邮船柴油发电机与电池混合电力推进系统排放研究

吴思晨， 李 铁,b， 依 平， 武 燊， 姚 钢

(上海交通大学 a.海洋工程国家重点实验室； b.高新船舶与深海开发装备协同创新中心；c.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室， 上海 200240)

0 引 言

环境问题一直是备受关注的话题，尽管在全球航运排放中邮船所占份额很小，但近年来随着邮船市场的日益火爆，其排放总量显著增加。特别是邮船在港口停泊期间仍有较大的生活用电需求，其废气排放不会停止，对人类健康的直接影响大于在海上航行期间的影响。因此，研究采用岸电、动力电池和限制燃料的含硫量等措施减少船舶在靠港、操纵和巡航期间的能耗和排放具有重要意义。在邮船电力推进系统方面开展的研究相对较少，相关研究人员提出了多种节能减排措施，包括新能源应用、航行优化运营管理和控制策略等。ZHENG等引入具有较强非线性拟合能力的人工神经网络,使目标船某航次的油耗最少。CHI等依靠自动识别系统和船舶数据库，提出了实时能效运营指数及其实施框架。LARSEN等建立了一个用来预测大型船舶燃料消耗和排放的模型。CHATZINKOLAOU等提出了一个基于生命周期的船舶排放评估创新框架，除了对运行效率指数进行评估以外，还侧重于研究政策和业务措施对减少排放的影响。LINDSTAD等根据一个结合了船舶航速、海况和船舶特性的评估模型,探究了速度和尺寸对减少排放和节省运营成本的影响。BOUMAN等对技术措施及其减排潜力进行了全面综述。REHMATULLA等讨论了几项减排技术措施的执行情况。LIAO等研究了路线和港口选择对减少CO排放的影响。BUREL等分析了使用液化天然气作为替代燃料的影响。

IMO关于排放控制区(Emission Control Area,ECA)的限硫规定对燃料的硫含量有严格的控制要求。目前大多数船舶都采用柴油发动机进行发电和推进，而柴油机在非设计工况下工作时，比如低负荷运转时，会导致燃油消耗和污染物排放量大幅增加。通过合理选择船舶推进系统的配置，优化运行方案和能量管理策略，可减少船舶能耗和污染物排放。负载平衡是多发动机系统正常运行的关键。根据功率需求对发动机进行调度，确保发动机在最佳负荷下运行,可提高发动机的运行效率，节省燃料。本文以一艘中型邮船为目标船，考虑一条完整的航线，引入电池储能技术和岸电技术，研究动力系统不同配置方案对能耗和排放的影响，并优化能量管理策略，促进邮船动力系统多电源集成。在提出的柴油机与电池混合电力推进系统方案中，船舶在靠泊时关闭发电机组，通过连接岸电满足船上的电力需求，并为电池充电。

1 动力系统方案

1.1 原动力系统方案

原船为一艘52 000总吨的中型邮船，最高航速为20 kn，巡航航速为18 kn。船上配置有4台曼恩12缸V型发电柴油机、2套主吊舱推进器和2套侧推器。以上海—博多航线数据为参考，研究各配置方案的燃油消耗，以及CO、NO、SO和PM等4种大气污染物的排放特性。原船主机部分参数见表1。

表1 原船主机部分参数

该邮船在港口1停泊一段时间之后离港进入操纵状态，随后进入巡航模式，一段时间之后驶出排放控制区1并巡航至排放控制区2，之后减速进入操纵状态开始进港，最后在港口2停泊。选取上海港为始发港，博多港为目的港，相关的航速信息从FleetMon网站获取。图1显示出邮船在目标航线上的航速和功率信息。船舶总功率是根据IMO推荐的航速-推进功率建模公式进行最小二乘拟合，兼顾推进功率和生活用电功率得到的。船舶在停泊期间仍有负荷消耗，总功率基本上维持在4 400 kW。船舶在离港前期和进港后期需要一段时间的侧推，因此这2个阶段的总功率有一段高峰期。操纵过程在离岸5 n mile内完成。基线外12 n mile的水域为领海，船舶在离岸5～12 n mile范围内处于巡航状态，航速在18 kn上下波动，最高总功率为15 874 kW。

