Research on Energy Storage Demand Argumentation for 64 TEU Pure Battery-powered Container Ships on Inland Waterways

ZHU Ling

（Wuhan Changjiang Ship Design Institute Co.，Ltd.）

Abstract： This paper takes the existing 64 TEU traditional energycontainer shiponthe Changhushenroute as target ship， and introduces its power system configuration and navigation conditions. Based on the actual ship surveydata，the paper analyzes the tideeffect，shallow watereffectandnarrowchanneleffect.According tothefuelconsumptionestimation method andadmiraltycoefcient method，itestimates theaverage power demand andenergyconsumptionunder typical upstreamanddownstreamloadingconditions.Onthisbasis，thepaperfurthercalculates theenergystoragecapacityforthe new 64 TEU pure battery-powered container ship，as well as the changes of weight and speed.

Keywords： container ship; pure battery-powered ship; energy consumption; energy storage capacity

0 引言

線在區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化發(fā)展中有著舉足輕重的地位和作用。浙江省湖州市境內(nèi)大部分化工原料、輕工、家具、竹制品等進(jìn)出口貨物均是通過集裝箱運(yùn)輸。該航線有25艘以柴油機(jī)作動(dòng)力的64TEU集裝箱船在長(zhǎng)期營運(yùn)，年集裝箱吞吐量已達(dá)20萬標(biāo)

長(zhǎng)湖申航線作為浙北內(nèi)河水運(yùn)網(wǎng)的重要組成部分，不僅是湖州接軌大上海，融入長(zhǎng)三角的水運(yùn)大通道，也是上海等周邊城市建設(shè)的生命線。該航

箱以上

長(zhǎng)湖申航線現(xiàn)有的64TEU集裝箱船存在技術(shù)等級(jí)低、船機(jī)槳匹配性差、噪音及排放污染嚴(yán)重等問題，隨著人們對(duì)內(nèi)河水域環(huán)境保護(hù)的日益關(guān)注和電池儲(chǔ)能技術(shù)的飛速發(fā)展，研制更加節(jié)能環(huán)保的純電池船是大勢(shì)所趨。本文以傳統(tǒng)64TEU集裝箱船為母型船，分析其動(dòng)力系統(tǒng)配置，并對(duì)采集的實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，確定新型64TEU純電池集裝箱船的電池儲(chǔ)能需求[2-4]

1 母型船的船型概況及動(dòng)力系統(tǒng)配置

本文以某內(nèi)河64TEU集裝箱船為母型船，該船可裝載64只20尺集裝箱（或32只40尺集裝箱），總長(zhǎng) 64.95m 、型寬 12.5m 、型深 3.4m ，空載吃水0.761m ，空載排水量 994t ，滿載吃水 2.65m ，滿載排水量 1910t ，航區(qū)內(nèi)河A級(jí)。

該船配備1臺(tái) 397kW 濰柴重機(jī)X6170ZC540-2型柴油機(jī)作為主機(jī)，經(jīng)杭州前進(jìn)齒輪箱廠生產(chǎn)的HCD400A齒輪箱（減速比4：1），驅(qū)動(dòng)直徑 1850mm 的四葉固定螺距螺旋槳。主機(jī)運(yùn)行的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)2臺(tái) 12kW 航發(fā)電機(jī)廠STC2-12-4H型軸帶交流發(fā)電機(jī)，為船上的交流負(fù)載供電。該船另外配置了4臺(tái)11kW四方集團(tuán)S1100型輔機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)錨機(jī)、壓載泵和消防泵、空壓機(jī)。

2 實(shí)船調(diào)研數(shù)據(jù)初步分析

為確定新型64TEU純電池集裝箱船所需的電池儲(chǔ)能容量，需對(duì)母型船航行情況進(jìn)行調(diào)研。該船的上行和下行航線如圖1所示。上行時(shí)，該船從外高橋碼頭，經(jīng)上海共青碼頭、南潯省際錨地、南潯服務(wù)區(qū)、城東服務(wù)區(qū)、老龍壩服務(wù)區(qū)，抵達(dá)到安吉上港，總長(zhǎng)約 274km 。其中外高橋碼頭-共青碼頭，逆水需 2.5～3.0h 共青碼頭-安吉上港，空載上行（攜帶32只40尺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱空箱），逆水約 25h 滿載一般 30h 左右。下行時(shí)，該船從安吉上港，抵達(dá)上海共青碼頭，全長(zhǎng) 249km ，輕載工況下順?biāo)s22h，重載工況下順?biāo)?24～25h 部分航次的終點(diǎn)從上海共青碼頭延伸至外高橋碼頭，約 25km ，根據(jù)潮水情況需 2.0～2.5h 。

