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混合动力推进概念船

T. Vouml;lker

德国不莱梅应用科学大学

电子邮件：thorsten.voelker@hs-bremen.de

关键字：混合动力，电力传输，输电线路，电能质量，电压源变换器（vsc），船舶，电池，港口拖船，机动渡船

摘要：混合动力技术不仅仅是一个在电动汽车领域很流行的问题，。同样在船舶领域，也有一些项目用创新的驱动概念取代经过验证的柴油机械驱动。本文对混合推进概念在不同类型舰船上的可行性进行了研究，文章指出，船舶采用混合动力驱动系统是完全有可能实现节能的，在某些情况下，这甚至可以通过节省燃料来回报更高的投资。

引言：

混合驱动技术不仅对电动汽车的驱动系统很有吸引力。在船舶领域有几项活动是用新的驱动概念取代经过验证的柴油机械驱动。其触发因素首先是化石燃料价格的不断上涨，其次是从2015年1月1日开始，在所谓的硫排放控制区(SECA)实行更严格的排放标准。在此之后，许多沿海地区只能使用含硫量为0.1%的燃料，这意味着购买燃料的额外成本。

在船舶上使用电力推进与在汽车上使用电力驱动系统的最大区别在于制动能量的回收。螺旋桨与水之间缺乏直接的附着，使得船舶在制动过程中难以回收能量。与道路车辆相比，混合动力概念的使用会节省了更多的成本。

在本文中，将分析混合动力驱动概念在不同类型船舶上的可行性。

对于大部分时间以恒速行驶的船舶(如集装箱船)来说，用混合动力概念取代柴油机械驱动是没有意义的，因为柴油机械驱动针对这一操作进行了优化，然后获得了比柴油电动或混合动力系统更低的消耗。因此，本文对港口拖轮和机动渡轮未来可能的混合动力驱动概念进行了研究。所研究的概念包括柴油发电机、电力驱动和作为储能的电池。

这是第一次对研究船的实际情况进行评估，并在当地测量的基础上创建了一个典型的负荷分布。

重点对不同驱动概念的油耗进行进一步的研究，并以周期为基础计算得出相应的成本。研究了不同的混合驱动概念，并与传统的柴油机机械驱动和柴油机电力驱动进行了比较。

潜在的节约是基于柴油机在速度和功率方面的运行点的优化。低比油耗运行为节能提供了可能。这也需要重新考虑柴油发动机的制造商，因为发动机不是在一个恒定的速度运行。对于每一个需要的驱动动力，柴油发动机现在可以以最佳速度运行。然而，这需要一个二维特性的具体燃料消耗作为速度和功率的函数。

研究表明，在特殊情况下，船舶采用混合驱动系统可以节约成本。在某些情况下，即使是高得多的投资也可以通过节省燃料得到补偿。也许在未来，由于燃料价格的上涨和电池价格的下降，这样的混合动力概念将更有吸引力。

港口拖轮

首先研究了港口拖轮的混合动力概念。[2]

港口拖轮说明

图1：Bugsier 2，带推进器的港口拖船

被调查的港口拖轮是一艘拖拉机拖轮。这意味着它在船的前部有两个推进器(见图1)。港口拖船的主要任务是在港区拖曳大型船舶，如集装箱船。典型港口拖轮使用的典型负荷分布示在下一章中。

港口拖轮的负荷分布

图2中示出了示例性负荷分布。该负荷分布对应于实际操作。

图2：使用拖船拖曳的负荷分布

1：开车去拖船25%负荷

2：调整船75%负荷

3：在对抗风流或85%-100%负荷的动作中增加负荷。

4：协助下降低负荷50%

5：返回位置25%负荷

百分比装载时间如图3中的图表所示。如图3中的负荷剖面所示，港口拖船主要在部分装载状态下工作。这种高比例的部分负荷可以通过使用混合动力驱动系统来节省燃料。下一章将介绍混合驱动的概念。当使用一个以上的内燃机时，可以选择关闭一个驱动器，或者内燃机可以在部分负荷操作中以提高的效率运行。

