嚴(yán)新平，萬江龍，袁裕鵬，尹奇志

(武漢理工大學(xué)a.國家水運安全工程技術(shù)研究中心; b.能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所;c.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢430063)

運河船舶岸基能源推進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)建

嚴(yán)新平a，b，c，萬江龍a，b，c，袁裕鵬a，b，c，尹奇志a，b，c

(武漢理工大學(xué)a.國家水運安全工程技術(shù)研究中心; b.能源與動力工程學(xué)院可靠性工程研究所;c.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢430063)

為了降低運河船舶污染物的排放并減少其對非可再生資源依賴,構(gòu)建基于岸基能源的運河船舶推進(jìn)系統(tǒng)配置形式,提出采用接觸網(wǎng)、動力電池,以及無線供電3種方式為船舶供電需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。排放性和經(jīng)濟(jì)性兩方面對比分析表明,采用基于岸基能源的船舶推進(jìn)技術(shù)可以達(dá)到很好的節(jié)能減排效果。同時,該技術(shù)適用于運河、湖泊等水文特征相對穩(wěn)定的內(nèi)河流域。

岸基能源;運河船舶;接觸網(wǎng);動力電池;無線供電

我國河流眾多,運河運輸主要分布在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)人口稠密的地區(qū)。

在世界范圍內(nèi),運河船舶的動力形式經(jīng)歷了畜力、蒸汽機(jī)、蓄電池、電動和內(nèi)燃機(jī)等階段。目前以內(nèi)燃機(jī)為動力源的占95%以上,每年不僅消耗大量的石油,同時排放大量的CO2、NOx、SOx和PM顆粒物。這些船舶廢氣嚴(yán)重影響了運河周邊城市的空氣質(zhì)量,危害了運河周邊城市人民的健康。而具有“零排放”等優(yōu)點的岸基能源在船舶上卻鮮有應(yīng)用。在德國Straussee湖上的Steffi渡輪采用基于岸基能源的電力推進(jìn)形式,通過一根電線為船舶提供7.5 kW的功率。這根電線橫跨370 m的湖面,采用170 V的電壓,通過水實現(xiàn)電流的回路。同時,法國的Mauvages隧道也通過接觸網(wǎng)提供600 V直流電給電動拖船。如果將運河船舶傳統(tǒng)的以內(nèi)燃機(jī)為動力源的模式替換成采用岸基供電作為船舶的動力源的模式,不但可以減少石油的消耗,同時可以減少危害氣體的排放量,實現(xiàn)運河船舶的節(jié)能減排。

由于湖泊及隧道與運河的通航環(huán)境存在差異,湖泊渡船技術(shù)無法直接應(yīng)用于運河,為此需開展適合于運河船舶的岸基能源的電力推進(jìn)技術(shù)研究。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

目前,運河船舶大都采用傳統(tǒng)推進(jìn)方式,即通過柴油機(jī)帶動螺旋槳進(jìn)行推進(jìn)?；诎痘茉吹倪\河船舶推進(jìn)技術(shù)是將運河船舶的傳統(tǒng)推進(jìn)形式改為電力推進(jìn)的形式,由岸基統(tǒng)一為船舶提供電力,并對船舶的航行進(jìn)行智能化管理控制,形成運河船舶的電氣化標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上,形成由專用港口碼頭、航道、船隊組織,以及岸基供電系統(tǒng)構(gòu)成的新型運河貨運船舶運輸工藝系統(tǒng)?；诎痘茉吹倪\河船舶推進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 岸基能源船舶推進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于接觸網(wǎng)的運河船舶推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)

采用接觸網(wǎng)的運河船舶推進(jìn)技術(shù)是指來自于區(qū)域電力系統(tǒng)的電能被輸送給岸基供電系統(tǒng)。牽引變電所把電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于運河船舶設(shè)備的電能,然后輸送給沿運河線上空架設(shè)的接觸網(wǎng)。船-岸電力供給系統(tǒng)通過受電連接裝置將接觸網(wǎng)上的電能輸送到船舶上并通過船舶電站進(jìn)行管理。

2.1.1 接觸網(wǎng)支持裝置架設(shè)方式

接觸網(wǎng)支持裝置包含支柱與基礎(chǔ),它們用來承受接觸懸掛、支撐和定位裝置的全部負(fù)荷,并將接觸懸掛固定在規(guī)定的位置和高度上。由于運河航道口寬大概在40～200 m之間,跨度范圍較大,可以針對不同航道口寬采用不同的接觸網(wǎng)支持裝置架設(shè)方式。這里提出兩種架設(shè)方式:方式一,岸邊立桿,伸出水平桿(見圖2a);方式二,兩邊立桿,橫拉鋼索(見圖2b)。

