綠色船舶動力系統集成技術創新及應用

趙同賓，劉張超，李策略，郭豐澤，譚 琨，劉亮清

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引 言

船舶動力系統是指保證船舶正常航行、作業、停泊及船員、旅客正常工作和生活所必需的設備及系統的綜合體，主要包括船舶推進系統、輔助系統和自動化系統等。

目前，以熱機（柴油發動機、汽輪機和燃氣輪機等）作為動力源，直接機械驅動螺旋槳或在發電之后通過電機驅動螺旋槳的船舶推進系統仍被廣泛采用。但是，隨著石油資源的日益減少和地球環境的日益惡化，節能、環保、高效成為行業關注的熱點，綠色船舶動力系統的概念應運而生。綠色船舶動力系統應具備環境友好性、技術領先性和經濟最優性等3個基本特性，在實現技術領先性和經濟最優性的基礎上，最終確保船舶滿足環境友好性要求[1]。

綠色船舶動力系統的理念雖然推動了相關技術的發展，但也使動力系統變得日趨復雜，傳統的設計、制造、使用和維護的方式難以滿足需求。因此，國內外一些具有全面專業技術、對動力系統及其設備有深入認識的廠商逐步推出動力系統集成設計及供貨的模式。動力系統集成不是簡單的設備采購、堆積供貨和接口協調，而是利用動力系統集成廠商全面的專業技術、豐富的工程經驗和周到的服務理念，為船舶動力系統的設計、生產、使用和維修保養提供全壽命周期內的解決方案。動力系統集成已成為船舶領域新的發展趨勢。

1 船舶動力系統的發展趨勢

隨著船舶動力系統集成技術的不斷發展及其核心產品的不斷成功研發，目前國內外船舶動力系統正朝著綠色化和集成化的方向發展，節能高效、低污染物排放和低噪聲是綠色船舶動力系統的典型特征。

1.1 節能高效

節約能源是船舶動力研究不變的主題，相關研究人員從未停止對動力系統節能高效的創新和嘗試。1) 在系統設計方面，柴電混合動力系統和電力推進系統開始應用，在此基礎上衍生出采用電池儲能的柴電混合動力系統和基于直流電網的電力推進系統等動力型式。

2) 在系統設備方面，對現有設備進行技術改進，例如柴油機噴射優化設計、采用高壓共軌和米勒循環等技術對柴油機部分負荷進行優化等；同時，積極研發高效節能的綠色動力系統設備，例如復合材料傳動部件和吊艙推進器之類的新型高效推進器等。

此外，對高效的熱能回收裝置的研究和應用也備受重視。

1.2 低污染物排放

隨著相關政策法規的不斷健全，船舶污染物排放成為船舶動力系統集成設計必須考慮的問題。為滿足政策法規的要求，風能、太陽能、核能和波浪能等新型綠色清潔能源得到深入研究，部分成果已取得實船應用。此外，新的排放控制措施和設備也在不斷涌現。

1.3 低噪聲

中國船級社（China Classification Society，CCS）發布的《綠色船舶規范》把低噪聲作為綠色船舶的一部分，用以改善船員的工作和居住條件、降低其勞動強度。動力系統作為船舶動力來源，其低噪聲設計對于整船的低噪聲設計而言至關重要。船舶動力系統的低噪聲設計包括整船設計、建造過程中對整船和動力系統的系統性振動噪聲進行有效處理的設計。

1.4 系統集成化

系統集成是從系統層面提供動力系統整體的解決方案，達到“1+1＞2”的效果，更好地滿足用戶需求。通過綠色動力系統集成，可給用戶帶來以下增值：

1) 為用戶提供動力系統方案論證、系統匹配和設備選型的建議，使用戶獲得先進適用的動力系統；

2) 更好地實現用戶對動力系統的特殊要求；

3) 幫助用戶提高效率，縮短動力系統設計和建造的時間；

4) 控制動力系統設備的質量和生產進度，使用戶擺脫大量煩瑣的協調和質量監控任務；

5) 及時為用戶提供船舶動力系統的建造、運行和售后服務保證。

2 綠色船舶動力系統集成技術創新及應用

2.1 柴電混合動力系統集成創新及應用

2.1.1 柴電混合動力系統集成創新

柴電混合動力系統是國外近幾年廣泛應用的一種新型推進系統。2009年，國內突破 PTI/PTO控制和集成技術瓶頸，將自主化研制的PTI/PTO柴電混合動力系統成功應用到粵海火車輪渡3號和4號船上，開啟了我國自主研發PTI/PTO柴電混合動力系統的時代。柴電混合動力系統圖見圖1。

