船舶電氣節(jié)能技術(shù)研究

殷宗學(xué)，初建樹，劉日文，劉玉濤

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司技術(shù)研發(fā)中心，遼寧大連 116600）

0 引言

傳統(tǒng)的船舶節(jié)能技術(shù)主要涉及3個(gè)方面：1）盡量減少船體的各種阻力，增強(qiáng)推進(jìn)效率，降低主機(jī)功率以達(dá)到節(jié)能的效果，如優(yōu)化船體型線設(shè)計(jì)與船型、采用防污涂料減少船體的粗糙度、采用船艉附體（外加鰭、導(dǎo)流管等節(jié)能裝置）及選用帶舵球扭曲節(jié)能舵等；2）提高船舶動(dòng)力裝置的效率和傳動(dòng)效率，減少單位輸出功率的能耗，通過節(jié)約燃料達(dá)到節(jié)能的目的，如通過優(yōu)化船、機(jī)、槳的匹配，優(yōu)選低轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)沖程主機(jī)，采用大直徑低轉(zhuǎn)速的螺旋槳、新型高效螺旋槳，優(yōu)選螺旋槳與船殼相對(duì)最佳安裝位置，利用主機(jī)廢氣余熱（加裝廢熱回收裝置）等；3）通過實(shí)船測(cè)試或計(jì)算機(jī)技術(shù)找出最佳配載方案或最佳縱傾、船舶經(jīng)濟(jì)航速（減速航行）、主機(jī)降額輸出和優(yōu)化航線等達(dá)到減少能耗的目的。除此傳統(tǒng)節(jié)能技術(shù)外，如何進(jìn)一步來提高船舶能效呢？隨著船舶電氣設(shè)備、自動(dòng)化技術(shù)和智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣系統(tǒng)同樣也可以在節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮作用[1-4]。

1 優(yōu)選發(fā)電裝置的節(jié)能技術(shù)

船舶電站的能耗在整個(gè)船舶動(dòng)力裝置中占有一定的份額，為此，應(yīng)合理地使用發(fā)電機(jī)，盡量避免柴油機(jī)在低負(fù)荷下運(yùn)行，以提高柴油機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。另外，可采取補(bǔ)償裝置以提高船舶電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，進(jìn)而提高可用功率、減小發(fā)電機(jī)總?cè)萘俊?/p>

1.1 采用頻率補(bǔ)償裝置的軸帶發(fā)電機(jī)

軸帶發(fā)電機(jī)在主機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還一并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于柴油機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性較差，耗油率增加，當(dāng)船舶較長(zhǎng)時(shí)間處于部分負(fù)荷時(shí)，可采用主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)，這樣不僅可使主機(jī)在效率高的運(yùn)行區(qū)域，提高系統(tǒng)效率，而且有可能減少柴油發(fā)電機(jī)組的數(shù)目和運(yùn)行時(shí)間。軸帶發(fā)電機(jī)也可采用永磁發(fā)電機(jī)的型式，以提高在低轉(zhuǎn)速時(shí)的效率。若在軸帶發(fā)電機(jī)裝置中加入頻率補(bǔ)償裝置（四象限變頻器），則可以實(shí)現(xiàn)輸出有功和無功功率的單獨(dú)調(diào)節(jié)，提高船舶電站系統(tǒng)的功率因素，增加調(diào)節(jié)的靈活性和動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定性。此時(shí)即使是配置了固定式螺旋槳，在70%～100%主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，軸帶發(fā)電機(jī)都可以保證額定功率輸出，并可與主柴油機(jī)長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，這樣正常情況下就可以節(jié)省 1臺(tái)備用主柴油機(jī)的配置，從而減少設(shè)備成本。

圖1 軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)電模式示意圖

在中大型集裝箱船或原油船上，由于主機(jī)的裝機(jī)功率非常大，廢氣余熱回收量也非常大，而燃料中約50%的能量無法用于機(jī)械做功，主要以熱量的形式被浪費(fèi)。即使加裝普通廢氣鍋爐，利用一部分蒸汽作為其他輔機(jī)系統(tǒng)的熱能，但因船上本身蒸汽熱量消耗不大，所以大量廢氣余熱就被浪費(fèi)。如果增加蒸汽的產(chǎn)量并將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為電能，廢氣流中損失的能量減少，就可更高效地利用燃料。

