摘 要

随着我国内河航运的快速发展，船舶的排放污染等问题越来越引起人们的关注。对此我国有关部门发布了《船舶发动机污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》来限制内河船舶所造成的环境污染。船舶动力系统既能为船舶航行提供充足的动力也是船舶产生能耗的主要单元。传统柴油机推进的船舶在低负荷条件下效率较低，而且柴油机推进不适应内河船舶多工况，功率变化范围大，排放要求高的特点^[1]。相比之下柴电混合动力系统在保证船舶安全性并提供动力冗余的情况下，还能提高运行效率，降低排放。在此基础上本文选取某300客位轮渡船舶作为研究对象，调研得到该船动力系统的参数。并将该船柴油机推进的动力系统改造为绿色的新型柴电混合推进系统。最终得到的结论是：（1）本文设计的新型电柴混合动力方案和原型船的动力性能相同，且能够满足原型船不同航速下的功率要求。（2）柴电混合动力方案相较于传统柴油机推进的方案虽然在设备成本上有所增加，但是由于采用了电动机作为主动力，大大降低了运行成本。经过计算可以得出，运行901天后节省下来的燃油费用可摊平增加的设备成本。（3）柴电混合动力方案相比于传统柴油机推进的方案在各主要污染物的排放上均有所减少，该方案能有效减少各项污染物的排放。

关键词：轮渡船舶；绿色动力；方案设计；排放特性

ABSTRACT

With the rapid development of inland navigation in China, more and more attention has been paid to the emission pollution of ships. For this reason, the Ministry of environmental protection and the AQSIQ jointly issued the emission limits and measurement methods of marine engine pollutants (the first and second stages in China) to limit the air and water pollution caused by inland river ships. The power system is very important for the normal operation of the ship. It can not only provide sufficient power for ship navigation, but also the main unit of energy consumption. The efficiency of traditional diesel engine driven ships is low under low load conditions, and diesel engine propulsion is not suitable for inland ships with multiple working conditions, large power variation range and high emission requirements [1]. In contrast, the diesel electric hybrid ship can improve fuel efficiency and reduce pollutant emissions while ensuring ship safety and providing power redundancy. On this basis, this paper selects a ferry ship as the research object, and gets the parameters of the ship's power system. Under the condition of keeping the power constant, the power system of the ship's diesel engine propulsion is transformed into a new green diesel electric hybrid propulsion system. The final conclusions are as follows: (1) the new diesel electric hybrid power scheme designed in this paper ensures that the output shaft power is the same as that of the prototype ship. If the fuel tank with proper volume is added, the added mass due to the refitting can be reduced properly in the structural design, the dynamic performance index of the original ship can be maintained after the retrofitting. (2) Compared with the traditional diesel engine propulsion scheme, the diesel electric hybrid scheme has an increase in equipment cost, but because the motor is used as the driving force, the operation cost is greatly reduced. After calculation, the fuel cost saved after 901 days of operation can be amortized to increase the equipment cost. (3) Compared with the traditional diesel engine propulsion scheme, the diesel electric hybrid scheme reduces the emissions of all major pollutants, including NOx emission reduction of about 20%, CO emission reduction of about 20%, HC emission reduction of about 16%, CO₂ emission reduction of about 82%, Sox emission reduction of about 59%. It can be seen that the scheme can effectively reduce the

Key words: Ferry ships Green power conceptual design Emission characteristics

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 我国内河航运现状 1

1.1.2 柴油机推进的危害 1

1.1.3 船舶新能源动力技术 2

1.2 国内外研究现状 4

1.2.1 船舶混合动力系统研究现状 4

1.2.2 含水乙醇燃料发动机 5

1.3 研究的目的意义 6

1.4 本文主要内容 6

第二章 绿色动力方案设计 8

2.1 原型船介绍 8

2.2 船舶柴电混合动力系统 8

2.2.1系统结构 8

2.2.2工作方式 9

2.3方案设计思路 10

2.4方案的结构图 10

第三章 绿色动力方案中关键设备 11

3.1 性能要求 11

3.2 主机功率与航速的关系 11

3.3 推进柴油机和电动机 12

3.3 含水乙醇燃料发电机组 13

3.4 蓄电池组 13

3.5 结果汇总 14

第四章 方案运行策略和性能比较 15

4.1 运行策略 15

4.2 方案性能分析 16

4.2.1 动力性 16

4.2.2 排放特性 17

4..2.3 经济性 19

第五章 总结与展望 23

5.1 全文总结 23

5.2 方案中的创新 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

研究背景

• • 1. 我国内河航运现状

随着21世纪国民经济的快速发展，内河航运在区域经济关系中扮演着关键的角色。数据显示2010—2017年我国内河船舶运输净载重量年均增长率超过10%, 远远大于沿海和远洋船舶的平均增长率^[2]。在水系发达的长江流域城市中，轮渡船舶作为对人们出行方式的一种补充在整个内河航运中占据着重要地位。例如武汉轮渡的年客运量就达1000万人次。而且随着人们生活水平的不断提高，内河船舶还被用作游览船、观光船等其他用途。伴随内河航运规模不断扩大的是其带来的环境污染问题。有研究表明，珠三角地区船舶 SO₂、NO_x排放分别占非道路移动源排放总量的96.4%、73.8%,且内河航行船舶的贡献率分别为4.1%、11.2%^[2]。动力系统作为船舶的核心也是船舶产生污染的主要源头。现阶段我国96% 的内河船舶使用的主推力发动机均是柴油机。轮渡船舶为了满足航程较短、停靠频繁等特点，需要大量机动航行。 在此过程中柴油机严重偏离标定功率的最佳效率点,导致燃烧效率减少、油耗量增加及产生大量有害排放污染物等后果。随着《船舶发动机污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》以及《国际防污染公约》等更加排放发规的实施，对于船舶能效和排放提出新的挑战。为了达到排放标准，需要对内河船舶动力方案进行优化，实现绿色船舶的目标。

• • 1. 柴油机推进的危害

传统柴油机推进所造成的主要污染类型有三种，分别是水污染、空气污染和噪声污染。

（1）水污染：传统柴油机在运行中会产生较多的含油量较高的污水，假如任其排放至河流中，会增加水质的毒性，还会加剧水体的富营养化污染。对此我国的监管部门规定，船舶产生的废水必须采用特殊装置进行油污和水的分离后才可以排入河流中，或者船员也可以选择将废水统一收集起来再回到岸上集中进行去污处理。但是因为内河船舶多而庞杂，人员素质参差不齐，造成统一监管的难度很高，内河船舶污水排放问题屡禁不止。对于水污染问题，政府监管只能起到一定的缓解作用，要从根本上解决问题，必须改变船舶的动力架构模式，使用清洁能源，使用更加适合内河运行工况的动力系统架构，使用能有效减少污染排放、提高船舶动力系统使用效率和使用寿命的控制策略。