柴电混合动力系统在金枪鱼延绳钓船上的应用

周劲望，叶守建

(上海水产集团，上海 200082)



柴电混合动力系统在金枪鱼延绳钓船上的应用

周劲望，叶守建

(上海水产集团，上海 200082)

柴电混合动力系统应用于船舶领域有三种形式：PTO(power take out)、PTI(power take in)和PTH(power take home)形式。为了满足金枪鱼延绳钓船航行和作业两种工况，将PTH形式柴电混合动力系统应用于金枪鱼延绳钓船上。金枪鱼延绳钓船在自由航行高航速工况时，使用柴油机动力；在钓鱼作业低航速工况时，使用电力动力。上海水产集团先后建造了5条配备柴电混合动力系统的金枪鱼延绳钓船。经过实践证明，PTH形式传动系统完全可以应用于金枪鱼延绳钓船，并具有满足两种工况，提高冗余度，增加安全性，降低燃油消耗，节能减排的效果，对于金枪鱼延绳钓船是一个非常好的选择。

金枪鱼延绳钓船； 柴电混合动力； PTH形式两种工况油耗

随着世界能源问题日益突出，混合推进形式不断运用于汽车、船舶等交通工具上。机电混合动力系统在汽车上已经有着广泛而成熟的应用，但在渔业捕捞船舶上的应用还并不多[1-2]。近几年，国家对于远洋渔业的发展高度重视。2013年国务院印发了《国务院关于促进海洋渔业持续健康发展的若干意见》和《船舶工业加快结构调整促进转型升级实施方案(2013-2015年)》，农业部制定了《关于促进远洋渔业持续健康发展的意见》、《关于贯彻落实<国务院关于促进海洋渔业持续健康发展的若干意见>的实施意见》等一系列政策措施，为中国远洋渔业行业明确了发展目标，指明了发展方向，部署了发展措施。远洋渔业是推进国家海洋经济发展战略的重要方面，金枪鱼延绳钓船是远洋渔业的重要组成部分，此前，柴电混合动力系统一直未在我国金枪鱼延绳钓船上实船应用。2013年，在上海市科委的支持下，上海水产(集团)总公司牵头开展了金枪鱼延绳钓渔船柴电混合动力系统的研究和示范[3-6]，在国内首次将柴电混合动力系统应用于金枪鱼延绳钓船。

1 柴电混合动力系统

柴电混合动力系统是指包含柴油机驱动和电力驱动两个部分的动力系统。作为一种新型驱动形式，柴电混合驱动系统具有调速范围广、驱动力大、易于正反转、体积小、布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点。

柴电混合动力系统应用于船舶领域有PTO(power take out)、PTI(power take in)和PTH(power take home)三种形式(见图1)。PTO形式是指柴油机作为原动机，通过齿轮箱，带动螺旋桨转动，推进船舶前进，同时带动轴带发电机转动，发电供全船使用。PTI形式是指柴油机作为原动机，通过齿轮箱，带动螺旋桨转动，电动机作为原动机，通过齿轮箱，带动螺旋桨转动；以柴油机为主，电动机为辅，共同推动螺旋桨，电动机不单独推进螺旋桨。PTH形式是指柴油机作为原动机，通过齿轮箱，带动螺旋桨转动，电动机也可以作为原动机，通过齿轮箱，带动螺旋桨转动；柴油机、电动机分别独立推动螺旋桨转动，不可以两者并车同时运行[7-9]。

图1 机电混合动力系统分类Fig.1 Electromechanical hybrid power system classification

PTO形式一般运用于用电量大，主机作业工况下富裕功率多的渔船之上，可以将船舶主机的功率转换为电能供全船使用。PTI形式一般运用于主推进功率需求较大的船舶之上，可以将船舶主电网的电能用于推进，增大推进功率。PTH形式一般运用于具有两种不同工况的船舶。通常情况下，渔业捕捞或工程类船舶均存在正常航行

及生产作业两种不同工况，因此，考虑到两种工况下船舶对驱动功率的不同要求，将柴油机驱动按照一种工况设计，电力驱动按照一种工况设计，就能满足两种不同工况需求。

由于金枪鱼延绳钓船的工作特性，主推进系统需要满足可以长时间运行于两种完全不同的航行或作业工况。第一种工况为航行工况，设计航速为10～12 kn，主要为往返、转移渔场等正常航行时；第二种工况为作业工况，设计航速为4～7 kn，主要为放起鱼钩作业时；且这两种工况的运营时间基本等同。根据金枪鱼延绳钓船的工况特点，为兼顾两种不同工况下对推进功率的不同需要，并保证柴油机自身能工作在最佳的运行工况下，因此将该船舶的推进系统设计为混合驱动并选择PTH形式是最合适的。柴油机动力推进满足航行工况，电力动力推进满足作业工况。

PTH形式的柴电混合动力系统由柴油机动力系统和电力动力系统组成。柴油机和电动机通过齿轮箱的离合器分别连接螺旋桨，推动船舶前进。两套系统分别具有独立的控制系统。电动机的动力由船舶主电网通过配电板与变频器提供。

