李建宇，張怡，趙新穎，諶志新*

(1. 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所， 上海 200092；2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 深藍漁業(yè)工程聯(lián)合實驗室， 山東 青島 266237)

中國是世界上漁船數(shù)量最多的國家，截至2019年底，共有機動漁船46.83萬艘[1]，由于裝備技術落后，導致中國海洋漁業(yè)特別是捕撈產(chǎn)業(yè)，仍然是以高投入、高消耗的資源依賴與消耗型的粗放增長方式為主的產(chǎn)業(yè)結構，漁船耗油量占海洋漁業(yè)生產(chǎn)成本的50%以上[2]，已影響到海洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。采用新技術提高漁業(yè)船舶的節(jié)能減排水平,是促進海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施。近年來，為了響應國家對漁船及裝備技術升級的要求，2011年，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所與北車集團合作設計并建造了中國第一艘電力推進漁船——36.5 m電力推進拖網(wǎng)漁船，同時在工信部高技術船舶科研項目的支持下相繼設計建造了60.0 m電力推進燈光圍網(wǎng)漁船和49.5 m金槍魚延繩釣船。電力推進系統(tǒng)可以按照不同工況的需求來選擇發(fā)電機組的運行模式，使?jié)O船時刻處于最佳的運行和工作狀態(tài)，使得發(fā)電機組的負載率以及燃油效率保持在一個相對比較高、比較節(jié)能的運行狀態(tài),由于不同作業(yè)方式的漁船在典型作業(yè)周期內的工況分配差別較大，采用電力推進技術后的節(jié)能效果也各不相同，本研究以上述3種船型為例，在主參數(shù)保持不變的前提下，對電力推進和常規(guī)推進方式進行典型作業(yè)周期的燃油消耗對比，詳細分析電力推進方式在3種船型中的節(jié)能效果。

1 船型與配置

1.1 3種船型參數(shù)

漁船作業(yè)類型可分為多種，作為典型捕撈作業(yè)方式的拖網(wǎng)、圍網(wǎng)和延繩釣捕撈漁船的數(shù)量最多。分別選取每種作業(yè)方式中的一種主流船型，主要參數(shù)見表1。

表1 3種漁船主要參數(shù)Tab.1 Main parameters for three kinds of fishing vessels

1.2 常規(guī)推進和電力推進配置比較

電力推進技術作為目前各國船舶制造業(yè)節(jié)能技術的研究重心，正在被廣泛地推廣和應用。電力推進系統(tǒng)可以按照不同工況的需求來選擇發(fā)電機組的運行模式，使?jié)O船時刻處于最佳的運行和工作狀態(tài)，使得發(fā)電機組的負載率以及燃油效率保持在一個相對比較高、比較經(jīng)濟的運行狀態(tài)[3-10]。電力推進方式與常規(guī)推進方式的裝機功率數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 常規(guī)推進與電力推進配置比較Tab.2 The configuration comparison of conventional propulsion and electric propulsion

2 典型作業(yè)航次分析

2.1 拖網(wǎng)作業(yè)

該拖網(wǎng)漁船國內作業(yè)，采用艉拖網(wǎng)方式捕撈漁獲，拖網(wǎng)漁船一般需日夜在海上作業(yè)，作業(yè)海況復雜，且作業(yè)工況變化較為頻繁，即低速高負荷、高速低負荷、低速低負荷的工況兼有，因此對拖網(wǎng)漁船的船舶操縱性要求較高。拖網(wǎng)速度一般為3～6 海里/h，自由航速為10～14海里/h。

經(jīng)過調研得知拖網(wǎng)漁船航次每種工況下作業(yè)的時長，以及各組柴油機的油耗，見表3。

表3 典型拖網(wǎng)作業(yè)航次的油耗對比分析Tab.3 Comparison and analysis for fuel consumption of typical trawling voyages

2.2 圍網(wǎng)作業(yè)

