基于北斗衛星定位的金槍魚釣船混合動力節能系統設計

王永鼎,田晨曦,董亞龍

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

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基于北斗衛星定位的金槍魚釣船混合動力節能系統設計

王永鼎,田晨曦,董亞龍

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

我國遠洋漁業迅速發展,但隨著燃油價格的攀升,漁船作業能耗和環境問題逐漸浮出水面。傳統金槍魚釣船在捕撈作業時,柴油機長時間處于低轉速低負荷運行狀態,燃油消耗率較高。為了穩定遠洋捕撈漁業的經濟效益,并達到節能減排的目標,提出了一種基于北斗衛星通訊的金槍魚釣船油電混合動力系統。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成,采用燃油和電能混合提供動力,可以根據北斗衛星定位的漁場位置及航速選擇不同的動力源驅動。通過燃油經濟性分析,與傳統金槍魚釣船相比較,在相同工況、相同作業時間的條件下,綜合油耗量降低13%,系統靈活性、燃油經濟性有一定的提高。

北斗衛星;金槍魚釣船;混合動力;節能減排

0 引 言

隨著全球工業化的迅速發展,資源短缺和環境污染的問題日益嚴重。中國作為全球化的一個重要組成部分,在經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格,捕撈漁業因此受到沉重的打擊。漁業的發展對國家海洋經濟起著至關重要的作用,從推動漁業可持續發展的角度來看,降低漁船的油耗和排放已成為國家海洋經濟發展的決定性因素。漁船船型優化、高效漁船動力裝置、主機余熱利用裝置、節能型漁具漁法和捕撈裝備等是漁船節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%被動力推進系統所占據,因此研究新型動力推進系統是漁船節能減排的重要措施。混合動力推進技術是降低漁船油耗和排放的主要措施之一,與傳統的動力推進技術相比,混合動力技術的優勢就在于它擅長解決輸出功率有規律波動的機動設備的節能減排問題[3]。本文將介紹基于北斗衛星定位的金槍魚釣船混合動力推進系統,并以此在漁船領域推廣與研究。

1 金槍魚釣船的工況分析

1.1 金槍魚釣船的作業方式和特點

以延繩釣金槍魚船為例,在每個作業周期內,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.

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

1.2 漁船作業存在的問題

傳統動力推進系統的漁船,一般以全速航行工況作為設計工況,以此來設計確定柴油機功率和轉速。因此漁船在低航速航行時,柴油機長時間在低功率低轉速情況下運行,導致柴油機各缸供油不均勻。不僅容易造成柴油機積炭,導致增壓器背壓增加,可能引起喘振,而且受到最低穩定轉速限制,柴油機無法持續穩定地輸出低功率,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區域內,同時造成航速不穩定,不利于捕撈生產。柴油機長時間在低功率低轉速的情況下運行,也會使噴油壓力下降,霧化不良,混合氣的質量變差,燃燒惡化,進而導致排氣溫度過高,潤滑油粘度降低,潤滑效果變差[6]。

2 基于北斗衛星定位的混合動力推進技術

2.1 北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統是我國自主研發的全球衛星定位系統,也是繼美國和俄國之后的第三個衛星導航系統,與美國GPS全球定位系統相比,北斗衛星導航系統還具備通信功能。目前,北斗衛星導航系統已經覆蓋亞太地區,2020年左右將成為覆蓋全球的衛星導航系統。北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成,可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務[7]。并初步具備了區域導航、定位和授時的能力,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,擁有自主產權的導航定位系統是非常必要的,并且北斗衛星導航系統具有雙向通訊功能[8]。

金槍魚釣船的定位屬于海上定位導航,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,影響越大的規律[9]。當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星的金槍魚釣船混合動力系統只作為一般的海上定位,可以忽略因潮汐、洋流導致的海面高度變化對定位精度的影響。

