基于BDS的混合動力船舶節能研究

王永鼎,程湘裕

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

0 引 言

隨著全球工業化的不斷深入，船舶運輸和海洋漁業得到快速發展，各種作業船舶的數量和噸位都在增加.為了應對日益嚴峻的世界氣候問題，世界相關環保組織逐步關注船舶節能減排問題，接連出臺多項國際性公約，限制船舶廢氣排放[1].中國每年能源消耗量巨大，但是單位能耗對經濟的貢獻值遠遠低于西方發達國家,能源短缺和環境污染問題日益凸顯.中國經濟發展規劃中，將節能減排作為政府工作的重要考核目標，各個部門聯合推動船舶節能改造和向綠色化發展[2-3],并于2016年制定標準，控制船舶污染物排放，2018年在三個主要經濟帶設立船舶排放控制區，對內河航道的排放也提出限制要求，2019年又制定更為嚴格的船舶燃油含硫量規定[4].同時船舶節能減排受到發動機生產廠和船舶建造企業的高度重視.

船舶每年消耗的柴油量占據全國柴油消耗總量很大比重，每年漁船柴油消耗就高達900多萬噸，其中船舶推進系統消耗的燃油占總油耗的60%～70%，因此研究節能型動力推進系統是船舶節能減排的重要措施.

內河及近海公務船和金槍魚延繩釣船需要多種航行工況，傳統動力推進系統在低功率低航速狀態下，燃油消耗率較高，產生積碳，導致增壓器背壓升高，出現喘振現象.混合動力推進技術可有效改善低工況時的燃油經濟性，根據船型特點設計新型混合動力推進技術是降低船舶油耗、減少排放的重要手段.本文將基于北斗衛星導航的混合動力推進系統應用于公務船和金槍魚延繩釣船，并針對兩種船型展開節能研究.

1 公務船及金槍魚釣船工況介紹

1.1 工作類型和特點

以某型號公務船為例,主要負責海事巡邏、水上安全督查、港口管理、航道設施檢查等船舶安全生產管理職責.執行航行任務時,每天工作8 h,一般有三種工況,滿負荷快速航行約2 h,低負荷巡航約4 h,停船檢查柴油機怠速時間約2 h. 公務船每天變工況航行,當快速航行時,柴油機燃油效率高,當低速巡航時主機負荷僅為15%左右,低工況運行燃油效率低,油耗增加. 在停船怠速狀態下,柴油機消耗燃油更多.

以太平洋海域作業的金槍魚延繩釣船為例,一般包括快速航行工況和放釣、起釣工況.漁船快速航行一般航速8～10 kn,持續2～4 h;放釣作業航速維持4～8 kn,作業時間4～6 h;起釣作業航速較低,需要保持2～4 kn,作業時間較久,需要10～14 h. 漁船在作業周期內負載和航速規律性變化,起釣作業時柴油機運行在15%～25%負荷狀態下,燃油利用率低,起釣作業用時占捕撈周期的70%～80%,油耗較高.

1.2 工作過程存在的問題

傳統船舶在設計建造時,主機功率和轉速的選取一般依據全速航行時的工況需求.實際應用中,根據工況變化,船舶柴油機如果在低功率低轉速狀態下長期運行,轉速不穩定,不僅會造成柴油機各缸供油壓力不足,燃油不能完全霧化,燃燒不充分,煙道積碳增加,燃油利用率降低,還會增加增壓器背壓,造成柴油機喘振現象.船舶航行工況變化,頻繁負荷變化和正倒車操作,不利于航速穩定,柴油機和變速裝置故障率升高,后期維修保養支出增多,導致推進系統可靠性降低,造成船舶有效工作時間減少,單位時間產值降低,增加使用壽命內運營成本,收益變差.

2 基于BDS的混合動力推進系統

2.1 北斗衛星導航系統(BDS)

BDS是我國擁有自主知識產權的衛星導航系統,2003年進入大規模實質性應用階段,2019年9月成功發射兩顆北斗三號(BDS-3)導航衛星, BDS在軌衛星達到48顆,亞太地區實現完全覆蓋,海洋船舶定位誤差小于10 m,2020年將實現全球覆蓋,建成世界先進的BDS-3[5]. BDS主要由空間段、地面控制段、用戶段組成. 主要技術優勢有:為了提高空間段衛星抗遮擋能力,采用3種軌道衛星組成混合星座的形式;為了降低高階電離層延遲的影響,采用三頻信號,提高數據預處理能力,傳輸可靠性和抗干擾能力增強;將導航和短報文通信功能相結合,可以實現雙向通信.

