郵船柴油發電機與電池混合電力推進系統排放研究

吳思晨， 李 鐵,b， 依 平， 武 燊， 姚 鋼

(上海交通大學 a.海洋工程國家重點實驗室； b.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心；c.電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室， 上海 200240)

0 引 言

環境問題一直是備受關注的話題，盡管在全球航運排放中郵船所占份額很小，但近年來隨著郵船市場的日益火爆，其排放總量顯著增加。特別是郵船在港口停泊期間仍有較大的生活用電需求，其廢氣排放不會停止，對人類健康的直接影響大于在海上航行期間的影響。因此，研究采用岸電、動力電池和限制燃料的含硫量等措施減少船舶在靠港、操縱和巡航期間的能耗和排放具有重要意義。在郵船電力推進系統方面開展的研究相對較少，相關研究人員提出了多種節能減排措施，包括新能源應用、航行優化運營管理和控制策略等。ZHENG等引入具有較強非線性擬合能力的人工神經網絡,使目標船某航次的油耗最少。CHI等依靠自動識別系統和船舶數據庫，提出了實時能效運營指數及其實施框架。LARSEN等建立了一個用來預測大型船舶燃料消耗和排放的模型。CHATZINKOLAOU等提出了一個基于生命周期的船舶排放評估創新框架，除了對運行效率指數進行評估以外，還側重于研究政策和業務措施對減少排放的影響。LINDSTAD等根據一個結合了船舶航速、海況和船舶特性的評估模型,探究了速度和尺寸對減少排放和節省運營成本的影響。BOUMAN等對技術措施及其減排潛力進行了全面綜述。REHMATULLA等討論了幾項減排技術措施的執行情況。LIAO等研究了路線和港口選擇對減少CO排放的影響。BUREL等分析了使用液化天然氣作為替代燃料的影響。

IMO關于排放控制區(Emission Control Area,ECA)的限硫規定對燃料的硫含量有嚴格的控制要求。目前大多數船舶都采用柴油發動機進行發電和推進，而柴油機在非設計工況下工作時，比如低負荷運轉時，會導致燃油消耗和污染物排放量大幅增加。通過合理選擇船舶推進系統的配置，優化運行方案和能量管理策略，可減少船舶能耗和污染物排放。負載平衡是多發動機系統正常運行的關鍵。根據功率需求對發動機進行調度，確保發動機在最佳負荷下運行,可提高發動機的運行效率，節省燃料。本文以一艘中型郵船為目標船，考慮一條完整的航線，引入電池儲能技術和岸電技術，研究動力系統不同配置方案對能耗和排放的影響，并優化能量管理策略，促進郵船動力系統多電源集成。在提出的柴油機與電池混合電力推進系統方案中，船舶在靠泊時關閉發電機組，通過連接岸電滿足船上的電力需求，并為電池充電。

1 動力系統方案

1.1 原動力系統方案

原船為一艘52 000總噸的中型郵船，最高航速為20 kn，巡航航速為18 kn。船上配置有4臺曼恩12缸V型發電柴油機、2套主吊艙推進器和2套側推器。以上海—博多航線數據為參考，研究各配置方案的燃油消耗，以及CO、NO、SO和PM等4種大氣污染物的排放特性。原船主機部分參數見表1。

表1 原船主機部分參數

該郵船在港口1停泊一段時間之后離港進入操縱狀態，隨后進入巡航模式，一段時間之后駛出排放控制區1并巡航至排放控制區2，之后減速進入操縱狀態開始進港，最后在港口2停泊。選取上海港為始發港，博多港為目的港，相關的航速信息從FleetMon網站獲取。圖1顯示出郵船在目標航線上的航速和功率信息。船舶總功率是根據IMO推薦的航速-推進功率建模公式進行最小二乘擬合，兼顧推進功率和生活用電功率得到的。船舶在停泊期間仍有負荷消耗，總功率基本上維持在4 400 kW。船舶在離港前期和進港后期需要一段時間的側推，因此這2個階段的總功率有一段高峰期。操縱過程在離岸5 n mile內完成。基線外12 n mile的水域為領海，船舶在離岸5～12 n mile范圍內處于巡航狀態，航速在18 kn上下波動，最高總功率為15 874 kW。

