拖輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

1 前 言

全球氣候變化使節(jié)能、環(huán)保日益成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。船舶方面由此提出了綠色船舶的概念。隨著技術(shù)的進(jìn)步、研究的深入，綠色船舶的解決方案也是多途徑、多方位的。如從船體伐型設(shè)計(jì)的優(yōu)化、主機(jī)的優(yōu)化、動(dòng)力裝置的優(yōu)化、船舶電路的優(yōu)化等等。但綜合而言，動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)則最為關(guān)鍵。下面，我們以某型應(yīng)用混和動(dòng)力的港作輪船的動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化過程為例，進(jìn)一步從理論和方法上為綠色船舶概念，提供可行性依據(jù)及解決方案。

“綠色船舶”的關(guān)鍵技術(shù)是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，本文以此為切入點(diǎn)，打造“綠色拖輪”，使用蓄電池為拖輪提供輔助能量，研究拖輪動(dòng)力系統(tǒng)匹配性能的優(yōu)化。盡最大的可能降低油耗和排放，實(shí)現(xiàn)零污染的目標(biāo)，同時(shí)也大大改進(jìn)船舶的控制機(jī)能，確保安全運(yùn)營。

港內(nèi)作業(yè)的拖輪是輔助大型船舶靠離港口、護(hù)航、救助、消防、移泊等功能的多用途船舶。拖輪的機(jī)艙配備有大功率的中速或高速柴油機(jī)，甲板裝有拖曳設(shè)備，各機(jī)械設(shè)備安裝較為緊湊，拖輪機(jī)艙相對(duì)狹小。拖輪在大部分時(shí)間內(nèi)處于待命和機(jī)動(dòng)航行工況狀態(tài)，頂推拖拽作業(yè)所占的時(shí)間比例較小，主推進(jìn)柴油機(jī)常處于怠速狀態(tài)，從而導(dǎo)致多數(shù)工況下，船舶主推進(jìn)柴油機(jī)功率過分冗余。

相比于其他船舶的工作循環(huán)，拖輪的工作循環(huán)相對(duì)穩(wěn)定且有規(guī)律可循，如果采用混合動(dòng)力推進(jìn)方式，即采用柴油機(jī)、電機(jī)(有時(shí)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，有時(shí)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài))和蓄電池儲(chǔ)能裝置的驅(qū)動(dòng)方式，可以減少柴油機(jī)的裝機(jī)容量。通過電機(jī)與柴油機(jī)的適當(dāng)配合，幾乎在所有工況點(diǎn)下都可以實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)，從而降低柴油機(jī)的燃油消耗和排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

2 混合動(dòng)力拖輪的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 傳統(tǒng)拖輪推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)港作拖輪根據(jù)工況要求，一般會(huì)設(shè)計(jì)成Z型傳動(dòng)，系統(tǒng)由兩大部分組成，舵槳推進(jìn)系統(tǒng)和全回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。舵槳推進(jìn)系統(tǒng)包括主機(jī)、離合器、軸系、舵槳等裝置。全回轉(zhuǎn)槳系統(tǒng)主要包括液壓馬達(dá)及轉(zhuǎn)舵操縱控制機(jī)構(gòu)，主要作用是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流罩的轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)船舶的360°全回轉(zhuǎn)，提高船舶的機(jī)動(dòng)性。

2.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)的分類

綜合考慮港口作業(yè)拖船的實(shí)際工業(yè)，即在港區(qū)作業(yè)過程中，大部分時(shí)間工作在中、低負(fù)荷狀態(tài)，且常態(tài)化變速運(yùn)行。配合優(yōu)化后的控制策略，最終可以使混合動(dòng)力系統(tǒng)中的主推進(jìn)柴油機(jī)一直運(yùn)行在最優(yōu)負(fù)荷點(diǎn)附近，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

依照主動(dòng)力源、輔助動(dòng)力源電氣與機(jī)械聯(lián)接形式；混合動(dòng)力系統(tǒng)可以分為串聯(lián)方式、并聯(lián)方式與混聯(lián)方式三種。由于篇幅所限，本文僅介紹混聯(lián)方式。

圖1 采用混聯(lián)方式推進(jìn)的系統(tǒng)

