超級電容車客渡船總體設(shè)計(jì)

丁超 王德安 孫大虎

摘 要：超級電容是一種充電效率高、循環(huán)次數(shù)高、能量轉(zhuǎn)換效率高的能量存儲裝置。在船舶環(huán)保要求日益嚴(yán)苛的背景下，超級電容車客渡船可以實(shí)現(xiàn)零排放，是最環(huán)保的船舶之一。基于首艘超級電容車客渡船，本文研究了該船的總布置設(shè)計(jì)、綠色生態(tài)設(shè)計(jì)和外觀造型設(shè)計(jì)，總結(jié)了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)同類船的設(shè)計(jì)建造提供重要參考。

關(guān)鍵詞：超級電容;車客渡船;綠色環(huán)保

中圖分類號：U662? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0107-04

黨的十九大報告提出了“堅(jiān)持人與自然和諧共生”的基本方略，黨中央、國務(wù)院要求加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的部署，交通部大力推進(jìn)生態(tài)交通建設(shè)和綠色航運(yùn)發(fā)展。國際海事組織也在大力推進(jìn)船舶大氣污染防治，《國際防止船舶造成污染公約》要求自2020年1月1日起全球水域普遍使用硫含量小于0.5%的燃油，很多國家也正在逐步加強(qiáng)對氮氧化物排放的控制要求。結(jié)合國際國內(nèi)船舶污染防治的新形勢新要求，我國沿海及內(nèi)河航行的船舶應(yīng)嚴(yán)格控制污染排放、逐步升級環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。整治船舶污染，首推船舶動力的電動化，而這在中短途運(yùn)輸、中小量運(yùn)輸?shù)膬?nèi)河航運(yùn)船舶上已率先啟動。隨著高能蓄電池、超級電容以及快速充電等技術(shù)的快速發(fā)展，以蓄電池或超級電容等為供電來源的純電動船舶可以取代傳統(tǒng)重燃油推進(jìn)船舶應(yīng)用在短途的島際交通運(yùn)輸和短距離內(nèi)河航運(yùn)中，避免重燃油機(jī)產(chǎn)生的溫室氣體、硫氧化物、氮氧化物等氣體污染物和噪聲對生態(tài)環(huán)境造成的污染以及對船員健康造成的傷害，符合當(dāng)前乃至未來船舶污染防治要求。

1主尺度要素

目標(biāo)船航行于我國長江入海口的長興島和橫沙島之間，屬于內(nèi)河A級航區(qū)，需承載旅客、中小型汽車、載重汽車等。該航線上當(dāng)前運(yùn)營的船舶是由柴油機(jī)驅(qū)動的常規(guī)燃料車客渡船，其中，最新設(shè)計(jì)是一型22車位車客渡船[1]。根據(jù)兩岸碼頭的現(xiàn)有設(shè)施、跳板尺寸、港口水深以及噸位要求等限制條件，目標(biāo)船主尺度論證結(jié)果：總長65.0m，型寬14.5m，型深4.3m，吃水2.5m，載重量210t，車道總長51.0m，乘客定額165人，定員20人。

2總體設(shè)計(jì)

2.1乘客處所布置

現(xiàn)有渡船的旅客艙室和車輛艙室分別設(shè)置在車輛甲板和旅客甲板兩層[1]，乘客需要通過車輛艙兩側(cè)樓梯進(jìn)去上一層旅客艙室，乘客和車輛存在共用通道，可能存在安全隱患。超級電容車客渡船依據(jù)客位人數(shù)多、登離船頻次高的要求，創(chuàng)新性地將乘客艙室與車輛甲板布置在同一層，且滿足車客分離的安全原則。車輛甲板兩舷布置細(xì)長型乘客艙室，乘客由舷側(cè)登乘，通過舷側(cè)走道步行6.0 m即可到達(dá)乘客艙室，乘客登船后步行距離短、安全且高效，滿足無障礙通行的設(shè)計(jì)要求。乘客登離船通過舷側(cè)乘客專用舷門。每舷乘客艙室客位數(shù)75人，兩舷共150人。保留常規(guī)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，上一層甲板布置有15人的小型豪華乘客艙室?？紤]橫沙島運(yùn)力需求與長遠(yuǎn)規(guī)劃，目標(biāo)客位數(shù)定位為165人，均設(shè)固定座椅，無散席。乘客處所與車輛處所保持A級防火分隔，滿足車客分離原則，保障乘客安全，圖1為乘客艙室布置效果。

