王永鼎,程湘裕

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

0 引 言

隨著全球工業(yè)化的不斷深入，船舶運(yùn)輸和海洋漁業(yè)得到快速發(fā)展，各種作業(yè)船舶的數(shù)量和噸位都在增加.為了應(yīng)對日益嚴(yán)峻的世界氣候問題，世界相關(guān)環(huán)保組織逐步關(guān)注船舶節(jié)能減排問題，接連出臺多項(xiàng)國際性公約，限制船舶廢氣排放[1].中國每年能源消耗量巨大，但是單位能耗對經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西方發(fā)達(dá)國家,能源短缺和環(huán)境污染問題日益凸顯.中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃中，將節(jié)能減排作為政府工作的重要考核目標(biāo)，各個部門聯(lián)合推動船舶節(jié)能改造和向綠色化發(fā)展[2-3],并于2016年制定標(biāo)準(zhǔn)，控制船舶污染物排放，2018年在三個主要經(jīng)濟(jì)帶設(shè)立船舶排放控制區(qū)，對內(nèi)河航道的排放也提出限制要求，2019年又制定更為嚴(yán)格的船舶燃油含硫量規(guī)定[4].同時船舶節(jié)能減排受到發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠和船舶建造企業(yè)的高度重視.

船舶每年消耗的柴油量占據(jù)全國柴油消耗總量很大比重，每年漁船柴油消耗就高達(dá)900多萬噸，其中船舶推進(jìn)系統(tǒng)消耗的燃油占總油耗的60%～70%，因此研究節(jié)能型動力推進(jìn)系統(tǒng)是船舶節(jié)能減排的重要措施.

內(nèi)河及近海公務(wù)船和金槍魚延繩釣船需要多種航行工況，傳統(tǒng)動力推進(jìn)系統(tǒng)在低功率低航速狀態(tài)下，燃油消耗率較高，產(chǎn)生積碳，導(dǎo)致增壓器背壓升高，出現(xiàn)喘振現(xiàn)象.混合動力推進(jìn)技術(shù)可有效改善低工況時的燃油經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)船型特點(diǎn)設(shè)計新型混合動力推進(jìn)技術(shù)是降低船舶油耗、減少排放的重要手段.本文將基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的混合動力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于公務(wù)船和金槍魚延繩釣船，并針對兩種船型展開節(jié)能研究.

1 公務(wù)船及金槍魚釣船工況介紹

1.1 工作類型和特點(diǎn)

以某型號公務(wù)船為例,主要負(fù)責(zé)海事巡邏、水上安全督查、港口管理、航道設(shè)施檢查等船舶安全生產(chǎn)管理職責(zé).執(zhí)行航行任務(wù)時,每天工作8 h,一般有三種工況,滿負(fù)荷快速航行約2 h,低負(fù)荷巡航約4 h,停船檢查柴油機(jī)怠速時間約2 h. 公務(wù)船每天變工況航行,當(dāng)快速航行時,柴油機(jī)燃油效率高,當(dāng)?shù)退傺埠綍r主機(jī)負(fù)荷僅為15%左右,低工況運(yùn)行燃油效率低,油耗增加. 在停船怠速狀態(tài)下,柴油機(jī)消耗燃油更多.

以太平洋海域作業(yè)的金槍魚延繩釣船為例,一般包括快速航行工況和放釣、起釣工況.漁船快速航行一般航速8～10 kn,持續(xù)2～4 h;放釣作業(yè)航速維持4～8 kn,作業(yè)時間4～6 h;起釣作業(yè)航速較低,需要保持2～4 kn,作業(yè)時間較久,需要10～14 h. 漁船在作業(yè)周期內(nèi)負(fù)載和航速規(guī)律性變化,起釣作業(yè)時柴油機(jī)運(yùn)行在15%～25%負(fù)荷狀態(tài)下,燃油利用率低,起釣作業(yè)用時占捕撈周期的70%～80%,油耗較高.

