36米多用途漁船柴電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

張彬，曹現(xiàn)峰，李建宇，朱高元，涂學(xué)峰

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，深藍(lán)漁業(yè)工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；3.秦皇島市海洋和漁業(yè)局，河北 秦皇島 066000；4.無(wú)錫賽思億電氣科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000；5.秦皇島海東青食品有限公司，河北 秦皇島 066000)

中國(guó)是世界第一漁船大國(guó)，截至2019年12月，中國(guó)擁有機(jī)動(dòng)漁船數(shù)量超過46萬(wàn)艘[1]，水產(chǎn)品捕撈年產(chǎn)量超出1 000萬(wàn)t，為人類補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、保障國(guó)家食物安全、促進(jìn)漁民增收和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。但是，中國(guó)漁船捕撈產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式相對(duì)粗放，漁船船型老舊，捕撈裝備技術(shù)水平相對(duì)落后，漁船排放超標(biāo)，捕撈產(chǎn)能超過資源承載力，過度捕撈和環(huán)境污染導(dǎo)致漁場(chǎng)資源日益枯竭，逐漸成為危害海洋生態(tài)環(huán)境的重大問題。為了加強(qiáng)漁業(yè)資源養(yǎng)護(hù)和環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須大力推進(jìn)漁船升級(jí)改造，加快漁船現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程[2]，節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)漁船 “技術(shù)先進(jìn)性、環(huán)境友好型、經(jīng)濟(jì)合理性”的綠色船舶技術(shù)升級(jí)。

捕撈漁船推進(jìn)方式的優(yōu)化升級(jí)是漁船降低能耗的重要途徑。漁船的推進(jìn)方式[3]主要有以下幾種：

(1)常規(guī)推進(jìn)方式

常規(guī)推進(jìn)方式是由原動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)螺旋槳，為船舶航行提供推力的推進(jìn)方式，是目前絕大多數(shù)船舶采用的方式[4]。常規(guī)推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)在于燃料的熱能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，減少了能量轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)，能量損耗低，可靠性高。缺點(diǎn)在于螺旋槳和軸系的固定布置使得原動(dòng)機(jī)和機(jī)艙的布置受較大局限；另一方面，常規(guī)推進(jìn)方式特別是采用固定螺距螺旋槳的船舶，原動(dòng)機(jī)和螺旋槳只有一個(gè)最佳工況匹配點(diǎn)，無(wú)法兼顧漁船的多種作業(yè)工況[5]，在漁船捕撈作業(yè)工況下，主機(jī)常常處于低負(fù)荷工作狀況，單位油耗高，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)主機(jī)傷害較大。

(2)電力推進(jìn)方式

電力推進(jìn)在船舶上的應(yīng)用可以追溯到100多年以前，在漁船上的應(yīng)用也有幾十年的歷史。電力推進(jìn)方式中，發(fā)電機(jī)將高速原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能量轉(zhuǎn)換為電能，通過電力傳輸系統(tǒng)將電能傳遞到推進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)工作，推進(jìn)電機(jī)再通過齒輪箱和軸系與螺旋槳連接，從而將電能轉(zhuǎn)換為螺旋槳旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能來(lái)推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)[6]。與常規(guī)推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)動(dòng)性能好，布置靈活，推進(jìn)效率高。隨著中國(guó)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和漁業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的需求，依托科研項(xiàng)目的支撐，國(guó)內(nèi)先后試點(diǎn)建造了電力推進(jìn)拖網(wǎng)漁船[7]、圍網(wǎng)漁船[8]和金槍魚延繩釣船[9]，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是電力推進(jìn)系統(tǒng)也存在若干缺點(diǎn)，主要在于能量先由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，又從電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，兩次轉(zhuǎn)化過程中造成一定損耗[10]。

(3)柴電混合推進(jìn)

柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)是指將燃油與電力進(jìn)行有效結(jié)合，根據(jù)不同工況、不同需求切換驅(qū)動(dòng)模式的動(dòng)力系統(tǒng)，通過兩種動(dòng)力的適時(shí)調(diào)節(jié)，完成船舶驅(qū)動(dòng)的目的[11]。柴電混合動(dòng)力技術(shù)是目前船舶混合動(dòng)力系統(tǒng)中運(yùn)用最為廣泛的一種組合方式。柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)推進(jìn)工作模式與純柴油機(jī)以及純電力推進(jìn)相比，具有下列技術(shù)特點(diǎn)[12]：一是經(jīng)濟(jì)性。在船舶的實(shí)際運(yùn)行中，可以根據(jù)船舶工況適時(shí)調(diào)整運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)船舶多工況優(yōu)化匹配，提升動(dòng)力系統(tǒng)綜合能效。二是機(jī)動(dòng)性。根據(jù)船舶航速和作業(yè)需求，柴油機(jī)可單獨(dú)推進(jìn)，也可并入電機(jī)實(shí)現(xiàn)并車推進(jìn)，有效提升船舶動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能[13]。三是安全性。常規(guī)推進(jìn)與電力推進(jìn)可共同運(yùn)行，也可獨(dú)立運(yùn)行，而且在主機(jī)故障時(shí)可采用 PTH(Power take me home)模式進(jìn)行應(yīng)急處理，利用可逆軸帶電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，有效提高動(dòng)力系統(tǒng)的冗余性和安全性。四是環(huán)保性。在低速狀態(tài)下電機(jī)推進(jìn)，可減少主機(jī)在低效率區(qū)工作時(shí)間，有效減少污染物排放。

捕撈漁船工況復(fù)雜，動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮常規(guī)航行和起放網(wǎng)作業(yè)等多種工況的功率配置需求。采用柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的捕撈漁船在使用過程中，可根據(jù)工況需要隨意切換常規(guī)與電推系統(tǒng)，使柴油機(jī)始終保持經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有效實(shí)現(xiàn)漁船節(jié)能減排。

1 船型概況

36米多用途漁船主要在渤海、黃海海域進(jìn)行拖網(wǎng)捕撈作業(yè)，并在休漁期兼作休閑漁船和北戴河旅游景區(qū)的海蜇清理工作船。因此，這不僅要求船舶要有一定的拖力和續(xù)航能力，以滿足捕撈生產(chǎn)需求，而且也要求船舶在作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量減小噪音，提供給游客更好的體驗(yàn)。36米多用途漁船為鋼質(zhì)、單底和單甲板(艏部升高甲板)、后甲板室、單機(jī)單槳單舵和艉機(jī)型。艉部線型采用寬整甲板面的圓艉結(jié)合水下球艉；艏部線型采用大外飄甲板面、前傾艏柱結(jié)合前伸型球艏；配大直徑導(dǎo)管螺旋槳。船型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 漁船主要參數(shù)

2 動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工況特點(diǎn)

多用途漁船作業(yè)工況復(fù)雜多變，且不同作業(yè)工況下動(dòng)力輸出特點(diǎn)差距很大，為了兼顧所有工況特點(diǎn)，要求船舶的動(dòng)力系統(tǒng)必須具有靈活多變性，為了滿足這一要求，多用途漁船采用柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)[14]。漁船動(dòng)力系統(tǒng)配置如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由主推進(jìn)柴油機(jī)(簡(jiǎn)稱主機(jī))、雙輸入單輸出齒輪箱、軸帶異步發(fā)電 /電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱軸帶電機(jī))、柴油發(fā)電機(jī)組、鋰電池組、變頻控制柜、日用配電板及日用負(fù)載設(shè)備組成。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)配置圖

多用途漁船動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮常規(guī)航行、捕撈起網(wǎng)、沿海專項(xiàng)3個(gè)典型工況，其動(dòng)力配置如表2所示。

表2 動(dòng)力系統(tǒng)各工況設(shè)備使用總結(jié)表

2.1.1 常規(guī)航行工況

多用途漁船常規(guī)航行工況時(shí)，船舶的動(dòng)力系統(tǒng)工作原理如圖2所示。主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)為螺旋槳提供動(dòng)力，軸帶(發(fā))電機(jī)作為主供電系統(tǒng)為全船提供航行時(shí)的日用負(fù)載用電，主要的用電設(shè)備為舵機(jī)、風(fēng)機(jī)、航行信號(hào)燈和船員生活用電，此航行工況下船舶供捕撈設(shè)備使用的電動(dòng)液壓泵站不工作，軸帶(發(fā))電機(jī)的富裕功率給鋰電池組充電。柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源動(dòng)力，滿足法規(guī)要求。