實(shí)船調(diào)研時(shí)，通過觀察駕駛臺(tái)內(nèi)的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AutomaticIdentificationSystem，AIS）和推進(jìn)系統(tǒng)信息顯示單元，記錄航速和主機(jī)轉(zhuǎn)速。本次調(diào)研的上行時(shí)間段為2018-01-2601：43到2018-01-2702：38，時(shí)長(zhǎng) 24.92h ，航程數(shù)據(jù)采集了379個(gè)點(diǎn)，采樣平均時(shí)間間隔 3.9min 。下行時(shí)間段為2018-01-2916：10到2018-01-3016：37，時(shí)長(zhǎng) 23.88h ，航程數(shù)據(jù)采集了350個(gè)點(diǎn)，采樣平均時(shí)間間隔 4.1min 。

上行航次裝載40尺集裝箱空箱32箱（每個(gè)空箱自重 3.9t ），其航速趨勢(shì)和主機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)如圖2和圖3所示。從圖2和圖3中數(shù)據(jù)可得，上行全航段的平均航速為 5.47kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 494.8r/min 其中共青-南潯錨地的平均航速為 5.78kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 508.8r/min ；南潯錨地-南潯服務(wù)區(qū)的平均航速為 4.68kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 464.3r/min ；南潯服務(wù)區(qū)-城東服務(wù)區(qū)的平均航速為 5.27kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 479.0r/min ；城東服務(wù)區(qū)-老龍壩服務(wù)區(qū)的平均航速為 5.24kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 486.7r/ min；老龍壩服務(wù)區(qū)-安吉上港的平均航速為4.25kt，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 440.2r/min 。

下行航次裝載40尺集裝箱32箱（平均每箱載貨 20t ，載貨量約 640t ），其航速趨勢(shì)和主機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中數(shù)據(jù)可得，下行全航段的平均航速為 5.72kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為487.0r/min ；其中安吉上港-老龍壩服務(wù)區(qū)的平均航速為 4.99kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 482.6r/min ；老龍壩服務(wù)區(qū)-城東服務(wù)區(qū)的平均航速為 5.13kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 474.0r/min ；城東服務(wù)區(qū)-南潯服務(wù)區(qū)的平均航速為 5.45kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 480.5r/min ；南潯服務(wù)區(qū)-南潯錨地的平均航速為 5.56kt ，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為479.3r/min ；南潯錨地-共青碼頭的平均航速為6.05kt，主機(jī)平均轉(zhuǎn)速為 493.4r/min 。

潮，漲潮時(shí)間 ，平潮時(shí)間 2h ，退潮時(shí)間 6h ，每天共2次漲潮退潮。船舶逆水上行航速一般為4.6 ，充分利用漲潮潮水，航速可達(dá) 6.0～8.0kt 。順?biāo)滦袝r(shí)，開闊水域一般航速為 6.2～7.5kt ，如果受潮水頂推影響，航速將下降至 3.6～5.8kt 這一影響在圖4下行航速趨勢(shì)圖中的18-22h這一時(shí)間段非常明顯。如果時(shí)間允許的話，下行時(shí)碰到漲潮，選擇拋錨 2～3h ，避讓最大的潮流，同樣的情況，上行時(shí)也盡可能選擇拋錨避讓退潮，等待漲潮，充分利用潮流，可以節(jié)省不少燃油。

3.2淺水效應(yīng)分析

3 航速影響因素分析

當(dāng)船舶由深水區(qū)進(jìn)入淺水航道時(shí)，相同主機(jī)及螺旋槳轉(zhuǎn)速下，運(yùn)動(dòng)阻力增加，船速下降，主機(jī)負(fù)荷加重。淺水效應(yīng)對(duì)船舶阻力的影響不僅取決于水深H，還取決于航速V和吃水T[5-6]。

3.1潮汐影響因素分析

該航線初一、十六為大潮，初三、十八為最大如圖6所示，圖中實(shí)線1表示淺水阻力，虛線2表示深水阻力。當(dāng)航速較低時(shí)，即 ，淺水阻力和深水阻力相同；當(dāng) 這一范圍內(nèi)時(shí)，淺水阻力大于深水阻力，在 時(shí)，淺水阻力達(dá)到最大值，約為深水阻力的2＼～3倍，其主要原因是興波阻力增加所致；當(dāng)航速很大時(shí)，即 ，淺水阻力反而比深水阻力小，這是由于航速產(chǎn)生的興波與水底產(chǎn)生的反射干擾相互抵消，產(chǎn)生所謂有利干擾的結(jié)果。