如圖2所示，利用回收的主機(jī)廢氣產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽透平發(fā)電機(jī)組（有時(shí)部分廢氣直接驅(qū)動(dòng)廢氣透平，其通過1個(gè)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電機(jī)組）。正常航行時(shí)，只需使用透平發(fā)電機(jī)為全船設(shè)備輸送電力，充分利用了廢氣、廢熱，提高了主機(jī)效率，而且還可以減少 1臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)的配置。使用廢熱回收系統(tǒng)一般可回收 10%的主機(jī)輸出功率，由于燃料成本的上漲，加裝廢氣回收系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)性，據(jù)測(cè)算，主機(jī)輸出功率達(dá)到20 MW及以上的船使用廢熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性較好。

圖2 透平發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成示意圖

如果再和軸帶發(fā)電機(jī)PTI（power take in，功率輸入）配合使用，即軸帶發(fā)電機(jī)作為 1臺(tái)推進(jìn)電機(jī)，電源由主柴油發(fā)電機(jī)提供，在主機(jī)故障時(shí)可作為主推的替代動(dòng)力實(shí)現(xiàn)船舶安全返港的功能。另外，由于軸帶發(fā)電機(jī)與配電板之間加裝了變頻器，當(dāng)船舶?？看a頭使用中壓岸電系統(tǒng)時(shí)，無論岸電是什么頻率，都可靈活地進(jìn)行岸電連接，可以兼容全球任何國家的電制，輕松?？咳魏螄业母劭凇?/p>

1.2 采用透平發(fā)電機(jī)

如果搭配使用軸帶發(fā)電機(jī)（見圖3），在主機(jī)低速航行時(shí)，船舶的耗電超出可從廢熱中回收的電量時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)將向船舶的主電網(wǎng)供電。另一方面，當(dāng)透平發(fā)電機(jī)的電足夠多時(shí)，可以向軸帶發(fā)電機(jī)供電，此時(shí)軸帶發(fā)電機(jī)作為軸帶電機(jī)與主機(jī)聯(lián)合推進(jìn)，為船舶提供航行動(dòng)力。這種方式尤其適用于季節(jié)性或偶爾極地航行的船舶，通過助力主推進(jìn)器，可使用原動(dòng)力和尺寸均較小的柴油主機(jī)，即可在無需增加柴油主機(jī)功率的情況下達(dá)到冰級(jí)航行要求的額外推進(jìn)力。

圖3 軸帶發(fā)電機(jī)電動(dòng)模式示意圖

2 優(yōu)選配電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

電力推進(jìn)船舶在操縱靈活性、可靠性和效率等方面比傳統(tǒng)船舶更有優(yōu)勢(shì)。電力推進(jìn)船舶的電站功率大，運(yùn)用現(xiàn)代新技術(shù)可挖掘節(jié)省燃油和運(yùn)營成本的潛力，達(dá)到節(jié)能的目的。

2.1 采用混合電力推進(jìn)

混合電力推進(jìn)系統(tǒng)使用直流電網(wǎng)加儲(chǔ)能裝置，一般由可變速柴油機(jī)、直流電網(wǎng)、整流器、逆變器和能量存儲(chǔ)單元等設(shè)備組成，如圖4所示。

圖4 直流電網(wǎng)系統(tǒng)圖

一般恒速運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組最佳效率點(diǎn)出現(xiàn)在約 85%額定功率時(shí)，但工程類船舶柴油發(fā)電機(jī)組更多情況下是在低負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行，其燃油消耗率較大、經(jīng)濟(jì)性較差。如果柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組能夠變速運(yùn)行，使最優(yōu)效率運(yùn)行點(diǎn)可以根據(jù)船舶不同工況下的電站負(fù)載率進(jìn)行設(shè)定，在低負(fù)荷時(shí)通過改變柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速使原動(dòng)機(jī)盡量工作在最佳運(yùn)行條件下，這樣原動(dòng)機(jī)獲得最高效率，就能使燃油消耗量降到最低。從圖5可看出：在低負(fù)荷時(shí)，可變轉(zhuǎn)速燃油消耗率明顯較低，整個(gè)系統(tǒng)的綜合能效可以提高 20%左右。國外在平臺(tái)供應(yīng)船（如“Dina Star”號(hào)，98 m長(zhǎng)，4 800總噸）及短程渡船等項(xiàng)目上已有直流配電系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖5 定速與變速柴油機(jī)燃油消耗率曲線圖