圖2 接觸網(wǎng)支持裝置架設(shè)方式

如果航道口寬較窄,可以采用在岸邊架設(shè)的支柱上伸出較長的水平桿,通過水平桿來承受接觸網(wǎng)的全部負(fù)荷。這種方式結(jié)構(gòu)較為簡單且成本較低。如果航道口寬較寬,可選用兩邊立桿,通過橫拉鋼索來承受接觸網(wǎng)的負(fù)荷。對于湖泊等水面很寬、但是水深相對較淺的水域也可以采用水中架設(shè)支柱的方式來承受負(fù)荷。以湖北生態(tài)旅游度假區(qū)梁子湖為例,湖泊水深約3～5 m,船舶航線固定,適合采用水中立桿的方式。

2.1.2 受電連接裝置及電制

目前,接觸網(wǎng)技術(shù)在高鐵、地鐵、有軌電車［1］、無軌電車及湖泊渡船上都有應(yīng)用。而將接觸網(wǎng)應(yīng)用于運河船舶需要設(shè)計一種較好的受電連接裝置,因為運河船舶相對于以上幾種運輸方式不具有固定的軌道,隨時可能受到風(fēng)、流的影響產(chǎn)生漂移。當(dāng)前存在的接觸網(wǎng)受電方式主要有三種:受電弓［2］(見圖3a))、集電桿［3］(圖3b))、集電線(圖3c、d))。

圖3 受電連接裝置

其中受電弓應(yīng)用最為廣泛,主要應(yīng)用于高鐵、地鐵、有軌電車等,不難發(fā)現(xiàn)這幾種運輸方式均為有軌運輸,運行路線穩(wěn)定,受電弓可以在接觸線下穩(wěn)定滑行。集電桿主要使用在無軌電車上,通過端部的U形槽中的架空線與石墨滑塊摩擦獲取電力。無軌電車雖然可以產(chǎn)生一定的偏移,但是相對于運河船舶的偏移來說有限。如果運河船舶采用以上兩種受電方式將會導(dǎo)致頻繁脫線,影響運河船舶的正常航行。

針對這個問題有兩種解決方式:一種是德國Straussee湖上的Steffi渡輪(如圖3c))采用集電線,用環(huán)套住接觸線可以解決頻繁脫線的問題。另一種是美國canby渡輪(如圖3d))采用三腳架結(jié)構(gòu)的受電結(jié)構(gòu)受電方式,同樣可以解決頻繁脫線的問題。

從圖3中還可以發(fā)現(xiàn),無軌電車采用的雙線供電,而高鐵和湖泊渡船采用的是單線供電。高鐵由于具有固定的軌道,可以通過軌道與接觸線構(gòu)成回路。而船舶采用一根輸電線就只能通過水實現(xiàn)電流的回路,但是這會導(dǎo)致電極較大的阻抗和腐蝕。當(dāng)輸電線為兩根時,減小了船舶的阻抗和腐蝕,但是如果兩根電線接觸會引起短路而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。美國canby渡輪采用三根線為船舶電動機(jī)輸送三相交流電。對于采用岸基供電的運河船舶的電壓可以分成低壓船舶岸電電源系統(tǒng)和高壓船舶供岸電電源系統(tǒng)。一般低壓船舶岸電電源系統(tǒng)的上船電壓為440 V/690 V,高壓岸電電源系統(tǒng)的上船電壓為6.6 kV/11 kV或者以上［4］。

2.1.3 船舶漂移控制

運河船舶航行時,由于風(fēng)力、吃水、水流和潮汐等因素的改變會造成船舶的漂移和浮動。如果受電連接裝置為受電弓或者集電桿,船舶的漂移會導(dǎo)致頻繁脫線,在沒有應(yīng)急電源的情況下會導(dǎo)致全船頻繁失電。如果受電連接裝置為環(huán)接觸的集電線,則會使接觸網(wǎng)受到較大的拉力,可能會破壞接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其不能正常運行。因此,必須對船舶的漂移進(jìn)行控制。圖4所示是Mauvages運河船舶的架空接觸網(wǎng)和纜繩。它通過架空接觸網(wǎng)為船舶提供電能,采用電機(jī)帶動浸沒于水中的纜繩推動船舶前進(jìn)。纜繩在一定程度上緩解了運河船舶的漂移,但是,對于船舶較多的運河,如在水中鋪設(shè)纜繩將會影響其他船舶的正常航行,這種方案具有一定的局限性。

