绿色船舶动力系统集成技术创新及应用

赵同宾，刘张超，李策略，郭丰泽，谭 琨，刘亮清

（上海船用柴油机研究所，上海 201108）

0 引 言

船舶动力系统是指保证船舶正常航行、作业、停泊及船员、旅客正常工作和生活所必需的设备及系统的综合体，主要包括船舶推进系统、辅助系统和自动化系统等。

目前，以热机（柴油发动机、汽轮机和燃气轮机等）作为动力源，直接机械驱动螺旋桨或在发电之后通过电机驱动螺旋桨的船舶推进系统仍被广泛采用。但是，随着石油资源的日益减少和地球环境的日益恶化，节能、环保、高效成为行业关注的热点，绿色船舶动力系统的概念应运而生。绿色船舶动力系统应具备环境友好性、技术领先性和经济最优性等3个基本特性，在实现技术领先性和经济最优性的基础上，最终确保船舶满足环境友好性要求[1]。

绿色船舶动力系统的理念虽然推动了相关技术的发展，但也使动力系统变得日趋复杂，传统的设计、制造、使用和维护的方式难以满足需求。因此，国内外一些具有全面专业技术、对动力系统及其设备有深入认识的厂商逐步推出动力系统集成设计及供货的模式。动力系统集成不是简单的设备采购、堆积供货和接口协调，而是利用动力系统集成厂商全面的专业技术、丰富的工程经验和周到的服务理念，为船舶动力系统的设计、生产、使用和维修保养提供全寿命周期内的解决方案。动力系统集成已成为船舶领域新的发展趋势。

1 船舶动力系统的发展趋势

随着船舶动力系统集成技术的不断发展及其核心产品的不断成功研发，目前国内外船舶动力系统正朝着绿色化和集成化的方向发展，节能高效、低污染物排放和低噪声是绿色船舶动力系统的典型特征。

1.1 节能高效

节约能源是船舶动力研究不变的主题，相关研究人员从未停止对动力系统节能高效的创新和尝试。1) 在系统设计方面，柴电混合动力系统和电力推进系统开始应用，在此基础上衍生出采用电池储能的柴电混合动力系统和基于直流电网的电力推进系统等动力型式。

2) 在系统设备方面，对现有设备进行技术改进，例如柴油机喷射优化设计、采用高压共轨和米勒循环等技术对柴油机部分负荷进行优化等；同时，积极研发高效节能的绿色动力系统设备，例如复合材料传动部件和吊舱推进器之类的新型高效推进器等。

此外，对高效的热能回收装置的研究和应用也备受重视。

1.2 低污染物排放

随着相关政策法规的不断健全，船舶污染物排放成为船舶动力系统集成设计必须考虑的问题。为满足政策法规的要求，风能、太阳能、核能和波浪能等新型绿色清洁能源得到深入研究，部分成果已取得实船应用。此外，新的排放控制措施和设备也在不断涌现。

1.3 低噪声

中国船级社（China Classification Society，CCS）发布的《绿色船舶规范》把低噪声作为绿色船舶的一部分，用以改善船员的工作和居住条件、降低其劳动强度。动力系统作为船舶动力来源，其低噪声设计对于整船的低噪声设计而言至关重要。船舶动力系统的低噪声设计包括整船设计、建造过程中对整船和动力系统的系统性振动噪声进行有效处理的设计。

1.4 系统集成化

系统集成是从系统层面提供动力系统整体的解决方案，达到“1+1＞2”的效果，更好地满足用户需求。通过绿色动力系统集成，可给用户带来以下增值：

1) 为用户提供动力系统方案论证、系统匹配和设备选型的建议，使用户获得先进适用的动力系统；

2) 更好地实现用户对动力系统的特殊要求；

3) 帮助用户提高效率，缩短动力系统设计和建造的时间；

4) 控制动力系统设备的质量和生产进度，使用户摆脱大量烦琐的协调和质量监控任务；

5) 及时为用户提供船舶动力系统的建造、运行和售后服务保证。

2 绿色船舶动力系统集成技术创新及应用

2.1 柴电混合动力系统集成创新及应用

2.1.1 柴电混合动力系统集成创新

柴电混合动力系统是国外近几年广泛应用的一种新型推进系统。2009年，国内突破 PTI/PTO控制和集成技术瓶颈，将自主化研制的PTI/PTO柴电混合动力系统成功应用到粤海火车轮渡3号和4号船上，开启了我国自主研发PTI/PTO柴电混合动力系统的时代。柴电混合动力系统图见图1。

