引言我国拥有丰富的内河航道资源。根据交通运输部发布的《2021年交通运输行业发展统计公报》，2021年我国内河航道里程为12.76万km，其中珠江水系16 789 km，全国拥有水上运输船舶12.59万艘。未来15年，我国千吨级内河航道里程将增加1.12万km，内河运输货物周转量也将持续增长[1]。内河航运是综合运输体系和水资源综合利用的重要组成部分，在促进流域经济发展、优化产业布局、服务对外开放等方面发挥重要作用[2]。但内河航运发展的同时也面临一些挑战，如何提高内河运输效率、降低内河运输成本、减少环境污染和碳排放成为当前内河航运发展中的重要课题[3]。针对上述问题，内河航运发展的主要任务包括推广LNG节能环保船舶，探索发展纯电力、燃料电池等动力船舶，推进船舶靠港使用岸电[4]。建造更高效、环保的内河运输船舶已成为现实需求。文中以纯电推进散货船为例，该船的动力为锂电池+超级电容器，采用2台电动机驱动直翼全向推进器，分析其节能减排优势并进行能源消耗实船验证。1内河电动船的重要性活跃在我国内河航道上的运输船舶中有90%以上使用传统柴油机，具有船龄老、船型旧、吨位小等特点。这些船舶在行驶过程中产生大量二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物等气体，可能导致大气和水污染。近年来，工业源和机动车排放得到深入治理，而船舶排放的影响进一步凸显，成为继机动车排气排放物污染、工业企业排放之后的第三大大气污染源。改善内河航运船舶的节能环保水平是当前内河航运发展必须面对和解决的重要课题[5]。交通运输部发布的《船舶排放控制区调整方案》要求，2020年1月1日起，船舶在沿海控制区内航行应使用硫含量不大于0.5%的船用燃油，靠岸停泊期间不大于0.1%；内河控制区应按照《大气污染防治法》要求使用合规燃油。相关政策在一定限度上推动了内河船舶的绿色转型[6]。与柴油机船相比，电动船舶具有废弃物排放污染少、产生噪声小等优势。站在发展和实用性的角度分析，虽然电动船的发展受到电池充电与续航能力、电池充电设施分布情况的制约，但对于中短途运输、中小量运输的内河航运，电动船有着广阔的发展前景。工业和信息化部、发展改革委、财政部、生态环境部、交通运输部于2022年9月27日联合发布《关于加快内河船舶绿色智能发展的实施意见》（工信部联重装〔2022〕131号），意见指出“加快发展电池动力船舶。加强船用动力电池、电池管理系统等技术集成和优化，推进高效节能电机、电力系统组网、船舶充换电等技术研究，提升船舶电池动力总成能力和安全性能，重点推动纯电池动力技术在中短途内河货船、滨江游船及库湖区船舶等应用。”发展电池动力船舶有了明确的政策引导。因此，需要加快绿色船舶技术升级和优化，推动纯电推进等新能源技术在内河船舶的应用。22 000 t纯电推进内河电动船研究对象为2 000 t的纯电推进散货船，此级别的内河船舶数量占比大。该船载重2 000 t，船身质量600 t，总长70.5 m，型宽13.9 m，型深4.5 m，设计吃水3.4 m，是一种新能源电动自卸钢质散货船。与传统的燃油或燃气驱动内河船舶不同，该船采用“锂电池+超级电容”作为全船动力源，整船电池容量约为2 400 kWh，并采用2台电动机驱动直翼全向推进器作为操纵和推进系统。“双电型”纯电动船动力总成系统由直流母排电源、电源处理、动力驱动、操控单元和岸电快速充电五大部分组成，“双电型”纯电动船系统组成如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.002.F001图1“双电型”纯电动船系统组成“双电型”纯电动船动力总成系统采用具有高比功率的超级电容和高比能量的动力锂电池组合。根据系统需要进行输出，如需瞬间强劲功率输出时，由超级电容供能；需较长时间能量输出时，以动力锂电池为动力供能；能量的回收过程将动能转换为电能，通过超级电容的瞬间储能过程实现。超级电容与动力锂电池的组合有效延长了锂电池的使用寿命，提高了动力锂电池的运行效率，改善了锂电池各个单体均衡的一致性，改善了电池放电性较弱的特点且超级电容储电性较弱的缺点。因此，结合超级电容与动力锂电池可以使纯电动船具有更好的综合性能[7]。该技术方案还可以用于其他领域，如电动汽车、轨道交通等。随着科技的发展和市场需求的增加，“双电型”组合技术逐渐得到推广应用，并成为未来新能源动力系统的重要发展方向之一。3纯电推进内河电动船优势分析依据中国船级社《船舶能量消耗分布与节能指南》（GD18—2014）的研究成果，传统燃油散货船舶的能量损失主要集中在排烟、冷却、推进和主机等方面[8]。传统柴油机船的全船能量分布如图2所示。排烟损失和冷却损失均为直接热损失，占总能量损失的50%，占全船总能量消耗的42.66%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.002.F002图2传统柴油机船的全船能量分布电动船无排烟和冷却损失，具有低噪声、零排放等优点，采用纯电驱动的电动船可以减少直接热损失，从而实现更高效的能量利用。与传统柴油机船相比，纯电动船在航行中全程仅耗电，更节能、更环保。4能源消耗实船验证4.1测试和计算依据依据《运输船舶燃油消耗量 第2部分：内河船舶计算方法》（GB/T 7187.2—2010），计算内河以柴油发动机为主机和辅机的运输船舶燃油消耗量，需要采集船舶的油耗数据、主机转速、航行时的水文和气象信息、船舶航速和里程等数据。依据该方法，纯电推进内河电动船消耗的电能消耗数据采集为能源消耗实船验证的关键部分。