图3：港口拖船的负荷分布

推进概念

在接下来的章节中，提出了柴油电力推进与电池混合运行的可能概念。

图4：混合动力推进概念

图4显示了港口拖轮的混合动力驱动概念。在这里，电力是由两台同步发电机产生的，由柴油发动机驱动，然后通过整流器送入直流母线。在这条直流母线上，驱动机器现在通过逆变器连接。此外，电池模块连接到DC总线。通过DC/DC转换器，电力可以存储在电池中，或者从电池向DC总线供电。

船舶上混合动力驱动系统的节约潜力在于，这种发动机用于比油耗较低的作业区域。

图5显示了Wauml;rtsilauml;6 L 26(2040kW)柴油发动机的比油耗。可以看出，与满载相比，部分负载下的比油耗增加了约25%。图5中的图形速度恒定。在变速的情况下(图4中描述的概念是可能的)，比油耗的差异可能会更大。

图5比油耗

混合动力推进系统的组成

对于现实中的概念，单个部件组成是使用现实港口拖轮的示例来设计的。

推进驱动器和其他用电器

对于具有两个驱动器的拖轮所需的拉力，每个驱动器的功率必须为2400kw。二次用户的耗电量约为200kw。这使得最大功率为5000kw。

柴油马达和蓄电池

由于负载范围为25%，在40%的时间内运行，因此电池性能取决于此值。该电源应由电池提供一小时，以支持孔循环的操作。因此，电池必须具有1250千瓦的能量和1250千瓦时的容量。

这些柴油发动机必须能够提供至少75%的最大功率，以便在最大牵引下可用。对于这两台柴油机，选择了Wauml;rtsilauml;6L26，每台输出功率为2040kW。

对于混合系统的电气部分的每个部件，假定效率如下(表1)。

表1：电气部件的效率

投资成本

下表2显示了与柴油-机械系统相比，不同推进概念的投资成本。

对于这些比较，预计每年的运行时间为2500小时(BH)。燃料成本假设为0.78欧元/公斤。每度电的成本采用9.11美分的价格。

现在对不同驱动方案与柴油机械方案和柴油电动方案的成本进行了比较。

通过降低柴油发动机在2500小时的比油耗，与柴油-机械概念相比，柴油-电动概念每年可节省29，250欧元，混合动力概念每年可节省46，800欧元和115，250欧元。由于使用公共电网的电力为电池充电，第二种混合动力概念的节省率是前者的两倍。与柴油机械概念相比，回收期远远超出了系统的预期寿命。(柴油-电动68年，混合动力车60年，混合动力车24.5年带有公网充电)

相比之下，与柴油电动概念相比看起来更好。这里是混合动力概念的回收期为47年，混合动力概念带有公共电网供电的回收期为12年。可以总结的是，只有在已经计划或已经安装柴油-电力系统的情况下，在港口拖船上使用混合推进系统才有意义。只有在使用公共电网电力为电池充电的情况下，才有可能实现现实的回报时间。

机动渡船

机动渡船是本文研究混合动力驱动系统的另一种船型。[3]

机动渡轮的介绍

机动渡轮Nordenham(简称：MF Nordenham)是一艘双端渡轮，由不来梅港Weserfauml;hre GmbH拥有，在韦瑟河上运营(图6)。

图6：机动渡轮Nordenham

机动渡轮目前由两个福伊特-施耐德螺旋桨驱动，这两个螺旋桨直接由两个燃气发动机驱动。

MF Nordenham行驶在不来梅港市和Blexen Nordenham区之间的Weser上(图7)。这次旅行包括了大约20分钟的时间。距离大约3公里。

图7：机动渡轮Nordenham的渡轮连接

表2列出了机动渡轮的功率要求。两个VoithSchneider螺旋桨每个都需要470千瓦的驱动功率，对于电气系统中的用户来说，大约需要50千瓦。

表2：功耗

下面的图8和9示了为机动渡轮调查的不同驱动概念。

图8：概念1和2

图9：概念3和4

所有的概念都包括一个带有同步发电机和额外电池作为储能的燃气发动机。概念1和概念2的不同之处在于，概念1和2将三相系统表示为船上的配电网络，而在类型3和类型4中则有直流电源。此外，电池的不同耦合。在概念1和2中，耦合发生在附加驱动器上，该驱动器耦合到燃气机和同步发电机之间的机械轴。在概念3和4中，电池的耦合通过DC/DC转换器直接连接到DC总线。