1.2 工作過程存在的問題

傳統(tǒng)船舶在設(shè)計建造時,主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的選取一般依據(jù)全速航行時的工況需求.實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)工況變化,船舶柴油機(jī)如果在低功率低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下長期運(yùn)行,轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,不僅會造成柴油機(jī)各缸供油壓力不足,燃油不能完全霧化,燃燒不充分,煙道積碳增加,燃油利用率降低,還會增加增壓器背壓,造成柴油機(jī)喘振現(xiàn)象.船舶航行工況變化,頻繁負(fù)荷變化和正倒車操作,不利于航速穩(wěn)定,柴油機(jī)和變速裝置故障率升高,后期維修保養(yǎng)支出增多,導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)可靠性降低,造成船舶有效工作時間減少,單位時間產(chǎn)值降低,增加使用壽命內(nèi)運(yùn)營成本,收益變差.

2 基于BDS的混合動力推進(jìn)系統(tǒng)

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)

BDS是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),2003年進(jìn)入大規(guī)模實(shí)質(zhì)性應(yīng)用階段,2019年9月成功發(fā)射兩顆北斗三號(BDS-3)導(dǎo)航衛(wèi)星, BDS在軌衛(wèi)星達(dá)到48顆,亞太地區(qū)實(shí)現(xiàn)完全覆蓋,海洋船舶定位誤差小于10 m,2020年將實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,建成世界先進(jìn)的BDS-3[5]. BDS主要由空間段、地面控制段、用戶段組成. 主要技術(shù)優(yōu)勢有:為了提高空間段衛(wèi)星抗遮擋能力,采用3種軌道衛(wèi)星組成混合星座的形式;為了降低高階電離層延遲的影響,采用三頻信號,提高數(shù)據(jù)預(yù)處理能力,傳輸可靠性和抗干擾能力增強(qiáng);將導(dǎo)航和短報文通信功能相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)雙向通信.

BDS對于我國的國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用,同時也是服務(wù)全球用戶的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施. BDS目前提供的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù),具有全天時、全天候、高可靠性和精確性的特點(diǎn),定位精度誤差小于10 m,亞太地區(qū)精度小于5 m,授時服務(wù)精度優(yōu)于10 ns,測速精度0.2 m/s[6]. 2014年9月,BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)工程啟動實(shí)施,這個工程將加快連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)的發(fā)展,加強(qiáng)密度網(wǎng)基準(zhǔn)站補(bǔ)充建設(shè),使BDS可以盡快實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和可靠性的全面服務(wù). 2017年,中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室批準(zhǔn)了BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)的9項(xiàng)BDS專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)[7]. BDS正在向衛(wèi)星導(dǎo)航標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展,不斷提升系統(tǒng)服務(wù)性能和整體服務(wù)質(zhì)量.

2.2 BDS在海事領(lǐng)域的應(yīng)用

BDS廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、氣象預(yù)報、地理測繪、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、應(yīng)急救援等領(lǐng)域,逐步滲入人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷? BDS定位精度高、覆蓋范圍廣、授時誤差小、具有雙向通訊功能,在自然條件相對惡劣的海洋環(huán)境中具有巨大的應(yīng)用潛力.

BDS可以通過船載終端設(shè)備(下稱BDS終端),顯示船舶在海域的航行位置、速度、行駛方向等信息,可以提供船舶偏航提示,規(guī)劃航行路線等服務(wù). BDS終端與電子海圖信息疊合使用,便于船舶駕駛?cè)藛T直接查看船舶位置和速度,計算船舶到達(dá)的時間,實(shí)現(xiàn)安全、高效航行[8].

BDS在船舶管理方面應(yīng)用廣泛. 目前海事部門主要是通過船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)和移動通信網(wǎng)絡(luò)對船舶進(jìn)行監(jiān)控管理,但是AIS系統(tǒng)存在較多的監(jiān)管盲區(qū),使用移動通信費(fèi)用昂貴[9]. BDS獨(dú)有的短報文通信功能,可以不借助第三方系統(tǒng),獨(dú)立組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)船載終端之間或者終端與控制中心的雙向通信. 基于BDS導(dǎo)航技術(shù)的船舶航線監(jiān)管系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)船舶實(shí)時定位、測速,船舶之間或船舶與海事部門雙向通信,具有發(fā)布碰撞預(yù)警、航線航跡偏差警告和遇險求助等功能[10]. 港口管理部門,可以通過BDS將港口靠泊船舶情況、航道情況和泊位噸位等信息通過港口調(diào)度系統(tǒng)顯示,實(shí)現(xiàn)港口船舶的合理安排.

