海洋捕撈漁船推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能的技術(shù)途徑

1、Construction Technics1 捕撈漁船耗能現(xiàn)狀及原因分析隨著燃油價(jià)格的上漲和常規(guī)能源的日漸枯竭，能源的有效利用和合理使用得到越來越多的重視。我國是世界上漁船數(shù)量最多的國家，漁船耗油量占海洋漁業(yè)生產(chǎn)成本的50%以上，約占全國柴油總消耗量的13%。燃油消耗成本是影響海洋漁業(yè)發(fā)展的最主要因素，也成為制約漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。開展?jié)O船節(jié)能降耗工作，積極推廣經(jīng)濟(jì)節(jié)能漁船船型，廣泛應(yīng)用漁船節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品，必將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效應(yīng)，使?jié)O業(yè)船舶逐步走上科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、能源消耗低、環(huán)境污染少、對(duì)資源破壞較小、人力資源優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的資源節(jié)約型的發(fā)展道路。在漁業(yè)船

2、舶中，海洋捕撈漁船占有重要的地位，其動(dòng)力裝置的優(yōu)化配置是一個(gè)典型的課題。目前我國漁船柴油機(jī)動(dòng)海洋捕撈漁船推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能的技術(shù)途徑Technical Means of Energy-saving for Propulsion System ofMarine Fishing Vessel嚴(yán) 謹(jǐn)，揣華建，李 湛（ 廣東海洋大學(xué)，湛江 524088 ）YAN Jin, CHUAI Huajian, LI Zhan( Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088 Abstract: Energy consumption of propulsion system

3、for marine shing vessel has greatly in uenced the development of ocean shery. This paper analyzes present status and reasons of energy consumption for marine shing vessel, discusses the theoretical bases of energy-saving of propulsion system and presents several primary technical means of propulsion

4、 system. Analysis indicates that energy-saving of propulsion system is involved in many factors, such as ship type, ship performance, selection of main engine and propeller, etc.Key words: Marine shing vessel; Propulsion system; Energy-saving; Technical means摘 要：捕撈漁船推進(jìn)系統(tǒng)能耗問題是影響海洋漁業(yè)發(fā)展的重要因素。本文對(duì)當(dāng)前捕撈漁船的

5、能耗現(xiàn)狀及原因進(jìn)行了剖析，探討了推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能的理論基礎(chǔ)，提出了推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能的幾條主要技術(shù)途徑。最后指出，推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須全面考慮船型、船的性能、主機(jī)和螺旋槳的選配等諸多因素，以使推進(jìn)效率達(dá)到最佳。關(guān)鍵詞：海洋捕撈漁船；推進(jìn)系統(tǒng)；節(jié)能；技術(shù)途徑力裝置的熱利用率還很低，估計(jì)只有30%左右，而國外一般船舶熱利用率高達(dá)50%以上，這說明我國漁船推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能的潛力還很大。如果能將熱利用率提高20%，就能節(jié)省很大數(shù)量的柴油，也相應(yīng)減少了排放污染1。造成我國漁船推進(jìn)系統(tǒng)效率較低的主要原因是：漁業(yè)船舶動(dòng)力裝置（主機(jī)）性能與日本等發(fā)達(dá)國家相比，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等都存在一定差距；我國群眾漁業(yè)船舶在

6、設(shè)計(jì)、制造上還比較落后(特別是沙灘造船，缺少詳細(xì)的漁船設(shè)計(jì)資料；漁業(yè)船舶螺旋槳制造無據(jù)可循，加工工藝落后；我國近海漁業(yè)資源嚴(yán)重衰退，傳統(tǒng)作業(yè)方式發(fā)生改變，大量漁船進(jìn)行了改造。這些原因造成了船、機(jī)、槳、網(wǎng)匹配不盡合理，漁船主機(jī)功率得不到充分發(fā)揮，制約了漁業(yè)生產(chǎn)的發(fā)基金項(xiàng)目：廣東省自然科學(xué)基金 ( 7301156 作者簡介：嚴(yán) 謹(jǐn)（1974-），男，副教授，主要從事船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面研究。收稿日期：2009年11月13日Construction Technics展，而且增加了漁船的能耗。隨著國際市場(chǎng)石油價(jià)格的持續(xù)上漲，漁撈成本大為增加，漁業(yè)生產(chǎn)陷入了低谷，面臨著極為嚴(yán)峻的形勢(shì)2。2 推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能的理

