大型溢油回收船動力系統節能設計分析

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(1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所,上海 200090； 2.武昌船舶重工集團有限公司,武漢 430064)

大型溢油回收船動力系統節能設計分析

周唯1，楊麗瓊2，熊偉2，郭豐澤1，馮玉龍1，李靜芬1

(1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所,上海 200090； 2.武昌船舶重工集團有限公司,武漢 430064)

綜合考慮溢油回收船大型化、多功能化、綠色化發展對動力系統的高效節能設計的需求，從節能的角度對動力系統合理匹配、關鍵設備的選型、柴油機余熱回收措施等方面進行分析，為大型高效節能溢油回收船動力系統的國產化設計提供參考。

溢油回收船；動力系統；節能設計

專業溢油應急船舶是溢油污染事故有效控制和快速處理的關鍵設備和重要保障[1]，我國目前的溢油回收船多為沿海及近海小型的溢油回收船，主要用于內河、港口和沿海的溢油回收處理，且溢油回收設備效率較低，絕大部分溢油回收設備的收油速率不大于200 m3/h，難以適應遠海高海況溢油事故的應急處理[2-3]。大型多功能溢油回收船除了具備實現水上溢油應急指揮、圍控、回收和儲存等功能外，還對船舶的高回收能力、應急響應速度、續航力、良好的操縱性、耐波性等方面提出了更高的要求，同時要求具備多功能化、高適用性和經濟性。多功能溢油回收船“德澋號”是我國目前最大排水量溢油回收船，總長90.0 m，排水量4 000 t,溢油回收速率400 m3/h，溢油儲存能力2 968 m3。該船配有大型內置式專業溢油回收裝備和一級對外消防系統，適用無限航區開闊海域，同時具有平臺供應、油田守護救助等功能。本文分析“德澋號”動力系統設計過程中與系統節能相關的幾個設計要點。

1 溢油回收船及其動力系統現狀

歐美國家的溢油回收船及溢油回收裝置技術處于國際領先水平，且占有全球份額的較大部分。國外先進溢油船主要具有以下特點：

1)溢油船的回收溢油能力強。主力溢油回收船舶的收油能力在200～400 m3/h；艙容按船噸位不同而異，主力溢油回收船舶溢油回收艙容在1 000～3000 m3之間。回收能力、作業效率均優于國內同類船舶[3]。

2)溢油船動力足。先進溢油船的船長約60～90 m，船寬14～20 m，吃水約6 m，航速約11～16 kn。如芬蘭多功能大型溢油和化學品應急船在開闊水域條件下航速15 kn，在冰層厚50 cm條件下航速可達8 kn[3]。

3)溢油回收船類型多，功能多樣化。主要有各類專用溢油回收船，由油船改造的溢油回收船，兼有溢油回收功能的挖泥船、PSV、AHTS等。大部分兼具海洋工程船功能，具備對外供應、平臺守護、對外消防及救助功能。

我國現役溢油回收船的水平與國際先進水平還存在一定的差距。根據統計，沿海和長江干線共有299艘可以參與應急清污行動的船舶，但近85%是用于港口工作的污油水回收船，83.6%是排水量300 t以下的小型船舶，只有不到10%的船舶自身擁有溢油回收能力。我國對溢油船的研發設計能力較薄弱，核心裝備和系統主要依賴進口，特別是在溢油回收設備、溢油檢測系統、船舶動力系統、控制設備等方面均與發達國家有較大差距。

在溢油船動力系統方面，目前我國絕大部分中小型溢油船均采用柴油機直接推進的方式。2014年黃埔文沖建造的HPSV 86平臺供應/溢油回收船總長86 m，載重量5 000 t，航速14.5 kn，該船采用電力推進，采用低損耗變頻驅動方案，該方案是我國首次在溢油船上的實船應用。武船建造的“德澋號”多功能溢油船同樣采用全回轉電力推進方式。

2 動力系統節能降耗的設計要點

2.1 溢油回收船動力系統設計

2.1.1 動力系統設計要求

電力推進系統的結構組成見圖1。

圖1 電力推進系統結構組成示意

船舶航速或推力的需求決定著推進電動機的功率，同時還有經濟航速和航海裕度要求。將電力推進系統中推進電動機額定功率按全部柴油發電機可能發出的功率進行配置是使電力推進系統具有常規直接推進相應性能的關鍵。

