基于北斗衛(wèi)星定位的金槍魚釣船混合動(dòng)力節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永鼎,田晨曦,董亞龍

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

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基于北斗衛(wèi)星定位的金槍魚釣船混合動(dòng)力節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永鼎,田晨曦,董亞龍

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

我國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)迅速發(fā)展,但隨著燃油價(jià)格的攀升,漁船作業(yè)能耗和環(huán)境問(wèn)題逐漸浮出水面。傳統(tǒng)金槍魚釣船在捕撈作業(yè)時(shí),柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),燃油消耗率較高。為了穩(wěn)定遠(yuǎn)洋捕撈漁業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,并達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo),提出了一種基于北斗衛(wèi)星通訊的金槍魚釣船油電混合動(dòng)力系統(tǒng)。油電混合動(dòng)力金槍魚釣船由柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩大動(dòng)力源構(gòu)成,采用燃油和電能混合提供動(dòng)力,可以根據(jù)北斗衛(wèi)星定位的漁場(chǎng)位置及航速選擇不同的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)。通過(guò)燃油經(jīng)濟(jì)性分析,與傳統(tǒng)金槍魚釣船相比較,在相同工況、相同作業(yè)時(shí)間的條件下,綜合油耗量降低13%,系統(tǒng)靈活性、燃油經(jīng)濟(jì)性有一定的提高。

北斗衛(wèi)星;金槍魚釣船;混合動(dòng)力;節(jié)能減排

0 引 言

隨著全球工業(yè)化的迅速發(fā)展,資源短缺和環(huán)境污染的問(wèn)題日益嚴(yán)重。中國(guó)作為全球化的一個(gè)重要組成部分,在經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)的同時(shí)也面臨著能源的巨大消耗,目前中國(guó)已經(jīng)成為世界第二大能源消耗國(guó)。隨著燃油價(jià)格的上升,能源的短缺,同時(shí)又受到溫室氣體減排的巨大壓力,世界各國(guó)對(duì)化石燃料能源的控制越來(lái)越嚴(yán)格,捕撈漁業(yè)因此受到沉重的打擊。漁業(yè)的發(fā)展對(duì)國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)起著至關(guān)重要的作用,從推動(dòng)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看,降低漁船的油耗和排放已成為國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的決定性因素。漁船船型優(yōu)化、高效漁船動(dòng)力裝置、主機(jī)余熱利用裝置、節(jié)能型漁具漁法和捕撈裝備等是漁船節(jié)能減排的重點(diǎn)研究方向[1]。

我國(guó)漁船每年柴油消耗量高達(dá)800多萬(wàn)噸,占漁船捕撈總成本的70%以上[2]。其中,漁船油耗的60%～70%被動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)所占據(jù),因此研究新型動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)是漁船節(jié)能減排的重要措施?；旌蟿?dòng)力推進(jìn)技術(shù)是降低漁船油耗和排放的主要措施之一,與傳統(tǒng)的動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)相比,混合動(dòng)力技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就在于它擅長(zhǎng)解決輸出功率有規(guī)律波動(dòng)的機(jī)動(dòng)設(shè)備的節(jié)能減排問(wèn)題[3]。本文將介紹基于北斗衛(wèi)星定位的金槍魚釣船混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng),并以此在漁船領(lǐng)域推廣與研究。

1 金槍魚釣船的工況分析

1.1 金槍魚釣船的作業(yè)方式和特點(diǎn)

以延繩釣金槍魚船為例,在每個(gè)作業(yè)周期內(nèi),漁船捕撈擁有三種工況,即全速航行工況、投繩航行工況、起繩航行工況。漁船全速航行工況時(shí)長(zhǎng)2～4 h,航速維持在12～14 kn;投繩工況時(shí)長(zhǎng)4～6 h,航速維持在8～10 kn;起繩工況時(shí)長(zhǎng)10～14 h,航速維持在3～5 kn.