圖4 M auvages運河船舶

針對航線偏移問題,船舶監(jiān)控系統(tǒng)利用京杭大運河電子虛擬航道和AIS的協(xié)同作用,監(jiān)控船舶與接觸網(wǎng)的相對位置,防止船舶偏移過大,提高船舶安全性能［5］。電子虛擬航道監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控船舶與虛擬航道的相對位置。當(dāng)船舶航行過程中由于受到水流、風(fēng)等的影響會引起船舶偏離航線且偏移距離大于閾值時,系統(tǒng)會發(fā)出報警提醒駕駛員做出相應(yīng)操作,保證船舶與輸電線距離保持在安全范圍內(nèi)。AIS主要用于監(jiān)控船舶與船舶之間的相對位置,防止發(fā)生船舶碰撞事故［6］。視頻監(jiān)控裝置可以用來顯示船舶與船舶及虛擬航道之間的位置關(guān)系［7］,見圖5。

2.1.4 船舶超船換軌系統(tǒng)

運河中不同船舶的航速有差異。為了實現(xiàn)不同船舶對航速的要求,船舶與船舶之間應(yīng)能實現(xiàn)超船與換軌功能。因此需要在特定航道設(shè)計超船換軌區(qū)域,保證運河船舶航行的高效有序。船舶超船裝置可以使運河船舶在航道內(nèi)順利超船,而不影響航道內(nèi)其他船舶的正常航行。同時,當(dāng)航道內(nèi)的船舶需要轉(zhuǎn)向或進(jìn)港停泊時,也可以通過換軌裝置從當(dāng)前航道中駛離,進(jìn)入其他航道。

圖5 視頻監(jiān)控界面

通過借鑒無軌電車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu),提出船舶超船換軌系統(tǒng)。主要由銜鐵和電磁鐵兩部分構(gòu)成。將船舶的超船換軌過程分為5個情景,見圖6。

圖6 超船換軌示意

2.2 基于動力電池的運河船舶推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)

在運河港口或閘口增設(shè)動力電池充電站,為蓄電池組進(jìn)行快速充電,或者將動力電池充電站的蓄電池組更換到船舶上供船舶航行使用。

2.2.1 動力電池船舶的續(xù)航力

基于動力電池供電的運河船舶的續(xù)航力與船舶上蓄電池的輸出功率和岸基動力電池充電站的間隔有關(guān)。蓄電池的容量越大,船舶的續(xù)航力越久,可以實現(xiàn)的航行里程就越長。但是相應(yīng)所需要的電池的體積、質(zhì)量也越大,會增加運河船舶的質(zhì)量,減少運河船舶的載貨量和降低其動力性,同時給運河船舶的布置也增加了難度。蓄電池的容量越小,可以實現(xiàn)的航行里程就越短,岸基動力電池充電站的間隔就越近。這就增加了岸基動力電池充電站的數(shù)量,提高了岸基能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的成本,同時由于充放電和更換電池組的時間較長也會影響船舶的正常營運時間。所以基于動力電池供電的運河船舶的續(xù)航力要與運河船舶電池的選擇和匹配及岸基動力電池充電站的建設(shè)要協(xié)調(diào)配合。

2.2.2 動力電池的能量管理技術(shù)

目前動力電池在船舶中應(yīng)用還需要解決一些問題,如:快速充放電性能差、價格高和過充放電保護(hù)等問題。在過充或濫用的條件下,動力電池可能發(fā)生火災(zāi)或爆炸。為了確保動力電池使用的安全性就必須采用電池管理系統(tǒng)(BMS)。根據(jù)所采用的動力電池的類型和動力電池組的組合方法,建立準(zhǔn)確適用的數(shù)學(xué)模型和控制模型,設(shè)計快速有效的控制算法［8］。

電池能量管理系統(tǒng)主要包括以下幾個功能。

1)參數(shù)監(jiān)測。實時采集動力電池組的總電壓和總電流及每包電池溫度等,從而防止電池組出現(xiàn)過放電或者過充電現(xiàn)象。

2)荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)估計。通過建立的模型算法來準(zhǔn)確估計動力電池組的剩余電量,從而在船舶荷電不足時向船舶輔機(jī)等不影響行駛安全的設(shè)備發(fā)出指令,限制動力電池向這類設(shè)備輸出功率,從而增加航行距離。同時讓船員及時更換船舶蓄電池組或者充電。

