船舶柴 -电混合动力系统能效优化研究

赵红品 1 周国强 2 叶勇 3 邵诗逸 1 常国梅 1

1无锡赛思亿电气科技有限公司，江苏 无锡 214000 2中国船级社武汉规范研究所，湖北 武汉 430000 3宜昌交运长江游轮有限公司，湖北 宜昌 443000

摘要：我国内河航运里程居世界之首，现有内河船舶以柴油机作为主要动力系统占比高达95%。本文针对内河“新长江06006号”散货船动力系统与航行工况，采用电力推进辅助动力系统的设计方案，提出柴-电混合动力系统的能效分级优化策略，试验分析其负荷率与燃油消耗率。结果表明：能效优化后，在船舶逆水、顺水航行区间段，左、右舷动力系统的负荷率分别从25%、12%，均提升至70%-80%；左、右舷动力系统的燃油消耗节省率分别为18.38%、12.33%。

关键词：船舶，动力系统，柴油机，能效分级

1引言

我国拥有大、小天然河流5800多条，河流总长4472km，流域面积超1000km²的大于80条^[1]。其中，内河航道总里程约13.51万公里，等级航道里程为6.29万公里，位居世界之首。目前，我国内河水运货运量已达到30亿吨以上，已建成国家高等级航道1.9万公里。其中，长江内河的主要港口已向规模化、专业化、现代化的港区方向发展，并初见成效。仅长江干线运输船舶平均吨位已超过2000吨^[2]。

然而，内河船舶一般船型较旧、吨位偏中小型，对经济性较为敏感，现有内河船舶依然采用传统中小型柴油机作为船舶推进动力系统的就占95%以上^[3]。尽管船用柴油机结构已趋于成熟、标准化，但由于内河航道流速急、河道窄、进出港频繁等特殊工况，导致内河船舶一般装机功率配备过大，普遍存在“大车小用”现象，使得内河船用柴油机作为主机在较长时间内一直处于低负荷下运行^[4]，导致燃油燃烧不充分，废气污染物排放严重超标。

提高船用柴油机能效主要有三种方式：降低柴油机功率冗余、轴带发电、电力推进辅助等方案。其中，降低柴油机功率冗余，容易引起船舶在急流、进出港、洪流等特殊航行段的动力不足，船舶航行安全性无法保障；一般内河船用电站容量较低，通过主机轴带发电对其自身能效提升有限。目前，电推动力系统作为新型动力系统在近几年发展中得到快速应用，其机械噪小、振动低、废气污染物少、运行可靠等特点明显优于传统船用柴油机^[5]。然而，一般电推动力系统负载差，续航时间较短，不利于在内河水域中航行。

因此，寻找合适的混合动力系统，既能发挥传统柴油机高负载、高续航等能力，也能保持低污染、噪声小、操纵好等优点，发挥各自独特优势，适合内河航道水流急、转向径小等各种工况下航行，成为现阶段内河船舶新型动力推进系统的新方向^[6-7]。潘海邦等^[8]基于切换理论控制策略，试验研究了混合动力船舶电力推进效果，同工况下，燃油消耗量大幅下降。刘永志^[9]基于Matlab/Simulink建立了柴电混合动力分析模型，应用最佳混合度控制策略，分析了三种典型工况，实现柴电混合动力基本处于高能效作业，进一步降低船舶营运成本。卢耀文^[10]设计了一种并联式气电混合动力系统能量管理策略，试验比较分析了不同混合度下的能量效率和节能率，发现混合度处于0.25-0.35时，其能效比较好。夏敬停等^[11-12]采用模糊控制策略，实现并联式油电混合动力系统船舶运营成本降低了8.6%，废气污染物降低了10.48%。

本文针对内河“新长江06006号”散货船动力系统与航行工况，采用电力推进辅助动力系统的设计方案，提出柴油机主机与电力推进混合动力系统（以下简称：柴-电混合动力系统）的能效分级优化策略，并对其能效优化前后动力系统的负荷率与燃油消耗率数值试验分析。

2内河船舶动力系统模型

2.1研究对象

本文以内河“新长江06006号”散货船（图1）为研究对象，船舶总长110.00m，型宽19.20m，型深5.60m，载重吨位7019.06t。该船舶左右舷各配备1台6210ZLCZ-6柴油机，其额定功率735kw，额定转速830r/min。本文通过在实船监控系统内实时采集获取船舶航行时的主机转速，采集时间间隔为0.5h。由于该船舶航行过程相对稳定，所间隔采集的转速样本点可作为该时间段内（0.5h）的平均值。

NPC采集区间及样本数见表1所示， “新长江06006号”散货船逆水航行区间为：南京至武汉段，航行时间为：2019年5月6日11:20起至2019年5月11日11:10止，共采集样本数233个；顺水航行区间为：涪陵至南京段，航行时间为：2019年6月6日11:00起至2019年6月10日11:00止，共采集样本数192个。

