內河64TEU純電池集裝箱船儲能需求論證研究

Research on Energy Storage Demand Argumentation for 64 TEU Pure Battery-powered Container Ships on Inland Waterways

ZHU Ling

（Wuhan Changjiang Ship Design Institute Co.，Ltd.）

Abstract： This paper takes the existing 64 TEU traditional energycontainer shiponthe Changhushenroute as target ship， and introduces its power system configuration and navigation conditions. Based on the actual ship surveydata，the paper analyzes the tideeffect，shallow watereffectandnarrowchanneleffect.According tothefuelconsumptionestimation method andadmiraltycoefcient method，itestimates theaverage power demand andenergyconsumptionunder typical upstreamanddownstreamloadingconditions.Onthisbasis，thepaperfurthercalculates theenergystoragecapacityforthe new 64 TEU pure battery-powered container ship，as well as the changes of weight and speed.

Keywords： container ship; pure battery-powered ship; energy consumption; energy storage capacity

0 引言

線在區域經濟、社會、文化發展中有著舉足輕重的地位和作用。浙江省湖州市境內大部分化工原料、輕工、家具、竹制品等進出口貨物均是通過集裝箱運輸。該航線有25艘以柴油機作動力的64TEU集裝箱船在長期營運，年集裝箱吞吐量已達20萬標

長湖申航線作為浙北內河水運網的重要組成部分，不僅是湖州接軌大上海，融入長三角的水運大通道，也是上海等周邊城市建設的生命線。該航

箱以上

長湖申航線現有的64TEU集裝箱船存在技術等級低、船機槳匹配性差、噪音及排放污染嚴重等問題，隨著人們對內河水域環境保護的日益關注和電池儲能技術的飛速發展，研制更加節能環保的純電池船是大勢所趨。本文以傳統64TEU集裝箱船為母型船，分析其動力系統配置，并對采集的實船數據進行研究，確定新型64TEU純電池集裝箱船的電池儲能需求[2-4]

1 母型船的船型概況及動力系統配置

本文以某內河64TEU集裝箱船為母型船，該船可裝載64只20尺集裝箱（或32只40尺集裝箱），總長 64.95m 、型寬 12.5m 、型深 3.4m ，空載吃水0.761m ，空載排水量 994t ，滿載吃水 2.65m ，滿載排水量 1910t ，航區內河A級。

該船配備1臺 397kW 濰柴重機X6170ZC540-2型柴油機作為主機，經杭州前進齒輪箱廠生產的HCD400A齒輪箱（減速比4：1），驅動直徑 1850mm 的四葉固定螺距螺旋槳。主機運行的同時，驅動2臺 12kW 航發電機廠STC2-12-4H型軸帶交流發電機，為船上的交流負載供電。該船另外配置了4臺11kW四方集團S1100型輔機，分別驅動錨機、壓載泵和消防泵、空壓機。

2 實船調研數據初步分析

為確定新型64TEU純電池集裝箱船所需的電池儲能容量，需對母型船航行情況進行調研。該船的上行和下行航線如圖1所示。上行時，該船從外高橋碼頭，經上海共青碼頭、南潯省際錨地、南潯服務區、城東服務區、老龍壩服務區，抵達到安吉上港，總長約 274km 。其中外高橋碼頭-共青碼頭，逆水需 2.5～3.0h 共青碼頭-安吉上港，空載上行（攜帶32只40尺標準集裝箱空箱），逆水約 25h 滿載一般 30h 左右。下行時，該船從安吉上港，抵達上海共青碼頭，全長 249km ，輕載工況下順水約22h，重載工況下順水 24～25h 部分航次的終點從上海共青碼頭延伸至外高橋碼頭，約 25km ，根據潮水情況需 2.0～2.5h 。

實船調研時，通過觀察駕駛臺內的船舶自動識別系統（AutomaticIdentificationSystem，AIS）和推進系統信息顯示單元，記錄航速和主機轉速。本次調研的上行時間段為2018-01-2601：43到2018-01-2702：38，時長 24.92h ，航程數據采集了379個點，采樣平均時間間隔 3.9min 。下行時間段為2018-01-2916：10到2018-01-3016：37，時長 23.88h ，航程數據采集了350個點，采樣平均時間間隔 4.1min 。