BDS在航海保障領(lǐng)域具有重要作用. 航海保障對船舶航行安全起著至關(guān)重要的作用,其對設(shè)備的精度要求高,主要涉及海道測量、水文信息收集、潮汐監(jiān)測、航標(biāo)布置等工作. 結(jié)合高分辨率圖像識別技術(shù),應(yīng)用BDS、船舶遠(yuǎn)程識別與跟蹤系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“AIS+BDS”的沿海BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)[11]. 目前,長三角區(qū)域BDS CORS系統(tǒng)船舶定位實(shí)現(xiàn)厘米級,為大型船舶在狹窄航道安全交會創(chuàng)造條件,可以最大限度保證長江口航道的高效安全利用[12].

我國是水產(chǎn)品產(chǎn)出和消耗大國,擁有數(shù)量巨大的漁業(yè)船舶. 為了推進(jìn)漁船節(jié)能化、信息化發(fā)展,農(nóng)業(yè)部關(guān)于漁船更新改造補(bǔ)貼規(guī)范中,將漁業(yè)船舶船載BDS終端劃入船舶改造信息化設(shè)備補(bǔ)貼范圍. 漁船配備BDS終端設(shè)備,漁政管理部門可以通過BDS發(fā)布臺風(fēng)等自然災(zāi)害信息,提醒漁民及時回港規(guī)避,保障漁民安全. 利用BDS終端,漁業(yè)管理部門可以對漁船作業(yè)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,提取漁船作業(yè)航次、識別漁船類型、判斷漁船作業(yè)狀態(tài)等信息,對漁船進(jìn)行捕撈追溯,計算捕撈努力量,估算捕獲量,對漁場內(nèi)的漁船捕撈強(qiáng)度進(jìn)行管控,為漁船的精細(xì)化管理提供參考[13].

本文將BDS導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于船舶混合動力推進(jìn)系統(tǒng)中. 船載BDS終端與電子海圖信息結(jié)合構(gòu)成BDS導(dǎo)航模塊,不僅可以實(shí)時顯示船舶位置、速度和航向,還可以將船舶位置信息、航速變化、航跡偏差等動態(tài)信息傳遞給控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)庫和控制策略,判斷船舶航行工況,管理柴油機(jī)和電動機(jī)的動力輸出,實(shí)現(xiàn)船舶能源高效利用. 本文研究的基于BDS導(dǎo)航混合動力推進(jìn)系統(tǒng),對于潮汐變化、海洋風(fēng)浪等導(dǎo)致的海洋高度變化造成的定位精度影響不予考慮,船舶位置只作為一般海上定位[14].

2.3 基于BDS的混合動力系統(tǒng)的推進(jìn)方案

2.3.1 推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成

基于BDS的混合動力船舶可以使用燃油和電能兩種能源,主要由BDS導(dǎo)航模塊、船用柴油機(jī)、電動機(jī)、蓄電池儲能裝置、控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)組成. 與柴油機(jī)單獨(dú)推進(jìn)相比,油電混合動力系統(tǒng),電動機(jī)具有轉(zhuǎn)速響應(yīng)快,調(diào)速范圍廣的特點(diǎn)[15]. 當(dāng)船舶工作在低負(fù)荷低轉(zhuǎn)速工況時,儲能裝置供電,電動機(jī)單獨(dú)提供推進(jìn)動力,柴油機(jī)可以暫時關(guān)閉,減少柴油機(jī)油耗. 當(dāng)電池電量較低時,柴油機(jī)可以保持額定功率運(yùn)行,將多于的動力用于儲能裝置充電,當(dāng)船舶負(fù)載突然升高時,儲能裝置放電啟動電動機(jī)輔助動力輸出. 通過能量管理裝置,對儲能裝置充放電,有利于保持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn),使其維持在額定功率附近工作,提高燃油利用率.

混合動力技術(shù)在有限空間內(nèi),通過合理選擇油電混合度、柴油機(jī)和電動機(jī)選型、BDS導(dǎo)航結(jié)合能量控制系統(tǒng)優(yōu)化動力輸出,從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性、機(jī)槳匹配合理性和能源利用高效性.

