绿色混合动力拖轮现状及设计方案

张圣超，李亚楠，王驰明，肖晶晶

（1. 厦门港务船务有限公司，福建厦门 361012；2. 厦门理工学院 计算机与信息工程学院，福建厦门 361024）

0 引言

“既要绿水青山，也要金山银山。宁要绿水青山，不要金山银山，而且绿水青山就是金山银山。”——习近平于2013年9月7日在哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学的演讲。绿水青山和金山银山，一个是自然风景，一个象征财富，二者本没有什么关联，但习近平总书记巧用“绿水青山”和“金山银山”来作比，形象地揭示了环境保护和经济发展之间的关系。由此可见，党和国家对于全面加强生态环境保护态度鲜明，主要提出政策如下：

《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》《水污染防治行动计划》《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》《国务院关于印发“十三五”节能减排综合工作方案的通知》《长江经济带生态环境保护规划》《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015—2020年）》《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》《关于推进电能替代的指导意见》《国家发展改革委国家能源局关于印发能源发展“十三五”规划的通知》《国家发展改革委29号令——新增纯电动船舶及其电力推进技术为国家鼓励类产业》《中国船舶和港口空气污染防治白皮书》《深入推进绿色港口建设行动方案（2018—2022年）》《港口和船舶岸电管理办法》《智能航运发展指导意见》等。上述政策明确了船舶排放控制技术、船舶油电混合技术、船舶岸电技术等产业的顶层设计和规划，为未来船舶航运和建造的发展指明了方向。

2018年12月，厦门市政府颁发了《厦门市打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》（厦府办[2018] 367号），推进绿色海港建设，其中要求“新增、更换拖船全部使用清洁能源”。2020年07月，厦门市政府颁发《厦门市国家生态文明建设示范市规划（2020—2035年）》（厦府[2020]156号），推进生态文明城市建设，其中要求“严格按照有关规定加强船舶污染防治，开展区间航行船舶油电混合试点应用”。2020年8月，省工信厅等十部门联合印发《关于进一步加快新能源汽车推广应用和产业高质量发展推动“电动福建”建设三年行动计划（2020—2022年）》，旨在强化产业基础能力建设，坚持加快新能源汽车、储能电池和新能源装备的推广应用，推动产业高质量发展，建设“电动福建”。

综上，国家、省、市各级政策都对新能源的发展提供了强有力的支持。

1 绿色混合动力拖轮国内外现状

世界上建造拖轮的船厂主要集中在荷兰、挪威、英国、德国、新加坡、西班牙和中国等国家。近年来，为改进传统拖轮柴油机长期在低负荷运行、油耗高、排放差的情况，荷兰达门船厂、加拿大罗伯特设计公司等相继设计、建造了采用油电混合动力的新型拖轮。

2008年，FOSS船厂建造了世界上第一艘油电混合动力拖轮，如图1所示，主机采用2台卡特彼勒3512D柴油机，单机功率5 100 HP，配2台轴带电机，单机功率500 kW，航速13 kn。

图1 世界第一艘油电混合动力拖轮—Carolyn Dorothy

2016年，DAMEN（达门）罗马尼亚Galati船厂为皇家荷兰海军建造了3艘“ASD TUG 2810 HYBRID”系列拖轮，如图2所示，该系列拖轮采用混合推进系统，安装2台主推进柴油机、2台推进电机，并配置了电池系统，具有动力强劲和可持续的特点，能在电池模式下全电力航行，最大系柱拉力可达60 t，基本可以实现所有重型拖船的作业要求。

图2 DAMEN船厂“ASD TUG 2810 HYBRID”拖轮

油电混合动力拖轮目前在美国、荷兰、新加坡等发达国家有较多的市场应用（见表1）。

表1 油电混合动力型式拖轮部分国外案例

但是目前国内建造和使用的拖轮仍然基本采用柴油机推进动力型式，使用类似油电混合动力形式的拖轮有上海港复兴船务公司的“海港711”，但“海港711”实船并未配备电池。

2 绿色拖轮技术路线分析

2.1 纯LNG/双燃料

1）LNG/双燃料直接推进动力系统与柴油机常规推进类似，相比常规柴油机推进，区别仅为发动机为气体发动机或双燃料发动机[1]。

2）类似项目：国内目前使用LNG作为燃料的有中海油2艘双燃料（柴油/LNG）动力拖轮、2艘单燃料（LNG）动力拖轮、宁波舟山港1艘双燃料（柴油/LNG）动力拖轮“甬港消拖60”号。