图2 PTH形式动力系统示意图Fig.2 PTH type power system diagram

2 实船应用结果

上海水产(集团)总公司在上海市科委的支持下，将PTH形式的混合动力推进系统应用于远洋金枪鱼延绳钓渔船之上，在2013年建成沪渔918、沪渔919两艘船的基础上，于2014年又开工建造了三艘49.9 m金枪鱼延绳钓船沪渔927、沪渔928与沪渔929。这三艘船均应用了PTH形式的混合动力系统。其中柴油机动力部分选用了康明斯KTA38-M0/671 kW机型作为主机，主机功率671 kW；电力动力部分则由中国船舶重工集团公司第七一一研究所系统设计并集成，选用了ABB公司的变频器和电动机，电机功率200 kW。这三艘船已于2015年赴太平洋捕捞作业。对示范船沪渔927轮两种推进系统对比的情况见表1。

表1 两种推进系统对比

数据来源:示范船沪渔927轮.

Data source: fishing boat, HuYu 927

3 讨论

实船应用表明，柴电混合动力系统完全可以应用于金枪鱼延绳钓船，并且具有如下优点：

1) 使用PTH系统，满足两种工况要求。当航行工况时，高航速，使用柴油机动力；当作业工况时，低航速，使用电力动力。对于这两种不同工况，混合动力均能使船舶动力系统运行在最佳状态。

2) 使用PTH系统，增加了动力系统的冗余度。当柴油机动力部分或者电力动力出现故障时，均可使用另一个未出现故障的动力部分保证船舶的安全航行，有效地提升了船舶航行和生产的可靠性和安全性。

3) 使用PTH系统，节约了燃油消耗。根据燃油消耗统计情况，综合分析，使用混合动力后可以节省燃料消耗15%左右，大大降低了运行成本，同时达到了节能减排的目的。

4) 使用PTH系统，避免了主机长时期低负荷工作。在起钩或放钩作业时，航速较低，若使用柴油机动力，则燃油燃烧不充分，油耗率升高，且柴油机会出现积炭，导致增压器背压增加，引起喘振。若使用混合动力，则低工况下，可以使用发电机发电，推进电动机推进船舶，从而避免产生这些不良影响。

5) 使用PTH系统，增加了主电网备用容量。主电网容量增加，对于电网性能稳定，电网冗余度均有好处，同时发电机组从两台增加至三台，大大提高了电网的安全性。

6) 使用PTH系统，比全电力方式更经济、更方便。使用全电力推进系统虽然也能满足两种工况，解决问题，但是价格昂贵，系统复杂，装置体积大而布置困难，设备需要额外冷却系统，由于金枪鱼延绳钓船舶普遍吨位及机舱空间较小，且该船舶常年在远洋海域生产，维修保养难度大。混合动力系统则相对价格低廉，维护及操作简单。

金枪鱼延绳钓船需要一种更加经济、更加可靠的动力模式。经过实践证明，混合动力系统作为一种新型的动力模式，能够满足两种不同工况需求，具有诸多优点，对于金枪鱼延绳钓船是一个非常好的选择，具有极强的推广意义。

[1] 刘子健，张宇．混合动力推进系统在深海工作船的应用[J]. 科技创新与应用，2015 (19)： 61.

[2] 周庆波，艾钢，赵同宾，等. 柴-电混合动力系统应急推进模式仿真研究[J]. 船舶工程，2011，33(4)：16-19.

[3] 杨子江. 《国务院关于促进海洋渔业持续健康发展的若干意见》解析与思考[J]. 中国水产，2013(8)：8-10.

[4] 张勋，张禹，周爱忠，等. 我国远洋渔业渔具发展概况[J]. 中国农业科技导报，2013，15(6)：16-19.

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[6] 刘身利. 中国远洋渔业发展和渔船装备问题探讨[J]. 渔业现代化，2011，37(6)：19-25.

[7] 都劲松，史斌杰，石浩舰，等. 金枪鱼延绳钓船机电混合动力系统节油效果分析[J]. 渔业现代化，2016，43(1)：52-55.

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Application of electromechanical hybrid propulsion system in tuna longlines

ZHOU Jin-wang, YE Shou-jian

(ShanghaiFisheriesGroup,Shanghai200082,China)

There are three types of hybrid power systems used in the field of ship, including PTO, PTI and PTH. In order to meet the two working conditions of voyage and operation of tuna long liners,the PTH is applied. When a tuna long liner is sailing at high speed, it is driven by diesel engines, and when it is fishing at low speed, electricity is used as power. Shanghai Fisheries Group has built five tuna long liners with hybrid power system.Results shows that PTH type hybrid system in tuna long liners can not only meet the needs of above two working conditions , but also increase the redundancy improve the security,and reduce the fuel consumption. It has obvious advantages in energy saving and emission reduction, thus is the good choice for tuna long liners.

tuna loglines; hybrid propulsion; electric propulsion system

2095-3666(2016)03-0206-04

10.13233/j.cnki.fishis.2016.03.006

2016-04-25

2016-05-27

上海市科委创新行动计划(13dz1203700)

周劲望(1958-)，男，高级工程师，研究方向：远洋渔业资源及开发。E-mail:jwzhou9088sh@126.com

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