圖1 柴電混合動力系統圖

在柴電混合動力系統中，電機既可當作發電機使用，也可當作電動機使用。該系統共有PTO發電模式、雙機雙槳船舶的“電軸”推進模式、電機推進模式（PTH模式）和Booster輔助推進模式等4種工作模式。

1) PTO發電模式：船舶在定速航行時，利用主推進柴油機驅動軸帶發電機工作，提供船舶日常運營所需的電能。該推進模式工作原理圖如圖1a）所示。

2) “電軸”推進模式：對于雙機雙槳的船舶，當其航速較低或有一機故障時，可利用一臺主機同時驅動螺旋槳和軸帶電機，軸帶電機輸出的電能通過配電板供給另一套軸系的軸帶電機，實現其PTI的電力推進。該推進模式工作原理圖如圖1b）所示。

3) 電機推進模式：當船舶需低速航行、低噪聲航行或主機出現故障時，利用船舶發電機組提供的電能，通過配電板輸送到軸帶電機，實現PTI的電力推進，在該模式下既能提升動力系統冗余性，又能滿足特定作業的需要。該推進模式工作原理圖如圖1c）所示。

4) Booster輔助推進模式：當船舶阻力增大、需加速航行或遇到拖曳及頂推等大負荷時，軸帶電機工作在PTI助推模式下，消耗船舶發電機組的部分電能，與主機并車，共同驅動螺旋槳，增加船舶的推進動力。該推進模式工作原理圖如圖1d）所示。

2.1.2 柴電混合動力系統的優點

柴電混合動力系統主要有以下優點：

1) 實現船舶動力和能源經濟、高效的綜合利用，減小船舶柴油機的裝機功率；

2) 大幅提高船舶在低負荷工況下運行時的經濟性，實現全工況下的經濟性優化；

3) 可實現多種復雜工況的優化匹配，在不同工況下發揮不同推進型式的優勢；

4) “常規推進”＋“電力推進”，提高推進裝置的冗余性和安全性；

5) 通過優化控制系統，提高船舶的智能化程度；

6) 部分采用電力推進的型式，設備安裝靈活。

2.1.3 柴電混合動力系統的發展和應用

近年來，柴電混合動力系統在國內得到迅速發展。國內一些高校、科研院所已在柴電混合動力系統方面開展深入研究。結合 2012年國防科工局艦船推進系統標準制修訂項目，中國船舶重工集團公司上海船用柴油機研究所完成《柴電混合動力模塊設計方法》標準的編制，并在國家船舶動力系統實驗室中建立柴電混合動力系統試驗平臺，通過在該試驗平臺上進行大量試驗研究，積累了豐富的柴電混合動力系統設計開發經驗。

在2009年粵海火車輪渡3號和4號船首次采用國內自主研發的PTO/PTI柴電混合動力系統之后，5000t海監船、浙江海洋大學漁業資源調查船和上海國際港務（集團）股份有限公司復興船務公司2200kW+740kW柴電混合拖船等項目又陸續應用柴電混合動力系統，拓展了柴電混合動力系統的應用船型。

2.2 基于變速發電、直流電網的電力推進系統的集成創新及應用

2.2.1 基于變速發電、直流電網的電力推進系統的集成創新

近年來，隨著電力電子技術、直流保護技術的不斷發展，已在傳統的交流電力推進系統的基礎上開發出基于變速發電、直流電網的電力推進系統，其原理示意見圖 2。直流電網的突出優勢在于：系統采用變轉速柴油發電機組，通過整流器將變速柴油機組發出的交流電轉換成直流電，組成直流電網，使系統的油耗顯著降低；采用傳統的逆變器將直流電轉換成交流電，驅動電動機，帶動螺旋槳，為船舶日用負載提供電能。

