锂电池储能系统在绞吸挖泥船的应用分析

2023-01-09谷孝利何炎平赵永生刘亚东

造船技术 2022年6期

谷孝利，何炎平，赵永生，黄超，刘亚东

(上海交通大学 a.海洋工程国家重点实验室；b.船舶海洋与建筑工程学院；c.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240)

0 引言

随着环保要求的提高，在碳达峰和碳中和大趋势下，各高能耗行业均在探索节能降耗方案，谋求降低碳排放[1]。近年来锂电池储能技术取得长足的发展，在新能源汽车领域已具有成熟的应用，但在船舶行业仅在无人船和小型旅游船等小范围内得到应用[2-3]。绞吸挖泥船作为高能耗装备，节能挖潜的需求迫切。

绞吸挖泥船在施工时，绞刀和泥泵等主要施工设备受到疏浚土质、排距、流量、泥浆体积分数、管道阻力和管道流速等因素的影响，负载功率变化较大，对整船的动力配置要求较高，更影响设备寿命、施工效率和燃油消耗量。已提出相关设想：在绞吸挖泥船动力系统中配置相当容量的锂电池储能系统，在施工过程中采用锂电池储能系统负担突变负载，使主发电机组稳定运行，可提高整船施工经济性并实现节能降耗[4-5]。但锂电池储能系统是否适用于绞吸挖泥船，应用是否具有局限性，如何与具体船型和动力系统匹配，需要重点分析。

1 规范适用性分析

以锂电池作为动力源的船舶，目前国内可依据的法规和规范主要为《纯电池动力船舶检验指南》和《混合动力船舶检验指南》，其中：《纯电池动力船舶检验指南》于2019年12月1日生效，替代2014年生效的《太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南》中的第3章“磷酸铁锂电池系统”和《钢质内河船舶建造规范2016》中的第3篇第3节“磷酸铁锂电池船上应用”的安全技术要求。

《纯电池动力船舶检验指南》适用于以蓄电池为推进电源的船舶的设计、建造、检验和蓄电池及其电池管理系统(Battery Management System，BMS)的试验和检验[6]。混合动力电动船可参照该指南的适用部分。《混合动力船舶检验指南》适用于设置多种能量源(不含风帆)、可同时作为主推进动力的船舶[7]。上述指南明确，只有以蓄电池作为船舶推进动力源，才需要按照指南中的条款进行相关设计、建造和检验。锂电池储能系统在绞吸挖泥船上应用的主要目的是承担施工设备频繁突变的负载，并不作为航行推进的动力源，因此针对法规和规范环节，锂电池在绞吸挖泥船上的应用并无障碍。但为最大程度保障船舶和船员的安全，建议在实际执行中参考上述指南。

2019年，挪威-德国劳氏船级社(DNV GL)发布的一项有关船舶电池安全性的报告指出，与三元锂电池相比，磷酸铁锂电池的安全优势在船舶上更加突出[8]。在现阶段，中国船级社(CCS)对国内船用锂电池颁发的型式认可证书仅认定磷酸铁锂电池。

2 动力系统分类

绞吸挖泥船施工设备多、负载功率大，动力系统配置和驱动形式与船舶类型、市场定位和初始投资等关系密切，主要施工设备为舱内泥泵、水下泥泵、绞刀、横移绞车、桥架绞车和封水泵等。按照动力配置特点和主要施工设备驱动形式对绞吸挖泥船分类如下：

(1)柴油机直驱类，指主要施工设备由柴油机单对单直接驱动或由柴油机带液压泵站驱动。

(2)柴油机直驱和电力驱动并存类，指舱内泥泵由柴油机单对单直接驱动，绞刀、水下泥泵和/或绞车等由公共电站供电的变频设备驱动。

(3)全电力驱动类，指所有主要施工设备由公共电站供电的变频设备驱动。

2.2.1活用增减挂钩政策，红利用于扶贫建设国土资源部从行业优势出发，下发《关于用好用活增减挂钩政策积极支持扶贫开发及易地扶贫搬迁工作的通知》，制定了城乡建设用地增减挂钩的“黄金政策”；贵州省国土资源厅依据贵州省情，进一步出台《关于用好用活增减挂钩政策积极支持扶贫搬迁的实施意见》，规范增减挂钩指标流转，实施易地扶贫搬迁挂图作战；以市场化方式，规范、公开、公平、有偿流转，充分体现土地级差收益，为扶贫工作多筹集资金。允许省内所有贫困县产生的城乡建设用地增减挂钩节余指标在全省内交易使用，收益返还指标产生的农村地区，用于扶贫，支持了农民住房、农村基础设施、公共服务设施的建设，达到精准施策、精准扶贫。

对2000年后国内疏浚市场建成使用的67艘大型绞吸挖泥船进行分类：柴油机直驱类42艘，占比62.69%，以航绞2001和天狮为代表；柴油机直驱和电力驱动并存类22艘，占比32.84%，以天麒号和新海旭为代表；全电力驱动类3艘，占比4.48%，以天鲲号和长狮18为代表。

柴油机直驱类在2012年后少有企业投资建设；柴油机直驱和电力驱动并存类自2007年开始陆续投资建设，并一直持续至今；全电力驱动类自2016年开始投资建设。由国内现有绞吸挖泥船动力系统配置和发展时间轴可知：电力驱动是发展趋势，并为锂电池储能系统的应用创造条件。

