船舶輔機(jī)電氣設(shè)備節(jié)能技術(shù)研究

陽世榮 王云鶴 吳團(tuán)結(jié) 夏偉 曹晨

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

1 引言

相對于陸地電網(wǎng)來說，船舶電網(wǎng)是一個(gè)獨(dú)立的小容量系統(tǒng)[1]，而船舶輔機(jī)是船舶電網(wǎng)的主要用電負(fù)荷之一。由于船舶所攜能源有限，輔機(jī)耗電量過大必然會占用船舶主推進(jìn)設(shè)備所需的能源份額，影響船舶航行續(xù)航力的提升，從而導(dǎo)致航運(yùn)成本增加，也不符合國家能源政策中的節(jié)能減排要求。因此，采用節(jié)能技術(shù)，降低輔機(jī)能耗，是提升船舶續(xù)航力、降低運(yùn)營成本的有效途徑，在世界能源形勢日益緊張的今天，意義十分重大。

船舶輔機(jī)主要包括泵和風(fēng)機(jī)[2]，一般采用電動機(jī)直接驅(qū)動的方式運(yùn)行，因此電動機(jī)及控制裝置等輔機(jī)電氣設(shè)備是船舶電網(wǎng)的直接用電負(fù)荷，也是節(jié)能技術(shù)的具體應(yīng)用對象。另外，經(jīng)濟(jì)節(jié)能還與輔機(jī)運(yùn)行的使用管理模式密切相關(guān)。所以，本文將從電動機(jī)、運(yùn)行控制和使用管理等三個(gè)方面對船舶輔機(jī)電氣設(shè)備節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析和闡述。

2 電動機(jī)節(jié)能技術(shù)

電動機(jī)是輔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的動力源，也是船舶電網(wǎng)主要的直接用電負(fù)荷，因此電動機(jī)效率的高低是節(jié)能與否的直接因素。另外，多數(shù)船舶輔機(jī)，如冷卻水泵、主軸滑油泵、通風(fēng)機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)等，在整個(gè)航行期間均處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)，其效率的改善對降低電機(jī)能耗的影響尤為明顯。由于運(yùn)行時(shí)間較長，即使電動機(jī)效率只提高一點(diǎn)點(diǎn)，整個(gè)航行期間累計(jì)節(jié)省的電能也是相當(dāng)可觀的。

根據(jù)船舶電網(wǎng)電制的不同，目前的船舶輔機(jī)電動機(jī)包括直流電動機(jī)和交流異步電動機(jī)兩大類。由于船舶航行工況發(fā)生變化，會引起輔機(jī)負(fù)載變動或者電網(wǎng)電壓產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致輔機(jī)電動機(jī)的輸出功率偏離額定功率，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，此時(shí)電動機(jī)效率急劇降低，電能損耗大大升高。另外，對于交流異步電機(jī)而言，其功率因數(shù)一般為0.8左右，當(dāng)輔機(jī)負(fù)載降低較多時(shí)（如接近空載時(shí)），功率因數(shù)也大大降低，導(dǎo)致電網(wǎng)電流的無功分量增大，網(wǎng)損增加；而直流電動機(jī)由于存在電刷，運(yùn)行期間的機(jī)械換向會引起電火花，需定期清理或更換電刷，電機(jī)維護(hù)工作量較大。

