嘉興南湖20 客位鋰電池電力推進(jìn)游船方案設(shè)計(jì)＊

方 舟，翁方勇，徐文豪

（1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314031；2.嘉興市金航船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江 嘉興 314000）

浙江內(nèi)河水系、湖泊的水上旅游資源豐富，乘坐游覽船觀光是湖上娛樂的重要項(xiàng)目之一，游船的需求量與日俱增。隨著“兩山”理論的提出，綠色發(fā)展的理念深入各行各業(yè)，以南湖、西湖、烏鎮(zhèn)等熱點(diǎn)景區(qū)為代表的水域，對(duì)于船舶污染排放的控制指標(biāo)日益嚴(yán)格，湖泊管理單位大多要求湖區(qū)內(nèi)零污染，鼓勵(lì)使用電力推進(jìn)船舶，并且很快將禁止使用帶有污染排放的旅游船舶。嘉興南湖景區(qū)現(xiàn)有在冊(cè)營(yíng)運(yùn)游船近50 艘，暫無(wú)以清潔能源作為動(dòng)力的船舶。由于柴油機(jī)推進(jìn)船舶船型老舊、油耗高、排放嚴(yán)重超標(biāo)、噪聲污染大，南湖游船公司計(jì)劃逐步將其淘汰。為此，本項(xiàng)目開展嘉興市內(nèi)河景區(qū)游船鋰電池電力推進(jìn)系統(tǒng)的首次實(shí)船應(yīng)用研究。

1 船舶概況

本船為鋼質(zhì)、單底、單甲板、單機(jī)、單舵的旅游客船，采用畫舫的船舶造型，用于嘉興南湖風(fēng)景名勝區(qū)的旅游接待任務(wù)。主要依據(jù)中華人民共和國(guó)海事局《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》（內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則）（2016）及修改通報(bào)（2019），按C 級(jí)航區(qū)設(shè)計(jì)，屬第5 類載客船舶。

船舶主尺度如下：最大船長(zhǎng)LE=11.75 m，總長(zhǎng)L0A=11.55 m，滿載水線長(zhǎng)Ls=11.15 m，垂線間長(zhǎng)Lpp=10.66 m，總寬Boa=2.65 m，船寬B=2.45 m，型深D=1.00 m，設(shè)計(jì)吃水d=0.55 m。

2 船體設(shè)計(jì)

本船主甲板以下設(shè)#0、#4、#7、#18 共4 道水密艙壁，如圖1 所示，將主船體分為：艉—#0 為艉尖艙，#0—#4 為機(jī)艙，#4—#7 為電池艙，#7—#18 為客艙，#18—艏為艏尖艙。主甲板以上依次為尾—#7 為尾甲板，設(shè)有仿古系樁、艙口蓋等，其中#0—#7 設(shè)頂棚。客艙內(nèi)設(shè)2 排座椅、2 個(gè)茶幾和1 個(gè)茶水柜，其中#15—#18 右舷設(shè)駕駛椅和駕控臺(tái)，駕駛室椅后面做屏風(fēng)，屏風(fēng)上面裝電視機(jī)；客艙底部及兩舷需填充發(fā)泡。#18—首為首甲板，設(shè)有水密人孔蓋、仿古系樁等。

圖1 南湖20 客位鋰電池電力推進(jìn)游船總布置圖

結(jié)構(gòu)形式采用橫骨架式，船體材料采用CCSA 級(jí)船用鋼材，甲板室采用鋼架結(jié)構(gòu)，外覆仿古菠蘿格木材，全船露天及涼亭下面設(shè)菠蘿格地板，護(hù)舷為橡膠護(hù)舷。甲板室的襯檔、天花板為不燃材料或低播焰性的材料。

本船有固定碼頭停靠，設(shè)仿古系樁4 座，不設(shè)錨設(shè)備；系船索配三股丙綸索Φ14 兩根，破斷拉力大于29.89 kN，每根長(zhǎng)30 m。救生設(shè)施配備救生圈2 只、救生衣29 件（其中船員2 件、兒童救生衣7 件、乘客20 件）。消防設(shè)施配置為機(jī)艙設(shè)5 kg 手提式干粉滅火器1 具和9 升泡沫滅火器1 具，客艙兼駕駛室設(shè)5 kg 手提式干粉滅火器共2 具、消防水桶2只、2 kg 手提式七氟丙烷滅火器4 具。

3 輪機(jī)設(shè)計(jì)

本船動(dòng)力裝置為額定功率5.5 kW、額定轉(zhuǎn)速750 r/min的推進(jìn)電機(jī)1 臺(tái)，位于#2—#4 肋位之間，縱向布置于機(jī)艙中部。機(jī)艙內(nèi)設(shè)置艙底水手搖泵1 臺(tái)，可將艉尖艙、機(jī)艙、空艙、電池艙、首尖艙的艙底水從各自的吸入口，經(jīng)吸入及排出閥件排至舷外。所有艙底水閥件和舷外排水口均配置止回閥件。尾尖艙、空艙、首尖艙均設(shè)空氣管，并延伸至主甲板以上200 mm 高度。在機(jī)艙內(nèi)設(shè)有1 臺(tái)離心通風(fēng)機(jī)，在尾部甲板設(shè)置1 臺(tái)軸流通風(fēng)機(jī)，用于機(jī)艙及電池艙內(nèi)強(qiáng)制機(jī)械通風(fēng)。供推進(jìn)電機(jī)的電池組位于#4—#7 肋位間。