图1 柴电混合动力系统图

在柴电混合动力系统中，电机既可当作发电机使用，也可当作电动机使用。该系统共有PTO发电模式、双机双桨船舶的“电轴”推进模式、电机推进模式（PTH模式）和Booster辅助推进模式等4种工作模式。

1) PTO发电模式：船舶在定速航行时，利用主推进柴油机驱动轴带发电机工作，提供船舶日常运营所需的电能。该推进模式工作原理图如图1a）所示。

2) “电轴”推进模式：对于双机双桨的船舶，当其航速较低或有一机故障时，可利用一台主机同时驱动螺旋桨和轴带电机，轴带电机输出的电能通过配电板供给另一套轴系的轴带电机，实现其PTI的电力推进。该推进模式工作原理图如图1b）所示。

3) 电机推进模式：当船舶需低速航行、低噪声航行或主机出现故障时，利用船舶发电机组提供的电能，通过配电板输送到轴带电机，实现PTI的电力推进，在该模式下既能提升动力系统冗余性，又能满足特定作业的需要。该推进模式工作原理图如图1c）所示。

4) Booster辅助推进模式：当船舶阻力增大、需加速航行或遇到拖曳及顶推等大负荷时，轴带电机工作在PTI助推模式下，消耗船舶发电机组的部分电能，与主机并车，共同驱动螺旋桨，增加船舶的推进动力。该推进模式工作原理图如图1d）所示。

2.1.2 柴电混合动力系统的优点

柴电混合动力系统主要有以下优点：

1) 实现船舶动力和能源经济、高效的综合利用，减小船舶柴油机的装机功率；

2) 大幅提高船舶在低负荷工况下运行时的经济性，实现全工况下的经济性优化；

3) 可实现多种复杂工况的优化匹配，在不同工况下发挥不同推进型式的优势；

4) “常规推进”＋“电力推进”，提高推进装置的冗余性和安全性；

5) 通过优化控制系统，提高船舶的智能化程度；

6) 部分采用电力推进的型式，设备安装灵活。

2.1.3 柴电混合动力系统的发展和应用

近年来，柴电混合动力系统在国内得到迅速发展。国内一些高校、科研院所已在柴电混合动力系统方面开展深入研究。结合 2012年国防科工局舰船推进系统标准制修订项目，中国船舶重工集团公司上海船用柴油机研究所完成《柴电混合动力模块设计方法》标准的编制，并在国家船舶动力系统实验室中建立柴电混合动力系统试验平台，通过在该试验平台上进行大量试验研究，积累了丰富的柴电混合动力系统设计开发经验。

在2009年粤海火车轮渡3号和4号船首次采用国内自主研发的PTO/PTI柴电混合动力系统之后，5000t海监船、浙江海洋大学渔业资源调查船和上海国际港务（集团）股份有限公司复兴船务公司2200kW+740kW柴电混合拖船等项目又陆续应用柴电混合动力系统，拓展了柴电混合动力系统的应用船型。

2.2 基于变速发电、直流电网的电力推进系统的集成创新及应用

2.2.1 基于变速发电、直流电网的电力推进系统的集成创新

近年来，随着电力电子技术、直流保护技术的不断发展，已在传统的交流电力推进系统的基础上开发出基于变速发电、直流电网的电力推进系统，其原理示意见图 2。直流电网的突出优势在于：系统采用变转速柴油发电机组，通过整流器将变速柴油机组发出的交流电转换成直流电，组成直流电网，使系统的油耗显著降低；采用传统的逆变器将直流电转换成交流电，驱动电动机，带动螺旋桨，为船舶日用负载提供电能。

