36米多用途渔船柴电混合动力推进系统方案设计

张彬，曹现峰，李建宇，朱高元，涂学峰

(1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092；2.青岛海洋科学与技术国家实验室，深蓝渔业工程联合实验室，山东 青岛 266237；3.秦皇岛市海洋和渔业局，河北 秦皇岛 066000；4.无锡赛思亿电气科技有限公司，江苏 无锡 214000；5.秦皇岛海东青食品有限公司，河北 秦皇岛 066000)

中国是世界第一渔船大国，截至2019年12月，中国拥有机动渔船数量超过46万艘[1]，水产品捕捞年产量超出1 000万t，为人类补充优质蛋白质、保障国家食物安全、促进渔民增收和经济社会发展作出了重要贡献。但是，中国渔船捕捞产业发展方式相对粗放，渔船船型老旧，捕捞装备技术水平相对落后，渔船排放超标，捕捞产能超过资源承载力，过度捕捞和环境污染导致渔场资源日益枯竭，逐渐成为危害海洋生态环境的重大问题。为了加强渔业资源养护和环境保护，促进渔业可持续发展，必须大力推进渔船升级改造，加快渔船现代化发展进程[2]，节能减排，实现渔船 “技术先进性、环境友好型、经济合理性”的绿色船舶技术升级。

捕捞渔船推进方式的优化升级是渔船降低能耗的重要途径。渔船的推进方式[3]主要有以下几种：

(1)常规推进方式

常规推进方式是由原动机通过传动机直接带动螺旋桨，为船舶航行提供推力的推进方式，是目前绝大多数船舶采用的方式[4]。常规推进的优点在于燃料的热能直接转化为机械能，减少了能量转化的环节，能量损耗低，可靠性高。缺点在于螺旋桨和轴系的固定布置使得原动机和机舱的布置受较大局限；另一方面，常规推进方式特别是采用固定螺距螺旋桨的船舶，原动机和螺旋桨只有一个最佳工况匹配点，无法兼顾渔船的多种作业工况[5]，在渔船捕捞作业工况下，主机常常处于低负荷工作状况，单位油耗高，同时长时间低负荷运转对主机伤害较大。

(2)电力推进方式

电力推进在船舶上的应用可以追溯到100多年以前，在渔船上的应用也有几十年的历史。电力推进方式中，发电机将高速原动机的旋转机械能量转换为电能，通过电力传输系统将电能传递到推进电机，驱动推进电机工作，推进电机再通过齿轮箱和轴系与螺旋桨连接，从而将电能转换为螺旋桨旋转的机械能来推动船舶运动[6]。与常规推进方式相比，电力推进方式的优点在于机动性能好，布置灵活，推进效率高。随着中国工业技术的进步和渔业转型升级发展的需求，依托科研项目的支撑，国内先后试点建造了电力推进拖网渔船[7]、围网渔船[8]和金枪鱼延绳钓船[9]，具有良好的经济效益。但是电力推进系统也存在若干缺点，主要在于能量先由机械能转化为电能，又从电能转化为机械能，两次转化过程中造成一定损耗[10]。

(3)柴电混合推进

柴电混合动力系统是指将燃油与电力进行有效结合，根据不同工况、不同需求切换驱动模式的动力系统，通过两种动力的适时调节，完成船舶驱动的目的[11]。柴电混合动力技术是目前船舶混合动力系统中运用最为广泛的一种组合方式。柴电混合动力系统推进工作模式与纯柴油机以及纯电力推进相比，具有下列技术特点[12]：一是经济性。在船舶的实际运行中，可以根据船舶工况适时调整运行模式，实现船舶多工况优化匹配，提升动力系统综合能效。二是机动性。根据船舶航速和作业需求，柴油机可单独推进，也可并入电机实现并车推进，有效提升船舶动力系统的机动性能[13]。三是安全性。常规推进与电力推进可共同运行，也可独立运行，而且在主机故障时可采用 PTH(Power take me home)模式进行应急处理，利用可逆轴带电机直接驱动螺旋桨，有效提高动力系统的冗余性和安全性。四是环保性。在低速状态下电机推进，可减少主机在低效率区工作时间，有效减少污染物排放。

捕捞渔船工况复杂，动力系统的设计需要同时考虑常规航行和起放网作业等多种工况的功率配置需求。采用柴电混合动力系统的捕捞渔船在使用过程中，可根据工况需要随意切换常规与电推系统，使柴油机始终保持经济运行，有效实现渔船节能减排。

1 船型概况

36米多用途渔船主要在渤海、黄海海域进行拖网捕捞作业，并在休渔期兼作休闲渔船和北戴河旅游景区的海蜇清理工作船。因此，这不仅要求船舶要有一定的拖力和续航能力，以满足捕捞生产需求，而且也要求船舶在作业时应尽量减小噪音，提供给游客更好的体验。36米多用途渔船为钢质、单底和单甲板(艏部升高甲板)、后甲板室、单机单桨单舵和艉机型。艉部线型采用宽整甲板面的圆艉结合水下球艉；艏部线型采用大外飘甲板面、前倾艏柱结合前伸型球艏；配大直径导管螺旋桨。船型的主要参数如表1所示。