本船為單軸系，直接傳動(dòng)，推進(jìn)電機(jī)通過可拆聯(lián)軸節(jié)連接艉軸驅(qū)動(dòng)螺旋槳。軸系位于機(jī)艙內(nèi)中部，理論中心線與基線傾斜7°，且#-1高于基線60 mm。尾軸基本軸徑為Φ38 mm，材料為#35 鋼，總長(zhǎng)約1 108.4 mm，尾軸采用油潤(rùn)滑艉密封裝置。駕駛室內(nèi)設(shè)有推進(jìn)電機(jī)控遙裝置，通過操縱臺(tái)的手柄可實(shí)現(xiàn)調(diào)速、換向、起動(dòng)和停車。正常航行時(shí)，由駕駛室對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行遙控操縱；發(fā)生故障時(shí)，可通過駕駛室與機(jī)艙的通訊，在機(jī)旁操作推進(jìn)電機(jī)的起停、調(diào)速和換向。駕駛室操縱臺(tái)還設(shè)有舵機(jī)操縱器、舵角指示器及其他電氣儀表和開關(guān)等。

4 電氣設(shè)計(jì)

本船選用的保證船舶安全航行所必需的電氣設(shè)備和裝置應(yīng)持有船用產(chǎn)品證書或合格證或應(yīng)經(jīng)船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可。其中蓄電池和電纜需具有船用產(chǎn)品證書。電氣設(shè)備安裝，除特殊要求外，均按《船舶電氣設(shè)備安裝工藝規(guī)范》進(jìn)行。

4.1 電制

鋰電池電力系統(tǒng)和電力推進(jìn)系統(tǒng)為DC110 V，直流絕緣系統(tǒng)。照明系統(tǒng)和助航、船內(nèi)通訊、無(wú)線電系統(tǒng)為AC220 V，50 Hz，交流單相雙線絕緣系統(tǒng)。

4.2 電源設(shè)備

4.2.1 鋰電池組

全船共設(shè)有磷酸鐵鋰電池三簇，其中兩簇磷酸鐵鋰電池組成一組電池組（1#），另一簇組成一組電池組（2#），作為全船主電源，由岸電充電樁對(duì)其進(jìn)行充電。每組電池直流母線電壓約為110 V，1#電池組容量為56 kW·h，2#電池組容量為28 kW·h，總?cè)萘?4 kW·h，每組電池組均能滿足船舶安全航行所必需的用電設(shè)備4 h 的供電要求。

4.2.2 逆變電源

全船日常用電由鋰電池經(jīng)逆變?yōu)锳C220 V、50 Hz 交流電，逆變電源裝置由鋰電池系統(tǒng)廠家配套供應(yīng)，輸入電壓DC110 V，輸出電壓AC220 V，額定功率5 kW。逆變電源設(shè)置具有欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)等功能。

4.2.3 不間斷電源（UPS）

本船設(shè)有不間斷電源（UPS）（含電池）1 套，輸入電壓AC220 V，50 Hz，輸出電壓DC24 V，額定容量500 W，供電時(shí)間30 min。

4.3 配電設(shè)備

4.3.1 高壓箱

本船配有高壓箱1 臺(tái)，由鋰電池系統(tǒng)廠家配套供應(yīng)。高壓箱安裝于機(jī)艙，內(nèi)部設(shè)置有保護(hù)裝置、域管理單元（BAMS）、電池簇管理單元（BMMS）、模塊管理單元（BCMS）等。

4.3.2 直流電源箱

直流電源箱由直流母排、熔斷器、岸電進(jìn)線接觸器等組成，其中直流母排用于連接電池電源以及岸電、推進(jìn)負(fù)載、日用負(fù)載，熔斷器設(shè)置在各支路上，對(duì)全船直流系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，為船舶直流母排提供穩(wěn)定可靠的DC110 V 直流供電。

4.3.3 主配電板

本船設(shè)有主配電板1 塊，用于對(duì)日常用電設(shè)備進(jìn)行供電及保護(hù)。配電板根據(jù)需要配備電壓表、電流表等測(cè)量?jī)x表和轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕和指示燈。測(cè)量?jī)x表的精密度等級(jí)應(yīng)不低于1.5 級(jí)。電流互感器的次級(jí)繞組應(yīng)可靠接地。配電板設(shè)有電網(wǎng)絕緣檢測(cè)裝置，可對(duì)電網(wǎng)的絕緣進(jìn)行檢測(cè)。

4.3.4 電力推進(jìn)控制系統(tǒng)

