船舶能量流通分析及綜合利用技術研究

謝 坤

(1. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064；2. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

船舶能量流通分析及綜合利用技術研究

謝 坤1,2

(1. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064；2. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

針對船舶航行時能量浪費等問題，以柴油動力船舶為研究對象，分析船舶的能量流通情況，得出全船能量流通的初步特性，并以此為基礎對船舶的能量綜合利用技術開展初步研究。首先，考慮到柴油動力船舶動力由正常航行時柴油動力、應急航行時蓄電池動力兩大部分組成，從源頭出發，分析正常、應急航行時全船能量流通的主要環節，清理、總結能量“浪費”現象。同時，以全船用電負荷清理入手，明確長期負荷、典型負荷，對典型負荷的能量流通和利用情況開展分析；最后，提出全船能量流通存在的主要問題，并從解決問題出發提出能量綜合利用的初步想法或技術方案。

能量浪費；流通分析；綜合利用；節能

0 引 言

目前，能源短缺問題已成為世界各國密切關注的重要問題。我國的能源形勢十分緊張，能源供需矛盾突出，受技術水平制約，許多能耗設備效率較低，在能源緊張的同時還存在著比較嚴重的浪費現象。因此，節能是我國國民經濟發展中的長期戰略任務。隨著柴油價格上漲，航運成本大幅提高，船舶綜合節能已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題。

船舶是典型的孤島型能量系統，航行期間任一工況變化都伴隨著化學能、電能、熱能、機械能等相互轉化的過程，如船舶的電能來源于燃料的化學能，推進電機及輔機的機械運動來源于電能，電能轉換過程中會產生大量的熱，最終又由電力驅動的空調系統及冷卻水泵等將熱量帶走。因此，控制船舶的用電量，首先應對全船能量流通環節進行清理，開展特性分析研究，進而站在全船能量管理和統籌優化設計的層面，研究制定全船能量綜合利用技術方案[1–3]。

本研究以柴油動力船舶為研究對象，分析船舶的能量流通情況，得出全船能量流通的初步特性，并以此為基礎對船舶的能量綜合利用技術開展初步研究。具體思路是：考慮到柴油動力船舶動力由正常航行時柴油動力、應急航行時蓄電池動力兩大部分組成，從源頭出發，分析正常、應急航行時全船能量流通的主要環節，清理、總結能量“浪費”現象。同時，以全船用電負荷清理入手，明確長期負荷、典型負荷，對典型負荷的能量流通和利用情況開展分析。最后，提出全船能量流通存在的主要問題，并從解決問題出發提出能量綜合利用的初步想法或技術方案。

1 主要能量流通分析

1.1 正常航行能量流通分析

船舶柴油動力正常航行時，全船能量流通主要分2 條支路：支路 1 通過柴油發電機組將柴油、空氣燃燒中產生的化學能轉化為機械能，并進而轉化為電能，再通過全船電網將電能分配給推進負荷和必要的非推進負荷；支路 2 通過柴油機發電機組運行，將柴油、空氣中的化學能轉化為附加的熱能，通過冷卻系統、排氣系統排出船外[4–6]。船舶柴油動力正常航行時船舶用電能量、非電能量主要流通環節如圖 1和圖 2 所示。

可見，柴油動力正常航行時，柴油、空氣中化學能的約 25% 轉化為電能，供給推進負荷和非推進負荷，剩余的約 75% 轉化為熱能。熱能中的絕大部分通過水冷系統排至船外，部分熱量由船艙內空氣吸收，通過空調系統降低空氣溫度。

此外，柴油供應中同時配置駁運模塊、供油模塊、高壓油泵，未能從總體設計、系統配置、設備實際需求協同考慮，增加了柴油傳輸環節，流量、揚程需求與電機功率的匹配性較差，增大了系統能耗。

1.2 應急航行能量流通分析

蓄電池動力應急航行時，鉛酸蓄電池的成流反應 遵循“雙硫酸鹽化理論”，充放電過程中伴隨著 Pb，PbQ2，H2SO4等物質的轉化。

根據法拉第定律和各有關物質的電化當量，鉛酸蓄電池每放出 1 Ah 的電量，需消耗活性物質約 12 g，即鉛酸蓄電池的理論比容量為約 83.5 Ah/kg。同時，充放電過程中還存在可逆熱效應、焦耳熱效應、電池散熱以及蓄電池熱容量等多個能量轉化環節[7–9]。