BDS對于我國的國家安全和經濟發展具有重要作用,同時也是服務全球用戶的重要空間基礎設施. BDS目前提供的定位、導航和授時服務,具有全天時、全天候、高可靠性和精確性的特點,定位精度誤差小于10 m,亞太地區精度小于5 m,授時服務精度優于10 ns,測速精度0.2 m/s[6]. 2014年9月,BDS地基增強系統建設工程啟動實施,這個工程將加快連續運行參考站系統(CORS)的發展,加強密度網基準站補充建設,使BDS可以盡快實現高穩定性和可靠性的全面服務. 2017年,中國衛星導航系統管理辦公室批準了BDS地基增強系統的9項BDS專項標準[7]. BDS正在向衛星導航標準化發展,不斷提升系統服務性能和整體服務質量.

2.2 BDS在海事領域的應用

BDS廣泛應用于交通運輸、氣象預報、地理測繪、海洋漁業、水文監測、應急救援等領域,逐步滲入人們日常生活的方方面面. BDS定位精度高、覆蓋范圍廣、授時誤差小、具有雙向通訊功能,在自然條件相對惡劣的海洋環境中具有巨大的應用潛力.

BDS可以通過船載終端設備(下稱BDS終端),顯示船舶在海域的航行位置、速度、行駛方向等信息,可以提供船舶偏航提示,規劃航行路線等服務. BDS終端與電子海圖信息疊合使用,便于船舶駕駛人員直接查看船舶位置和速度,計算船舶到達的時間,實現安全、高效航行[8].

BDS在船舶管理方面應用廣泛. 目前海事部門主要是通過船舶自動識別系統(AIS)和移動通信網絡對船舶進行監控管理,但是AIS系統存在較多的監管盲區,使用移動通信費用昂貴[9]. BDS獨有的短報文通信功能,可以不借助第三方系統,獨立組網和數據通信,實現船載終端之間或者終端與控制中心的雙向通信. 基于BDS導航技術的船舶航線監管系統,可以實現船舶實時定位、測速,船舶之間或船舶與海事部門雙向通信,具有發布碰撞預警、航線航跡偏差警告和遇險求助等功能[10]. 港口管理部門,可以通過BDS將港口靠泊船舶情況、航道情況和泊位噸位等信息通過港口調度系統顯示,實現港口船舶的合理安排.

BDS在航海保障領域具有重要作用. 航海保障對船舶航行安全起著至關重要的作用,其對設備的精度要求高,主要涉及海道測量、水文信息收集、潮汐監測、航標布置等工作. 結合高分辨率圖像識別技術,應用BDS、船舶遠程識別與跟蹤系統,實現“AIS+BDS”的沿海BDS地基增強系統[11]. 目前,長三角區域BDS CORS系統船舶定位實現厘米級,為大型船舶在狹窄航道安全交會創造條件,可以最大限度保證長江口航道的高效安全利用[12].

我國是水產品產出和消耗大國,擁有數量巨大的漁業船舶. 為了推進漁船節能化、信息化發展,農業部關于漁船更新改造補貼規范中,將漁業船舶船載BDS終端劃入船舶改造信息化設備補貼范圍. 漁船配備BDS終端設備,漁政管理部門可以通過BDS發布臺風等自然災害信息,提醒漁民及時回港規避,保障漁民安全. 利用BDS終端,漁業管理部門可以對漁船作業情況進行數據挖掘,提取漁船作業航次、識別漁船類型、判斷漁船作業狀態等信息,對漁船進行捕撈追溯,計算捕撈努力量,估算捕獲量,對漁場內的漁船捕撈強度進行管控,為漁船的精細化管理提供參考[13].

本文將BDS導航技術應用于船舶混合動力推進系統中. 船載BDS終端與電子海圖信息結合構成BDS導航模塊,不僅可以實時顯示船舶位置、速度和航向,還可以將船舶位置信息、航速變化、航跡偏差等動態信息傳遞給控制系統,控制系統根據預設的數據庫和控制策略,判斷船舶航行工況,管理柴油機和電動機的動力輸出,實現船舶能源高效利用. 本文研究的基于BDS導航混合動力推進系統,對于潮汐變化、海洋風浪等導致的海洋高度變化造成的定位精度影響不予考慮,船舶位置只作為一般海上定位[14].

