船舶軸帶發電機的應用及發展

王炳義

（青島北海船舶重工有限責任公司 青島266520）

船舶軸帶發電機的應用及發展

王炳義

（青島北海船舶重工有限責任公司 青島266520）

［摘 要］根據航運船舶和大型船舶航行的特點，對船舶軸帶發電機作為船用電站組成系統及其應用進行了分析，探討了不同階段的船舶軸帶發電機的技術方案，分析了其經濟性及節能減排效果，結合安裝實例對船舶軸帶發電機應用進行了評估，從船舶運營的經濟性出發預測船舶軸帶雙饋發電機作為船用輔助電站的發展趨勢。

［關鍵詞］遠洋船舶；軸帶發電機；雙饋；定距槳；船用電站

引 言

近年來航運市場低迷，隨著國際油價的劇烈震蕩和不斷攀升，使得船舶航運的營運成本日益提高。世界上各大航運企業對船舶節能技術裝置日趨關注。其中船舶電站的經濟性方案尤為受到重視［1］。船舶軸帶發電機技術的應用從上世紀80年代初期興起，它利用船舶主推進裝置的軸上冗余功率使軸帶發電機為船舶提供電力，以達到節能的目的，然而由于種種原因未能獲得長足發展。近年來隨著科學技術進步和裝備水平的提高，尤其是當今世界對環保和節能意識的日漸增強，將船舶軸帶發電機作為船舶電站重要組成部分的設計和應用深受各大航運企業青睞［2］。

1 船舶軸帶發電機的發展歷程

軸帶發電機從上世紀70年代初在德國開始裝船， 至今已有40多年歷史。其初期的軸帶發動機裝置簡陋、運行條件苛刻、發電頻率波動、供電質量難以保證。上世紀80年代初船舶軸帶發電機系統基本屬于無頻率補償型，如日本建造的滾裝船系列的主機軸帶發電機。這種軸帶發電機的供電質量往往受到很多因素的影響，如主機轉速變化會引起發電頻率波動，而只能短時使用；不能與船舶電站其他柴油發電機進行有效的并聯運行。隨后出現的在主機推進軸與軸帶發電機之間利用機械變速裝置進行速度調節，當主機推進軸轉速發生變化時，使軸帶發電機的轉速保持恒定，從而控制軸帶發電機系統發電頻率穩定性。但是在這種機械式補償型軸帶發電機系統中，主機的當前速度與額定轉速差異較大時，機械變速裝置的容量將受到限制，故其應用范圍也受到制約［3］。

上世紀80年代中期，隨著電氣控制技術的發展，大功率可控硅變流技術被應用到船舶軸帶發電機系統中。這種具有頻率補償型軸帶發電機系統是由軸帶發電機和恒定頻率控制裝置組成。應用可控硅“逆變”裝置及控制系統調節頻率，用同步補償機提供無功功率，維持發電電壓的穩定；但是由于裝置成本過高、系統的總體穩定性偏弱等因素影響軸帶發電系統后續應用的進展［4］。進入90 年代初期，大功率全控型器件及模塊的出現以及相應控制方法的完善，使得軸帶發電機系統在電能質量、能耗、體積、自重和控制性能等方面都得到改善和提高。德國西門子公司在十余艘遠洋集裝箱船上實現在主機速度變化的情況下，軸帶發電機系統向船舶電網提供恒頻、恒壓的三相交流電源，從而解決了軸帶發電機可以和柴油發電機組并聯運行的問題［5］。90年代后期，DSP（數字信號處理器）的廣泛應用和PWM（脈寬調制）技術的迅速提高，使得大功率有源逆變控制取得很大進步，使其在船舶軸帶發電系統得到應用。21世紀，隨著風電技術迅速發展，雙饋發電系統和技術在船舶軸帶發電系統中得到廣泛應用［6］。