近年來發(fā)展迅速的永磁同步電動機(jī)，為解決船舶輔機(jī)電動機(jī)存在的上述問題、提高電動機(jī)能效，提供了一條有效的技術(shù)途徑。永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子由永磁體材料構(gòu)成，轉(zhuǎn)子側(cè)無感應(yīng)電流，不存在轉(zhuǎn)子磁滯損耗和渦流損耗[3]，提高了電機(jī)效率；由于無需轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，電機(jī)功率因數(shù)可接近于1[3]，減小了定子電流，進(jìn)一步提高了電機(jī)效率，同時(shí)也改善了電網(wǎng)品質(zhì)，降低了網(wǎng)損；全功率范圍內(nèi)效率高，即使負(fù)載降低到額定負(fù)載的25%時(shí)，永磁電動機(jī)效率仍可達(dá)到90%以上。永磁電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大，可以用較小容量的永磁電機(jī)替代較大容量的一般電機(jī)，較好的解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象[4]。此外，永磁電動機(jī)還具有溫升低、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，并且不存在電刷，維護(hù)性好，特別適合作為船舶輔機(jī)電動機(jī)。隨著稀土永磁材料生產(chǎn)工藝水平的提高和量產(chǎn)成本的下降，永磁電動機(jī)以其在高效節(jié)能方面無可比擬的優(yōu)勢，在發(fā)電、冶金、陶瓷、紡織等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。永磁同步電動機(jī)作為船舶輔機(jī)配套電機(jī)的應(yīng)用條件已經(jīng)成熟。

基于永磁同步電動機(jī)寬范圍高效率和高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，選用永磁同步電動機(jī)，作為船舶輔機(jī)的電力驅(qū)動設(shè)備，是提高輔機(jī)電氣設(shè)備能效的最直接有效的途徑。

3 運(yùn)行控制節(jié)能技術(shù)

船舶輔機(jī)大多為風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載[2]，對于船舶這樣一個(gè)中小型管網(wǎng)系統(tǒng)來說，風(fēng)機(jī)、泵的流量需求經(jīng)常隨航行工況的不同而發(fā)生變化。由于船舶輔機(jī)的額定功率一般按滿足最大流量需求的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，船舶輔機(jī)的流量調(diào)節(jié)大多為向下調(diào)節(jié)。目前，船舶輔機(jī)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)，往往采用截流的方式，即減小出口處風(fēng)門或閥門的開度，實(shí)質(zhì)是通過增加管路阻力來限制流量，此時(shí)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變，電功率基本不變，大量電能白白浪費(fèi)在管路損失上。

風(fēng)機(jī)、泵是典型的平方轉(zhuǎn)矩類型負(fù)載，其流量q、揚(yáng)程H、功率p和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系如式（1）所示。

從式（1）可以看出，風(fēng)機(jī)、泵的流量與電動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，所消耗的電功率與電動機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，且電功率正比于流量與揚(yáng)程的乘積。因此，在管路特性不變時(shí)，采用降低轉(zhuǎn)速的方式來減小流量，能夠取得明顯的節(jié)能效果。

風(fēng)機(jī)、泵采用調(diào)速方式減小流量與截流方式減小流量的對比分析如圖1所示。圖1中，M為閥門全開時(shí)的工作點(diǎn)，對應(yīng)轉(zhuǎn)速n、流量qVM、揚(yáng)程HM和管路特性曲線 I。當(dāng)采用截流方式減小流量時(shí)，由于出口閥門關(guān)小，管路阻力增加，管路特性曲線由I變?yōu)?I'，但是此時(shí)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速n沒有變化，輔機(jī)工作特性曲線沒有變化，因此工作點(diǎn)沿著原有的工作特性曲線從M移至A，此時(shí)對應(yīng)轉(zhuǎn)速n、流量qVA、揚(yáng)程HA和管路特性曲線 I'。當(dāng)采用調(diào)速方式減小同樣的流量時(shí)，由于管路特性沒有變化，轉(zhuǎn)速降低，輔機(jī)工作特性曲線平行下移，工作點(diǎn)沿著原有的管路特性曲線I由M移至B，此時(shí)對應(yīng)轉(zhuǎn)速 n'、流量qVA、揚(yáng)程HB和管路特性曲線 I。由于風(fēng)機(jī)、泵消耗的電功率正比于流量與揚(yáng)程的乘積，所以圖1中陰影部分面積HA-A-B-HB表示采用調(diào)速方式減小流量時(shí)所節(jié)省的電力。從上述分析可以看出，采用調(diào)速的方式減小流量，尤其是在長期運(yùn)行的情況下，節(jié)省的電能是相當(dāng)可觀的。

