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(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津 300457)

雙燃料發(fā)動機與電力推進技術(shù)的結(jié)合，為LNG運輸船行業(yè)的發(fā)展提供了一個很好的發(fā)展方向。但是，LNG運輸船雙燃料電力推進系統(tǒng)，作為一個新興的技術(shù)，在國內(nèi)外實船使用實例不多，所以其系統(tǒng)的集成并非非常完善，存在一定的風(fēng)險，有很大的優(yōu)化空間。

雙燃料電力推進(DFDE)系統(tǒng)集成研究，源自3萬m3LNG運輸船實際建造的需要。通過對正在建造的3萬m3LNG運輸船雙燃料電力推進(DFDE)系統(tǒng)集成的分析研究，對整個設(shè)計方案的梳理及細化分析，優(yōu)化完善各個設(shè)備之間的物理接口、軟件接口及控制邏輯等，使整個系統(tǒng)更具合理性、安全可靠性、良好的可操作性及較高的經(jīng)濟性，從而減少在建船舶的系統(tǒng)集成缺陷，降低設(shè)計建造風(fēng)險，提高經(jīng)濟性[1-2]。

1 雙燃料電力推進技術(shù)的現(xiàn)狀

雙燃料電力推進技術(shù)作為一個新興的船舶推進技術(shù)，其發(fā)展大致經(jīng)過了3個階段：常規(guī)柴油機與可調(diào)槳電力推進及常規(guī)柴油機全回轉(zhuǎn)電力推進、雙燃料電力推進。對于LNG運輸船來說，雙燃料電力推進所擁有的特殊性及突出優(yōu)勢，使得其本身倍受青睞[3]。

隨著LNG運輸船產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雙燃料電力推進設(shè)備的技術(shù)革新推動其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。瓦錫蘭、羅羅、MAN等廠家的雙燃料發(fā)動機性能更加優(yōu)越，其排放、維護保養(yǎng)、經(jīng)濟性等都較常規(guī)柴油機有很大優(yōu)勢；西門子、ABB、GE等電氣專業(yè)廠家在雙燃料主機控制、電站管理、供配電、自動控制、變頻電力推進等技術(shù)方面更加完善，其控制更加集成、簡單，電力系統(tǒng)的裕度更大，設(shè)備運行可靠性更高；加之羅羅、ABB、瓦錫蘭等廠家在推進器方面的新技術(shù)，使電力推進更加簡單化，推進裝置趨于模塊化設(shè)計，占用空間小，布置靈活，安裝、管理及維護都更加簡便。所以，LNG運輸船產(chǎn)業(yè)推動設(shè)備進一步發(fā)展，同樣設(shè)備的革新推動了雙燃料電力推進技術(shù)的更加完善。

然而，雙燃料電力推進船舶的初始建造成本較常規(guī)推進方式高，前期投資較大。LNG運輸船本身是公認的高技術(shù)、高附加值船舶，所以投資成本是其發(fā)展的一個瓶頸。同時，雙燃料電力推進作為一項新技術(shù)，其市場占有份額不大，應(yīng)用實踐較少，其控制邏輯、接口的完整性、可靠性等都存在一定風(fēng)險，這也是一直以來困擾市場的一大顧慮。但是，隨著LNG運輸船產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，這一技術(shù)將會有很大的發(fā)展空間。

2 雙燃料電力推進系統(tǒng)研究

2.1 雙燃料電力推進系統(tǒng)配置

目前，雙燃料電力推進技術(shù)各個設(shè)備都有很多選擇性，可以集成出很多搭配。本文依據(jù)3萬m3LNG運輸船現(xiàn)有配置，就該系統(tǒng)做集成研究。該船雙燃料電力推進系統(tǒng)主要配置見表1，整個電力推進系統(tǒng)單線圖見圖1。

表1 雙燃料電力推進系統(tǒng)設(shè)備配置

圖1 雙燃料電力推進DFDE系統(tǒng)單線圖

系統(tǒng)中各個設(shè)備廠家都是行業(yè)內(nèi)的知名廠家，其設(shè)備成熟的功能、良好的性能得到很好的市場反饋。但是，將好的設(shè)備如何搭建出一個好的系統(tǒng)，是面臨的一個技術(shù)難點。所以，研究雙燃料電力推進系統(tǒng)集成，論證研究設(shè)備之間的軟硬件接口，梳理控制邏輯及響應(yīng)等，是該系統(tǒng)集成優(yōu)劣的關(guān)鍵點。

2.2 基于雙燃料機組特性的電力推進系統(tǒng)控制

雙燃料電力推進DFDE系統(tǒng)集成，主要內(nèi)容有系統(tǒng)接口與功能實現(xiàn)、控制邏輯與響應(yīng)。雙燃料主發(fā)電機組較常規(guī)柴油機組有很大不同，它是將減壓后的壓縮天然氣CNG與空氣混合后引入氣缸內(nèi)，形成混合氣。少量噴入氣缸內(nèi)的引燃柴油起點火作用。這種系統(tǒng)對原發(fā)動機的結(jié)構(gòu)不做變動，在沒有足夠氣體燃料來源時，雙燃料發(fā)動機易于恢復(fù)原機的工作方式。

