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        純電池動力系統(tǒng)在港作拖輪上的應(yīng)用研究

        2022-08-17 03:37:14李文豪
        船電技術(shù) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:拖輪動力船舶

        盧 翔,張 張,李文豪

        純電池動力系統(tǒng)在港作拖輪上的應(yīng)用研究

        盧 翔1,張 張2,李文豪1

        (1. 連云港港口控股集團(tuán)有限公司,江蘇連云港 22200;2. 連云港港口集團(tuán)有限公司輪駁分公司,江蘇連云港 22200)

        本文深入調(diào)研了港作拖輪現(xiàn)狀、設(shè)備特點(diǎn)和作業(yè)環(huán)境,對比了目前世界各國多種新能源動力船舶的優(yōu)劣特點(diǎn)和適用場景,通過收集大量數(shù)據(jù)分析了港作拖輪的能耗特性,并與純電池動力系統(tǒng)的主要特性進(jìn)行比對,論證了純電池動力系統(tǒng)在港作拖輪應(yīng)用的可行性,并以實(shí)際案例說明了純電池動力系統(tǒng)在特定工況、特定環(huán)境下,特別是有限區(qū)域作業(yè)下的港作拖輪領(lǐng)域具有較為廣闊的推廣前景。

        電池動力系統(tǒng) 新能源 港作拖輪

        0 引言

        港作拖輪為滿足其高機(jī)動,大功率輸出,操作靈活等要求,一般在船舶中采用四沖程中速大功率柴油機(jī)作為其動力輸出。但隨著國家實(shí)施“碳達(dá)峰”和“碳中和”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)及綠色低碳港口建設(shè)需要,各大港口和船廠對新能源船舶及節(jié)能型船舶加大了相關(guān)研究和研發(fā)力度。另一方面由于拖輪的工作性質(zhì),其間歇性作業(yè)于固定海域,具備隨時靠泊補(bǔ)給的優(yōu)勢。因此,較其他形式動力系統(tǒng),純電池動力系統(tǒng)在拖輪上具備更優(yōu)的應(yīng)用條件。

        1 港作拖輪的發(fā)展現(xiàn)狀

        港作拖輪主要用于主港區(qū)水域協(xié)助大型船舶靠離碼頭,可進(jìn)行頂推、拖帶和倒拖等助泊作業(yè)。其一般采用大功率柴油機(jī)配合全回轉(zhuǎn)舵槳作為推進(jìn)系統(tǒng),具備操作靈活、拖力大、有限區(qū)域間歇作業(yè)等特點(diǎn)。國內(nèi)主要港口港作拖輪功率主要分布在2 000 kW至5 000 kW,動力系統(tǒng)設(shè)備大多采用日本和歐洲產(chǎn)品。據(jù)輪駁協(xié)會內(nèi)部統(tǒng)計(jì),2 000 kW左右的拖輪年消耗柴油約300 t,直接產(chǎn)生900 t碳氧化物、12 t硫化物,相當(dāng)于400多輛小汽車的排放量[1]。此外,其日常維護(hù)過程中也產(chǎn)生大量的油污水及固體廢棄垃圾,給港口環(huán)境保護(hù)和廢污處理帶來較大壓力。

        目前全球性能源緊張以及氣候變化已成為國際社會普遍關(guān)注的重大問題,節(jié)能減排已經(jīng)成為國際社會的共同責(zé)任。我國計(jì)劃2030年達(dá)到碳峰值,2060年實(shí)現(xiàn)碳中和,2018年7月國務(wù)院發(fā)布的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃》重點(diǎn)提出了以船舶和港口為核心的減排對象,并提出“推進(jìn)船舶更新升級,加快船舶油品質(zhì)量升級,加強(qiáng)船舶污染防治,推動靠港船舶使用岸電等”重要舉措[2]。

