11 000 m3耙吸式挖泥船动力系统模拟改装

刘乐，高海波，缪光辉，孙震

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

11 000 m3耙吸式挖泥船动力系统模拟改装

刘乐，高海波，缪光辉，孙震

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

为了实现节能减排的目的，对某传统的耙吸式挖泥船动力系统进行混合动力系统模拟改装，使用柴油机和蓄电池作为混合动力源，采用阈值法作为能量管理策略，根据不同的功率需求及蓄电池的荷电状态调整系统的工作模式，并在Matlab/Simulink环境下建立动力系统的燃油消耗及排放模型。仿真结果表明，混合动力系统较原系统在油耗和排放方面均有较大的改善。

混合动力；节能减排；能量管理

对于工况多样的工程船来说，混合动力船舶是一种极具发展前途的“绿色船舶”[1-4]。具有自航能力的耙吸式挖泥船优点是机动灵活，效率高，抗风浪能力强，能在多种工况之间快速转换，这需要强有力的动力作为支持。传统的耙吸式挖泥船一般采用柴油机作为单一的动力来源，无法在所有工况范围内都获得较好的燃油效率。对耙吸式挖泥船进行混合动力改装，可在降低主机功率要求的同时满足各工况下的功率需求，还能提高能源利用效率，达到节能减排的效果。以某耙吸式挖泥船为母型船，将其单一动力系统模拟改装为以柴油机组为主要动力源、蓄电池为辅助动力源的混合动力系统，模拟完成设备选型配置，并采用阈值法进行工作模式切换和能量管理，提高能源利用效率，实现节能减排。

1 混合动力系统设计

1.1 原船工况分析

研究对象为中交天津航道局有限公司的耙吸式挖泥船“通远号”。该船设双主机，主机型号为DAIHATSU12DKM-36，额定功率为6 600 kW；配备双可调螺距螺旋桨，双轴带发电机，图1为其动力系统结构简图。该挖泥船的每个工作循环由3种工作状态构成：①挖泥船空载快速驶向疏浚作业地点，此时推进功率需求较高；②到达作业地点后进行挖泥作业，此时推进功率需求较低，泥泵功率需求及冲水泵等电力负荷功率需求较高；③挖泥船满仓从作业区域快速驶向抛泥区域，此时推进功率需求较高。

图2为该挖泥船在2013年5月16日～17日在“黄骅港”外围进行疏浚作业时，其6个工作循环中柴油机功率需求负荷的柱状图。配置的柴油机必须满足最大的功率需求，挖泥船有大部分时间处于较低功率需求的状况，高功率需求工况只占很小的时间比例，从而导致多数工况下柴油机功率配置过分冗余。另一方面，柴油机的设计决定了燃油消耗率SFC随负荷功率的增加而降低，在80%～90%额定功率时达到最低[5]，意味着多数情况下，挖泥船配置的柴油机燃油效率较低。在不影响船舶动力性能的前提下，为了提高挖泥船的燃油经济性和降低排放，考虑将该船动力系统改装成混合动力形式。

1.2 混合动力系统的设计

采用柴油机+蓄电池+电动机的混合动力方式取代原有的配置，主机选取比原系统配置功率等级低的柴油机，动力不足部分由蓄电池组和电动机提供，系统结构见图3。

其中电机既可作为轴带发电机发电，也可当电动机提供动力。当蓄电池需充电时，主柴油机通过齿轮箱带动轴带发电机发电，经过整流之后将电能存储在蓄电池中。当蓄电池放电时，一方面可以通过逆变器连接到主电网为电气设备供电，另一方面可以通过逆变器驱动电动机，再通过齿轮箱单独或与主柴油机一起驱动螺旋桨，满足峰值功率需求。

阈值法是逻辑门控制的一种形式，通过设置相应变量的逻辑状态和控制阈值，根据输入的数据，达到控制系统运行模式的目的[6-7]。采用阈值法将挖泥船混合动力系统工作循环中的运行状况分为如下几种模式。