2.3.2 運(yùn)行方式

依據(jù)運(yùn)行方式的不同可以將船舶油電混合動力系統(tǒng)分為三種： 1)船舶的動力源只有柴油機(jī). 柴油機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)提供船舶電力供應(yīng),帶動螺旋槳實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn),被稱為軸帶發(fā)電機(jī)驅(qū)動方式(PTO). 2)船舶配備柴油機(jī)和電動機(jī),兩者動力耦合作為船舶動力源,共同驅(qū)動螺旋槳實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn),被稱為柴電并車驅(qū)動方式(PTI). 3)船舶配備的柴油機(jī)和電動機(jī)都可以單獨(dú)作為動力源,兩者既可以獨(dú)立驅(qū)動螺旋槳工作,也可以聯(lián)合驅(qū)動螺旋槳工作實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn),被稱為柴電獨(dú)立驅(qū)動方式(PTH).

公務(wù)船和金槍魚延繩釣船有多種航行工況,航速變化較大,采用PTH混合動力驅(qū)動方式最為合適. 航行過程中,功率負(fù)荷需求大，航速要求高時,采用主機(jī)推進(jìn),功率負(fù)荷需求小，航速要求低時,采用電機(jī)推進(jìn),這樣混合動力推進(jìn)系統(tǒng)可以很好的滿足不同工況的需求[16].

2.4 基于BDS的混合動力系統(tǒng)的驅(qū)動模式

混合動力系統(tǒng)的BDS導(dǎo)航模塊,依據(jù)BDS-3,監(jiān)控管理船舶航行的動態(tài)信息,實(shí)時顯示船舶航行水域位置經(jīng)緯度、前進(jìn)方向、航行速度和軌跡、海況、氣象信息等.

2.4.1公務(wù)船

內(nèi)河和近海水域來往船舶較多,航道船舶流量大,情況多變,船舶需要頻繁切換航速,柴油機(jī)能效低下.基于BDS導(dǎo)航的混合動力系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)船舶之間或者船舶與海事監(jiān)控中心的雙向通信,接收碰撞預(yù)警、航線航跡偏差警告等信息,可以根據(jù)水域情況和航行位置設(shè)置航速、調(diào)整動力輸出. 公務(wù)船油電混合動力系統(tǒng)工作模式如表1所示.

表1 公務(wù)船油電混合動力系統(tǒng)工作模式

BDS導(dǎo)航混合動力系統(tǒng)可以根據(jù)航行區(qū)域調(diào)整工作模式,當(dāng)航行水域航道條件良好,控制系統(tǒng)檢測到負(fù)載大于船舶柴油機(jī)額定功率,電池電量充足,電動機(jī)開啟和柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)并車,共同驅(qū)動;當(dāng)負(fù)載在柴油機(jī)額定功率附近時,電動機(jī)關(guān)閉,柴油機(jī)單獨(dú)驅(qū)動;當(dāng)負(fù)載降低電池電量不足時,柴油機(jī)驅(qū)動并向電池充電,柴油機(jī)依然可以保持在額定功率附近,燃油經(jīng)濟(jì)性高,排放良好;當(dāng)航行在船舶排放控制區(qū)或者城市港口附近,航行條件差的水域時,負(fù)載較小電量充足,電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動,船舶實(shí)現(xiàn)零排放[17].

2.4.2 金槍魚延繩釣船

當(dāng)BDS導(dǎo)航模塊檢測到金槍魚延繩釣船位于非漁場海域,航行速度大于8 kn,附近海域氣象條件有利于航行,此時漁船處于快速奔赴漁場或者運(yùn)送漁獲等非捕撈作業(yè)工況,電動機(jī)和柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)并車,共同驅(qū)動漁船,快速航行. BDS導(dǎo)航模塊實(shí)時顯示船舶位置,當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到漁船到達(dá)放釣海域,輸出信號,航速調(diào)整到4～8 kn,漁船運(yùn)行在放釣工況,負(fù)載在柴油機(jī)額定功率附近,柴油機(jī)單獨(dú)驅(qū)動[18]. 當(dāng)BDS導(dǎo)航模塊顯示船舶位置,控制系統(tǒng)檢測到船舶位于指定起釣海域,輸出信號,航速調(diào)整到2～4 kn,電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動漁船. 蓄電池荷電SOC高于30%時,電動機(jī)動力全部由蓄電池提供,純電力驅(qū)動,漁船實(shí)現(xiàn)零排放;當(dāng)蓄電池荷電SOC低于30%時,能量管理系統(tǒng)輸出信號,柴油機(jī)帶動發(fā)電機(jī)為蓄電池充電,同時輸出推進(jìn)動力,控制裝置和能量管理系統(tǒng)保持柴油機(jī)穩(wěn)定工作在額定功率附近. 當(dāng)BDS導(dǎo)航模塊檢測到漁船進(jìn)入排放控制水域時,控制系統(tǒng)輸出信號,電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動,減少排放. 混合動力金槍魚釣船控制策略如圖1所示.

