摘要：本項目開展的大功率拖輪油電混合動力系統的關鍵技術研究，能有效解決由于拖輪作業特點造成的柴油機長期低負荷工況下的燃燒不充分、設備工況惡化與油耗浪費、排放惡化等問題，在拖輪全工況運行范圍內，選擇合理運行模式，最大限度地使主機運行在最佳最經濟工況點，有效提高動力系統效率、大幅度降低CO2和NOX排放、減少港口污染。1.技術概況IMO“防止船舶造成空氣污染規則”附則制定了分階段的船舶NOX

排放限值和燃料含硫量限值標準。我國也在積極推行節能減排相關政策，交通運輸部于2018年12月10日公布了《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》，在2015年8月出臺的《船舶與港口污染防治專項行動實施方案》基礎上對排放控制區地理范圍、污染物控制范圍、排放控制標準、實施時間、實施要求等方面進行了調整，降低了船舶硫氧化物、氮氧化物、顆粒物和揮發性有機物等大氣污染物的排放。其中，沿海排放控制區由此前的珠三角、長三角、環渤海（京津冀）三個排放控制水域擴大到全國沿海12海里以及海南水域；內河控制區包含長江干線（云南水富至江蘇瀏河口）、西江干線（廣西南寧至廣東肇慶段）的通航水域；從控制區要求看，2019年1月1日起，海船在排放控制區應使用硫含量不大于0.5%m/m的船用燃油；2020年1月1日起，船舶在內河控制區應使用硫含量不大于0.1%m/m的船用燃油；2022年1月1日起，海船在沿海控制區海南水域應使用硫含量不大于0.1%m/m的船用燃油。同時增加了對NOx排放的控制要求。如何對應管理規范實現有效減排，大功率油電混合動力系統首次實現了非LNG動力船舶的排放達標。拖輪相對集中在港口進行作業，是港口重要的排放源。國內港口從二十世紀70年代中后期開始引進全回轉拖輪，絕大部分采用柴油機直接推進型式，動力系統一般按主機100%功率進行設計，以保證拖輪作業時具備強勁的拖力或推力。但由于其作業特點，拖輪每天大部分工作時間內主機處于低負荷運行狀況。由圖1典型拖輪負荷曲線可見，在近80%的時間內，柴油機運行在20%負荷以下。拖輪長期在低負荷狀態下運行，導致柴油機燃燒不充分，油耗高、排放差，另外長期低負荷運行對柴油機的使用壽命也會產生不利影響。圖1典型拖輪負荷曲線目前全國港口共有拖輪800余艘，其中上海港共有拖輪100余艘。國內拖輪在效率、排放、能耗、振動噪聲舒適性、智能化水平等方面與國外先進技術有較大差距，尤其是動力系統等關鍵設備，如柴油機、舵槳、離合器等大都采用國外二十多年前的產品，性能指標低、操縱性差，拖輪建造初期投入及維護成本高，售后服務響應慢，長期以來，拖輪行業在產品、技術、制造、服務等方面受制于人。基于這些因素，當前急需國內能有自主知識產權的創新突破和技術升級，提升中國港口拖輪的技術含量和保障港口安全營運。2.技術原理油電混合動力系統是柴油機和電力混合推進的一種新型推進動力組合系統，分柴油機推進、軸帶電機推進、混合動力推進三種模式。其中，柴油機推進PTO（Powertakeout，軸帶電機運行在發電狀態輸出功率工況）/PTI（Powertakein，軸帶電機運行在電機狀態輸入功率工況）。軸帶電機模式的油電混合推進動力系統是國外近幾年廣泛采用的新型推進型式。其中軸帶電機既可以做發電機用PTO，也可以逆變成電動機PTI使用，有PTO發電、PTH推進、PTI輔助推進三種工作模式。PTO發電模式是指船舶在經濟航行工況運行時，利用主機常規推進，此時軸帶電機工作在PTO狀態，使得主機帶動螺旋槳和軸帶發電機運行，利用最少數量的輔機發電，實現動力系統的最經濟運行；PTH推進模式是船舶低速、微速航行或主機故障時，將輔機的電能通過配電板輸送給軸帶電機（PTI）實現電力推進工況；PTI輔助推進模式是當船舶阻力增大或需要加速航行時，軸帶電機工作在PTI狀態，與主機并車實現混合推進。油電混合動力系統在拖輪上的應用可滿足拖輪多工況下經濟運行的需求，有效提高動力系統效率、大幅降低排放。據測算，常規柴油動力3000kW港口拖輪年耗油量約450噸，排放量約為1440噸二氧化碳，若采用油電混合動力拖輪，年耗油量約為400噸，排放量約為1300噸二氧化碳，節能率和碳排放強度下降率均在10%以上。油電混合動力系統重點突破技術主要有：定距槳推進的拖輪油電混合動力系統集成設計技術、拖輪油電混合動力系統多工況控制策略技術、緊湊型低背壓排氣綜合治理系統設計技術、套軸異步電機變速發電技術、基于定距槳推進的油電混合動力系統拖輪船型設計及優化等關鍵技術。針對拖輪特點，開發油電混合動力系統，建立陸上聯調試驗臺，開展混合動力系統關鍵技術驗證，確保示范應用效果。在油電混合動力系統拖輪船型設計優化、布置設計基礎上，將自主設計油電混合動力系統安裝于示范船，并完成相關試驗，各項性能指標滿足要求，實現自主研制大功率拖輪油電混合動力系統在國內首次實船示范應用。研究方案如圖2所示。圖2研究方案圖3.