另外，可將蓄電池或超級(jí)電容連接到直流電網(wǎng)，它們?cè)诘拓?fù)荷下進(jìn)行充電，對(duì)電力需求起到削峰填谷的作用。在實(shí)際動(dòng)力定位（dynamic positioning，DP）應(yīng)用中，由于海況變化比較突然，導(dǎo)致負(fù)載變化幅度大、速度快，發(fā)電機(jī)不可能頻繁增減，使用蓄電池或超級(jí)電容向負(fù)載供電，可保持柴油機(jī)負(fù)載平穩(wěn)，電力需求突變將變得順滑，從而可降低電站的峰值功率，使其始終保持在最佳運(yùn)行點(diǎn)附近。同時(shí)，這種方法可有效限制供電網(wǎng)絡(luò)功率的擾動(dòng)，如此降低功率峰值可以消除備用發(fā)電機(jī)的起動(dòng)并網(wǎng)運(yùn)行。另外，柴油機(jī)快速加載和卸載會(huì)對(duì)柴油機(jī)燃燒過程產(chǎn)生不利影響，通過減少加載和卸載的次數(shù)也能顯著降低油耗、減少維護(hù)，從而大大提高燃油經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)可靠性。

鎮(zhèn)揚(yáng)新汽渡船3011輪為我國首艘混合電力推進(jìn)民用船舶，在渡船進(jìn)行裝車作業(yè)時(shí)，該船的發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，而是靠超級(jí)電容放電提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)了零排放。新渡船在航行中，其超級(jí)電容會(huì)結(jié)合變速技術(shù)，使能源消耗始終處于最佳的耗油點(diǎn)上，可達(dá)到節(jié)能減排的目的。根據(jù)相關(guān)測(cè)算，新渡船可比傳統(tǒng)渡船節(jié)能15%左右。改進(jìn)系統(tǒng)還有利于將太陽能面板、燃料電池等輔助直流能源簡(jiǎn)單地集成到船舶直流電力系統(tǒng)中，為進(jìn)一步節(jié)省燃油創(chuàng)造可能，也為新能源為基礎(chǔ)的船舶應(yīng)用開辟一條新途徑。

2.2 采用母排閉環(huán)技術(shù)

帶DP功能的海工船舶對(duì)DP冗余性有一定要求，整個(gè)系統(tǒng)的總功率容量配置是按照最惡劣海況條件下即使失效一組還要保持原先的定位能力來確定的，這意味著電站的總功率必須保有一定余量，所以其裝機(jī)總功率較大。但大多數(shù)時(shí)候的海況比較好，推進(jìn)器的輸出功率比較低，總裝機(jī)功率大大高于平均負(fù)荷所需的功率，所以整個(gè)系統(tǒng)的使用率非常低，大概僅占40%額定功率。如果采用母排閉環(huán)技術(shù)，就可以優(yōu)化傳統(tǒng)的DP船分開母排運(yùn)行的模式，減少在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。現(xiàn)代新技術(shù)不僅可以保證與傳統(tǒng)技術(shù)相同的操作安全等級(jí)，而且可使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳效率點(diǎn)，從而提高了設(shè)備利用率、減少了燃料消耗、減少了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間并間接地減少了維護(hù)成本。

因此，大部分時(shí)間處于動(dòng)力定位、待機(jī)等工況下的船舶，其節(jié)油的潛力較高。根據(jù)國外廠家的研究資料顯示：采用母排閉環(huán)技術(shù)可以減少 35%的氮氧化物（NOx）和 11%的二氧化碳（CO2）排放，節(jié)省 9%的燃料，減少 33%的發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。此技術(shù)目前已在一些項(xiàng)目上實(shí)船交付使用。

3 選用高效節(jié)能設(shè)備和技術(shù)

3.1 采用超高效節(jié)能IE3電機(jī)