同一船舶以同一航速航行于同一航區(qū)，吃水不同，淺水效應(yīng)也大不相同。其中H/T較大時(shí)影響較小，反之影響較大。因此對(duì)淺水影響的理解，不能單從水深一個(gè)方面來看，還必須將航速與吃水聯(lián)系起來考慮，通常以 H/Tlt;6 和 的共同因素來表示淺水。調(diào)研船空載吃水 0.761m ，空載航行時(shí)，水深 H 達(dá)到 4.566m ，才算深水。滿載吃水 2.65m ，滿載航行時(shí)，水深 H 達(dá)到 15.9m ，才算深水。長(zhǎng)湖申線平均水深 ，黃浦江至長(zhǎng)江段水深達(dá) 7m 以上，對(duì)本航線而言，無論滿載還是輕載，很多情況下 H/T_lt;6 ，淺水影響明顯。因此在航行時(shí)，要嚴(yán)格控制供油量，必要時(shí)應(yīng)減速，防止主機(jī)超負(fù)荷。

3.3窄航道效應(yīng)分析

船舶在窄航道航行時(shí)，阻力R也會(huì)增加。船舶周圍水流狀態(tài)不但受水深的影響，同時(shí)受航道寬度的限制。窄航道的影響，不僅取決于水道寬度b ，而且還與船寬 B ，船長(zhǎng) L 和航速V有關(guān)。當(dāng) b/B gt;20 和時(shí)，船舶航行阻力不受水道影響，反之則阻力增大，若 b/B=10 ，航行阻力增加 10%^[7] 。在窄航道中，阻力隨航速的變化曲線與淺水效應(yīng)類似，如圖7所示，圖中虛線1為深水阻力，實(shí)線2為淺水阻力，點(diǎn)劃線3為窄航道阻力。從圖7中可以看出，窄航道效應(yīng)船舶阻力最大值對(duì)應(yīng)的航速比淺水效應(yīng)淺水阻力最大值對(duì)應(yīng)的航速更低。長(zhǎng)湖申航線上中游多處窄航道，上游最寬尺度 80m ，最窄尺度 25m ，而船的型寬為 12.8m ，上游最寬處 b/B=6.25 ，最窄處 b/B= 1.95，窄航道效應(yīng)非常嚴(yán)重。因此窄航道航行時(shí)，要嚴(yán)格控制主機(jī)轉(zhuǎn)速，防止主機(jī)超負(fù)荷。

4新型集裝箱船儲(chǔ)能電池容量估算

4.1柴油機(jī)工作特性分析

根據(jù)柴油機(jī)生產(chǎn)廠商提供的推進(jìn)特性臺(tái)架數(shù)據(jù)，符合 ??P_e=kn³ ，即主機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比，推進(jìn)系數(shù) k 為0.00023。額定負(fù)荷 258kW 時(shí)，燃油消耗率最低，為 186g/kW?h ，低負(fù)荷點(diǎn) 50kW 時(shí)，燃油消耗率最高，為 231g/kW?h_c 。其他各典型負(fù)荷下的燃油消耗率在 192～216g/kW?h 之間，差距較小[8-9]

母型船在窄航道航行時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)速一般為400～480r/min ，在寬闊水域航行時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)速一般為 500r/min 左右，與柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速 1200r/min 相差較大，運(yùn)行工況點(diǎn)很不理想。在實(shí)船測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，該主機(jī)從未能運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速，即使是在船舶空載狀態(tài)下也不行。2018-01-2911：57-11：59，該船選擇寬闊的江面，進(jìn)行短暫的極限加速試驗(yàn)，在空載逆水狀態(tài)下，主機(jī)轉(zhuǎn)速最高只能達(dá)到 856r/ min，對(duì)應(yīng)航速 9.4kt 主機(jī)發(fā)不出額定功率，達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速，應(yīng)該是槳配置過重所致，導(dǎo)致船機(jī)槳匹配性較差，推測(cè) 856r/min 時(shí)，主機(jī)已進(jìn)入柴油機(jī)轉(zhuǎn)矩限制運(yùn)行模式。