2 船舶軸帶發電機的技術方案

目前采用的船用軸帶發電機，根據螺旋槳的形式，大致可以分成以下兩種類型：

一類為變距槳船舶的軸帶發電機。它通過變距槳調節的方式使主機轉速和轉向不變，因此可以采用一般的三相交流同步發電機組。

另一類為定距槳船舶的軸帶發電機。其主機轉速是變化的，經常采用的是帶轉速補償裝置或頻率補償裝置的船用交流發電機組。這類軸帶系統具體也分為兩種不同的結構型式： 一種是采用齒輪箱等機械裝置提供穩定轉速的永磁同步軸帶發電機（SG）系統［7］，其結構如圖1所示。另一種是通過采用變頻器調節補償得到恒頻穩壓交流電。將轉速變化的軸帶發電機發出的交流電經變頻器整流并逆變后，形成電壓與頻率均基本恒定的交流電。這種軸帶發電機的有效轉速在額定值的60%以上時，均能保持恒定功率輸出。由于早期變頻器不能對系統所需的無功功率進行調節，因此需增加一臺同步調相機提供無功功率。另外，為了改善軸帶發電機在運行時其諧波對供電質量的影響，需要增加濾波裝置。隨著四象限變頻器和雙饋電機的出現，使得對系統的無功功率調節及軸帶發電機與電網之間進行能量回饋成為可能，從而省卻同步調相機、降低軸帶發電系統成本，并使系統運行更加穩定［8］。有刷雙饋軸帶發電機系統結構如圖2所示。

圖1 基于齒輪箱變速及永磁同步軸帶發電系統結構

圖2 有刷雙饋軸帶發電機系統結構

隨著電機控制技術的發展，許多學者和技術人員先后研制出不同種類有刷雙饋船用軸帶發電機，并且把一些先進的電機控制方法和技術應用到軸帶發電系統中。如矢量控制方法和PWM控制技術已經可以很好地應用到軸帶發電系統［9］。雙饋發電機能量流動方式通過對轉子控制繞組勵磁電流和頻率的調節，實現發電機在“次同步”和“超同步”的不同運行狀態下的能量流轉換，見圖3。近年來，針對有刷雙饋發電機轉子滑環與電刷之間易產生火花，從而灼傷滑環表面并引起故障的現象，提出一種無刷雙饋電機軸帶發電機方案（見圖4）［10］：它與有刷雙饋和串調系統相比，去除了電刷和滑環，采用定子側設立控制繞組和功率繞組，并通過電磁耦合與轉子繞組建立勵磁控制和功率傳遞關系，實現發電機在變速運行下的恒頻恒壓電力輸出，從而降低發電故障率，提高系統運行的可靠性。

圖3 不同狀態運行下雙饋軸帶發電機的能量流示意圖

圖4 無刷雙饋船用軸帶發電機系統結構

3 船舶軸帶發電機的經濟性分析

在船舶航運成本中，燃料費用成本占較大比重（約為總成本的50%～60%）。船舶主機多采用價格較低的重油作為主要燃料，而輕質柴油的價格比較高（約是重油的一倍左右）。船用軸帶發電機的轉軸連接于船槳動力裝置上，將主機的部分冗余功率轉化為驅動軸帶發電機發電的機械能，用重油替代部分輕質柴油發電結構，大大降低了船舶航行的發電成本。由于提高運營經濟性始終是船舶制造者和運營者共同追求的目標，因此在選用主推進裝置功率時考慮到海況、船況、柴油機安全等問題，需留有功率儲備余量，一般為額定功率的10%～15%。另外，主柴油機在低于75%～85%額定功率時，其經濟性將會下降。

船用軸帶發電機充分利用船舶主機所儲備的冗余功率實現節能目的，使得船舶主機既能正常運行，同時又能帶動軸帶發電機發電以滿足船舶正常航行的電力需要，從而提高船舶整體運行的經濟性。此外，由于主機使用船用重油作為燃料油，而且燃油消耗率比發電用中速柴油機低30～50 g/kWh， 如果采用船用軸帶發電機發電用于航行，可使發電能耗的費用降低15%～20%， 從而減少船上燃油存量及潤滑，減少船上主電站柴油機維護保養的成本費用，并可大大降低發電噪聲、改善機艙環境。

