内河船舶混合动力系统运行模式优化设计

王珊珊，徐家润，陈德富，卓金宝

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108）

引言

船舶混合动力系统作为一种新型船舶推进型式，发挥柴油机推进和电力推进两种动力型式的综合优势，具有经济、高效、操纵性好、动力冗余等优点[1]。尤其是对于内河船舶，因为大多数选用双机-双桨推进结构，具有大长宽比/宽深比特点，长时间航行在急流、浅水、变水位、狭窄航道等复杂通航航道，需要频繁改变运行工况，所以适合选用多模式船舶混合动力系统实现船舶动力推进。随着船舶能效管理技术的不断发展，具有不同功能或性能的船舶能效管理系统相继被开发出来[2-4]。但是，对于船舶混合动力系统，特别是内河近海船舶混合动力的能效系统开发及应用的报道还比较少。特别是在船舶混合动力系统设计开发和运行早期阶段，难以获得足够完备和准确的油耗数据的情况下，内河船舶混合动力系统如何选取最优运行模式还需要开展大量基础研究工作。

1 功能分析

根据功能要求，船舶混合动力系统运行模式优化可分为数据采集模块、数据分析模块、油耗预测数据库和运行模式优化。数据采集模块主要采集混合动力系统耗能设备的油耗值以及长江不同航段的水文气象数据。数据分析模块根据水文气象数据以及航段航速要求进行船舶推进功率分析。油耗预测数据库为混合动力系统仿真油耗结果。运行模式优化模块为整个系统的核心模块，基于智能优化算法给出混合动力系统的最优运行模式和转速等量化控制指令。

2 船舶混合动力系统运行模式

目前柴电混合动力主要包括串联式柴电混合动力系统（CRP 系统）和PTO/PTI 轴带电机模式柴电混合动力系统。本文研究的是PTO/PTI 轴带电机模式柴电混合动力系统，轴带电机既可以作为发电机，也可以作为电动机使用。运行模式包括柴油机直接推进模式、电机直接推进模式（PTH）、电机辅助推进模式（PTI）以及轴带发电模式（PTO）。

（1）柴油机直接推进模式。混合动力船舶在柴油主机直接推进模式下，单独使用柴油机通过传动系统驱动螺旋桨。

（2）电机直接推进模式（PTH）。在PTH 模式下，柴油机处于停车状态，由轴带电机单独驱动螺旋桨进行推进，PTH 模式类似于电力推进系统的运行工况。

（3）电机辅助推进模式（PTI）。在PTI 模式下，柴油机与轴带电机通过齿轮箱并车驱动螺旋桨。

（4）轴带发电模式（PTO）。PTO 模式下，柴发机组向日用负载供电，主机在提供船舶所需推进功率的同时，还利用一部分富余功率驱动轴带发电机，当储能装置的荷电状态低于设定值时向其充电。

在实际运行时，船舶混合动力系统需要根据实际运行工况、航速要求、水文气象环境、油耗要求等等因素，在四种模式中选择一种最优的运行模式。

图1 混合动力系统总体仿真模型图

3 数据采集与分析

在运行模式优化前，需要采集和分析得到多种类型的系统运行和外部环境数据。主要分为两个模块实现：（1）数据采集模块主要采集混合动力系统耗能设备的油耗值以及长江不同航段的水文气象数据；（2）数据分析模块根据水文气象数据以及航段航速要求进行船舶推进功率分析。

数据采集模块通过在主辅机燃油管路处安装油耗仪采集主辅机的油耗瞬时值和累积值。其中，油耗瞬时值用于主辅机油耗的在线监测，油耗累积值用于一类能效参数的统计分析。

接下来，在采集到的水文气象和航段航速数据的基础上，通过数据分析模块分析船舶混合动力系统推进功率需求。首先针对选定的船型分析静水阻力，然后从气象水文数据库中查询所航行航段的水文气象数据，考虑内河航行时阻力受浅水、风以及水流等影响因素的作用，结合所航行航段的航速要求，最后计算得到螺旋桨的推进功率需求。