1)当总需求功率(含机械功率及电功率)小于主机额定功率，且蓄电池的荷电状态SOC值小于80%时，主机按额定功率工作。此时主机提供推进功率和挖泥泵功率，同时通过轴带发电机向主电网和蓄电池供电，系统能量流动见图4。

2)当总需求功率小于主机额定功率，蓄电池SOC值不小于80%时，主机提供所有需求功率。此时主机提供推进功率和挖泥泵功率，同时通过轴带发电机向主电网供电，系统能量流动见图5。

3)当总需求功率大于或等于主机额定功率，机械功率小于主机额定功率，SOC值大于30%时，主机按额定功率输出。此时主机提供推进功率和挖泥泵功率，同时通过轴带发电机向电网供电，不足的电力需求由蓄电池通过逆变器向主电网供电，系统能量流动见图6。

4)当总需求功率大于或等于主机额定功率，且机械功率大于主机功率，SOC值大于30%时，主机功率按额定功率输出。此时主机提供挖泥泵功率和部分推进功率，蓄电池通过逆变器向主电网供电，同时驱动电动机提供部分推进功率，系统能量流动见图7。

1.3 混合动力系统选型

鉴于80%以上的工作时间中柴油机的功率都小于额定功率的70%，按照柴油机和蓄电池的功率比例为7∶3来对柴油机和蓄电池进行选型和配置。原系统中柴油机额定功率为6 600 kW，按其70%的功率取值为4 620 kW，选择额定功率相近的柴油机。要求柴油机既能够满足功率需求，又可保证良好的燃油经济性。考虑电动机和发电机为一体，电动机必须能够提供原柴油机额定功率的30%，即1 980 kW，以更高的功率密度和效率作为选择标准，因此选用永磁电机[8]，同时双向变频器的选型也同样要满足这个条件。

主要动力系统设备选型如下：柴油机MAN 9L32/40R，额定功率为5 040 kW；发电机(电动机)1FW4507-1HE，额定功率为2 073 kW，额定电压与频率为690 V/50 Hz；变频器ACS800-07，额定功率为2 300 kW，额定输出电流为2 321 A。蓄电池组：AT6500-250-48*，29行25列的蓄电池组，容量为3 750 A·h。辅助发电机和应急发电机型号与原设计保持一致[9]。

2 混合动力系统的油耗与排放建模

2.1 燃油消耗模型

根据柴油机技术产品规格书可获取选型柴油机的燃油消耗率及其负荷百分比的关系，见表1。

表1 柴油机的燃油消耗率及其负荷百分比的关系表

根据柴油机的需求功率Pd可以折算出负荷百分比η，根据表1插值可以得出不同负荷下的燃油消耗率b，进而可以求得实时的燃油消耗BFc(L/s)为

(1)

式中：Pd为柴油机需求功率，kW；SFC为燃油消耗率，g/(kW·h)；ρ为燃油密度，991 g/L，按ISO8217:1996(E)规范取值。

燃油消耗总量(L)为

(2)

2.2 气体排放模型

美国联邦环保署(Environmental Protection Agency，EPA)2000年签署了柴油机的排放标准，对所有非公路用机动设备柴油机实施严格的第二阶段法规。该法规规定，当柴油机的功率在2 000～10 000 kW时，排放计算按以下公式进行[9]。

NOx排放量(g)为

(η2)-7.4338×η+12.275]/3 600}dt

(3)

SO2排放量(g)为

(4)

CO2排放量(g)为

(5)

式中：Sf为燃油中的含硫百分比；Cf为基于燃油含碳量的燃油消耗和二氧化碳排放量转换系数。

3 仿真实验及结果分析

在Matlab/Simulink环境中建立混合动力系统的燃油消耗模型和排放模型，输入为工作时的功率需求历史数据，输出为燃油消耗和废气排放量。

挖泥船从抛泥区航行到作业区，挖泥装舱，满仓后航行到抛泥区抛泥，组成一个完整的工作循环。实船采集数据的时间间隔为2 s，取6个完整的工作循环数据进行分析。原动力系统燃油消耗和排放结果见表2。

