漁船柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗分析

曹建軍， 李勝勇

(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)

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漁船柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)油耗分析

曹建軍， 李勝勇

(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)

為了探索海洋漁船推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)油減排，以一艘安裝有柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的金槍魚延繩釣船為例，通過(guò)剖析柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，柴油機(jī)理論負(fù)荷特性，結(jié)合漁船實(shí)際使用情況，分析其節(jié)能原因。結(jié)果顯示，漁船柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)在使用過(guò)程中，可根據(jù)工況需要，隨意切換常規(guī)動(dòng)力與電力推進(jìn)系統(tǒng)；通過(guò)選擇合理的主機(jī)工況，提高柴油機(jī)輸出效率，降低柴油機(jī)油耗率；綜合各種工況，能節(jié)油15%以上。研究表明，現(xiàn)階段在金槍魚延繩釣漁船上使用混合動(dòng)力技術(shù)是可行的，能起到節(jié)能減排的作用。在核心技術(shù)不變的情況下，運(yùn)用一些創(chuàng)新技術(shù)手段，如采用多機(jī)多槳拆分系統(tǒng)，賦予系統(tǒng)更高的智能調(diào)配作用，可以把混合動(dòng)力系統(tǒng)推廣到拖網(wǎng)漁船和圍網(wǎng)漁船上。

漁船；柴電推進(jìn)；混合動(dòng)力；節(jié)能減排

國(guó)內(nèi)海洋漁船，在同樣的作業(yè)方式和魚艙容積情況下，油耗要比國(guó)外高出15%左右[1-2]。為此，需要一種可行的方案來(lái)解決這一問(wèn)題。理論上可以采用以下幾種解決方法：對(duì)漁船船型優(yōu)化減少漁船阻力；改進(jìn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)，提高推進(jìn)效率；選擇合理的主機(jī)工況，提高柴油機(jī)輸出效率；利用新型能源技術(shù)[3-5]。其中，對(duì)海洋捕撈漁船柴油機(jī)的使用優(yōu)化是最為直接有效的節(jié)能方法之一。近年來(lái)，電力推進(jìn)技術(shù)越來(lái)越多地運(yùn)用于海洋捕撈船上，其特點(diǎn)是能合理調(diào)配全船能源，使柴油機(jī)的輸出效率保持在最為經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)[6]。但是，相對(duì)于常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)，電力推進(jìn)系統(tǒng)存在的能量二次轉(zhuǎn)換同樣也會(huì)降低效率[7]。在此背景下，介于常規(guī)推進(jìn)和電力推進(jìn)之間機(jī)電一體化的油(柴)電混合動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)逐漸應(yīng)用于漁船中，從而節(jié)約燃油、降低成本將成為可能。

根據(jù)捕撈對(duì)象的生活習(xí)性，國(guó)內(nèi)外不少漁船采用釣捕作業(yè)方式。這類漁船平時(shí)高速航行前往捕撈區(qū)域[8-9]，但在捕撈時(shí)主機(jī)一直處于低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷狀態(tài)[10-11]，特別適合使用混合動(dòng)力。西班牙對(duì)300艘使用混合動(dòng)力推進(jìn)的延繩釣漁船進(jìn)行了初步測(cè)算，與普通漁船相比，具有節(jié)能15%的潛力[12]。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)采用柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的金槍魚延繩釣漁船進(jìn)行研究，分析其節(jié)能原理，并探究在核心技術(shù)不變的情況下，運(yùn)用到其他類型的漁船上，達(dá)到節(jié)能減排的可行性。

1 柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)由常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)和電力推進(jìn)系統(tǒng)組合而成(圖1)。

圖1 機(jī)電混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)組成Fig.1 Mechanical and electrical hybrid propulsion system components