圖1 混合動力金槍魚釣船控制策略示意圖

3 基于BDS的混合動力推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能分析

本文選取搭載BDS導(dǎo)航混合動力系統(tǒng)的某型公務(wù)船和金槍魚延繩釣船進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析和節(jié)能效益研究.

3.1 工況分析

該型公務(wù)船主要行駛在內(nèi)河和近海水域,負(fù)責(zé)港口管理、海事巡邏、突發(fā)情況處理和航道管理工作. 該型公務(wù)船總長19 m,型寬4 m,滿載排水量26.82 t,采用WP12C350船用高速柴油機(jī)作為主機(jī),額定功率267 kW,電機(jī)額定功率80 kW. 具體航行工況如表2所示.

表2 某型號油電混合動力公務(wù)船工況

選取上海遠(yuǎn)洋漁業(yè)公司的某型號金槍魚釣船為研究對象. 基于BDS導(dǎo)航的混合動力金槍魚釣船采用PTH形式(柴油機(jī)和電動機(jī)獨(dú)立運(yùn)行). 排水量為380 t,其中船舶柴油機(jī)選取KTA38-MO為機(jī)型作為主機(jī),額定功率598 kW,電動機(jī)額定功率120 kW,電力系統(tǒng)由中船重工七一一所集成設(shè)計[19].

金槍魚釣船具體作業(yè)工況如表3所示.

表3 金槍魚釣船作業(yè)工況

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

船舶油耗量是衡量船舶推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo),燃油消耗量是耗油率與柴油機(jī)輸出功率和運(yùn)行時間的乘積,總耗油量為船舶不同工況航行條件下耗油量之和.

3.2.1 公務(wù)船

該型公務(wù)船在內(nèi)河水域執(zhí)行公務(wù)航行,以柴油機(jī)的油耗為基準(zhǔn),每天工作8 h,其中滿負(fù)荷航行2 h,15%功率航行4 h,其余2 h為怠速. 通過耗油量和每天運(yùn)營成本,分析基于BDS的混合動力公務(wù)船節(jié)油效果和經(jīng)濟(jì)性.

表4 WP12C350 船用高速柴油機(jī)油耗

根據(jù)表4所示, 柴油機(jī)工作一天,平均耗油量=0.194×267×2+0.21×40×4+5.5×2=148 kg,按照目前市場價格船用柴油8000元/t計算,公務(wù)船每天運(yùn)營的燃料費(fèi)用=0.148×8000=1184 元.

基于BDS的混合動力推進(jìn)系統(tǒng),電力推進(jìn)時,電池要保證驅(qū)動40 kW電動機(jī)運(yùn)行兩個小時,同時根據(jù)電機(jī)效率為0.9計算,蓄電池容量應(yīng)為90 kWh. 混合動力系統(tǒng)不存在柴油機(jī)怠速狀態(tài)運(yùn)行,電動機(jī)驅(qū)動可以滿足低負(fù)荷條件下的航速需求.

電動機(jī)消耗的電量大致等于蓄電池容量,實(shí)際應(yīng)用中,蓄電池充電效率約為0.8,所以每天耗電量=90/0.8=110 kWh. 混合動力系統(tǒng)中,與柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)相比,節(jié)省了低功率(40 kW)和怠速狀態(tài)下的耗油量. 算出耗油量為102 kg,每天燃油費(fèi)=0.102×8000=816 元. 公務(wù)船蓄電池可以進(jìn)行岸電充電,根據(jù)上海市晚間峰谷電費(fèi)0.5元/kWh計算,電費(fèi)=110×0.5=55 元. 燃油費(fèi)和電費(fèi)構(gòu)成混合動力公務(wù)船的運(yùn)營成本. 算出每天運(yùn)營成本=816+55=871 元. 基于BDS導(dǎo)航的混合動力公務(wù)船比柴油機(jī)推進(jìn)公務(wù)船每日運(yùn)營成本降低26%左右,使用岸電充電，節(jié)能環(huán)保,經(jīng)濟(jì)性很好.