圖1 調(diào)速方式減小流量與截流方式減小流量的對比

如上文中所述，輔機(jī)電動機(jī)采用永磁電動機(jī)后，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速表達(dá)式為式（2），且電動機(jī)效率不會隨轉(zhuǎn)速降低而降低，更加符合節(jié)能要求。

其中，n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速，f為供電頻率，p為電機(jī)極對數(shù)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比，因此采用變頻的方式對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無級調(diào)節(jié)是最佳的調(diào)速方式。隨著大功率電力電子器件發(fā)展日新月異，電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展也日益成熟，為船舶輔機(jī)運(yùn)行的變頻調(diào)速節(jié)能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。另外，由于變頻調(diào)速裝置的輸入電源既可以是交流電也可以是直流電，因此，采用永磁電動機(jī)與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成的輔機(jī)電力傳動系統(tǒng)可以直接接入船舶電網(wǎng)中，無需改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，降低了改造成本。

采用變頻調(diào)速裝置對船舶輔機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速實(shí)施控制，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際流量需求，實(shí)時(shí)動態(tài)的調(diào)節(jié)輔機(jī)轉(zhuǎn)速以控制流量輸出，節(jié)能效果十分明顯。需要說明的是，如式（1）及圖1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，風(fēng)機(jī)、泵的揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速下降呈平方下降關(guān)系，因此，進(jìn)行調(diào)速節(jié)能時(shí)，必須同時(shí)考慮揚(yáng)程是否滿足系統(tǒng)需求，因而調(diào)速范圍不能太大，一般在額定轉(zhuǎn)速70%～100%的范圍之內(nèi)[5]。

4 使用管理中的節(jié)能技術(shù)

目前，船舶輔機(jī)的使用管理仍比較粗放，大多僅為投切臺數(shù)的簡單管理，只要求滿足基本的供水、供風(fēng)等要求，沒有從提高全船電能利用效率的角度對輔機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程實(shí)施最優(yōu)管理。由于輔機(jī)的額定功率輸出一般按照滿足系統(tǒng)最大需求的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，還需要保留一定裕量，以保證輔機(jī)的長期使用效果。但是，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況往往達(dá)不到最大需求，而輔機(jī)使用的簡單管理方式無法根據(jù)系統(tǒng)工況的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輔機(jī)能量輸出，因此存在大量的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。所以，采用節(jié)能技術(shù)優(yōu)化全船輔機(jī)的運(yùn)行過程控制，從使用、管理的角度提高輔機(jī)運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)輔機(jī)電氣設(shè)備節(jié)能綜合管理，是輔機(jī)節(jié)能又一重要技術(shù)途徑。

節(jié)能綜合管理的基本原理為：采用信息技術(shù)獲取系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況參數(shù)及相關(guān)環(huán)境參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際工況需求，采用變頻調(diào)速、減載控制等技術(shù)手段實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輔機(jī)的能量輸出，實(shí)現(xiàn)能量的按需分配和精細(xì)管理，達(dá)到節(jié)能增效的目的。節(jié)能綜合管理的主要對象包括船舶航行期間長時(shí)間連續(xù)工作的輔機(jī)設(shè)備，如冷卻水泵、空調(diào)裝置、通風(fēng)機(jī)組等等。這些設(shè)備工作時(shí)間長，其流量供給往往隨航行工況變化而變化，因此實(shí)施節(jié)能綜合管理能夠帶來明顯的節(jié)能效果。

在冷卻水泵節(jié)能管理方面，根據(jù)海洋環(huán)境溫度、船舶熱負(fù)荷工況狀態(tài)、冷卻水泵出口溫度及壓力等信息，通過實(shí)施變頻調(diào)速、冷卻水泵運(yùn)行臺數(shù)控制等技術(shù)措施實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水的供給量，當(dāng)系統(tǒng)熱負(fù)荷較低或外部海水溫度較低、換熱效率較高時(shí)，可降低冷卻水供給量，既能滿足系統(tǒng)溫升控制要求，又能最大程度節(jié)約電能。

