文 | 法老

编辑 | 法老

穿梭油船是指用于从深海油田浮式生产储油卸油装置或其他储油装置向陆地存储终端运输原油的一种特殊油船。

通常配备有艏装载系统和动力定位系统，以满足恶劣海况下的海上装卸油操作需求。

目前国内建造过穿梭油船的船厂较少，国际市场上的大部分穿梭油船订单都是由韩国船厂承接的。

近年来，随着航运市场对穿梭油船的需求量不断增加，大连船舶重工集团于2017年开展了满足动力定位DP2配置的穿梭油船船型研发。

并于2020年拿到了满足巴西石油技术要求的SUEZ型15.5万吨穿梭油船订单。

为顺应绿色环保的发展趋势，大连船舶重工集团还开展了锂电池储能系统在穿梭油船上应用的可行性研究。

本文基于该SUEZ型15.5万吨穿梭油船的设计方案，对锂电池储能系统的相关规范规则和配置方案进行分析。

对锂电池储能系统在穿梭油船上应用的可行性和经济性进行研究，以供后续穿梭油船和其他类型船舶的研发参考。

一、电池储能系统

（一）锂离子电池简介

锂离子电池（简称“锂电池”）是一种以含锂的化合物作正极，在充放电过程中通过锂离子在电池正负极之间往返嵌入和脱嵌实现充放电的二次电池。

当前新能源船舶常采用三元锂电池和磷酸铁锂电池，仅少量应用钛酸锂电池。

与传统的铅酸电池相比，锂电池具有能量密度大、充放电倍率大、维护简单和循环寿命长等优点，具备作为船舶主要动力源的能力。

（二）锂电池典型应用原理

船舶及海工项目的锂电池储能系统主要有以下4种典型应用。

代替发电机作为供电电源在非排放限制区域内，锂电池储存发电机组多余的电能量。

在限制排放的区域内，锂电池作为供电电源独立为船舶供电，或作为船舶的补充电源，避免或减少柴油发电机组运行产生污染物。

为电网削峰平谷当电力负荷波动时，发电机的负荷率频繁变化，柴油发电机的运行效率下降，甚至需频繁启动备用发电机。

锂电池可通过充放电吸收负荷波动，从而使柴油机长时间运行在经济转速。

这样可改善柴油发电机的运行效率，减少柴油发电机运行时间，不用频繁启动备用发电机，以满足峰值负载需求。图1为削峰平谷功能示意图。

满足个别短时大功率需求当负载出现偶尔的短时大功率需求时，可通过功率型锂电池在短时间内放电提供所需的功率，避免启动备用发电机，减少发电机运行时间。

图2为短时大功率需求示意图。

改善发电机动态特性内燃机发电机对负载响应缓慢，采用充放电较快的锂电池可改善这类发电机的负载响应“斜坡”。

图3为发电机负载响应曲线，其中实线表示的是没有锂电池介入的情况；虚线表示的是有锂电池介入的情况。

通过对比可知，在有锂电池介入的情况下，发电机功率输出曲线更加平缓。

（三）电池管理系统

电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）负责对锂电池的运行状态进行实时监控，及时处置电池故障和报警，确保其安全性。