3.2.2 金槍魚釣船

上海遠(yuǎn)洋漁業(yè)公司建造了兩艘金槍魚延繩釣船,均采用基于BDS導(dǎo)航的PTH形式混合動力推進(jìn)系統(tǒng). 這兩艘船已于2015年赴太平洋海域捕撈作業(yè),滬漁918作為示范船,兩種推進(jìn)系統(tǒng)具體燃油消耗情況如表5所示.

表5 兩種推進(jìn)系統(tǒng)燃油消耗情況 L/h

表注：數(shù)據(jù)來源:示范船滬漁918輪

經(jīng)過實(shí)船作業(yè)驗(yàn)證,起鉤作業(yè)時混合動力金槍魚釣船可以節(jié)油25%,放鉤作業(yè)時節(jié)油23%,航行相同距離,混合動力系統(tǒng)節(jié)油14%左右. 經(jīng)過多次漁船捕撈作業(yè)統(tǒng)計,基于BDS導(dǎo)航的混合動力金槍魚釣船一個作業(yè)周期綜合節(jié)約燃油10%～20%,節(jié)能效果顯著.

3.3 效益核算

船舶的成本主要包括初始設(shè)計建造成本和后期運(yùn)行成本. 如果給船舶配備基于BDS的混合動力系統(tǒng),需要增加BDS導(dǎo)航模塊、電力推進(jìn)和儲能裝置. 基于BDS的船舶混合動力系統(tǒng)將會增加初始建造投資,但是后期運(yùn)行節(jié)省燃油可降低運(yùn)營成本,為了綜合分析經(jīng)濟(jì)性,對公務(wù)船和金槍魚釣船進(jìn)行效益核算.

混合動力系統(tǒng)電力推進(jìn)和儲能裝置的成本主要包括電池、電動機(jī)、電池附件和電動機(jī)附件等,其中電池成本最高. 在船舶推進(jìn)系統(tǒng)動力電池方面,中國船級社目前只對磷酸鐵鋰電池制定了船舶檢驗(yàn)規(guī)范[20]. 磷酸鐵鋰電池充放電壽命高達(dá)4 000次,使用壽命長達(dá)4～7年,與其他同類電池相比價格相對較低,同時磷酸鐵鋰電池還有回收體系,廣泛應(yīng)用于汽車和船舶動力電池領(lǐng)域. 船舶初始建造時,混合動力系統(tǒng)動力電池成本占總增加成本的45%～65%,后期運(yùn)行時也將增加動力電池更換和維護(hù)成本[21].

針對公務(wù)船,總噸位30 t,主機(jī)功率300 kW的公務(wù)船,增加BDS導(dǎo)航模塊和混合動力系統(tǒng)系統(tǒng)需要多支出20萬元初始建造成本. 公務(wù)船,除去節(jié)假日,每年航行250天,每天節(jié)省運(yùn)營成本359元,每年運(yùn)營成本節(jié)約9萬元. 針對漁船,一艘總噸位400 t,主機(jī)功率600 kW的金槍魚延繩釣船,增加BDS導(dǎo)航模塊和混合動力系統(tǒng)需要多支出90萬元初始建造成本. 根據(jù)漁船作業(yè)經(jīng)驗(yàn),每年2/3的時間金槍魚延繩釣船可以進(jìn)行作業(yè),則每年作業(yè)時間大約6 000 h(其中,起釣工況4 000 h,剩余2 000 h放釣作業(yè)),目前漁船柴油價格大約6.4元/L. 基于BDS的混合動力系統(tǒng),作業(yè)一小時,放鉤工況節(jié)約15 L,起鉤工況節(jié)約5 L,這樣計算,每年節(jié)約燃油50 000 L,每年燃油費(fèi)用可以少支出32萬元. 每年船舶建造成本收益率大約7%.根據(jù)計算[22]，大約4年就可收回基于BDS混合動力系統(tǒng)金槍魚釣船的投資成本. 假設(shè)船舶正常使用期限為20年， 經(jīng)過計算，船舶在20年使用期限內(nèi)共可節(jié)省345萬余元. 漁船在20年使用期限內(nèi)共可節(jié)省829萬余元. 磷酸鐵鋰電池一般保修期5年，考慮到電池老化會增加能源消耗，假設(shè)5年進(jìn)行一次電池更新. 基于BDS混合動力系統(tǒng)公務(wù)船和金槍魚釣船均可通過節(jié)油方式在五年內(nèi)收回投資成本. 在20年的船舶使用期限內(nèi)，需要進(jìn)行動力電池更新和維修服務(wù)，磷酸鐵鋰電池具有回收體系,根據(jù)目前市場情況，更換電池成本是新購入電池成本的一半[23]. 經(jīng)過計算，公務(wù)船使用期限內(nèi)電池更換維護(hù)成本為18萬. 漁船使用期限內(nèi)電池更換維護(hù)成本為67.5萬.

