1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 目的及意义

我国交通运输部印发的《船舶与港口污染防治专项行动实施方案 (2015—2020年)》^[1]提出:到2020年，珠三角、长三角及环渤海水域船舶的硫氧化物(so_x)、氮氧化物(no_x)和颗粒物(pm) 排放量与2015年相比分别下降65%、20%、30%。该方案提出的第六项任务为积极推进液化天然气(lng)燃料应用，包括完善lng加注设施，统筹lng加注站点布局规划与建设等等。

液化天然气（lng）是国家优先推广的清洁能源，水运行业推广应用lng是发展绿色交通、建设生态文明的需要，是实现水运行业节能减排、转型升级和优化用能结构的有效措施。交通运输部印发的《关于推进水运行业应用液化天然气的指导意见》^[2]提出：到2015年，内河船舶能源消耗中lng的比例达到2%以上；到2020年，内河船舶能源消耗中lng的比例达到10%以上。自2010年8月长江混合动力第一船“武拖轮302”号下水成功以来，江苏、湖北、安徽、重庆、福建、江西等省市已经开展船舶燃料油改气示范项目，中石油昆仑能源有限公司的5000吨级“红日166”散货船、湖北新捷天然气有限公司的3100吨级“海川3号”等lng动力船舶相继试航成功^[3]。截至2015年底，我国实际运营lng动力船舶近100艘、在建超过400艘；根据交通运输水运科学院预测，到2020年，我国累计新建或改造lng动力船舶将超过1万艘。

2. 研究的基本内容与方案

1. 基本内容：

（1）通过查阅资料，了解LNG发动机的结构和性能特点，并评估LNG发动机作为船用主机的主要优势和不足，了解当前国内外船舶混合动力系统技术产生背景、技术类型、性能特点及应用现状等；

（2）以某京杭运河拖轮为研究对象，通过主要装置选型计算，构建一个气电混合动力系统，并设计控制策略；

（3）根据主要装置选型计算结果，在SIMULINK平台上构建装置模块，再建立整机模型；

（4）按照控制策略，设置仿真条件，并模拟运行；

（5）得到仿真运计算结果，并将仿真结果与原型船数据比对、分析，验证是否达到研究目标。

2. 研究目标：

以我国某京杭运河328 KW拖轮为研究对象，采用并联式结构，构建一套“LNG发动机 动力电池”的混合动力系统，以改善LNG发动机动态响应性能差、续航里程短、经济性较差等缺点。

3. 技术方案：

（1）原型船简介：
本文的研究对象为某京杭运河328KW拖轮，该船主要航行于苏北大运河及长江下游，为北煤南运的专线运输船，也可以在该航区内运载黄沙、建材等其他大宗散货。该船为双机、双导流管螺旋桨、双襟翼舵和四倒车舵的全焊钢制拖轮。艏部线型为大圆弧雪橇型艏，艉部为闭式隧道型。其主尺度如表1所示：

表1：原型船主尺度

（2）构建混合动力系统：
该船的气电混合动力系统（如图2）主要由蓄电池、可逆电动机、液化天然气（LNG）发动机、齿轮箱、电控离合器、智能化控制系统和螺旋桨组成，该系统采取并联式混合动力系统。并联式与串联式相比，并联式系统中LNG发动机和电动机既可以分别单独驱动船舶，也可以同时驱动船舶，动力更加强劲；其次，并联式混合动力系统工作模式较多，可以适应多种工况，发动机无需进行能源的二次转换，能源转换效率更高，因此综合气耗更低，尾气排放更低；同时可逆电动机也可作为发电机发电，给蓄电池充电^[10]。

图2：气电混合动力系统结构图

控制策略：

1）当船舶制动时，电动机转换为发电模式，向电池充电，回收制动能量。

2）当船舶起动、低速航行、靠岸、过闸或LNG发动机发生故障时，控制系统控制电控离合器，使发动机与齿轮箱分离，利用电池和电动机提供动力。

3）当船舶定速航行时，控制系统根据船舶运行状态，调节发动机和可逆电动机，使发动机工作在最经济状态。

4）当船舶加速、高速前进或者进行机动操作时，LNG发动机与电动机同时为船舶提供动力。

（3）选取仿真软件：
SIMULINK是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。SIMULINK提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，SIMULINK提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
本文研究的技术路线如图3所示。首先选取某京杭运河拖轮为研究对象，采用并联式结构构建混合动力系统；然后对主要装置如LNG发动机、蓄电池、齿轮箱、螺旋桨，进行选型计算，并构建系统控制策略；其次，根据主要装置选型计算结果在SIMULINK平台上构建装置模块，再建立整机模型；接着，按照控制策略，设置仿真条件；最后，得到仿真运算结果，如燃气消耗率、尾气排放、加速性能等，并将仿真结果与原型船数据比对、分析，验证是否达到研究目标。

图3：技术路线

3. 研究计划与安排

第1~3周：按要求完成文献检索报告、外文翻译、开题报告；

第4~7周：自学matlab 软件，并完成主要装置选型计算；

第8~11周：利用matlab软件进行建模、仿真，并对性能进行预估；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 中华人民共和国交通运输部.关于印发船舶与港口污染防治专项行动实施方案(2015—2020年)的通知［eb/ol］．［2015-08-27］(2015-08-31)．http://www.moc.gov.cn/zfxxgk/bnssj/syj/201508/t20150831 _1871478.html．

[2]交通运输部《关于推进水运行业应用液化天然气的指导意见》[j].船舶物资与市场,2014,(1):32-34.