气-电混合动力系统在船舶上的应用

阮　栋　潘　李　朱显玲

(1.中国舰船研究设计中心，湖北武汉　430064;2.武汉船舶职业技术学院，湖北武汉　430050)



气-电混合动力系统在船舶上的应用

阮栋1潘李1朱显玲2

(1.中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064;2.武汉船舶职业技术学院，湖北武汉430050)

摘要气-电混合动力船舶的电力推进系统既可以从天然气发电机组获得电能，也可以从蓄电池获得电能；既解决了以柴油机、双燃料发动机为动力的船舶污染问题，又解决了直接以天然气发动机作为直推的动力性能不稳定问题，同时还解决了以蓄电池作为动力的纯电动船舶的续航力短的问题；气-电混合动力系统将是未来绿色船舶动力的典范，有广阔的发展前景。

关键词LNG；插电式混合动力；气-电混合动力；燃气动力船舶；双燃料

我国的环境污染日益严重，航运污染已成为继机动车尾气污染、工业企业排放之后的第三大大气污染来源。我国内陆河流众多，主要航道运输如京杭运河、长江、西江等均经过经济发达、人口稠密的地区。目前内河船舶以柴油发动机为动力源的占95%以上，这些船舶向大气中排放大量的CO2、NOx、SOx和PM颗粒物，严重影响周围城市的空气质量，危害人们健康[1]。

液化天然气作为一种绿色能源，用以替代传统燃油作为船舶动力燃料的技术已渐渐出现在人们的视野中。近几年，随着LNG相关规范的发布，在国家大力推进下，航运企业已改造和新建了一批燃气动力船。这些船舶大部分采用双燃料(柴油-LNG)直接驱动螺旋桨的动力模式，但检测结果显示其发动机排放并不理想。还有一部分采用纯气体发动机直接驱动螺旋桨的动力模式，虽然发动机排放达到了预期效果，但是，发动机加速性能不足，船舶航行的稳定性、安全性得不到保障[2][3]。

而采用纯气体发动机和蓄电池组双动力源的气-电混合式动力系统既解决了发动机的尾气排放带来的污染问题，又解决了纯气体动力系统船舶的一些弊病，同时还解决了以蓄电池作为动力的纯电动船舶的续航力短的问题。

1系统构成

插电式混合式动力系统已很成熟，并广泛的应用在汽车上[4]，该系统由一个蓄电池动力源、一个或多个内燃机动力源以及一套或多套驱动系统组成。而本文所描述的气电混合式动力系统也属于插电式混合动力系统的一种，内燃气采用LNG发动机。

以京杭运河一艘2000吨散货船为例，该船船长61 m，型宽12.7 m，型深4.2 m，在航速14km/h时续航力48 h， 系统组成如下:

(1)推进系统采用两台170kW电动机通过两台齿轮箱驱动两台常规螺旋桨；

(2)采用两台纯天然气发电机组作为第一动力源,根据全船电力负荷计算，每台发电机组功率230 kW；

(3)一组免维护铅酸蓄电池为第二动力源；

(4)采用插电式混合电力推进，控制系统采用交流变频形式；

(5)发电机组燃用的LNG储存在一个10 m3双层不锈钢低温储罐中，储罐配两个气罐连接处所，各气罐连接处所分别设一套供气系统至一台燃气发电机组。

(6)智能化集中式控制系统。系统组成如图1。

图1　系统构成

基于蓄电池供电的续航力要根据具体船舶的特点如过闸时间、停泊时间、充电时间、航道、造价等因素综合确定。

蓄电池容量可按YD5040‐97《通信电源设备安装设计规范》中的规定计算

式中：Q—蓄电池容量(AH)

K—安全系数，取1.25

I—负荷电流(A)

T—放电小时数(H，取50 分钟)

t—实际电池所在地最低环境温度值(按照CCS 规范环境温度0‐40°，此处取0°)

α—电池温度系数(1/℃，当放电小时率≥10 时，α=0.006；当10>放电小时率≥1 时，α=0.008；当放电小时率<1 时，α=0.01)

η—放电容量系数

2性能优势

2.1动力稳定性

船舶配一台带两个气罐连接处所的天然气低温储罐，每个气罐连接处所分别设一套供气系统至一台燃气发电机组，任意一路供气系统出现故障不会影响到另外一路。

当船舶的工况需要使用两台发电机组时，若一台发电机组出现故障，另外一台发电机组运行不会受到影响，此时，蓄电池组会提供电力保证当前船舶工况的电力不受影响。

当船舶的工况仅需要使用一台发电机组时，若这台发电机组出现故障，蓄电池组会立即提供电力保证当前船舶工况的电力不受影响。然后，船员可以起动另外一台发电机组替换蓄电池。

当前船舶在当前工况使用一台发电机组，当紧急情况下需要突然加速时，蓄电池会提供电力保证船舶的加速性能[5]。

2.2节能

2.2.1航行时

无论是柴油机还是燃气机，其设计都是在发动机发出额定功率时的燃料耗率最低。但是内河水域环境复杂多变，船舶很难长期稳定在一个航速，故难以保证发动机运行在额定功率，达到最低的油耗。