上行航次裝載40尺集裝箱空箱32箱（每個空箱自重 3.9t ），其航速趨勢和主機轉速趨勢如圖2和圖3所示。從圖2和圖3中數據可得，上行全航段的平均航速為 5.47kt ，主機平均轉速為 494.8r/min 其中共青-南潯錨地的平均航速為 5.78kt ，主機平均轉速為 508.8r/min ；南潯錨地-南潯服務區的平均航速為 4.68kt ，主機平均轉速為 464.3r/min ；南潯服務區-城東服務區的平均航速為 5.27kt ，主機平均轉速為 479.0r/min ；城東服務區-老龍壩服務區的平均航速為 5.24kt ，主機平均轉速為 486.7r/ min；老龍壩服務區-安吉上港的平均航速為4.25kt，主機平均轉速為 440.2r/min 。

下行航次裝載40尺集裝箱32箱（平均每箱載貨 20t ，載貨量約 640t ），其航速趨勢和主機轉速趨勢如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中數據可得，下行全航段的平均航速為 5.72kt ，主機平均轉速為487.0r/min ；其中安吉上港-老龍壩服務區的平均航速為 4.99kt ，主機平均轉速為 482.6r/min ；老龍壩服務區-城東服務區的平均航速為 5.13kt ，主機平均轉速為 474.0r/min ；城東服務區-南潯服務區的平均航速為 5.45kt ，主機平均轉速為 480.5r/min ；南潯服務區-南潯錨地的平均航速為 5.56kt ，主機平均轉速為479.3r/min ；南潯錨地-共青碼頭的平均航速為6.05kt，主機平均轉速為 493.4r/min 。

潮，漲潮時間 ，平潮時間 2h ，退潮時間 6h ，每天共2次漲潮退潮。船舶逆水上行航速一般為4.6 ，充分利用漲潮潮水，航速可達 6.0～8.0kt 。順水下行時，開闊水域一般航速為 6.2～7.5kt ，如果受潮水頂推影響，航速將下降至 3.6～5.8kt 這一影響在圖4下行航速趨勢圖中的18-22h這一時間段非常明顯。如果時間允許的話，下行時碰到漲潮，選擇拋錨 2～3h ，避讓最大的潮流，同樣的情況，上行時也盡可能選擇拋錨避讓退潮，等待漲潮，充分利用潮流，可以節省不少燃油。

3.2淺水效應分析

3 航速影響因素分析

當船舶由深水區進入淺水航道時，相同主機及螺旋槳轉速下，運動阻力增加，船速下降，主機負荷加重。淺水效應對船舶阻力的影響不僅取決于水深H，還取決于航速V和吃水T[5-6]。

3.1潮汐影響因素分析

該航線初一、十六為大潮，初三、十八為最大如圖6所示，圖中實線1表示淺水阻力，虛線2表示深水阻力。當航速較低時，即 ，淺水阻力和深水阻力相同；當 這一范圍內時，淺水阻力大于深水阻力，在 時，淺水阻力達到最大值，約為深水阻力的2＼～3倍，其主要原因是興波阻力增加所致；當航速很大時，即 ，淺水阻力反而比深水阻力小，這是由于航速產生的興波與水底產生的反射干擾相互抵消，產生所謂有利干擾的結果。

同一船舶以同一航速航行于同一航區，吃水不同，淺水效應也大不相同。其中H/T較大時影響較小，反之影響較大。因此對淺水影響的理解，不能單從水深一個方面來看，還必須將航速與吃水聯系起來考慮，通常以 H/Tlt;6 和 的共同因素來表示淺水。調研船空載吃水 0.761m ，空載航行時，水深 H 達到 4.566m ，才算深水。滿載吃水 2.65m ，滿載航行時，水深 H 達到 15.9m ，才算深水。長湖申線平均水深 ，黃浦江至長江段水深達 7m 以上，對本航線而言，無論滿載還是輕載，很多情況下 H/T_lt;6 ，淺水影響明顯。因此在航行時，要嚴格控制供油量，必要時應減速，防止主機超負荷。

