曹建軍， 李勝勇

(中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

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漁船柴電混合動力系統(tǒng)油耗分析

曹建軍， 李勝勇

(中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

為了探索海洋漁船推進系統(tǒng)的節(jié)油減排，以一艘安裝有柴電混合動力系統(tǒng)，成功實現(xiàn)節(jié)能減排的金槍魚延繩釣船為例，通過剖析柴電混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，柴油機理論負荷特性，結(jié)合漁船實際使用情況，分析其節(jié)能原因。結(jié)果顯示，漁船柴電混合動力系統(tǒng)在使用過程中，可根據(jù)工況需要，隨意切換常規(guī)動力與電力推進系統(tǒng)；通過選擇合理的主機工況，提高柴油機輸出效率，降低柴油機油耗率；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，運用一些創(chuàng)新技術(shù)手段，如采用多機多槳拆分系統(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；混合動力；節(jié)能減排

國內(nèi)海洋漁船，在同樣的作業(yè)方式和魚艙容積情況下，油耗要比國外高出15%左右[1-2]。為此，需要一種可行的方案來解決這一問題。理論上可以采用以下幾種解決方法：對漁船船型優(yōu)化減少漁船阻力；改進螺旋槳推進系統(tǒng)，提高推進效率；選擇合理的主機工況，提高柴油機輸出效率；利用新型能源技術(shù)[3-5]。其中，對海洋捕撈漁船柴油機的使用優(yōu)化是最為直接有效的節(jié)能方法之一。近年來，電力推進技術(shù)越來越多地運用于海洋捕撈船上，其特點是能合理調(diào)配全船能源，使柴油機的輸出效率保持在最為經(jīng)濟的狀態(tài)[6]。但是，相對于常規(guī)推進系統(tǒng)，電力推進系統(tǒng)存在的能量二次轉(zhuǎn)換同樣也會降低效率[7]。在此背景下，介于常規(guī)推進和電力推進之間機電一體化的油(柴)電混合動力推進技術(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)捕撈對象的生活習性，國內(nèi)外不少漁船采用釣捕作業(yè)方式。這類漁船平時高速航行前往捕撈區(qū)域[8-9]，但在捕撈時主機一直處于低轉(zhuǎn)速、低負荷狀態(tài)[10-11]，特別適合使用混合動力。西班牙對300艘使用混合動力推進的延繩釣漁船進行了初步測算，與普通漁船相比，具有節(jié)能15%的潛力[12]。本文通過對國內(nèi)采用柴電混合動力系統(tǒng)的金槍魚延繩釣漁船進行研究，分析其節(jié)能原理，并探究在核心技術(shù)不變的情況下，運用到其他類型的漁船上，達到節(jié)能減排的可行性。

1 柴電混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

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

圖1 機電混合動力推進系統(tǒng)組成Fig.1 Mechanical and electrical hybrid propulsion system components

2個系統(tǒng)相互獨立，通過1個齒輪箱相連，其內(nèi)部經(jīng)過特別設(shè)計，含有2套系統(tǒng)的自動切換及互鎖功能。在使用過程中，使用一個系統(tǒng)必須停用另一推進系統(tǒng)[13-15]。與常規(guī)推進相比，混合動力推進在硬件上多了變頻器、推進電機、制動電阻等部件，另外所選的發(fā)電機組功率更高，而與純電力推進相比多了1臺主推進柴油機，但同時可以少設(shè)1臺或多臺獨立的推進發(fā)電機組。

2 節(jié)油效果分析

2.1 漁船的理論油耗

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

(2)常規(guī)動力系統(tǒng)。自始至終都使用一臺主推進柴油機以及相應(yīng)數(shù)量的冷藏發(fā)電機組。因此，實際油耗情況為：航行工況時與混合動力系統(tǒng)相同，但在作業(yè)工況時，由于航速不能太快(只需7 kn左右)，所以主柴油機一直使用40%～50%的額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)；對于柴油發(fā)電機組，由于作業(yè)工況時需要冷凍，發(fā)電機組需全部開啟，但此時電會有一定的富余，每個發(fā)電機組的發(fā)電量只需50%～60%，即此時的油耗近似于所有發(fā)電機組以50%～60%額定轉(zhuǎn)速時的油耗。

(3)電力推進系統(tǒng)。漁船自漁港碼頭至捕撈作業(yè)漁場，需要一臺或多臺獨立的推進發(fā)電機組使用80%的發(fā)電量給推進電機提供能量，以保證經(jīng)濟的推進航速，另外需開啟相應(yīng)數(shù)量的發(fā)電機組保證冷藏。在捕撈作業(yè)時只需開啟一臺獨立的推進發(fā)電機組給予推進電機能量以及相應(yīng)數(shù)量的冷藏發(fā)電機組。因此，實際油耗情況為：航行工況下，一臺或多臺推進發(fā)電機組在80%額定轉(zhuǎn)速下的油耗，以及相應(yīng)數(shù)量冷藏發(fā)電機組的經(jīng)濟油耗；作業(yè)工況下，其油耗特性則與混合動力系統(tǒng)相仿。