7、論基礎(chǔ)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能分析，其理論基礎(chǔ)仍然是熱力學(xué)第一和第二定律。分析船舶推進(jìn)系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化效果和節(jié)能潛力的大小，傳統(tǒng)的和習(xí)慣用的方法是用“熱效率”和“熱損失”指標(biāo)來衡量，熱效率越低和熱損失越大說明能量的轉(zhuǎn)換效果越差，節(jié)能潛力越大。另外，也可以根據(jù)熱平衡的方法，繪出熱流圖或列出熱平衡表，從中看出有多少能量被損失和在什么地方損失，多少能量能被有效利用等。這些都是從熱平衡概念出發(fā)，其依據(jù)是熱力學(xué)第一定律。這種分析方法具有很大的片面性和局限性，因?yàn)樗罁?jù)的僅僅是能在量上的守恒，而不是能的全面本性，沒有考慮到能在質(zhì)量上的差別，因而帶有不夠全面和不夠合理的成分。熱力學(xué)第二定律所涉及的就是能在質(zhì)方面的本

8、性，不同質(zhì)的能量其做功能力是不同的。第二定律述及過程的方向性和不可逆性，揭示了能量轉(zhuǎn)換方向的不對(duì)等性。當(dāng)任何一種形式的能量被轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量時(shí)，能的量不發(fā)生變化，但其質(zhì)只可能降低或不變。也就是說能在質(zhì)上具有貶值的特性，能質(zhì)的降低意味著做功能力的減少。為了合理衡量和正確反映能量轉(zhuǎn)換效果、熱能利用裝置的完善性和技術(shù)措施的有效程度，必須同時(shí)依據(jù)熱力學(xué)第一、第二定律綜合能量的數(shù)量和質(zhì)量3。從推進(jìn)系數(shù)（ 分別是軸系傳動(dòng)效率、敞水螺旋槳效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和船身效率）的定義來看，降低主機(jī)燃油耗量，提高推進(jìn)效率，主要與船舶航行阻力、螺旋槳推進(jìn)性能和船機(jī)槳最佳配合等因素有關(guān)。實(shí)際中，提高整個(gè)船舶推進(jìn)

9、系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性不但要提高熱能在各個(gè)部件中的能量轉(zhuǎn)換效果，還要從整體角度考慮使熱能得到最大限度的和合理的利用。因此就要揭示在能量轉(zhuǎn)換過程中引起的各種損失和檢驗(yàn)?zāi)芰坷玫挠行С潭?，研究減少這些損失的途徑和方法以及提高推進(jìn)系統(tǒng)熱能轉(zhuǎn)換效果的規(guī)律，以有效提高整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。3 推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)能的技術(shù)途徑3.1 推廣經(jīng)濟(jì)節(jié)能漁船船型在新建造的漁船設(shè)計(jì)方面，必須重點(diǎn)考慮節(jié)能問題?？梢赃m當(dāng)減小船的方形系數(shù)，以降低興波阻力、渦流阻力，減少主機(jī)功率消耗。再比如采用輕型船體材料、合理選擇尺度、光順線型、提高建造精度、減少固定壓載、減小船體表面粗糙度、采用球首等。此外，玻璃鋼漁船具有廣闊推廣前景，玻璃鋼漁船比鋼質(zhì)

10、漁船節(jié)油6%，比木質(zhì)漁船節(jié)油10%。玻璃鋼漁船、鋼質(zhì)漁船和木質(zhì)漁船的使用壽命分別是30年、20年和10年1。3.2 充分利用柴油機(jī)的熱效率柴油機(jī)是漁船的心臟，它的燃燒和運(yùn)轉(zhuǎn)性能，直接影響能源消耗，在選型和改造時(shí)都必須慎重考慮。以前，我國有較大部分漁船使用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，是國外淘汰下來的舊柴油機(jī)，這些舊機(jī)器普遍油耗很大，故障較多。近些年，國產(chǎn)新機(jī)型不斷涌現(xiàn)，為漁船主機(jī)選型提供了有利條件。漁船設(shè)計(jì)時(shí)也要對(duì)主機(jī)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。選用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)除了考慮低能耗外，主機(jī)盡量采用單機(jī)單槳，避免采用3機(jī)3槳，有效利用主機(jī)功率。此外，可以通過改善機(jī)艙通風(fēng)情況和采取舷外進(jìn)氣等措施，提高主機(jī)的燃燒效率。利用主機(jī)產(chǎn)生的廢氣