電力推進系統一般采用中心電站供電方式，該電站還同時向電網其他用電負荷供電，而且在船舶不同工況狀態具有不同的供電要求。因此，電站機組數量應能被選擇成使其在各個工況狀態均具有最佳效率的負荷率，便于電站功率管理系統能靈活地按負荷要求增減運行機組。選擇4臺機組是眾多實例證實的優化組合。

2.1.2 動力系統配置的節能要點

對于溢油回收船，不同工況狀態具有不同的供電要求，通常工況包括正常航行狀態、最大航速狀態、靠離碼頭狀態、對外消防狀態、溢油回收狀態、停泊狀態、應急工況、拋錨停泊等。統一發電、統一配電，電量充分合理利用，根據不同作業工況和日常負載變化要求，通過控制在線運行臺數，使柴油機始終在高效區運行。機組互為冗余，輪換運行，既可保證可靠性，又可減少維修保養、延長使用壽命。因此在船舶電站機組的容量和數量應充分考慮運行工況的選擇和機組的運行效率。

在本艘溢油回收船中，根據負荷計算和分析，供電系統配備2套2 600 kW和2套1 900 kW的主發電機組，經2段690 V主配電板為全船提供690 V，50 Hz電源。幾個主要運行工況下機組運行負荷的百分比見圖2。

圖2 不同運行工況下運行負荷情況

圖2可見，在最大航速下所需的功率最大，負荷的匹配充分考慮了備用負荷(此時備用負荷為27.78%)；通過機組功率和數量的合理匹配，根據工況合理開啟或斷開機組數量，使柴油機在任何工況下均處于高負荷運行，均在73%以上，有利于高效運行。

電力驅動系統采用虛擬24脈沖方案，驅動2臺3 000 kW的全回轉舵槳和2臺1 200 kW艏部側向推進器，動力系統的單線圖見圖3，設計的系統保證電網諧波電壓含量THD<5%的指標和任何單次電壓諧波畸變不超過3%的指標要求。

圖3 動力系統單線圖

2.2 全船能量管理系統設計的節能要點

1)根據溢油船不同的運行工況，合理確定在線運行發電機組臺數，自動管理發電機組的運行和電能的分配。

2)合理確定船舶控制的運行模式，優化每個運行模式下柴油發電機組的增機或解列控制策略。例如，在港口模式，系統不再按照功率關系解列機組，而是只增機不減機；DP-2模式，配電板分區供電。對外消防模式，帶消防炮發電機組解列、降速，對主推進進行功率限制。

3)能量管理系統對柴油發電機組的啟/停順序按照優先級管理，并可在線修改機組的優先級順序。通過對柴油發電機組的啟動和停車時的優化選擇保證各機組有相同的使用期，提高機組有效利用率。當柴油機啟動成功之后，可以自動并網合閘。當系統發出停車指令后，可以自動解列/停車。

2.3 其他降低能耗的設計

主柴油機的有效熱效率為

(1)

式中：ηe為主機熱效率；Pe為主機有效功率，kW；Be為燃油消耗量,kg/h；Hu為燃油低位發熱值，kJ/kg。

船舶電力推進系統的總效率為

η=ηe·ηm·ηr·ηvf·ηem·ηr·ηh·ηop

(2)

式中：ηm、ηvf、ηem為發電機效率、變壓器效率、變頻器效率、電動機效率；ηr、ηh、ηop為螺旋槳相對旋轉效率、船身效率、螺旋槳敞水效率。

對于船舶動力系統集成來說，推進電力系統的設計很大程度上決定了變壓器和變頻器的規格，在既定技術參數的情況下，合理選擇變壓器和變頻器的形式，減少能耗損失。

推進器的形式種類多樣，溢油回收船在溢油回收中對船舶定位和操縱性要求比較高，全回轉推進裝置在全回轉過程中產生的推力可以是船舶原地回轉，輕松操縱船舶的前進、后退、橫移和低速前進，穩定性好，對溢油的回收作業、對外消防等均非常有利，高效快速地作業可以降低能耗。

主機的熱效率對整個系統的效率影響很大，在既定的主機情況下，通過對柴油機排氣余熱、冷卻水余熱的回收可以提高整個系統的熱效率。

此外，對于既定動力系統配置，為提高溢油回收船的適用性和經濟性，通常在功能設計時兼備對外供應、平臺守護、對外消防、救助、調查作業、水下工作和浮標維護等功能。這些功能的增加，可大大提高溢油船的經濟性，縮短成本回收期。

