電力推進(jìn)應(yīng)用于我國(guó)漁船的適用性分析

崔雪亮， 張偉信

(浙江省海洋水產(chǎn)研究所， 浙江 舟山 316021)

電力推進(jìn)應(yīng)用于我國(guó)漁船的適用性分析

崔雪亮， 張偉信

(浙江省海洋水產(chǎn)研究所， 浙江 舟山 316021)

在節(jié)能減排的時(shí)代背景下，電力推進(jìn)系統(tǒng)作為船舶新型推進(jìn)技術(shù)，已逐步應(yīng)用于世界各國(guó)船舶中，但在漁船領(lǐng)域應(yīng)用甚少。與傳統(tǒng)主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)相比較，電力推進(jìn)系統(tǒng)具有空間利用率高、節(jié)能環(huán)保、便于控制及維修等優(yōu)點(diǎn)，便于生產(chǎn)安裝和商業(yè)運(yùn)行。將福建東山36.5 m電力推進(jìn)漁船和浙江臨海54 m圍網(wǎng)漁船運(yùn)行效果進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，總結(jié)出電力推進(jìn)系統(tǒng)在不同作業(yè)漁船中的適用性能差異，對(duì)我國(guó)未來漁業(yè)漁船裝備升級(jí)轉(zhuǎn)型有著非常重要的意義。

電力推進(jìn)；節(jié)能；環(huán)保；轉(zhuǎn)型

0 引 言

當(dāng)今世界，海洋污染、能源匱乏已經(jīng)越發(fā)明顯，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為時(shí)代主流。船舶電力推進(jìn)作為船舶新型推進(jìn)節(jié)能技術(shù)，已日趨受到世界各國(guó)重視[1]。雖然我國(guó)是一個(gè)造船大國(guó)，但是我國(guó)船舶在應(yīng)用電力推進(jìn)系統(tǒng)方面的研究才剛剛起步，電力推進(jìn)船舶比重還非常小，與發(fā)達(dá)國(guó)家有較大的差距。在世界船舶、航海行業(yè)整體蕭條的時(shí)代背景下，加速我國(guó)船舶技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能優(yōu)化，提高我國(guó)整體船舶競(jìng)爭(zhēng)力已刻不容緩。我國(guó)大部分漁業(yè)船舶主要采用柴油機(jī)直接推進(jìn)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在油耗高、污染大、操作性能不靈活、噪聲大等缺點(diǎn)，給海洋和空氣環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。柴-電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用研究項(xiàng)目是農(nóng)業(yè)部漁業(yè)局2012年起開展的漁船節(jié)能減排項(xiàng)目，目前電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)逐步被應(yīng)用于遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁船及圍網(wǎng)漁船中，本文通過對(duì)近海圍網(wǎng)漁船應(yīng)用電力推進(jìn)系統(tǒng)的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、比對(duì)，進(jìn)而分析電力推進(jìn)系統(tǒng)在近海漁船中的適用性。

1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展

電力推進(jìn)系統(tǒng)已有100多年的歷史，但是大多數(shù)電力推進(jìn)船舶都是近幾十年內(nèi)建造的。近代船舶電力推進(jìn)分為2大類：直流推進(jìn)和交流推進(jìn)。20世紀(jì)70年代，由于交流電動(dòng)機(jī)技術(shù)不夠成熟、調(diào)速困難，因此當(dāng)時(shí)主要采用直流電力推進(jìn)系統(tǒng)。直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)單，調(diào)速性能好，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積大，重量重，并存在功率及轉(zhuǎn)速極限等技術(shù)問題，所以其發(fā)展受到限制。隨著電力電子技術(shù)、變頻電機(jī)制造技術(shù)、電機(jī)控制理論，以及新能源、新材料等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)的一些技術(shù)瓶頸被順利解決，電力推進(jìn)系統(tǒng)可以更加合理、廣泛地應(yīng)用于各種作業(yè)類型的船舶。近年來，電力推進(jìn)系統(tǒng)在電機(jī)推進(jìn)功率、控制系統(tǒng)優(yōu)化等方面都有了突破性的進(jìn)展。世界著名電氣集團(tuán)，如SIEMENS,ABB以及ALSTOM等，都已研制出船舶交流電力推進(jìn)成套裝置。該類型裝置功率范圍廣，其中以吊艙式推進(jìn)器最具代表性，被廣泛應(yīng)用于豪華郵船、油船和軍用船舶等一些具有特殊用途的船舶[2-4]。目前發(fā)達(dá)國(guó)家新造船舶的30%已采用電力推進(jìn)系統(tǒng)[5]，可見交流電力推進(jìn)將逐漸成為主流，是未來船舶推進(jìn)系統(tǒng)的一種主要推進(jìn)方式。