漁船在每個(gè)作業(yè)周期內(nèi)變工況運(yùn)行,占據(jù)捕撈作業(yè)周期70%～80%的起繩航行工況,主機(jī)負(fù)荷僅為10%～25%[4]。當(dāng)漁船處于全速航行工況時(shí),柴油機(jī)燃油利用率最高,當(dāng)漁船低航速航行時(shí),柴油機(jī)燃油利用率降低,油耗增加。

1.2 漁船作業(yè)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的漁船,一般以全速航行工況作為設(shè)計(jì)工況,以此來(lái)設(shè)計(jì)確定柴油機(jī)功率和轉(zhuǎn)速。因此漁船在低航速航行時(shí),柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低功率低轉(zhuǎn)速情況下運(yùn)行,導(dǎo)致柴油機(jī)各缸供油不均勻。不僅容易造成柴油機(jī)積炭,導(dǎo)致增壓器背壓增加,可能引起喘振,而且受到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速限制,柴油機(jī)無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定地輸出低功率,燃油利用率降低,油耗升高[5]。污染物的排放也很難維持在理想?yún)^(qū)域內(nèi),同時(shí)造成航速不穩(wěn)定,不利于捕撈生產(chǎn)。柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低功率低轉(zhuǎn)速的情況下運(yùn)行,也會(huì)使噴油壓力下降,霧化不良,混合氣的質(zhì)量變差,燃燒惡化,進(jìn)而導(dǎo)致排氣溫度過(guò)高,潤(rùn)滑油粘度降低,潤(rùn)滑效果變差[6]。

2 基于北斗衛(wèi)星定位的混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),也是繼美國(guó)和俄國(guó)之后的第三個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),與美國(guó)GPS全球定位系統(tǒng)相比,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具備通信功能。目前,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū),2020年左右將成為覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成,可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)[7]。并初步具備了區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時(shí)的能力,定位精度10 m,測(cè)速精度0.2 m/s,授時(shí)精度10 ns.從遠(yuǎn)洋船舶自身安全性來(lái)講,擁有自主產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)是非常必要的,并且北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有雙向通訊功能[8]。

金槍魚釣船的定位屬于海上定位導(dǎo)航,海面高度對(duì)北斗定位精度的影響是客觀存在的,并且存在緯度越低,影響越大的規(guī)律[9]。當(dāng)海上定位精度要求較高時(shí),海面高度因素對(duì)北斗定位精度的影響很大,但本文提及的基于北斗衛(wèi)星的金槍魚釣船混合動(dòng)力系統(tǒng)只作為一般的海上定位,可以忽略因潮汐、洋流導(dǎo)致的海面高度變化對(duì)定位精度的影響。

2.2 基于北斗衛(wèi)星定位的混合動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)方案

混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)是將工作原理不同的兩種以上的原動(dòng)機(jī)組合起來(lái)使其工作的系統(tǒng)[10]?；诒倍沸l(wèi)星的混合動(dòng)力漁船是采用燃油和電能提供動(dòng)力,主要由北斗定位模塊、控制模塊、柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能裝置、電傳動(dòng)系統(tǒng)和能量管理控制系統(tǒng)構(gòu)成。在混合動(dòng)力系統(tǒng)中,儲(chǔ)能裝置向電動(dòng)機(jī)提供電能驅(qū)動(dòng),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩反應(yīng)迅速,波動(dòng)小,有較寬的調(diào)速范圍,低轉(zhuǎn)速時(shí)能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩,可以彌補(bǔ)柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)高燃油消耗率的缺陷。同時(shí),儲(chǔ)能裝置的充放電利于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于平穩(wěn),可使柴油機(jī)穩(wěn)定保持在高效區(qū)域工作。由于電動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的輔助,柴油機(jī)不會(huì)因?yàn)榈∷龠\(yùn)轉(zhuǎn)而造成不必要的燃油浪費(fèi)和廢氣排放,甚至可以使柴油機(jī)短暫性不工作[11]。

基于北斗衛(wèi)星定位的混合動(dòng)力系統(tǒng)可以合理選擇分配柴油機(jī)動(dòng)力和電動(dòng)機(jī)動(dòng)力,在柴油機(jī)燃油和排放性能較好的高速高負(fù)荷區(qū)域,漁船采用柴油機(jī)動(dòng)力推進(jìn),低速低負(fù)載時(shí),漁船采用電動(dòng)機(jī)動(dòng)力推進(jìn)[12]?；诒倍沸l(wèi)星的金槍魚釣船混合動(dòng)力系統(tǒng)可以滿足不同工況的動(dòng)力需求,同時(shí)使柴油機(jī)穩(wěn)定工作在高效區(qū)域附近,提高了燃油經(jīng)濟(jì)性,降低了排放污染[13]?；旌蟿?dòng)力推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在有限空間內(nèi),通過(guò)合理的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提供了系統(tǒng)的解決方案,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、機(jī)槳匹配的合理性及系統(tǒng)協(xié)調(diào)性[14]。