2.1.2 捕撈起網(wǎng)工況

捕撈起網(wǎng)工況時(shí)，船舶的動(dòng)力系統(tǒng)工作原理如圖3所示。船舶基本處于0航速狀態(tài)，但出于安全因素，螺旋槳需要以極低的轉(zhuǎn)速工作，同時(shí)供捕撈設(shè)備使用的電動(dòng)液壓泵站也需要長(zhǎng)時(shí)間使用，此情況下在主機(jī)轉(zhuǎn)速較低的情況下再使用軸帶(發(fā))電機(jī)給船舶供電已不可能。所以，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將主機(jī)單一用于螺旋槳的推進(jìn)以保證船舶在應(yīng)急情況下有足夠的動(dòng)力來(lái)應(yīng)對(duì)起網(wǎng)過程中可能存在的拖到礁石、大型沉木等意外狀況。軸帶電機(jī)與齒輪箱斷開。船上的捕撈裝備如絞綱機(jī)、側(cè)推、液壓泵站和船舶日用負(fù)載等其他用電設(shè)備均由鋰電池組提供動(dòng)力。

圖3 捕撈起網(wǎng)工況動(dòng)力系統(tǒng)工作原理圖

2.1.3 沿海專項(xiàng)作業(yè)工況

沿海專項(xiàng)作業(yè)工況是針對(duì)夏季北戴河水域海蜇多發(fā)，影響該水域旅游休閑而專門設(shè)計(jì)的推進(jìn)工況，船舶的動(dòng)力系統(tǒng)工作原理如圖4所示。多用途漁船運(yùn)用浮拖網(wǎng)方式大面積快速清理海蜇，保證旅游區(qū)內(nèi)人員生命安全，根據(jù)旅游區(qū)域?qū)υ胍舻南薅ㄒ?，專?xiàng)作業(yè)時(shí)由鋰電池組為全船提供動(dòng)力[15]，主機(jī)不工作僅作為應(yīng)急動(dòng)力源待命。在沿海專項(xiàng)拖網(wǎng)海蜇時(shí)，液壓泵站不工作，鋰電池組主要為船舶航行提供動(dòng)力；在沿海專項(xiàng)起網(wǎng)海蜇時(shí)，航速降至3～4 kn，船舶航行所需動(dòng)力降低，鋰電池組的功率分配發(fā)生調(diào)整，在滿足驅(qū)動(dòng)軸帶(發(fā))電機(jī)為螺旋槳提供動(dòng)力的同時(shí)，也為絞綱機(jī)電動(dòng)液壓泵站提供用電負(fù)荷。

圖4 沿海專項(xiàng)作業(yè)工況(清理海蜇)動(dòng)力系統(tǒng)工作原理圖

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

在多用途漁船的使用過程中，柴油混合動(dòng)力系統(tǒng)體現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)如下：一是安全可靠。漁船在拖網(wǎng)作業(yè)工況時(shí)因?yàn)橹鳈C(jī)功率分配的問題，容易出現(xiàn)“悶車”現(xiàn)象，即絞綱機(jī)瞬時(shí)功率過大，造成主機(jī)負(fù)荷超過主機(jī)最大功率，主機(jī)過載保護(hù)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用使船舶螺旋槳推進(jìn)與捕撈作業(yè)功率分配徹底分開，由不同動(dòng)力源提供動(dòng)力，有效避免了“悶車”現(xiàn)象的發(fā)生，保障了漁船的正常運(yùn)作。二是經(jīng)濟(jì)節(jié)能。柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的鋰電池儲(chǔ)能電池組有效減少了多用途漁船的年油耗量。在沿海專項(xiàng)作業(yè)工況中，作為船舶動(dòng)力源的鋰電池組可由岸電電源充電，作業(yè)周期為每年7、8月，每天工作4 h，與柴油驅(qū)動(dòng)相比，每年節(jié)省燃油15 t，相對(duì)降低經(jīng)濟(jì)成本100萬(wàn)元左右。三是低噪音、零排放。多用途漁船在沿海旅游區(qū)域作業(yè)時(shí)采用鋰電池組作為動(dòng)力源，降低了船舶的噪音，同時(shí)，船舶無(wú)任何燃油消耗，實(shí)現(xiàn)了大氣污染物的零排放，有效保護(hù)了旅游區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

3 總結(jié)

本船兼具航行、拖網(wǎng)捕撈作業(yè)、海蜇拖網(wǎng)清理和近岸休閑觀光垂釣等功能，這些復(fù)雜的工況對(duì)本船的動(dòng)力系統(tǒng)提出了較高要求。為了滿足各工況的需求，本船采用了柴油機(jī)+電動(dòng)機(jī)+動(dòng)力電池結(jié)合的柴電混合推進(jìn)方式，不僅可以根據(jù)工況需要選擇不同的推進(jìn)方式，而且可以通過系統(tǒng)各組成部分的靈活應(yīng)用實(shí)現(xiàn)冗余功率的回收，進(jìn)一步提高了船舶的綜合節(jié)能效果。