劉樂，高海波，繆光輝，孫震

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

11 000 m3耙吸式挖泥船動力系統(tǒng)模擬改裝

劉樂，高海波，繆光輝，孫震

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

為了實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，對某傳統(tǒng)的耙吸式挖泥船動力系統(tǒng)進行混合動力系統(tǒng)模擬改裝，使用柴油機和蓄電池作為混合動力源，采用閾值法作為能量管理策略，根據(jù)不同的功率需求及蓄電池的荷電狀態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的工作模式，并在Matlab/Simulink環(huán)境下建立動力系統(tǒng)的燃油消耗及排放模型。仿真結(jié)果表明，混合動力系統(tǒng)較原系統(tǒng)在油耗和排放方面均有較大的改善。

混合動力；節(jié)能減排；能量管理

對于工況多樣的工程船來說，混合動力船舶是一種極具發(fā)展前途的“綠色船舶”[1-4]。具有自航能力的耙吸式挖泥船優(yōu)點是機動靈活，效率高，抗風(fēng)浪能力強，能在多種工況之間快速轉(zhuǎn)換，這需要強有力的動力作為支持。傳統(tǒng)的耙吸式挖泥船一般采用柴油機作為單一的動力來源，無法在所有工況范圍內(nèi)都獲得較好的燃油效率。對耙吸式挖泥船進行混合動力改裝，可在降低主機功率要求的同時滿足各工況下的功率需求，還能提高能源利用效率，達到節(jié)能減排的效果。以某耙吸式挖泥船為母型船，將其單一動力系統(tǒng)模擬改裝為以柴油機組為主要動力源、蓄電池為輔助動力源的混合動力系統(tǒng)，模擬完成設(shè)備選型配置，并采用閾值法進行工作模式切換和能量管理，提高能源利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排。

1 混合動力系統(tǒng)設(shè)計

1.1 原船工況分析

研究對象為中交天津航道局有限公司的耙吸式挖泥船“通遠(yuǎn)號”。該船設(shè)雙主機，主機型號為DAIHATSU12DKM-36，額定功率為6 600 kW；配備雙可調(diào)螺距螺旋槳，雙軸帶發(fā)電機，圖1為其動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。該挖泥船的每個工作循環(huán)由3種工作狀態(tài)構(gòu)成：①挖泥船空載快速駛向疏浚作業(yè)地點，此時推進功率需求較高；②到達作業(yè)地點后進行挖泥作業(yè)，此時推進功率需求較低，泥泵功率需求及沖水泵等電力負(fù)荷功率需求較高；③挖泥船滿倉從作業(yè)區(qū)域快速駛向拋泥區(qū)域，此時推進功率需求較高。

圖2為該挖泥船在2013年5月16日～17日在“黃驊港”外圍進行疏浚作業(yè)時，其6個工作循環(huán)中柴油機功率需求負(fù)荷的柱狀圖。配置的柴油機必須滿足最大的功率需求，挖泥船有大部分時間處于較低功率需求的狀況，高功率需求工況只占很小的時間比例，從而導(dǎo)致多數(shù)工況下柴油機功率配置過分冗余。另一方面，柴油機的設(shè)計決定了燃油消耗率SFC隨負(fù)荷功率的增加而降低，在80%～90%額定功率時達到最低[5]，意味著多數(shù)情況下，挖泥船配置的柴油機燃油效率較低。在不影響船舶動力性能的前提下，為了提高挖泥船的燃油經(jīng)濟性和降低排放，考慮將該船動力系統(tǒng)改裝成混合動力形式。

1.2 混合動力系統(tǒng)的設(shè)計

采用柴油機+蓄電池+電動機的混合動力方式取代原有的配置，主機選取比原系統(tǒng)配置功率等級低的柴油機，動力不足部分由蓄電池組和電動機提供，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

其中電機既可作為軸帶發(fā)電機發(fā)電，也可當(dāng)電動機提供動力。當(dāng)蓄電池需充電時，主柴油機通過齒輪箱帶動軸帶發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)過整流之后將電能存儲在蓄電池中。當(dāng)蓄電池放電時，一方面可以通過逆變器連接到主電網(wǎng)為電氣設(shè)備供電，另一方面可以通過逆變器驅(qū)動電動機，再通過齒輪箱單獨或與主柴油機一起驅(qū)動螺旋槳，滿足峰值功率需求。