表1 渔船主要参数

2 动力系统方案设计

2.1 动力系统设计和工况特点

多用途渔船作业工况复杂多变，且不同作业工况下动力输出特点差距很大，为了兼顾所有工况特点，要求船舶的动力系统必须具有灵活多变性，为了满足这一要求，多用途渔船采用柴电混合推进系统[14]。渔船动力系统配置如图1所示，整个系统由主推进柴油机(简称主机)、双输入单输出齿轮箱、轴带异步发电 /电动机(简称轴带电机)、柴油发电机组、锂电池组、变频控制柜、日用配电板及日用负载设备组成。

图1 动力系统配置图

多用途渔船动力系统设计主要考虑常规航行、捕捞起网、沿海专项3个典型工况，其动力配置如表2所示。

表2 动力系统各工况设备使用总结表

2.1.1 常规航行工况

多用途渔船常规航行工况时，船舶的动力系统工作原理如图2所示。主机正常运转为螺旋桨提供动力，轴带(发)电机作为主供电系统为全船提供航行时的日用负载用电，主要的用电设备为舵机、风机、航行信号灯和船员生活用电，此航行工况下船舶供捕捞设备使用的电动液压泵站不工作，轴带(发)电机的富裕功率给锂电池组充电。柴油发电机组作为备用电源动力，满足法规要求。

2.1.2 捕捞起网工况

捕捞起网工况时，船舶的动力系统工作原理如图3所示。船舶基本处于0航速状态，但出于安全因素，螺旋桨需要以极低的转速工作，同时供捕捞设备使用的电动液压泵站也需要长时间使用，此情况下在主机转速较低的情况下再使用轴带(发)电机给船舶供电已不可能。所以，系统设计中将主机单一用于螺旋桨的推进以保证船舶在应急情况下有足够的动力来应对起网过程中可能存在的拖到礁石、大型沉木等意外状况。轴带电机与齿轮箱断开。船上的捕捞装备如绞纲机、侧推、液压泵站和船舶日用负载等其他用电设备均由锂电池组提供动力。

图3 捕捞起网工况动力系统工作原理图

2.1.3 沿海专项作业工况

沿海专项作业工况是针对夏季北戴河水域海蜇多发，影响该水域旅游休闲而专门设计的推进工况，船舶的动力系统工作原理如图4所示。多用途渔船运用浮拖网方式大面积快速清理海蜇，保证旅游区内人员生命安全，根据旅游区域对噪音的限定要求，专项作业时由锂电池组为全船提供动力[15]，主机不工作仅作为应急动力源待命。在沿海专项拖网海蜇时，液压泵站不工作，锂电池组主要为船舶航行提供动力；在沿海专项起网海蜇时，航速降至3～4 kn，船舶航行所需动力降低，锂电池组的功率分配发生调整，在满足驱动轴带(发)电机为螺旋桨提供动力的同时，也为绞纲机电动液压泵站提供用电负荷。

图4 沿海专项作业工况(清理海蜇)动力系统工作原理图

2.2 动力系统优势分析

在多用途渔船的使用过程中，柴油混合动力系统体现出了显著优势，具体体现如下：一是安全可靠。渔船在拖网作业工况时因为主机功率分配的问题，容易出现“闷车”现象，即绞纲机瞬时功率过大，造成主机负荷超过主机最大功率，主机过载保护停止运转。柴电混合动力系统的应用使船舶螺旋桨推进与捕捞作业功率分配彻底分开，由不同动力源提供动力，有效避免了“闷车”现象的发生，保障了渔船的正常运作。二是经济节能。柴电混合动力系统的锂电池储能电池组有效减少了多用途渔船的年油耗量。在沿海专项作业工况中，作为船舶动力源的锂电池组可由岸电电源充电，作业周期为每年7、8月，每天工作4 h，与柴油驱动相比，每年节省燃油15 t，相对降低经济成本100万元左右。三是低噪音、零排放。多用途渔船在沿海旅游区域作业时采用锂电池组作为动力源，降低了船舶的噪音，同时，船舶无任何燃油消耗，实现了大气污染物的零排放，有效保护了旅游区的生态环境。

3 总结

本船兼具航行、拖网捕捞作业、海蜇拖网清理和近岸休闲观光垂钓等功能，这些复杂的工况对本船的动力系统提出了较高要求。为了满足各工况的需求，本船采用了柴油机+电动机+动力电池结合的柴电混合推进方式，不仅可以根据工况需要选择不同的推进方式，而且可以通过系统各组成部分的灵活应用实现冗余功率的回收，进一步提高了船舶的综合节能效果。