11、熱能進(jìn)行制冰和海水淡化，可進(jìn)一步降低成本。3.3 實(shí)現(xiàn)船、機(jī)、槳、網(wǎng)的優(yōu)化匹配漁船是一種多工況船舶，這就決定了漁船主機(jī)的工作條件十分復(fù)雜，而主機(jī)功率能否充分發(fā)揮以及主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下是否超負(fù)荷，除了主機(jī)本身的因素以外，船體、主機(jī)、螺旋槳以及網(wǎng)的匹配對(duì)其有重要影響。而目前使用中的漁船，船、機(jī)、槳、網(wǎng)匹配不盡合理的情況屢見不鮮，特別是對(duì)于群眾漁業(yè)的小型漁船，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，不匹配率竟高達(dá)40%以上，這不但降低了漁船的經(jīng)濟(jì)效率，而且給漁船的安全生產(chǎn)帶來隱患。通過對(duì)漁船主機(jī)軸功率進(jìn)行實(shí)船測(cè)試，不僅可以發(fā)現(xiàn)主機(jī)的技術(shù)狀況是否良好，而且可以判斷船、機(jī)、槳、網(wǎng)匹配的情況，為船廠和用戶提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便及時(shí)

12、進(jìn)行修理或調(diào)整，以保證主機(jī)和整個(gè)船舶都處于良好的技術(shù)狀態(tài)4。建議對(duì)于新建造船舶、大修后、船舶設(shè)備或船舶結(jié)構(gòu)有較大改進(jìn)或改裝可能影響到船舶吃水或航行阻力時(shí)，都應(yīng)對(duì)軸功率進(jìn)行測(cè)試。3.4 采用雙速比齒輪箱, 合理選擇主機(jī)工況點(diǎn)在捕撈漁船中，拖網(wǎng)漁船約占80%以上。由于拖網(wǎng)捕撈漁船作業(yè)的特殊性，存在著自由航行與拖網(wǎng)航行之間的矛盾，雙速比齒輪箱可解決這一矛盾。它保證了漁船在自由航行時(shí)有較高的航速，在拖網(wǎng)航行時(shí)有較大的拖力。經(jīng)驗(yàn)表明，采用雙速比齒輪箱后，在自航和拖網(wǎng)兩檔速比下，主機(jī)都能保持在額定轉(zhuǎn)速下工作，充分發(fā)揮了主機(jī)的功率。拖力和拖速的增加，使我們可以適當(dāng)加大網(wǎng)具以增大掃海面積，提高漁船單產(chǎn)量。另外

13、，使用雙速比齒輪箱，漁船在拖網(wǎng)工況時(shí)減少了柴油機(jī)“冒黑煙”、超負(fù)荷以及由于低速大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)造成的單位時(shí)間耗油量高等不利狀況，節(jié)油率可達(dá)5%左右5。3.5 安裝水動(dòng)力附加節(jié)能裝置水動(dòng)力附加節(jié)能裝置有：前置導(dǎo)管（又稱進(jìn)流補(bǔ)償導(dǎo)管）、適伴流導(dǎo)管、舵球鰭（又稱導(dǎo)流罩推力鰭組合裝置）、槳轂帽鰭、槳前扇形整流鰭、整流隔板、不對(duì)稱船尾線型。它們的特點(diǎn)：一是改善螺旋槳的進(jìn)流，使槳之進(jìn)流更均勻些；二是減少或消除船尾（或槳轂帽后部）的水流分離；三是產(chǎn)生附加推力（各種導(dǎo)管和某些鰭）；四是使槳之進(jìn)流預(yù)旋，把螺旋槳尾流中原先損失的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為推進(jìn)。各項(xiàng)水動(dòng)力附加節(jié)能裝置可節(jié)能5%8% 6。此外，根據(jù)捕撈漁船的工況特點(diǎn)，

14、合理（下轉(zhuǎn)第46頁）s r P C t C =，其中C ，P ，r 和s Construction Technics （上接第32頁）設(shè)計(jì)螺旋槳的工況點(diǎn)，盡可能選用調(diào)距槳、大直徑低轉(zhuǎn)速螺旋槳等，也可以有效改善尾流，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。3.6 根據(jù)不同漁船，確定節(jié)能航速對(duì)于給定航程，提高漁船的航速固然可縮短時(shí)間，但需提高主機(jī)的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致推進(jìn)效率下降。從推進(jìn)特性曲線看，漁船航速與主機(jī)轉(zhuǎn)速是成正比，而推進(jìn)功率與航速或主機(jī)轉(zhuǎn)速是三次方的關(guān)系。例如：當(dāng)航速從額定時(shí)的100%下降到95%時(shí)，降低5%（也即降低主機(jī)轉(zhuǎn)速5%），可使主機(jī)功率下降14.3%，節(jié)省燃油9.7%，延長航行時(shí)間5.3%；降低航速10%，則

