王永鼎,田晨曦,董亞龍

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

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基于北斗衛(wèi)星定位的金槍魚釣船混合動力節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計

王永鼎,田晨曦,董亞龍

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

我國遠洋漁業(yè)迅速發(fā)展,但隨著燃油價格的攀升,漁船作業(yè)能耗和環(huán)境問題逐漸浮出水面。傳統(tǒng)金槍魚釣船在捕撈作業(yè)時,柴油機長時間處于低轉(zhuǎn)速低負荷運行狀態(tài),燃油消耗率較高。為了穩(wěn)定遠洋捕撈漁業(yè)的經(jīng)濟效益,并達到節(jié)能減排的目標(biāo),提出了一種基于北斗衛(wèi)星通訊的金槍魚釣船油電混合動力系統(tǒng)。油電混合動力金槍魚釣船由柴油機和電動機兩大動力源構(gòu)成,采用燃油和電能混合提供動力,可以根據(jù)北斗衛(wèi)星定位的漁場位置及航速選擇不同的動力源驅(qū)動。通過燃油經(jīng)濟性分析,與傳統(tǒng)金槍魚釣船相比較,在相同工況、相同作業(yè)時間的條件下,綜合油耗量降低13%,系統(tǒng)靈活性、燃油經(jīng)濟性有一定的提高。

北斗衛(wèi)星;金槍魚釣船;混合動力;節(jié)能減排

0 引 言

隨著全球工業(yè)化的迅速發(fā)展,資源短缺和環(huán)境污染的問題日益嚴(yán)重。中國作為全球化的一個重要組成部分,在經(jīng)濟飛速增長的同時也面臨著能源的巨大消耗,目前中國已經(jīng)成為世界第二大能源消耗國。隨著燃油價格的上升,能源的短缺,同時又受到溫室氣體減排的巨大壓力,世界各國對化石燃料能源的控制越來越嚴(yán)格,捕撈漁業(yè)因此受到沉重的打擊。漁業(yè)的發(fā)展對國家海洋經(jīng)濟起著至關(guān)重要的作用,從推動漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度來看,降低漁船的油耗和排放已成為國家海洋經(jīng)濟發(fā)展的決定性因素。漁船船型優(yōu)化、高效漁船動力裝置、主機余熱利用裝置、節(jié)能型漁具漁法和捕撈裝備等是漁船節(jié)能減排的重點研究方向[1]。

我國漁船每年柴油消耗量高達800多萬噸,占漁船捕撈總成本的70%以上[2]。其中,漁船油耗的60%～70%被動力推進系統(tǒng)所占據(jù),因此研究新型動力推進系統(tǒng)是漁船節(jié)能減排的重要措施?；旌蟿恿ν七M技術(shù)是降低漁船油耗和排放的主要措施之一,與傳統(tǒng)的動力推進技術(shù)相比,混合動力技術(shù)的優(yōu)勢就在于它擅長解決輸出功率有規(guī)律波動的機動設(shè)備的節(jié)能減排問題[3]。本文將介紹基于北斗衛(wèi)星定位的金槍魚釣船混合動力推進系統(tǒng),并以此在漁船領(lǐng)域推廣與研究。

1 金槍魚釣船的工況分析

1.1 金槍魚釣船的作業(yè)方式和特點

以延繩釣金槍魚船為例,在每個作業(yè)周期內(nèi),漁船捕撈擁有三種工況,即全速航行工況、投繩航行工況、起繩航行工況。漁船全速航行工況時長2～4 h,航速維持在12～14 kn;投繩工況時長4～6 h,航速維持在8～10 kn;起繩工況時長10～14 h,航速維持在3～5 kn.

