柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)在金槍魚(yú)延繩釣船上的應(yīng)用

周勁望，葉守建

(上海水產(chǎn)集團(tuán)，上海 200082)

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柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)在金槍魚(yú)延繩釣船上的應(yīng)用

周勁望，葉守建

(上海水產(chǎn)集團(tuán)，上海 200082)

柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于船舶領(lǐng)域有三種形式：PTO(power take out)、PTI(power take in)和PTH(power take home)形式。為了滿足金槍魚(yú)延繩釣船航行和作業(yè)兩種工況，將PTH形式柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于金槍魚(yú)延繩釣船上。金槍魚(yú)延繩釣船在自由航行高航速工況時(shí)，使用柴油機(jī)動(dòng)力；在釣魚(yú)作業(yè)低航速工況時(shí)，使用電力動(dòng)力。上海水產(chǎn)集團(tuán)先后建造了5條配備柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的金槍魚(yú)延繩釣船。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，PTH形式傳動(dòng)系統(tǒng)完全可以應(yīng)用于金槍魚(yú)延繩釣船，并具有滿足兩種工況，提高冗余度，增加安全性，降低燃油消耗，節(jié)能減排的效果，對(duì)于金槍魚(yú)延繩釣船是一個(gè)非常好的選擇。

金槍魚(yú)延繩釣船； 柴電混合動(dòng)力； PTH形式兩種工況油耗

隨著世界能源問(wèn)題日益突出，混合推進(jìn)形式不斷運(yùn)用于汽車、船舶等交通工具上。機(jī)電混合動(dòng)力系統(tǒng)在汽車上已經(jīng)有著廣泛而成熟的應(yīng)用，但在漁業(yè)捕撈船舶上的應(yīng)用還并不多[1-2]。近幾年，國(guó)家對(duì)于遠(yuǎn)洋漁業(yè)的發(fā)展高度重視。2013年國(guó)務(wù)院印發(fā)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)海洋漁業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》和《船舶工業(yè)加快結(jié)構(gòu)調(diào)整促進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)實(shí)施方案(2013-2015年)》，農(nóng)業(yè)部制定了《關(guān)于促進(jìn)遠(yuǎn)洋漁業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見(jiàn)》、《關(guān)于貫徹落實(shí)<國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)海洋漁業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)>的實(shí)施意見(jiàn)》等一系列政策措施，為中國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)行業(yè)明確了發(fā)展目標(biāo)，指明了發(fā)展方向，部署了發(fā)展措施。遠(yuǎn)洋漁業(yè)是推進(jìn)國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重要方面，金槍魚(yú)延繩釣船是遠(yuǎn)洋漁業(yè)的重要組成部分，此前，柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)一直未在我國(guó)金槍魚(yú)延繩釣船上實(shí)船應(yīng)用。2013年，在上海市科委的支持下，上海水產(chǎn)(集團(tuán))總公司牽頭開(kāi)展了金槍魚(yú)延繩釣漁船柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的研究和示范[3-6]，在國(guó)內(nèi)首次將柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于金槍魚(yú)延繩釣船。

1 柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)

柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)是指包含柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分的動(dòng)力系統(tǒng)。作為一種新型驅(qū)動(dòng)形式，柴電混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、驅(qū)動(dòng)力大、易于正反轉(zhuǎn)、體積小、布局靈活、安裝方便、便于維修、振動(dòng)和噪音小等優(yōu)點(diǎn)。

柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于船舶領(lǐng)域有PTO(power take out)、PTI(power take in)和PTH(power take home)三種形式(見(jiàn)圖1)。PTO形式是指柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)齒輪箱，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，推進(jìn)船舶前進(jìn)，同時(shí)帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電供全船使用。PTI形式是指柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)齒輪箱，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)齒輪箱，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)；以柴油機(jī)為主，電動(dòng)機(jī)為輔，共同推動(dòng)螺旋槳，電動(dòng)機(jī)不單獨(dú)推進(jìn)螺旋槳。PTH形式是指柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)齒輪箱，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)也可以作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)齒輪箱，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)；柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)分別獨(dú)立推動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，不可以兩者并車同時(shí)運(yùn)行[7-9]。

