重慶-上海散貨船混合動(dòng)力推進(jìn)方案分析

周啟學(xué)，趙潔，毛奇志，任晉宇

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院 船舶與航運(yùn)學(xué)院，武漢 430065；2.武漢長(zhǎng)江船舶設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430062)

干散貨船目前是長(zhǎng)江運(yùn)輸主力船型，占長(zhǎng)江船舶總運(yùn)力85%左右，承擔(dān)著長(zhǎng)江干線煤炭、金屬礦石、鋼鐵、建筑沙石料等物品運(yùn)輸，其營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性對(duì)船舶市場(chǎng)的發(fā)展和長(zhǎng)江流域的環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)意義。重慶—上海航線，航行在長(zhǎng)江A、B、C級(jí)航區(qū)及J2航段，沿程水流速度和水流方向變化多，航行工況變化較大。盡管激流航段只占全航程約5%，但是為了保障航行的安全性，主機(jī)裝機(jī)功率需滿足該航段所需最大功率；也因此，在超過85%航程的上水和下水航段，主機(jī)只能長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷或極低負(fù)荷下工作。主機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況，長(zhǎng)期在低負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行將帶來油耗高、冒黑煙、排放差、維修量大等問題。由于目前長(zhǎng)江干線無合適純氣體主機(jī)可選，雙燃料主機(jī)低負(fù)荷燃?xì)馓娲室膊焕硐耄仕x 主機(jī)僅限于柴油機(jī)。為此，考慮對(duì)比分析，尋找一種適應(yīng)多變工況的動(dòng)力推進(jìn)方案。

1 目標(biāo)船

目標(biāo)船在最大吃水6.2 m時(shí)，推進(jìn)功率發(fā)出85%(最大持續(xù)功率)，船體清潔、深水、無風(fēng)浪的條件下，航速不小于19.00 km/h，設(shè)雙機(jī)雙槳。單機(jī)裝機(jī)功率為800～1 000 kW。

目標(biāo)船航行工況見表1，目標(biāo)船螺旋槳推進(jìn)特性(雙機(jī)雙槳)見表2。

表1 目標(biāo)船航行工況表

表2 螺旋槳推進(jìn)特性(雙機(jī)雙槳)

2 工況分析

由表1目標(biāo)船航行工況表可看到，在下水工況，船舶靜水航速低于9 km/h，主機(jī)一直在低于10%的極低負(fù)荷率下工作。此時(shí)，主機(jī)燃燒不充分，油耗曲線陡升，經(jīng)濟(jì)性很差；排放差；維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間增加。所以，主機(jī)直推方案不適合船舶下水工況。在上水工況，船舶靜水航速約為13 km/h，負(fù)荷接近主機(jī)額定功率的20%，主機(jī)負(fù)荷率也比較低，留有較大的儲(chǔ)備功率；排放和經(jīng)濟(jì)性也不太好。在上水激流航段和上水近海航段，航速較大，接近18 km/h，主機(jī)負(fù)荷率高，油耗低，排放好，工況優(yōu)良。所以，柴油機(jī)主機(jī)直推方案盡管簡(jiǎn)單高效，但是在多變工況下存在較大的局限性。

電力推進(jìn)方案可適應(yīng)多變工況，能在推進(jìn)電力和其他電力負(fù)荷中靈活分配能量，但能量全部經(jīng)過電網(wǎng)傳遞，損耗大，電網(wǎng)設(shè)備投資也大，營(yíng)運(yùn)船舶對(duì)價(jià)格比較敏感，故暫不予考慮。

混合動(dòng)力推進(jìn)方案介于前兩種方案之間，推進(jìn)動(dòng)力分別來自于主機(jī)直推和電力推進(jìn)，既保留了主機(jī)直推的簡(jiǎn)單高效，兼有電力推進(jìn)的靈活多變，電網(wǎng)投資也較電力推進(jìn)降低了很多，不失為一種可取方案。

3 混合動(dòng)力推進(jìn)方案

混合動(dòng)力推進(jìn)方案主要由主機(jī)、推進(jìn)電機(jī)、混合動(dòng)力齒輪箱和發(fā)電機(jī)組組成。主機(jī)、推進(jìn)電機(jī)雙輸入齒輪箱，共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳，發(fā)電機(jī)組為推進(jìn)電機(jī)和其他船上電力負(fù)載供電。