閾值法是邏輯門控制的一種形式，通過設(shè)置相應(yīng)變量的邏輯狀態(tài)和控制閾值，根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)，達到控制系統(tǒng)運行模式的目的[6-7]。采用閾值法將挖泥船混合動力系統(tǒng)工作循環(huán)中的運行狀況分為如下幾種模式。

1)當(dāng)總需求功率(含機械功率及電功率)小于主機額定功率，且蓄電池的荷電狀態(tài)SOC值小于80%時，主機按額定功率工作。此時主機提供推進功率和挖泥泵功率，同時通過軸帶發(fā)電機向主電網(wǎng)和蓄電池供電，系統(tǒng)能量流動見圖4。

2)當(dāng)總需求功率小于主機額定功率，蓄電池SOC值不小于80%時，主機提供所有需求功率。此時主機提供推進功率和挖泥泵功率，同時通過軸帶發(fā)電機向主電網(wǎng)供電，系統(tǒng)能量流動見圖5。

3)當(dāng)總需求功率大于或等于主機額定功率，機械功率小于主機額定功率，SOC值大于30%時，主機按額定功率輸出。此時主機提供推進功率和挖泥泵功率，同時通過軸帶發(fā)電機向電網(wǎng)供電，不足的電力需求由蓄電池通過逆變器向主電網(wǎng)供電，系統(tǒng)能量流動見圖6。

4)當(dāng)總需求功率大于或等于主機額定功率，且機械功率大于主機功率，SOC值大于30%時，主機功率按額定功率輸出。此時主機提供挖泥泵功率和部分推進功率，蓄電池通過逆變器向主電網(wǎng)供電，同時驅(qū)動電動機提供部分推進功率，系統(tǒng)能量流動見圖7。

1.3 混合動力系統(tǒng)選型

鑒于80%以上的工作時間中柴油機的功率都小于額定功率的70%，按照柴油機和蓄電池的功率比例為7∶3來對柴油機和蓄電池進行選型和配置。原系統(tǒng)中柴油機額定功率為6 600 kW，按其70%的功率取值為4 620 kW，選擇額定功率相近的柴油機。要求柴油機既能夠滿足功率需求，又可保證良好的燃油經(jīng)濟性?？紤]電動機和發(fā)電機為一體，電動機必須能夠提供原柴油機額定功率的30%，即1 980 kW，以更高的功率密度和效率作為選擇標(biāo)準(zhǔn)，因此選用永磁電機[8]，同時雙向變頻器的選型也同樣要滿足這個條件。

主要動力系統(tǒng)設(shè)備選型如下：柴油機MAN 9L32/40R，額定功率為5 040 kW；發(fā)電機(電動機)1FW4507-1HE，額定功率為2 073 kW，額定電壓與頻率為690 V/50 Hz；變頻器ACS800-07，額定功率為2 300 kW，額定輸出電流為2 321 A。蓄電池組：AT6500-250-48*，29行25列的蓄電池組，容量為3 750 A·h。輔助發(fā)電機和應(yīng)急發(fā)電機型號與原設(shè)計保持一致[9]。

2 混合動力系統(tǒng)的油耗與排放建模

2.1 燃油消耗模型

根據(jù)柴油機技術(shù)產(chǎn)品規(guī)格書可獲取選型柴油機的燃油消耗率及其負(fù)荷百分比的關(guān)系，見表1。

表1 柴油機的燃油消耗率及其負(fù)荷百分比的關(guān)系表

根據(jù)柴油機的需求功率Pd可以折算出負(fù)荷百分比η，根據(jù)表1插值可以得出不同負(fù)荷下的燃油消耗率b，進而可以求得實時的燃油消耗BFc(L/s)為

(1)

式中：Pd為柴油機需求功率，kW；SFC為燃油消耗率，g/(kW·h)；ρ為燃油密度，991 g/L，按ISO8217:1996(E)規(guī)范取值。

燃油消耗總量(L)為

(2)

