李建宇，張怡，趙新穎，諶志新*

(1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所， 上海 200092；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 深藍(lán)漁業(yè)工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266237)

中國(guó)是世界上漁船數(shù)量最多的國(guó)家，截至2019年底，共有機(jī)動(dòng)漁船46.83萬(wàn)艘[1]，由于裝備技術(shù)落后，導(dǎo)致中國(guó)海洋漁業(yè)特別是捕撈產(chǎn)業(yè)，仍然是以高投入、高消耗的資源依賴(lài)與消耗型的粗放增長(zhǎng)方式為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，漁船耗油量占海洋漁業(yè)生產(chǎn)成本的50%以上[2]，已影響到海洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。采用新技術(shù)提高漁業(yè)船舶的節(jié)能減排水平,是促進(jìn)海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施。近年來(lái)，為了響應(yīng)國(guó)家對(duì)漁船及裝備技術(shù)升級(jí)的要求，2011年，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所與北車(chē)集團(tuán)合作設(shè)計(jì)并建造了中國(guó)第一艘電力推進(jìn)漁船——36.5 m電力推進(jìn)拖網(wǎng)漁船，同時(shí)在工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目的支持下相繼設(shè)計(jì)建造了60.0 m電力推進(jìn)燈光圍網(wǎng)漁船和49.5 m金槍魚(yú)延繩釣船。電力推進(jìn)系統(tǒng)可以按照不同工況的需求來(lái)選擇發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行模式，使?jié)O船時(shí)刻處于最佳的運(yùn)行和工作狀態(tài)，使得發(fā)電機(jī)組的負(fù)載率以及燃油效率保持在一個(gè)相對(duì)比較高、比較節(jié)能的運(yùn)行狀態(tài),由于不同作業(yè)方式的漁船在典型作業(yè)周期內(nèi)的工況分配差別較大，采用電力推進(jìn)技術(shù)后的節(jié)能效果也各不相同，本研究以上述3種船型為例，在主參數(shù)保持不變的前提下，對(duì)電力推進(jìn)和常規(guī)推進(jìn)方式進(jìn)行典型作業(yè)周期的燃油消耗對(duì)比，詳細(xì)分析電力推進(jìn)方式在3種船型中的節(jié)能效果。

1 船型與配置

1.1 3種船型參數(shù)

漁船作業(yè)類(lèi)型可分為多種，作為典型捕撈作業(yè)方式的拖網(wǎng)、圍網(wǎng)和延繩釣捕撈漁船的數(shù)量最多。分別選取每種作業(yè)方式中的一種主流船型，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3種漁船主要參數(shù)Tab.1 Main parameters for three kinds of fishing vessels

1.2 常規(guī)推進(jìn)和電力推進(jìn)配置比較

電力推進(jìn)技術(shù)作為目前各國(guó)船舶制造業(yè)節(jié)能技術(shù)的研究重心，正在被廣泛地推廣和應(yīng)用。電力推進(jìn)系統(tǒng)可以按照不同工況的需求來(lái)選擇發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行模式，使?jié)O船時(shí)刻處于最佳的運(yùn)行和工作狀態(tài)，使得發(fā)電機(jī)組的負(fù)載率以及燃油效率保持在一個(gè)相對(duì)比較高、比較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)[3-10]。電力推進(jìn)方式與常規(guī)推進(jìn)方式的裝機(jī)功率數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 常規(guī)推進(jìn)與電力推進(jìn)配置比較Tab.2 The configuration comparison of conventional propulsion and electric propulsion

2 典型作業(yè)航次分析

2.1 拖網(wǎng)作業(yè)

該拖網(wǎng)漁船國(guó)內(nèi)作業(yè)，采用艉拖網(wǎng)方式捕撈漁獲，拖網(wǎng)漁船一般需日夜在海上作業(yè)，作業(yè)海況復(fù)雜，且作業(yè)工況變化較為頻繁，即低速高負(fù)荷、高速低負(fù)荷、低速低負(fù)荷的工況兼有，因此對(duì)拖網(wǎng)漁船的船舶操縱性要求較高。拖網(wǎng)速度一般為3～6 海里/h，自由航速為10～14海里/h。

經(jīng)過(guò)調(diào)研得知拖網(wǎng)漁船航次每種工況下作業(yè)的時(shí)長(zhǎng)，以及各組柴油機(jī)的油耗，見(jiàn)表3。

表3 典型拖網(wǎng)作業(yè)航次的油耗對(duì)比分析Tab.3 Comparison and analysis for fuel consumption of typical trawling voyages

2.2 圍網(wǎng)作業(yè)