混合動(dòng)力推進(jìn)方案，集成電力推進(jìn)和常規(guī)推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，通過引入可逆電機(jī)，在低負(fù)荷時(shí)采用電力推進(jìn)模式(PTH)、主機(jī)軸帶電機(jī)發(fā)電模式(PTO)，高負(fù)荷時(shí)采用常規(guī)直推模式、混合推進(jìn)模式(PTI)，可有效提升主機(jī)、發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率。電網(wǎng)采用直流母排，可增配動(dòng)力電池，航行時(shí)，用于推進(jìn)動(dòng)力削峰填谷；待閘停泊時(shí)，可用于日常供電，停止發(fā)電機(jī)組工作，減少污染物的排放及船員工作量。

混合動(dòng)力推進(jìn)模型見圖1。

圖1 混合動(dòng)力推進(jìn)模型

混合動(dòng)力推進(jìn)方案主要有以下運(yùn)行模式：

1)PTI推進(jìn)模式。主機(jī)和推進(jìn)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳，發(fā)電機(jī)組為推進(jìn)電機(jī)及船上其他電力負(fù)載供電。此時(shí)船舶軸系輸出功率最大，滿足設(shè)計(jì)航速，主要用于急流航段和潮汐航段。主機(jī)、發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率最大，燃油消耗率低，運(yùn)行工況好。

2)主機(jī)推進(jìn)模式。主機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，電力負(fù)荷由發(fā)電機(jī)組供電，類似于常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)。由于主機(jī)額定功率小于最大航速下軸系功率，因此主機(jī)負(fù)荷率有明顯提高，燃油消耗率有明顯下降，能夠較好地發(fā)揮主機(jī)本身性能。

3)PTO推進(jìn)模式。主機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)螺旋槳和軸帶電機(jī)，軸帶電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)組停止工作。可有效提升主機(jī)負(fù)荷率，提升船舶能效水平。在主機(jī)功率儲(chǔ)備充足的情況下，PTO模式可廣泛應(yīng)用于日常航行工況，提升船舶經(jīng)濟(jì)性。

4)PTH推進(jìn)模式。推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，類似于電力推進(jìn)系統(tǒng)。該模式可用于低速下行航段，避免主機(jī)運(yùn)行在低效區(qū)間，提升船舶經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，在主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，也可保證船舶具備動(dòng)力冗余性，可航行至港口，避免阻塞航道。

4 混合動(dòng)力推進(jìn)與柴油機(jī)直推方案的綜合比較

4.1 柴油機(jī)直推方案的優(yōu)勢(shì)

柴油機(jī)直推方案優(yōu)勢(shì)見表3。

由表3可見，柴油機(jī)直推方案作為經(jīng)典的船舶動(dòng)力，簡(jiǎn)單成熟穩(wěn)定，具有天然的優(yōu)勢(shì)。

表3 柴油機(jī)直推方案優(yōu)勢(shì)

4.2 混合動(dòng)力推進(jìn)方案的優(yōu)勢(shì)

混合動(dòng)力推進(jìn)方案優(yōu)勢(shì)見表4。

由表4可見，混合動(dòng)力推進(jìn)作為新型的船舶動(dòng)力，具有動(dòng)力冗余、適應(yīng)多變工況的特點(diǎn)；其電力推進(jìn)(PTH)模式具有優(yōu)良舒適性、機(jī)動(dòng)靈活性，特別是如果發(fā)電機(jī)組采用LNG(液化天然氣)氣體發(fā)電機(jī)組，能將LNG應(yīng)用到推進(jìn)動(dòng)力中，有利于改善能源結(jié)構(gòu)，減少污染物排放，具有環(huán)保性。所以混合動(dòng)力推進(jìn)在船舶動(dòng)力裝置升級(jí)優(yōu)化上具有優(yōu)勢(shì)。

表4 混合動(dòng)力推進(jìn)方案優(yōu)勢(shì)

4.3 兩種方案不確定方面

柴油機(jī)直推與混合動(dòng)力推進(jìn)方案不確定方面見表5。混合動(dòng)力推進(jìn)比柴油機(jī)直推在燃料消耗經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行維護(hù)的優(yōu)劣需要具體分析，各自沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表5 柴油機(jī)直推與混合動(dòng)力推進(jìn)方案不確定方面

5 混合動(dòng)力推進(jìn)與柴油機(jī)直推方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

各方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表6。

表6 各方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

混合動(dòng)力推進(jìn)方案按照使用的燃料不同，可分為兩種：主機(jī)燃用柴油、發(fā)電機(jī)組燃用柴油的稱為油電混合動(dòng)力推進(jìn)方案，主機(jī)燃用柴油、發(fā)電機(jī)組燃用LNG(液化天然氣)燃料的稱為油電氣混合動(dòng)力推進(jìn)方案。