船上絕大多數(shù)負(fù)載都是電機(jī)類負(fù)載，其在船舶運(yùn)行過程中大都會(huì)處于連續(xù)工作狀態(tài)，因此消耗了船上大約85%的電能。從圖6能效曲線可看出：采用高能效等級(jí)的IE3電機(jī)在IE2的基礎(chǔ)上可減少15%～20%左右的損耗，如果每個(gè)電機(jī)能效都比之前提高一點(diǎn)，那么所有設(shè)備在整個(gè)航程中累計(jì)的能源節(jié)省量將是非常巨大的。選用高效節(jié)能電機(jī)后，不僅節(jié)能效果非常明顯，而且將大幅降低能源損耗，甚至船上整個(gè)發(fā)電機(jī)的容量也將減小，這又進(jìn)一步節(jié)約了設(shè)備成本。

圖6 電機(jī)各種能效效率曲線圖

3.2 采用LED節(jié)能燈

LED即半導(dǎo)體發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED燈以高亮度白色發(fā)光二極管為發(fā)光源，比普通節(jié)能燈更安全、環(huán)保。根據(jù)LED發(fā)光的原理可知：LED燈發(fā)熱量不高，把電能量盡可能地轉(zhuǎn)化成了光能。而普通的燈（如白熾燈）發(fā)熱量大，把許多電能轉(zhuǎn)化成了熱能，能量被白白浪費(fèi)。

對(duì)比表1中各種光源的性能，可知：LED照明具有低損耗、低能耗、光效高和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外燈具廠家都能提供各種安裝形式的LED照明燈具（包括航行/信號(hào)燈），如果全船都使用LED燈，那么不僅可以大大減少電力消耗，還可能進(jìn)一步減少通用變壓器的選型容量。

如果配合使用紅外線傳感器，可在生活區(qū)走道等公共區(qū)實(shí)現(xiàn)照明自動(dòng)控制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能。當(dāng)這些區(qū)域內(nèi)有船員活動(dòng)時(shí)，此處的照明將會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮；當(dāng)船員離開時(shí)，經(jīng)過一定的延時(shí)（時(shí)間可調(diào)）后，該區(qū)域照明也會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

表1 不同種類的光源對(duì)比表

3.3 采用變頻技術(shù)

1）變頻調(diào)速應(yīng)用

由公式（1）可知：泵或風(fēng)機(jī)類輔機(jī)的功率P與其體積流量Q和壓頭?Δp緊密相關(guān)。船上輔機(jī)泵或風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的額定功率往往都是按照船舶最大工況下的最大流量需求及冗余等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以設(shè)備總功率非常大，系統(tǒng)運(yùn)行后的耗電量相當(dāng)于或接近于額定功率的最大值。

泵或風(fēng)機(jī)通常使用閘閥或擋板改變管路特性曲線，以此來調(diào)節(jié)流量需求。減小流量的同時(shí)增大了阻力，所以輸入功率降低有限，造成大量的能源損耗。在實(shí)際運(yùn)行工況（通常無需連續(xù)滿載運(yùn)行）下，很少出現(xiàn)如此大的流量需求。對(duì)于長(zhǎng)期處于低效工況下運(yùn)行的大容量泵或風(fēng)機(jī)，很容易出現(xiàn)系統(tǒng)匹配性能不優(yōu)越等問題，這就無端造成了大量電力損耗。

機(jī)艙通風(fēng)、中央冷卻等系統(tǒng)都會(huì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并且用電量大，而且這些系統(tǒng)的運(yùn)行都會(huì)隨著船舶航行的實(shí)際情況、熱負(fù)荷的狀況、季節(jié)和外部溫度的變化而變化。以變頻調(diào)速的方法適時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量/流量，是一種既方便又節(jié)能的好方法。

2）變頻節(jié)能原理

泵和風(fēng)機(jī)類負(fù)載具有二次方律負(fù)載特性，轉(zhuǎn)速 n與流量Q、揚(yáng)程H和功率P之間的關(guān)系如公式（2）所示。