依据《节能量测量和验证技术通则》（GB/T 28750—2012），纯电推进内河电动船相对传统普通柴油机船的节能效果计算方法采用“5.2 直接比较法”。4.2测试方法实船验证前，测试组将“充电柜-船舶内部”的用电作为船舶的整个用电系统，即充电柜由电网交流输入点开始至船舶供配电系统终端视为船舶能耗边界范围，这与“双电型”纯电动船动力总成系统的组成相贴合。明确能耗边界范围后，电动船单航次（往返）消耗电能为：出发前在充电泊位确认电动船BMS显示电池电量达到100%，单体电压最高电池电压达到3.65 V，开始启航、装煤、航行、卸煤、补电、回程，返回至充电泊位后测试再次充电至BMS显示电池电量达到100%、单体电压最高电池电压达到3.65 V的有功电量，此有功电量是电动船单航次（往返）消耗的电能。纯电推进内河电动船的能源消耗实船验证步骤如下：步骤1。进入电动船舶电气设备仓，在测试点安装电能检测设备（三相电力分析设备，可连续记录电能消耗量），测试点为交流供电柜辅助用电设备回路的直流输入端。此步骤为电动船的辅助用电系统的用电量测试。步骤2。安装辅助用电系统检测设备，在电动船舶起航前确认电动船舶的BMS系统中电池容量达到100%且单体电压最低电池电压为3.65 V，即电池容量及最低电池电压两个参数均要达到最大值。通过电动船舶电动船中控显示屏的显示参数进行确认。步骤3。确认条件达到（电动船舶满电）后起航，同时开始记录电动船辅助用电系统的用电情况。同时打开2部手机，记录船舶运行轨迹并备份，按既定航行线路航行。记录船舶起点泊位、航行模式、当日天气状况、BMS系统中记录的参数等。步骤4。电动船按既定线路由起点航行至终点，开始准备卸煤（散货），卸煤过程使用岸电，此时停止记录电动船辅助用电系统的用电量。卸煤后，电动船用电切换回电池供电，开始记录电动船辅助用电系统，重新起航。按既定航行线路返回至起点泊位，确认停靠位置与起航前一致，确认电动船停机，辅机系统断电，此时记录辅机系统耗电量并拆下检测设备。步骤5。对电动船充电量进行测试。电动船开始充电前，将检测设备安装至充电设备转换端。持续充电至BMS系统中电池容量达到100%且单体电压最低电池电压为3.65 V。此时记录各测试点的电量等参数。此步骤测试电动船的充电电量。4.3测试结果“双电型”纯电动船单航次航行能源消耗实船验证结果如表1所示。船舶单航次航行平均消耗电量为2 020.1 kWh。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.002.T001表1“双电型”纯电动船单航次航行能源消耗实船验证结果项目航行条件天气状况环境温度（最高和最低）船舶消耗电量/kWh第一次验证满载(1 800 t)，货品为煤，连续按航道正常航行晴31 ℃、20 ℃2 062.8第二次验证多云30 ℃、21 ℃1 997.7第三次验证多云28 ℃、18 ℃1 999.7C1=W×A (1)式中：C1——电动船单航次航行消耗电能转换成标准煤量，kg；W——船舶消耗电量，kWh；A——按照火力平均发电煤耗的电力等价折标系数，取0.3千克标准煤/kWh。经计算，该电动船单航次消耗电能转换成标准煤量为606.03千克标准煤。C2=V×ρ×B (2)式中：C2——传统柴油机船单航次消耗燃料转换为标准煤量，kg；V——消耗柴油量，取950 L；ρ——柴油密度，取0.85 kg/L；B——柴油折标准煤系数，取1.428 6千克标准煤/千克柴油。经计算传统柴油机船单航次消耗燃料转换为标准煤量为1 153.59千克标准煤。Δη=C2-C1C2×100% (3)经计算，电动船单航次（往返）比普通柴油机船单航次（往返）节约能量47.5%，近似等于纯电推进内河电动船中不存在的直接热损失，这与《船舶能量消耗分布与节能指南》（GD 18—2014）中以燃油为燃料、以内燃机作为驱动存在42.66%左右的直接热损失相差较小。5电动船与普通柴油机船的经济效益对比电动船与普通柴油机船经济效益对比如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.002.T002表2电动船与普通柴油机船经济效益对比用电类型电动船普通柴油机船用电单价/(元/kWh)单航次（往返）的能源成本/元0#柴油单价/(元/L)单航次（往返）的能源成本/元广州大工业电基础（平段）电价0.610 41 233.12019年度最低6.185 871低谷电价0.305 2616.52019年度最高6.786 441高峰电价1.007 22 034.62019年度平均6.486 156广州港口交流岸电0.100 0202.0广州电动汽车充电基础（平段）充电电价1.610 43 253.2低谷充电电价1.305 22 636.6高峰充电电价2.007 24 054.7注：1.广州大工业电价依据为《广东省发展改革委关于降低我省一般工商业电价有关事项的通知》（粤发改价格〔2019〕191号），按1~10 kV等级计算。2.广州港口交流岸电价格依据为《广州市港务局关于印发广州港口船舶排放控制补贴资金实施方案的通知》（穗港局〔2019〕33号）。3.广州电动汽车充电单价依据为《广州市发展改革委关于电动汽车充电服务费试行收费标准的通知》，电动汽车充电服务费收费标准为1元/kWh。6结语以2 000 t纯电推进散货船内河电动船为研究对象，该船以锂电池+超级电容作为全船的动力源，利用以“充电系统加整船”作为能耗边界进行能耗实船验证的方法，获得纯电型内河电动船的节能效果。纯电推进内河电动船在其航道上以满载情况下单航次航行工况比传统普通柴油机船节约47.5%的能源消耗。