◎ 占雷 曾萬鵬 葉城 郭國凡 安徽省皖江船舶檢驗(yàn)局

目前世界范圍內(nèi)的船舶動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)主要是柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，伴隨著污染問題、能源問題、動(dòng)力系統(tǒng)等問題，國際上外海船舶已經(jīng)在逐步新能源化，如LNG動(dòng)力船舶，油電混合動(dòng)力船舶，純電游艇、客船、公務(wù)船等等。歐洲內(nèi)河船舶更是6 0%的純電化，因此，船舶這一傳統(tǒng)行業(yè)將逐步新能源化，最終解決全球環(huán)保問題。在國家“雙碳”承諾下，能源清潔化成為大勢所趨，新能源船舶建造檢驗(yàn)項(xiàng)目的積極實(shí)施，是安徽省船舶檢驗(yàn)局、皖江船舶檢驗(yàn)局響應(yīng)能源清潔化重大國家戰(zhàn)略，適應(yīng)國內(nèi)航運(yùn)市場發(fā)展需求、服務(wù)社會(huì)的重大舉措。

1.純電池動(dòng)力船舶簡介

1.1 船舶主要尺度

“港航船途01”集裝箱船，總長73米，型寬13.8米，型深4.6米，設(shè)計(jì)吃水3.4米，設(shè)計(jì)航速12公里/小時(shí)，平均航速8公里/小時(shí)，設(shè)計(jì)集裝箱裝載量為105TEU,詳見表1。在船舶艉部裝配2套鋰電池集裝箱，內(nèi)部安裝磷酸鐵鋰電池。實(shí)船見圖1。

圖1 實(shí)船照片

表1 73米內(nèi)河純電動(dòng)集裝箱船舶主要參數(shù)

1.2 電池動(dòng)力系統(tǒng)介紹

整個(gè)系統(tǒng)配置共接入1個(gè)鋰電池集裝箱并配置1個(gè)備用的鋰電池集裝箱，一用一備以保證船舶的續(xù)航里程和系統(tǒng)的冗余性。每個(gè)鋰電池集裝箱配備2 組電池，每組容量770kWh，單個(gè)鋰電池集裝箱電池容量為1540kWh，整船鋰電池容量共計(jì)3 0 8 0kWh。經(jīng)過集中式的直流母線變頻電控設(shè)備在直流母線進(jìn)行并網(wǎng)，驅(qū)動(dòng)2臺(tái)10 0kW 的永磁推進(jìn)電機(jī)。直流母線變頻電控設(shè)備將提供2個(gè)50kVA的日用電源，一用一備，為船舶日用負(fù)載提供高品質(zhì)的日用交流電源。

船舶電力系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖2。

圖2 船舶電力系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.3 其他情況

聯(lián)合武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)，利用高校資源，對項(xiàng)目船進(jìn)行了船模拖曳水池實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化線型和舵槳匹配見圖3。

圖3 船模試驗(yàn)

圖4 箱式移動(dòng)電源

1.3.1采用高強(qiáng)度鋼板

主船體使用CCSA H36高強(qiáng)度鋼板，減輕空船重量。實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化，貨艙區(qū)域縱骨架式，全船只設(shè)有一個(gè)貨艙，貨艙區(qū)無橫艙壁，滿足大開口船規(guī)范要求。

1.3.2采用直流組網(wǎng)+電池?cái)夭ǖ姆桨?/p>

采用電力電子器件進(jìn)行主動(dòng)控制，由功率管理系統(tǒng)（PMS）進(jìn)行功率分配，保證每組鋰電池有相同的放電深度，延長鋰電池組的使用壽命。同時(shí)，如果有某組鋰電池發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況切斷該組電池或者限制故障電池組的功率，再由剩余鋰電池組平均分配剩余功率，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠度。

1.3.3采用箱式移動(dòng)電源

集裝箱式移動(dòng)電源容量最大可達(dá)15 4 0kWh，具備高能量密度集成、全方位安全防護(hù)、智能遠(yuǎn)程監(jiān)控等核心技術(shù)。

1.3.4采用永磁同步電機(jī)