為簡化對象，僅分析蓄電池放電過程的能量流通情況。蓄電池動力應急航行時的能量流通也分為 2 條支路。其中，支路 1 通過蓄電池活性物質的“成流反應”產生電能，再通過全船電網將電能分配給推進負荷和必要的非推進負荷；支路 2 將蓄電池放電過程中產生的熱能通過自然散熱或水冷系統排出船外。蓄電池動力應急航行時船舶用電能量、非電能量主要流通環節如圖 3和圖 4 所示。

船舶用鉛酸蓄電池硫酸密度較高，熱容量不大。因此，鉛酸蓄電池放電時主要體現為放熱，放熱量的大小由放電電流產生的焦耳熱效應來決定，放電電流越大，蓄電池發熱量也越大。對于量級較大的焦耳熱效應，主要由蓄電池內阻、匯流排及其接觸電阻、補償電纜電阻等產生的焦耳熱組成，各自的貢獻與電阻的大小成正比。根據船舶計算參數及經驗，匯流排及其接觸電阻、補償電纜電阻是蓄電池內阻的 15 倍以上，成為蓄電池放熱的主要原因。

蓄電池動力應急航行時，放電電流不大，蓄電池艙的發熱量也不大，僅幾十瓦。當蓄電池放電電流較大時，需開啟蓄電池海水冷卻泵進行冷卻，高速工況下，放電電流很大，蓄電池艙的發熱量可高達約幾十千瓦。

因此，蓄電池動力應急航行時，蓄電池本身產生的能量浪費較小，可不計。

1.3 推進負荷能量流通分析

推進負荷是指用于船舶電力推進的負荷，主要包括推進電機、軸系、螺旋槳、船體等多個能量傳遞環節[10–12]。對于柴油動力船舶，推進負荷電能量主要流通環節如圖 5 所示。

其中，船舶推進需要的功率即螺旋槳有效功率 PE，與船舶航速、總阻力成正比。

螺旋槳發出的功率 PT= PE/ηH，其中 ηH為船體效率，主要與伴流系數、推力減額分數等有關，螺旋槳收到的功率 PD= PT/（ηr×ηp），其中 ηr為，ηp為敞水效率，因此，船舶螺旋槳的效率取決于螺旋槳敞水效率、相對旋轉效率和船體效率。

軸系損耗在高速工況下占總推進功耗的比例不大，僅約 5%。但在低速航行時，尾軸前、后軸承、推力軸承、彈性連軸器等主要連接設備中的摩擦、扭轉仍存在，將產生一定的損耗。由于總的傳遞功率較小，該部分損耗占比較大，導致軸系效率不高。

推進電機的系統效率包括了推進電機本體的效率、推進電機控制器的效率。由于推進電機輸出額定功率較低，推進電機本體內部風摩損耗、銅耗、鐵耗以及推進電機控制器內部的開關損耗、附加損耗等均變化不大，導致推進電機的系統效率不高。

因此，為減少推進負荷，應從船體需要功率、螺旋槳效率、軸系效率、推進電機效率等多個方面開展優化，其中軸系損耗降低、推進電機高效配置或設計是重點。

1.4 輔機負荷能量流通分析

1.4.1 柴油機系統輔助用電能量流通及利用情況

柴油機系統的輔助用電主要包括系統控制用電、冷卻用電。一般而言，船舶裝備了若干臺柴油機和 1臺發電機控制柜，控制柜內包含若干臺柴油機發電機組的控制單元。由于控制柜為共用設備，柴油機系統控制用電不能根據柴油機的開啟數量而變化，直接導致船舶柴油機系統的控制用電功耗較大。

柴油機系統的冷卻系統能量流通見圖 2。考慮柴油機海水冷卻泵、淡水冷卻泵等長期或臨時負荷時，冷卻系統的功耗較大。

因此，除控制用電功耗較大、需開展節能優化以外，控制柴油機系統的輔助用電，還應著重控制冷卻系統功耗，加強柴油機余熱的利用。

1.4.2 空調系統能量流通及利用情況

船舶空調系統通常由空調水系統和空調風系統組成。空調水系統采用集中式中央供冷（暖）形式，空調風系統采用分區循環形式，即貨物艙、控制艙、乘客艙、輔機艙和主機艙等若干個空調分區。空調系統的能量主流通情況如圖 6 所示。

空調系統制冷時，空調冷水機組的制冷壓縮機吸入低溫低壓的氟里昂氣體將其壓縮成高溫高壓的氟里 昂氣體，氟里昂氣體進入冷凝器后其熱量被經過冷凝器的冷卻海水帶走而凝結成高壓的氟里昂液體，然后經干燥過濾器后流入膨脹閥節流成為低溫低壓的氟里昂液體進入蒸發器，在蒸發器中吸收冷媒水的熱量，氟里昂液體也變成低溫低壓的氟里昂氣體，再被壓縮機壓縮，如此循環往復，達到制冷目的。