圖1 原船航速和功率曲線

1.2 混合動力系統方案

1.2.1 電池

電池的選擇必須符合預期的使用要求，放電深度會影響電池的使用壽命。為延長電池的使用壽命，在設計階段要考慮到足夠的電池剩余容量，以應對未來電池效用退化的情況。為不影響船舶的運載能力，在滿足動力性的基礎上，應盡可能地選擇質量較小的電池。本文采用電池替代一臺主機，船舶停泊時依靠岸電為電池充電，在進出港時盡可能地利用電池放電，同時保證在船舶航行期間電池的電池荷電狀態(State of Charge,SOC)維持在20%～90%。電池容量是基于最大功率條件, 根據IEEE Std. 485技術標準計算的。假設電池在70%放電深度(Depth of Discharge,DOD) 、20%～90%充電狀態下工作，其在船舶航行期間的最大能量需求為5 014 kW,得出單位時間內所需電池容量

E

為

E

=5 014 kW×1 h=5 014 kW·h

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：

k

為電池DOD, %;

k

為電池老化因子,%;

k

為額定容量因子,%;

k

為溫度校正系數,%;

k

為系統效率,%；

r

為安全裕度;

B

為所需電池容量。本文設綜合系數 (

k

,

k

,

k

,

k

)為經驗值1.2，同時考慮10%的安全裕度

r

，確定

B

約為6.622 MW·h。

本文采用Corvus公司提供的標準鋰電池，單個電池模塊的容量為43 kW·h，電池室的最大重量密度為9.1 kg/(kW·h)。可置換154個電池模塊，總質量為60 260.2 kg，比替代的質量為117 000 kg的柴油主機小，滿足要求。圖2為用電池替代1臺柴油發電機組的動力系統布置示意。

圖2 用電池替代1臺柴油發電機組的動力系統布置示意

1.2.2 岸電

岸電可采用碼頭發電或將裝置連接到城市主干電網上2種方式。岸電技術幾乎可完全消除船舶靠港時的大氣污染物排放，是實現“綠色航運”的一種有效方法。近年來，國際上一些重要郵船母港已陸續采用岸電為靠港郵船供電。本文所述目標船為中型豪華郵船，所需岸電設施的供電電壓為11 kV，頻率為60 Hz。

1.2.3 方案配置

基于原船配置的4臺相同的柴油發電機，本文提出的動力系統方案聯合了柴油發電機組和動力電池，用于進行船舶電力供應。原船在靠港期間仍需啟動柴油發電組滿足船上4 400 kW的用電需求，會產生大量的能耗和排放。若采用新方案，郵船在靠港期間使用岸電即可，能實現零排放。船舶在進出港和巡航期間使用動力電池滿足部分負荷需求，能提高發動機的運行效率，減少能耗和排放。通過MATLAB建立目標船原動力系統方案和新動力系統方案的能量流模型，并以船舶的航行工況數據為輸入進行仿真。在新方案中嵌入充放電控制算法，使電池模塊的SOC在運行中保持在20%～90%。

船舶在目標航線上航行單個航次所需時間為40 h，分為靠港停泊(14.5 h)、操縱(2.6 h)和巡航(22.9 h)等3種模式。在有岸電的情況下，郵船在靠港時可關閉發電機組，由岸電為其供應電力并給電池充電。在操縱和巡航模式下，利用電池充放電進行調節，由電池承擔部分負荷，盡可能地保持主機在75%～90%負荷區間內高效運行。在主機運行過程中，負荷大于90%時不僅油耗率會增大，對主機也有一定的損害，這種情況通常是要避免的。若主機負荷超過90%，則需啟動另一臺主機，并保證發動機之間的負載平衡。例如每臺發動機的額定功率為7.2 MW，若瞬時功率需求為13.2 MW，此時最低要求是2臺發動機在91.7%負荷水平下運行，但實際中將啟動3臺主機，每臺主機的負荷為61.1%。