永磁電機(jī)節(jié)能、效率高，永磁同步電機(jī)的外特性效率曲線相比異步電機(jī)，其在輕載時(shí)效率較高，這是永磁同步電機(jī)在節(jié)能方面，相比異步電機(jī)最大的一個(gè)優(yōu)勢。節(jié)能對于新能源船舶意義重大，意味著在不增加電池組容量的情況下，同等工況下，采用永磁電機(jī)的船舶可比采用異步電機(jī)的船舶續(xù)航里程適當(dāng)增加。

2.純電池動(dòng)力船舶建造注意事項(xiàng)

2.1 審圖工作

73米內(nèi)河純電動(dòng)集裝箱船舶建造檢驗(yàn)項(xiàng)目是安徽省首艘新能源純電動(dòng)內(nèi)河集裝箱船，結(jié)合73米內(nèi)河純電動(dòng)集裝箱船舶審圖工作。其中重點(diǎn)問題如下：

1）項(xiàng)目船重要設(shè)備持證清單，尤其是箱式電源的取證時(shí)間問題，是否影響船舶的施工進(jìn)度。

2）其他省份純電池動(dòng)力船箱式電源有沒有通用性的問題。

3）純電池動(dòng)力船的航程、航速與電池容量的富裕度問題，特別考慮長江段和待閘時(shí)間的耗電量；動(dòng)力電池容量計(jì)算，請根據(jù)航段的水文情況分段計(jì)算，特別考慮實(shí)際船閘等待時(shí)間，長江汛期航段（裕溪口至朱家橋碼頭）逆水航行的耗電量問題，請?jiān)O(shè)計(jì)公司確認(rèn)。

4）項(xiàng)目船完工后系泊試驗(yàn)、航行試驗(yàn)大綱的編制問題，因大綱的編制目前無依據(jù)，需要各方充分商討，群策群力編制滿足各方要求的試驗(yàn)項(xiàng)目。

5）箱式電源與船舶結(jié)構(gòu)穩(wěn)性設(shè)計(jì)，船舶推進(jìn)系統(tǒng)以及駕駛室監(jiān)控系統(tǒng)端口銜接問題。

6）備用箱式電源換電模式問題。

7）消防工況時(shí)是采用2臺(tái)推進(jìn)電機(jī)降速運(yùn)行還是停止一臺(tái)推進(jìn)電機(jī)的方式，為達(dá)到這一要求時(shí)，是采用人工還是系統(tǒng)自動(dòng)，請?jiān)O(shè)計(jì)公司和設(shè)備廠家確認(rèn)。

8）直流母排系統(tǒng)短路試驗(yàn)報(bào)告，編制試驗(yàn)報(bào)告記錄表格，驗(yàn)船師參與試驗(yàn)全過程，由設(shè)備廠家確認(rèn)。

2.2 開工前要注意問題

1）最好組織召開開工技術(shù)交底會(huì)議，船東、設(shè)計(jì)公司、船廠、船檢四方對建造過程中注意的重點(diǎn)、難點(diǎn)事項(xiàng)達(dá)成一致意見。

2）根據(jù)項(xiàng)目船結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及船廠起運(yùn)設(shè)備確定船體共設(shè)多少個(gè)分段。

3）確定檢驗(yàn)項(xiàng)目表和重要的檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。由船廠會(huì)同船東、設(shè)計(jì)單位、電力推進(jìn)系統(tǒng)供應(yīng)商制定，五方共同確認(rèn)，報(bào)船檢審核。

4）確定系泊試驗(yàn)項(xiàng)目及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。請船廠、船東、電力推進(jìn)系統(tǒng)供應(yīng)商、電池供應(yīng)商、船舶設(shè)計(jì)公司制定相關(guān)大綱，報(bào)船檢審核確認(rèn)。

2.3 其他注意事項(xiàng)

1）該項(xiàng)目船航線沿途橋梁和巢湖閘、裕溪口閘限高影響，已在初步圖紙?jiān)O(shè)計(jì)審核階段將艏樓二層變更為一層。

2）考慮到長江汛期水流較大的因素，保障項(xiàng)目船長江段過江的操作性能要求，審圖階段提出兩臺(tái)推進(jìn)電機(jī)由80KW變更為100KW。