        港口作為我國現(xiàn)代物流供應(yīng)鏈中的重要環(huán)節(jié),其能源消耗在整個交通行業(yè)中占有一定的比重,港口行業(yè)的節(jié)能降耗工作是交通行業(yè)節(jié)能工作的重點(diǎn)之一。

        2 港作拖輪的作業(yè)模式和設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)

        2.1 港作拖輪具有航程小、短時間歇作業(yè)等特點(diǎn)

        港作拖輪一般作業(yè)區(qū)域?yàn)楦蹆?nèi)水域,在進(jìn)行大型船舶進(jìn)港助泊作業(yè)、接送引航員時作業(yè)區(qū)域會擴(kuò)大至錨地,作業(yè)和航行水域相對固定。以連云港港為例,其主力港作拖輪單次作業(yè)時間一般在75分鐘左右,且通常為間歇作業(yè),非作業(yè)時段常??看a頭,這意味著港作拖輪可隨時獲得岸基能源和生活物資補(bǔ)給。如圖1所示,港助泊拖輪包括航行、頂推、待時等幾個工況,其中頂推、拖拽作業(yè)時間較短,約45%的時間處于待時狀態(tài)。

        圖1 港作拖輪時間分配關(guān)系圖

        2.2 港作拖輪具有航程小、短時間歇作業(yè)等特點(diǎn)

        港作拖輪由于其大多時間處于主機(jī)怠速或低負(fù)荷航行狀態(tài),即使在助泊狀態(tài)下其主機(jī)大功率輸出時段也較為有限。從連云港港口主力(中速柴油機(jī))拖輪近三年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和調(diào)取數(shù)據(jù)分析來看,動力系統(tǒng)負(fù)荷特性高度吻合,其20%負(fù)荷以下運(yùn)行時間占比高達(dá)60%以上,如下圖所示。

        圖2 港作拖輪(中速機(jī))負(fù)荷與時間關(guān)系圖

        3 船舶新能源動力系統(tǒng)的形式及適用環(huán)境

        3.1 船舶新能源動力系統(tǒng)的形式

        船舶新能源動力系統(tǒng)目前主要有雙燃料、純LNG、油電混合、純電池動力等形式[3]。

        目前全球范圍內(nèi)在船用雙燃料柴油機(jī)領(lǐng)域以MAN公司的和WIN G&D公司的產(chǎn)品為典型代表,該型柴油機(jī)主要配置兩套燃料供給系統(tǒng),可在不同條件下在燃油和LNG間切換。純LNG動力主機(jī)只能由LNG作為燃料來源。

        油電混合動力的配置種類較多,一般以電池容量大小和主動力源分為柴電推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)械混動系統(tǒng)、電混動推進(jìn)系統(tǒng)。機(jī)械混動系統(tǒng)一般由電機(jī)和一套適配功率的主機(jī)共同為船舶提供動力,電機(jī)和主機(jī)并聯(lián),額定輸出功率為電機(jī)和主機(jī)輸出之和。柴電推進(jìn)系統(tǒng)由發(fā)電柴油機(jī)為電池充電,電池為電機(jī)供電,只有電機(jī)驅(qū)動船舶。電混動推進(jìn)系統(tǒng)一般配置發(fā)電柴油機(jī)為電池或電機(jī)供電,通過電機(jī)為船舶提供動力。

        純電池動力系統(tǒng)船舶只配置大容量電池組,利用大功率電機(jī)為船舶提供動力,結(jié)構(gòu)配置上較為簡單,但需要較為先進(jìn)可靠的BMS和PMS對整套動力系統(tǒng)進(jìn)行管理控制。