采用混聯(lián)方式推動(dòng)的混合動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)、蓄電池、發(fā)電機(jī)、變頻器、電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、螺旋槳等設(shè)備組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

該系統(tǒng)具有串聯(lián)推進(jìn)方式和并聯(lián)推進(jìn)方式兩者的長處，動(dòng)力源為柴油機(jī)與電動(dòng)機(jī)，柴油機(jī)的輸出功率一部分在并聯(lián)方式下經(jīng)齒輪箱驅(qū)動(dòng)螺旋槳，另一部分在串聯(lián)方式下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電用于給蓄電池充電。由此可見，混合動(dòng)力系統(tǒng)采用混聯(lián)式能充分發(fā)揮其他兩種推進(jìn)方式的長處，使船舶柴油機(jī)自始至終運(yùn)行在最佳的功率負(fù)荷區(qū)，進(jìn)而達(dá)到較高的工作效率。

混聯(lián)方式推進(jìn)的系統(tǒng)比其他兩種推進(jìn)系統(tǒng)復(fù)雜，成本相對(duì)較高，船舶的設(shè)計(jì)、建造以及設(shè)備的布置都比較困難，同時(shí)對(duì)船舶的自動(dòng)控制、狀態(tài)模式切換等要求甚高。

2.3 混合動(dòng)力拖船推進(jìn)系統(tǒng)的物理模型

三種聯(lián)接方式，具體選擇要根據(jù)運(yùn)行工況、拖船的設(shè)備布置、船東用戶的使用習(xí)慣及船舶的作業(yè)模式來決定。

拖船的日常作業(yè)模式一般是四種，即電動(dòng)機(jī)單獨(dú)作用、柴油機(jī)單獨(dú)作用(不為蓄電池充電)、柴油機(jī)單獨(dú)作用(為蓄電池充電)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。

主推進(jìn)柴油機(jī)可通過離合器直接推動(dòng)螺旋槳實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)，此時(shí)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，發(fā)出的電能輸送給蓄電池組。當(dāng)主推進(jìn)柴油機(jī)不工作時(shí)，可以利用蓄電池組帶動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電力推進(jìn)，此時(shí)電機(jī)以電動(dòng)機(jī)方式工作，即電機(jī)兼顧發(fā)電機(jī)組和電動(dòng)機(jī)兩用。用電機(jī)或?qū)ｉT的發(fā)電機(jī)組為蓄電池補(bǔ)充電能，作為應(yīng)急情況下的能量補(bǔ)給，同時(shí)蓄電池組也能通過接通岸電進(jìn)行電能補(bǔ)給。如圖2所示。

圖2 混合動(dòng)力拖船推進(jìn)系統(tǒng)

電機(jī)運(yùn)行性能優(yōu)于柴油機(jī)，其采用現(xiàn)代電氣傳動(dòng)的PWM控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制策略等，沒有空載和怠速的運(yùn)行模式，能進(jìn)行無級(jí)平滑調(diào)整并回收制動(dòng)能量。蓄電池的使用可以有效的防止柴油機(jī)排放黑煙(特別是船舶突加或突減載荷的時(shí)候)，有利回收動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)能量可逆轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化拖輪電站功能、改善電站供電質(zhì)量和可靠性，極大地提升了拖輪的續(xù)航能力。

3 混合動(dòng)力拖船的模擬設(shè)計(jì)

3.1 油耗模型

(1)燃油消耗模型

假設(shè)柴油機(jī)的需求功率為Pd，則負(fù)荷百分比Pj為:

Pj=(Pd/Pe)*100%

(1)

式中Pe的取值與柴油機(jī)的選型功率有關(guān)，對(duì)原拖輪取值為1618kW，對(duì)新設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力拖輪取值為1000kW。

根據(jù)主推進(jìn)柴油機(jī)機(jī)型的負(fù)荷特性曲線進(jìn)行描點(diǎn)，從而得到在不同負(fù)荷百分比下的燃油消耗率，見表1。

表1 柴油機(jī)的燃油消耗率及其負(fù)荷百分比的關(guān)系表

使用線性內(nèi)插/外推法得到負(fù)荷百分比這p的燃油消耗率ge，單位是g/(kw·h)。從而，建立1-D查詢表，如圖3所示。

(2)