3 锂电池储能系统应用分析

3.1 柴油机直驱类

柴油机直驱类绞吸挖泥船动力系统配置如图1所示，其中：G为发电机。对于在该类船上应用锂电池储能系统，除施工设备本体改动小外，其他如驱动系统和原动机等均需要彻底改造才具备可能性。整个应用过程工作量较大、投入费用高、性价比低，因此锂电池储能系统在该类船上不具备应用的优势和潜力。

图1 柴油机直驱类绞吸挖泥船动力系统配置

3.2 柴油机直驱和电力驱动并存类

对于在该类船上应用锂电池储能系统，根据第3.1节的论述，柴油机直驱的施工设备不太可能开展混动应用，但电力驱动的施工设备可为锂电池储能系统应用提供条件，动力系统配置方案以天麒号同类船和新海旭同类船为代表。

3.2.1 天麒号同类船

天麒号同类船动力系统的特点是船舶电站为低压电站，绞刀和水下泥泵采用低压单传动变频驱动系统，桥架绞车和横移绞车等采用低压多传动变频驱动系统。天麒号电力系统单线图如图2所示，其中：AC为交流电；DC为直流电；DC Bus为直流母线。

图2 天麒号电力系统单线图

锂电池储能系统在天麒号同类船上的应用分2种方案。方案一：锂电池组通过DC/AC单元直接接入主配电板，如图3所示。方案二：将锂电池组通过DC/DC单元接入变频器的直流环节，如图4所示。所有的应用均以对原船改动量最小为前提。加装的锂电池储能系统及相关附属设备应尽可能设计为整体式，具有较高防护等级，可方便吊装和安装，与原船的动力系统尽可能进行插拔式连接。

图3 锂电池组接入主配电板示例

图4 锂电池组接入变频器直流环节示例

方案一的优点：方便统筹管理全船电能，锂电池储能系统可有效覆盖所有设备的突变负载，系统整体性更优；较少数量的电源转换模块和锂电池组即可满足系统功能需求，减少对布置空间的要求。方案一的缺点：锂电池组通过DC/AC逆变模块接入交流配电网络，逆变单元会带来谐波，干扰原船配电网，降低船舶电能质量，对发电系统、控制设备合信号传输等造成破坏和干扰；锂电池储能系统在工作时需要与主发电机组并车，对电站并车功能和功率管理系统要求高。

方案二的优点：锂电池储能系统在工作时不需要与主发电机组并车，仅作为补充能源直接承担变频器驱动设备的突变负载，与主发电机组做好功率分配即可[9]。方案二的缺点：仅对接入锂电池储能系统的负载可起到能源补充的作用，无法覆盖整船设备突变的负载；锂电池储能系统每接入1处变频器直流环节即需要1个DC/DC模块，一般来说，会需要较多DC/DC模块，且需要对接入的每个变频器进行改造，工作量较大。

3.2.2 新海旭同类船

新海旭同类船动力系统的特点是船舶电站为高压电站，通过降压移相变压器带动具有公共DC Bus的低压多传变频系统，用于驱动绞刀、水下泥泵、桥架绞车和横移绞车等施工设备。新海旭电力系统单线图如图5所示。

图5 新海旭电力系统单线图

锂电池储能系统在新海旭同类船上的应用分2种方案。方案一：类似图3的改造方案，受限于高电压的DC/AC模块和锂电池储能系统的技术状态，现阶段储能系统电压以DC 1 000 V以下为主，因此需要在图3的DC/AC模块与电网之间增加升压变压器，通过升压变压器使储能系统电压与电网电压一致，达到并车要求。方案二：得益于具有公共DC Bus的低压多传变频系统，可在公共DC Bus上通过DC/DC模块接入锂电池储能系统，其单线图类似图4；锂电池储能系统可作为补充能源支持主电源，并在主电源功率充足时可通过公共DC Bus为锂电池储能系统充电。

方案一的优缺点在第3.2.1节中已介绍，不再展开。

方案二的优势在于：锂电池储能系统直接接在低压多传变频系统的公共DC Bus上，无须考虑与主电源并车的问题，省去并车单元和程序；锂电池储能系统接在公共DC Bus上，对于整船来说，类似未增加谐波源，对船舶电能质量的影响较小；与图4接入变频器直流端不同，整船仅需要1套公共DC Bus即可兼顾所有施工设备的突变负载。

3.3 全电力驱动类

全电力驱动类绞吸挖泥船动力系统的主要特点是船舶电站为高压电站，所有主要施工设备由公共电站供电的变频设备驱动，以天鲲号和长狮18为代表。天鲲号主要施工设备均采用高压单传动变频驱动系统，通过在高压变频器输出端增加切换柜提高系统冗余性。长狮18采用高压变频传动与低压变频驱动结合，舱内泥泵和推进电机共用高压变频传动、分时切换，其他主要施工设备采用具有公共DC Bus的低压多传变频驱动系统，公共DC Bus由隔离开关分为3段，可有效切除故障段、最大限度保持施工连续性。

天鲲号动力系统与锂电池储能系统结合，可从主配电板和变频器端入手：从主配电板端入手，优缺点在天麒号同类船中已介绍，需要额外增加2个大容量升压变压器；从变频器端入手，以单传动变频器为主，与锂电池结合应用改动工作太大，操作性不强。

长狮18电力系统和驱动系统设计延续新海旭的思路，锂电池储能系统应用具有与新海旭同样的优势和竞争力。