        3.2 各種船舶新能源動力系統(tǒng)的適用環(huán)境

        液化天然氣是一種常用的清潔能源,能減少碳氧化物和氮氧化物等排放,根據(jù)發(fā)動機(jī)類型不同,溫室氣體減排潛力為10%~23%。如上所述LNG在船舶上的應(yīng)用通常有兩種型式,一種是單一LNG發(fā)動機(jī),另一種是雙燃料發(fā)動機(jī)[4]。單一LNG發(fā)動機(jī)由于其特殊的存儲和管理要求多適用于運(yùn)輸LNG的船舶。目前國內(nèi)在拖輪上有采用雙燃料發(fā)動機(jī)先例,但受限于碼頭配套加注難、安全管理風(fēng)險大等因素,短期內(nèi)推廣難度大。而且整船初期投資較高,且LNG價格波動較大,同時受船舶利用率影響,經(jīng)濟(jì)效益性并不十分明顯。船舶設(shè)計(jì)時還需要充分考慮LNG罐體和管路的布置、空間利率、甲烷逃逸等一系列問題。

        混合動力由于電機(jī)參與動力輸出,不僅可獲得較好的動力響應(yīng),還在節(jié)能降耗、減少碳排放方面具備優(yōu)勢。混合動力目前在國內(nèi)部分港口都有試用先例,如上海港混合動力拖輪就采用一種機(jī)械混動模式,在主機(jī)與舵槳間的傳動軸配置同軸電機(jī)(發(fā)電機(jī)),可與主機(jī)配合為船舶輸出動力?;旌蟿恿Τ浞掷貌裼蜋C(jī)負(fù)荷功率特性,要么讓柴油機(jī)始終工作在高效區(qū),要么減少低效區(qū)功率浪費(fèi),可有效降低燃油消耗,但因其系統(tǒng)的配置較為復(fù)雜,無論是初期建造成本還是后期維護(hù)成本都相較其他形式的動力系統(tǒng)成本較高。

        純電池動力系統(tǒng)較早的應(yīng)用于潛艇,目前主流是鋰電池。鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命久、充放電特性好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電池正極所用的材料,目前主要有兩種型式:三元鋰和磷酸鐵鋰,已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。其中,磷酸鐵鋰雖然能量密度不及三元鋰,但其電池電化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性更好,對環(huán)境溫度相對不敏感,安全性更高,目前在船舶上暫時只有磷酸鐵鋰電池獲得CCS認(rèn)可,典型船舶如國內(nèi)首艘CCS認(rèn)證純電池動力客船“君旅號”、豪華觀光游覽船 “大灣區(qū)一號”等。為了確保磷酸鐵鋰電池使用安全性,需要配套性能優(yōu)異的電池管理系統(tǒng),以充分監(jiān)控其電壓、電流、溫度、SOC、SOH等參數(shù),避免異常情況,防止熱失控。由于船舶體積較大,對能量密度要求并不高,磷酸鐵鋰以其高安全性特點(diǎn)將會在船舶行業(yè)贏得廣闊的應(yīng)用空間。純電池動力船舶由于其續(xù)航問題、充電問題等限制,只能航行于有限水域或短途航線。

        如圖3所示,從初期投資、建造周期、運(yùn)營成本、系統(tǒng)架構(gòu)、航程、管理要求、污染程度幾方面對比,對于航程要求不高的船型,采用純電動動力系統(tǒng)的型式,在運(yùn)營成本和節(jié)能減排方面具有明顯優(yōu)勢。

        圖3 新能源動力系統(tǒng)對比

        3.3 其他幾種潛在能源形式應(yīng)用前景

        氫燃料電池以零排放、噪音低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)著稱,且被業(yè)界認(rèn)為是解決環(huán)保問題的最終方向。無論是汽車行業(yè)還是船舶行業(yè),氫燃料電池都屬于重點(diǎn)研究范疇。近期,大連海事大學(xué)聯(lián)合企業(yè)研發(fā)國內(nèi)第一艘燃料電池游艇,標(biāo)志著該技術(shù)在實(shí)船應(yīng)用邁出關(guān)鍵一步。但現(xiàn)階段,氫燃料電池功率有限,規(guī)?;茝V還需時日。而且在PEM、GDL、催化劑等關(guān)鍵材料或核心組件方面還需要技術(shù)攻關(guān),制氫、儲氫、加氫等環(huán)節(jié)鏈上還需要完善,使用成本仍需要降低。據(jù)有關(guān)資料顯示,到2035年,國內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)成本有望下降到當(dāng)前1/5(約800元/kW)。