2.2 氣體排放模型

美國聯(lián)邦環(huán)保署(Environmental Protection Agency，EPA)2000年簽署了柴油機的排放標(biāo)準(zhǔn)，對所有非公路用機動設(shè)備柴油機實施嚴(yán)格的第二階段法規(guī)。該法規(guī)規(guī)定，當(dāng)柴油機的功率在2 000～10 000 kW時，排放計算按以下公式進行[9]。

NOx排放量(g)為

(η2)-7.4338×η+12.275]/3 600}dt

(3)

SO2排放量(g)為

(4)

CO2排放量(g)為

(5)

式中：Sf為燃油中的含硫百分比；Cf為基于燃油含碳量的燃油消耗和二氧化碳排放量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3 仿真實驗及結(jié)果分析

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立混合動力系統(tǒng)的燃油消耗模型和排放模型，輸入為工作時的功率需求歷史數(shù)據(jù)，輸出為燃油消耗和廢氣排放量。

挖泥船從拋泥區(qū)航行到作業(yè)區(qū)，挖泥裝艙，滿倉后航行到拋泥區(qū)拋泥，組成一個完整的工作循環(huán)。實船采集數(shù)據(jù)的時間間隔為2 s，取6個完整的工作循環(huán)數(shù)據(jù)進行分析。原動力系統(tǒng)燃油消耗和排放結(jié)果見表2。

表2 原動力系統(tǒng)燃油消耗和排放實驗結(jié)果

輸入同樣的數(shù)據(jù)，對混合動力系統(tǒng)進行仿真實驗，實驗中蓄電池SOC初始值設(shè)置為40%，工作循環(huán)結(jié)束后的蓄電池SOC值高于初始值(見圖8)，表明額外消耗燃油為蓄電池充了電，需將蓄電池存儲的電量折算成主柴油機的燃油消耗和排放量，從混合動力系統(tǒng)仿真實驗結(jié)果中扣除(見表3)，然后對原動力系統(tǒng)與混合動力系統(tǒng)的燃油消耗與排放值進行對比分析。

表3 SOC校正后混合動力系統(tǒng)油耗和排放結(jié)果

表2和表3中的數(shù)據(jù)顯示，在6個循環(huán)共36 h的工作過程中，混合動力系統(tǒng)相比于原系統(tǒng)，燃油消耗降低了7.2%，CO2的排放減少了7.2%，SO2的排放減少了7.2%，NOx的排放減少了4.4%，達到了節(jié)能減排的改裝目的。

4 結(jié)論

目前，采用柴油機和蓄電池作為混合動力源的船舶，只限于小型工程船舶，還沒有將混合動力的概念應(yīng)用于大型工程船舶的建造及改裝的實船案例。本文通過對大型耙吸式挖泥船工作模式進行分析，在不損害原船動力性能的前提下，進行混合動力系統(tǒng)模擬改裝。從理論上證明了大型傳統(tǒng)耙吸式挖泥船采用混合動力系統(tǒng)可以實現(xiàn)節(jié)能減排。需要指出的是，本文并不考慮改裝成本，并且閾值法只是多種能量管理策略中的一種，模糊控制及其他智能算法在混合動力能量管理策略中的應(yīng)用還有待進一步研究。

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Simulation Retrofitting of Power System in 11 000 m3Trailing Suction Hopper Dredger

LIU Le, GAO Hai-bo, MIAO Guang-hui, SUN Zhen

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

In order to achieve the purposes of energy saving and emission reduction, the traditional trailing suction hopper dredger was retrofitted from a diesel engine power system to a hybrid power system by simulation. The hybrid power system, using diesel and battery as the power sources, could adjust the operation mode according to different power demand and the state of charge of battery with energy management strategy. The fuel consumption models and emission models were built in Matlab/Simulink environment. The results showed that the hybrid power system has significant improvement in fuel consumption and emission compared with the original system.

hybrid power; energy saving and emission reduction; energy management

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.039

2016-05-30

國家自然科學(xué)基金(51579200)

劉樂(1993—)，男，碩士生

U664.81;U674.31

A

1671-7953(2017)02-0166-04

修回日期：2016-06-21

研究方向:船舶電力推進