都勁松， 史斌杰， 石浩艦， 黃 偉

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

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金槍魚延繩釣船機電混合動力系統(tǒng)節(jié)油效果分析

都勁松， 史斌杰， 石浩艦， 黃 偉

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108)

金槍魚延繩釣漁業(yè)是遠洋漁業(yè)的重要組成部分。金槍魚延繩釣作業(yè)過程包括航行、作業(yè)兩種完全不同的工況。航行工況時要求航速較高，作業(yè)工況時要求航速較低。為了滿足這兩種工況，采用柴電獨立運行(PTH)方式機電混合動力系統(tǒng)。機電混合動力系統(tǒng)由柴油機推進系統(tǒng)與電力推進系統(tǒng)兩部分組成。高航速時使用大功率的柴油機模式，低航速時使用小功率的電力推進模式。上海遠洋漁業(yè)有限公司近兩年先后兩批次建造了5條裝備了PTH方式機電混合動力系統(tǒng)金槍魚延繩釣船。根據(jù)實船測試，在作業(yè)期間，不同船型起鉤階段節(jié)油25%和8%，航行節(jié)油均達14%。通過計算分析，使用PTH方式，機電混合動力系統(tǒng)增加的初始投資成本可通過節(jié)油方式在4年內回收。綜合節(jié)油效果顯示，使用電力推進比使用柴油機推進可以節(jié)油15%～20%，達到了良好的節(jié)能減排、降低運營成本的效果。

金槍魚延繩釣船；機電混合動力；柴電獨立運行；電力推進；節(jié)油

金槍魚延繩釣漁業(yè)是遠洋漁業(yè)的重要組成部分。金槍魚延繩釣船的主要成本包括燃油、魚餌、船員收入等，船舶推進系統(tǒng)消耗的燃油成本約占漁船總成本的60%～70%，因此，采用節(jié)能高效的混合動力推進系統(tǒng)可以大大降低船舶運營成本[1-3]。設計、研制、使用適合于金槍魚延繩釣船的機電混合動力推進系統(tǒng)，可以實現(xiàn)金槍魚延繩釣船放釣、收釣作業(yè)工況下的降低油耗、減少運營成本、實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

1 機電混合動力系統(tǒng)

機電混合動力系統(tǒng)(圖1)由柴油機推進系統(tǒng)與電力推進系統(tǒng)組成[4-8]。柴油機推進系統(tǒng)包括柴油機、齒輪箱以及相應的控制系統(tǒng)。柴油機作為原動機輸出功率，經過齒輪箱減速后，帶動螺旋槳轉動，推動船舶前進。

圖1 機電混合推進系統(tǒng)Fig.1 Electromechanical hybrid propulsion system

1.1 電力推進系統(tǒng)

電力推進系統(tǒng)包括推進變頻器、推進電機、制動電阻、齒輪箱以及相應的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由船舶主柴油發(fā)電機通過主配電板直接供電，推進變頻器直接掛于主電網(wǎng)之上。通過相應控制系統(tǒng)，控制推進變頻器給予推進電機變頻供電，實現(xiàn)電機輸出轉速和功率的調節(jié)。同時，電力推進系統(tǒng)配備制動電阻，可以有效提高推進電機的轉向時間，提高船舶的機動性能。

1.2 齒輪箱

齒輪箱是機電混合推進系統(tǒng)中兩套推進系統(tǒng)的連接點，推進電機和柴油機通過齒輪箱聯(lián)接至螺旋槳。當正常航行時，使用柴油機推進，齒輪箱中的柴油機離合器合排；當進行作業(yè)起放鉤時，使用電力推進，齒輪箱中的電機離合器合排。柴油機離合器和電機離合器不能同時合排，以保證柴油機推進和電力推進不并車運行。柴油機的正倒車通過齒輪箱離合器實現(xiàn)，電機的正倒車由電機的正反轉實現(xiàn)。

1.3 運行方式

機電混合動力系統(tǒng)應用于船舶有3種運行方式。第1種為軸帶發(fā)電機方式(PTO)，柴油機作為動力源，螺旋槳和軸帶發(fā)電機都作為柴油機負載使用；第2種為柴電并車方式(PTI)，柴油機和電動機都作為動力源，螺旋槳作為兩者共同的負載，柴油機和電動機并車共同推進；第3種為柴電獨立運行方式(PTH)，柴油機和電動機都作為動力源，兩者分別獨立推進螺旋槳，不能并車[9-14]。金槍魚延繩釣船有航行、作業(yè)兩種完全不同的工況[15]。航行工況時要求航速較高，作業(yè)工況時要求航速較低。根據(jù)金槍魚延繩釣船的這一工作特性，選擇PTH方式是合適的。航行時使用功率較大的主機推進，作業(yè)時使用功率較小的電機推進，這樣推進系統(tǒng)就能很好的滿足兩種不同工況的需求。

