內河純電動船舶建造檢驗

◎ 占雷 曾萬鵬 葉城 郭國凡 安徽省皖江船舶檢驗局

目前世界范圍內的船舶動力系統推進系統主要是柴油機推進系統，伴隨著污染問題、能源問題、動力系統等問題，國際上外海船舶已經在逐步新能源化，如LNG動力船舶，油電混合動力船舶，純電游艇、客船、公務船等等。歐洲內河船舶更是6 0%的純電化，因此，船舶這一傳統行業將逐步新能源化，最終解決全球環保問題。在國家“雙碳”承諾下，能源清潔化成為大勢所趨，新能源船舶建造檢驗項目的積極實施，是安徽省船舶檢驗局、皖江船舶檢驗局響應能源清潔化重大國家戰略，適應國內航運市場發展需求、服務社會的重大舉措。

1.純電池動力船舶簡介

1.1 船舶主要尺度

“港航船途01”集裝箱船，總長73米，型寬13.8米，型深4.6米，設計吃水3.4米，設計航速12公里/小時，平均航速8公里/小時，設計集裝箱裝載量為105TEU,詳見表1。在船舶艉部裝配2套鋰電池集裝箱，內部安裝磷酸鐵鋰電池。實船見圖1。

圖1 實船照片

表1 73米內河純電動集裝箱船舶主要參數

1.2 電池動力系統介紹

整個系統配置共接入1個鋰電池集裝箱并配置1個備用的鋰電池集裝箱，一用一備以保證船舶的續航里程和系統的冗余性。每個鋰電池集裝箱配備2 組電池，每組容量770kWh，單個鋰電池集裝箱電池容量為1540kWh，整船鋰電池容量共計3 0 8 0kWh。經過集中式的直流母線變頻電控設備在直流母線進行并網，驅動2臺10 0kW 的永磁推進電機。直流母線變頻電控設備將提供2個50kVA的日用電源，一用一備，為船舶日用負載提供高品質的日用交流電源。

船舶電力系統整體架構見圖2。

圖2 船舶電力系統整體架構

1.3 其他情況

聯合武漢理工大學團隊，利用高校資源，對項目船進行了船模拖曳水池實驗，優化線型和舵槳匹配見圖3。

圖3 船模試驗

圖4 箱式移動電源

1.3.1采用高強度鋼板

主船體使用CCSA H36高強度鋼板，減輕空船重量。實現船舶結構優化，貨艙區域縱骨架式，全船只設有一個貨艙，貨艙區無橫艙壁，滿足大開口船規范要求。

1.3.2采用直流組網+電池斬波的方案

采用電力電子器件進行主動控制，由功率管理系統（PMS）進行功率分配，保證每組鋰電池有相同的放電深度，延長鋰電池組的使用壽命。同時，如果有某組鋰電池發生故障，系統會根據實際情況切斷該組電池或者限制故障電池組的功率，再由剩余鋰電池組平均分配剩余功率，保證系統的穩定性和可靠度。

1.3.3采用箱式移動電源

集裝箱式移動電源容量最大可達15 4 0kWh，具備高能量密度集成、全方位安全防護、智能遠程監控等核心技術。

1.3.4采用永磁同步電機

永磁電機節能、效率高，永磁同步電機的外特性效率曲線相比異步電機，其在輕載時效率較高，這是永磁同步電機在節能方面，相比異步電機最大的一個優勢。節能對于新能源船舶意義重大，意味著在不增加電池組容量的情況下，同等工況下，采用永磁電機的船舶可比采用異步電機的船舶續航里程適當增加。

2.純電池動力船舶建造注意事項

2.1 審圖工作

73米內河純電動集裝箱船舶建造檢驗項目是安徽省首艘新能源純電動內河集裝箱船，結合73米內河純電動集裝箱船舶審圖工作。其中重點問題如下：

1）項目船重要設備持證清單，尤其是箱式電源的取證時間問題，是否影響船舶的施工進度。

2）其他省份純電池動力船箱式電源有沒有通用性的問題。

3）純電池動力船的航程、航速與電池容量的富裕度問題，特別考慮長江段和待閘時間的耗電量；動力電池容量計算，請根據航段的水文情況分段計算，特別考慮實際船閘等待時間，長江汛期航段（裕溪口至朱家橋碼頭）逆水航行的耗電量問題，請設計公司確認。