目前，隨著國際燃油價格的不斷劇烈震蕩，以及國際海事組織（IMO）對排放（尤其是對NOx， SOx的排放）提出了嚴格要求，迫使船舶營運者、制造商和生產商想方設法采取各種措施提高船舶營運中的經濟效益，同時減小船舶的碳排量，其中作為船舶電站節能減排產品之一的船舶軸帶發電機的應用正逐步被國際船舶航運界認可。它能夠使船舶在航行中更加體現高效、節能、環保和低排放的優點［11］。

4 軸帶發電機系統應用實例

青島北海船舶重工有限責任公司在2012年承接了阿聯酋E-SHIP公司委建的兩艘18萬載重噸散貨船訂單，兩艘船都加裝了船舶主動力推進裝置的軸帶發電機系統［12］。首制船于2014 年8月份交付船東（該船在建造船廠的船體編號為：BC18.0-50），第2艘船也于2014年底前成功交付。這兩艘船的主動力推進裝置使用MAN B & W的6G70MEC9.2 Part Load-EGR超長沖程低速柴油機。SMCR：15 536 kW，73.9 r/min；CSR：12 356 kW，70 r/min；設計油耗： 157.2 g/kW·h （CSR狀態）。軸帶發電機系統采用德國SAM Electronics公司具有PWM技術的產品，相關技術參數如表1所示。

該SAM軸帶發電機系統具有高效經濟、輸出電能物理量平穩高質的優點，提供無功電量無需任何同步補償器，采用全數字化控制系統。軸帶發電機系統設計合理緊湊、安裝方便，發電機轉子為抱軸式連接，便于操作和維修。SAM軸帶發電機系統在螺旋槳軸的安裝如圖5所示。

表1 SAM軸帶發電機系統技術參數

圖5 SAM軸帶發電機和在螺旋槳軸端的安裝示意圖

SAM 公司生產的抱軸式軸帶發電機系統，其螺旋槳軸的一段作為發電機的轉子，通過脈沖寬度調制逆變器技術，當主機轉速在一定范圍內發生變化時都能保證發電機的輸出電壓和頻率保持恒定。該軸帶機系統還配有電網管理單元（PMS），能與船上電站實現有效的并聯運行。該SAM軸帶發電機控制系統結構如下頁圖6 所示。

該軸采用了PWM變頻器技術的帶發電機系統，由于采用高頻脈沖，調制技術和LCR濾波器的有效抑制，使得該發電系統能夠較好地消除諧波分量對輸出波形的影響，在IGBT逆變器裝置的作用下獲得更優質正弦波形的輸出，如圖7所示。

圖6 SAM軸帶發電機控制系統結構

圖7 軸帶發電機系統的輸出電壓、電流和PWM脈沖波形

該軸帶機系統在海試過程中能夠獨立承載船舶在正常航行狀態時的用電負荷，除在額定功率條件下完成試車的全部要求外，還完成了15 min 110%額定負荷的超負荷試驗，均取得較好的效果。系統的經濟性得到有效驗證，除一次性投資成本外，軸帶機系統的優點也十分明顯。在試航過程中，主電站在ISO工況下機組（單臺）的耗油量為：203.5 g/kW·h，而采用軸帶機組在ISO工況下其單位耗油量僅為：160.2 g/kW·h，如在大洋中航行，粗略計算每天可實際節約燃油1 t左右（這還不包括滑油的節約）。在當今各船公司都在從燃油成本中找效益的情況下，采用軸帶機系統這一項就會給航運公司帶來提高收益的契機，增加其市場競爭力。此外，由于使用軸帶發電機替代主電站系統的使用，縮短船舶輔機柴油機的使用時間，減少了維修費用和備件的采購數量，進一步壓縮了成本支出，為船東長期經濟效益的創收提升了空間；同時也改善機艙的工作條件，減少相關排放量，提高節能減排的效率，從而提升了船舶運行的環保等級［13］。