燈光圍網(wǎng)漁船的特點是在其首部、舷側及船底水中部位，安裝一定數(shù)量的電燈。電燈的亮度大，照射深度可調節(jié)。當電燈全部開啟時，在茫茫大海中出現(xiàn)一片光彩奪目的景象。具有趨光特性的魚群，向燈光區(qū)域游來。此時，燈光圍網(wǎng)漁船等待時機下漁網(wǎng)，在魚群周圍筑起一道幾千米長、一二百米深的水下籬笆。然后，收攏漁網(wǎng)，等至凌晨4點，再用小抄網(wǎng)、三角網(wǎng)把魚撈到運輸船上，直至凌晨6點運輸上岸。

燈光圍網(wǎng)漁船的作業(yè)流程大概可以分為以下幾個階段：航行、誘魚、起放網(wǎng)等。在航行漁場階段，漁船通常以設計航速航行，此時船舶消耗的功率主要用于船舶推進；在起放網(wǎng)階段，船舶全速航行，此時船舶消耗的功率主要用于船舶推進、甲板機械正常工作漁獲物冷凍或冷藏。

經(jīng)過調研得知圍網(wǎng)漁船航次每種工況下作業(yè)的時長，以及各組柴油機的油耗，見表4。

表4 典型圍網(wǎng)作業(yè)航次的油耗對比分析Tab.4 Comparison and analysis for fuel consumption of typical purse seiner operations

2.3 延繩釣作業(yè)

延繩釣船在進行海上捕撈作業(yè)時,每天一個作業(yè)周期，黎明開始放釣作業(yè)，作業(yè)航速維持在7～8 kn，耗時4～6 h，放釣結束后等待3～5 h開始起釣作業(yè)，此時船舶處于低速巡釣狀態(tài)，航速維持在4～6 kn，起釣作業(yè)時船舶以2～4 kn的航速低速航行，耗時13～14 h。

經(jīng)過調研得知延繩釣漁船航次每種工況下作業(yè)的時長，以及各組柴油機的油耗，見表5。

表5 典型延繩釣作業(yè)航次的油耗對比分析Tab. 5 Comparison and analysis for fuel consumption of typical longline fishing vessel voyages

3 節(jié)能對比分析

3.1 拖網(wǎng)漁船節(jié)能性對比分析

電力推進技術運用在拖網(wǎng)漁船上具有低速大扭矩、勻低速運行、操縱靈活及經(jīng)濟性等特點，非常適合于漁船工況復雜的使用環(huán)境。既可以避免發(fā)電機組等設備在低功率工況下運行的壽命損耗和能源浪費，又能夠提高整體工作效率。

航次燃油消耗量 Q 的計算公式為：

Q=p×g×t

式(1)

公式(1)中：p是該工況下柴油機功率，單位是kW；g是柴油發(fā)電機每發(fā)出 1 kW·h 的電，或者做相應的功所消耗的燃油量，單位是kg/(kW·h)；t是航次下漁船處于該工況的作業(yè)時間，單位是h。

由表3可得，電力推進方式半年時間共節(jié)油11.8 t，電力推進漁船在拖網(wǎng)作業(yè)全過程中整體節(jié)能6%左右。

拖網(wǎng)漁船不同推進方式下各工況油耗情況具體見圖1。

圖1 拖網(wǎng)漁船不同推進方式各工況油耗對比分析Fig.1 Comparison and analysis for fuel consumption of trawlers with different propulsion modes under various working conditions

通過圖1發(fā)現(xiàn)，電力推進方式相比常規(guī)推進方式在起網(wǎng)工況中節(jié)能效果非常明顯，在航行工況、下網(wǎng)工況和拖網(wǎng)工況中有一定的節(jié)能效果。

拖網(wǎng)漁船采用電力推進技術后，制造成本上升20% 左右，節(jié)能效果能達到10%[3]。在節(jié)能減排已成為全社會共識的背景下，相信電力推進拖網(wǎng)漁船能夠得到一定的發(fā)展。