2 傳統(tǒng)船舶柴油機(jī)推進(jìn)與現(xiàn)代電力推進(jìn)對(duì)比

傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)主要是原動(dòng)機(jī)推進(jìn)技術(shù)，即直接由主機(jī)通過齒輪箱來驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，在船舶發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用，并一直處于主導(dǎo)地位。然而，傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)也有許多不足的地方，如：?jiǎn)螜C(jī)單槳的可靠性不高，原動(dòng)機(jī)占據(jù)空間較大，燃油消耗率高(特別是低轉(zhuǎn)速運(yùn)行下，如圖1所示)，工作環(huán)境噪聲大，影響船員的身心健康，等等。隨著科技的日益發(fā)展，這些缺點(diǎn)被不斷放大，嚴(yán)重阻礙著船舶產(chǎn)能的進(jìn)一步優(yōu)化。

圖1 主流柴油機(jī)油耗功率曲線

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)包括主發(fā)電機(jī)、船舶電網(wǎng)、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、濾波器、變頻器和變壓器，是從船舶初端電網(wǎng)到末端電網(wǎng)一體化的綜合系統(tǒng)。目前廣泛采用的電力推進(jìn)系統(tǒng)主要有Cyclo電力推進(jìn)系統(tǒng)、Synchro電力推進(jìn)系統(tǒng)和PWM電力推進(jìn)系統(tǒng)[6]。它們的工作原理是發(fā)電機(jī)組發(fā)電，船舶電站和變頻器變電，再通過濾波器把優(yōu)質(zhì)電源直接提供給推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，從而利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。電力推進(jìn)系統(tǒng)能更加完美地改善機(jī)艙布置，大幅減少機(jī)艙噪聲，給船員帶來安靜的工作環(huán)境。同時(shí)，電力推進(jìn)系統(tǒng)的操控性能好，能進(jìn)行遠(yuǎn)距離電氣控制，推進(jìn)電機(jī)也更易得到最佳工作特性，從而提高柴油機(jī)的效率，節(jié)省燃油。電力推進(jìn)的安全性能更佳，能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)單槳，能夠通過調(diào)節(jié)多臺(tái)發(fā)電機(jī)供電，保證每臺(tái)發(fā)電機(jī)滿負(fù)載運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)船舶燃油的充分利用，也保障了船舶推進(jìn)的可靠性。這是一種新型的推進(jìn)系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是較好地彌補(bǔ)柴油機(jī)推進(jìn)的不足，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于大型貨船、油船、客船及軍用船舶，但在漁船上面的應(yīng)用還有待研究探索。

3 電力推進(jìn)應(yīng)用于圍網(wǎng)漁船的節(jié)能效果分析

我國(guó)是個(gè)漁業(yè)大國(guó)，但不是漁業(yè)強(qiáng)國(guó)，其主要體現(xiàn)在我國(guó)小型漁船占很大比重，現(xiàn)代化漁業(yè)裝備落后，自動(dòng)化程度不高，能源消耗大、利用率低，人員管理落后等。目前我國(guó)絕大部分漁業(yè)船舶都有著動(dòng)力效率低，柴油機(jī)應(yīng)用老化、能耗高、排放污染嚴(yán)重[7]等主要問題。解決這些難題，已經(jīng)是迫在眉睫的事情。漁船柴-電混合推進(jìn)，是指電動(dòng)機(jī)代替推進(jìn)用柴油機(jī)的推進(jìn)方式，目前我國(guó)還處于探索研究階段，可借鑒的資料較少。2012年我國(guó)第1艘電力推進(jìn)拖網(wǎng)漁船在福建東山建成并投入使用，其節(jié)能效果相當(dāng)明顯，在獨(dú)立1臺(tái)副機(jī)運(yùn)行的作業(yè)工況下，比其同類型、同區(qū)域作業(yè)拖網(wǎng)漁船節(jié)能20%以上[8]。電力推進(jìn)系統(tǒng)在拖網(wǎng)作業(yè)漁船上使用，其節(jié)能效果已經(jīng)得到充分的證明，然而我國(guó)漁船作業(yè)方式多樣，主要分為圍網(wǎng)、拖網(wǎng)、流刺網(wǎng)、延繩釣、魷魚釣等，電力推進(jìn)系統(tǒng)在其他作業(yè)方式的漁船上是否也能取得同樣的效果還有待驗(yàn)證。

本次調(diào)查的漁船為近海圍網(wǎng)作業(yè)漁船，其電力推進(jìn)系統(tǒng)(如圖2所示)主要采用北車集團(tuán)永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的配套產(chǎn)品。該漁船采用電壓690 V，功率2×600 kW發(fā)電機(jī)作為主發(fā)電機(jī)組，電壓為600 V，功率為2×430 kW的電動(dòng)機(jī)作為電力推進(jìn)電機(jī)來運(yùn)行整個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)。

該船主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 試驗(yàn)圍網(wǎng)漁船電力推進(jìn)示例