2.3 基于BDS的混合動力系統的推進方案

2.3.1 推進系統構成

基于BDS的混合動力船舶可以使用燃油和電能兩種能源,主要由BDS導航模塊、船用柴油機、電動機、蓄電池儲能裝置、控制系統和能量管理系統組成. 與柴油機單獨推進相比,油電混合動力系統,電動機具有轉速響應快,調速范圍廣的特點[15]. 當船舶工作在低負荷低轉速工況時,儲能裝置供電,電動機單獨提供推進動力,柴油機可以暫時關閉,減少柴油機油耗. 當電池電量較低時,柴油機可以保持額定功率運行,將多于的動力用于儲能裝置充電,當船舶負載突然升高時,儲能裝置放電啟動電動機輔助動力輸出. 通過能量管理裝置,對儲能裝置充放電,有利于保持柴油機轉速平穩,使其維持在額定功率附近工作,提高燃油利用率.

混合動力技術在有限空間內,通過合理選擇油電混合度、柴油機和電動機選型、BDS導航結合能量控制系統優化動力輸出,從而實現推進系統協調性、機槳匹配合理性和能源利用高效性.

2.3.2 運行方式

依據運行方式的不同可以將船舶油電混合動力系統分為三種： 1)船舶的動力源只有柴油機. 柴油機驅動發電機提供船舶電力供應,帶動螺旋槳實現船舶推進,被稱為軸帶發電機驅動方式(PTO). 2)船舶配備柴油機和電動機,兩者動力耦合作為船舶動力源,共同驅動螺旋槳實現船舶推進,被稱為柴電并車驅動方式(PTI). 3)船舶配備的柴油機和電動機都可以單獨作為動力源,兩者既可以獨立驅動螺旋槳工作,也可以聯合驅動螺旋槳工作實現船舶推進,被稱為柴電獨立驅動方式(PTH).

公務船和金槍魚延繩釣船有多種航行工況,航速變化較大,采用PTH混合動力驅動方式最為合適. 航行過程中,功率負荷需求大，航速要求高時,采用主機推進,功率負荷需求小，航速要求低時,采用電機推進,這樣混合動力推進系統可以很好的滿足不同工況的需求[16].

2.4 基于BDS的混合動力系統的驅動模式

混合動力系統的BDS導航模塊,依據BDS-3,監控管理船舶航行的動態信息,實時顯示船舶航行水域位置經緯度、前進方向、航行速度和軌跡、海況、氣象信息等.

2.4.1公務船

內河和近海水域來往船舶較多,航道船舶流量大,情況多變,船舶需要頻繁切換航速,柴油機能效低下.基于BDS導航的混合動力系統,可以實現船舶之間或者船舶與海事監控中心的雙向通信,接收碰撞預警、航線航跡偏差警告等信息,可以根據水域情況和航行位置設置航速、調整動力輸出. 公務船油電混合動力系統工作模式如表1所示.

表1 公務船油電混合動力系統工作模式

BDS導航混合動力系統可以根據航行區域調整工作模式,當航行水域航道條件良好,控制系統檢測到負載大于船舶柴油機額定功率,電池電量充足,電動機開啟和柴油機實現并車,共同驅動;當負載在柴油機額定功率附近時,電動機關閉,柴油機單獨驅動;當負載降低電池電量不足時,柴油機驅動并向電池充電,柴油機依然可以保持在額定功率附近,燃油經濟性高,排放良好;當航行在船舶排放控制區或者城市港口附近,航行條件差的水域時,負載較小電量充足,電動機單獨驅動,船舶實現零排放[17].

2.4.2 金槍魚延繩釣船

當BDS導航模塊檢測到金槍魚延繩釣船位于非漁場海域,航行速度大于8 kn,附近海域氣象條件有利于航行,此時漁船處于快速奔赴漁場或者運送漁獲等非捕撈作業工況,電動機和柴油機實現并車,共同驅動漁船,快速航行. BDS導航模塊實時顯示船舶位置,當控制系統檢測到漁船到達放釣海域,輸出信號,航速調整到4～8 kn,漁船運行在放釣工況,負載在柴油機額定功率附近,柴油機單獨驅動[18]. 當BDS導航模塊顯示船舶位置,控制系統檢測到船舶位于指定起釣海域,輸出信號,航速調整到2～4 kn,電動機單獨驅動漁船. 蓄電池荷電SOC高于30%時,電動機動力全部由蓄電池提供,純電力驅動,漁船實現零排放;當蓄電池荷電SOC低于30%時,能量管理系統輸出信號,柴油機帶動發電機為蓄電池充電,同時輸出推進動力,控制裝置和能量管理系統保持柴油機穩定工作在額定功率附近. 當BDS導航模塊檢測到漁船進入排放控制水域時,控制系統輸出信號,電動機單獨驅動,減少排放. 混合動力金槍魚釣船控制策略如圖1所示.