在燃油和燃氣模式下，由于燃油和燃氣兩種燃料的熱值、壓縮比等不同，雙燃料發(fā)電機組在對應(yīng)模式下的負荷加載曲線也不同，見圖2。

圖2 不同模式下的負荷加載變化

根據(jù)特性曲線，在電站管理系統(tǒng)PMS以及推進控制系統(tǒng)DCS中，必須要根據(jù)主發(fā)電機組的加載特性來設(shè)計負荷的加載過程。燃油模式下的負荷加載較快，燃氣模式下較為緩慢。如系統(tǒng)集成設(shè)計中，只按燃油模式曲線設(shè)計，則會導(dǎo)致在燃氣模式下，負荷響應(yīng)跟不上，使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)為油模式，更有可能造成電站關(guān)停；另外，如只按燃氣模式曲線設(shè)計，則在燃油工況下，達不到快速響應(yīng)的能力，大大抑制了船舶的操控性能。[4]所以，在系統(tǒng)集成中，針對雙燃料機組特性，設(shè)計負荷加載曲線，見圖3。

圖3 不同模式下的負荷加載匹配情況

雙燃料機組運用于電力推進系統(tǒng)時，主要面臨的就是大負荷的加載，對于LNG運輸船來說，涉及的大負載設(shè)備主要來自推進系統(tǒng)，上述主推進控制系統(tǒng)DCS與PMS的匹配與響應(yīng)很好地解決了推進系統(tǒng)的集成問題。

對于單個的大負荷，其控制系統(tǒng)獨立與主推進控制系統(tǒng)DCS，如1 500 kW側(cè)推系統(tǒng)。在系統(tǒng)集成設(shè)計中，充分考慮加載對電站的影響。在系統(tǒng)集成設(shè)計中采用負荷保留設(shè)計。主要原理是要啟動側(cè)推時，采用握手信號，先詢問PMS電站功率是否許可，PMS得到啟動信號后，使得電站保持1 500 kW裕度負荷，信號反饋給側(cè)推系統(tǒng)，使得信號握手，以滿足側(cè)推系統(tǒng)的負荷隨時進網(wǎng)。

常規(guī)柴油機對于負荷的突加能力都有一定的限制，瓦錫蘭34DF機組在燃油模式下，理解為常規(guī)柴油機，其突加能力為5 s內(nèi)33%。其在燃氣模式下，其對應(yīng)負荷下的突加能力見圖4。在系統(tǒng)集成設(shè)計中，電站管理系統(tǒng)PMS必須依據(jù)對應(yīng)的模式，對于電網(wǎng)負荷的突加做出限制，必須使電站負荷突加值曲線在機組能力曲線下方，才能保證在運行中，負荷的突加不至于使電站關(guān)停。

圖4 燃氣模式下突加能力變化

所以，對于雙燃料電力推進(DFDE)系統(tǒng)，只有充分考慮各個設(shè)備的特性，區(qū)分于常規(guī)設(shè)備的不同點，在系統(tǒng)集成中基于設(shè)備的特性， 解決系統(tǒng)集成中的接口、邏輯與響應(yīng)。使得整個系統(tǒng)功能完善，集成設(shè)計合理才是初衷。

3 結(jié)束語

雙燃料電力推進(DFDE)系統(tǒng)，作為一項新興的技術(shù)。其諸多的優(yōu)點，推動了其快速發(fā)展。尤其是近些年來，電站管理系統(tǒng)PMS及電力推進控制技術(shù)的進一步發(fā)展，給雙燃料電力推進技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。特別是近年來由于能源經(jīng)濟性、環(huán)保排放等要求的提高，雙燃料電力推進技術(shù)的發(fā)展勢在必行。

本文依托3萬m3LNG運輸船建造項目，通過雙燃料電力推進(DFDE)系統(tǒng)集成研究，可以解決系統(tǒng)集成中的接口、控制邏輯與響應(yīng)，完善雙燃料電力推進(DFDE)系統(tǒng)設(shè)計。將系統(tǒng)集成研究成果運用到實際建造中，同時為后續(xù)船舶建造具有很好的借鑒意義。

[1] 金德昌，姜孟文，云俊峰.船舶電力推進原理[M].北京:國防工業(yè)出版社，1993.

[2] 朱永凱，時光志，汪偉奎，等.國內(nèi)3萬m3LNG運輸船開發(fā)研究[J].船海工程，2014，43(2)：71-73.

[3] 朱運裕，冀路明.常規(guī)潛艇電力推進系統(tǒng)控制方案的研究[J].船電技術(shù)，2001,(2):5-8.

[4] 中國船級社.氣體燃料動力船檢驗指南[S].北京：人民交通出版社，2011.