燈光圍網(wǎng)漁船的特點(diǎn)是在其首部、舷側(cè)及船底水中部位，安裝一定數(shù)量的電燈。電燈的亮度大，照射深度可調(diào)節(jié)。當(dāng)電燈全部開(kāi)啟時(shí)，在茫茫大海中出現(xiàn)一片光彩奪目的景象。具有趨光特性的魚(yú)群，向燈光區(qū)域游來(lái)。此時(shí)，燈光圍網(wǎng)漁船等待時(shí)機(jī)下漁網(wǎng)，在魚(yú)群周?chē)鹨坏缼浊组L(zhǎng)、一二百米深的水下籬笆。然后，收攏漁網(wǎng)，等至凌晨4點(diǎn)，再用小抄網(wǎng)、三角網(wǎng)把魚(yú)撈到運(yùn)輸船上，直至凌晨6點(diǎn)運(yùn)輸上岸。

燈光圍網(wǎng)漁船的作業(yè)流程大概可以分為以下幾個(gè)階段：航行、誘魚(yú)、起放網(wǎng)等。在航行漁場(chǎng)階段，漁船通常以設(shè)計(jì)航速航行，此時(shí)船舶消耗的功率主要用于船舶推進(jìn)；在起放網(wǎng)階段，船舶全速航行，此時(shí)船舶消耗的功率主要用于船舶推進(jìn)、甲板機(jī)械正常工作漁獲物冷凍或冷藏。

經(jīng)過(guò)調(diào)研得知圍網(wǎng)漁船航次每種工況下作業(yè)的時(shí)長(zhǎng)，以及各組柴油機(jī)的油耗，見(jiàn)表4。

表4 典型圍網(wǎng)作業(yè)航次的油耗對(duì)比分析Tab.4 Comparison and analysis for fuel consumption of typical purse seiner operations

2.3 延繩釣作業(yè)

延繩釣船在進(jìn)行海上捕撈作業(yè)時(shí),每天一個(gè)作業(yè)周期，黎明開(kāi)始放釣作業(yè)，作業(yè)航速維持在7～8 kn，耗時(shí)4～6 h，放釣結(jié)束后等待3～5 h開(kāi)始起釣作業(yè)，此時(shí)船舶處于低速巡釣狀態(tài)，航速維持在4～6 kn，起釣作業(yè)時(shí)船舶以2～4 kn的航速低速航行，耗時(shí)13～14 h。

經(jīng)過(guò)調(diào)研得知延繩釣漁船航次每種工況下作業(yè)的時(shí)長(zhǎng)，以及各組柴油機(jī)的油耗，見(jiàn)表5。

表5 典型延繩釣作業(yè)航次的油耗對(duì)比分析Tab. 5 Comparison and analysis for fuel consumption of typical longline fishing vessel voyages

3 節(jié)能對(duì)比分析

3.1 拖網(wǎng)漁船節(jié)能性對(duì)比分析

電力推進(jìn)技術(shù)運(yùn)用在拖網(wǎng)漁船上具有低速大扭矩、勻低速運(yùn)行、操縱靈活及經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，非常適合于漁船工況復(fù)雜的使用環(huán)境。既可以避免發(fā)電機(jī)組等設(shè)備在低功率工況下運(yùn)行的壽命損耗和能源浪費(fèi)，又能夠提高整體工作效率。

航次燃油消耗量 Q 的計(jì)算公式為：

Q=p×g×t

式(1)

公式(1)中：p是該工況下柴油機(jī)功率，單位是kW；g是柴油發(fā)電機(jī)每發(fā)出 1 kW·h 的電，或者做相應(yīng)的功所消耗的燃油量，單位是kg/(kW·h)；t是航次下漁船處于該工況的作業(yè)時(shí)間，單位是h。

由表3可得，電力推進(jìn)方式半年時(shí)間共節(jié)油11.8 t，電力推進(jìn)漁船在拖網(wǎng)作業(yè)全過(guò)程中整體節(jié)能6%左右。

拖網(wǎng)漁船不同推進(jìn)方式下各工況油耗情況具體見(jiàn)圖1。

圖1 拖網(wǎng)漁船不同推進(jìn)方式各工況油耗對(duì)比分析Fig.1 Comparison and analysis for fuel consumption of trawlers with different propulsion modes under various working conditions

通過(guò)圖1發(fā)現(xiàn)，電力推進(jìn)方式相比常規(guī)推進(jìn)方式在起網(wǎng)工況中節(jié)能效果非常明顯，在航行工況、下網(wǎng)工況和拖網(wǎng)工況中有一定的節(jié)能效果。

拖網(wǎng)漁船采用電力推進(jìn)技術(shù)后，制造成本上升20% 左右，節(jié)能效果能達(dá)到10%[3]。在節(jié)能減排已成為全社會(huì)共識(shí)的背景下，相信電力推進(jìn)拖網(wǎng)漁船能夠得到一定的發(fā)展。

3.2 圍網(wǎng)漁船節(jié)能性對(duì)比分析

由表4得，半年時(shí)間共節(jié)油81.08 t，電力推進(jìn)漁船在燈光圍網(wǎng)作業(yè)全過(guò)程中整體節(jié)能13.46%左右。