3.2 圍網(wǎng)漁船節(jié)能性對比分析

由表4得，半年時間共節(jié)油81.08 t，電力推進漁船在燈光圍網(wǎng)作業(yè)全過程中整體節(jié)能13.46%左右。

圍網(wǎng)漁船不同推進方式下各工況油耗情況具體見圖2。

圖2 圍網(wǎng)漁船不同推進方式各工況油耗對比分析Fig.2 Comparison and analysis for fuel consumption of purse seiner with different propulsion modes under various working conditions

通過圖2發(fā)現(xiàn)，電力推進方式相比常規(guī)推進方式在誘漁工況中節(jié)能非常明顯，在航行工況、下網(wǎng)工況和起網(wǎng)工況中有一定的節(jié)能效果。

通過對電力推進燈光圍網(wǎng)漁船與傳統(tǒng)推進漁船的一系列比較，采用電力推進系統(tǒng)可以增加推進效率，減少裝機功率和燃油消耗量，同時節(jié)約了漁船的營運成本，在當前大力倡導漁業(yè)節(jié)能減排的背景下具有極高的應用價值。目前，該船已經(jīng)在相關海域進行圍網(wǎng)作業(yè)，作業(yè)情況良好，在節(jié)能減排上的優(yōu)勢也得到了體現(xiàn)。電力推進裝置在燈光圍網(wǎng)漁船上的成功應用，也為其在其他作業(yè)類型漁船的推廣應用做了重要的技術儲備。

3.3 延繩釣漁船節(jié)能性對比分析

由表5得，半年時間共節(jié)油110.23 t，電力推進漁船在延繩釣作業(yè)全過程中整體節(jié)能19.47%左右。

延繩釣漁船不同推進方式下各工況油耗情況具體見圖3。

圖3 延繩釣漁船不同推進方式各工況油耗對比分析Fig.3 Comparison and analysis for fuel consumption of longline fishing vessel with different propulsion modes under various working conditions

通過圖3發(fā)現(xiàn),電力推進方式相比常規(guī)推進方式在航行工況中與傳統(tǒng)推進能耗相當，在投繩工況、巡航工況和起繩工況中節(jié)能效果非常明顯。

49.5 m電力推進延繩釣漁船電力推進系統(tǒng)高度自動化，在電站管理方面集人工經(jīng)驗、電力系統(tǒng)自動化和檢測技術于一體，推進變頻器的功率控制功能可使船舶在惡劣的海況及復雜作業(yè)條件下保護船舶動力裝置的安全，并保證船舶有穩(wěn)定可靠的電力來源。電力推進系統(tǒng)操縱靈活，正車倒車無縫切換，轉矩、轉速響應快，在較低航速工況下比較節(jié)能減排，且在全壽命周期運營費用低，這一系列優(yōu)點使得電力推進系統(tǒng)成為延繩釣漁船舶較優(yōu)選擇。

3.4 3種漁船電力推進節(jié)能性對比分析

通過3種漁船船型電力推進方式下詳細對比分析繪制柱狀圖，總節(jié)油量柱狀圖見圖4。

由圖4得知，電力推進最適合在延繩釣漁船上應用，是今后的重要發(fā)展方向，在效率、能耗、環(huán)保等方面相比于傳統(tǒng)漁船都有很大優(yōu)勢。如噪聲低、機動性能好，降低燃油消耗和廢氣排放降低了船舶對環(huán)境空氣的污染，減少了油污水等排放物的處理成本。

圖4 3種漁船電力推進方式節(jié)油對比分析Fig.4 Comparison and analysis for fuel saving of three fishing vessels with electric propulsion method

4 結束語

在國家倡導發(fā)展綠色漁業(yè)、節(jié)能減排、漁船技術革新的背景下，電力推進漁船有著很高的實用價值。經(jīng)過對比，延繩釣漁船采用電力推進方式節(jié)能效果最為明顯，而拖網(wǎng)漁船節(jié)能效果最不明顯。采用電力推進后船舶不僅減少燃油消耗和廢氣排放，明顯減低了船舶對環(huán)境空氣的污染。本研究為電力推進系統(tǒng)在其他漁船上的推廣和應用打下了技術基礎。