式中：ge1表示負(fù)荷百分比為p1時(shí)所對(duì)應(yīng)的燃油消耗率。ge2表示負(fù)荷百分比為p2時(shí)所對(duì)應(yīng)的燃油消耗率。

港口作業(yè)拖輪所使用的是輕油，其密度為ρ=860g/L，則可以得到此時(shí)的每秒鐘燃油消耗量ge′為：

(3)

圖3 油耗模型計(jì)算模型

式中：ge′的單位為L/S。

通過對(duì)時(shí)間的積分便可以計(jì)算燃油消耗量fL。

(4)

式中：fL的單位為L。

計(jì)算的燃油消耗結(jié)果存在MATLAB的工作空間，通過燃油消耗的結(jié)果即可計(jì)算排放。

3.2 排放模型

符合MARPOL公約附件中關(guān)于NOX排放限值的IMO TierII標(biāo)準(zhǔn)。于是，計(jì)算NOX、SOX、CO2的排放。

①NOX排放

N+O2→ NOX

(5)

7.4338×p+12.275]÷3600}dt

(6)

式中：fNOX單位為g；Pd為需求功率；P為負(fù)荷百分比。

②SOX排放：

S+O2→SOX

(7)

(8)

式中：fSOX單位為g；s代表燃油中的含硫分，單位為%。

③CO2排放：

C+O2→CO2

(9)

(10)

式中：fCO2單位為g；Cf表示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)。

由于港口作業(yè)的拖輪使用的是輕燃料油(LFO)，根據(jù)表可知，Cf的取值為3.15104，于是根據(jù)公式(3-6)、公式(3-8)、公式(3-10)即可建立如圖4所示的排放模型。

3.3 電池模型

蓄電池計(jì)算模塊如圖所示，其荷電狀態(tài)SOC初始值設(shè)定為100%。

(1)充電模型

此作業(yè)模式是將柴油機(jī)發(fā)現(xiàn)的多余功率用于給聚合物鋰離子電池補(bǔ)充電能，多余的功率除以直流電壓可以得到充電電流(直流電壓需要轉(zhuǎn)換為380v的交流線電壓進(jìn)行輸出)，進(jìn)面通過電流源給聚合物鋰離子電池補(bǔ)充電能。充電前設(shè)置一個(gè)開關(guān)來控制電池的功率需求，如果功率需求大于零，則零將流過開關(guān)，電池不會(huì)充電；如果功率需求為零，則充電電流將流經(jīng)選擇開關(guān)對(duì)聚合物鋰離子電池充電，充電模型如圖5所示。

(2)放電模型

本文中，聚合物鋰電池的放電控制將使用到絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，其導(dǎo)通與關(guān)斷需要根據(jù)系統(tǒng)的功率需求來決定。電力器件IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用脈沖寬度調(diào)制PWM控制技術(shù)，它的原理自采樣控制理論。如果功率需求高，則占空比也比較大，本文假設(shè)電池需求電壓V，電池電壓用VB表示，電阻用R表示，功率需求用P表示，占空比用D表示，于是存在：

(11)

在放電模型中，占空比D限制為0.9(任意值)，再通過比較器，當(dāng)載波(鋸齒波)信號(hào)值低于調(diào)制信號(hào)值(計(jì)算所得的占空比)時(shí)，則電力器件IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)ton；當(dāng)載波信號(hào)值高于調(diào)制信號(hào)值時(shí)，電力器件IGBT處于關(guān)斷toff。

在放電模型中可以通過改變電阻的阻值來調(diào)整占空比，由圖電池模型可知，對(duì)應(yīng)618kW的電壓最大值為592.1595V，則不難算出電阻值R為：

圖4 排放模型

圖5 電池的充放電模型

(12)

4 對(duì)模擬系統(tǒng)的優(yōu)化

4.1 確定優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

在此引入“混合度”的概念，定義“混合度”為永磁同步電機(jī)的功率占總功率的比值，用符合HF表示。

(13)

式中：PEM為永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率(kW)；PDE為柴油機(jī)的功率(kW)；