圖1 混合動力金槍魚釣船控制策略示意圖

3 基于BDS的混合動力推進系統節能分析

本文選取搭載BDS導航混合動力系統的某型公務船和金槍魚延繩釣船進行經濟性分析和節能效益研究.

3.1 工況分析

該型公務船主要行駛在內河和近海水域,負責港口管理、海事巡邏、突發情況處理和航道管理工作. 該型公務船總長19 m,型寬4 m,滿載排水量26.82 t,采用WP12C350船用高速柴油機作為主機,額定功率267 kW,電機額定功率80 kW. 具體航行工況如表2所示.

表2 某型號油電混合動力公務船工況

選取上海遠洋漁業公司的某型號金槍魚釣船為研究對象. 基于BDS導航的混合動力金槍魚釣船采用PTH形式(柴油機和電動機獨立運行). 排水量為380 t,其中船舶柴油機選取KTA38-MO為機型作為主機,額定功率598 kW,電動機額定功率120 kW,電力系統由中船重工七一一所集成設計[19].

金槍魚釣船具體作業工況如表3所示.

表3 金槍魚釣船作業工況

3.2 經濟性分析

船舶油耗量是衡量船舶推進系統經濟性的重要指標,燃油消耗量是耗油率與柴油機輸出功率和運行時間的乘積,總耗油量為船舶不同工況航行條件下耗油量之和.

3.2.1 公務船

該型公務船在內河水域執行公務航行,以柴油機的油耗為基準,每天工作8 h,其中滿負荷航行2 h,15%功率航行4 h,其余2 h為怠速. 通過耗油量和每天運營成本,分析基于BDS的混合動力公務船節油效果和經濟性.

表4 WP12C350 船用高速柴油機油耗

根據表4所示, 柴油機工作一天,平均耗油量=0.194×267×2+0.21×40×4+5.5×2=148 kg,按照目前市場價格船用柴油8000元/t計算,公務船每天運營的燃料費用=0.148×8000=1184 元.

基于BDS的混合動力推進系統,電力推進時,電池要保證驅動40 kW電動機運行兩個小時,同時根據電機效率為0.9計算,蓄電池容量應為90 kWh. 混合動力系統不存在柴油機怠速狀態運行,電動機驅動可以滿足低負荷條件下的航速需求.

電動機消耗的電量大致等于蓄電池容量,實際應用中,蓄電池充電效率約為0.8,所以每天耗電量=90/0.8=110 kWh. 混合動力系統中,與柴油機推進系統相比,節省了低功率(40 kW)和怠速狀態下的耗油量. 算出耗油量為102 kg,每天燃油費=0.102×8000=816 元. 公務船蓄電池可以進行岸電充電,根據上海市晚間峰谷電費0.5元/kWh計算,電費=110×0.5=55 元. 燃油費和電費構成混合動力公務船的運營成本. 算出每天運營成本=816+55=871 元. 基于BDS導航的混合動力公務船比柴油機推進公務船每日運營成本降低26%左右,使用岸電充電，節能環保,經濟性很好.

3.2.2 金槍魚釣船

上海遠洋漁業公司建造了兩艘金槍魚延繩釣船,均采用基于BDS導航的PTH形式混合動力推進系統. 這兩艘船已于2015年赴太平洋海域捕撈作業,滬漁918作為示范船,兩種推進系統具體燃油消耗情況如表5所示.

表5 兩種推進系統燃油消耗情況 L/h

表注：數據來源:示范船滬漁918輪

經過實船作業驗證,起鉤作業時混合動力金槍魚釣船可以節油25%,放鉤作業時節油23%,航行相同距離,混合動力系統節油14%左右. 經過多次漁船捕撈作業統計,基于BDS導航的混合動力金槍魚釣船一個作業周期綜合節約燃油10%～20%,節能效果顯著.

3.3 效益核算

船舶的成本主要包括初始設計建造成本和后期運行成本. 如果給船舶配備基于BDS的混合動力系統,需要增加BDS導航模塊、電力推進和儲能裝置. 基于BDS的船舶混合動力系統將會增加初始建造投資,但是后期運行節省燃油可降低運營成本,為了綜合分析經濟性,對公務船和金槍魚釣船進行效益核算.

混合動力系統電力推進和儲能裝置的成本主要包括電池、電動機、電池附件和電動機附件等,其中電池成本最高. 在船舶推進系統動力電池方面,中國船級社目前只對磷酸鐵鋰電池制定了船舶檢驗規范[20]. 磷酸鐵鋰電池充放電壽命高達4 000次,使用壽命長達4～7年,與其他同類電池相比價格相對較低,同時磷酸鐵鋰電池還有回收體系,廣泛應用于汽車和船舶動力電池領域. 船舶初始建造時,混合動力系統動力電池成本占總增加成本的45%～65%,后期運行時也將增加動力電池更換和維護成本[21].

