CPP可調(diào)槳在拖網(wǎng)漁船上的最大化利用

聞濤 劉彬 趙明浩

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的新技術(shù)、新工藝應(yīng)用到了漁業(yè)船舶領(lǐng)域，CPP可調(diào)槳無(wú)疑是其中一項(xiàng)具有顛覆性的技術(shù)。本文根據(jù)柴油機(jī)特性簡(jiǎn)要介紹拖網(wǎng)漁船采用FPP定距槳的缺點(diǎn)，對(duì)比分析采用CPP可調(diào)槳的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，探討利用CPP可調(diào)槳系統(tǒng)主機(jī)的恒轉(zhuǎn)速特性來(lái)提高主機(jī)負(fù)荷和利用率，進(jìn)而提高主機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)CPP可調(diào)槳在拖網(wǎng)漁船上的最大化利用，以期更多的業(yè)內(nèi)人士共同探討設(shè)計(jì)建造經(jīng)濟(jì)、安全、高效、節(jié)能的新型拖網(wǎng)漁船。

關(guān)鍵詞：CPP可調(diào)槳;FPP定距槳;主機(jī);拖網(wǎng)漁船;特性曲線

中圖分類(lèi)號(hào)：U662.2? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）11-0088-04

隨著科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展和我國(guó)近年來(lái)對(duì)遠(yuǎn)洋漁業(yè)的重視及鼓勵(lì)性政策，我國(guó)海洋漁業(yè)實(shí)現(xiàn)了飛躍式發(fā)展，目前已躍居世界第一漁業(yè)大國(guó)，漁船保有量多年穩(wěn)居世界第一。但是飛速發(fā)展的背后我國(guó)漁船依然普遍存在裝備陳舊，作業(yè)方式落后，一些關(guān)鍵設(shè)備依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)象，作業(yè)漁船能耗投入多，效益產(chǎn)出少，在一定程度上嚴(yán)重制約了我國(guó)漁業(yè)的健康發(fā)展。隨著全球?qū)U氣排放污染物治理力度的加大，特別是碳中和理念的提出，高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保型船舶已是大勢(shì)所趨，為CPP可調(diào)槳在我國(guó)漁業(yè)船舶上的推廣運(yùn)用注入了動(dòng)力。本文主要介紹了CPP可調(diào)槳在拖網(wǎng)漁船上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)以及如何實(shí)現(xiàn)其最大化利用，以期更多的業(yè)內(nèi)人士共同探討設(shè)計(jì)建造更加節(jié)能高效的拖網(wǎng)漁船。

1 國(guó)內(nèi)外CPP可調(diào)槳在漁船上的應(yīng)用現(xiàn)狀

相對(duì)而言，歐美等國(guó)可調(diào)槳起步較早，技術(shù)較為成熟，目前歐美及日本等國(guó)家主流的遠(yuǎn)洋漁船已普遍配置了可調(diào)槳推進(jìn)裝置，可調(diào)槳在漁業(yè)船舶上得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。反觀我國(guó)，CPP可調(diào)槳主要應(yīng)用在海巡、海監(jiān)、港作拖輪、科考船等機(jī)動(dòng)性要求較高的特種船舶上，其在漁業(yè)船舶上的應(yīng)用尚處于起步、探索階段，僅近幾年有少量大型拖網(wǎng)漁船配置。而且我國(guó)的可調(diào)槳技術(shù)現(xiàn)階段主要依賴(lài)進(jìn)口、合資生產(chǎn)或消化吸收國(guó)外技術(shù)后仿制，操控性和可靠性等方面仍需不斷完善提高。