圖1 機(jī)電混合動(dòng)力系統(tǒng)分類Fig.1 Electromechanical hybrid power system classification

PTO形式一般運(yùn)用于用電量大，主機(jī)作業(yè)工況下富裕功率多的漁船之上，可以將船舶主機(jī)的功率轉(zhuǎn)換為電能供全船使用。PTI形式一般運(yùn)用于主推進(jìn)功率需求較大的船舶之上，可以將船舶主電網(wǎng)的電能用于推進(jìn)，增大推進(jìn)功率。PTH形式一般運(yùn)用于具有兩種不同工況的船舶。通常情況下，漁業(yè)捕撈或工程類船舶均存在正常航行

及生產(chǎn)作業(yè)兩種不同工況，因此，考慮到兩種工況下船舶對(duì)驅(qū)動(dòng)功率的不同要求，將柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)按照一種工況設(shè)計(jì)，電力驅(qū)動(dòng)按照一種工況設(shè)計(jì)，就能滿足兩種不同工況需求。

由于金槍魚(yú)延繩釣船的工作特性，主推進(jìn)系統(tǒng)需要滿足可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于兩種完全不同的航行或作業(yè)工況。第一種工況為航行工況，設(shè)計(jì)航速為10～12 kn，主要為往返、轉(zhuǎn)移漁場(chǎng)等正常航行時(shí)；第二種工況為作業(yè)工況，設(shè)計(jì)航速為4～7 kn，主要為放起魚(yú)鉤作業(yè)時(shí)；且這兩種工況的運(yùn)營(yíng)時(shí)間基本等同。根據(jù)金槍魚(yú)延繩釣船的工況特點(diǎn)，為兼顧兩種不同工況下對(duì)推進(jìn)功率的不同需要，并保證柴油機(jī)自身能工作在最佳的運(yùn)行工況下，因此將該船舶的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為混合驅(qū)動(dòng)并選擇PTH形式是最合適的。柴油機(jī)動(dòng)力推進(jìn)滿足航行工況，電力動(dòng)力推進(jìn)滿足作業(yè)工況。

PTH形式的柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)和電力動(dòng)力系統(tǒng)組成。柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪箱的離合器分別連接螺旋槳，推動(dòng)船舶前進(jìn)。兩套系統(tǒng)分別具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力由船舶主電網(wǎng)通過(guò)配電板與變頻器提供。

圖2 PTH形式動(dòng)力系統(tǒng)示意圖Fig.2 PTH type power system diagram

2 實(shí)船應(yīng)用結(jié)果

上海水產(chǎn)(集團(tuán))總公司在上海市科委的支持下，將PTH形式的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于遠(yuǎn)洋金槍魚(yú)延繩釣漁船之上，在2013年建成滬漁918、滬漁919兩艘船的基礎(chǔ)上，于2014年又開(kāi)工建造了三艘49.9 m金槍魚(yú)延繩釣船滬漁927、滬漁928與滬漁929。這三艘船均應(yīng)用了PTH形式的混合動(dòng)力系統(tǒng)。其中柴油機(jī)動(dòng)力部分選用了康明斯KTA38-M0/671 kW機(jī)型作為主機(jī)，主機(jī)功率671 kW；電力動(dòng)力部分則由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所系統(tǒng)設(shè)計(jì)并集成，選用了ABB公司的變頻器和電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率200 kW。這三艘船已于2015年赴太平洋捕撈作業(yè)。對(duì)示范船滬漁927輪兩種推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)比的情況見(jiàn)表1。

表1 兩種推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)比

數(shù)據(jù)來(lái)源:示范船滬漁927輪.