針對公務船,總噸位30 t,主機功率300 kW的公務船,增加BDS導航模塊和混合動力系統系統需要多支出20萬元初始建造成本. 公務船,除去節假日,每年航行250天,每天節省運營成本359元,每年運營成本節約9萬元. 針對漁船,一艘總噸位400 t,主機功率600 kW的金槍魚延繩釣船,增加BDS導航模塊和混合動力系統需要多支出90萬元初始建造成本. 根據漁船作業經驗,每年2/3的時間金槍魚延繩釣船可以進行作業,則每年作業時間大約6 000 h(其中,起釣工況4 000 h,剩余2 000 h放釣作業),目前漁船柴油價格大約6.4元/L. 基于BDS的混合動力系統,作業一小時,放鉤工況節約15 L,起鉤工況節約5 L,這樣計算,每年節約燃油50 000 L,每年燃油費用可以少支出32萬元. 每年船舶建造成本收益率大約7%.根據計算[22]，大約4年就可收回基于BDS混合動力系統金槍魚釣船的投資成本. 假設船舶正常使用期限為20年， 經過計算，船舶在20年使用期限內共可節省345萬余元. 漁船在20年使用期限內共可節省829萬余元. 磷酸鐵鋰電池一般保修期5年，考慮到電池老化會增加能源消耗，假設5年進行一次電池更新. 基于BDS混合動力系統公務船和金槍魚釣船均可通過節油方式在五年內收回投資成本. 在20年的船舶使用期限內，需要進行動力電池更新和維修服務，磷酸鐵鋰電池具有回收體系,根據目前市場情況，更換電池成本是新購入電池成本的一半[23]. 經過計算，公務船使用期限內電池更換維護成本為18萬. 漁船使用期限內電池更換維護成本為67.5萬.

根據以上計算,船舶在20年的使用期限內,綜合節省的燃油費用和增加的電池更換維修費用,安裝基于BDS導航的混合動力系統,公務船共節省327萬元,金槍魚釣船共節省761.5萬元. 如果燃油價格繼續攀升,船舶成本回收周期將會進一步縮短. 國家大力支持新能源技術的發展,隨著電池行業規模效應和技術不斷革新,電池價格將逐漸下降,港口岸電設施不斷完善,混合動力系統電力推進裝置前期投資和后期維護成本將會進一步下降,使用壽命期限內節省成本會降低更多. 基于BDS導航的混合動力船舶,大幅減少主機低工況、低負載條件下的運行時間,減少柴油機積碳現象,有利于降低后期維修保養成本. 同時,電動機輔助推進提高推進系統冗余度,降低船舶動力系統出現故障的概率,減少主機不能作業引發事故的風險,大大增加船舶航行安全性和可靠性. 基于BDS的混合動力推進系統,不僅將燃油費用的直接成本大幅降低,而且節省了設備損耗、人力、運輸等燃料補給產生的間接成本.

另外,公務船蓄電池可以使用岸電充電,選擇晚上用電低谷期進行充電,進一步降低運營成本. 與金槍魚釣船相比,基于BDS的混合動力公務船行駛在內河和近海海域,BDS定位和航線規劃更準確,航跡糾正和航速反饋更及時,控制系統動力輸出管理水平更好,電力推進比例高,可以充分使用岸電充電,所以經濟性和效益更好.

4 結 論

本文針對公務船和金槍魚延繩釣船進行研究,提出基于BDS的混合動力系統,采取PTH方式作為混合動力推進方案,并結合公務船和金槍魚延繩釣船的航行工況,設計了相應的混合動力驅動模式. PTH方式的推進方案,降低低負載低功率狀態下船舶對主機的依賴性,依據BDS來獲取船舶的位置和航行速度來確定作業工況,并以此調整柴油機和電動機的動力輸出,改善柴油機工作條件,使保持在標定轉速附近工作,提高燃油效率,減少排放. 與傳統推進系統相比,船舶安裝基于BDS的混合動力推進系統,公務船運營成本降低26%,增加的投資成本可在3年內收回;金槍魚釣船綜合油耗降低15%～20%,增加的投資成本可通過節油方式在4年內收回,回收周期短. 隨著電池技術的不斷發展,電池成本和后期更換維護成本會逐漸降低,基于BDS的混合動力系統經濟效益會更好. 基于BDS的混合動力推進系統,增加了主推進冗余度,提高船舶航行安全性,從而降低一些風險因素和間接成本,具有廣闊的應用前景.