車客同層設(shè)計(jì)適用于航程時間短、客位數(shù)多的情況，符合車客分離的安全性原則，具備登離船通行效率高的優(yōu)點(diǎn)。

2.2滾裝處所布置

橫沙島與大陸之間沒有橋梁或隧道，本船作為連接橫沙島和外界的唯一載體，滾裝處所的設(shè)計(jì)要滿足各種車輛的裝載，包括小汽車、公交車、旅游巴士以及卡車、泵車、建筑工程車等。超級電容車客渡船根據(jù)實(shí)際需求設(shè)一層全通滾裝車輛甲板（主甲板），中間無立柱等障礙物。滾裝處所長度與船舶總長相同，即貫穿船舶艏艉。滾裝處所寬度9.0 m，全船范圍內(nèi)等寬設(shè)計(jì)，滾裝車輛可無障礙通行。滾裝處所高度凈高設(shè)計(jì)為4.5 m。滾裝甲板為縱骨架式結(jié)構(gòu)，設(shè)強(qiáng)橫梁及縱桁，最大軸載荷可達(dá)13.0 t，最大單車荷重可達(dá)49.0 t。

滾裝甲板設(shè)3根主車道，每根主車道長51.0 m，寬2.3 m，可裝載標(biāo)準(zhǔn)車輛RT43L共30輛。滾裝車輛登離船采用無掉頭設(shè)計(jì)，極大限度提高滾裝貨物的裝卸效率和行車安全。滾裝甲板艏艉貫通，船舶艏、艉均可?？看a頭，到港與出港采用不同方向停靠碼頭，可實(shí)現(xiàn)滾裝車輛登離船無掉頭設(shè)計(jì)。滾裝甲板設(shè)置綁扎系固設(shè)備，采用埋入式地鈴，車輛甲板載車區(qū)域設(shè)置防滑條，此外還配備適當(dāng)數(shù)量的多種規(guī)格的木楔，用作車輛甲板上車輛輪墊。在車輛甲板的首部和尾部兩端，設(shè)置車輛止擋裝置。止擋裝置通過液壓缸驅(qū)動進(jìn)行豎起和平放，船舶航行中保持豎起工作狀態(tài)，靠碼頭時保持平放收藏狀態(tài)（靠碼頭側(cè)擋板收藏），不影響滾裝車輛通行。

2.3穩(wěn)性分艙布置

超級電容車客渡船完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性滿足最新內(nèi)河船舶規(guī)范《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》要求，全船設(shè)1道艙壁甲板和6道主橫艙壁，從艏至艉依次劃分為艏尖艙、NO.1空艙、NO.2空艙、超級電容艙、輔機(jī)艙、推進(jìn)機(jī)艙和艉尖艙。此外，艏艉各設(shè)置一對邊壓載水艙，用以調(diào)整橫傾和縱傾。船舶在任何一種典型的航行工況下艏傾不超過0.5m，艉傾不超過1.5%垂線間長，即0.9m。典型航行工況和破艙穩(wěn)性計(jì)算工況包括壓載出港、壓載到港、滿載客貨出港、滿載客貨到港、滿客無貨到港。破損范圍假定在相鄰兩主橫艙壁間的任何位置經(jīng)受破損。穩(wěn)性計(jì)算及乘客集舷的影響，計(jì)算結(jié)果表明該船穩(wěn)性符合法規(guī)要求。

3超級電容應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1航線特點(diǎn)

目標(biāo)船為滿足橫沙島居民出行需求，運(yùn)營時間為每天上午6：00至下午10：00，單個航次設(shè)計(jì)為20分鐘，其中正常航行工況5分鐘、進(jìn)出港工況5分鐘、碼頭停泊工況10分鐘，每天累計(jì)運(yùn)營48個航次。因此該船動力系統(tǒng)需匹配航行時間短、進(jìn)出港頻繁、停泊時間短等航行特點(diǎn)。