表2 原动力系统燃油消耗和排放实验结果

输入同样的数据，对混合动力系统进行仿真实验，实验中蓄电池SOC初始值设置为40%，工作循环结束后的蓄电池SOC值高于初始值(见图8)，表明额外消耗燃油为蓄电池充了电，需将蓄电池存储的电量折算成主柴油机的燃油消耗和排放量，从混合动力系统仿真实验结果中扣除(见表3)，然后对原动力系统与混合动力系统的燃油消耗与排放值进行对比分析。

表3 SOC校正后混合动力系统油耗和排放结果

表2和表3中的数据显示，在6个循环共36 h的工作过程中，混合动力系统相比于原系统，燃油消耗降低了7.2%，CO2的排放减少了7.2%，SO2的排放减少了7.2%，NOx的排放减少了4.4%，达到了节能减排的改装目的。

4 结论

目前，采用柴油机和蓄电池作为混合动力源的船舶，只限于小型工程船舶，还没有将混合动力的概念应用于大型工程船舶的建造及改装的实船案例。本文通过对大型耙吸式挖泥船工作模式进行分析，在不损害原船动力性能的前提下，进行混合动力系统模拟改装。从理论上证明了大型传统耙吸式挖泥船采用混合动力系统可以实现节能减排。需要指出的是，本文并不考虑改装成本，并且阈值法只是多种能量管理策略中的一种，模糊控制及其他智能算法在混合动力能量管理策略中的应用还有待进一步研究。

[1] 李碧英．绿色船舶及其评价指标体系研究[J].中国造船，2008(10)：28-35．

[2] 王世明．绿色船舶的现状和发展前景分析[J].中国造船，2008(10)：48-57．

[3] 凌文戟．我国加入WTO后疏浚船舶的发展研究[D].南京：河海大学，2005．

[4] 陈炜强．港作拖轮混合动力系统特性仿真研究[D].武汉：武汉理工大学，2015．

[5] 周龙保．内燃机学[M]．北京：机械工业出版社，2005．

[6] KISACIKOGLU M C, UZUNOGLU M, ALAM M S. Load sharing using fuzzy logic control in a fuel cell/ultra capacitor hybrid vehicle[J]. International journal of hydrogen energy，2008，34(3)：1497-1507．

[7] LI Chunyan, LIU Guoping. Optimal fuzzy power control and management of fuel cell/battery hybrid vehicles[J]. Journal of power Sources，2009，193：525-533．

[8] 刘艳.基于HALBACH阵列的盘式无铁心永磁同步电动机分析与计算[D].天津：天津大学，2004．

[9] 王国彪.世界非公路用机动设备排放综述[J].交通世界，2002(2)：48-51．

Simulation Retrofitting of Power System in 11 000 m3Trailing Suction Hopper Dredger

LIU Le, GAO Hai-bo, MIAO Guang-hui, SUN Zhen

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

In order to achieve the purposes of energy saving and emission reduction, the traditional trailing suction hopper dredger was retrofitted from a diesel engine power system to a hybrid power system by simulation. The hybrid power system, using diesel and battery as the power sources, could adjust the operation mode according to different power demand and the state of charge of battery with energy management strategy. The fuel consumption models and emission models were built in Matlab/Simulink environment. The results showed that the hybrid power system has significant improvement in fuel consumption and emission compared with the original system.

hybrid power; energy saving and emission reduction; energy management

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.039

2016-05-30

国家自然科学基金(51579200)

刘乐(1993—)，男，硕士生

U664.81;U674.31

A

1671-7953(2017)02-0166-04

修回日期：2016-06-21

研究方向:船舶电力推进