2 FPP定距槳拖網(wǎng)漁船的劣勢(shì)

相對(duì)于普通商船，拖網(wǎng)漁船的作業(yè)工況更加復(fù)雜，幾乎每天都在不斷重復(fù)著轉(zhuǎn)移漁場(chǎng)、拖網(wǎng)、起網(wǎng)三種不同工況，轉(zhuǎn)移漁場(chǎng)工況高速航行，拖網(wǎng)工況3～6kn低速航行，起網(wǎng)工況微速航行，傳統(tǒng)的FPP定距槳漁船均依靠調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)滿足不同工況的航速及負(fù)荷需要，倒車(chē)的實(shí)現(xiàn)往往通過(guò)倒順車(chē)齒輪箱完成。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)FPP定距槳的柴油機(jī)，其發(fā)揮不同功率的經(jīng)濟(jì)性是由柴油機(jī)推進(jìn)特性所決定的，以寧波中策動(dòng)力機(jī)電集團(tuán)生產(chǎn)的G8300船用柴油機(jī)（2427kWx630rpm）為例，其推進(jìn)特性曲線如下圖1所示：

由上圖推進(jìn)曲線可知，該柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況為85%額定功率左右，此時(shí)的燃油消耗率約199g/kW.h，低于此負(fù)荷或高于此負(fù)荷，柴油機(jī)的燃油消耗率均會(huì)增加，如怠速工況252rpm，燃油消耗率約298g/kW.h，單位功率幾乎增加1/2的燃油消耗。對(duì)于拖網(wǎng)漁船，柴油機(jī)所能發(fā)揮的功率按螺旋槳特性Ne=C.n3（C為常數(shù)，由柴油機(jī)功率標(biāo)定點(diǎn)確定），即主機(jī)所發(fā)揮的有效功率與轉(zhuǎn)速遵循三次方的關(guān)系。在柴油機(jī)40%額定轉(zhuǎn)速252rpm運(yùn)行時(shí)，其能發(fā)揮的功率約為40%的三次方為6.4%。由此可知隨轉(zhuǎn)速降低，柴油機(jī)所發(fā)揮的功率將急劇下降。因此采用定距槳拖網(wǎng)漁船具有如下缺點(diǎn)：

（1）拖網(wǎng)、起網(wǎng)工況主機(jī)部分負(fù)荷低速運(yùn)轉(zhuǎn)燃油消耗率增加，經(jīng)濟(jì)性變差;

（2）柴油機(jī)存在最低穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速，很難實(shí)現(xiàn)起網(wǎng)工況的微速航行;

（3）所有由主機(jī)直接或間接驅(qū)動(dòng)的設(shè)備轉(zhuǎn)速將隨主機(jī)變化，性能不穩(wěn)定，效率降低，因而無(wú)法驅(qū)動(dòng)重要設(shè)備及大功率設(shè)備;

（4）倒車(chē)需要通過(guò)柴油機(jī)或齒輪箱反轉(zhuǎn)，操控性能差，響應(yīng)速度慢。

3 CPP可調(diào)槳拖網(wǎng)漁船上的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)拖網(wǎng)漁船采用CPP可調(diào)槳之后，由于螺旋槳螺距的連續(xù)可調(diào)，主機(jī)可以在恒轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)船舶的微速航行及倒車(chē)功能，其直接或間接驅(qū)動(dòng)的設(shè)備也可以通過(guò)匹配合理的速比在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。此時(shí)柴油機(jī)按恒轉(zhuǎn)速負(fù)荷特性曲線工作，以濰柴重機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的CW8250ZLC-1型船用柴油主機(jī)（1470kWx750rpm）為例，其負(fù)荷特性曲線如下：

由上圖可知，采用CPP可調(diào)槳后該柴油主機(jī)按負(fù)荷特性曲線工作，其燃油消耗率的最低點(diǎn)也在85%額定功率左右。傳統(tǒng)的FPP定距槳拖網(wǎng)船由于不同工況主機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍過(guò)大，通過(guò)其直接或間接驅(qū)動(dòng)的設(shè)備不僅效率低，而且往往只能單一工況使用。而采用CPP可調(diào)槳之后，以上問(wèn)題迎刃而解，利用CPP推進(jìn)系統(tǒng)主機(jī)的恒轉(zhuǎn)速特性，幾乎船上所有的負(fù)荷都可以考慮設(shè)計(jì)成由主機(jī)直接或間接驅(qū)動(dòng)，從而提高主機(jī)負(fù)荷，降低燃油消耗率，提高能效設(shè)計(jì)指數(shù)。

