重庆-上海散货船混合动力推进方案分析

周启学，赵洁，毛奇志，任晋宇

(1.武汉交通职业学院 船舶与航运学院，武汉 430065；2.武汉长江船舶设计院有限公司，武汉 430062)

干散货船目前是长江运输主力船型，占长江船舶总运力85%左右，承担着长江干线煤炭、金属矿石、钢铁、建筑沙石料等物品运输，其营运的经济性及环保性对船舶市场的发展和长江流域的环境保护具有深远意义。重庆—上海航线，航行在长江A、B、C级航区及J2航段，沿程水流速度和水流方向变化多，航行工况变化较大。尽管激流航段只占全航程约5%，但是为了保障航行的安全性，主机装机功率需满足该航段所需最大功率；也因此，在超过85%航程的上水和下水航段，主机只能长时间在低负荷或极低负荷下工作。主机偏离设计工况，长期在低负荷区间运行将带来油耗高、冒黑烟、排放差、维修量大等问题。由于目前长江干线无合适纯气体主机可选，双燃料主机低负荷燃气替代率也不理想，故所选 主机仅限于柴油机。为此，考虑对比分析，寻找一种适应多变工况的动力推进方案。

1 目标船

目标船在最大吃水6.2 m时，推进功率发出85%(最大持续功率)，船体清洁、深水、无风浪的条件下，航速不小于19.00 km/h，设双机双桨。单机装机功率为800～1 000 kW。

目标船航行工况见表1，目标船螺旋桨推进特性(双机双桨)见表2。

表1 目标船航行工况表

表2 螺旋桨推进特性(双机双桨)

2 工况分析

由表1目标船航行工况表可看到，在下水工况，船舶静水航速低于9 km/h，主机一直在低于10%的极低负荷率下工作。此时，主机燃烧不充分，油耗曲线陡升，经济性很差；排放差；维护保养时间增加。所以，主机直推方案不适合船舶下水工况。在上水工况，船舶静水航速约为13 km/h，负荷接近主机额定功率的20%，主机负荷率也比较低，留有较大的储备功率；排放和经济性也不太好。在上水激流航段和上水近海航段，航速较大，接近18 km/h，主机负荷率高，油耗低，排放好，工况优良。所以，柴油机主机直推方案尽管简单高效，但是在多变工况下存在较大的局限性。

电力推进方案可适应多变工况，能在推进电力和其他电力负荷中灵活分配能量，但能量全部经过电网传递，损耗大，电网设备投资也大，营运船舶对价格比较敏感，故暂不予考虑。

混合动力推进方案介于前两种方案之间，推进动力分别来自于主机直推和电力推进，既保留了主机直推的简单高效，兼有电力推进的灵活多变，电网投资也较电力推进降低了很多，不失为一种可取方案。

3 混合动力推进方案

混合动力推进方案主要由主机、推进电机、混合动力齿轮箱和发电机组组成。主机、推进电机双输入齿轮箱，共同驱动螺旋桨，发电机组为推进电机和其他船上电力负载供电。

混合动力推进方案，集成电力推进和常规推进的优点，通过引入可逆电机，在低负荷时采用电力推进模式(PTH)、主机轴带电机发电模式(PTO)，高负荷时采用常规直推模式、混合推进模式(PTI)，可有效提升主机、发电机组的负荷率。电网采用直流母排，可增配动力电池，航行时，用于推进动力削峰填谷；待闸停泊时，可用于日常供电，停止发电机组工作，减少污染物的排放及船员工作量。

混合动力推进模型见图1。

图1 混合动力推进模型

混合动力推进方案主要有以下运行模式：

1)PTI推进模式。主机和推进电机共同驱动螺旋桨，发电机组为推进电机及船上其他电力负载供电。此时船舶轴系输出功率最大，满足设计航速，主要用于急流航段和潮汐航段。主机、发电机组的负荷率最大，燃油消耗率低，运行工况好。

2)主机推进模式。主机驱动螺旋桨，电力负荷由发电机组供电，类似于常规动力系统。由于主机额定功率小于最大航速下轴系功率，因此主机负荷率有明显提高，燃油消耗率有明显下降，能够较好地发挥主机本身性能。

3)PTO推进模式。主机同时驱动螺旋桨和轴带电机，轴带电机发电，发电机组停止工作。可有效提升主机负荷率，提升船舶能效水平。在主机功率储备充足的情况下，PTO模式可广泛应用于日常航行工况，提升船舶经济性。

4)PTH推进模式。推进电机驱动螺旋桨，类似于电力推进系统。该模式可用于低速下行航段，避免主机运行在低效区间，提升船舶经济性。同时，在主机发生故障时，也可保证船舶具备动力冗余性，可航行至港口，避免阻塞航道。