2個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，通過(guò)1個(gè)齒輪箱相連，其內(nèi)部經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，含有2套系統(tǒng)的自動(dòng)切換及互鎖功能。在使用過(guò)程中，使用一個(gè)系統(tǒng)必須停用另一推進(jìn)系統(tǒng)[13-15]。與常規(guī)推進(jìn)相比，混合動(dòng)力推進(jìn)在硬件上多了變頻器、推進(jìn)電機(jī)、制動(dòng)電阻等部件，另外所選的發(fā)電機(jī)組功率更高，而與純電力推進(jìn)相比多了1臺(tái)主推進(jìn)柴油機(jī)，但同時(shí)可以少設(shè)1臺(tái)或多臺(tái)獨(dú)立的推進(jìn)發(fā)電機(jī)組。

2 節(jié)油效果分析

2.1 漁船的理論油耗

(1)混合動(dòng)力系統(tǒng)。以金槍魚延繩釣漁船為例，自離開(kāi)漁港碼頭至捕撈作業(yè)漁場(chǎng)，一般情況下都使用柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，使用80%的額定轉(zhuǎn)速航行，始終保持經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)；另外因冷藏需要，需開(kāi)啟相應(yīng)數(shù)量的發(fā)電機(jī)組，這些開(kāi)啟的發(fā)電機(jī)組也可以一直保持80%左右負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在捕撈作業(yè)時(shí)，航速只需7 kn左右，所需用電量不大，冷藏多余負(fù)荷應(yīng)能保證電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行，在此過(guò)程中發(fā)電機(jī)組使用的柴油機(jī)可一直保持經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。因此，實(shí)際油耗情況為：航行工況時(shí)，80%額定轉(zhuǎn)速下主柴油機(jī)的油耗，以及部分發(fā)電機(jī)組80%額定轉(zhuǎn)速時(shí)的油耗；作業(yè)工況時(shí)，所有發(fā)電機(jī)組80%額定轉(zhuǎn)速時(shí)的油耗。

(2)常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)。自始至終都使用一臺(tái)主推進(jìn)柴油機(jī)以及相應(yīng)數(shù)量的冷藏發(fā)電機(jī)組。因此，實(shí)際油耗情況為：航行工況時(shí)與混合動(dòng)力系統(tǒng)相同，但在作業(yè)工況時(shí)，由于航速不能太快(只需7 kn左右)，所以主柴油機(jī)一直使用40%～50%的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)；對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組，由于作業(yè)工況時(shí)需要冷凍，發(fā)電機(jī)組需全部開(kāi)啟，但此時(shí)電會(huì)有一定的富余，每個(gè)發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量只需50%～60%，即此時(shí)的油耗近似于所有發(fā)電機(jī)組以50%～60%額定轉(zhuǎn)速時(shí)的油耗。

(3)電力推進(jìn)系統(tǒng)。漁船自漁港碼頭至捕撈作業(yè)漁場(chǎng)，需要一臺(tái)或多臺(tái)獨(dú)立的推進(jìn)發(fā)電機(jī)組使用80%的發(fā)電量給推進(jìn)電機(jī)提供能量，以保證經(jīng)濟(jì)的推進(jìn)航速，另外需開(kāi)啟相應(yīng)數(shù)量的發(fā)電機(jī)組保證冷藏。在捕撈作業(yè)時(shí)只需開(kāi)啟一臺(tái)獨(dú)立的推進(jìn)發(fā)電機(jī)組給予推進(jìn)電機(jī)能量以及相應(yīng)數(shù)量的冷藏發(fā)電機(jī)組。因此，實(shí)際油耗情況為：航行工況下，一臺(tái)或多臺(tái)推進(jìn)發(fā)電機(jī)組在80%額定轉(zhuǎn)速下的油耗，以及相應(yīng)數(shù)量冷藏發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)油耗；作業(yè)工況下，其油耗特性則與混合動(dòng)力系統(tǒng)相仿。

2.1 節(jié)油原理分析

柴油機(jī)諸多性能特性中最重要的是其負(fù)荷特性，即是指當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)燃油消耗量隨柴油機(jī)負(fù)荷的變化關(guān)系，利用這一變化曲線可確定柴油機(jī)在各種負(fù)荷與轉(zhuǎn)速時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。從典型的柴油機(jī)油耗特性曲線(圖2)可以看出，柴油機(jī)在少負(fù)載、低轉(zhuǎn)速情況下油耗最大，但隨著轉(zhuǎn)速的提高，油耗隨之減少，當(dāng)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速的80%左右時(shí)為最低值，之后油耗隨著轉(zhuǎn)速、負(fù)載增大而增多。