图1 “新长江06006号”散货船

表1 NPC采集区间及样本数

2.2能效优化与策略管理

内河船舶普遍存在“大车小用”现象，即装机功率过大，其正常航行时负荷率（负荷率：主机实际输出功率与额定功率的比值）一般低于30%，柴油机主机长时间处于低负荷工作，柴油燃烧极不充分，导致燃油率过大及废气污染物超标严重等现象。本文针对内河“新长江06006号”散货船动力系统与航行工况，采用电力推进辅助动力系统的设计方案，提出柴油机主机与电力推进混合动力系统的能效分级优化策略，以降低燃油率。

电力推进辅助动力系统方案，如图2所示，以左舷为例，采用1台AC400V柴油发电机发电，通过变频控制配电系统，驱动AC380V推进电机，用以辅助左舷柴油机主机的推进。选用的某型柴油发电机转速分1200 r/min 、1500 r/min，其额定功率分别为132kw、258kw。选用推进电机转速1200 r/min，额定功率为200kw。选用的柴油机主机转速为1500 r/min，额定功率为550kw。因而，左舷最大输出功率为750kw，大于“新长江06006号”散货船原装机左舷的输出功率（6210ZLCZ-6柴油机，额定功率735kw），即可满足其逆水、顺水航行全程区间段工况的动力系统需求。右舷动力系统配备与左舷一致。

图2电力推进辅助动力系统方案

针对“新长江06006号”散货船实际航行工况，拟定设计的柴-电混合动力系统能效管理策略，如表2所示。负荷功率≤100kw，仅需通过柴油发电机1200 r/min驱动电机推进；负荷功率在100kw~200kw之间，通过柴油发电机1500 r/min驱动电机推进。以柴油机主机额定功率的85%作为船舶最大负载率的设计标准，即以468kw作为能效分级区间段。负荷功率在200kw~468kw之间，关闭电力推进辅助，仅开启柴油机主机；负荷功率≥468kw，开启柴油发电机1500 r/min驱动电机推进辅助，并开启柴油机主机。

表2 柴-电混合动力系统能效管理策略

注：√代表启动；×代表关闭；√-1200r/min代表柴油发电机以1200r/min运行，额定功率为132kw；√-1500r/min代表柴油发电机以1500r/min运行，额定功率为258kw；

3动力系统能效特性分析

3.1负荷率

船舶主机负荷率为主机实际输出功率与额定功率的比值，是衡量柴油机是否处于高效率运行的重要指标之一。内河“新长江06006号”散货船所配备6210ZLCZ-6柴油机的推进特性曲线，见其用户使用手册。6210ZLCZ-6柴油机转速在500r/min-850r/min区间，输出功率P（kw）逐渐增大。根据该型号柴油机特性曲线可得，其输出功率P（kw）与转速n（r/min）的三次方呈正相关关系，通过拟合容易获得该型号柴油机在转速为300 r/min ~500 r/min区间段下的输出功率，如图3所示。

图3 6210ZLCZ-6柴油机的功率特性曲线（300r/min~900r/min）

依据图3，通过实时采集的柴油机转速，容易获得各样本点间隔时间段（0.5h）内的负载功率。逆水航行区间段内的负载率，如图4所示。

图4 逆水航行负荷率变化曲线

3.2燃油消耗

根据6210ZLCZ-6柴油机燃油消耗率ge（g/kw·h）与转速n（500r/min-850r/min区间）特性曲线，经数据点插值法计算，拟合获得该型号柴油机燃油消耗ge与转速n（300r/min-900r/min）的函数关系，如下式所示：

根据上式，容易获得6210ZLCZ-6柴油机转速在300r/min-900r/min区间，燃油消耗与转速之间的曲线关系，如图5所示。其中，500r/min-850r/min区间，函数解析值与特性曲线值最大误差仅为0.65%。

图5 6210ZLCZ-6柴油机的燃油消耗特性曲线（300r/min~850r/min）

依据图5，通过实时采集的柴油机转速，容易获得各样本点间隔时间段（0.5h）内的燃油消耗。6210ZLCZ-6柴油机额定功率为735kw，逆水航行区间段内的燃油消耗率，如图6所示。各样本点间隔时间段内燃油总消耗即为间隔时间（0.5h）、负载功率与时间段内的燃油消耗率三者之间的乘积。

图6 逆水航行燃油消耗率变化曲线

依据图6，航行区间段的燃油消耗总消耗，是各样本点间隔时间段内燃油消耗的叠加，即：

其中， -航行区间段内总燃油消耗量，t；P_i-负载功率，kw； -样本点间隔时间段内的燃油消耗率，g/kw·h； -样本点时间间隔，h。因此，根据图7容易获得，逆水航行区间段，左舷6210ZLCZ-6柴油机总燃油消耗4.84t，右舷6210ZLCZ-6柴油机总燃油消耗4.76t，总燃油消耗9.6t，与实际测量耗油10.5t，二者悬殊8.57%，该燃油消耗测算方法与实际燃油消耗量具有良好的一致性。