3)熱管理。實時采集每包電池測點溫度,通過控制散熱風(fēng)扇防止電池溫度過高,避免引起船舶故障。

4)均衡電池組中各單體電池。由于每塊電池個體的差異以及使用狀態(tài)不同,電池在使用過程中不一致性會越來越嚴(yán)重,系統(tǒng)應(yīng)能判斷并自動進(jìn)行均衡處理［9］。

2.3 基于無線輸電的運河船舶推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)

目前無線輸電(WPT)方式主要有電磁感應(yīng)耦合式、磁耦合諧振式、電磁波輻射式3種。感應(yīng)耦合式采用可分離變壓器或者互感線圈來實現(xiàn)電能的無線傳輸;磁諧振式是利用參數(shù)完全相同的諧振線圈,通過磁耦合諧振作用實現(xiàn)無線電能傳輸;電磁波輻射式將電能轉(zhuǎn)換成微波,通過空間傳播到接收端實現(xiàn)無線電能傳輸。其中磁耦合諧振式具有高效、非輻射能量傳輸?shù)奶匦?相比于電磁感應(yīng)耦合式,其傳輸距離更遠(yuǎn);而相比于電磁波輻射式,其傳輸效率更高。磁耦合諧振式WPT在軌道交通、家用電器等方面均有應(yīng)用［10］。而電磁波輻射式要求發(fā)射器必須對準(zhǔn)接收器,受到嚴(yán)格的方向性限制,并且易受大氣等周圍介質(zhì)的影響導(dǎo)致衰減較大,不能高效穿越障礙物,所以該技術(shù)只適用于空礦空間的遠(yuǎn)距離能量傳輸,目前已在無人飛機(jī)以及太空太陽能發(fā)電站的無線輸電中得到應(yīng)用研究。如果能將無線供電技術(shù)應(yīng)用于船舶,通過岸基上的發(fā)射器將電能以電磁波或者微波的形式發(fā)射出去,船舶上通過安裝電能接收器從而實現(xiàn)電能的接收,并將接收的電能提供給電站進(jìn)行統(tǒng)一管理,將對船體和動力系統(tǒng)產(chǎn)生革命性的影響。但是若想將無線供電技術(shù)應(yīng)用于船舶需要解決以下幾個關(guān)鍵問題。

2.3.1 無線輸電距離、功率與效率的提高

磁耦合諧振式無線輸電的傳輸水平具體反映為傳輸距離、傳輸功率和傳輸效率。目前研究人員主要通過耦合模理論對磁耦合諧振WPT進(jìn)行系統(tǒng)仿真,分析傳輸距離、工作頻率、天線結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳輸功率和傳輸效率的影響。為提高傳輸效率和增大傳輸距離,先后提出了兩種改進(jìn)的諧振器結(jié)構(gòu),即中繼諧振器結(jié)構(gòu)和多接收負(fù)載諧振器結(jié)構(gòu)。同時還可以通過阻抗匹配、改善諧振電路拓?fù)?、使用特殊材料、自適應(yīng)平率調(diào)整、消除非諧振物體的影響、優(yōu)化負(fù)載、提高品質(zhì)因數(shù)等方式來提高傳輸效率。當(dāng)傳輸距離或負(fù)載發(fā)生變化時,需采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗允勾篷詈现C振WPT系統(tǒng)保持在最高傳輸功率和最大傳輸效率的工作狀態(tài)［11］。在磁耦合諧振WPT系統(tǒng)中,盡管發(fā)射接收天線的傳輸效率較高,但由于工作頻率較高,高頻電路損耗大,故總體效率并不高。因此要結(jié)合磁耦合諧振WPT系統(tǒng)的傳輸特性,設(shè)計適用的大功率高頻電源。同時由于運河中船舶眾多,一個電能發(fā)射器可能同時需要對多條船舶進(jìn)行供電,因此需要研究多負(fù)載電能接收器的電能傳輸問題,以及如何自如控制充放電,負(fù)載的移動等問題［12］。

微波無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展涉及許多技術(shù)領(lǐng)域,主要包括高功率發(fā)生器的研制,微波發(fā)射天線、接收整流天線的設(shè)計,以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。其中關(guān)鍵技術(shù)包括:載波頻率選擇;在微波無線能量傳輸技術(shù)研究過程中,如何通過系統(tǒng)層面的研究和分析,找到合適的參數(shù),使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化、效率達(dá)到最高,是最大的技術(shù)難點;高效率DC -RF功率轉(zhuǎn)換技術(shù),波束成形天線技術(shù),波束跟瞄和控制技術(shù),以及高效率接收整流天線技術(shù)等［13］。