        近年來,太陽能光伏系統(tǒng)在小型船舶應(yīng)用較多,但受制于天氣和區(qū)域等外部影響較大,只能作為輔助動力或者局部系統(tǒng)動力。太陽能本身能量密度不高,同時還需要考慮光伏轉(zhuǎn)化率低、與儲能裝置的匹配和運(yùn)行模式切換等問題。

        超級電容具有充放電響應(yīng)快、功率密度高、循環(huán)次數(shù)久(十萬到數(shù)十萬次)、溫度范圍廣、抗沖擊性能好等特點(diǎn),一般多用于短程等。但其能量密度低,不能進(jìn)行大容量儲能,配合儲能電池使用效果更優(yōu)。而且,短期內(nèi)高昂的價格也是影響超級電容規(guī)模使用的瓶頸之一[5]。

        4 純電池動力系統(tǒng)特點(diǎn)及應(yīng)用在港作拖輪上的優(yōu)勢

        4.1 純電池動力系統(tǒng)特點(diǎn)

        純電池動力系統(tǒng)完全采用鋰電池作為主動力源,這是與常規(guī)船舶動力系統(tǒng)最大的區(qū)別,給船舶動力系統(tǒng)帶來革命性的變化。基本架構(gòu)為電池提供直流電源經(jīng)DC/DC模塊穩(wěn)壓后供給直流母排,再經(jīng)DC/AC模塊將直流逆變?yōu)榻涣鞴┙o推進(jìn)電機(jī)和低壓負(fù)載使用。如圖4所示,這種方式相較于各類柴電混合動力系統(tǒng)架構(gòu)簡單、占空間小、布置方便、投資少、易于維保等特點(diǎn),沒有了柴油發(fā)電機(jī)組或主機(jī),可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放、零污染和超靜音,舒適度和節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢更加明顯。而且,純電池動力系統(tǒng)智能化和自動化程度很高,可以大大減輕人員工作強(qiáng)度,對實(shí)現(xiàn)無人機(jī)艙乃至無人駕駛均提供了良好的試驗(yàn)平臺。

        圖4 純電池動力拖輪動力系統(tǒng)示意圖

        4.2 純電池動力系統(tǒng)在港作拖輪上的應(yīng)用優(yōu)勢

        實(shí)際上,如果給純電池動力船舶精準(zhǔn)定位,續(xù)航力也并非是首要考慮的因素,比如用于固定航線的島際班輪、港口作業(yè)拖輪等。這好比上下班通勤用的電動汽車,一旦明確使用目的和工作環(huán)境,續(xù)航問題完全可由使用者掌控,港作拖輪的作業(yè)情況也是如此。

        電動推進(jìn)系統(tǒng)采用電動機(jī)直接驅(qū)動全回轉(zhuǎn)舵槳,調(diào)速范圍大、扭矩響應(yīng)速度快,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)速度快、調(diào)速精度高。推進(jìn)電動機(jī)可頻繁進(jìn)行加減速和正反轉(zhuǎn)操作,這樣緊急狀態(tài)時的反應(yīng)時間更短,進(jìn)一步增加了安全性。與此同時,由于機(jī)動性好,操縱靈活,拖輪作業(yè)的工作效率也將大大提高。

        純電動推進(jìn)系統(tǒng)由于采用變頻控制,低速下可以獲得較大扭矩,對于具有強(qiáng)制散熱措施的推進(jìn)電動機(jī),在零轉(zhuǎn)速都能獲得額定轉(zhuǎn)矩,這種特性有利于拖輪實(shí)現(xiàn)以穩(wěn)定低速接近目標(biāo),靠離碼頭。螺旋槳不受原動機(jī)轉(zhuǎn)速的限制,機(jī)動性能更好。