5.1 柴油機(jī)直推方案

組成。2臺(tái)882 kW柴油主機(jī)+2套50 kW柴油發(fā)電機(jī)組+1套250 kW柴油發(fā)電機(jī)組。

柴油主機(jī)通過齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)定距槳，柴油發(fā)電機(jī)組提供全船電力負(fù)荷，250 kW柴油發(fā)電機(jī)組用于進(jìn)出港驅(qū)動(dòng)電動(dòng)首側(cè)推和全船電力負(fù)荷。

5.2 油電混合動(dòng)力推進(jìn)方案

方案為柴油主機(jī)+推進(jìn)電機(jī)+柴油發(fā)電機(jī)組。

組成為2臺(tái)648 kW柴油主機(jī)+2臺(tái)250 kW電機(jī)+3套230 kW柴油發(fā)電機(jī)組+1臺(tái)停泊柴油發(fā)電機(jī)組。

柴油主機(jī)和推進(jìn)電機(jī)雙輸入齒輪箱，齒輪箱輸出帶動(dòng)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定距螺旋槳，柴油發(fā)電機(jī)組提供推進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)首側(cè)推及全船電力。

5.3 油電氣混合動(dòng)力推進(jìn)方案

方案為柴油主機(jī)+推進(jìn)電機(jī)+LNG氣體發(fā)電機(jī)組。

組成為2臺(tái)648 kW柴油主機(jī)+2臺(tái)250 kW電機(jī)+3套230 kW氣體發(fā)電機(jī)組+1臺(tái)停泊柴油發(fā)電機(jī)組+50 m氣罐系統(tǒng)。

柴油主機(jī)和推進(jìn)電機(jī)雙輸入齒輪箱，齒輪箱輸出帶動(dòng)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定距螺旋槳，氣體發(fā)電機(jī)組提供推進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)首側(cè)推及全船電力負(fù)荷。50 m氣罐系統(tǒng)供給LNG燃?xì)狻?/p>

5.4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

因設(shè)備報(bào)價(jià)不完全準(zhǔn)確,螺旋槳輸入功率留有余量，各季節(jié)水流速度不同、能量傳遞效率有偏差，致使數(shù)據(jù)不完全精確，但是不影響采用數(shù)據(jù)分析的方法的結(jié)果趨勢(shì)。

5.5 方案對(duì)比分析

5.5.1 方案二與方案一對(duì)比

由表6可知，方案二比方案一初投資增加259萬元，每年燃料價(jià)格也增加19.4萬元，無法收回成本。

在使用柴油燃料的前提下，油電混合動(dòng)力推進(jìn)方式的經(jīng)濟(jì)性不如柴油機(jī)直推方式。

5.5.2 方案三與方案二比較

方案三的發(fā)電機(jī)組使用氣體機(jī)，并配置LNG氣罐系統(tǒng)。由表6可知：方案三比方案一初投資增加較大，為617萬元，但是，由于LNG燃料價(jià)格比柴油價(jià)格低，每年燃料價(jià)格減少79.3萬元，約7.8年可望收回成本。此外，因?yàn)長(zhǎng)NG能源的應(yīng)用，船舶在通行三峽船閘時(shí)擁有“優(yōu)先通行權(quán)”，可減少待閘時(shí)間8天/次左右，往返周期至少減少13 d，營(yíng)運(yùn)效率顯著提高。

由上面比較分析，推薦采用油電氣混合動(dòng)力推進(jìn)方案用于目標(biāo)船。

6 結(jié)論

油電混合動(dòng)力推進(jìn)方案不僅沒有解決柴油機(jī)直推方案油耗高的問題，還帶來初投資高、設(shè)備繁多、系統(tǒng)復(fù)雜、操縱復(fù)雜、可靠性和安全性難以保障的不足，不建議使用在長(zhǎng)江流域運(yùn)輸船上。

油電氣混合動(dòng)力推進(jìn)方案由于引入LNG能源參與主推進(jìn)系統(tǒng)，不僅給船東帶來經(jīng)濟(jì)效益，而且響應(yīng)國(guó)家生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展長(zhǎng)江的號(hào)召，減低有害物質(zhì)的排放，具有節(jié)能減排的社會(huì)效益。

在實(shí)際應(yīng)用中，還有待從多方面提高油電氣混合動(dòng)力推進(jìn)方案的應(yīng)用技術(shù)。如油電氣混合動(dòng)力推進(jìn)的效率有待提高；油電氣混合動(dòng)力推進(jìn)的操縱性有待提高；在PTO推進(jìn)模式，軸帶電機(jī)的工作穩(wěn)定性有待提高等。

此外，隨著LNG氣體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的成熟和進(jìn)步，適用于長(zhǎng)江干線主機(jī)的LNG氣體發(fā)動(dòng)機(jī)正在研發(fā)中，在不久的將來，有望有更好的應(yīng)用。