3）存在的主要问题：造价高、后续维护保养困难、厦门暂无LNG专用加注码头或加注船、动力响应比较迟缓。

2.2 纯电池

1）纯电池动力系统由电动机驱动螺旋桨为船舶提供动力，整船的能量来源于动力电池组。

2）类似项目：连云港港口集团有限公司与中国船舶集团第708研究所（中国船舶集团第712研究所进行动力集成）目前正在共同设计、建造一艘4 000 HP纯电动港作拖轮（该船配备5 000 kW·h电池，无任何柴油机发电机组，目前项目正在实施中，预计2021年度交付）。

3）存在的主要问题：动力电池组续航能力有限，且大功率电池组的安全性有待评估，在厦门台风季节，如遇避台风时间较长的情况，拖轮的安全性难以保证（长时间作业、抢险救助也有类似隐患）；码头上需建设充电电压高、充电电流大的岸电充电桩，附加投资较大；连云港全电动拖轮作业环境特殊，不适用厦门港区情况。

4）电池更换模式：以连云港4 000 HP纯电动拖轮为例，实船配置5 000 kW·h动力电池，共分为8组电池，每组电池尺寸为长度6.18 m、宽度0.666 m、高度1.65 m，单组电池重量约5.75 t，电池总重量约49.92 t，受限于拖轮船型空间狭小等客观因素，电池更换模式的可行性极低。

2.3 混合动力电力推进系统

（柴油发电机组＋磷酸铁锂电池组）

相较于纯电动船舶，“混合动力船舶”可以定义为以2种或2种以上储能器、能量源或能量转换器作为动力源，且其中至少有一种可以提供电能的船舶[2-3]。混合动力拖轮拟使用电池组和柴油发电机组产生的电能，并以电机驱动螺旋桨，如图3所示。在港内自由航行期间，使用电池组作为动力推进，实现绿色无污染。

3 混合动力拖轮节能减排效果分析

2010年，美国加利福尼亚大学环境研究和技术工程中心开展了“混合动力拖轮排放优势评估”的工作。以Foss海运公司的2条船为研究对象，Alta June为常规拖轮，Carolyn Dorothy为柴/电池混合动力系统推进拖轮，它们都属于“海豚号”船型，均装备有四冲程、Tier II排放的发动机，主要都运行在美国的洛杉矶和长滩岛港口，拖船布置图如图4所示。电板提供给推进电机和负载，富余电能还可同时给动力电池组充电。该模式工作原理如图9所示，涂底色的设备为工作设备（不含推进器）。

图3 混合动力电力推进系统示意图

图8 动力电池供电推进模式工作原理图

图9 单台或双台柴油发电机组供电推进、电池充电模式工作原理图

4.3 多台柴油发电机组供电推进模式

当拖轮处于负荷低于80%的高速航行或作业时，可由多台柴油发电机组供电。柴油发电机组提供的电能经配电板提供给推进电机和负载，富余电能还可同时给动力电池组充电。该模式工作原理如图10所示，涂底色的设备为工作设备（不含推进器）[4-5]。

图10 多台柴油发电机组供电推进、电池充电模式工作原理图

4.4 发电机组、电池组同时供电推进模式

当拖轮处于负荷高于80%的作业时，可由多台柴油发电机组和电池同时供电，提供的电能经配电板提供给推进电机和负载。该模式工作原理如图11所示，涂底色的设备为工作设备（不含推进器）。

图11 发电机组、电池组同时供电推进模式工作原理图

该模式存在的主要问题在于造价较高且柴油机组功率未实现大幅下降。

各方案特性对比如表2所示。

表2 各方案特性对比

综上所述，对上述三种动力型式总结如下：

1）常规推进方案：初期投资低；柴油机负荷率低，油耗较高。

2）柴电混合方案：油耗较低，系统冗余性好，投资回收周期短。

3）电力推进方案：油耗低，舒适性好；初期投资高，投资回收周期长。

根据本船的运行工况，综合考虑3种动力型式的经济性、可靠性、适装性、机动性、舒适性、维修性、传递效率，建议选择本船动力型式为电力推进系统或柴电混合动力系统。

综上，几种技术方案优缺各异，但从造价、安全、技术成熟等方面考虑，“油电混合动力”型式拖轮是目前最符合厦门港实际需求的新型能源拖轮。

5 结论

结合中央提出的节能减排政策以及厦门本地的绿色发展战略，本文对拖轮动力系统的几种设计方案进行了对比，结论如下：

1）绿色拖轮技术路线分为纯LNG/双燃料、纯电池、混合动力电力推进系统3种，其中混合动力拖轮的能效利用率和性价比最高。

2）动力系统的推进方案分为常规柴油机推进、柴电混合推进、电力推进，综合考虑3种动力型式的经济性、可靠性、适装性、机动性、舒适性、维修性、传递效率，建议选择本船动力型式为电力推进系统或柴电混合动力系统。

3）综上，几种技术方案优缺各异，但从造价、安全、技术成熟等方面考虑，“油电混合动力”型式拖轮是目前最符合厦门港实际需求的新型能源拖轮。