2.1 節(jié)油原理分析

柴油機諸多性能特性中最重要的是其負荷特性，即是指當柴油機轉(zhuǎn)速一定時燃油消耗量隨柴油機負荷的變化關(guān)系，利用這一變化曲線可確定柴油機在各種負荷與轉(zhuǎn)速時的經(jīng)濟性。從典型的柴油機油耗特性曲線(圖2)可以看出，柴油機在少負載、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，當達到最大轉(zhuǎn)速的80%左右時為最低值，之后油耗隨著轉(zhuǎn)速、負載增大而增多。

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

由理論油耗分析可以看出，柴油機轉(zhuǎn)速負荷在80%這一點上運行是最為經(jīng)濟的，燃油使用量最少?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的特點就是能運用現(xiàn)代化的系統(tǒng)控制手段，根據(jù)不同的工況，合理調(diào)配負載，始終讓柴油機保持經(jīng)濟運行。而普通推進方式，則系統(tǒng)無法像混合動力那樣靈活可變，致使其在作業(yè)工況下柴油機的負荷狀態(tài)比較費油。在相同的工況、消耗功率和運行時間條件下，對比混動漁船和常規(guī)漁船，后者主機基本維持在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]。純電力推進系統(tǒng)，雖也能一直保持最為經(jīng)濟的狀態(tài)，但相較于混合動力，其在高速航行時由于電力推進的二次能量消耗，柴油機需要的輸出功率要大于混合動力的柴油機輸出功率，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)集團金槍魚延繩釣船為分析對象。該船主柴油機選用額定功率596 kW的KT38-M型柴油機，推進電機使用額定功率為120 kW的1LE0001-3AB09-0TC5-Z型電機。在作業(yè)工況下，使用主柴油機保持航速6～7 kn/h，一臺發(fā)電機組保證冷藏，作業(yè)油耗為0.036 m3/h；而關(guān)閉主柴油機，開啟一臺發(fā)電機組為推進電機提供電能以保證推進，航速保持在6～7 kn/h，另有一臺發(fā)電機組保證冷藏，此時油耗為0.027 m3/h，即電力推進系統(tǒng)比使用柴油機推進節(jié)油25%。而在經(jīng)濟航行(航速7～10 kn/h)中使用電力推進航行10 n m(10海里)，用油0.064 9 m3，而使用柴油機推進相同距離，用油0.076 m3。由此可知，在經(jīng)濟航行中，電力推進比普通柴油機推進可節(jié)油15%(表1)。

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

3.2 討論

漁船經(jīng)濟效益中，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)推進相比，混合動力在投資成本上并不占優(yōu)勢。目前投資一艘500 t級的金槍魚延繩釣船，混合動力需多投入90多萬元[17]。后期投入主要是燃料和人力成本，隨著環(huán)保要求越來越高，漁船使用高節(jié)能燃料越多，花費也越高，人力成本雖相對可控但降低很多也不現(xiàn)實。因此，節(jié)油率就確定了投資價值。上述一艘普通推進的金槍魚延繩釣船的主機功率540 kW，2臺各200 kW的發(fā)電機，以每年工作300 d、主機每天工作12 h、1臺發(fā)電機每天工作24 h[18]來計算，柴油機耗油200 g/(kW﹒h)，年消耗量為676.8 t，柴油價格以5.4元/L計，1年的燃油費為365萬元。如果節(jié)油15%，則每年能省下54萬元。當然，由于漁船的運行工況很復(fù)雜，實際使用功率無法確定，因此通常使用額定功率計算。實際產(chǎn)生費用應(yīng)低于理論值，相應(yīng)的節(jié)約費用也低于理論值，如根據(jù)50%計算，預(yù)估5年左右就能收回混合動力改造的投資。

另外，常規(guī)動力的金槍魚延繩釣船使用1臺主推進柴油機，雖然在高航速、高轉(zhuǎn)速工況下柴油機可經(jīng)濟運行，但在作業(yè)工況下，柴油機低轉(zhuǎn)速、低負荷運行，燃油小時消耗率逐漸提高，而隨著轉(zhuǎn)速降低，主機負荷降低到一定程度，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，燃油消耗率將進一步升高。漁船在作業(yè)工況時，主機長時間處于低轉(zhuǎn)速、低負荷運行狀態(tài)，負荷頻繁變化導(dǎo)致突加突卸、合排脫排、正倒車操縱頻繁，這些都將嚴重降低主機和齒輪箱的壽命，增加設(shè)備故障率和維修維護成本。

4 結(jié)論

漁船柴電混合動力系統(tǒng)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)，使柴油機始終保持經(jīng)濟運行工況，實現(xiàn)漁船節(jié)能減排。從理論到實際使用效果都說明，柴電混合動力系統(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)漁船的工況特點沒有金槍魚延繩釣船鮮明，但其作業(yè)時可以根據(jù)其負載量和所需拖力，選擇使用電力推進或普通推進。另外，在機艙空間允許的條件下，可以把推進系統(tǒng)進一步拆分，運用多機多槳的模式和更高的智能化調(diào)配系統(tǒng)，使工況使用更細化，漁船的柴電混合動力系統(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

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

曹建軍(1982—)，男，工程師，主要從事漁船電氣設(shè)計及圖紙評審。E-mail：caojianjun@fmiri.ac.cn

S972.7+2

A

1007-9580(2016)05-053-04