被降溫的冷媒水通過空調冷媒水泵經水管路送往各個空調末端設備，與空氣進行熱交換，冷媒水在空氣熱交換器中被升溫后又回到冷水機組，在冷水機組的蒸發器中被吸收熱量后降低溫度，然后再送往各個空調末端設備，如此循環往復，達到降低艙室溫度的目的。

空調系統通過消耗一定的電能，從外部吸收海水冷量，空調系統產生制冷量。這部分制冷量通過制冷劑、冷媒水、空氣等多種工質的傳遞，最終釋放到船舶艙室中，吸收艙室熱量，能量傳遞需要再消耗約一定的電能。最終導致空調系統耗電約為產生、傳遞制冷所需能量的總和，空調系統的能耗較大。

船舶的艙室主要熱源是設備運轉產生的損耗和人員活動釋放的熱量，其中電力系統和電氣設備的發熱量占較大比例。現有空調方案中，能量轉化環節多、各環節效率不高、系統配置較粗放是空調系統能耗較高的直接原因。例如，各配套電動機的效率偏低，導致電能轉換效率不高；冷水機組的制冷量與實際開啟的空調器的制冷量不一致，導致實際使用時的能源浪費。

1.4.3 水冷系統能量流通及利用情況

水冷系統的能量流通包括海水冷卻系統、淡水冷卻系統兩個部分。船舶淡水冷卻系統的用戶只有蓄電池、柴油機，水冷系統的能量流通情況如圖 2和圖 4 所示。

船舶海水冷卻系統的用戶包括蓄電池淡水冷卻器、柴油機淡水冷卻器、推進電機空氣冷卻器、軸系滑油冷卻器、尾軸管密封裝置、空調冷水機組以及液壓油冷卻器、廚房空氣冷卻器等其他輔機設備。

可見，蓄電池動力應急航行時，可開啟小流量的軸系海水泵，不開啟蓄電池海水冷卻泵，減少了水冷系統能耗。但是，船舶柴油動力正常航行和蓄電池動力應急航行時，開空調時輔機海水冷卻系統的配置遠大于冷水機組的需求，存在一定的能源浪費。

1.4.4 電力系統能量流通及利用情況

電力系統的能量流通是指由蓄電池、柴油發電機等電源設備發出的電能，經電網設備轉換、傳輸至負載的過程。如圖 1和圖 3 所示，電力系統的能量流通包括 2 個支路：一是經蓄電池開關板（或發電機控制板）、推進控制板傳輸給推進電機；二是經直流斷路器板、直流配電板、逆變電源裝置、交流配電板及相應的配電箱傳輸給輔機電網負荷。

對于支路 1，能量流通過程的損耗主要來自于電網壓降引起的線路損耗，在高航工況下系統電流較大，線路損耗較高。

對于支路 2，能量流通過程中的損耗除包括線路損耗外，還包括逆變電源裝置等電源轉換設備的轉換損耗。船舶逆變電源裝置的容量越大、額定效率越低，由此產生的損耗越大。

可見，電力系統的電能損耗主要在于線路損耗和電源設備的損耗，這 2 部分損耗均以熱量的形式散發到艙室空氣中，是空調系統的主要熱源。因此，降低電力系統損耗，是降低空調系統制冷量，進而減少空調系統能耗的基礎。

1.4.5 軸系滑油系統能量流通及利用情況

船舶的軸系滑油系統主要用于向推力軸承、推進電機和應急推力軸承提供滑油，潤滑軸承，兼顧用于裝載、移注滑油和滑油艙清洗等。僅針對航行期間的供油功能對軸系滑油系統能量流通情況分析如圖 7 所示。

可見，滑油系統配置上存在滑油泵流量與滑油冷卻器流量不一致現象，且滑油泵流量、壓力遠大于供油負荷的總需求，存在一定能源浪費。雖然軸系滑油系統功能較多，但考慮其是航行時必不可少的常用連續負荷，建議系統配置上進一步細化，避免功能冗余帶來的功率配置的浪費。

2 “能源浪費”現象分析

2.1 柴油機余熱未充分利用 + 冷卻系統直接吸收

柴油機余熱非常大，該部分熱量未考慮綜合利用。同時，僅采取冷卻水循環的方式將其排出船外，增加了水冷系統負荷，從另一方面造成了電能浪費。

2.2 電力系統的損耗較大 + 未經水冷由空調間接冷卻

即使在低速工況下，電力系統線路損耗和電源裝置的轉換損耗也較大，熱量與 1 臺冷水機組的制冷量相當，應著力減少系統損耗。同時，由于未采取水冷等直接換熱措施，這部分損耗散發至艙室，由空調系統間接換熱，增加了空調負擔，造成電能浪費。