在混合度HF=0.38的情況，當(dāng)混合度HF選用其他數(shù)值時(shí)，即主機(jī)功率、永磁同步電機(jī)功率等設(shè)備選擇其他備選參數(shù)時(shí)，需要對(duì)各備選設(shè)備進(jìn)行組合選型。混合動(dòng)力拖輪是由多個(gè)設(shè)備構(gòu)成的高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，需要考慮的設(shè)備參數(shù)較多，不可能做到對(duì)所有設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，又因?yàn)閷?shí)際工程中各個(gè)設(shè)備之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系，因此必須綜合各主要機(jī)械設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行同時(shí)優(yōu)化選型，這對(duì)混合動(dòng)力拖輪的性能非常重要。本文應(yīng)用NSGA—II優(yōu)化算法對(duì)混合動(dòng)力拖輪主要設(shè)備進(jìn)行選型，以滿足原拖輪正常作業(yè)時(shí)的功率需求為基準(zhǔn)，選出備選設(shè)備的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合動(dòng)力托辦各主要設(shè)備選型的全局優(yōu)化，使燃油消耗和排放較傳統(tǒng)拖輪大大降低。

4.2 優(yōu)化目標(biāo)的確定

在滿足拖輪日常工作性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能的使燃油消耗量、廢氣排放量以及全船總重量得到優(yōu)化。通常情況下，拖輪廢氣排放的大小受燃油消耗多少的影響。因此，本文將燃油經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備重量性作為優(yōu)化目標(biāo)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(14)

式中：ffuel(X)、fweight(X)分別代表燃油消耗量、主要設(shè)備的重量；X包含系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格和能量管理方法參數(shù)；Ω為解空間；tj(X)≥0是對(duì)混合動(dòng)力拖輪設(shè)備及全船整體性能的約束函數(shù)；本文在考慮聚合物鋰電池的穩(wěn)定性、可靠性和生命力的情況下，將蓄電池荷電狀態(tài)SOC值的變化作為約束條件，使SOC值始終在[40%，90%]區(qū)間內(nèi)變化，從而使電池組避免了過分充電與過分放電，延長了電池組的使用壽命。

4.3 遺傳算法部分參數(shù)的確定

種群大小(population size)N決定了優(yōu)化過程的搜索范圍和運(yùn)算效率，如果增大種群規(guī)模N的值，則遺傳算法會(huì)搜索到很多的點(diǎn)，使優(yōu)化過程不會(huì)過早收斂，進(jìn)而得到預(yù)期的效果。但是N的增大勢(shì)必會(huì)增大優(yōu)化計(jì)算的時(shí)間，使計(jì)算效率大打折扣。所以，種群規(guī)模N的取值不能太大或太小，本文經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)測(cè)試后選取N=50。進(jìn)化的迭代次數(shù)(number of generations)根據(jù)大量的試驗(yàn)測(cè)試后，選取G=100。在算法優(yōu)化中，通過交叉步驟(crossover)和變異步驟(mutation)會(huì)產(chǎn)生新的子代個(gè)體，增大了群體的多樣性。其中，交叉過程是遺傳算法從種群個(gè)體中搜索優(yōu)良基因并組合搭配到子代個(gè)體，本文選用高效率且高魯棒性的BLX-α混合交叉算子，為了在開發(fā)征與利用之間得到最佳的權(quán)衡，本文設(shè)定BLX-αparameter=0.5。變異過程則是任意選擇群體中某個(gè)個(gè)體，改變其串值，正是由于該過程的存在，使得種群個(gè)體的適應(yīng)度值更高。如果變異概率取值過大，會(huì)破壞種群個(gè)體優(yōu)良基因，如果取值過小會(huì)使優(yōu)化計(jì)算出現(xiàn)過早收斂。因此，在本文中設(shè)定遺傳算法的變異概率(mutation probability)值為10%。另外，設(shè)定優(yōu)化算法中設(shè)計(jì)變量的染色體長度取值為5。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)拖船作業(yè)模式的分析，提供混合動(dòng)力推進(jìn)“綠色船舶”的優(yōu)越性和設(shè)計(jì)方案，由此建立了系統(tǒng)計(jì)算模型，并運(yùn)用NSGA-II優(yōu)化算法，對(duì)“混合動(dòng)力拖進(jìn)行優(yōu)化”。該解決方案完全可延伸至多種性能目標(biāo)。本文的研究為多能源混合動(dòng)力推進(jìn)模式設(shè)計(jì)，與運(yùn)行提供了理論依據(jù)和工程解決方案，為綠色船舶的發(fā)展做出相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備。