漁船在每個作業(yè)周期內(nèi)變工況運行,占據(jù)捕撈作業(yè)周期70%～80%的起繩航行工況,主機負荷僅為10%～25%[4]。當(dāng)漁船處于全速航行工況時,柴油機燃油利用率最高,當(dāng)漁船低航速航行時,柴油機燃油利用率降低,油耗增加。

1.2 漁船作業(yè)存在的問題

傳統(tǒng)動力推進系統(tǒng)的漁船,一般以全速航行工況作為設(shè)計工況,以此來設(shè)計確定柴油機功率和轉(zhuǎn)速。因此漁船在低航速航行時,柴油機長時間在低功率低轉(zhuǎn)速情況下運行,導(dǎo)致柴油機各缸供油不均勻。不僅容易造成柴油機積炭,導(dǎo)致增壓器背壓增加,可能引起喘振,而且受到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速限制,柴油機無法持續(xù)穩(wěn)定地輸出低功率,燃油利用率降低,油耗升高[5]。污染物的排放也很難維持在理想?yún)^(qū)域內(nèi),同時造成航速不穩(wěn)定,不利于捕撈生產(chǎn)。柴油機長時間在低功率低轉(zhuǎn)速的情況下運行,也會使噴油壓力下降,霧化不良,混合氣的質(zhì)量變差,燃燒惡化,進而導(dǎo)致排氣溫度過高,潤滑油粘度降低,潤滑效果變差[6]。

2 基于北斗衛(wèi)星定位的混合動力推進技術(shù)

2.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),也是繼美國和俄國之后的第三個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),與美國GPS全球定位系統(tǒng)相比,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還具備通信功能。目前,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū),2020年左右將成為覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成,可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)[7]。并初步具備了區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r的能力,定位精度10 m,測速精度0.2 m/s,授時精度10 ns.從遠洋船舶自身安全性來講,擁有自主產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)是非常必要的,并且北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有雙向通訊功能[8]。

金槍魚釣船的定位屬于海上定位導(dǎo)航,海面高度對北斗定位精度的影響是客觀存在的,并且存在緯度越低,影響越大的規(guī)律[9]。當(dāng)海上定位精度要求較高時,海面高度因素對北斗定位精度的影響很大,但本文提及的基于北斗衛(wèi)星的金槍魚釣船混合動力系統(tǒng)只作為一般的海上定位,可以忽略因潮汐、洋流導(dǎo)致的海面高度變化對定位精度的影響。

2.2 基于北斗衛(wèi)星定位的混合動力系統(tǒng)推進方案

混合動力推進系統(tǒng)是將工作原理不同的兩種以上的原動機組合起來使其工作的系統(tǒng)[10]?；诒倍沸l(wèi)星的混合動力漁船是采用燃油和電能提供動力,主要由北斗定位模塊、控制模塊、柴油機、電動機、儲能裝置、電傳動系統(tǒng)和能量管理控制系統(tǒng)構(gòu)成。在混合動力系統(tǒng)中,儲能裝置向電動機提供電能驅(qū)動,電動機的轉(zhuǎn)矩反應(yīng)迅速,波動小,有較寬的調(diào)速范圍,低轉(zhuǎn)速時能夠輸出較大的轉(zhuǎn)矩,可以彌補柴油機在低轉(zhuǎn)速時高燃油消耗率的缺陷。同時,儲能裝置的充放電利于柴油機的轉(zhuǎn)速趨于平穩(wěn),可使柴油機穩(wěn)定保持在高效區(qū)域工作。由于電動機推進系統(tǒng)的輔助,柴油機不會因為怠速運轉(zhuǎn)而造成不必要的燃油浪費和廢氣排放,甚至可以使柴油機短暫性不工作[11]。

基于北斗衛(wèi)星定位的混合動力系統(tǒng)可以合理選擇分配柴油機動力和電動機動力,在柴油機燃油和排放性能較好的高速高負荷區(qū)域,漁船采用柴油機動力推進,低速低負載時,漁船采用電動機動力推進[12]?；诒倍沸l(wèi)星的金槍魚釣船混合動力系統(tǒng)可以滿足不同工況的動力需求,同時使柴油機穩(wěn)定工作在高效區(qū)域附近,提高了燃油經(jīng)濟性,降低了排放污染[13]?；旌蟿恿ν七M技術(shù)實現(xiàn)了在有限空間內(nèi),通過合理的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計,提供了系統(tǒng)的解決方案,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、機槳匹配的合理性及系統(tǒng)協(xié)調(diào)性[14]。