图1 原船航速和功率曲线

1.2 混合动力系统方案

1.2.1 电池

电池的选择必须符合预期的使用要求，放电深度会影响电池的使用寿命。为延长电池的使用寿命，在设计阶段要考虑到足够的电池剩余容量，以应对未来电池效用退化的情况。为不影响船舶的运载能力，在满足动力性的基础上，应尽可能地选择质量较小的电池。本文采用电池替代一台主机，船舶停泊时依靠岸电为电池充电，在进出港时尽可能地利用电池放电，同时保证在船舶航行期间电池的电池荷电状态(State of Charge,SOC)维持在20%～90%。电池容量是基于最大功率条件, 根据IEEE Std. 485技术标准计算的。假设电池在70%放电深度(Depth of Discharge,DOD) 、20%～90%充电状态下工作，其在船舶航行期间的最大能量需求为5 014 kW,得出单位时间内所需电池容量

E

为

E

=5 014 kW×1 h=5 014 kW·h

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：

k

为电池DOD, %;

k

为电池老化因子,%;

k

为额定容量因子,%;

k

为温度校正系数,%;

k

为系统效率,%；

r

为安全裕度;

B

为所需电池容量。本文设综合系数 (

k

,

k

,

k

,

k

)为经验值1.2，同时考虑10%的安全裕度

r

，确定

B

约为6.622 MW·h。

本文采用Corvus公司提供的标准锂电池，单个电池模块的容量为43 kW·h，电池室的最大重量密度为9.1 kg/(kW·h)。可置换154个电池模块，总质量为60 260.2 kg，比替代的质量为117 000 kg的柴油主机小，满足要求。图2为用电池替代1台柴油发电机组的动力系统布置示意。

图2 用电池替代1台柴油发电机组的动力系统布置示意

1.2.2 岸电

岸电可采用码头发电或将装置连接到城市主干电网上2种方式。岸电技术几乎可完全消除船舶靠港时的大气污染物排放，是实现“绿色航运”的一种有效方法。近年来，国际上一些重要邮船母港已陆续采用岸电为靠港邮船供电。本文所述目标船为中型豪华邮船，所需岸电设施的供电电压为11 kV，频率为60 Hz。

1.2.3 方案配置

基于原船配置的4台相同的柴油发电机，本文提出的动力系统方案联合了柴油发电机组和动力电池，用于进行船舶电力供应。原船在靠港期间仍需启动柴油发电组满足船上4 400 kW的用电需求，会产生大量的能耗和排放。若采用新方案，邮船在靠港期间使用岸电即可，能实现零排放。船舶在进出港和巡航期间使用动力电池满足部分负荷需求，能提高发动机的运行效率，减少能耗和排放。通过MATLAB建立目标船原动力系统方案和新动力系统方案的能量流模型，并以船舶的航行工况数据为输入进行仿真。在新方案中嵌入充放电控制算法，使电池模块的SOC在运行中保持在20%～90%。

船舶在目标航线上航行单个航次所需时间为40 h，分为靠港停泊(14.5 h)、操纵(2.6 h)和巡航(22.9 h)等3种模式。在有岸电的情况下，邮船在靠港时可关闭发电机组，由岸电为其供应电力并给电池充电。在操纵和巡航模式下，利用电池充放电进行调节，由电池承担部分负荷，尽可能地保持主机在75%～90%负荷区间内高效运行。在主机运行过程中，负荷大于90%时不仅油耗率会增大，对主机也有一定的损害，这种情况通常是要避免的。若主机负荷超过90%，则需启动另一台主机，并保证发动机之间的负载平衡。例如每台发动机的额定功率为7.2 MW，若瞬时功率需求为13.2 MW，此时最低要求是2台发动机在91.7%负荷水平下运行，但实际中将启动3台主机，每台主机的负荷为61.1%。