在空調(diào)裝置節(jié)能管理方面，采用變頻壓縮機(jī)及變頻調(diào)速空調(diào)風(fēng)機(jī)，根據(jù)艙室人員分布、艙室溫濕度、外部環(huán)境溫度、冷媒水溫度等信息，在滿足人員需求和艙室環(huán)境要求的前提下，自動調(diào)節(jié)制冷量，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。空調(diào)裝置是航行期間的能耗大戶，主要是為人員服務(wù)的[6]，當(dāng)空調(diào)區(qū)域人員減少或者艙室環(huán)境溫度不高的情況下，通過調(diào)速自動減小空調(diào)功率；當(dāng)空調(diào)區(qū)域無人時(shí)，及時(shí)關(guān)閉相應(yīng)的空調(diào)制冷，降低空調(diào)能耗。

在通風(fēng)機(jī)組節(jié)能管理方面，根據(jù)艙室大氣成分含量、大氣溫濕度、空氣壓力等信息，并結(jié)合航行工況狀態(tài)，采用變頻調(diào)速方式實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)供風(fēng)量。當(dāng)大氣環(huán)境質(zhì)量較好，可降低電機(jī)轉(zhuǎn)速以減少風(fēng)量供給，既節(jié)約了電能也降低了通風(fēng)噪聲。

節(jié)能管理側(cè)重于運(yùn)行過程的優(yōu)化控制與管理，重點(diǎn)在于如何使輔機(jī)流量供給與系統(tǒng)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)匹配。通過節(jié)能管理，使得輔機(jī)流量輸出同步跟蹤實(shí)際需求變化，以滿足需求為前提進(jìn)行按需供應(yīng)，基本實(shí)現(xiàn)不滯后、不多給、不少給，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

5 結(jié)論

船舶輔機(jī)電氣設(shè)備節(jié)能是一個(gè)系統(tǒng)工程，上文所述的永磁電動機(jī)、變頻調(diào)速和節(jié)能綜合管理等節(jié)能技術(shù)不是孤立的，而是相輔相成、互為依托的。永磁電動機(jī)的應(yīng)用提高了設(shè)備本身的效率，其良好的寬功率范圍效率指標(biāo)及調(diào)速性能，為控制層的節(jié)能優(yōu)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)；控制層的變頻調(diào)速技術(shù)又為系統(tǒng)層的節(jié)能綜合管理提供了技術(shù)基礎(chǔ)；在系統(tǒng)層的節(jié)能綜合管理下，各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)相互協(xié)調(diào)，共同實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。從船舶電網(wǎng)的角度來說，船舶輔機(jī)節(jié)能綜合管理實(shí)質(zhì)上是基于節(jié)能目的的電網(wǎng)負(fù)荷智能管理，這對船舶智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展具有明顯的積極意義。

總之，船舶輔機(jī)電氣設(shè)備的研究重點(diǎn)，以前一般著眼于綜合自動化，以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)艙、遠(yuǎn)程監(jiān)控為技術(shù)發(fā)展方向。筆者認(rèn)為，今后船舶輔機(jī)電氣設(shè)備的發(fā)展還需要重點(diǎn)關(guān)注節(jié)能方面的技術(shù)研究，以提高全船輔機(jī)運(yùn)行的效率，降低能耗，從而提升船舶續(xù)航力、降低航運(yùn)成本，在倡導(dǎo)節(jié)能減排的今天，意義十分重大。

[1]汪雄飛.船舶電網(wǎng)中電機(jī)起動方式選擇之探討[J].船舶設(shè)計(jì)技術(shù)交流,2008(3):42-46.

[2]徐立,劉杰.船舶動力裝置中的異步電動機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)[J].船海工程,2008,37(3):62-64.

[3]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[4]鄧穗湘,沈雄.永磁電機(jī)在船舶電力推進(jìn)中的應(yīng)用和仿真[J].航海技術(shù),2005(4):43-46.

[5]中國電工技術(shù)學(xué)會編.風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987.

[6]魏安,呂代臣.遠(yuǎn)洋船舶空調(diào)裝置冷卻水節(jié)能分析[J].船海工程,2009,38(2):67-69.