表1 電力推進(jìn)圍網(wǎng)作業(yè)漁船主要技術(shù)參數(shù)

通過前期的調(diào)研及后期的實(shí)船對(duì)比，在同類船型圍網(wǎng)作業(yè)產(chǎn)量相當(dāng)?shù)那闆r下，該船的燃油消耗率有所降低。一個(gè)生產(chǎn)周期下來，節(jié)油7.4%，起到一定的節(jié)能效果，但圍網(wǎng)漁船應(yīng)用電力推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能效果相較于拖網(wǎng)漁船明顯降低，如表2所示。

從表2可以看出，船舶在航行狀態(tài)下，其主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和電力推進(jìn)系統(tǒng)所消耗的燃油差不多，節(jié)能效果不明顯。在作業(yè)狀態(tài)下，拖網(wǎng)漁船主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的油耗明顯上升，電力推進(jìn)油耗上升不明顯，而圍網(wǎng)漁船主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的油耗上升不明顯，電力推進(jìn)油耗上升也不明顯。分析可知，這與漁船作業(yè)特性有關(guān)：拖網(wǎng)漁船作業(yè)狀態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)，航速較慢，主機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，因此其主機(jī)油耗明顯上升；圍網(wǎng)漁船作業(yè)時(shí)間短，航速一般保持不變，因此其主機(jī)油耗上升不明顯，節(jié)能效果也就不明顯。因此，電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于漁船上的節(jié)能效果與其作業(yè)方式有著密切聯(lián)系，不同作業(yè)性質(zhì)的漁船在使用電力推進(jìn)系統(tǒng)后所產(chǎn)生的節(jié)能效果也并不相同。

表2 拖網(wǎng)漁船和圍網(wǎng)漁船油耗率對(duì)比 kg/h

4 結(jié) 論

隨著電力電子技術(shù)與微機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電力推進(jìn)技術(shù)日趨成熟。電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)突出，是未來推進(jìn)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但其前期成本高以及相關(guān)專業(yè)人員配套等問題還需進(jìn)一步解決。本文研究分析電力推進(jìn)在不同作業(yè)漁船上的應(yīng)用效果差異，有利于今后進(jìn)一步開展?jié)O船電力推進(jìn)的研究，探索出適合不同作業(yè)漁船的電力推進(jìn)系統(tǒng)，并降低系統(tǒng)設(shè)備成本，使大眾漁船的裝備得以升級(jí)，是未來漁業(yè)電力推進(jìn)系統(tǒng)研究的方向。

[1] 陳次祥，唐石青，王良秀，等.電力推進(jìn)技術(shù)下的船舶電站發(fā)展[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2010,32(8)：30-32.

[2] HODGE C G. Modern Applications of Power Electronics to Marine Propulsion Systems [J]. International Symposium on Power Semiconductor Devices & Ics, 2002:9-16.

[3] CLAYTON D H，SUDHOFF S D， GRATER G F. Electric Ship Drive and Power System [J]. International Power Modulator Symposium, 2000.

[4] ERICSEN T. Engineering “Total Electric Ship” [J]. Petroleum and Chemical Industry Technical Conference, 2007:1-6.

[5] 劉赟，徐紹佐.船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)綜述[J].柴油機(jī)，2004(2)：1-3.

[6] 魏鵬威，張建一，詹鋆.混合動(dòng)力漁船LNG冷量的應(yīng)用分析[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2012，39(3):51-54.

[7] 聶延生，黃鵬程，羅超，等.SIMAR DRIVE系列電力推進(jìn)系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].航海技術(shù)，2004，6:49-51.

[8] 黎建勛，金嬌輝，諶志新. 電力推進(jìn)拖網(wǎng)漁船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2012，39(5):43-48.

ApplicabilityAnalysisofElectricPropulsionAppliedtoFishingBoatsinChina

CUI Xueliang, ZHANG Weixing

(Marine Fishery Institute of Zhejiang Province， Zhoushan 316021, Zhejiang， China)

The electric propulsion system is a new type of propulsion technology and is gradually applied to various ships all over the world in the background of energy saving and emission reduction., but it is seldom used in fishing boats. In comparison with the traditional propulsion system, the electric propulsion has the advantages of high space utilization, energy saving, environmental protection, easy control and maintenance, and it is also convient for production ,installation and commercial operation. A comparative test is carried out between the electric propulsion fishing boat of 36.5 meters in Dongshan, Fujian Province and the fishing boat of 54 meters in Linhai, Zhejiang Province. The application performance differences of the electric propulsion system in different fishing bosts are summarized by further analysis. It has great significance to the upgrading and transformation of fishing equipment in the future.

electric propulsion; energy saving; environmental protection; transformation

崔雪亮(1986-)，男，工程師，研究方向?yàn)闈O船節(jié)能及推廣

1000-3878(2017)06-0019-04

U665

A