大功率拖轮油电混合动力系统研究.docx
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1、摘要:本项目开展的大功率拖轮油电混合动力系统的关键技术研窕,能有效解决由于拖轮作业特点造成的柴油机长期低负荷工况下的燃烧不充分、设备工况恶化与油耗浪费、排放恶化等问题,在拖轮全工况运行范围内,选择合理运行模式,最大限度地使主机运行在最佳最经济工况点,有效提高动力系统效率、大幅度降低C02和NoX排放、减少港口污染。1.技术概况IM0防止船舶造成空气污染规则附则制定了分阶段的船舶NOx排放限值和燃料含硫量限值标准。我国也在积极推行节能减排相关政策,交通运输部于2018年12月10日公布了船舶大气污染物排放控制区实施方案,在2015年8月出台的船舶与港口污染防治专项行动实施方案基础上对排放控制区地
2、理范围、污染物控制范围、排放控制标准、实施时间、实施要求等方面进行了调整,降低了船舶硫氧化物、氮氧化物、颗粒物和挥发性有机物等大气污染物的排放。其中,沿海排放控制区由此前的珠三角、长三角、环渤海(京津冀)三个排放控制水域扩大到全国沿海12海里以及海南水域;内河控制区包含长江干线(云南水富至江苏浏河口)、西江干线(广西南宁至广东肇庆段)的通航水域;从控制区要求看,2019年1月I日起,海船在排放控制区应使用硫含量不大于0.5%mm的船用燃油;2020年1月1日起,船舶在内河控制区应使用硫含量不大于0.1%mm的船用燃油;2022年1月1日起,海船在沿海控制区海南水域应使用硫含量不大于0.1%mm
3、的船用燃油。同时增加了对NoX排放的控制要求。如何对应管理规范实现有效减排,大功率油电混合动力系统首次实现了非1.NG动力船舶的排放达标。拖轮相对集中在港口进行作业,是港口重要的排放源。国内港口从二十世纪70年代中后期开始引进全回转拖轮,绝大部分采用柴油机直接推进型式,动力系统一般按主机100%功率进行设计,以保证拖轮作业时具备强劲的拖力或推力。但由于其作业特点,拖轮每天大部分工作时间内主机处于低负荷运行状况。由图1典型拖轮负荷曲线可见,在近80%的时间内,柴油机运行在20%负荷以下。拖轮长期在低负荷状态下运行,导致柴油机燃烧不充分,油耗高、排放差,另外长期低负荷运行对柴油机的使用寿命也会产生
4、不利影响。图1典型拖轮负荷曲线目前全国港口共有拖轮800余艘,其中上海港共有拖轮100余艘。国内拖轮在效率、排放、能耗、振动噪声舒适性、智能化水平等方面与国外先进技术有较大差距,尤其是动力系统等关键设备,如柴油机、舵桨、离合器等大都采用国外二十多年前的产品,性能指标低、操纵性差,拖轮建造初期投入及维护成本高,售后服务响应慢,长期以来,拖轮行业在产品、技术、制造、服务等方面受制于人。基于这些因素,当前急需国内能有自主知识产权的创新突破和技术升级,提升中国港口拖轮的技术含量和保障港口安全营运。2.技术原理油电混合动力系统是柴油机和电力混合推进的一种新型推进动力组合系统,分柴油机推进、轴带电机推进、
5、混合动力推进三种模式。其中,柴油机推进PTo(Powertakeout,轴带电机运行在发电状态输出功率工况)/PTI(Powertakein,轴带电机运行在电机状态输入功率工况)。轴带电机模式的油电混合推进动力系统是国外近几年广泛采用的新型推进型式。其中轴带电机既可以做发电机用PTO,也可以逆变成电动机PTl使用,有PTc)发电、PTH推进、PTI辅助推进三种工作模式。PTO发电模式是指船舶在经济航行工况运行时,利用主机常规推进,此时轴带电机工作在PTO状态,使得主机带动螺旋桨和轴带发电机运行,利用最少数量的辅机发电,实现动力系统的最经济运行;PTH推进模式是船舶低速、微速航行或主机故障时,将
6、辅机的电能通过配电板输送给轴带电机(PTI)实现电力推进工况;PTI辅助推进模式是当船舶阻力增大或需要加速航行时,轴带电机工作在PTI状态,与主机并车实现混合推进。油电混合动力系统在拖轮上的应用可满足拖轮多工况下经济运行的需求,有效提高动力系统效率、大幅降低排放。据测算,常规柴油动力300OkW港口拖轮年耗油量约450吨,排放量约为1440吨二氧化碳,若采用油电混合动力拖轮,年耗油量约为400吨,排放量约为1300吨二氧化碳,节能率和碳排放强度下降率均在10%以上。油电混合动力系统重点突破技术主要有:定距桨推进的拖轮油电混合动力系统集成设计技术、拖轮油电混合动力系统多工况控制策略技术、紧凑型低
7、背压排气综合治理系统设计技术、套轴异步电机变速发电技术、基于定距桨推进的油电混合动力系统拖轮船型设计及优化等关键技术。针对拖轮特点,开发油电混合动力系统,建立陆上联调试验台,开展混合动力系统关键技术验证,确保示范应用效果。在油电混合动力系统拖轮船型设计优化、布置设计基础上,将自主设计油电混合动力系统安装于示范船,并完成相关试验,各项性能指标满足要求,实现自主研制大功率拖轮油电混合动力系统在国内首次实船示范应用。研窕方案如图2所示。集成优化研究控制策略和控制系统研究关锭设备应用研究试验验证及实船应用研究技术研究能况究节工研距推系几技校定桨进统配本备化置究设优配研噪控技研布低声制术先工控策研先多况
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