3 能量綜合利用方案與對策

3.1 能量流通路徑清晰，但實際消耗情況不明，應加強實際能量利用的監測

通過清理、分析，船舶柴油動力正常航行、蓄電池動力應急航行時的能量流通路徑已比較清晰，但實際能量消耗情況不明，是深入開展能量綜合利用的最大困難。一方面，根據船舶理論設計參數開展能量綜合利用，且理論數據不全，難以全面開展理論需求—供應的匹配性分析；另一方面，受現有條件限制，船舶使用過程中的真實能耗情況無法獲取，難以進一步開展理論設計—實際需求的匹配性分析。因此，應建立實際能量利用的監測系統，便于進一步開展節能優化。

3.2 現有技術下，柴油機自耗電、空調、水冷、滑油等典型非推進負荷應優化配置

柴油機自耗電較高，空調系統中能量轉化環節多、各環節效率不高，水冷、滑油系統的泵組過需求配置等，都是非推進負荷較大的主要原因，應從節能控制角度開展優化配置。

3.3 推進負荷各環節的效率偏低，應開展新技術應用或優化

推進負荷所列的各環節效率均不高，應從船體線型優化、減阻增效，應用高效率推進器，減少軸系固有損耗以及應用高效率電動機等多個方面開展優化，既可直接提高航速，也有利于全船電能的優化利用。

3.4 應從全船角度進一步優化水冷系統設計

本質上，水冷系統是吸收、排出船舶航行過程中各系統、設備、人員產生的熱能的系統。從能量守恒的角度，實現全船能量綜合利用，最終效果是實現水冷系統排出熱量的最小化，最大限度的利用自生熱能。因此，應在柴油機余熱利用、電力系統減損等基礎上，進一步減少推進設備、大氣環境控制設備等設備的熱能釋放，或通過水冷系統實現熱能的綜合調配，例如應用溫差發電技術等，實現綜合利用。

3.5 對于節能工況，應從總體設計角度加強節能設計優化

按前述分析，船舶柴油動力正常航行、蓄電池動力應急航行時的能量流通路徑較清晰，負荷使用情況相對固定。應針對節能工況下的柴油輸送、空氣供應、電能產生、電能傳輸、電能利用等各環節加強總體的節能優化設計。例如，柴油輸送過程中，通過總體優化設計，減少不同柴油艙間柴油轉運的耗能、減少駁運環節，在保證安全的基礎上減少管路節流閥組的設置等。

4 結 語

針對船舶航行時能量浪費等問題，對全船能量流通環節進行清理，開展特性分析研究，清理、總結能量“浪費”現象，進而站在全船能量管理和統籌優化設計的層面，從解決問題出發提出能量綜合利用的初步想法或技術方案。

隨著柴油價格上漲，航運成本大幅提高，船舶綜合節能已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題。本文以柴油動力船舶為研究對象，分析船舶的能量流通情況，得出全船能量流通的初步特性，并以此為基礎對船舶的能量綜合利用技術開展初步研究。首先，考慮到柴油動力船舶動力由正常航行時柴油動力、應急航行時蓄電池動力兩大部分組成，從源頭出發，分析正常、應急航行時全船能量流通的主要環節，清理、總結能量“浪費”現象。同時，以全船用電負荷清理入手，明確長期負荷、典型負荷，對典型負荷的能量流通和利用情況開展分析；最后，提出全船能量流通存在的主要問題，并從解決問題出發提出能量綜合利用的初步想法或技術方案。

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Research on ship energy flow analysis and its comprehensive utilization technology

XIE Kun1,2
(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Aiming at the problem of energy waste in ship navigation, the energy distribution of the ship is studied by analyzing the energy flow of the ship. First of all, taking into account the power of the diesel engine by the normal navigation of diesel power, emergency power, the battery power of the two major components, from the source, the analysis of the normal, emergency navigation of the main part of the whole ship energy, clean, summary of energy waste phenomenon. At the same time, the whole electric load of clean, clear and long-term load, the typical load, to carry out the analysis and utilization of typical load energy circulation; finally, put forward the main problems of ship energy circulation, and put forward a preliminary idea of the comprehensive utilization of energy or technology from solving problems.

energy waste；flow analysis；comprehensive utilization；energy-saving

TN830.5

A

1672–7619(2017)05–0065–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.013

2016–05–15；

2016–07–25

國家自然科學基金資助項目(61501419)

謝坤(1986–)，男，博士研究生，工程師，主要從事光機電液一體化、船舶電氣自動化方面的研究。