混合動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式?；炻?lián)式混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的傳動(dòng)特性,如圖1所示,柴油機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)分流裝置后有兩個(gè)流向,一個(gè)是通過(guò)動(dòng)力耦合裝置驅(qū)動(dòng)工作組件,一個(gè)是經(jīng)由發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電,電能儲(chǔ)存到蓄電池中或者直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作。電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍廣,易于正反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)滿足了金槍魚釣船的作業(yè)需求。

2.3 混合動(dòng)力金槍魚釣船的驅(qū)動(dòng)模式

基于北斗衛(wèi)星定位的金槍魚釣船可以利用北斗衛(wèi)星對(duì)漁船的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控管理,可以查看船舶航行的位置與狀態(tài)信息,顯示經(jīng)緯度、速度、航向、時(shí)間等[15]。

北斗定位模塊檢測(cè)到金槍魚釣船處于非作業(yè)漁場(chǎng),且航速在10 kn以上。此時(shí),漁船運(yùn)行在全速航行工況,控制模塊輸出信號(hào),使柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)漁船。此時(shí),柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力在動(dòng)力耦合裝置中進(jìn)行耦合,實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)動(dòng)力并車,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)螺旋槳工作。

北斗定位模塊檢測(cè)到金槍魚釣船處于投繩海域,且航速處于5 ～10 kn之間。此時(shí),漁船運(yùn)行在投繩工況,控制模塊輸出信號(hào),柴油機(jī)作為單一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)漁船。此時(shí),只有柴油機(jī)單獨(dú)參與驅(qū)動(dòng)工作,并穩(wěn)定工作在高效區(qū)域,柴油機(jī)動(dòng)力經(jīng)由動(dòng)力分流裝置分流后,一部分傳遞到螺旋槳,另一部分驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存在蓄電池中。

北斗定位模塊檢測(cè)到金槍魚釣船處于起繩海域,且航速低于5 kn。此時(shí),漁船運(yùn)行在起繩工況,控制模塊輸出信號(hào),電動(dòng)機(jī)作為單一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)金槍魚釣船。當(dāng)蓄電池的荷電狀態(tài)SOC高于設(shè)定值時(shí),蓄電池向電動(dòng)機(jī)提供電力,螺旋槳的動(dòng)力完全來(lái)自于電動(dòng)機(jī),柴油機(jī)停機(jī);當(dāng)蓄電池的荷電狀態(tài)SOC低于設(shè)定值時(shí),柴油機(jī)開啟并穩(wěn)定工作在高效區(qū)域附近,驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)向蓄電池充電。

根據(jù)上述工況分析,金槍魚釣船的工況可以分為兩種模式,即在全速航行工況、投繩工況下柴油機(jī)作為主動(dòng)力源模式,和在起繩工況下電動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源模式。

2.4 金槍魚釣船工況分析

本文選取36 m金槍魚釣船作為研究對(duì)象,吃水量300噸,吃水深度2.85 m,設(shè)計(jì)航速12.5 kn,漁船垂線間長(zhǎng)34.46 m,型寬6.3 m[15].采用混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的金槍魚釣船動(dòng)力系統(tǒng)各配置如表1所示。

表1 混合動(dòng)力金槍魚釣船動(dòng)力系統(tǒng)配置

金槍魚釣船作業(yè)航速、作業(yè)時(shí)間,以及漁船驅(qū)動(dòng)模式如表2所示。Tr為漁船需求轉(zhuǎn)矩;Te為柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩;Tm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;i為耦合速比。

表2 混合動(dòng)力金槍魚釣船作業(yè)工況

3 基于北斗衛(wèi)星定位的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

基于北斗衛(wèi)星定位的混合動(dòng)力金槍魚釣船與傳統(tǒng)金槍魚釣船在全速航行、投繩、起繩工況下的動(dòng)力源分配及功率對(duì)比如表3所示。