15、主機(jī)功率下降27.1%，節(jié)省燃料19%，延長航行時(shí)間11.1%。同時(shí)，在降低主機(jī)轉(zhuǎn)速航行時(shí)，還可使螺旋槳的效率有所提高，因而從降低機(jī)械損失方面也得到了好處。一般螺旋槳轉(zhuǎn)速每降低1%，螺旋槳效率可提高0.25%0.3%1?？梢姖O船的航速對(duì)主機(jī)消耗的功率與燃油消耗有巨大的影響，航速的降低率將帶來主機(jī)功率與耗油降低率的成倍增加。4 結(jié)束語綜上所述，合理設(shè)計(jì)漁船動(dòng)力裝置及推進(jìn)系統(tǒng)的整個(gè)過程是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須全面考慮船型、船的性能（如航速、拖力等指標(biāo)）、主機(jī)的功率配置和螺旋槳等節(jié)能裝置的選取等諸多因素，這樣才能使?jié)O船推進(jìn)系統(tǒng)的整體性能達(dá)到最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)以最高的推進(jìn)效率做功，從而使燃料損耗率達(dá)到最低限度

16、，達(dá)到節(jié)能增效的目的。參考文獻(xiàn)1 蔡學(xué)廉,王世明.漁船節(jié)能減排存在的問題與對(duì)策J.河北漁業(yè),2008, 180(12:50-53.2 宋秋紅,夏泰淳,張健等.漁船動(dòng)力裝置優(yōu)化配置的研究J.造船技術(shù), 2007,275(1:16-19.3 任文江,施潤華.船舶動(dòng)力裝置節(jié)能M.上海交通大學(xué),19914 宋協(xié)法,焦志剛.通過主機(jī)軸功率的測(cè)試判斷船體、主機(jī)、螺旋槳三者 的匹配狀況J.海洋湖沼通報(bào),1997,1:18-22.5 朱建康.淺談漁船節(jié)能的幾種有效途徑J.中國水產(chǎn),1995,8:35-36.6 蔡學(xué)廉.漁船節(jié)能開發(fā)和推廣要點(diǎn)J.漁業(yè)現(xiàn)代化,2007,2:61-62.3 分析螺旋槳和螺旋槳軸采用

17、無鍵連接，原設(shè)計(jì)錐度要求：20，按目前的小端尺寸計(jì)算出實(shí)際錐度為（765-683.45）/1 629=1：19.975，CCS規(guī)范要求錐度不大于1/15，所以實(shí)際錐度還是滿足規(guī)范要求。螺旋漿位置示意圖見圖3。后空腔長度 A 50mm 前空腔長度 B 40mm 螺旋槳轂到螺旋槳軸錐度小端距離 C 21mm 螺旋槳轂長度 D 1650mm 螺旋槳軸錐度段長度 E1629mm圖3 螺旋槳位置示意圖1）應(yīng)船東的要求，我們通知螺旋槳廠家對(duì)實(shí)際錐度下的壓入量重新進(jìn)行了計(jì)算，并重新送審。在廠家計(jì)算的同時(shí)，我們也根據(jù)CCS規(guī)范計(jì)算了螺旋槳的壓入量。計(jì)算公式采用CCS規(guī)范第3篇第11章11.4.5螺旋槳油壓無鍵

18、安裝的壓入量計(jì)算公式。螺旋槳套合到軸上的軸向推入量S可滿足下式要求。廠家根據(jù)新的錐度，重新計(jì)算后的壓入量和我們計(jì)算的結(jié)果一致。新的壓入量見表1。表1 錐度變化后的壓入量計(jì)算結(jié)果溫度（） 0 15 35 最小壓入量（mm） 20.153 18.96 17.369 最大壓入量（mm） 21.994 20.801 19.212）重新計(jì)算后的螺旋槳軸向壓入量和原設(shè)計(jì)的壓入量對(duì)比結(jié)果如表2所示。表2 變化前后壓入量對(duì)比溫度 最小壓入量（mm） 最大壓入量（mm）現(xiàn)狀 原設(shè)計(jì) 變化 現(xiàn)狀 原設(shè)計(jì) 變化 0 20.153 20.178 0.025 21.995 22.023 -0.028 15 18.96 18.983 0.023 20.802 20.828 -0.02635 17.369 17.391 0.022 19.2