3.3窄航道效應分析

船舶在窄航道航行時，阻力R也會增加。船舶周圍水流狀態不但受水深的影響，同時受航道寬度的限制。窄航道的影響，不僅取決于水道寬度b ，而且還與船寬 B ，船長 L 和航速V有關。當 b/B gt;20 和時，船舶航行阻力不受水道影響，反之則阻力增大，若 b/B=10 ，航行阻力增加 10%^[7] 。在窄航道中，阻力隨航速的變化曲線與淺水效應類似，如圖7所示，圖中虛線1為深水阻力，實線2為淺水阻力，點劃線3為窄航道阻力。從圖7中可以看出，窄航道效應船舶阻力最大值對應的航速比淺水效應淺水阻力最大值對應的航速更低。長湖申航線上中游多處窄航道，上游最寬尺度 80m ，最窄尺度 25m ，而船的型寬為 12.8m ，上游最寬處 b/B=6.25 ，最窄處 b/B= 1.95，窄航道效應非常嚴重。因此窄航道航行時，要嚴格控制主機轉速，防止主機超負荷。

4新型集裝箱船儲能電池容量估算

4.1柴油機工作特性分析

根據柴油機生產廠商提供的推進特性臺架數據，符合 ??P_e=kn³ ，即主機輸出功率與轉速三次方成正比，推進系數 k 為0.00023。額定負荷 258kW 時，燃油消耗率最低，為 186g/kW?h ，低負荷點 50kW 時，燃油消耗率最高，為 231g/kW?h_c 。其他各典型負荷下的燃油消耗率在 192～216g/kW?h 之間，差距較小[8-9]

母型船在窄航道航行時主機轉速一般為400～480r/min ，在寬闊水域航行時主機轉速一般為 500r/min 左右，與柴油機額定轉速 1200r/min 相差較大，運行工況點很不理想。在實船測試中發現，該主機從未能運行到額定轉速，即使是在船舶空載狀態下也不行。2018-01-2911：57-11：59，該船選擇寬闊的江面，進行短暫的極限加速試驗，在空載逆水狀態下，主機轉速最高只能達到 856r/ min，對應航速 9.4kt 主機發不出額定功率，達不到額定轉速，應該是槳配置過重所致，導致船機槳匹配性較差，推測 856r/min 時，主機已進入柴油機轉矩限制運行模式。

由于中上游普遍存在嚴重的淺水效應和窄航道效應，導致主機負荷明顯偏離臺架試驗時的推進特性曲線 P_e=kn³ ，k明顯增大，因此推進系數k在多變的工況下，并非是個定值。從而通過柴油機推進特性曲線，由轉速估算功率是不可行的。并且船上柴油機輸出端空間狹窄，不符合軸功率測量儀的安裝條件。因此基于已有的歷史油耗數據，并結合本次記錄的船速數據，分析平均功率是估算儲能電池容量唯一合理的解決方案。

4.2柴油機平均功率估算

由于母型船的能量來源，均源自0#柴油，主機功率需求和輔機設備功率需求，都可以通過燃油消耗折算。由于輔機油耗占比很小，為方便計算，統一按主機功率來折算[0]。

根據船長提供的一組準確記錄的下行油耗數據，2017.06.1518：45-2017.06.1616：50，空載排水量 994t. ，下行載貨量為159.6t時（含箱體重量），航程 249km ，航行時間約 22h ，油耗 544.48L ，0#柴油密度取 0.835g/ml_o 單次航程港作時間一般 2h 平均每小時油耗 17L ，油耗約 34L 。則該次裝載情況下航行油耗為 510.48L 該航次平均航速為6.11kt ，排水量 563.72t ，假設整個航程的平均燃油消耗率為 210g/kW?h 主機功率可按下式折算：