3 余熱回收設計

本船動力系統主柴油發電機組選用2臺瓦錫蘭8L26和2臺瓦錫蘭6L26柴油機。

對于8L26柴油機，根據廠家提供的相關參數進行分析，得到柴油機100%負荷下燃料能量的分布情況，由圖4可見，燃料的能量中僅有42.44%轉化為柴油機的輸出功，其余均以熱量的形式由排氣、冷卻水等介質中排出柴油機，其中排氣帶走的熱量最多，其次為冷卻水和潤滑油。因此，在柴油機動力系統的余熱利用中排氣和冷卻水余熱回收是重點。

圖4 柴油機100%負荷下燃料能量分布情況

不同負荷下柴油機的功率和對應的排氣能量見圖5。

圖5 不同負荷下柴油機功率和排氣能量

由圖5可見，隨著柴油機功率的增加，柴油機的排氣也隨著增加，在50%負荷時柴油機排氣溫度為252 ℃，60%以上負荷工況下柴油機的排氣溫度均高于300 ℃，這部分能量占比高，且有利于回收。但是并不是排氣帶走的所有能量均能有效回收，因為柴油機排氣在進入鍋爐熱量轉化時，由于排氣中含有少量硫，存在低溫腐蝕的風險，因此通常經鍋爐后排氣溫度在150 ℃～170 ℃。

在系統余熱回收設計中，需讓回收的能量充分得到應用。通常船舶上根據對蒸汽和熱水的需求都會配備一定容量的燃油鍋爐，A363L溢油回收船上配有燃油鍋爐，提供15 m3/h、0.4 MPa、90 ℃熱水和1 000 m3/h，0.7 MPa飽和蒸汽，用于加熱回收的溢油便于分離及生活用等。

在排氣余熱設計中，可配備1臺燃油廢氣鍋爐，既可用于排氣余熱回收，也可燃油。將2臺8L26柴油機的排氣匯合后進入鍋爐，該鍋爐同時產生滿足上述要求的蒸汽和熱水。熱力計算對比不同柴油機負荷下產生滿足要求的蒸汽和熱水后鍋爐排氣出口溫度,見圖6。

圖6 不同負荷下鍋爐排氣出口溫度

從鍋爐排氣出口溫度可以看出，在70%負荷上，排氣溫度均高于170 ℃，可避免換熱管的低溫腐蝕。分析溢油船的運行工況，在最大航速、靠離碼頭、對外消防及溢油回收時，柴油機投入的負荷均遠高于70%，能充分保障廢氣鍋爐的熱源。電力推進系統中柴油機的高負荷穩定運行，也可為排氣余熱回收利用提供便利。在停泊和應急狀態，機組負荷低，如需要熱水和蒸汽，可以通過燃油獲取。

4 結論

大型溢油船動力系統節能設計應充分考慮前期投資、運營和維護等各因素。針對溢油船不同的運行工況，電站機組的容量和數量應能被選擇成使其在各個工況狀態均具有最佳效率的負荷率，同時充分考慮備用的數量和功率，利用全船能量管理系統靈活地按控制策略增減運行機組。柴油機排氣余熱的回收在綜合考慮能量合理利用和初投資的前提下，可大大提高動力系統熱效率，減少運營成本。

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On the Energy Saving Design of Power System for the Large Oil Recovery Vessel

ZHOUWei1,YANGLi-qiong2,XIONGWei2,GUOFeng-ze1,FENGYu-long1,LIJing-fen1

(1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai 200090, China;2.Wuchang Shipbuilding Industry Group Co. Ltd., Wuhan 430064, China)

Considering the development requirements of large-scale, multi-functional and greening of the power system for oil recovery ship, from views of energy saving, the rational matching of power system, key equipment selection, the diesel engine waste heat recovery measures were analyzed. It will provide the reference for the localization design of the power system for the large high efficiency oil spill recovery ship.

oil recovery vessel; power system; energy saving design

U674.24;TK422

A

1671-7953(2017)06-0077-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.017

2017-01-18

2017-03-09

國家發改委項目(發改辦高技[2015]1409號)

周唯(1987—)，男，學士，工程師

研究方向：船舶動力集成