4）項目船完工后系泊試驗、航行試驗大綱的編制問題，因大綱的編制目前無依據，需要各方充分商討，群策群力編制滿足各方要求的試驗項目。

5）箱式電源與船舶結構穩性設計，船舶推進系統以及駕駛室監控系統端口銜接問題。

6）備用箱式電源換電模式問題。

7）消防工況時是采用2臺推進電機降速運行還是停止一臺推進電機的方式，為達到這一要求時，是采用人工還是系統自動，請設計公司和設備廠家確認。

8）直流母排系統短路試驗報告，編制試驗報告記錄表格，驗船師參與試驗全過程，由設備廠家確認。

2.2 開工前要注意問題

1）最好組織召開開工技術交底會議，船東、設計公司、船廠、船檢四方對建造過程中注意的重點、難點事項達成一致意見。

2）根據項目船結構特點及船廠起運設備確定船體共設多少個分段。

3）確定檢驗項目表和重要的檢驗節點。由船廠會同船東、設計單位、電力推進系統供應商制定，五方共同確認，報船檢審核。

4）確定系泊試驗項目及驗收標準。請船廠、船東、電力推進系統供應商、電池供應商、船舶設計公司制定相關大綱，報船檢審核確認。

2.3 其他注意事項

1）該項目船航線沿途橋梁和巢湖閘、裕溪口閘限高影響，已在初步圖紙設計審核階段將艏樓二層變更為一層。

2）考慮到長江汛期水流較大的因素，保障項目船長江段過江的操作性能要求，審圖階段提出兩臺推進電機由80KW變更為100KW。

3）主流母排通過隔離開關分成A/B匯流排，項目新增直流母排每一個匯流排的絕緣檢測試驗。

4）增加斬波器、推進逆變器、日用逆變器功率模塊的過電流延時和瞬時保護報警效用試驗。

5）電池加載負荷試驗現場試驗困難，變通為推進電機加載負荷試驗的辦法。

6）考慮到項目船額定輸出功率200KW，船廠的實際條件，負荷試驗負載采用拉纜繩方式實施。

7）箱式電源報警點測試SOC低報警做詳細，按照審批圖紙設計的三擋報警模式進行模擬實驗。

8）箱式電源緊急切斷按鈕為駕駛室遙控和就地兩種形式，項目表分開編制，現場效用試驗分開做。

9）增加日用負載端最大功率設備（消防泵）啟動，電網的適應性試驗（日用配電板異常失電）。

10）航行試驗推進電機額定負荷輸出時，項目船大舵角回轉，測試電網的極限穩定性（項目船無過載報警全船失電）。

1 1）增加經濟航速耗電量的記錄，航行試驗增加航程距離的記錄，以便核對電量是否滿足設計要求。

3.建造過程出現的問題分析與建議

問題1 描述：日用交流配電板啟動大負載供電時電網的適應性檢驗，現場啟動消防泵會出現交流配電板異常斷電現象。

問題分析：日用交流配電板額定容量30KW，消防泵功率7.5KW，啟動電流峰值大于變頻器設定的額定電流，日用交流配電板失電。

解決方法：消防泵啟動形式改為星三角啟動，啟動電流小于變頻器設定的額定電流，失電故障消除。

問題2描述：項目船推進電機額定轉速航行，大舵角全回轉試驗時，動力電池失電。

問題分析：電池斬波模塊的最大放電限制電流設置為1 5 0 A，僅僅相當于額定功率。在滿功率大舵角操作時，出現了短時間的過載。此時斬波模塊的電流達到了最大的150A，仍然無法平衡由于電動機短時間過載所需要的功率，導致直流母線電壓下降。當直流母線電壓下降到欠壓保護值487V時，整個直流配電板的所有功率模塊因欠壓故障停止運行。

解決方法：根據實際需求，電池斬波模塊的最大放電限制電流設置從初始的150A設定到170A，這樣可以有效增大電池組約15%輸出能力，確保滿足推進電動機短時間過載的要求。當推進系統達到額定功率時，繼續增大推進功率時，直流變頻控制系統會做出功率限制的警告提示。

4.后期展望

（1）臨時應急電源布置方面，因項目船未艏駕駛，臨時應急電源擺放至頂棚甲板上，現場黑船試驗，會影響到船艉箱式電源BMS系統自檢供電，后期應單獨設置箱式電源的啟動電源。

（2）機艙推進電機齒輪箱滑油泵噪聲大，后期設計可以采用啟動時采用電機滑油泵，推進電機穩定運行時采用機帶滑油泵替代的形式，可以大大降低機艙噪音。

（3）推進電機齒輪箱滑油潤滑，應設置油溫監測裝置。

（4）增加經濟航速耗電量的記錄，航行試驗增加航程距離的記錄，以便核對電量是否滿足設計要求。