因此對(duì)比傳統(tǒng)的FPP定距槳，在拖網(wǎng)漁船上采用CPP可調(diào)槳具有如下明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）改善操控性能，多工況轉(zhuǎn)換更加靈活;

（2）無(wú)級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)微速前進(jìn)功能;

（3）主機(jī)利用率高，燃油經(jīng)濟(jì)性好;

（4）調(diào)速次數(shù)減少，主機(jī)使用壽命延長(zhǎng);

（5）發(fā)電機(jī)組使用頻率降低;

4 CPP可調(diào)槳在拖網(wǎng)漁船上的最大化利用

綜上所述若能讓主機(jī)實(shí)際負(fù)荷盡可能向燃油消耗率最低點(diǎn)靠近，柴油機(jī)的能效將得到明顯提升。對(duì)于采用CPP可調(diào)槳的拖網(wǎng)漁船，可以利用主機(jī)的恒轉(zhuǎn)速特性，通過(guò)直接或間接驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)、油泵、水泵、空壓機(jī)、制冷壓縮機(jī)組等設(shè)備，輕易實(shí)現(xiàn)主機(jī)負(fù)荷的增加。下圖為CPP可調(diào)槳在現(xiàn)代化拖網(wǎng)漁船上實(shí)現(xiàn)主機(jī)最大化利用的一個(gè)典型示意圖。

上圖3所示典型設(shè)備在采用FPP定距槳時(shí)也可以由主機(jī)直接或間接驅(qū)動(dòng)，下面簡(jiǎn)單對(duì)比一下采用CPP可調(diào)槳之后其性能發(fā)生的明顯變化。

4.1 軸帶發(fā)電系統(tǒng)

傳統(tǒng)的FPP定距槳配置軸帶發(fā)電系統(tǒng)時(shí)由于轉(zhuǎn)速不穩(wěn)無(wú)法保證發(fā)電頻率的穩(wěn)定性，通常設(shè)計(jì)時(shí)僅保證航行或拖網(wǎng)一個(gè)工況或采用雙速比齒輪箱保證二個(gè)工況的發(fā)電頻率45Hz～55Hz，頻率不穩(wěn)無(wú)法完成與其它柴油發(fā)電機(jī)組的并車(chē)功能。同時(shí)頻率變化對(duì)大功率用電設(shè)備的性能影響太大，因此大多數(shù)情況下FPP定距槳拖網(wǎng)船僅配置24～90kW的小功率軸帶發(fā)電機(jī)，主要用于普通照明、電灶等對(duì)頻率不太敏感的生活用電，而無(wú)法驅(qū)動(dòng)大功率的用電設(shè)備。如需要驅(qū)動(dòng)其它大功率動(dòng)力設(shè)備，往往需要另外配置安全可靠的變頻器，現(xiàn)階段我國(guó)漁船配置人員基本不具備變頻器維修能力，維護(hù)保養(yǎng)需要專(zhuān)業(yè)人士，同時(shí)大功率的變頻器如ABB、西門(mén)子等知名品牌通常造價(jià)較高，供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，因此變頻器在我國(guó)漁業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

而采用CPP可調(diào)槳之后軸帶發(fā)電機(jī)具有穩(wěn)定的頻率，通過(guò)電力負(fù)荷計(jì)算匹配合理的軸帶發(fā)電機(jī)，全船用電設(shè)備均可以通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)供電，目前較大型的拖網(wǎng)漁船采用CPP可調(diào)槳之后軸帶發(fā)電機(jī)的功率已經(jīng)達(dá)到900～1500kW，既提高了主機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組僅作為備用也減少了機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)損耗，經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高。