能量管理系统（EnergyManagementSystem，EMS）对电网的数据进行采集分析。

根据船舶运行工况综合调控发电机启停和锂电池充放电，使船舶动力系统在最经济和最环保的模式下运行。

二、基于穿梭油船工况的锂电池储能系统适用性分析

（一）穿梭油船工况特点

大连船舶重工集团研发的SUEZ型穿梭油船在各种工况下的电力负荷具有以下特点：发电机为柴油发电机，而非燃气发电机，其负荷响应较快。

航行时，由主机直接驱动主推进器，全船的电力供应由1台柴油发电机负责，发电机的负荷率估算为55%，负荷率较低。

可通过锂电池调节发电机的负荷率，使柴油发动机更多时间运行在更经济的负荷率上。

靠港时，需要1台柴油发电机供电，仅满足基本生活需求，负荷较低。

在进行动力定位作业时，海况存在不确定性的变化，随着风、浪、流等动态因素的变化。

以及船舶方向和位置的变化，可能会出现推进器的电力需求短时突增的情况，电网负荷存在频繁波动的可能。

（二）锂电池在穿梭油船上的应用功能

根据锂电池储能系统的典型应用原理，结合本文所述穿梭油船的工况特点，可知穿梭油船采用锂电池储能系统能实现以下功能。

靠港时作为独立的供电电源在船舶航行期间，针对单台柴油发电机以55%负荷运行的情况，配电系统中可配置适当容量的锂电池，使发电机运行在燃油效率较高的负荷点。

对电池组进行充电；在船舶靠港或锚泊等非大负荷工况下，可采用锂电池在一定时间内独立为船舶供电，无需运行柴油发电机。

减少气体排放对环境造成的污染，或在港口有较高排放要求的情况下独立为船舶供电。

削峰平谷，减少备用机启动，降低油耗在船舶进行动力定位作业时，针对船舶用电负荷可能存在的波动。

配电系统中可配置适当容量的锂电池，对波动的电力负荷进行削峰平谷，保证柴油发电机长时间运行在燃油效率较高的负荷点，提高柴油发电机的运行效率，降低油耗。

如，在动力定位装载工况下，若海况较好，运行3台发电机即可，这时发电机的负荷率在85%左右。

但通常在动力定位状态下，为确保定位的安全稳定性，需多启动1台发电机，避免因海况突然变化导致的负载突增对船舶安全造成威胁。

这时，若运行4台发电机，发电机的负荷率在65%左右，燃油消耗值不是最佳点。对于这种情况，配置锂电池之后，配电系统具备在短时承受负载突增的能力。

此时就没有必要再额外启动1台发电机，同时运行3台发电机即可。即便有负载波动，也有锂电池组承担多余的负荷，确保发电机稳定运行且燃油经济性得以提高。

减少发电机装机容量对于配备DP2的穿梭油船，其主配电盘通常需分成2段或3段，开环作业状态是一种基本的工作状态。

这就意味着每段配电盘上的发电机容量需满足本段母排下的负载在各种工况下的需求，包括最大单点故障的情况。

当负荷计算显示在某种工况下，某段母排的负荷率接近或者达到100%以上时，若不采用大容量蓄电池方案，则发电机需调整到更大一档的容量。

再往上一档就多出了几百千瓦，而当只需100kW甚至几十千瓦的可用电功率时，使用蓄电池可很好地解决该问题，确保发电机不用调大一档。

因为穿梭油船的一个主要特点是机舱空间异常紧张。采用锂电池组可解决由发电机容量过大造成的机舱空间过于紧张的问题。

三、规范规则研究

目前，主要船级社都已发布与锂电池储能系统相关的规范或指南，通过对这些规范和规则进行研究，可掌握船级社对锂电池储能系统设计应用的具体要求。

明确锂电池储能系统在穿梭油船上应用的范畴和方向。

本文主要研究中国船级社（ChinaClassificationSociety，CCS）、挪威船级社（DetNorskeVeritas，DNV）。

美国船级社（AmericanBureauofShipping，ABS）3家船级社制定的与锂电池储能系统相关的规范规则，具体规范规则清单见表1。

通过分析，得到CCS、DNV和ABS3家船级社对锂电池储能系统相关要求的对比见表2。

通过表2的对比可得到以下要点，在为穿梭油船设计锂电池储能系统配置方案时需重点关注。CCS仅接受磷酸铁锂电池，而DNV和ABS对锂电池类型没有限制。

DNV和ABS规范仅针对一定容量以上的锂电池储能系统，而CCS规范没有容量限制。

CCS、DNV和ABS3家船级社都对混合动力推进船舶的锂电池储能系统提出了明确的技术要求。

DNV和ABS对锂电池储能系统仅作为主电源、辅助电源或应急电源的设计也提出了要求。

CCS、DNV和ABS3家船级社都要求对锂电池储能系统和电池舱设计进行安全风险分析。

CCS、DNV和ABS3家船级社都设置了与锂电池相关的船级符号，但适用范围和具体要求存在差异。

四、锂电池储能系统在穿梭油船上的具体配置方案

（一）方案选择

本文所述穿梭油船主要在巴西海域作业，按DNV规范的要求设计，其锂电池方案同样基于DNV规范的要求设计。

DNV对锂电池形式没有限制，三元锂电池因具有能量密度大、体积小和质量小等特点而更受青睐，因此选取三元锂电池，并需取得Battery（Power）和Battery（Safety）船级符号。