图2 基于变速发电、直流电网的电力推进系统原理示意

2.2.2 基于变速发电、直流电网的电力推进系统的优点

与常规的交流电力推进系统相比，基于变速发电、直流电网的电力推进系统主要有以下优点：

1) 便于采用变速发电机组技术以降低油耗。特别是对于动力定位船舶，可在动力定位工况下改善机组长时间处于低负荷区间的情况；

2) 取消了传统的交流配电板及用于DFE变频器的移相变压器，节省了布置空间，减轻了设备重量；

3) 系统配置精简，减少了电缆用量，降低了安装成本；

4) 减少了电网波动，提高了电网在恶劣海况下的稳定性；

5) 使用兼容蓄电池和超级电容，可在特定工况下零排放。

2.2.3 直流电网电力推进系统中变转速柴油发电机组的研究现状

国内相关科研院所对变速发电模块的研究开展的较早，如船舶工业国防科技预研基金办公室基金项目“变速恒频柴油机变转速运行控制策略研究及验证”中的变速发电模块、海洋工程动力系统国家工程实验室中的变速发电系统研究试验室等。

近年来，随着一系列工程项目、科研项目的实施和交付，以及实验室的申报和建设，国内在变速发电模块的柴油机特性匹配研究和优化设计、变速发电机组柴油机最佳能效点和最佳振动噪声点的确定、变速发电机组变转速控制策略研究及变速发电机组安保控制策略研究等方面积累了较为丰富的理论研究与工程实践经验。

2.2.4 基于变速发电、直流电网的电力推进系统的发展和应用

国内相关科研院所于 2015年开始建立直流网络型电力推进实验室，重点开展变速发电机组、直流配电网络保护和发电机保护系统等技术的研究。

镇扬汽渡2017年新造的60m车客渡船采用包括变速柴油发电机组在内的基于直流电网的动力系统，其供货范围包括：2台变速柴油发电机组，1套包括发电机整流器、推进逆变器和日用负载逆变器等在内的直流配电板，1套电能管理系统，2套推进电机，1套超级电容等。

2.3 低噪声动力系统的集成创新及应用

2.3.1 低噪声动力系统的集成创新

在船舶的噪声源中，由动力装置引起的机械噪声是影响船舶的舒适度、船舶电子设备的可靠性和船员的工作环境的最主要噪声源[2]。国内2008年就提出全船及动力系统减振降噪的概念，并在“实验1”号科考船和粤海铁火车渡轮项目中成功应用。近年来，国内相关科研院所通过开展科技研发、改善软硬件条件和积累工程项目经验等，大幅提升了在该领域的专业能力，形成了以技术服务工作为核心、多种减振降噪控制手段相结合的减振降噪模式，全过程参与，确保低噪声设计思想在每个环节都得到贯彻，在建造过程中进行关键流程检查和确认，最终保证满足动力系统振动噪声指标要求。

2.3.2 低噪声动力系统关键技术

2.3.2.1 低噪声动力系统的设计

动力系统振动噪声控制是一项系统性工作，涉及面广，国内一些科研院所成立专门的全船减振降噪团队，逐步掌握全船及动力系统振动噪声控制的核心技术，如动力系统振动噪声指标分配、振动噪声控制措施等。

1) 针对动力系统振动噪声指标分配，在船舶概念设计阶段主要依靠类似船舶振动噪声实船测试数据、经验公式和相应的折算方法，上海船用柴油机研究所拥有国家级振动噪声实验室并已搜集几百艘船舶的振动噪声测试数据和对应船舶的动力设备信息。

2) 在振动噪声控制措施方面，上海船用柴油机研究所已为上百艘船的主柴油机、发电机组、推进电机和齿轮箱等动力系统设备提供多型减隔振装置、排气消声器和隔声罩等，拥有丰富的工程经验。

2.3.2.2 低噪声主推进轴桨的研制和应用

新一代科考船需承担多学科海上综合考察和研究任务，配备众多高精度的水下探测设备、仪器，对水下噪声、舱室噪声及居住舱室的舒适性提出更高要求。有关统计资料指出，船舶的水下辐射噪声约有50%来自桨轴系统。国内相关研究人员通过深入研究主推进桨轴的水下噪声源，基于理论研究及经验积累研制出降低水下噪声的主推进轴桨集成设计方案，并在厦门大学科考船和中国海洋大学“东方红3号”科考船上得到应用，其中厦门大学科考船已成功交付。