圖2 基于變速發電、直流電網的電力推進系統原理示意

2.2.2 基于變速發電、直流電網的電力推進系統的優點

與常規的交流電力推進系統相比，基于變速發電、直流電網的電力推進系統主要有以下優點：

1) 便于采用變速發電機組技術以降低油耗。特別是對于動力定位船舶，可在動力定位工況下改善機組長時間處于低負荷區間的情況；

2) 取消了傳統的交流配電板及用于DFE變頻器的移相變壓器，節省了布置空間，減輕了設備重量；

3) 系統配置精簡，減少了電纜用量，降低了安裝成本；

4) 減少了電網波動，提高了電網在惡劣海況下的穩定性；

5) 使用兼容蓄電池和超級電容，可在特定工況下零排放。

2.2.3 直流電網電力推進系統中變轉速柴油發電機組的研究現狀

國內相關科研院所對變速發電模塊的研究開展的較早，如船舶工業國防科技預研基金辦公室基金項目“變速恒頻柴油機變轉速運行控制策略研究及驗證”中的變速發電模塊、海洋工程動力系統國家工程實驗室中的變速發電系統研究試驗室等。

近年來，隨著一系列工程項目、科研項目的實施和交付，以及實驗室的申報和建設，國內在變速發電模塊的柴油機特性匹配研究和優化設計、變速發電機組柴油機最佳能效點和最佳振動噪聲點的確定、變速發電機組變轉速控制策略研究及變速發電機組安保控制策略研究等方面積累了較為豐富的理論研究與工程實踐經驗。

2.2.4 基于變速發電、直流電網的電力推進系統的發展和應用

國內相關科研院所于 2015年開始建立直流網絡型電力推進實驗室，重點開展變速發電機組、直流配電網絡保護和發電機保護系統等技術的研究。

鎮揚汽渡2017年新造的60m車客渡船采用包括變速柴油發電機組在內的基于直流電網的動力系統，其供貨范圍包括：2臺變速柴油發電機組，1套包括發電機整流器、推進逆變器和日用負載逆變器等在內的直流配電板，1套電能管理系統，2套推進電機，1套超級電容等。

2.3 低噪聲動力系統的集成創新及應用

2.3.1 低噪聲動力系統的集成創新

在船舶的噪聲源中，由動力裝置引起的機械噪聲是影響船舶的舒適度、船舶電子設備的可靠性和船員的工作環境的最主要噪聲源[2]。國內2008年就提出全船及動力系統減振降噪的概念，并在“實驗1”號科考船和粵海鐵火車渡輪項目中成功應用。近年來，國內相關科研院所通過開展科技研發、改善軟硬件條件和積累工程項目經驗等，大幅提升了在該領域的專業能力，形成了以技術服務工作為核心、多種減振降噪控制手段相結合的減振降噪模式，全過程參與，確保低噪聲設計思想在每個環節都得到貫徹，在建造過程中進行關鍵流程檢查和確認，最終保證滿足動力系統振動噪聲指標要求。

2.3.2 低噪聲動力系統關鍵技術

2.3.2.1 低噪聲動力系統的設計

動力系統振動噪聲控制是一項系統性工作，涉及面廣，國內一些科研院所成立專門的全船減振降噪團隊，逐步掌握全船及動力系統振動噪聲控制的核心技術，如動力系統振動噪聲指標分配、振動噪聲控制措施等。

1) 針對動力系統振動噪聲指標分配，在船舶概念設計階段主要依靠類似船舶振動噪聲實船測試數據、經驗公式和相應的折算方法，上海船用柴油機研究所擁有國家級振動噪聲實驗室并已搜集幾百艘船舶的振動噪聲測試數據和對應船舶的動力設備信息。

2) 在振動噪聲控制措施方面，上海船用柴油機研究所已為上百艘船的主柴油機、發電機組、推進電機和齒輪箱等動力系統設備提供多型減隔振裝置、排氣消聲器和隔聲罩等，擁有豐富的工程經驗。

2.3.2.2 低噪聲主推進軸槳的研制和應用

新一代科考船需承擔多學科海上綜合考察和研究任務，配備眾多高精度的水下探測設備、儀器，對水下噪聲、艙室噪聲及居住艙室的舒適性提出更高要求。有關統計資料指出，船舶的水下輻射噪聲約有50%來自槳軸系統。國內相關研究人員通過深入研究主推進槳軸的水下噪聲源，基于理論研究及經驗積累研制出降低水下噪聲的主推進軸槳集成設計方案，并在廈門大學科考船和中國海洋大學“東方紅3號”科考船上得到應用，其中廈門大學科考船已成功交付。