而气电混合式推进系统的船舶，发动机能长期稳定在最低燃气耗率时的额定工况下运行。

船舶在设计航速航行时，推进电机收到的功率不变，生活用电功率有一定的波动，此时，仅有少量的电量可用于给蓄电池充电。

在船舶在低于设计航速航行时，推进电机收到的功率低于额定功率，此时，相对较多的电量可用于给蓄电池充电。

当船舶在航速高于设计航速航行时，而此时生活用电也在最大功率使用时，发电机组也不需要超出额定功率运行，此时，蓄电池会提供电量来保证推进电机的功率。

除此之外，船舶过闸或短期航行时，可由蓄电池提供动力源，避免了频繁起动发电机组，造成能源浪费。

2.2.2停泊时

船舶靠岸时可接岸电给蓄电池充电，蓄电池的电量可提供一定续航力。岸电较便宜，可减少一定的运营成本。船舶停泊无岸电时，蓄电池的电量可以为船舶提供生活用电，不需要开启发电机组。蓄电池还可为船舶的安全监测系统、燃气监测系统提供电源。

2.3环保

2.3.1尾气排放

目前国内改装的双燃料模式的船只，发动机排放并不理想，如“苏宿货1260”,在双燃料模式下，相对于燃油模式，CO2排放减少15%-20%，NOx排放减少85%-90%，SOx排放减小了98～100%[6]。

而纯天然气发动机的排放则普遍比较理想。据RR的一型火花塞点火的稀薄燃烧天然气发动机资料显示,其排放较柴油发动机减少约92%的NOx排放、22%的CO2排放、98%～100%的SOx排放、98%的颗粒排放。调查显示目前市场上大部分纯气体发动机排放能达到IMOTierIII的标准。

研究分析显示，一般发动机在其恒速工况和优化负荷点附近运行时，其有害气体的比排放量最低。气电混合式动力系统运行时，天然气发动机能够长期在额定工况下运行。相比纯气体动力的其它类型的推进方式,如直推、纯电力推进等，本系统中发动机对坏境造成的污染最少[7]。

2.3.2油污水污染

机舱污油水污染源主要来源于发动机的滑油、燃油、液压油等的泄露。而纯气体发动机没有燃油系统，设有气电混合式推进系统的船舶，船上没有燃油，不会因为燃油泄露而造成污染。

2.3.3噪音污染

天然气发动机相对柴油发动机一般爆压低、运行相对平稳，其产生的噪音相对小很多，本系统中恒转速运行的燃气发电机组噪音会更小。当用蓄电池作为动力源运行时，不会产生噪音。

3存在的问题

3.1蓄电池组的配置

船用蓄电池一般采用铅酸蓄电池，其价格昂贵，使用寿命一般在5年左右。作为第二动力源使用，其容量大小关系着船舶的续航力。较久的续航力需要较大的蓄电池的容量，带来的问题就是电池的体积、质量也就越大，增加了船舶的质量，减少船舶的载货量，增加船舶的布置难度,增加了船舶的造价和维修成本。

3.2LNG动力船产业发展问题

LNG动力船产业发展的障碍，不单包括基础配套设施建设滞后，商业模式不成熟也是因素之一。只有前期项目尽快实现盈利，才能实现LNG动力船工程的良性运转，才能吸引更多的投资人进入LNG动力船产业，从而推动该产业的发展。

此外，由于缺乏国家层面的执行标准、规范，导致即使改造好的LNG动力船也难以运行。目前船东主要选择以LNG-柴油双燃料动力改造为主,国内施行的规范标准，一直落后于LNG动力船产业的发展步伐，致使LNG船用市场发展比预期的缓慢[9]。

参考文献

1严新平，万江龙，袁裕鹏，等.运河船舶岸基能源推进技术的系统构建[J].航海工程，2015(3)：159-163

2金凌.LNG混合动力船舶优势几何[J].中国船检，2011(4)：63-65

3葛正柏.浅谈内河LNG动力船舶的性能[J].中国水运，2012.4(12)：5-7

4瞿绪方.气-电混合动力公交车在宁波公交的应用[J].人民公交，2013(9)：45

5李卫民.混合动力汽车控制系统与能量管理策略研究[D].上海交通大学博士学位论文，2008，10

6王世荣.我国内河柴油LNG双燃料动力船舶的现状分析与建议[J].中国水运，2011(7)：4-7

7冀路明，汪庆周.二十一世纪的Azipod吊舱式电力推进系统[J].船舶工程，2002(2)：64

8中国船级社.绿色船舶规范[S].北京：人民交通出版社，2015

(责任编辑：谭银元)

Application of Gas-Electric Hybrid Power System on Ship

RUAN Dong1,PAN Li1,ZHU Xian-Ling2

(1.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064,China;2.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan 430050,China)

Abstract:Electric propulsion system of hybrid gas-electric ship can get electricity not only from LNG generator set, but also from the battery group. The marine pollution problems, which usually exist on the ship with diesel engine and dual fuel engine, don’t exist on the hybrid gas-electric ship. What’s more, the dynamic instability of natural gas-powered engine and the short endurance of battery-powered engine don’t exist on the hybrid gas-electric ship, either. It is believed in the essay that there is a great prospect for gas-electric hybrid power system development.

Key words:LNG; plug-in hybrid power; gas-electric hybrid power; gas powered ship; dual fuel

收稿日期：2016-02-18

作者简介：阮栋，男，大学本科，工程师，研究方向：船舶设计。

中图分类号U664.13

文献标志码A

文章编号1671-8100(2016)02-0016-04