在方案研究阶段，与SIEMENS、ABB和WARTSILA等配电系统厂家进行多次深入技术交流。

因蓄电池单组机柜容量为60千瓦时/屏单元柜，通常需选取60kW的整倍数作为电池的容量。

穿梭油船采用DP2动力定位系统，主电网为三段母排，因此锂电池组也分为3组。

选取单台发电机10%左右的容量作为单组蓄电池的容量，可保证在动力定位工况下，每段母排上的1台发电机得到至少10%的容量补充。

因本文所述穿梭油船选取3套420kW·h的蓄电池容量。锂电池与配电系统集成有2种技术路线，即交流母排作为主网的配电系统和直流母排作为主网的配电系统。

交流母排主网配电系统是常规的船舶配电方案，设备布置分散且灵活，但锂电池需通过逆变器与之集成。

直流母排主网配电系统是近几年兴起的一种技术，锂电池可直接与直流母排相连，且大型变频设备（如推进器的变频器）不需要整流环节，系统配套方案中可省掉移相变压器。

总体来说系统的设备尺寸和质量总和更小，出现谐波和谐振风险更低，但价格较高，设备布置相对集中，对配电盘室的空间要求更大。

因穿梭油船的机舱和配电盘室的空间非常紧张，因此选择交流主网的技术方案。

锂电池组与交流母排系统集成之后的混合动力配电系统单线图见图4。

（二）设备布置

以SIEMENS的单套水冷式420kW·h锂电池产品为例，相关设备布置如下：

电池柜。内置锂电池模块，60千瓦时/单元柜，尺寸为500mm 2200mm 1050mm，共7个单元柜。

并网控制柜。内置锂电池与配电盘系统连接设备，尺寸为500mm 2200mm 1050mm，共1屏。

电池管理系统集成在电池柜和并网柜中，每个电池模块上都有监测温度的传感器和控制装置。

当某个电池模块的温度超出设定范围时，及时切断相应的电池模块，并将报警信号传递给船舶监测报警系统。

并网柜面板上有人机界面，便于安装调试和巡检人员及时了解电池组的运行情况。

冷却柜。内置水冷设备，尺寸为800mm 2200mm 1050mm，共2个单元柜。4）冷却水管。与船体淡水冷却系统连接，为锂电池组提供冷却水。

能量管理系统。硬件设备可布置在集控室，且可与电站管理系统集成在一起。

SIEMENS420kW·h电池柜、并网控制柜和冷却柜合并总尺寸为5618mm 1050mm 2200mm，其布置图见图5。

根据DNV的Battery（Power）船级符号的要求进行方案设计，具体如下：锂电池间需布置在防撞舱壁的后面，其围壁应为船体结构的一部分，以保证结构的完整性。

蓄电池房间不应包含其他支持船舶必要功能的系统和为其他系统服务的管线及电缆。

穿梭油船的机舱空间非常紧张，因此在主甲板上设计1个锂电池间，平面尺寸为8000mm 6480mm，满足该方案中锂电池储能系统的布置空间需求。

同时该锂电池间位于主配电盘室的正上方，确保电池机柜到主配电盘的电缆路径最短，电缆长度在12m左右。

锂电池间需配置水雾灭火系统、通风系统和气体探测等设施。同时，需提交正常工作和故障模式下电池间散热计算以及故障模式下可能释放的有害气体。

换气量计算等相关系统的计算书和设计图纸等给船级社，用来进行电池系统安全风险分析。

五、经济性和环保性分析

（一）经济性分析

按上述技术方案配置的锂电池储能系统会使穿梭油船的初始建造成本增加约180万美元，且在穿梭油船运营约6 8年后需更换锂电池组。

配置锂电池储能系统会导致穿梭油船的初始建造成本和维护费用增加，但采用锂电池组能显著提高穿梭油船的燃油经济性，在燃油消耗方面的表现令人满意。

同时具有缩短柴油发电机的运行时间，延长柴油发电机的运行维护周期和使用寿命，提高穿梭油船的运行经济性的优势。

根据2.2节第2个应用功能分析，按巴西油田穿梭油船平均全年50个航次、每个装油操作周期内动力定位运行15h计算，配置3组420kW·h锂电池组。