根據(jù)以上計算,船舶在20年的使用期限內(nèi),綜合節(jié)省的燃油費(fèi)用和增加的電池更換維修費(fèi)用,安裝基于BDS導(dǎo)航的混合動力系統(tǒng),公務(wù)船共節(jié)省327萬元,金槍魚釣船共節(jié)省761.5萬元. 如果燃油價格繼續(xù)攀升,船舶成本回收周期將會進(jìn)一步縮短. 國家大力支持新能源技術(shù)的發(fā)展,隨著電池行業(yè)規(guī)模效應(yīng)和技術(shù)不斷革新,電池價格將逐漸下降,港口岸電設(shè)施不斷完善,混合動力系統(tǒng)電力推進(jìn)裝置前期投資和后期維護(hù)成本將會進(jìn)一步下降,使用壽命期限內(nèi)節(jié)省成本會降低更多. 基于BDS導(dǎo)航的混合動力船舶,大幅減少主機(jī)低工況、低負(fù)載條件下的運(yùn)行時間,減少柴油機(jī)積碳現(xiàn)象,有利于降低后期維修保養(yǎng)成本. 同時,電動機(jī)輔助推進(jìn)提高推進(jìn)系統(tǒng)冗余度,降低船舶動力系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率,減少主機(jī)不能作業(yè)引發(fā)事故的風(fēng)險,大大增加船舶航行安全性和可靠性. 基于BDS的混合動力推進(jìn)系統(tǒng),不僅將燃油費(fèi)用的直接成本大幅降低,而且節(jié)省了設(shè)備損耗、人力、運(yùn)輸?shù)热剂涎a(bǔ)給產(chǎn)生的間接成本.

另外,公務(wù)船蓄電池可以使用岸電充電,選擇晚上用電低谷期進(jìn)行充電,進(jìn)一步降低運(yùn)營成本. 與金槍魚釣船相比,基于BDS的混合動力公務(wù)船行駛在內(nèi)河和近海海域,BDS定位和航線規(guī)劃更準(zhǔn)確,航跡糾正和航速反饋更及時,控制系統(tǒng)動力輸出管理水平更好,電力推進(jìn)比例高,可以充分使用岸電充電,所以經(jīng)濟(jì)性和效益更好.

4 結(jié) 論

本文針對公務(wù)船和金槍魚延繩釣船進(jìn)行研究,提出基于BDS的混合動力系統(tǒng),采取PTH方式作為混合動力推進(jìn)方案,并結(jié)合公務(wù)船和金槍魚延繩釣船的航行工況,設(shè)計了相應(yīng)的混合動力驅(qū)動模式. PTH方式的推進(jìn)方案,降低低負(fù)載低功率狀態(tài)下船舶對主機(jī)的依賴性,依據(jù)BDS來獲取船舶的位置和航行速度來確定作業(yè)工況,并以此調(diào)整柴油機(jī)和電動機(jī)的動力輸出,改善柴油機(jī)工作條件,使保持在標(biāo)定轉(zhuǎn)速附近工作,提高燃油效率,減少排放. 與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)相比,船舶安裝基于BDS的混合動力推進(jìn)系統(tǒng),公務(wù)船運(yùn)營成本降低26%,增加的投資成本可在3年內(nèi)收回;金槍魚釣船綜合油耗降低15%～20%,增加的投資成本可通過節(jié)油方式在4年內(nèi)收回,回收周期短. 隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展,電池成本和后期更換維護(hù)成本會逐漸降低,基于BDS的混合動力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益會更好. 基于BDS的混合動力推進(jìn)系統(tǒng),增加了主推進(jìn)冗余度,提高船舶航行安全性,從而降低一些風(fēng)險因素和間接成本,具有廣闊的應(yīng)用前景.