下表3显示了不同概念的燃气发动机和电池系统的性能以及电池的容量。

表3：驱动器概念

机动渡轮的负荷分布

为了根据MF Nordenham的功率要求设计驱动系统，有必要对其实际驾驶性能进行评估。

首先，创建横渡河流的典型负荷分布，这需要大约20分钟。

图10：VoithSchneider螺旋桨穿过不来梅港布莱克森的输入功率[kW]

图11：Voith-Schneider螺旋桨通过布莱森不来梅港的输入功率[kW]

图10和图11显示了从不来梅港到布莱克森再回来的游轮的典型负荷分布。

首先，每艘船都在港口附近装载部分货物进行操纵。2-3分钟后，功率增加到几乎满功率，用于穿越。

大约10分钟后，当接近港口时，电力会降低。当渡轮在支线时，功率降低到10%左右。负载条件的百分比可以在图12中看到。

图12：MF Nordenham的一个引擎的负载分布

下面的图13显示了四种不同的混合驱动概念与气体-机械系统的比较结果，这被描述为现状。

图13：机动渡轮驱动概念的比较

如果不考虑较高的投资成本，所考虑的任何概念都不会在此负荷剖面中带来节能。

即便如此，与气体机械系统相比，所有变种的耗电量都有所增加，而气体机械系统只是在电池容量较大的变种中，电池容量约为20%。

结论

总而言之，可以说，在某些情况下，在船舶上使用混合动力驱动系统是有意义的。

混合动力驱动概念提供了通过调整功率和速度来实现更低比油耗的可能性。这可能会产生很大的影响，特别是在部分负载范围内。

本文对港口拖轮和机动渡轮的不同混合动力驱动方案进行了研究，对于港口拖轮来说，混合动力推进系统的投资成本比柴油电力系统高出约820.000欧元。如果电池在每次运行后通过公共电网的电力充电，则只有在系统的生命周期内才能节省这些成本。但在两次操作之间的休息时间必须有足够的时间给电池充电。

第二种被调查的船只是机动渡轮。电动渡轮在不来梅港和布莱克森/诺德纳姆之间每隔20分钟运营一次。与港口拖轮相比，满载作业的时间是更长的。这是混合推进系统与气机系统相比不节能的主要原因。

最后，我要感谢Mr. Gouml;ttsche and Mr. Nikolai为这篇论文所做的准备工作，这是他们学士论文的一部分。

参考文献

[1] Vouml;lker, Thorsten: VDE-ETG-Kongress 2009 “Leistungselektronik in Netzen”, Duuml;sseldorf, bdquo;Regelung unsymmetrisch belasteter Inselnetze durch unabhauml;ngige Wechselrichter im Parallelbetrieb“

[2] Gouml;ttsche, D: bdquo;Untersuchung und Vergleich verschiedener Antriebskonzepte eines Schleppers“, Bachelor-Thesis, Hochschule Bremerhaven, Oktober 2012

[3] Nikolai, C: bdquo;Auswertung des Fahrverhaltens der Motorfauml;hre NORDENHAM und wirkungsgradorientierte Untersuchung von mouml;glichen zukuuml;nftigen Hybridantriebskonzepten“, Bachelor-Thesis, Hochschule Bremerhaven, September 2012

[4] Vouml;lker T., Raffel H., Orlik B.: Parallel Operation of thyristor- and IGBT-based HVDC“, EPE 2007, Aalborg

[5] Vouml;lker T., Orlik B.: “Zwischenkreis-spannungsregelung eines ruuml;ckspeisefauml;higen Frequenzumrichters fuuml;r unsymmetrische Netzspannungen”, SPS/IPC/DRIVES 2008, Nuuml;rnberg, Germany

[6] Jerzy Herdzik: “Problems of propulsion systems and main engines choice for offshore support vessels”, Scientific Journals Zeszyty Naukowe, 2013, 36(108) z. 2 pp. 45–50 2013, ISSN 1733-8670

[7] Bas Kwasieckyj: bdquo;Hy

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