3.2能源選擇

到目前為止，燃油動力在船舶上的應(yīng)用是最廣泛的，也是歷史最為悠久的。除了傳統(tǒng)燃油動力外，船用新能源包括LNG、風(fēng)能、太陽能和電能等，其優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1所示。根據(jù)長興-橫沙航線特點(diǎn)，電能符合目標(biāo)船使用要求，它能實(shí)現(xiàn)零排放、提高船舶能效效率、提高乘客和船員的舒適度。長興-橫沙航程短，規(guī)避了電能航程受限的缺點(diǎn)。推進(jìn)系統(tǒng)選用雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，降低目標(biāo)船頻繁靠離港時操船負(fù)荷，提高登離船乘客和車輛的安全性。統(tǒng)計(jì)表明，全電力推進(jìn)車客渡船維修保養(yǎng)費(fèi)用較一般機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)減低了54%[2]。

電動船常用電能儲能裝置是充電電池，突出優(yōu)點(diǎn)是比能量高、能量單價低。超級電容也可以作為船用儲能裝置，基于表2能量存儲裝置性能比較，超級電容的性能特點(diǎn)主要有：

（1）超級電容可以快速充電，反復(fù)循環(huán)數(shù)十萬次;

（2）超級電容存儲能量多，能量轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱低;

（3）超級電容荷電狀態(tài)與電壓構(gòu)成線性關(guān)系;

（4）超級電容可以反復(fù)傳輸能量脈沖而無任何不利影響;

（5）超級電容額定電壓范圍內(nèi)可以被充電至任意電位。

基于目標(biāo)船使用需求，設(shè)計(jì)了高能超級電容和磷酸鐵鋰電池兩套技術(shù)方案，見表3。超級電容在循環(huán)壽命、充電時間上具備明顯優(yōu)勢。超級電容是通過極化電解質(zhì)來儲能的，主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能，在儲能過程中并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此這種儲能過程是可逆的，充放電可達(dá)數(shù)十萬次[4]。

3.3超級電容

為響應(yīng)崇明世界級生態(tài)島的發(fā)展定位，目標(biāo)船把低碳減排、節(jié)能環(huán)保的綠色生態(tài)設(shè)計(jì)理念放在首位，結(jié)合長興-橫沙航線特點(diǎn)，首創(chuàng)性的應(yīng)用超級電容作為動力源為全船負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)船舶航行有害氣體零排放，符合未來車客渡船的發(fā)展趨勢。超級電容車客渡船配備總?cè)萘繛?25 kWh的超級電容，具體參數(shù)見表4。電容器布置在兩個獨(dú)立的電容艙內(nèi)，配備獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)和七氟丙烷滅火系統(tǒng)。超級電容可使用的工況包含所有航行工況、進(jìn)出港工況和停泊工況。超級電容柜設(shè)計(jì)有過放、過壓、過流、過熱、過載、短路等保護(hù)與報警功能，包含電源管理系統(tǒng)，具備單體電壓、模塊溫度自動均衡功能。

直流充電樁布置在兩舷船中處，配遙控旋轉(zhuǎn)門，充電裝置由機(jī)械臂自動連接在受電樁上，充電時間10 min。岸基能源供給系統(tǒng)參考新型軌道式供電裝置和柔性受電連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]，由10kV電網(wǎng)、10kV/690VAC變電站、1500A/ 1000VDC充電機(jī)、充電裝置、受電裝置以及儲能系統(tǒng)構(gòu)成。

4 綠色生態(tài)設(shè)計(jì)

4.1綠色船舶符號

超級電容車客渡船滿足中國船級社《內(nèi)河船舶綠色船舶規(guī)范2020》中綠色附加標(biāo)志“綠色船舶-2”設(shè)計(jì)，該規(guī)范于2020年2月1日正式生效，超級電容車客渡船積極響應(yīng)新規(guī)范要求，采用創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源和能源、減少環(huán)境污染、保護(hù)操作和使用的人員。