2.2 基于北斗衛星定位的混合動力系統推進方案

混合動力推進系統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[10]。基于北斗衛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、電傳動系統和能量管理控制系統構成。在混合動力系統中,儲能裝置向電動機提供電能驅動,電動機的轉矩反應迅速,波動小,有較寬的調速范圍,低轉速時能夠輸出較大的轉矩,可以彌補柴油機在低轉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速趨于平穩,可使柴油機穩定保持在高效區域工作。由于電動機推進系統的輔助,柴油機不會因為怠速運轉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]。

基于北斗衛星定位的混合動力系統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]。基于北斗衛星的金槍魚釣船混合動力系統可以滿足不同工況的動力需求,同時使柴油機穩定工作在高效區域附近,提高了燃油經濟性,降低了排放污染[13]。混合動力推進技術實現了在有限空間內,通過合理的選型和結構設計,提供了系統的解決方案,從而實現系統的可靠性、機槳匹配的合理性及系統協調性[14]。

混合動力系統的驅動結構可分為串聯式、并聯式、混聯式。混聯式混合動力推進系統綜合了串聯式和并聯式的傳動特性,如圖1所示,柴油機的動力經過分流裝置后有兩個流向,一個是通過動力耦合裝置驅動工作組件,一個是經由發電機進行發電,電能儲存到蓄電池中或者直接驅動電動機工作。電動機調速范圍廣,易于正反轉等優點滿足了金槍魚釣船的作業需求。

2.3 混合動力金槍魚釣船的驅動模式

基于北斗衛星定位的金槍魚釣船可以利用北斗衛星對漁船的動態信息進行監控管理,可以查看船舶航行的位置與狀態信息,顯示經緯度、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,實現柴油機、電動機動力并車,進而驅動螺旋槳工作。

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動漁船。此時,只有柴油機單獨參與驅動工作,并穩定工作在高效區域,柴油機動力經由動力分流裝置分流后,一部分傳遞到螺旋槳,另一部分驅動發電機發電,產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動金槍魚釣船。當蓄電池的荷電狀態SOC高于設定值時,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;當蓄電池的荷電狀態SOC低于設定值時,柴油機開啟并穩定工作在高效區域附近,驅動發電機向蓄電池充電。

根據上述工況分析,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的金槍魚釣船動力系統各配置如表1所示。

表1 混合動力金槍魚釣船動力系統配置

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

表2 混合動力金槍魚釣船作業工況

3 基于北斗衛星定位的混合動力推進系統的經濟性分析

基于北斗衛星定位的混合動力金槍魚釣船與傳統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的主要經濟指標,油耗量是燃油消耗率與柴油機輸出功率和作業時長的乘積,總油耗量是漁船在三種作業工況下各油耗量之和。基于北斗衛星定位的混合動力漁船與傳統動力漁船單次作業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漁船較低,漁船油耗量也相應減少。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域內,輸出功率高于傳統漁船,油耗量也相應升高,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動,達到了零污染、零排放的要求。綜上,在相同工況、相同作業時間的條件下,混合動力金槍魚釣船比傳統動力金槍魚釣船節油13%.

4 結束語

本文提出了基于北斗衛星定位的混合動力金槍魚釣船,以混聯式作為混合動力推進方案,并對驅動模式進行研究設計。混聯式驅動方案降低了金槍魚釣船在作業工況下對主機的依賴性,并在滿足漁船捕撈作業的需求下,根據北斗衛星導航系統來判斷漁船的位置、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定工作在額定功率區附近,提高了燃油利用率并減少了污染物的排放。與傳統金槍魚釣船相比較,在全速航行、投繩、起繩相同工況下,基于北斗衛星定位的混合動力金槍魚釣船綜合油耗量減少了13%,實現了船舶節能減排,因此基于北斗衛星定位的混合動力金槍魚釣船具有廣闊的應用推廣前景。

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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

上海市科學技術委員會創新行動計劃(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節能技術。

田晨曦 (1992-),男,碩士生,主要研究方向為混合動力船舶的節能研究。

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

聯系人： 田晨曦 E-mail:chenxi.tian@outlook.com