3）主流母排通過隔離開關(guān)分成A/B匯流排，項(xiàng)目新增直流母排每一個(gè)匯流排的絕緣檢測試驗(yàn)。

4）增加斬波器、推進(jìn)逆變器、日用逆變器功率模塊的過電流延時(shí)和瞬時(shí)保護(hù)報(bào)警效用試驗(yàn)。

5）電池加載負(fù)荷試驗(yàn)現(xiàn)場試驗(yàn)困難，變通為推進(jìn)電機(jī)加載負(fù)荷試驗(yàn)的辦法。

6）考慮到項(xiàng)目船額定輸出功率200KW，船廠的實(shí)際條件，負(fù)荷試驗(yàn)負(fù)載采用拉纜繩方式實(shí)施。

7）箱式電源報(bào)警點(diǎn)測試SOC低報(bào)警做詳細(xì)，按照審批圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的三擋報(bào)警模式進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

8）箱式電源緊急切斷按鈕為駕駛室遙控和就地兩種形式，項(xiàng)目表分開編制，現(xiàn)場效用試驗(yàn)分開做。

9）增加日用負(fù)載端最大功率設(shè)備（消防泵）啟動(dòng)，電網(wǎng)的適應(yīng)性試驗(yàn)（日用配電板異常失電）。

10）航行試驗(yàn)推進(jìn)電機(jī)額定負(fù)荷輸出時(shí)，項(xiàng)目船大舵角回轉(zhuǎn)，測試電網(wǎng)的極限穩(wěn)定性（項(xiàng)目船無過載報(bào)警全船失電）。

1 1）增加經(jīng)濟(jì)航速耗電量的記錄，航行試驗(yàn)增加航程距離的記錄，以便核對電量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.建造過程出現(xiàn)的問題分析與建議

問題1 描述：日用交流配電板啟動(dòng)大負(fù)載供電時(shí)電網(wǎng)的適應(yīng)性檢驗(yàn)，現(xiàn)場啟動(dòng)消防泵會(huì)出現(xiàn)交流配電板異常斷電現(xiàn)象。

問題分析：日用交流配電板額定容量30KW，消防泵功率7.5KW，啟動(dòng)電流峰值大于變頻器設(shè)定的額定電流，日用交流配電板失電。

解決方法：消防泵啟動(dòng)形式改為星三角啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于變頻器設(shè)定的額定電流，失電故障消除。

問題2描述：項(xiàng)目船推進(jìn)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速航行，大舵角全回轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)力電池失電。

問題分析：電池?cái)夭K的最大放電限制電流設(shè)置為1 5 0 A，僅僅相當(dāng)于額定功率。在滿功率大舵角操作時(shí)，出現(xiàn)了短時(shí)間的過載。此時(shí)斬波模塊的電流達(dá)到了最大的150A，仍然無法平衡由于電動(dòng)機(jī)短時(shí)間過載所需要的功率，導(dǎo)致直流母線電壓下降。當(dāng)直流母線電壓下降到欠壓保護(hù)值487V時(shí)，整個(gè)直流配電板的所有功率模塊因欠壓故障停止運(yùn)行。

解決方法：根據(jù)實(shí)際需求，電池?cái)夭K的最大放電限制電流設(shè)置從初始的150A設(shè)定到170A，這樣可以有效增大電池組約15%輸出能力，確保滿足推進(jìn)電動(dòng)機(jī)短時(shí)間過載的要求。當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)達(dá)到額定功率時(shí)，繼續(xù)增大推進(jìn)功率時(shí)，直流變頻控制系統(tǒng)會(huì)做出功率限制的警告提示。

4.后期展望

（1）臨時(shí)應(yīng)急電源布置方面，因項(xiàng)目船未艏駕駛，臨時(shí)應(yīng)急電源擺放至頂棚甲板上，現(xiàn)場黑船試驗(yàn)，會(huì)影響到船艉箱式電源BMS系統(tǒng)自檢供電，后期應(yīng)單獨(dú)設(shè)置箱式電源的啟動(dòng)電源。

（2）機(jī)艙推進(jìn)電機(jī)齒輪箱滑油泵噪聲大，后期設(shè)計(jì)可以采用啟動(dòng)時(shí)采用電機(jī)滑油泵，推進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)采用機(jī)帶滑油泵替代的形式，可以大大降低機(jī)艙噪音。

（3）推進(jìn)電機(jī)齒輪箱滑油潤滑，應(yīng)設(shè)置油溫監(jiān)測裝置。

（4）增加經(jīng)濟(jì)航速耗電量的記錄，航行試驗(yàn)增加航程距離的記錄，以便核對電量是否滿足設(shè)計(jì)要求。