對于船舶公司而言，選擇船用軸帶發電機系統或許也有以下不利因素：首先，該系統的應用增加了一次性投資成本；其次，軸帶發電機系統既有和主機的連帶影響，也給自身系統的維修增加了相應的難度；第三，軸帶發電機系統作為電氣設備與主電站相比，因其控制的基礎受主動力裝置的限制，機電融合控制的復雜度升高，可能會使維修和人力成本有所增加。不過，采用軸帶發電機系統總體而言利遠大于弊，航運能耗成本將大幅減少，并且對環境、節能減排等方面都大有益處。

5 船舶軸帶發電機的發展趨勢

日本于上世紀90年代末建造了一艘裝有大型的軸帶發電機裝置的4 000箱集裝箱船（丹麥船東）。其主機為低速柴油機，軸帶發電機設在主機曲軸前端， 底座與主機座相連，功率為3.5 MW，供船舶和近500箱冷藏集裝箱用電，使用轉速范圍在主機78～110 r/min 之間。當輸入轉速降到50 r/min時，該軸帶發電機仍可使用，此時的功率已降至2 000 kW左右，但初轉速不能低于78 r/min， 否則不能接上船舶電站網。該軸帶發電機還可作電動機用， 從電網供電作為推進助力［14］。最近，北海重工為阿聯酋E-SHIP公司打造的2艘海峽型遠洋散裝運輸船，應船東要求對新造船加裝軸帶發電機系統，這顯然是船東經利弊權衡后的選擇，這或許是我們重新關注軸帶發電機系統應用的信號。從市場經營的角度出發，國際航運界對此類軸帶發電機系統產品的逐漸認可程度，應該引起我們足夠的重視。顯然，目前針對固定漿船舶采用軸帶發電機的應用和傳統船舶發電方式的研究已勢在必行，逐漸發展和完善起來的主軸帶發電機系統因其固有的優點，在船舶上獲得越來越廣泛的使用，尤其能滿足新一代集裝箱船日益增長的經濟供電要求和大型船舶在運行中對電力的需求。軸帶發電機在大中型集裝箱船上具有美好的前景，對造船及航海事業的發展也具有重大意義［15］。

我國船舶工業已被列入振興裝備制造業的發展重點。據近期統計，世界船市中，不論是交船、承接和手持訂單指標，我國都已超越日、韓等國，名列前茅。但“如何由大變強，全面提升造船技術等級和裝備的節能高效、綠色環保水平，從而成為造船強國”，更值得我們思考。這對船舶軸帶發電機應用領域來說既是機遇、也是挑戰，并預示未來的美好前景。

6 結 論

本文回顧了船舶軸帶發電機的發展歷程，詳細分析軸帶發電機發展的各個階段其結構和工作原理，并按軸帶發電機分類分析各類軸帶發電系統的技術方案給出相應技術特點。從船舶運營的經濟性出發，對船舶軸帶發電系統節能減排效果進行評估并給出相關結論。文中所闡述的軸帶發電機技術方案和相關分析結論對船舶運營和制造商在選擇船舶軸帶發電系統時具有一定的借鑒作用。

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［中圖分類號］U665.11

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0109-06

［收稿日期］2014-11-24；［修回日期］2014-12-22

［作者簡介］王炳義（1955-），男，高級工程師，研究方向：公司造船市場經營和技術的管理。

Application and development of ship shaft generator

WANG Bing-yi

(Qingdao Beihai Shipbuilding Heavy Industry Co.Ltd, Qingdao 266520, China)

Abstract：Based on the characteristics of ocean shipping vessels and large vessels， this paper analyzes the application of ship shaft generators as the composition system of the marine power plant， and discusses its technical solutions at different stages. It also analyzes its economy and energy-saving and emission reduction effect， and evaluates its application by a practical installation case. In terms of economy， it forecasts the development trend of the double-fed shaft generator as the marine auxiliary power stations.

Keywords：ocean-going vessels； shaft generator； double-fed； fi xed pitch propeller； marine power plant