由于中上游普遍存在嚴(yán)重的淺水效應(yīng)和窄航道效應(yīng)，導(dǎo)致主機(jī)負(fù)荷明顯偏離臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)的推進(jìn)特性曲線 P_e=kn³ ，k明顯增大，因此推進(jìn)系數(shù)k在多變的工況下，并非是個(gè)定值。從而通過柴油機(jī)推進(jìn)特性曲線，由轉(zhuǎn)速估算功率是不可行的。并且船上柴油機(jī)輸出端空間狹窄，不符合軸功率測(cè)量?jī)x的安裝條件。因此基于已有的歷史油耗數(shù)據(jù)，并結(jié)合本次記錄的船速數(shù)據(jù)，分析平均功率是估算儲(chǔ)能電池容量唯一合理的解決方案。

4.2柴油機(jī)平均功率估算

由于母型船的能量來源，均源自0#柴油，主機(jī)功率需求和輔機(jī)設(shè)備功率需求，都可以通過燃油消耗折算。由于輔機(jī)油耗占比很小，為方便計(jì)算，統(tǒng)一按主機(jī)功率來折算[0]。

根據(jù)船長(zhǎng)提供的一組準(zhǔn)確記錄的下行油耗數(shù)據(jù)，2017.06.1518：45-2017.06.1616：50，空載排水量 994t. ，下行載貨量為159.6t時(shí)（含箱體重量），航程 249km ，航行時(shí)間約 22h ，油耗 544.48L ，0#柴油密度取 0.835g/ml_o 單次航程港作時(shí)間一般 2h 平均每小時(shí)油耗 17L ，油耗約 34L 。則該次裝載情況下航行油耗為 510.48L 該航次平均航速為6.11kt ，排水量 563.72t ，假設(shè)整個(gè)航程的平均燃油消耗率為 210g/kW?h 主機(jī)功率可按下式折算：

根據(jù)海軍部系數(shù)法可以估算同一艘船舶在不同排水量和航速下的功率，海軍部系數(shù)法的公式如下：

式中， c 代表海軍部系數(shù)；代表航行時(shí)排水量t；V代表在該排水量時(shí)航行的任意速度，kt; P 表示在該速度下的輪機(jī)功率，hp。

同一艘船的海軍部系數(shù) C 相同，在不同航速和排水量時(shí)，存在以下關(guān)系：

本次調(diào)研，正常裝載下行，航程 249km ，航行時(shí)間 24h ，每個(gè)40尺集裝箱載貨 20t ，共32箱，箱體自重 3.9t 則下行平均航速為 5.60kt ，排水量為1758.8t ，根據(jù)海軍部系數(shù)法計(jì)算可得平均功率為102.9kW ，假設(shè)燃油消耗率 210g/kW?h ，則下行航行油耗為 621.1L ，加上港作 ^2h ，油耗 34L ，下行總油耗為 655.1L 。該航線最多曾裝載過900t貨物（含箱體重量），航行 25h 到港，則下行平均航速為5.38kt，下行總排水量 1894t ，根據(jù)海軍部系數(shù)法，平均功率為 110.17kW_o 航行油耗估算值為 692.69L ，加上平均港作油耗 34L ，油耗共計(jì) 726.69L 。

本次調(diào)研，裝載32個(gè)40尺空箱上行（箱體自重3.9tAA ，航程 249km ，航行時(shí)間 25h ，根據(jù)船長(zhǎng)提供的上行油耗數(shù)據(jù)，油耗約 705.52L ，單次航程港作油耗約 34L ，則上行油耗為 671.52L 。該航次平均航速 5.38kt ，排水量 1118.8t ，按油耗折算主機(jī)平均功率約 106.80kW 。共青碼頭-南潯錨地的平均航速較高，調(diào)研統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，該段累計(jì)里程157.4km ，航行時(shí)長(zhǎng)為 14.72h ，占總航行時(shí)長(zhǎng)的 59.1% ，平均航速 5.78kt 根據(jù)海軍部系數(shù)法，單獨(dú)折算該段的平均功率需求為 132.33kW □

滿載上行時(shí)，載貨量約 900t （含箱體重量），航行時(shí)間 30h ，上行平均航行速度約 4.48kt ，總排水量 1894t ，根據(jù)海軍部系數(shù)法計(jì)算，上行滿載航行平均功率為 117.2kW ，油耗為 884.26L ，加上港作油耗 34L ，則上行總油耗為 918.26L 共青碼頭-南潯錨地的平均航速較高，為 4.66kt 單獨(dú)折算該段的平均功率需求，為 131.85kW 。該數(shù)值與空載上行工況中該段功率需求值相差不大，主要原因是雖然增大了載貨量，但降低了航行速度。