2 需求分析

2.1 航速要求

金槍魚延繩釣船作業(yè)時，用系結在釣線上的釣鉤，裝上誘餌，誘魚吞食上鉤[16]。金槍魚延繩釣船的作業(yè)周期主要分為放釣、巡釣、起釣和收尾4個階段[17]。通常放釣、巡釣階段航速維持在8 kn左右，主機處于低轉速低負荷狀態(tài)，供油量減少，各缸供油的均勻性下降，致使轉速不穩(wěn)定；柴油機轉速的降低還會使噴油壓力下降、霧化不良、燃燒惡化，造成燃油消耗率升高；同時還會出現(xiàn)積炭現(xiàn)象，導致增壓器背壓增加，有引起喘振的可能。起釣、收尾階段船舶以3～4 kn 低速航行，主機受其最低穩(wěn)定轉速(一般為額定轉速的40%)的限制，無法持續(xù)地輸出足夠低的功率，因此只能通過齒輪箱頻繁地合排、脫排操作，使船舶航速維持在要求的作業(yè)航速附近。這種操作嚴重降低了主機和齒輪箱的壽命，增加設備故障率和燃料成本，直接導致營運成本上升及船員勞動強度的增加。

2.2 動力選擇

由于上述問題，金槍魚延繩釣船在作業(yè)時采用常規(guī)柴油機推進并不合適，而通過使用電力推進則能有效解決以上問題。但是，如果全船均采用電力推進，為了滿足長距離航行的航速要求，將需要很大的功率配備，這樣不但大大增加了初始投資，而且?guī)碓O備冷卻、機艙布置等諸多問題。所以，采用PTH方式的機電混合動力系統(tǒng)，既避免了單獨使用柴油機或者電力推進時的各種問題，又增加了推進系統(tǒng)冗余度，是最理想的方案。

3 節(jié)油效果

3.1 動力配置

上海遠洋漁業(yè)公司在2013至2015年間先后兩批次建造了5艘金槍魚延繩釣船，都裝備了由中國船舶重工集團公司第七一一研究所設計集成的PTH方式的機電混合動力系統(tǒng)。第一批次2艘，主機配備功率597 kW，電推配備功率125 kW，電推設計最大航速7節(jié)，僅適用于起鉤階段的功率需求。根據(jù)第一批船使用的實際情況，第二批次3艘船更改了船型，適當放大了主機與電推功率，主機功率適當放大至617 kW，電推功率增大至200 kW，電推設計最大航速10節(jié)，這樣不僅可以適用于起鉤階段的功率需求，還適用于放鉤階段，使電推系統(tǒng)使用覆蓋整個作業(yè)周期，避免了主推與電推的頻繁切換，具有更好的節(jié)油效果。

3.2 系統(tǒng)油耗

目前這5艘船均在太平洋海域進行金槍魚釣捕作業(yè)，根據(jù)船上運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(表1)，起鉤階段第一批次可以節(jié)油25%，第二批次可以節(jié)油8%。其原因主要是修改了船型，增大了主機和電推功率，造成油耗上升所致。但是電推航速明顯提高，在放鉤階段也可以使用電推，使得放鉤階段也可節(jié)油23%。同樣航行相同距離，第一批次和第二批次均可節(jié)油14%左右。由于設計上的改進，電推時間縮短了27%。綜合各項因素，在金槍魚延繩釣船作業(yè)期間，使用機電混合動力中的電力推進比使用柴油機推進總體上可節(jié)油15%～20%。

表1 機電混合動力系統(tǒng)油耗情況

表1中的數(shù)據(jù)表明，兩批次船舶由于設計上的改動，節(jié)油效果并不完全一致。根據(jù)第1批次船舶實際使用情況，作業(yè)和航行速度都偏慢，所以在第2批次船舶設計時，修改了船型，增大了主推進設計功率。同時，由于作業(yè)工況需要良好的機動性能，又適當放大了推進電機功率，使得船舶操縱性有較大的提高。功率提高以后，第2批次的油耗較第1批次的普遍提高，但放鉤階段使用電力推進，到達了節(jié)油效果。所以，綜合各方面因素分析，第2批次船舶的設計改動，雖然會提高船舶起鉤階段的油耗，但從總體油耗及船舶性能等方面來看，適當放大推進電機功率是有利的。