根據海軍部系數法可以估算同一艘船舶在不同排水量和航速下的功率，海軍部系數法的公式如下：

式中， c 代表海軍部系數；代表航行時排水量t；V代表在該排水量時航行的任意速度，kt; P 表示在該速度下的輪機功率，hp。

同一艘船的海軍部系數 C 相同，在不同航速和排水量時，存在以下關系：

本次調研，正常裝載下行，航程 249km ，航行時間 24h ，每個40尺集裝箱載貨 20t ，共32箱，箱體自重 3.9t 則下行平均航速為 5.60kt ，排水量為1758.8t ，根據海軍部系數法計算可得平均功率為102.9kW ，假設燃油消耗率 210g/kW?h ，則下行航行油耗為 621.1L ，加上港作 ^2h ，油耗 34L ，下行總油耗為 655.1L 。該航線最多曾裝載過900t貨物（含箱體重量），航行 25h 到港，則下行平均航速為5.38kt，下行總排水量 1894t ，根據海軍部系數法，平均功率為 110.17kW_o 航行油耗估算值為 692.69L ，加上平均港作油耗 34L ，油耗共計 726.69L 。

本次調研，裝載32個40尺空箱上行（箱體自重3.9tAA ，航程 249km ，航行時間 25h ，根據船長提供的上行油耗數據，油耗約 705.52L ，單次航程港作油耗約 34L ，則上行油耗為 671.52L 。該航次平均航速 5.38kt ，排水量 1118.8t ，按油耗折算主機平均功率約 106.80kW 。共青碼頭-南潯錨地的平均航速較高，調研統計數據表明，該段累計里程157.4km ，航行時長為 14.72h ，占總航行時長的 59.1% ，平均航速 5.78kt 根據海軍部系數法，單獨折算該段的平均功率需求為 132.33kW □

滿載上行時，載貨量約 900t （含箱體重量），航行時間 30h ，上行平均航行速度約 4.48kt ，總排水量 1894t ，根據海軍部系數法計算，上行滿載航行平均功率為 117.2kW ，油耗為 884.26L ，加上港作油耗 34L ，則上行總油耗為 918.26L 共青碼頭-南潯錨地的平均航速較高，為 4.66kt 單獨折算該段的平均功率需求，為 131.85kW 。該數值與空載上行工況中該段功率需求值相差不大，主要原因是雖然增大了載貨量，但降低了航行速度。

4.3電池容量的估算

假設純電池船所需能量與柴油機船相等，在此基礎上估算所需電池儲能容量。為降低電池成本，減少電池使用量，可以采用在起點、終點和南潯服務區中途換電、充電模式。實際運營時，上行的起點有時會延伸至外高橋碼頭，從外高橋碼頭到共青碼頭，約 25km ，逆水航行需 3h 純電池船需按上行滿載工況（載貨 900t） ，儲存從外高橋碼頭到南潯服務區所需電能。外高橋碼頭到南潯服務區約 179.6km ，該航段航行約 20.81h ，平均航速為 4.66kt 航行過程能量需求為 2744kW?h ，該能量已包含日常用電負載，但不包括港作能量需求。按 1.5h 估算該段累積港作時間，港作油耗為25.5L，對應能耗 ，則該航程總能耗為2827kW?h ，取整為 2900kW?h 為保護電池，避免過充過放，正常使用時擬使用 25%～100% 的放電區間，則電池容量應設計為 3900kW?h O

若選用浙江谷神的36并168串的電池系統，每組儲能 425.8kW?h ，電池密度為 15.31m³/MW?h 或

，則需要這樣的模組10組，每組電池組體積為 6.519m³ ，重量為 4.74t ，則10組總體積為65.19m³ ，總重量為 47.4t 原主推進柴油機、四臺輔機、燃油、滑油、管系，估算總重為 6.7t 則改裝后的電池船機艙與原機艙尺寸相比，體積不會明顯增加。根據海軍系數法，預測新型純電動船在同等功率條件下，同樣裝載900t貨物，船舶重量增加了40.7t ，航速值預測會由 4.66kt 降為 4.62kt ，則改裝后的電池船對航速影響不大。

5結論

本文以長湖申航線上的某64TEU集裝箱船為母型船，針對實船調研數據，推測了船機槳匹配情況，分析了潮汐因素、淺水效應、窄航道效應對船舶的影響，并以此為基礎，通過油耗估算動力系統的平均功率需求，在采用中途服務區換電方案的前提下，確定了新型64TEU純電池集裝箱船的電池儲能需求，為內河智能新能源船的研制提供了論證數據。

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