圍網(wǎng)漁船不同推進(jìn)方式下各工況油耗情況具體見(jiàn)圖2。

圖2 圍網(wǎng)漁船不同推進(jìn)方式各工況油耗對(duì)比分析Fig.2 Comparison and analysis for fuel consumption of purse seiner with different propulsion modes under various working conditions

通過(guò)圖2發(fā)現(xiàn)，電力推進(jìn)方式相比常規(guī)推進(jìn)方式在誘漁工況中節(jié)能非常明顯，在航行工況、下網(wǎng)工況和起網(wǎng)工況中有一定的節(jié)能效果。

通過(guò)對(duì)電力推進(jìn)燈光圍網(wǎng)漁船與傳統(tǒng)推進(jìn)漁船的一系列比較，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)可以增加推進(jìn)效率，減少裝機(jī)功率和燃油消耗量，同時(shí)節(jié)約了漁船的營(yíng)運(yùn)成本，在當(dāng)前大力倡導(dǎo)漁業(yè)節(jié)能減排的背景下具有極高的應(yīng)用價(jià)值。目前，該船已經(jīng)在相關(guān)海域進(jìn)行圍網(wǎng)作業(yè)，作業(yè)情況良好，在節(jié)能減排上的優(yōu)勢(shì)也得到了體現(xiàn)。電力推進(jìn)裝置在燈光圍網(wǎng)漁船上的成功應(yīng)用，也為其在其他作業(yè)類(lèi)型漁船的推廣應(yīng)用做了重要的技術(shù)儲(chǔ)備。

3.3 延繩釣漁船節(jié)能性對(duì)比分析

由表5得，半年時(shí)間共節(jié)油110.23 t，電力推進(jìn)漁船在延繩釣作業(yè)全過(guò)程中整體節(jié)能19.47%左右。

延繩釣漁船不同推進(jìn)方式下各工況油耗情況具體見(jiàn)圖3。

圖3 延繩釣漁船不同推進(jìn)方式各工況油耗對(duì)比分析Fig.3 Comparison and analysis for fuel consumption of longline fishing vessel with different propulsion modes under various working conditions

通過(guò)圖3發(fā)現(xiàn),電力推進(jìn)方式相比常規(guī)推進(jìn)方式在航行工況中與傳統(tǒng)推進(jìn)能耗相當(dāng)，在投繩工況、巡航工況和起繩工況中節(jié)能效果非常明顯。

49.5 m電力推進(jìn)延繩釣漁船電力推進(jìn)系統(tǒng)高度自動(dòng)化，在電站管理方面集人工經(jīng)驗(yàn)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化和檢測(cè)技術(shù)于一體，推進(jìn)變頻器的功率控制功能可使船舶在惡劣的海況及復(fù)雜作業(yè)條件下保護(hù)船舶動(dòng)力裝置的安全，并保證船舶有穩(wěn)定可靠的電力來(lái)源。電力推進(jìn)系統(tǒng)操縱靈活，正車(chē)倒車(chē)無(wú)縫切換，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，在較低航速工況下比較節(jié)能減排，且在全壽命周期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，這一系列優(yōu)點(diǎn)使得電力推進(jìn)系統(tǒng)成為延繩釣漁船舶較優(yōu)選擇。

3.4 3種漁船電力推進(jìn)節(jié)能性對(duì)比分析

通過(guò)3種漁船船型電力推進(jìn)方式下詳細(xì)對(duì)比分析繪制柱狀圖，總節(jié)油量柱狀圖見(jiàn)圖4。

由圖4得知，電力推進(jìn)最適合在延繩釣漁船上應(yīng)用，是今后的重要發(fā)展方向，在效率、能耗、環(huán)保等方面相比于傳統(tǒng)漁船都有很大優(yōu)勢(shì)。如噪聲低、機(jī)動(dòng)性能好，降低燃油消耗和廢氣排放降低了船舶對(duì)環(huán)境空氣的污染，減少了油污水等排放物的處理成本。

圖4 3種漁船電力推進(jìn)方式節(jié)油對(duì)比分析Fig.4 Comparison and analysis for fuel saving of three fishing vessels with electric propulsion method

4 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)家倡導(dǎo)發(fā)展綠色漁業(yè)、節(jié)能減排、漁船技術(shù)革新的背景下，電力推進(jìn)漁船有著很高的實(shí)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)對(duì)比，延繩釣漁船采用電力推進(jìn)方式節(jié)能效果最為明顯，而拖網(wǎng)漁船節(jié)能效果最不明顯。采用電力推進(jìn)后船舶不僅減少燃油消耗和廢氣排放，明顯減低了船舶對(duì)環(huán)境空氣的污染。本研究為電力推進(jìn)系統(tǒng)在其他漁船上的推廣和應(yīng)用打下了技術(shù)基礎(chǔ)。