双燃料电力推进船舶能量管理系统控制策略研究

汪 敏，祁松林，王永兴

应用研究

双燃料电力推进船舶能量管理系统控制策略研究

汪 敏，祁松林，王永兴

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文以中海油某型LNG动力守护供应船为例，展开双燃料电力推进船舶能量管理系统控制策略研究。通过对双燃料机组的特性的研究，将全船动力设备视作一个整体，分析其对整个动力系统产生的影响，对比双燃料电推船能量管理系统与传统能量管理系统的区别，并在此基础上得出此类船舶能量管理系统的一般性控制策略。

双燃料 电力推进 能量管理

0 引言

国家倡导节能减排，绿色发展的大背景下，为实现碳达峰、碳中和目标的达成，各种清洁能源得到大力发展[1～2]。

LNG气电混合系统兼有经济性与环保性，双燃料系统可以进行不同的组合，且不需要额外配备发电设备，节省了船舶空间[3～4]。

2019年，中海油新建2型8艘4000HP双燃料LNG动力守护供应船，首次在双燃料电推船使用国产能量管理系统。

本文以该船为例，展开双燃料电力推进船舶能量管理系统控制策略研究。

1 硬件设计

1.1 基本配置

该批守护供应船主要动力设备基本配置见表1。

表1 动力设备配置

1.2 控制网络

主控制器采用西门子S7-400H，实现热备冗余。若使用S7-1500PLC，则S7-1200可以省略。

图1 控制网络图

并车单元采用DEIF公司PPU300，实现机组的并网解列与功率分配功能。每台机组配置1台PPU300。PPU300之间以以太网方式连接成冗余环网。由于PPU300取消了均功线，所以对于母联开关未配置PPU的船舶，母联开关状态需关联至机组PPU。对于DP2以上船舶，母联必须增配PPU300，直接采集母联状态。图1为控制网络图。

2 控制策略

2.1 工作模式

对于双燃料PMS，传统PMS所具备的自动起停机、自动并网解列、优先级、二次短路保护、重载问询、自动恢复供电、优先脱扣、顺序起动、功率限制、监测保护等功能仍然继续有效[5]。本文仅对双燃料PMS特有的控制策略进行分析与说明。