3.3 效益核算

金槍魚延繩釣船的成本構成中包括初始建造成本和運行成本。如果配備機電混合動力系統(tǒng)，雖然會提高初始建造成本，但可以降低運行成本。一艘總噸位500 t、主機功率600 kW的金槍魚延繩釣船，配備機電混合動力系統(tǒng)需要增加初始投資90萬元，按照每年金槍魚延繩釣船有2/3時間用于作業(yè)，則每年作業(yè)時間近6 000 h(其中，放鉤作業(yè)2 000 h，起鉤作業(yè)4 000 h)，柴油價格每升估算為5.4元，計算得：放鉤可節(jié)約15 L/h，起鉤可節(jié)約5 L/h，每年大約減少消耗燃油50 000 L，可節(jié)省燃料費用近27萬元。投資收益率按照每年7%估計，按照公式[18-19]：

式中：K—初始投資，萬元；a—每年收益率，%；M—每年節(jié)省燃料費用，萬元；n—年數(shù)，年。代入K=100，a=0.07，M=27，計算得到滿足條件的n最小整數(shù)值n=4。根據(jù)計算結果，僅需要4年就可收回投資成本。

假設船舶壽命為20年[20]，按照公式[21-22]：

式中：W—總節(jié)省成本，萬元；N—船舶壽命，年；K—初始投資，萬元；a—年收益率，%；M—年節(jié)省燃料費用，萬元。代入K=100，a=0.07，M=27，N=20，計算得到船舶全壽命共可節(jié)約719萬余元。如果油價上漲，回收周期將進一步縮短，船舶全壽命節(jié)約成本總額會更高。

另外，使用機電混合動力系統(tǒng)后，主機不再長時間運行于低工況，減少了積碳和喘振，降低了維護保養(yǎng)成本。同時，由于機電混合動力系統(tǒng)增加了主推進冗余度與船舶安全性，降低了船舶動力系統(tǒng)出現(xiàn)故障而不能作業(yè)甚至引發(fā)事故的風險，減少了因此而產生的成本。應用機電混合動力系統(tǒng)，不僅降低了燃料消耗的直接成本，還降低了運輸、人力、設備損耗等燃料補給所需要的間接成本。

4 結論

根據(jù)實船驗證結果，采用柴電獨立運行(PTH)方式機電混合動力系統(tǒng)能很好地滿足金槍魚延繩釣船的航行和作業(yè)兩種工況需求，使用該系統(tǒng)可節(jié)油15%～20%，具有減少油耗、降低運行成本的效果。通過計算分析，機電混合動力系統(tǒng)雖然會增加一定的初始投資，但僅需4年就可通過節(jié)油收回投資成本，回收周期快，同時，由于提高了主推進冗余度等因素，因而降低了一定的風險因素和間接成本。

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Analysis of fuel saving effect of tuna longliner electromechanical hybrid power system

DU Jingsong, SHI Binjie, SHI Haojian, HUANG Wei

(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institue, Shanghai 201108,China)

Tuna longliner fishing is an important part of the pelagic fishery. The process of tuna fishing consists of two completely different working conditions：navigation and operation. The speed is high with the condition of navigation, and the speed is low with the condition of operation. In order to meet the requirenents of the two conditions, the electromechanical hybrid power system through the diesel electric independent operation (PTH) mode is used. Electromechanical hybrid power system is composed of two parts, which are the diesel engine propulsion system and electric propulsion system. The high power diesel engine model is used when the speed is high, and the small power electric propulsion mode is used when the speed is low. In the past two years, Shanghai Ocean Fishing Company has built five tuna longliners which are equipped with electromechanical hybrid system. According to the real ship test, fuel saving was 25% and 8% with different types in the hooking stage in the operation period, and fuel saving of voyage reached to 14% in the navigation period. Through calculation and analysis, the initial investment cost of using electromechanical power hybrid system throgh the diesel electric independent operation (PTH) mode could be recovered by way of fuel saving within four years. The fuel saving effects showed that using electric propulsion could save 15%-20% of the fuel compared with the diesel engine propulsion, which could achieve the effects of good energy-saving, emission reduction and cost reduction.

tuna longliner; electromechanical hybrid power system; PTH mode; electric propulsion; fuel saving

2015-09-17

2016-01-09

上海市科學技術委員會創(chuàng)新行動計劃“金槍魚漁船高效捕撈與加工關鍵技術研究和示范(13dz203701)”

都勁松(1977—)，男，高級工程師，主要從事船舶自動化系統(tǒng)設計。E-mail：13817329566@139.com

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.01.010

U664.12

A

1007-9580(2015)06-052-04