圖2 柴油機(jī)油耗特性曲線圖Fig.2 Diesel fuel consumption characteristic curve

由理論油耗分析可以看出，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷在80%這一點(diǎn)上運(yùn)行是最為經(jīng)濟(jì)的，燃油使用量最少?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)就是能運(yùn)用現(xiàn)代化的系統(tǒng)控制手段，根據(jù)不同的工況，合理調(diào)配負(fù)載，始終讓柴油機(jī)保持經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。而普通推進(jìn)方式，則系統(tǒng)無(wú)法像混合動(dòng)力那樣靈活可變，致使其在作業(yè)工況下柴油機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)比較費(fèi)油。在相同的工況、消耗功率和運(yùn)行時(shí)間條件下，對(duì)比混動(dòng)漁船和常規(guī)漁船，后者主機(jī)基本維持在1/3額定功率下工作，耗油率為額定值的1.2～1.5倍，發(fā)電機(jī)組基本維持在3/4額定功率下工作，耗油率為額定值的1.05～1.10倍[16]。純電力推進(jìn)系統(tǒng)，雖也能一直保持最為經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)，但相較于混合動(dòng)力，其在高速航行時(shí)由于電力推進(jìn)的二次能量消耗，柴油機(jī)需要的輸出功率要大于混合動(dòng)力的柴油機(jī)輸出功率，相應(yīng)的就需要更多的燃油供應(yīng)。

3 案例分析與討論

3.1 漁船配置與節(jié)油效果

以上海水產(chǎn)集團(tuán)金槍魚延繩釣船為分析對(duì)象。該船主柴油機(jī)選用額定功率596 kW的KT38-M型柴油機(jī)，推進(jìn)電機(jī)使用額定功率為120 kW的1LE0001-3AB09-0TC5-Z型電機(jī)。在作業(yè)工況下，使用主柴油機(jī)保持航速6～7 kn/h，一臺(tái)發(fā)電機(jī)組保證冷藏，作業(yè)油耗為0.036 m3/h；而關(guān)閉主柴油機(jī)，開(kāi)啟一臺(tái)發(fā)電機(jī)組為推進(jìn)電機(jī)提供電能以保證推進(jìn)，航速保持在6～7 kn/h，另有一臺(tái)發(fā)電機(jī)組保證冷藏，此時(shí)油耗為0.027 m3/h，即電力推進(jìn)系統(tǒng)比使用柴油機(jī)推進(jìn)節(jié)油25%。而在經(jīng)濟(jì)航行(航速7～10 kn/h)中使用電力推進(jìn)航行10 n m(10海里)，用油0.064 9 m3，而使用柴油機(jī)推進(jìn)相同距離，用油0.076 m3。由此可知，在經(jīng)濟(jì)航行中，電力推進(jìn)比普通柴油機(jī)推進(jìn)可節(jié)油15%(表1)。

表1 不同推進(jìn)方式下的油耗情況Tab.1 Utilization conditions comparison

3.2 討論

漁船經(jīng)濟(jì)效益中，產(chǎn)出是不可控的，但成本投入是可控的。成本前期投入主要由漁船的配置決定。與常規(guī)推進(jìn)相比，混合動(dòng)力在投資成本上并不占優(yōu)勢(shì)。目前投資一艘500 t級(jí)的金槍魚延繩釣船，混合動(dòng)力需多投入90多萬(wàn)元[17]。后期投入主要是燃料和人力成本，隨著環(huán)保要求越來(lái)越高，漁船使用高節(jié)能燃料越多，花費(fèi)也越高，人力成本雖相對(duì)可控但降低很多也不現(xiàn)實(shí)。因此，節(jié)油率就確定了投資價(jià)值。上述一艘普通推進(jìn)的金槍魚延繩釣船的主機(jī)功率540 kW，2臺(tái)各200 kW的發(fā)電機(jī)，以每年工作300 d、主機(jī)每天工作12 h、1臺(tái)發(fā)電機(jī)每天工作24 h[18]來(lái)計(jì)算，柴油機(jī)耗油200 g/(kW﹒h)，年消耗量為676.8 t，柴油價(jià)格以5.4元/L計(jì)，1年的燃油費(fèi)為365萬(wàn)元。如果節(jié)油15%，則每年能省下54萬(wàn)元。當(dāng)然，由于漁船的運(yùn)行工況很復(fù)雜，實(shí)際使用功率無(wú)法確定，因此通常使用額定功率計(jì)算。實(shí)際產(chǎn)生費(fèi)用應(yīng)低于理論值，相應(yīng)的節(jié)約費(fèi)用也低于理論值，如根據(jù)50%計(jì)算，預(yù)估5年左右就能收回混合動(dòng)力改造的投資。

