進方案不僅沒有解決柴油機直推方案油耗高的問題，還帶來初投資高、設(shè)備繁多、系統(tǒng)復(fù)雜、操縱復(fù)雜、可靠性和安全性難以保障的不足，不建議使用在長江流域運輸船上。

油電氣混合動力推進方案由于引入LNG能源參與主推進系統(tǒng)，不僅給船東帶來經(jīng)濟效益，而且響應(yīng)國家生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展長江的號召，減低有害物質(zhì)的排放，具有節(jié)能減排的社會效益。

在實際應(yīng)用中，還有待從多方面提高油電氣混合動力推進方案的應(yīng)用技術(shù)。如油電氣混合動力推進的效率有待提高；油電氣混合動力推進的操縱性有待提高；在PTO推進模式，軸帶電機的工作穩(wěn)定性有待提高等。

此外，隨著LNG氣體發(fā)動機技術(shù)的成熟和進步，適用于長江干線主機的LNG氣體發(fā)動機正在研發(fā)中，在不久的將來，有望有更好的應(yīng)用。