從式（2）可以看出：流量和壓力分別與轉(zhuǎn)速的一次方和二次方成比例，輸入功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，利用變頻調(diào)速的方式對(duì)流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，由調(diào)速控制代替節(jié)流控制，將大大降低功率損耗，從而達(dá)到節(jié)能效果。從圖7可看出：泵或風(fēng)機(jī)在速度降到額定轉(zhuǎn)速的50%時(shí)，其功率只有15%左右，調(diào)速節(jié)能效果非常明顯。

另外，只有當(dāng)恒速電機(jī)的功率達(dá)到額定點(diǎn)時(shí)，才能高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，如果沒有達(dá)到額定點(diǎn)，其功效將大打折扣。如果采用變頻調(diào)速的方式，變頻泵或風(fēng)機(jī)的特性曲線在運(yùn)行中就會(huì)出現(xiàn)平移的情況，可使泵或風(fēng)機(jī)始終處于效率比較高的最佳運(yùn)行點(diǎn)上，使系統(tǒng)運(yùn)行更佳優(yōu)越。

圖7 泵或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率曲線圖

泵和風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速利用的是異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨頻率正比變化的特性，通過改變電機(jī)的供電頻率進(jìn)行調(diào)速。變頻調(diào)速原理基礎(chǔ)是：頻率變化時(shí)，必須保持其磁通不變，即保持U/f=常數(shù)的電壓頻率比控制，如圖8所示。U/f控制是變頻器的基本控制方式，由于其控制簡(jiǎn)單，以節(jié)能為主要目的船用變頻調(diào)速已得到廣泛的應(yīng)用。

圖8 U/f控制曲線圖

3.4 采用智能技術(shù)

在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，具有自主感知、認(rèn)知、預(yù)測(cè)和決策能力的智能船舶是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，它由多種關(guān)鍵子系統(tǒng)組成，以保證船舶的航行安全、效率以及經(jīng)濟(jì)性。其中，智能機(jī)艙主要對(duì)主機(jī)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過船岸通信可實(shí)現(xiàn)無縫顯示、遠(yuǎn)程操作，并提供維護(hù)建議，其提高了可用性、減少了停機(jī)時(shí)間、延長(zhǎng)了維護(hù)間隔或主動(dòng)提前維修，并能分析和報(bào)告運(yùn)營模式下的燃料消耗情況，另外，系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)咨詢功能，可提升操作性能、降低能耗。智能能效管理系統(tǒng)通過采集和處理耗能設(shè)備的功率、壓力、溫度、燃料消耗、主機(jī)軸功率和船舶狀態(tài)等參數(shù)數(shù)據(jù)，提供能耗設(shè)備工況監(jiān)測(cè)、航行狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能，通過分析處理船舶硬件設(shè)備終端輸出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)船岸能效數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控、船舶能耗分布分析、船舶能效分析，為船舶提供數(shù)據(jù)評(píng)估分析結(jié)果和輔助決策建議，以及航速優(yōu)化、基于縱傾優(yōu)化的最佳配載等解決方案，實(shí)現(xiàn)船舶能效實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能評(píng)估及優(yōu)化，從而不斷提高船舶能效管理水平。智能航行系統(tǒng)能控制船舶航速和跟蹤航程，與推進(jìn)器配合，可對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性響應(yīng)，確保行為優(yōu)化和效率優(yōu)化，其節(jié)能效果更佳。

4 結(jié)束語

除上述船舶本身的節(jié)能技術(shù)外，船舶運(yùn)營管理和設(shè)備維護(hù)節(jié)能也是船舶節(jié)能技術(shù)中不可或缺的環(huán)節(jié)。使用節(jié)能技術(shù)的船舶比傳統(tǒng)船舶更具有成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也有利于減少排放并贏得環(huán)境效益。但所有節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用不能一概而論，需根據(jù)船舶實(shí)際功能、具體航線和運(yùn)行工況，運(yùn)用系統(tǒng)工程方法，綜合利用和選擇合適的節(jié)能方式，同時(shí)應(yīng)提前評(píng)估節(jié)能配置方案的投資回報(bào)率，才能使節(jié)能效果達(dá)到最佳。當(dāng)前，新技術(shù)的發(fā)展非常迅速，相信會(huì)有更多的新技術(shù)促進(jìn)節(jié)能技術(shù)發(fā)展，只有不斷學(xué)習(xí)，才能進(jìn)一步節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境。