由于拖網(wǎng)漁船的特殊性，航行工況大功率設(shè)備少而螺旋槳吸收功率多，拖網(wǎng)工況螺旋槳和大功率設(shè)備（主要為冷凍設(shè)備）各占部分功率，起網(wǎng)工況大功率設(shè)備多（主要為網(wǎng)機(jī)）而螺旋槳吸收功率少。因此配置大功率的軸帶發(fā)電機(jī)后無(wú)需急劇加大主機(jī)功率，可直接按各工況電力負(fù)荷計(jì)算和螺旋槳吸收功率適當(dāng)增加柴油機(jī)功率即可，對(duì)主機(jī)的前期投入不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

4.2 電推模式實(shí)現(xiàn)安裝返航

當(dāng)配備大功率的軸帶發(fā)電機(jī)之后，軸發(fā)逆向工作可以讓軸帶發(fā)電機(jī)一機(jī)多用。即當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，主機(jī)與齒輪箱脫開(kāi)，使用軸帶發(fā)電機(jī)逆向驅(qū)動(dòng)螺旋槳，此時(shí)船舶進(jìn)入電推模式。通過(guò)CPP可調(diào)槳調(diào)節(jié)船速，不需要跟FPP定距槳一樣配置變頻器，也可以0螺距實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)的軟啟動(dòng)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響，實(shí)現(xiàn)軸帶發(fā)電機(jī)的最大化利用，同時(shí)提高漁船的安全保障性能。

4.3 前端驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)

對(duì)于拖網(wǎng)漁船，通常配置有一整套復(fù)雜的網(wǎng)機(jī)、絞車(chē)等漁撈系統(tǒng)。由于液壓系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離傳遞大扭矩，實(shí)現(xiàn)低速大噸位運(yùn)動(dòng)，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中能夠無(wú)級(jí)調(diào)速，而且在相同功率情況下液壓傳動(dòng)裝置體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)換向沖擊，具有過(guò)載保護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)代化漁船上漁撈設(shè)備普遍采用了液壓系統(tǒng)。

而液壓系統(tǒng)主要工作在起網(wǎng)工況，起網(wǎng)工況同時(shí)要求柴油機(jī)具有微速前進(jìn)功能，傳統(tǒng)的FPP定距槳很難實(shí)現(xiàn)，一般采取主機(jī)怠速狀態(tài)齒輪箱間歇性合排及脫排的方法。此時(shí)柴油機(jī)低速能發(fā)揮的功率很有限，常常無(wú)法滿足液壓系統(tǒng)功率需要，尤其是大型拖網(wǎng)漁船。

以上述寧波中策G8300柴油機(jī)為例，配置該主機(jī)的拖網(wǎng)漁船整套網(wǎng)機(jī)液壓系統(tǒng)的輸入功率一般要求500～800kW。采用FPP定距槳起網(wǎng)工況微速航行情況下怠速狀態(tài)252rpm該主機(jī)可發(fā)揮功率僅為6.4%，即155kW，完全無(wú)法滿足其網(wǎng)機(jī)輸入功率需要。為此常配置6～8臺(tái)大功率電動(dòng)泵站，占據(jù)很大的空間且成本很高。此時(shí)主機(jī)工作在低速、低負(fù)荷狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)性也無(wú)法保證。

采用CPP可調(diào)槳之后，主機(jī)功率在恒轉(zhuǎn)速下可以滿負(fù)荷發(fā)揮，如上圖3通過(guò)主機(jī)前端齒輪箱驅(qū)動(dòng)整套網(wǎng)機(jī)液壓系統(tǒng)的葉片泵或柱塞泵，液壓系統(tǒng)所需功率全部由主機(jī)承擔(dān)，主機(jī)負(fù)荷大大增加，既可以顯著提高主機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，也可以降低配置電動(dòng)泵站的成本。

4.4 主機(jī)齒輪室驅(qū)動(dòng)或旁拖系統(tǒng)