技術創新點（1）針對拖輪平均負荷率低和工況多變的運行需求，開展拖輪節能工況模式研究，國內首次開發出基于定距槳推進的拖輪油電混合動力系統并實現實船示范應用。（2）針對拖輪油電混合動力系統控制精度和可靠性要求高的難點，國內首次開發出適用于拖輪節能工況的油電混合動力控制策略和控制系統，實現油電混合系統各模式的安全、可靠、智能、便捷操控。（3）針對拖輪油電混合動力系統關鍵設備依賴進口的現狀，開展高指標中速柴油機推進特性匹配研究，實現了在國內油電混合動力拖輪上的首例應用。（4）國內首次在拖輪上開展高效噴氨、混氨、消音一體化的排氣綜合治理系統研制，并實現了實船示范應用。（5）母型船船型優化。合適的船舶船型（尤其是線型）可以降低船舶運行阻力，降低能耗，起到節能的效果。委托中國船舶重工集團公司第七〇二研究所進行船型優化水動力試驗。船型優化結果與初始船型相比，優化船型排水體積不變；航速為12kn時，優化船型的船模阻力下降了4.80%，實船阻力和有效功率下降了5.23%4.技術應用關鍵點（1）基于定距槳推進的拖輪油電混合動力系統集成設計定距槳具有固定的水動力特性，配置定距槳的拖輪油電混合動力系統需滿足多運行工況和不同工作模式的匹配要求。本項目在拖輪節能工況研究基礎上，開展柴油機推進和電力推進的優化配合研究，設備優化配置，使拖輪動力系統高效節能，功能滿足不同工況作業需求。在港作拖輪低速自由航行時，采用電機單獨推進（PTH）；在港作拖輪高速自由航行時，采用柴油機單獨推進（在部分轉速區間可以進行可逆電機PTO發電）；在港作拖輪中低載荷拖帶作業情況下，采用柴油機單獨推進（可逆電機PTO發電不可用）；在港作拖輪高載荷拖帶作業情況下，采用柴油機和可逆電機并車推進（PTI）。經實船驗證，滿足拖輪拖力、航速等指標要求。（2）拖輪油電混合動力系統多工況控制策略拖輪油電混合動力系統可根據工況需求，進行PTI電力推進模式、油電混動的并車模式、PTO發電模式以及柴油機單獨推進模式的轉換。動力系統在不同模式下的可靠切換是保證拖輪安全運營的關鍵，通過研究油電混合動力系統模式切換過程特性，優化模式切換控制策略，簡化模式切換控制流程，可提高模式切換可靠性、便捷性。本項目在研究柴電混合動力系統模式切換過程基礎上，針對6個切換過程開展控制流程設計及安保策略研究，通過內部邏輯控制單元實現自動化操作，最終實現柔性、智能化的模式切換。經實船驗證，各模式間切換時間從理論設計不超過35s到實際優化實現為3~25s。（3）緊湊型低背壓排氣綜合治理系統設計本項目排氣綜合治理系統包含除NOX、消音等功能，需要噴氨及混氨管路、催化反應器、排氣消音器等多部件來實現。通過合理的結構設計及內部流場優化，研制出滿足拖輪減排性能及空間要求的緊湊型低背壓排氣綜合治理系統。經陸上聯調試驗臺及實船驗證，排放滿足TierⅢ要求。（4）套軸異步電機變速發電由于異步電機變轉速發電產生的電壓、頻率不恒定，不能直接連接至船舶電網，需通過開展套軸電機變速發電控制策略和變速恒頻技術研究，將異步電機變速發電產生的電能轉化為恒壓恒頻的電能，實現套軸電機與電站機組并網和能量綜合利用。當主機變速推進時，使用套軸異步電機發電，可實現主機功率充分利用，減少輔機運行數量，實現能量綜合利用，達到節能目的。5.技術應用情況拖輪油電混合動力系統可根據工況需求實現不同模式下的可靠切換，保證拖輪安全運營。模式切換過程中，拖輪運行不受影響，模式切換可靠性、便捷性非常高，保障了船舶安全作業連續。拖輪油電混合動力系統可以根據不同工況的需要使用柴油機推進、PTO發電、PTI電力推進、油電并車推進等多種運行模式，適用于工況多且復雜的船舶，可滿足船舶多動力工況下經濟運行的需求，實現能源最經濟、高效的利用。該套裝置已在“海港711”拖輪上實現應用，還可推廣應用于各類海工拖輪、工程船舶、江海運輸船舶、救助船舶、科考船舶、車客渡船等工況復雜且對動力系統冗余度要求高的船舶。6.技術效益分析5.1節能低碳效益根據拖輪運行功率區間統計，選取拖輪典型工況進行油耗測試，基于測試工況測量油耗，結合油耗結果和典型工況運行時間占比，計算全船年度油耗，并與常規動力拖輪進行油耗分析比較，分析油電混合動力拖輪節油效果。實船油耗測試數據如表1所示。表1

測試工況數據相較于傳統拖輪，油電混合拖輪年節油量約為52.87噸，折算標準煤為77.05噸、減排163.68噸二氧化碳。按油電混合拖輪生命周期為30年進行計算，整個生命周期油電混合拖輪共節約柴油1586.10噸，折算標準煤為2311.50

噸，減少碳排放4910.40噸。6.2經濟效益隨著國家節能環保低碳減排工作順利推進，按照每年計劃新建拖輪數量在40~50艘，20%客戶選擇油電混合動力拖輪計算，每年可新接油電混合動力拖輪項目8~10艘，每艘建造產值4000萬元，每年可新增產值32000~40000萬元，利潤按每艘200萬元計，每年可產生利潤1600~2000萬元，具有良好的市場前景和經濟效益。在節能經濟效益上，每年每艘拖輪節油量52.87噸，按市場普通柴油7500元/噸價格計算，