2 仿真结果

图3为原方案与新方案功率分配结果对比。由图3a可知，原方案在船舶航行过程中至少保持1台主机工作，随着功率的增加，再依次调用其他主机。运行3台主机即可满足最大功率需求，另一台备用。但是，在主机运行过程中，其功率波动幅度大，甚至会出现低负荷运行的情况。由图3b可知，电池的引入可填补总功率与主机最优功率之间的缺口，有效改善主机的工作区间，使主机的功率输出更加平稳，基本稳定在5.40～6.48 MW的高效区内。动力电池在船舶停泊期间由岸电充电，而在海上，当主机负荷和电池SOC均较小时，可提高主机功率到85%额定值，用多余的电力为电池充电。能量管理策略充分结合电池充放电策略和主机调度策略，根据SOC值和总功率需求分配主机和电池功率，在尽可能减小能耗的情况下，保证有足够的动力输出。图3b左上角为船舶从始发港驶出到进入目的港停泊期间电池SOC的变化情况。为减少邮船在排放控制区的排放，在操纵期间会尽可能地使用电池供电。由于电池的容量较小，在船舶航行期间并不会长期用电池替代主机单独运行，而是尽量地在负荷超过主机的经济区时用电池承担部分负荷，电池放电，SOC下降。当负荷较小时，可通过给电池充电使主机运行至高效区，此时SOC上升。船舶进港结束时电池SOC为0.201，到目的港停泊充电，充满电所需电量为5 224.758 kW·h。

图3 原方案与新方案功率分配结果对比

3 能耗和排放分析

我国的船舶排放控制区已由原有区域延伸至领海基线外12 n mile内的所有海域和港口，排放控制区范围扩大，沿海将全部限硫。根据2020年1月1日起正式实施的IMO公约规定的船舶排放物控制标准，本方案在排放控制区内采用硫含量为 0.1%的船用柴油，在全球非排放控制区内采用硫含量为0.5%的船用柴油。岸电基本上不产生排放物，这里认为船舶在停泊期间使用岸电时为零排放。由此计算航程中燃料的消耗量，以及CO、NO、SO和PM等4种大气污染物的排放量，其分别对应的排放因子

EF

的计算公式见表2。

表2 排放因子计算公式

表2中：

n

为发动机转速，r/min；

S

为燃油消耗率， g/(kW·h)；

S

为燃油的硫含量；

g

CO为每

g

(每

g

燃料)能产生的CO的量。由此得到排放物

k

的排放量的计算公式为

E

=

EF

×

P

×

Δt

(3)

式(3)中:下标

k

为排放物的类别；

P

为发动机当前功率，kW。

表3和表4分别为不同方案的燃料消耗情况和大气污染物排放情况。根据国际防止船舶造成污染公约(MARPOL)附则VI中NO的排放限制，在排放控制区和非排放控制区需分别满足Tier III和Tier II的规定，采用表3中的计算公式可得NO的限制值分别为9.6 g/(kW·h)和2.4 g/(kW·h)，此值取决于发动机的额定转速。表3和表4中的结果皆是在满足排放标准的情况下计算得到的。然而，当机组不配置选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)时，仅满足Tier Ⅱ的要求。

表3 不同方案的燃料消耗情况

表4 不同方案的大气污染物排放情况

表5为不同技术方案和措施下NO的排放水平，对比了2种动力系统方案分别在采用和未采用SCR时在排放控制区内/外的NO排放情况。要满足Tier III阶段的NO排放标准，仅优化发动机是不够的，需借助多种技术(如尾气后处理装置或废气再循环等技术)，而与电池相结合的混合动力方案正是一种有潜力的技术方案。日渐成熟的电池技术已使得采用更大容量的电池成为可能。

表5 不同技术方案和措施下NOx排放水平

4 结 语

本文基于中型豪华邮船的柴油发电机组动力系统，提出一种新型电池与发电机混合电力推进系统，并充分利用岸电减少港口大气污染物的排放。使用MATLAB/Simulink软件对系统进行仿真，结合航行工况评估原方案和新方案对船舶能耗和排放的影响。结果表明：结合岸电的电池与发电机混合系统有助于减少邮船的油耗和排放；通过将储能系统(Energy Storage System,ESS)集成到电力系统中，可优化机组运行工况，使主机负荷维持在75%～85%，保持较高的燃油效率。新方案在排放控制区的减排效果更明显，在单次航程的排放控制区内，能减少燃油消耗12.7 t，分别减少CO、NO、SO和PM排放39.5 t、0.17 t、0.025 t和0.013 t。同时，重点讨论了新方案对NO排放水平的影响，结果表明，该电池与发电机组混合动力系统方案在满足Tier III NO排放要求方面具有巨大潜力。