本船設(shè)有電力推進(jìn)控制系統(tǒng)1 套，由推進(jìn)控制電源箱、推進(jìn)手柄、顯示面板組成，能夠控制推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，依靠?jī)?yōu)化的人機(jī)操縱界面和完備的控制及保護(hù)策略，操縱人員能夠安全、可靠、便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的各種操作。監(jiān)測(cè)推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保推進(jìn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并且將設(shè)備運(yùn)行信息顯示給操作人員。控制在正車和倒車時(shí)可從零速至全速連續(xù)調(diào)節(jié)。

4.3.5 綜合控制系統(tǒng)（ICS）

本船采用直流系統(tǒng)，針對(duì)全船綜合控制系統(tǒng)和推進(jìn)控制系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，統(tǒng)稱為綜合控制系統(tǒng)（ICS），其在控制功能和控制策略上對(duì)能量的產(chǎn)生、使用和調(diào)度進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，將完成船舶控制的全自動(dòng)化功能，系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，具備完整的保護(hù)功能，其中一些是用來防止推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備過載的，另外一些是用來保護(hù)供電系統(tǒng)。當(dāng)局部設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，通過功率限制等快速保護(hù)功能切斷故障點(diǎn)，確保船舶動(dòng)力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。其在硬件上由兩個(gè)主要部分組成：①綜合控制箱。主要包含控制模塊、電源模塊、繼電器、端子等，用于對(duì)整船的電氣系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，同時(shí)參與推進(jìn)支路的轉(zhuǎn)速控制；具有對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行邏輯處理、配電和用電的管理、系統(tǒng)保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)、工況和負(fù)載的調(diào)配等功能。②遠(yuǎn)程控制站。主要包括觸摸屏、操縱手柄、急停按鈕、安裝面板等，用于對(duì)全船電池、電力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、顯示及操作。

4.4 照明系統(tǒng)

本船的各艙室照明應(yīng)滿足各艙室工作環(huán)境和居住環(huán)境的照度要求。對(duì)于不同區(qū)域采用不同的燈具，駕駛室、客艙采用頂燈， AC220V/8W/IP22； 室外采用艙頂燈，AC220V/13W/IP56。

4.5 通導(dǎo)設(shè)備

本船在駕駛室設(shè)有航行安全信息接收裝置（船用收擴(kuò)音機(jī)具備此功能）1 套，帶調(diào)頻收音功能，頂棚甲板設(shè)有25 W高音揚(yáng)聲器，駕駛室、客艙等設(shè)有1 W 揚(yáng)聲器。配有B 級(jí)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）1 套，按船東要求設(shè)有船聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)1 套。

4.6 信號(hào)設(shè)備

本船在駕控臺(tái)上設(shè)有航行信號(hào)燈控制板1 塊，具有斷電檢測(cè)和聲光報(bào)警功能。航行燈根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置，當(dāng)航行燈發(fā)生故障時(shí)，航行信號(hào)燈控制板上對(duì)應(yīng)的指示燈應(yīng)發(fā)出閃光信號(hào)，同時(shí)能發(fā)出聲響報(bào)警。

4.7 避雷與接地

本船在主桅頂上安裝銅質(zhì)的接閃器一根，直徑為8 mm，并應(yīng)至少高出桅頂或桅頂上電氣設(shè)備300 mm，避雷針與船體進(jìn)行可靠連接。全船所有設(shè)備（工作電壓低于50 V 的除外）的金屬外殼，除直接緊固在船體的金屬結(jié)構(gòu)上或堅(jiān)固在與船體金屬結(jié)構(gòu)有可靠電氣連接的底座上外，均要設(shè)專用導(dǎo)體進(jìn)行可靠接地，接地材料及截面積均應(yīng)符合規(guī)范要求。電纜的金屬護(hù)套或金屬外護(hù)層應(yīng)作可靠接地，接地電阻均不超過0.02 Ω。接地必須按《船舶電氣設(shè)備安裝工藝規(guī)范》和《船舶電氣設(shè)備和電纜接地工藝規(guī)范》要求進(jìn)行施工。

5 總結(jié)和展望

通過本項(xiàng)目的研究和應(yīng)用，在嘉興南湖景區(qū)建設(shè)綠色旅游船舶示范工程，以綠色的理念擦亮“金色”的名片，踐行“綠水青山就是金山銀山”。經(jīng)過積累使用經(jīng)驗(yàn)，不斷完善技術(shù)方案，為后續(xù)鋰電池電力推進(jìn)系統(tǒng)在內(nèi)河游船上的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持，逐步實(shí)現(xiàn)景區(qū)游船的碳、硫等廢氣污染物及PM2.5顆粒物的零排放、零污染，同時(shí)降低船舶振動(dòng)噪聲，營(yíng)造和諧、舒適的水上旅游環(huán)境。順應(yīng)國(guó)家和地方重大需求導(dǎo)向，有利于推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)促進(jìn)浙江省水上旅游業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展具有顯著的環(huán)保意義和社會(huì)效益。