采用兹万科夫公式计算混合动力船舶处于不同航速下的静水阻力。内河航行阻力受浅水、风、水流等影响因素的作用，船舶阻力会发生变化。浅水阻力采用胡绪昌法计算，该方法是将深水阻力换算成浅水阻力修正系数，对于内河船舶的浅水阻力计算具有较好的适用性。对任意相对风向角的平均纵向风阻力RAA可采用以下公式进行计算：

式（1）中：k 为风影响系数；ρA为空气的密度；ATV为船体水线以上部分在横剖面上的投影面积；CX为平均风阻力系数。

通常认为水流速度对船体运动的影响只是表现在速度上，对于直线匀速航行的船舶，认为均匀流不会产生阻力，仅考虑水流速度对于船舶航速的影响，即船舶对水速度等于船舶对地速度加减表面水流速度。

据此，可得出船舶在指定航段下，船舶总阻力R 与船舶对水速度V 之间的关系，则船舶推进所需的有效功率为Pship=R×V。最终，得到螺旋桨推进功率为Ppropellor=Pship/ηship，式中：ηship为船身效率，ηship=（1-t）/（1-ω），t 为推力减额；ω 为伴流分数。

4 运行模式优化设计

在Visual Studio 环境中基于C 语言开发混合动力系统运行模式优化软件。在船舶混合动力系统设计开发和运行早期阶段时，难以获得动力系统不同运行模式下足够完备和准确的油耗数据。针对此种情况，可以基于AMESim 仿真软件建立船舶混合动力系统油耗仿真模型，将仿真结果存储在油耗预测数据库中，作为后续运行模式优化计算时油耗参数的数据来源。

应用AMESim 仿真软件对混合动力不同运行模式下的不同工况进行油耗仿真，混合动力系统仿真总体仿真模型图如图1 所示。

由图1 可知，混合动力系统仿真模型由单机组组成，包括一台柴油机、一台可逆轴带电机、齿轮箱、联轴器、螺旋桨以及船体。TBD234V6 不可逆高速柴油机为主机，每台主机通过齿轮箱与可逆轴带电机并联，通过轴系驱动螺旋桨组成混合推进动力系统，可实现柴油机主推进模式、轴带电机发电模式PTO、轴带电机电动模式与主机共同驱动螺旋桨以及轴带电机单独带动螺旋桨的纯电力推进模式。

表1 不同稳态转速下各参数的误差分析

图2 混合动力系统最佳运行模式界面图

通过对比仿真结果以及台架试验结果来验证仿真数据的可靠性，文中选取转速为1101rpm-1898rpm 各转速点的台架实验数据，通过对比得到功率、增压器转速、涡轮前排温以及油耗参数，对比结果见表1。

从表1 中可以看出仿真结果可以满足油耗预测的工程应用要求。将在不同运行模式（柴油机推进、PTH、PTI、PTO）下不同工况的仿真结果以及对应的主机转速、主机功率、主机燃油消耗率、轴带电机转速、轴带电机功率、柴发机组功率等数据记录并保存在MySQL8.0 开发的油耗预测数据库中。

以内河不同航段的水文气象条件和航速要求为约束条件，以整个动力系统油耗最低为目标，建立船舶混合动力系统运行模式优化模型，通过粒子群算法求解优化得到船舶混合动力系统的最佳运行模式。所建立的优化模型的主要输入参数为：水文气象条件、航速要求、推进功率需求和油耗仿真数据，输出参数为：最优运行模式及其相应的油耗、转速等量化控制指令。运行模式得到可选项包括柴油机直推模式、PTH 模式、PTI 模式和PTO 模式。粒子群优化模型除了完成基本的优化功能外，还需要考虑两点：（1）在输入参数缺损或不足情况下的可靠性；（2）在大数据计算过程中的快速性。在迭代到200 次或目标函数误差小于等于0.01 时停止，输出最终的优化结果（见图 2）。

5 结束语

本文设计了一种内河船舶混合动力运行模式优化方法，以整个系统油耗最低为目标，优化得到船舶混合动力系统的最佳运行模式。此方法将油耗仿真数据作为油耗预测数据库的主要数据来源，适合于油耗数据尚未完全获取的情况。在后续研究中，需要进一步完善水文气象数据库和油耗仿真数据库，提高运行模式优化的快速性和准确性等性能。