混合動力系統(tǒng)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式?；炻?lián)式混合動力推進系統(tǒng)綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的傳動特性,如圖1所示,柴油機的動力經(jīng)過分流裝置后有兩個流向,一個是通過動力耦合裝置驅(qū)動工作組件,一個是經(jīng)由發(fā)電機進行發(fā)電,電能儲存到蓄電池中或者直接驅(qū)動電動機工作。電動機調(diào)速范圍廣,易于正反轉(zhuǎn)等優(yōu)點滿足了金槍魚釣船的作業(yè)需求。

2.3 混合動力金槍魚釣船的驅(qū)動模式

基于北斗衛(wèi)星定位的金槍魚釣船可以利用北斗衛(wèi)星對漁船的動態(tài)信息進行監(jiān)控管理,可以查看船舶航行的位置與狀態(tài)信息,顯示經(jīng)緯度、速度、航向、時間等[15]。

北斗定位模塊檢測到金槍魚釣船處于非作業(yè)漁場,且航速在10 kn以上。此時,漁船運行在全速航行工況,控制模塊輸出信號,使柴油機和電動機共同驅(qū)動漁船。此時,柴油機和電動機的動力在動力耦合裝置中進行耦合,實現(xiàn)柴油機、電動機動力并車,進而驅(qū)動螺旋槳工作。

北斗定位模塊檢測到金槍魚釣船處于投繩海域,且航速處于5 ～10 kn之間。此時,漁船運行在投繩工況,控制模塊輸出信號,柴油機作為單一動力源驅(qū)動漁船。此時,只有柴油機單獨參與驅(qū)動工作,并穩(wěn)定工作在高效區(qū)域,柴油機動力經(jīng)由動力分流裝置分流后,一部分傳遞到螺旋槳,另一部分驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池中。

北斗定位模塊檢測到金槍魚釣船處于起繩海域,且航速低于5 kn。此時,漁船運行在起繩工況,控制模塊輸出信號,電動機作為單一動力源驅(qū)動金槍魚釣船。當(dāng)蓄電池的荷電狀態(tài)SOC高于設(shè)定值時,蓄電池向電動機提供電力,螺旋槳的動力完全來自于電動機,柴油機停機;當(dāng)蓄電池的荷電狀態(tài)SOC低于設(shè)定值時,柴油機開啟并穩(wěn)定工作在高效區(qū)域附近,驅(qū)動發(fā)電機向蓄電池充電。

根據(jù)上述工況分析,金槍魚釣船的工況可以分為兩種模式,即在全速航行工況、投繩工況下柴油機作為主動力源模式,和在起繩工況下電動機作為主動力源模式。

2.4 金槍魚釣船工況分析

本文選取36 m金槍魚釣船作為研究對象,吃水量300噸,吃水深度2.85 m,設(shè)計航速12.5 kn,漁船垂線間長34.46 m,型寬6.3 m[15].采用混合動力推進系統(tǒng)的金槍魚釣船動力系統(tǒng)各配置如表1所示。

表1 混合動力金槍魚釣船動力系統(tǒng)配置

金槍魚釣船作業(yè)航速、作業(yè)時間,以及漁船驅(qū)動模式如表2所示。Tr為漁船需求轉(zhuǎn)矩;Te為柴油機轉(zhuǎn)矩;Tm為電動機轉(zhuǎn)矩;i為耦合速比。