Data source: fishing boat, HuYu 927

3 討論

實(shí)船應(yīng)用表明，柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)完全可以應(yīng)用于金槍魚(yú)延繩釣船，并且具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 使用PTH系統(tǒng)，滿足兩種工況要求。當(dāng)航行工況時(shí)，高航速，使用柴油機(jī)動(dòng)力；當(dāng)作業(yè)工況時(shí)，低航速，使用電力動(dòng)力。對(duì)于這兩種不同工況，混合動(dòng)力均能使船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

2) 使用PTH系統(tǒng)，增加了動(dòng)力系統(tǒng)的冗余度。當(dāng)柴油機(jī)動(dòng)力部分或者電力動(dòng)力出現(xiàn)故障時(shí)，均可使用另一個(gè)未出現(xiàn)故障的動(dòng)力部分保證船舶的安全航行，有效地提升了船舶航行和生產(chǎn)的可靠性和安全性。

3) 使用PTH系統(tǒng)，節(jié)約了燃油消耗。根據(jù)燃油消耗統(tǒng)計(jì)情況，綜合分析，使用混合動(dòng)力后可以節(jié)省燃料消耗15%左右，大大降低了運(yùn)行成本，同時(shí)達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

4) 使用PTH系統(tǒng)，避免了主機(jī)長(zhǎng)時(shí)期低負(fù)荷工作。在起鉤或放鉤作業(yè)時(shí)，航速較低，若使用柴油機(jī)動(dòng)力，則燃油燃燒不充分，油耗率升高，且柴油機(jī)會(huì)出現(xiàn)積炭，導(dǎo)致增壓器背壓增加，引起喘振。若使用混合動(dòng)力，則低工況下，可以使用發(fā)電機(jī)發(fā)電，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)推進(jìn)船舶，從而避免產(chǎn)生這些不良影響。

5) 使用PTH系統(tǒng)，增加了主電網(wǎng)備用容量。主電網(wǎng)容量增加，對(duì)于電網(wǎng)性能穩(wěn)定，電網(wǎng)冗余度均有好處，同時(shí)發(fā)電機(jī)組從兩臺(tái)增加至三臺(tái)，大大提高了電網(wǎng)的安全性。

6) 使用PTH系統(tǒng)，比全電力方式更經(jīng)濟(jì)、更方便。使用全電力推進(jìn)系統(tǒng)雖然也能滿足兩種工況，解決問(wèn)題，但是價(jià)格昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，裝置體積大而布置困難，設(shè)備需要額外冷卻系統(tǒng)，由于金槍魚(yú)延繩釣船舶普遍噸位及機(jī)艙空間較小，且該船舶常年在遠(yuǎn)洋海域生產(chǎn)，維修保養(yǎng)難度大。混合動(dòng)力系統(tǒng)則相對(duì)價(jià)格低廉，維護(hù)及操作簡(jiǎn)單。

金槍魚(yú)延繩釣船需要一種更加經(jīng)濟(jì)、更加可靠的動(dòng)力模式。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，混合動(dòng)力系統(tǒng)作為一種新型的動(dòng)力模式，能夠滿足兩種不同工況需求，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于金槍魚(yú)延繩釣船是一個(gè)非常好的選擇，具有極強(qiáng)的推廣意義。

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Application of electromechanical hybrid propulsion system in tuna longlines

ZHOU Jin-wang, YE Shou-jian

(ShanghaiFisheriesGroup,Shanghai200082,China)

There are three types of hybrid power systems used in the field of ship, including PTO, PTI and PTH. In order to meet the two working conditions of voyage and operation of tuna long liners,the PTH is applied. When a tuna long liner is sailing at high speed, it is driven by diesel engines, and when it is fishing at low speed, electricity is used as power. Shanghai Fisheries Group has built five tuna long liners with hybrid power system.Results shows that PTH type hybrid system in tuna long liners can not only meet the needs of above two working conditions , but also increase the redundancy improve the security,and reduce the fuel consumption. It has obvious advantages in energy saving and emission reduction, thus is the good choice for tuna long liners.

tuna loglines; hybrid propulsion; electric propulsion system

2095-3666(2016)03-0206-04

10.13233/j.cnki.fishis.2016.03.006

2016-04-25

2016-05-27

上海市科委創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(13dz1203700)

周勁望(1958-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源及開(kāi)發(fā)。E-mail:jwzhou9088sh@126.com

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