廈門大學科考船在海上各工況下按照挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）水下輻射噪聲測試程序進行持續近10d的測試，在靜音航速條件下噪聲完全滿足DNV Silent A+S標準的要求，其中，高頻區域比標準低 20dB，低頻區域比標準低 15～20dB，測試結果表明低噪聲主推進軸槳集成設計方案科學合理。該項目中低噪聲主推進軸槳的應用突破了我國科考船低噪聲主推進軸槳的設計壁壘，提升了我國科考船水下噪聲治理的水平[3]。

2.4 基于總能利用的動力系統集成技術創新與應用

2.4.1 基于總能利用的動力系統集成創新

船舶上可再利用的余熱能量主要來自船舶主機、副機和鍋爐等動力設備。船舶余熱豐富，余熱總量大，對余熱資源進行合理的回收利用，可給船舶營運帶來良好的經濟效益。國內自主研制的總能利用系統主要由柴油機、渦輪增壓器、動力渦輪、汽輪機、減速器、渦輪發電機和余熱回收器等組成（見圖3）。

該系統采用汽輪機和動力渦輪共同驅動發電機發電的方式回收主機煙氣余熱，一方面可通過余熱回收器回收排出的能量，通過汽輪機發電；另一方面可在不影響主機增壓空氣供應的情況下，旁通一部分主機排煙至動力渦輪，驅動發電機發電。發出的電能既可為船舶日常運營供電，也可用來驅動螺旋槳，為船舶助推。

2.4.2 基于總能利用的動力系統的發展

船舶總能利用以提高船舶柴油機動力裝置的總能利用效率、改善新船能效設計指數（Energy Efficiency Design Index，EEDI）為目標。根據船舶的類型、航線的特點、動力配置及余熱的品質設定方案，選用相適應的余熱利用技術將是船舶總能利用發展的趨勢。

圖3 主機排氣余熱能量回收系統

總能利用的進步與相關熱能動力設備技術的進步及總能利用系統控制技術的發展和創新是分不開的。

1) 需加大對余熱鍋爐、動力渦輪、蒸汽渦輪、軸帶發電機、熱泵和吸收式制冷機等熱能動力設備的研發力度，優化其工作性能，提高其工作效率和工作可靠性；

2) 需開發出一套能在船舶運行工況變化時對各分系統進行自動調節，使其自身工作穩定，并使各子系統之間能量自動平衡的控制系統，以提高系統運行的穩定性和總能利用效率。

在總能利用技術方面，國內已在船舶總能利用技術、動力渦輪發電技術、布雷頓循環技術、卡琳循環技術和溫差熱電發電技術的船用化研究方面開展多項研究，部分技術已進入試驗樣機階段，并已取得階段性進展。目前，已對多型柴油主機與動力渦輪發電系統的匹配設計技術進行研究，包括柴油機增壓系統與動力渦輪的優化匹配、動態特性研究等。在國家基礎產品科研項目中，通過對船舶動力模塊能效提升技術進行研究，開展了能效提升技術、評估方法和總體匹配等研究，形成設計方法，掌握設計技術。此外，上海船用柴油機研究所、西安交通大學、武漢理工大學和中船重工船舶設計研究中心有限公司等多家單位正聯合進行船舶熱能發電技術研究，開展船舶超臨界二氧化碳布雷頓循環發電裝置、卡琳娜循環發電裝置及二者的聯合循環發電系統的產品研制。

3 結 語

在節能環保大環境的推動下，船舶動力系統正朝著節能高效、低污染物排放、低噪聲的方向發展，動力系統集成逐漸成為發展趨勢。動力系統集成廠商從系統層面對動力系統進行創新，推出柴電混合動力系統、基于變速發電和直流電網的電力推進系統、低噪聲動力系統和基于總能利用的動力系統等，在綠色船舶動力系統的發展和創新中發揮著不可或缺的作用。

將來，基于電池儲能技術的柴電混合動力系統，中壓、大功率直流電網電力推進系統，基于多污染一體化治理技術的低排放動力系統，基于減振降噪綜合控制技術的低噪聲動力系統，多種余熱回收技術相結合的總能利用動力系統，動態特性優化的LNG發動機動力系統等綠色船舶動力系統將得到進一步發展，并逐步得以實船應用。