全年会减少1台发电机（容量约4MW）运行750h，能在大幅节约燃油消耗的同时，延长柴油发电机的使用寿命，为运行维护提供便利。

表3为MAN32/40船用柴油发电机油消耗表。

从表3可看出，在柴油机负荷较高的工况下，燃油消耗较低。

在穿梭油船装油工况下，采用锂电池蓄电池组，保留3台在网的柴油发电机，使柴油机的负荷率处于85%的经济点，减少1台柴油发电机在网，可有效减少燃油消耗。

柴油发电机油耗计算公式为：

式中：x为油耗值，t；k1为发电机电功率，kW。

k2为柴油机不同负荷率下的油耗，g/（kW·h）；h为柴油发电机运行时间，h；y为在网发电机台数。

f1为柴油机与发电机功率换算系数，取0.95；f2为克与吨换算系数，取106。根据式（1）计算得到传统4台在网柴油发电机在65%负荷率下的油耗为1773t。

采用3台柴油发电机组加3组蓄电池组方案，85%负荷率下的油耗计算结果为1473t。2种工况下1年产生的油耗差值为300t。

穿梭油船在航行阶段的负荷较低，仅为主机辅助设备和生活所需供电，发电机的负荷率较低，因此在航行阶段对锂电池组进行充电可提高发电机的负荷率，减少燃油消耗。

在船舶靠港或锚地待命等主机不工作的低负荷工况下，完全由锂电池组供电，不用启动发电机，从而进一步减少燃油消耗。

以船舶每年靠港50次为例，3组420kW·h的锂电池组可至少保证船舶基本生活所需的用电3h，总计节省的燃油使用量为70t。

锂电池组的能量效率较高，适用于穿梭油船上述工况的锂电池组的充放电率通常都不高，即不是大电流快充快放，因此能量损耗相对较小，能效转换效率可保持在90%以上。

可与电池充电时发电机负荷率提升而节省的燃油消耗相抵消，因此不再展开研究。

采用锂电池组的技术方案每年至少可使穿梭油船减少燃油消耗370t。按950美元/吨的燃油成本计算，价值35.2万美元。

从上述计算可看出，对于大连船舶重工集团研发的穿梭油船，若采用锂电池组方案，在运营阶段每年可节省35.2万美元，5年可收回初始投资增加的成本。

假如按锂电池组7年使用寿命周期考虑，穿梭油船运行的第6年至第7年可节约燃油成本70万美元。

采用该方案能达到节约运营成本和减少污染物排放的目的。

虽然上述计算为理论计算，具体船舶运营期间的油耗情况与实际船舶运营航次、航线、海况和油公司的作业规程等有很大关系。

但可以肯定的是，采用锂电池储能系统的经济性是非常好的。

（二）环保性分析

按上述方案配置的锂电池组每年可使穿梭油船减少燃油消耗370t，可相应减少废气排放4440000m3，可减少CO2排放1165t，环保效果非常明显。

六、结论

由上述分析可知，锂电池储能系统在穿梭油船上应用，从技术角度上而言是可行的，能给船舶带来节约运营成本、节油减排、减少船舶发电机装机容量和延长发电机使用寿命等益处。

随着锂电池成本不断降低，其经济优势会更加明显。目前，欧洲和挪威北海区域的船舶所有人已积极推广应用锂电池组。

巴西海域和我国的石油公司受限于船舶建造的初始投资成本，目前还没有在船上广泛应用锂电池组。通过对比分析，可让更多船舶所有人接受锂电池组技术方案。

本文仅是对锂电池储能系统在SUEZ型穿梭油船上的初步应用进行研究，以后可结合更多的船型方案。

与更多配电设备和锂电池厂家开展更广泛和深入的技术交流，固化设计方案，为穿梭油船及其他船型的开发提供参考。

参考文献

（1）赖纳·科特豪尔.锂离子电池手册.北京：机械工业出版社，2018.

（2）ANDREAD.大规范锂离子电池管理系统.北京：机械工业出版社，2018.

（3）中国船级社.太阳能光伏系统及磷酸铁锂电池系统检验指南.2014.

（4）中国船级社.混合动力船舶检验指南.2019.