表2 混合動力金槍魚釣船作業(yè)工況

3 基于北斗衛(wèi)星定位的混合動力推進系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析

基于北斗衛(wèi)星定位的混合動力金槍魚釣船與傳統(tǒng)金槍魚釣船在全速航行、投繩、起繩工況下的動力源分配及功率對比如表3所示。

表3 功率分配對比

漁船油耗量是評價動力推進系統(tǒng)的主要經(jīng)濟指標(biāo),油耗量是燃油消耗率與柴油機輸出功率和作業(yè)時長的乘積,總油耗量是漁船在三種作業(yè)工況下各油耗量之和?；诒倍沸l(wèi)星定位的混合動力漁船與傳統(tǒng)動力漁船單次作業(yè)周期的燃油消耗量對比如表4所示。

表4 燃油消耗量對比

在全速航行工況下,由于混合動力漁船的柴油機裝機功率比傳統(tǒng)漁船較低,漁船油耗量也相應(yīng)減少。在投繩工況下,混合動力漁船的柴油主機始終工作在高效燃油區(qū)域內(nèi),輸出功率高于傳統(tǒng)漁船,油耗量也相應(yīng)升高,但富裕能量為下一工況電動機的工作蓄能充電;在起繩工況下,傳統(tǒng)動力漁船的柴油機處于輕載工況,耗油量巨大,混合動力漁船的柴油機停機,只采用單一電動機動力源驅(qū)動,達到了零污染、零排放的要求。綜上,在相同工況、相同作業(yè)時間的條件下,混合動力金槍魚釣船比傳統(tǒng)動力金槍魚釣船節(jié)油13%.

4 結(jié)束語

本文提出了基于北斗衛(wèi)星定位的混合動力金槍魚釣船,以混聯(lián)式作為混合動力推進方案,并對驅(qū)動模式進行研究設(shè)計。混聯(lián)式驅(qū)動方案降低了金槍魚釣船在作業(yè)工況下對主機的依賴性,并在滿足漁船捕撈作業(yè)的需求下,根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來判斷漁船的位置、航速,以此來合理選擇分配柴油機、電動機動力源,改善柴油機的工況使其穩(wěn)定工作在額定功率區(qū)附近,提高了燃油利用率并減少了污染物的排放。與傳統(tǒng)金槍魚釣船相比較,在全速航行、投繩、起繩相同工況下,基于北斗衛(wèi)星定位的混合動力金槍魚釣船綜合油耗量減少了13%,實現(xiàn)了船舶節(jié)能減排,因此基于北斗衛(wèi)星定位的混合動力金槍魚釣船具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

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Design of Hybrid Energy-saving Tuna Longline Propulsion Based on Beidou Satellites

WANG Yongding,TIAN Chenxi,DONG YaLong

(CollegeofEngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

The rapid development of China’s offshore fishing, alone with rising fuel prices, there has been fishing boats’ energy and environment issues. When tuna longline is working, the diesel engine is in the low speed and low load operation conditions which cause higher fuel consumption. In order to stabilize the economic benefits of offshore capture fisheries and reduce energy and consumption, hybrid tuna longline system based on Beidou satellites is presented in this paper. This system consists of two power sources: the diesel engine and the electric motor. According to Beidou satellites, the system could choose different power sources based on position and speed. Compared with conventional hybrid tuna longline, the general fuel consumption can reduce 13% under the same condition and the same working time. And also the system reliability and propulsion efficiency are improved.

Beidou satellite; tuna longline; hybrid; energy conservation

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.026

2016-09-21

上海市科學(xué)技術(shù)委員會創(chuàng)新行動計劃(編號：13dz1203701)資助

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0122-05

王永鼎 (1963-),男,碩士,教授,主要研究方向為海洋工程裝備、船舶動力裝置和漁業(yè)節(jié)能技術(shù)。

田晨曦 (1992-),男,碩士生,主要研究方向為混合動力船舶的節(jié)能研究。

董亞龍 (1992-),男,碩士生,主要研究方向為微小型水下機器人結(jié)構(gòu)分析與系統(tǒng)控制研究。

聯(lián)系人： 田晨曦 E-mail:chenxi.tian@outlook.com