另外，常規(guī)動(dòng)力的金槍魚延繩釣船使用1臺(tái)主推進(jìn)柴油機(jī)，雖然在高航速、高轉(zhuǎn)速工況下柴油機(jī)可經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，但在作業(yè)工況下，柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷運(yùn)行，燃油小時(shí)消耗率逐漸提高，而隨著轉(zhuǎn)速降低，主機(jī)負(fù)荷降低到一定程度，各缸的供油均勻性下降，噴油壓力下降，霧化不良導(dǎo)致可燃混合氣體質(zhì)量變差，燃燒不完全，燃油消耗率將進(jìn)一步升高。漁船在作業(yè)工況時(shí)，主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)荷頻繁變化導(dǎo)致突加突卸、合排脫排、正倒車操縱頻繁，這些都將嚴(yán)重降低主機(jī)和齒輪箱的壽命，增加設(shè)備故障率和維修維護(hù)成本。

4 結(jié)論

漁船柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)在使用過(guò)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)行工況，實(shí)現(xiàn)漁船節(jié)能減排。從理論到實(shí)際使用效果都說(shuō)明，柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)在金槍魚延繩釣船上的應(yīng)用是成功的，綜合各工況，大致能節(jié)油15%以上。雖然其他諸如拖網(wǎng)和圍網(wǎng)漁船的工況特點(diǎn)沒(méi)有金槍魚延繩釣船鮮明，但其作業(yè)時(shí)可以根據(jù)其負(fù)載量和所需拖力，選擇使用電力推進(jìn)或普通推進(jìn)。另外，在機(jī)艙空間允許的條件下，可以把推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)一步拆分，運(yùn)用多機(jī)多槳的模式和更高的智能化調(diào)配系統(tǒng)，使工況使用更細(xì)化，漁船的柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用也將有更廣闊的發(fā)展空間。

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Fuel consumption analysis of diesel-electric hybrid system of fishing boat

CAO Jianjun,LI Shengyong

(FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

In order to explore the energy conservation performance of ocean fishing boat propulsion systems,in this paper,a tuna longline vessel that has realized energy-saving and emission-reducing was taken as an example to analyze the reasons behind,through probing into the structure of its diesel-electric hybrid system,engine load characteristics and the actual using conditions of the vessel.The results showed that the diesel-electric hybrid system of the vessel in use can easily switch between the conventional power and the electricity propulsion systems in accordance with the actual working conditions; by selecting the reasonable working conditions of the main engine,the output efficiency of the diesel engine could thus be improved and the diesel fuel consumption rate decreased,and considering the various working conditions,the system could save energy by more than 15%.The research showed that,at present,using hybrid power technology in tuna longline vessels is feasible and can play a role in energy conservation.With the core technology remaining the same and by adopting some innovative techniques such as multi-machine paddle split system to allow the system greater intelligent deployment role,the hybrid can be further extended to trawlers,purse seiners and other fishing vessels.

fishing; diesel-electric propulsion; hybrid; energy conservation

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.010

2016-05-16

2016-08-29

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2016YJS-ZX0300；2016YJS-ZX0304)

曹建軍(1982—)，男，工程師，主要從事漁船電氣設(shè)計(jì)及圖紙?jiān)u審。E-mail：caojianjun@fmiri.ac.cn

S972.7+2

A

1007-9580(2016)05-053-04