4.2動力系統(tǒng)冗余

超級電容車客渡船在滿足法規(guī)規(guī)范安全要求的基礎(chǔ)上，增加了動力系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，提供多重安全保障。超級電容可為全船負(fù)載供電的同時，設(shè)兩臺柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，兩套超級電容同時發(fā)生故障時，可啟動柴油發(fā)電機(jī)為全船提供動力。柴油發(fā)電機(jī)功率450 kW，布置于輔機(jī)艙內(nèi)。

4.3惡劣海況安全開航

渡運(yùn)受大風(fēng)、大霧、大雨、強(qiáng)對流天氣等自然條件影響較大。長江渡船操作性能差、抗風(fēng)浪能力差，大風(fēng)、大霧、大雨、大水等不良自然條件對長江渡運(yùn)動影響較大，安全隱患突出[6]?？紤]到本船是連接橫沙島和外界的唯一通道，為了減少由于惡劣天氣給島上人民出行帶來的影響，本船穩(wěn)性滿足8級風(fēng)開航的要求。根據(jù)中國船級社《河船開航分級限制的核定辦法》，該船風(fēng)壓穩(wěn)性橫準(zhǔn)數(shù)Kf大于1.85，見表5。

Kf=Mq/Mf≥1.85

Mq： 計(jì)入橫搖影響的最小傾覆力矩，kN·m

Mf： 風(fēng)壓傾側(cè)力矩，kN·m

4.4乘客逃生通道冗余

超級電容車客渡船在船舶首尾兩端、左右兩舷各設(shè)一處逃生登乘集合站，涵蓋乘客艙室各出入口，且逃生登乘集合站與滾裝處所保持A級防火分隔，保障乘客船員安全逃生。

5外觀造型設(shè)計(jì)

5.1整體造型

超級電容車客渡船整體造型采用流線型設(shè)計(jì)，各層甲板連線由船中向首尾逐層降低，層次分明，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，整體造型如圖2所示。駕駛甲板和車輛甲板舷側(cè)用玻璃幕墻勾勒出兩道曲線，輔以外板油漆配色方案，營造星辰大海的氛圍。

5.2桅燈優(yōu)化

超級電容車客渡船后桅燈布置在駕駛甲板尾部，滿足于前桅燈間距大于1/2船長的規(guī)范要求，但后桅燈高度影響整船造型輪廓，對藝術(shù)感表達(dá)有一定的破壞性。電動可倒桅桿[7]的設(shè)計(jì)，可保證該船整體造型，且能夠滿足桅燈布置要求。

6展望

超級電容在車客渡船上的應(yīng)用切實(shí)可行，尤其適用于環(huán)保要求高、航行停泊時間短、航次頻率高的短途島際航線和短距離內(nèi)河航線。隨著超級電容及相關(guān)配套設(shè)備的發(fā)展成熟，綠色環(huán)保的超級電容將會更普遍地推廣應(yīng)用于各類船舶上。

參考文獻(xiàn)：

[1]于圣堂， 王丹. 22車位車客渡船優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報， 2018， 41（1）： 17-22.

[2]蔡薇，周發(fā)模，周春鋒.船舶全電力推進(jìn)系統(tǒng)的適裝性初步分析[J].船海工程，2007（05）：1- 3.

[3]宇惠誠. 電氣化學(xué)キヤパシタ用電解質(zhì)[J]. 電氣化學(xué)お.

[4]馬浩然， 管義鋒， 胡晨澍， 等. 超級電容渡船—城市內(nèi)河交通新構(gòu)想[J]. 機(jī)電設(shè)備， 2015（3）： 30-33.

[5]尹奇志，劉加誠，嚴(yán)新平.基于岸基能源的江漢運(yùn)河船舶電力供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船海工程，2018，47（04）：31-35.

[6]周崇喜.基于態(tài)勢分析法的長江渡運(yùn)安全對策研究[J].船海工程，2010，39（02）：155-157.

[7]徐芝良， 丁超， 樊紅元， 等. 一種可倒式船舶燈桅[P]. 中國： ZL201610186255.0， 2017.