2 仿真結果

圖3為原方案與新方案功率分配結果對比。由圖3a可知，原方案在船舶航行過程中至少保持1臺主機工作，隨著功率的增加，再依次調用其他主機。運行3臺主機即可滿足最大功率需求，另一臺備用。但是，在主機運行過程中，其功率波動幅度大，甚至會出現低負荷運行的情況。由圖3b可知，電池的引入可填補總功率與主機最優功率之間的缺口，有效改善主機的工作區間，使主機的功率輸出更加平穩，基本穩定在5.40～6.48 MW的高效區內。動力電池在船舶停泊期間由岸電充電，而在海上，當主機負荷和電池SOC均較小時，可提高主機功率到85%額定值，用多余的電力為電池充電。能量管理策略充分結合電池充放電策略和主機調度策略，根據SOC值和總功率需求分配主機和電池功率，在盡可能減小能耗的情況下，保證有足夠的動力輸出。圖3b左上角為船舶從始發港駛出到進入目的港停泊期間電池SOC的變化情況。為減少郵船在排放控制區的排放，在操縱期間會盡可能地使用電池供電。由于電池的容量較小，在船舶航行期間并不會長期用電池替代主機單獨運行，而是盡量地在負荷超過主機的經濟區時用電池承擔部分負荷，電池放電，SOC下降。當負荷較小時，可通過給電池充電使主機運行至高效區，此時SOC上升。船舶進港結束時電池SOC為0.201，到目的港停泊充電，充滿電所需電量為5 224.758 kW·h。

圖3 原方案與新方案功率分配結果對比

3 能耗和排放分析

我國的船舶排放控制區已由原有區域延伸至領海基線外12 n mile內的所有海域和港口，排放控制區范圍擴大，沿海將全部限硫。根據2020年1月1日起正式實施的IMO公約規定的船舶排放物控制標準，本方案在排放控制區內采用硫含量為 0.1%的船用柴油，在全球非排放控制區內采用硫含量為0.5%的船用柴油。岸電基本上不產生排放物，這里認為船舶在停泊期間使用岸電時為零排放。由此計算航程中燃料的消耗量，以及CO、NO、SO和PM等4種大氣污染物的排放量，其分別對應的排放因子

EF

的計算公式見表2。

表2 排放因子計算公式

表2中：

n

為發動機轉速，r/min；

S

為燃油消耗率， g/(kW·h)；

S

為燃油的硫含量；

g

CO為每

g

(每

g

燃料)能產生的CO的量。由此得到排放物

k

的排放量的計算公式為

E

=

EF

×

P

×

Δt

(3)

式(3)中:下標

k

為排放物的類別；

P

為發動機當前功率，kW。

表3和表4分別為不同方案的燃料消耗情況和大氣污染物排放情況。根據國際防止船舶造成污染公約(MARPOL)附則VI中NO的排放限制，在排放控制區和非排放控制區需分別滿足Tier III和Tier II的規定，采用表3中的計算公式可得NO的限制值分別為9.6 g/(kW·h)和2.4 g/(kW·h)，此值取決于發動機的額定轉速。表3和表4中的結果皆是在滿足排放標準的情況下計算得到的。然而，當機組不配置選擇性催化還原技術(Selective Catalytic Reduction,SCR)時，僅滿足Tier Ⅱ的要求。

表3 不同方案的燃料消耗情況

表4 不同方案的大氣污染物排放情況

表5為不同技術方案和措施下NO的排放水平，對比了2種動力系統方案分別在采用和未采用SCR時在排放控制區內/外的NO排放情況。要滿足Tier III階段的NO排放標準，僅優化發動機是不夠的，需借助多種技術(如尾氣后處理裝置或廢氣再循環等技術)，而與電池相結合的混合動力方案正是一種有潛力的技術方案。日漸成熟的電池技術已使得采用更大容量的電池成為可能。

表5 不同技術方案和措施下NOx排放水平

4 結 語

本文基于中型豪華郵船的柴油發電機組動力系統，提出一種新型電池與發電機混合電力推進系統，并充分利用岸電減少港口大氣污染物的排放。使用MATLAB/Simulink軟件對系統進行仿真，結合航行工況評估原方案和新方案對船舶能耗和排放的影響。結果表明：結合岸電的電池與發電機混合系統有助于減少郵船的油耗和排放；通過將儲能系統(Energy Storage System,ESS)集成到電力系統中，可優化機組運行工況，使主機負荷維持在75%～85%，保持較高的燃油效率。新方案在排放控制區的減排效果更明顯，在單次航程的排放控制區內，能減少燃油消耗12.7 t，分別減少CO、NO、SO和PM排放39.5 t、0.17 t、0.025 t和0.013 t。同時，重點討論了新方案對NO排放水平的影響，結果表明，該電池與發電機組混合動力系統方案在滿足Tier III NO排放要求方面具有巨大潛力。