2.3.2 無線輸電電能的保護(hù)

若想將無線輸電系統(tǒng)投入實際應(yīng)用,需要考慮如何防止電能的盜用以及如何計算用戶的用電量的問題?？梢栽O(shè)計一種智能化WPT網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)可以識別及監(jiān)控接入系統(tǒng)的用戶。智能識別充電設(shè)備,在副邊與原邊之間可增設(shè)射頻通信模塊,當(dāng)副邊電路被識別確認(rèn)后,允許原邊發(fā)射電能。防止對其他線圈電路進(jìn)行誤供電。充電過程中將電池電量等數(shù)據(jù)信息實時通信至原邊,使原邊電路可顯示電池充電狀態(tài),并根據(jù)此做出相應(yīng)的控制調(diào)整［14］。

2.3.3 無線輸電安全性

無線供電產(chǎn)生的高頻強(qiáng)磁場對人體的危害程度以及采用何種技術(shù)減少可能產(chǎn)生的危害,一直沒有取得共識。因此提高WPT產(chǎn)品電磁輻射的安全性以及受電磁干擾時的可靠性是WPT技術(shù)研究的未來發(fā)展方向之一。

3 岸基能源船舶推進(jìn)技術(shù)社會效益

根據(jù)2011年對四川省長江水運公司等5家航運公司,共708艘船舶的能耗調(diào)查,平均油耗7.26 kg/(t˙km)。2011年底,京杭大運河貨運量、貨物周轉(zhuǎn)量分別為3.51億t、656億t˙km。照此計算,2011年京杭運河運輸船舶共消耗燃油量48萬t,具體減排效果見表1［15］。

采用基于岸基能源的運河船舶使用電能替代柴油,可以減少石油進(jìn)口,緩解我國能源安全壓力。而且運河船舶行駛過程中幾乎不排放污染氣體,可以極大地減少運河噪聲污染、水污染和空氣污染。

表1 京杭運河岸基能源船舶推進(jìn)技術(shù)減排效果

如果運河船舶采用基于岸基能源的運河船舶推進(jìn)技術(shù),則在船舶初期建造的過程中可以省去船舶主機(jī)的初投資。同時改善了機(jī)艙的工作環(huán)境,增加了貨物的存儲空間?，F(xiàn)有運河船舶主機(jī)的柴油油耗約為200 g/(kW˙h)。而1 kW˙h的電能在0.52～0.62元之間。如果是某主機(jī)功率為882 kW的船舶以70%的負(fù)荷運行1 d可以節(jié)省1.76萬元。

4 結(jié)論

基于岸基能源的運河船舶推進(jìn)技術(shù)適用于運河、湖泊等水文特征相對穩(wěn)定的內(nèi)河流域。提出接觸網(wǎng)架設(shè)方式、船舶偏移控制等問題的解決方案,以解決傳統(tǒng)設(shè)計方案應(yīng)用于運河的不足。但是對于無線供電方式,還需在無線輸電距離、功率與效率的提高方面進(jìn)行更為深入的研究,該技術(shù)才有望應(yīng)用于內(nèi)河。采用岸基能源為運河船舶提供動力可以降低船舶的初期投資和后期維護(hù)保養(yǎng)的費用,同時降低運河船舶對運河造成的污染。

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System Construction of Canal Ship Propulsion Technology Based on Shore Power

YAN Xin-pinga,b,c,WAN Jiang-longa,b,c,YUAN Yu-penga,b,c,YIN Qi-zhia,b,c
(a.National Engineering Research Center for Water Transport Safety; b.Reliability Engineering Institute,School of Energy and Power Engineering; c.Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology,Ministry of Communications, Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

In order to reduce emissions,the configuration form of the ship propulsion technology based on shore power is built,and the power supply technology based on overhead contact system,power battery or wireless power are analyzed respectively.The emission performance and economical efficiency of the two propulsion forms are compared.The results show that the ship propulsion technology based on shore power has good energy-saving and emission-reduction effect.This technology is suitable for canal and lake which have steady hydrological characteristics.

shore power;canal ship;overhead contact system;power battery;wireless power

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.038

U665.12

A

1671-7953(2015)03-0159-06

2015-03-23

修回日期:2015-03-28

國家科技支撐技術(shù)(2013BAG25B03)

嚴(yán)新平(1959-),男,博士,教授

研究方向:船舶動力機(jī)械監(jiān)測診斷及船舶清潔能源

E-mail:xpyan@whut.edu.cn