厦门大学科考船在海上各工况下按照挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）水下辐射噪声测试程序进行持续近10d的测试，在静音航速条件下噪声完全满足DNV Silent A+S标准的要求，其中，高频区域比标准低 20dB，低频区域比标准低 15～20dB，测试结果表明低噪声主推进轴桨集成设计方案科学合理。该项目中低噪声主推进轴桨的应用突破了我国科考船低噪声主推进轴桨的设计壁垒，提升了我国科考船水下噪声治理的水平[3]。

2.4 基于总能利用的动力系统集成技术创新与应用

2.4.1 基于总能利用的动力系统集成创新

船舶上可再利用的余热能量主要来自船舶主机、副机和锅炉等动力设备。船舶余热丰富，余热总量大，对余热资源进行合理的回收利用，可给船舶营运带来良好的经济效益。国内自主研制的总能利用系统主要由柴油机、涡轮增压器、动力涡轮、汽轮机、减速器、涡轮发电机和余热回收器等组成（见图3）。

该系统采用汽轮机和动力涡轮共同驱动发电机发电的方式回收主机烟气余热，一方面可通过余热回收器回收排出的能量，通过汽轮机发电；另一方面可在不影响主机增压空气供应的情况下，旁通一部分主机排烟至动力涡轮，驱动发电机发电。发出的电能既可为船舶日常运营供电，也可用来驱动螺旋桨，为船舶助推。

2.4.2 基于总能利用的动力系统的发展

船舶总能利用以提高船舶柴油机动力装置的总能利用效率、改善新船能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）为目标。根据船舶的类型、航线的特点、动力配置及余热的品质设定方案，选用相适应的余热利用技术将是船舶总能利用发展的趋势。

图3 主机排气余热能量回收系统

总能利用的进步与相关热能动力设备技术的进步及总能利用系统控制技术的发展和创新是分不开的。

1) 需加大对余热锅炉、动力涡轮、蒸汽涡轮、轴带发电机、热泵和吸收式制冷机等热能动力设备的研发力度，优化其工作性能，提高其工作效率和工作可靠性；

2) 需开发出一套能在船舶运行工况变化时对各分系统进行自动调节，使其自身工作稳定，并使各子系统之间能量自动平衡的控制系统，以提高系统运行的稳定性和总能利用效率。

在总能利用技术方面，国内已在船舶总能利用技术、动力涡轮发电技术、布雷顿循环技术、卡琳循环技术和温差热电发电技术的船用化研究方面开展多项研究，部分技术已进入试验样机阶段，并已取得阶段性进展。目前，已对多型柴油主机与动力涡轮发电系统的匹配设计技术进行研究，包括柴油机增压系统与动力涡轮的优化匹配、动态特性研究等。在国家基础产品科研项目中，通过对船舶动力模块能效提升技术进行研究，开展了能效提升技术、评估方法和总体匹配等研究，形成设计方法，掌握设计技术。此外，上海船用柴油机研究所、西安交通大学、武汉理工大学和中船重工船舶设计研究中心有限公司等多家单位正联合进行船舶热能发电技术研究，开展船舶超临界二氧化碳布雷顿循环发电装置、卡琳娜循环发电装置及二者的联合循环发电系统的产品研制。

3 结 语

在节能环保大环境的推动下，船舶动力系统正朝着节能高效、低污染物排放、低噪声的方向发展，动力系统集成逐渐成为发展趋势。动力系统集成厂商从系统层面对动力系统进行创新，推出柴电混合动力系统、基于变速发电和直流电网的电力推进系统、低噪声动力系统和基于总能利用的动力系统等，在绿色船舶动力系统的发展和创新中发挥着不可或缺的作用。

将来，基于电池储能技术的柴电混合动力系统，中压、大功率直流电网电力推进系统，基于多污染一体化治理技术的低排放动力系统，基于减振降噪综合控制技术的低噪声动力系统，多种余热回收技术相结合的总能利用动力系统，动态特性优化的LNG发动机动力系统等绿色船舶动力系统将得到进一步发展，并逐步得以实船应用。