与传统柴油机组不同，双燃料机组具备三种工作模式。三种模式的工作条件及差异见表2。

表2 工作模式

2.2 燃气模式

燃气模式为双燃料机组的期望工作模式。该模式下燃料为天然气，天然气由引燃油点燃。

2.2.1燃油模式

燃油模式下燃料为燃油，工作方式与传统的柴油机组相同。但是引燃油的喷射仍然处于激活状态。

2.2.2后备模式

后备模式可视作一种特殊的燃油模式。该模式下机组输出功率受限，引燃油喷嘴被关闭。

2.2.3模式转换

正常情况下，三种模式之间可人为任意转换。特定条件下，会进行非人为的被动转换。被动转换关系见表3。

表3 被动转换

一旦机组在运行状态中被动进入后备模式，将无法重新回到燃气模式或燃油模式，必须将机组停机重新起动。

优先保证机组处于燃气模式下运行，尽可能避免机组转燃油模式，应视作双燃料机组控制的重要原则[6]。

2.2.4燃气转燃油

燃气转燃油分为主动转换与异常转换，均能在1 s之内完成。气转油的优先级高于油转气的优先级。燃气转燃油的流程见图2。

图2 燃气转燃油流程

2.2.5 燃油转燃气

燃油转燃气需在负荷率低于80%时进行。转换前需进行供气申请。图3为燃油转燃气流程。

图3 燃油转燃气流程

2.3 加减载

燃气与燃油模式使用两条特性曲线，对应不同的加减载特性。图4，图5分别为该船燃油、燃气模式加载特性。特性曲线可在PPU300中进行设置。

燃气模式下，加减载需严格按照特性表限定范围执行，若超出范围，将跳转至燃油模式。两次最大加载需间隔15 s。

燃油模式下减载可不受幅度限制。燃气模式下减载斜坡为15 s。

图4 燃油模式加载特性

图5 燃气模式加载特性

2.4 运行限制

2.4.1功率输出限制

燃气模式下机组运行需满足一定的甲烷值条件，曲线见图6。只有当甲烷值大于80时，机组才具备满负荷运行的能力。

图6 甲烷值与功率输出限制表

燃油模式下，无特定的输出功率限制。

2.4.2后备模式限制

后备模式下引燃油喷嘴不会激活，若重油燃油超过30分钟或轻油燃烧超过5小时，会导致引燃油喷嘴闭塞。同时后备模式下，机组负载不能超过70%。如果双燃料机组以异常跳转方式进入后备模式，则无法在运行中切换至燃气或燃油模式。

因此，当机组处于后备模式时，需对运行时间与机组负荷进行严格控制。

在设计时后备模式应视作一种报警，对操作人员进行提醒，通过人为干预，主动退出该模式。

2.4.3空载及轻载模式限制

空载模式含义为空载运行，未并网状态。停机前持续空载时间不宜超过10 min，建议设置为3 min。

轻载时，根据燃料类别，负载低于特定下限值，机组存在最大运行时间限制。高于该下限值运行，则不存在最大时间限制。

当双燃料机组处于空载轻载模式时，须具备对运行时间的管理功能，在超时前发出预报警。

2.5 黑船模式

当全船失电进入黑船模式时，PMS向所有机组发出黑船信号，将全部机组转入后备模式。采用自动或手动的方式将其中一台机组投网，恢复全船供电。

恢复供电后，未并网机组将恢复为燃气或燃油模式。为使在网机组退出后备模式，需另起一台机组并网，替换已在网机组。停机后将后备模式机组解列重起。

2.6 重载问询

由于燃气模式下加载曲线的限制，当功率突增超过曲线的斜率，会出现异常油转气。燃气模式下重载问询需要根据当前负荷值与在网机组数的关系，动态修正增机裕量[7]。

2.7 功率限制

2.7.1动态功率限制

由于后备模式下负荷率不允许超过70%，所以后备模式时机组负荷率需要增加修正系数。

2.7.2 快速功率限制

为确保快速功率限制后的功率恢复过程不超过机组的加载曲线。在燃气模式下发生快速功率限制时，除正常向变频器发出指令外，需同时将机组由燃气模式主动转为燃油模式。

3 结论

由于双燃料机组不同的加减载特性、三种工作模式的转换关系以及燃气机组的诸多特殊限制，使双燃料机组的能量管理系统与传统的能量管理呈现出明显的差异。

这些差异，体现在加减载限制、运行限制、黑船模式、重载问询、功率限制等功能上。通过对这些差异进行有针对性的处理，可以较好地实现双燃料电力推进船舶的能量管理功能。

[1] 罗明汉, 莫斌珍, 黄钦文. LNG燃料动力船舶发展前景[J]. 中国船检, 2019,（01）: 58-62.

[2] 吴思晨, 李铁, 武燊. 邮轮电力推进系统综合能效研究[J]. 装备制造技术, 2021,（02）: 7-12+16.

[3] 李永鹏, 陈爱玲, 汪洋. 新型LNG船舶采用双燃料电力推进的优势分析[J]. 青岛远洋船员学院学报, 2005, (04): 21-23.

[4] 杨舒, LNG双燃料发动机在大型耙吸挖泥船的应用[D]. 上海, 上海交通大学, 2020.

[5] 翟燕, 舰船混合动力系统优化配置与控制策略仿真研究[D]. 北京, 北京交通大学, 2016.

[6] 庞水, 电推船储能容量配置与能量管理策略优化设计[D]. 大连, 大连海事大学, 2020.

[7] 周祎隆, 傅晓红, 夏骏. 双燃料超大型集装箱船电气设计要点[J]. 2021, 50（04）: 5-9.

Control strategy research on power management system of dual fuel electrical propulsion marine

Wang Min, Qi Songlin, Wang Yongxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM41

A

1003-4862（2022）04-0046-03

2021-08-30

汪敏(1984-)，男，工程师，研究方向：船舶电力系统。E-mail: wangminhbhs@163.com