4结果与讨论

4.1逆水航行工况能效优化前后分析

（1）负荷率

依据图3获得233个样本点负荷功率，各功率值所占比时间，如图7所示。左、右舷柴油机主机的运行负荷处于150kw~200kW之间的运行时间占总航行区间的89.67%，其运行负荷率仅为6210ZLCZ-6柴油机额定功率735kw的20.41%~27.21%，远低于设计负荷功率（额定功率的85%），处于严重低负荷航行，内河船舶柴油主机“大车小用”问题严峻。

如图4所示，逆水航行区间段内的负载率。由于船员频繁使用左舷主机实现船舶转向，左舷柴油机主机的负荷率波动峰值相比右舷较大，波动峰值为58.71%。因此，考虑内河航道水流急、船舶多、航道窄、频繁进出港以及洪水季等特殊性，内河船舶动力系统的脉冲功率峰值配备需冗余。因此，现有内河船舶采用单一柴油机主机作为动力系统，很难避免装机功率的“大车小用”问题。

图7逆水航行区间段柴油机各功率值时间占比

根据内河“新长江06006号”散货船所配备6210ZLCZ-6柴油机，各样本点的实际负荷，依据柴-电混合动力系统能效管理策略（见表2），进行能效分级管理。采用3.1节求解方法，容易获得，能效优化后的逆水航行负荷率变化曲线，如图8所示。由于该航行区间内，89.67%的航行时间所需负荷功率为150kw~200kW之间，左、右舷选用的柴油发电机负荷率在70%-80%之间。船舶航行所需功率脉冲峰值时（≥468kw），即采用混合动力推进，柴油机主机运行时间较短。

图8 逆水航行负荷率变化曲线（能效优化后）

（2）燃油消耗率

如图4和图6所示，逆水航行区间，6210ZLCZ-6柴油机负荷率越低，燃油消耗率越高。由于长时间低负荷运行，其燃油消耗率水平较差。以右舷柴油机主机为例，其平均燃油消耗率约250g/kw·h，高出额定负荷下的23%。

依据柴-电混合动力系统能效管理策略，能效优化后的逆水航行燃油消耗率变化曲线，如图9所示。由于长时间选用柴油发电机驱动电机推进，其平均燃油消耗率约202 g/kw·h。左、右舷柴-电混合动力系统燃油消耗分别为4.33t、4.24t，总燃油消耗8.57t，节省燃油量1.93t，节约近18.38%。

图9 逆水航行燃油消耗率变化曲线（能效优化后）

4.2顺水航行工况能效优化前后分析

（1）负荷率

“新长江06006号”散货船顺水航行区间段（涪陵至南京段），于2019年7月12日17:10起采用左舷柴油机主机推进，仅在狭窄特殊航道采用双主机推进。如图10所示，能效优化前，左舷柴油机主机负荷功率长时间处于70kw~100kW之间，仅为额定功率735kw的9.52%~13.61%。采用3.1节求解方法，容易获得能效优化后的顺水航行负荷率仿真变化曲线，如图11所示。该顺水航行区间内，左舷选用的柴油发电机处于1200r/min工作状态，其负荷率在70%-75%之间。

图10顺水航行区间段柴油机各功率值时间占比

（a）能效优化前

（b）能效优化后

图11 顺水航行负荷率变化曲线

（2）燃油消耗率

能效优化前后的顺水航行燃油消耗率变化曲线，如图11所示。能效优化前，左舷柴油机主机平均燃油消耗率约284g/kWh，高于额定负荷下的40%。左、右舷柴油机主机燃油消耗量分别为2.34t、 0.67t，总燃油消耗量3.01t，与实际燃油消耗量2.92t，二者悬殊仅3.1%，该燃油消耗测算方法与实际燃油消耗量具有良好的一致性。

依据柴-电混合动力系统能效管理策略，由于长时间选用柴油发电机驱动电机推进，其平均燃油消耗率约215 g/kw·h。左、右舷柴-电混合动力系统燃油消耗分别为1.99t、0.57t，总燃油消耗2.56t，节省燃油量0.36t，节约近12.33%。

（a）能效优化前

（b）能效优化后

图12 顺水航行燃油消耗率变化曲线

5结论

本文针对内河“新长江06006号”散货船动力系统与航行工况，采用电力推进辅助动力系统的设计方案，提出柴-电混合动力系统的能效分级优化策略，数值仿真试验分析负荷率与燃油消耗率。

（1）逆水、顺水航行区间，数值测算的燃油消耗量与实际燃油消耗量分别悬殊8.57%、3.1%，该燃油消耗测算方法与实际燃油消耗量具有良好的一致性；

（2）能效优化后，逆水、顺水航行区间，左、右舷动力系统的负荷率从25%、12%，均提升至70%-80%；左、右舷动力系统的燃油消耗分别节省了1.93t、0.36t，节省率分别为18.38%、12.33%。

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作者简介：赵红品（1993年5月-），男，本科，工程师，研究方向：船舶动力系统设计。

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