主機(jī)負(fù)荷的增加也可以通過(guò)額外增加主機(jī)齒輪室驅(qū)動(dòng)或旁拖設(shè)備，如齒輪室驅(qū)動(dòng)舵機(jī)泵，旁拖冷卻水泵、艙底泵、消防泵等，也可以旁拖小功率的軸帶發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)等。

在FPP定距槳模式下，漁船各工況負(fù)荷均通過(guò)調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，以配置上述寧波中策G8300柴油機(jī)的拖網(wǎng)漁船為例，通常起網(wǎng)工況接近怠速運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)轉(zhuǎn)速252～280rpm，拖網(wǎng)工況航速3～6kn，主機(jī)轉(zhuǎn)速500～550rpm，航行工況主機(jī)轉(zhuǎn)速570～630rpm，由于轉(zhuǎn)速變化范圍較大，無(wú)論是主機(jī)齒輪室直接驅(qū)動(dòng)還是主機(jī)旁拖的設(shè)備，速比是確定的，其工作轉(zhuǎn)速均隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，很難在額定工況點(diǎn)工作。以下圖山東壯發(fā)泵業(yè)生產(chǎn)的ZFCW型離心泵（24m3/h×20m）的性能特性曲線為例。

由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵的性能至關(guān)重要，如圖4所示，該泵額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)其效率最高點(diǎn)，離心泵的理論工作點(diǎn)應(yīng)在該點(diǎn)附近，偏離該設(shè)計(jì)參數(shù)點(diǎn)均存在效率明顯降低現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速過(guò)高，壓力升高，能源浪費(fèi)，轉(zhuǎn)速過(guò)低壓力、流量不足，冷卻效果無(wú)法保證，很多船東為保證冷卻效果實(shí)船選用電動(dòng)泵，造成資源的浪費(fèi)。而其他設(shè)備同樣存在此類(lèi)情況，因此傳統(tǒng)的FPP定距槳拖網(wǎng)船主機(jī)僅能驅(qū)動(dòng)小功率次要設(shè)備，負(fù)荷的提高很難實(shí)現(xiàn)，而CPP可調(diào)槳系統(tǒng)主機(jī)的恒轉(zhuǎn)速特性順利解決了以上問(wèn)題。

5 總結(jié)

以上簡(jiǎn)單介紹了CPP可調(diào)槳在拖網(wǎng)漁船上的優(yōu)化利用，雖然運(yùn)用新的技術(shù)前期投入較大，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，無(wú)論是經(jīng)濟(jì)性，還是可操控性均具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)的可調(diào)槳技術(shù)暫處于摸索前進(jìn)階段，出現(xiàn)的問(wèn)題相對(duì)較多，裝置的可靠性尚待提高，需要我們付出更多的努力，但是隨著時(shí)間的推移，經(jīng)驗(yàn)的積累，我國(guó)的可調(diào)槳技術(shù)必將日趨成熟完善，CPP可調(diào)槳必將在我國(guó)由漁業(yè)大國(guó)向漁業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型的道路上擔(dān)當(dāng)重要的角色，未來(lái)我國(guó)的漁業(yè)船舶也將更加綠色環(huán)保。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭欣，俞愛(ài)華，李廣年.漁業(yè)船舶節(jié)能研究進(jìn)展[J].造船技術(shù)，2010，（02）：5-7.

[2] 羅超，汪涌泉，李偉光.調(diào)距槳推進(jìn)裝置特性及其在遠(yuǎn)洋漁船上應(yīng)用前景展望[C]//2005中國(guó)漁船技術(shù)發(fā)展論壇論文集.北京，2005：171-174.

[3] 金小平，王小芳.國(guó)產(chǎn)可調(diào)槳上遠(yuǎn)洋漁船還需扶一程[R].北京：中國(guó)船舶報(bào)，2015.

[4] 王進(jìn).節(jié)能利器助力遠(yuǎn)洋漁船[R].北京：中國(guó)船舶報(bào)，2014.

[5] 丁元華.淺析節(jié)能技術(shù)在大型遠(yuǎn)洋漁船上的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2018，（11）：76-78.