        電力推進(jìn)堵轉(zhuǎn)特性好。港作拖輪長期在港口內(nèi)運(yùn)行,難免會遇到漁網(wǎng)或水下繩索的纏繞。短時間內(nèi)電動機(jī)可以保持堵轉(zhuǎn)狀態(tài),持續(xù)一段時間后變頻器進(jìn)行堵轉(zhuǎn)停機(jī)保護(hù),保護(hù)設(shè)備和船舶安全。

        船舶振動噪聲主要來自燃?xì)鈾C(jī)、柴油機(jī)等熱機(jī)。推進(jìn)電動機(jī)由于轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),振動噪聲水平較低。另外,設(shè)備可分散布置,通過合理的艙室布置也可以降低重要艙室噪聲。

        港作拖輪具有平均負(fù)荷低、作業(yè)范圍有限(航程短)、平均作業(yè)時間短、間歇作業(yè)、常規(guī)時間碼頭待命(有充電時間)等特點(diǎn),與純電池動力系統(tǒng)放電范圍寬廣、低放電率壽命更長、占地小、續(xù)航弱等特征相吻合,因此純電池動力系統(tǒng)應(yīng)用于港作拖輪具有一定的優(yōu)勢。

        據(jù)統(tǒng)計(jì),連云港4000 HP純電拖輪配備5000 kWh磷酸鐵鋰動力電池組,試運(yùn)行期間2 h可充滿電,作業(yè)時長10 h左右。即充電一次可滿足全天作業(yè)需要,靠碼頭期間也可隨時補(bǔ)電。拖輪運(yùn)營一年時間,相比常規(guī)柴油機(jī)拖輪年均可節(jié)省燃油約300 t,相當(dāng)于減排二氧化碳900 t。從試運(yùn)行情況來看,環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益相比較傳統(tǒng)拖輪優(yōu)勢明顯。

        5 結(jié)論

        港作拖輪其特殊的航行區(qū)域和作業(yè)模式,高度吻合純電池動力船舶的適用場景。結(jié)合目前綠色低碳港口岸電配套設(shè)施的使用,可大大降低船舶建造周期和使用成本。純電池動力港作拖輪具備其他能源形勢拖輪有著較大的優(yōu)勢,且隨著電池價格降低和單位密度容量的提升,其會具備較為廣闊的應(yīng)用前景,對港口節(jié)能減排具有促進(jìn)作用。

        [1] 周鎮(zhèn)海. 淺析純電動船的應(yīng)用前景[J]. 中國水運(yùn), 2020(11): 109-110.

        [2] 劉星辰, 盛進(jìn)路. 內(nèi)河純電動船舶航運(yùn)的適應(yīng)性及發(fā)展[J]. 船電技術(shù), 2021, 41(06): 19-22.

        [3] 劉應(yīng)都, 郭紅霞, 歐陽曉平. 氫燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望[J]. 中國工程科學(xué), 2021, 23(04): 162-171.

        [4] 陳剛, 張思全. 超級電容和鋰電池技術(shù)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究概述[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2015, 28(08): 157-158.

        [5] 唐柳, 盛進(jìn)路. 基于SWOT分析的我國內(nèi)河純電動船舶發(fā)展策略[J]. 船電技術(shù), 2021, 41(06): 15-18.

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        (1. Lianyungang Port Holdings Group Co., LTD, Lianyungang 222000, Jiangsu, China; 2. Lianyungang Port Group Co., Ltd. Tug&Barge Branch, Lianyungang 222000, Jiangsu, China)

        U469.72

        A

        1003-4862(2022)08-0053-04

        2022-01-17

        盧翔(1985-),男,工程師。研究方向:船泊與海洋工程。E-mail: 29599160@qq.com

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