4.3電池容量的估算

假設(shè)純電池船所需能量與柴油機(jī)船相等，在此基礎(chǔ)上估算所需電池儲(chǔ)能容量。為降低電池成本，減少電池使用量，可以采用在起點(diǎn)、終點(diǎn)和南潯服務(wù)區(qū)中途換電、充電模式。實(shí)際運(yùn)營時(shí)，上行的起點(diǎn)有時(shí)會(huì)延伸至外高橋碼頭，從外高橋碼頭到共青碼頭，約 25km ，逆水航行需 3h 純電池船需按上行滿載工況（載貨 900t） ，儲(chǔ)存從外高橋碼頭到南潯服務(wù)區(qū)所需電能。外高橋碼頭到南潯服務(wù)區(qū)約 179.6km ，該航段航行約 20.81h ，平均航速為 4.66kt 航行過程能量需求為 2744kW?h ，該能量已包含日常用電負(fù)載，但不包括港作能量需求。按 1.5h 估算該段累積港作時(shí)間，港作油耗為25.5L，對(duì)應(yīng)能耗 ，則該航程總能耗為2827kW?h ，取整為 2900kW?h 為保護(hù)電池，避免過充過放，正常使用時(shí)擬使用 25%～100% 的放電區(qū)間，則電池容量應(yīng)設(shè)計(jì)為 3900kW?h O

若選用浙江谷神的36并168串的電池系統(tǒng)，每組儲(chǔ)能 425.8kW?h ，電池密度為 15.31m³/MW?h 或

，則需要這樣的模組10組，每組電池組體積為 6.519m³ ，重量為 4.74t ，則10組總體積為65.19m³ ，總重量為 47.4t 原主推進(jìn)柴油機(jī)、四臺(tái)輔機(jī)、燃油、滑油、管系，估算總重為 6.7t 則改裝后的電池船機(jī)艙與原機(jī)艙尺寸相比，體積不會(huì)明顯增加。根據(jù)海軍系數(shù)法，預(yù)測(cè)新型純電動(dòng)船在同等功率條件下，同樣裝載900t貨物，船舶重量增加了40.7t ，航速值預(yù)測(cè)會(huì)由 4.66kt 降為 4.62kt ，則改裝后的電池船對(duì)航速影響不大。

5結(jié)論

本文以長(zhǎng)湖申航線上的某64TEU集裝箱船為母型船，針對(duì)實(shí)船調(diào)研數(shù)據(jù)，推測(cè)了船機(jī)槳匹配情況，分析了潮汐因素、淺水效應(yīng)、窄航道效應(yīng)對(duì)船舶的影響，并以此為基礎(chǔ)，通過油耗估算動(dòng)力系統(tǒng)的平均功率需求，在采用中途服務(wù)區(qū)換電方案的前提下，確定了新型64TEU純電池集裝箱船的電池儲(chǔ)能需求，為內(nèi)河智能新能源船的研制提供了論證數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Q Qin，QI Bin，SW Shen，etal.Review of world ship marketin 2016 and prospect in 2017[J]. Shipamp;Boat， 2017.

[2] 盧曉平.艦船原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009：115-116.

[3] 姜波，宋瑜.船用大容量蓄電池的應(yīng)用研究[J].青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，38（1）：21-23.

[4] PWu，R Bucknall.Marine propulsion using batterypower[J].ShippinginChangingClimates Conference，2016.

[5] 招定友.船舶淺水效應(yīng)的研究[J].天津航海，2009（2）：4-6.

[6] 孫帥，王超，常欣.淺水效應(yīng)對(duì)船舶阻力及流場(chǎng)特性的影響分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38（4）：499-505.

[7] 胡緒鉬.淺水航道與狹窄航道對(duì)船舶阻力的影響[J].水運(yùn)工程，1984（6）：29-31.

[8] SXWang，JZhang，SY Jiang.Experimental StudyontheLoad CharacteristicsofDiesel-LNGHybrid DieselEngines[J].Advanced MaterialsResearch，2012（7）：1375-1378.

[9] LI Zong-Li.Experimental Investigation in Model Z6170Z_LC_L-8 Diesel Engine Performance[J].Diesel Engine，2000.

[10]李江波.船舶主機(jī)選型與設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué)，2014.