表3 功率分配對(duì)比

漁船油耗量是評(píng)價(jià)動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo),油耗量是燃油消耗率與柴油機(jī)輸出功率和作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的乘積,總油耗量是漁船在三種作業(yè)工況下各油耗量之和?；诒倍沸l(wèi)星定位的混合動(dòng)力漁船與傳統(tǒng)動(dòng)力漁船單次作業(yè)周期的燃油消耗量對(duì)比如表4所示。

表4 燃油消耗量對(duì)比

在全速航行工況下,由于混合動(dòng)力漁船的柴油機(jī)裝機(jī)功率比傳統(tǒng)漁船較低,漁船油耗量也相應(yīng)減少。在投繩工況下,混合動(dòng)力漁船的柴油主機(jī)始終工作在高效燃油區(qū)域內(nèi),輸出功率高于傳統(tǒng)漁船,油耗量也相應(yīng)升高,但富裕能量為下一工況電動(dòng)機(jī)的工作蓄能充電;在起繩工況下,傳統(tǒng)動(dòng)力漁船的柴油機(jī)處于輕載工況,耗油量巨大,混合動(dòng)力漁船的柴油機(jī)停機(jī),只采用單一電動(dòng)機(jī)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng),達(dá)到了零污染、零排放的要求。綜上,在相同工況、相同作業(yè)時(shí)間的條件下,混合動(dòng)力金槍魚釣船比傳統(tǒng)動(dòng)力金槍魚釣船節(jié)油13%.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于北斗衛(wèi)星定位的混合動(dòng)力金槍魚釣船,以混聯(lián)式作為混合動(dòng)力推進(jìn)方案,并對(duì)驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行研究設(shè)計(jì)?；炻?lián)式驅(qū)動(dòng)方案降低了金槍魚釣船在作業(yè)工況下對(duì)主機(jī)的依賴性,并在滿足漁船捕撈作業(yè)的需求下,根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)判斷漁船的位置、航速,以此來(lái)合理選擇分配柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)動(dòng)力源,改善柴油機(jī)的工況使其穩(wěn)定工作在額定功率區(qū)附近,提高了燃油利用率并減少了污染物的排放。與傳統(tǒng)金槍魚釣船相比較,在全速航行、投繩、起繩相同工況下,基于北斗衛(wèi)星定位的混合動(dòng)力金槍魚釣船綜合油耗量減少了13%,實(shí)現(xiàn)了船舶節(jié)能減排,因此基于北斗衛(wèi)星定位的混合動(dòng)力金槍魚釣船具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

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Design of Hybrid Energy-saving Tuna Longline Propulsion Based on Beidou Satellites

WANG Yongding,TIAN Chenxi,DONG YaLong

(CollegeofEngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

The rapid development of China’s offshore fishing, alone with rising fuel prices, there has been fishing boats’ energy and environment issues. When tuna longline is working, the diesel engine is in the low speed and low load operation conditions which cause higher fuel consumption. In order to stabilize the economic benefits of offshore capture fisheries and reduce energy and consumption, hybrid tuna longline system based on Beidou satellites is presented in this paper. This system consists of two power sources: the diesel engine and the electric motor. According to Beidou satellites, the system could choose different power sources based on position and speed. Compared with conventional hybrid tuna longline, the general fuel consumption can reduce 13% under the same condition and the same working time. And also the system reliability and propulsion efficiency are improved.

Beidou satellite; tuna longline; hybrid; energy conservation

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.026

2016-09-21

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(編號(hào)：13dz1203701)資助

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0122-05

王永鼎 (1963-),男,碩士,教授,主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ萄b備、船舶動(dòng)力裝置和漁業(yè)節(jié)能技術(shù)。

田晨曦 (1992-),男,碩士生,主要研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力船舶的節(jié)能研究。

董亞龍 (1992-),男,碩士生,主要研究方向?yàn)槲⑿⌒退聶C(jī)器人結(jié)構(gòu)分析與系統(tǒng)控制研究。

聯(lián)系人： 田晨曦 E-mail:chenxi.tian@outlook.com