4 混合动力推进与柴油机直推方案的综合比较

4.1 柴油机直推方案的优势

柴油机直推方案优势见表3。

由表3可见，柴油机直推方案作为经典的船舶动力，简单成熟稳定，具有天然的优势。

表3 柴油机直推方案优势

4.2 混合动力推进方案的优势

混合动力推进方案优势见表4。

由表4可见，混合动力推进作为新型的船舶动力，具有动力冗余、适应多变工况的特点；其电力推进(PTH)模式具有优良舒适性、机动灵活性，特别是如果发电机组采用LNG(液化天然气)气体发电机组，能将LNG应用到推进动力中，有利于改善能源结构，减少污染物排放，具有环保性。所以混合动力推进在船舶动力装置升级优化上具有优势。

表4 混合动力推进方案优势

4.3 两种方案不确定方面

柴油机直推与混合动力推进方案不确定方面见表5。混合动力推进比柴油机直推在燃料消耗经济性和运行维护的优劣需要具体分析，各自没有明显的优势。

表5 柴油机直推与混合动力推进方案不确定方面

5 混合动力推进与柴油机直推方案的经济性对比

各方案经济性对比见表6。

表6 各方案经济性对比

混合动力推进方案按照使用的燃料不同，可分为两种：主机燃用柴油、发电机组燃用柴油的称为油电混合动力推进方案，主机燃用柴油、发电机组燃用LNG(液化天然气)燃料的称为油电气混合动力推进方案。

5.1 柴油机直推方案

组成。2台882 kW柴油主机+2套50 kW柴油发电机组+1套250 kW柴油发电机组。

柴油主机通过齿轮箱直接驱动定距桨，柴油发电机组提供全船电力负荷，250 kW柴油发电机组用于进出港驱动电动首侧推和全船电力负荷。

5.2 油电混合动力推进方案

方案为柴油主机+推进电机+柴油发电机组。

组成为2台648 kW柴油主机+2台250 kW电机+3套230 kW柴油发电机组+1台停泊柴油发电机组。

柴油主机和推进电机双输入齿轮箱，齿轮箱输出带动轴系运转驱动定距螺旋桨，柴油发电机组提供推进电机、电动首侧推及全船电力。

5.3 油电气混合动力推进方案

方案为柴油主机+推进电机+LNG气体发电机组。

组成为2台648 kW柴油主机+2台250 kW电机+3套230 kW气体发电机组+1台停泊柴油发电机组+50 m气罐系统。

柴油主机和推进电机双输入齿轮箱，齿轮箱输出带动轴系运转驱动定距螺旋桨，气体发电机组提供推进电机、电动首侧推及全船电力负荷。50 m气罐系统供给LNG燃气。

5.4 经济性对比

因设备报价不完全准确,螺旋桨输入功率留有余量，各季节水流速度不同、能量传递效率有偏差，致使数据不完全精确，但是不影响采用数据分析的方法的结果趋势。

5.5 方案对比分析

5.5.1 方案二与方案一对比

由表6可知，方案二比方案一初投资增加259万元，每年燃料价格也增加19.4万元，无法收回成本。

在使用柴油燃料的前提下，油电混合动力推进方式的经济性不如柴油机直推方式。

5.5.2 方案三与方案二比较

方案三的发电机组使用气体机，并配置LNG气罐系统。由表6可知：方案三比方案一初投资增加较大，为617万元，但是，由于LNG燃料价格比柴油价格低，每年燃料价格减少79.3万元，约7.8年可望收回成本。此外，因为LNG能源的应用，船舶在通行三峡船闸时拥有“优先通行权”，可减少待闸时间8天/次左右，往返周期至少减少13 d，营运效率显著提高。

由上面比较分析，推荐采用油电气混合动力推进方案用于目标船。

6 结论

油电混合动力推进方案不仅没有解决柴油机直推方案油耗高的问题，还带来初投资高、设备繁多、系统复杂、操纵复杂、可靠性和安全性难以保障的不足，不建议使用在长江流域运输船上。

油电气混合动力推进方案由于引入LNG能源参与主推进系统，不仅给船东带来经济效益，而且响应国家生态优先、绿色发展长江的号召，减低有害物质的排放，具有节能减排的社会效益。

在实际应用中，还有待从多方面提高油电气混合动力推进方案的应用技术。如油电气混合动力推进的效率有待提高；油电气混合动力推进的操纵性有待提高；在PTO推进模式，轴带电机的工作稳定性有待提高等。

此外，随着LNG气体发动机技术的成熟和进步，适用于长江干线主机的LNG气体发动机正在研发中，在不久的将来，有望有更好的应用。