船舶電氣節能技術研究

殷宗學，初建樹，劉日文，劉玉濤

（中遠海運重工有限公司技術研發中心，遼寧大連 116600）

0 引言

傳統的船舶節能技術主要涉及3個方面：1）盡量減少船體的各種阻力，增強推進效率，降低主機功率以達到節能的效果，如優化船體型線設計與船型、采用防污涂料減少船體的粗糙度、采用船艉附體（外加鰭、導流管等節能裝置）及選用帶舵球扭曲節能舵等；2）提高船舶動力裝置的效率和傳動效率，減少單位輸出功率的能耗，通過節約燃料達到節能的目的，如通過優化船、機、槳的匹配，優選低轉速、長沖程主機，采用大直徑低轉速的螺旋槳、新型高效螺旋槳，優選螺旋槳與船殼相對最佳安裝位置，利用主機廢氣余熱（加裝廢熱回收裝置）等；3）通過實船測試或計算機技術找出最佳配載方案或最佳縱傾、船舶經濟航速（減速航行）、主機降額輸出和優化航線等達到減少能耗的目的。除此傳統節能技術外，如何進一步來提高船舶能效呢？隨著船舶電氣設備、自動化技術和智能化技術的不斷發展，電氣系統同樣也可以在節能領域發揮作用[1-4]。

1 優選發電裝置的節能技術

船舶電站的能耗在整個船舶動力裝置中占有一定的份額，為此，應合理地使用發電機，盡量避免柴油機在低負荷下運行，以提高柴油機的運行經濟性。另外，可采取補償裝置以提高船舶電力系統的功率因數，進而提高可用功率、減小發電機總容量。

1.1 采用頻率補償裝置的軸帶發電機

軸帶發電機在主機驅動螺旋槳旋轉的同時還一并帶動發電機運轉。由于柴油機在部分負荷時的經濟性較差，耗油率增加，當船舶較長時間處于部分負荷時，可采用主機軸帶發電機，這樣不僅可使主機在效率高的運行區域，提高系統效率，而且有可能減少柴油發電機組的數目和運行時間。軸帶發電機也可采用永磁發電機的型式，以提高在低轉速時的效率。若在軸帶發電機裝置中加入頻率補償裝置（四象限變頻器），則可以實現輸出有功和無功功率的單獨調節，提高船舶電站系統的功率因素，增加調節的靈活性和動、靜態穩定性。此時即使是配置了固定式螺旋槳，在70%～100%主機轉速范圍內，軸帶發電機都可以保證額定功率輸出，并可與主柴油機長期并聯運行，這樣正常情況下就可以節省 1臺備用主柴油機的配置，從而減少設備成本。

圖1 軸帶發電機發電模式示意圖

在中大型集裝箱船或原油船上，由于主機的裝機功率非常大，廢氣余熱回收量也非常大，而燃料中約50%的能量無法用于機械做功，主要以熱量的形式被浪費。即使加裝普通廢氣鍋爐，利用一部分蒸汽作為其他輔機系統的熱能，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。如果增加蒸汽的產量并將蒸汽的熱能轉化為電能，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，利用回收的主機廢氣產生蒸汽，驅動蒸汽透平發電機組（有時部分廢氣直接驅動廢氣透平，其通過1個減速齒輪箱驅動透平發電機組）。正常航行時，只需使用透平發電機為全船設備輸送電力，充分利用了廢氣、廢熱，提高了主機效率，而且還可以減少 1臺主柴油發電機的配置。使用廢熱回收系統一般可回收 10%的主機輸出功率，由于燃料成本的上漲，加裝廢氣回收系統具有一定的經濟性，據測算，主機輸出功率達到20 MW及以上的船使用廢熱回收系統的經濟性較好。

圖2 透平發電機組系統組成示意圖

如果再和軸帶發電機PTI（power take in，功率輸入）配合使用，即軸帶發電機作為 1臺推進電機，電源由主柴油發電機提供，在主機故障時可作為主推的替代動力實現船舶安全返港的功能。另外，由于軸帶發電機與配電板之間加裝了變頻器，當船舶停靠碼頭使用中壓岸電系統時，無論岸電是什么頻率，都可靈活地進行岸電連接，可以兼容全球任何國家的電制，輕松停靠任何國家的港口。

1.2 采用透平發電機

如果搭配使用軸帶發電機（見圖3），在主機低速航行時，船舶的耗電超出可從廢熱中回收的電量時，軸帶發電機將向船舶的主電網供電。另一方面，當透平發電機的電足夠多時，可以向軸帶發電機供電，此時軸帶發電機作為軸帶電機與主機聯合推進，為船舶提供航行動力。這種方式尤其適用于季節性或偶爾極地航行的船舶，通過助力主推進器，可使用原動力和尺寸均較小的柴油主機，即可在無需增加柴油主機功率的情況下達到冰級航行要求的額外推進力。

圖3 軸帶發電機電動模式示意圖

2 優選配電系統節能技術

電力推進船舶在操縱靈活性、可靠性和效率等方面比傳統船舶更有優勢。電力推進船舶的電站功率大，運用現代新技術可挖掘節省燃油和運營成本的潛力，達到節能的目的。

2.1 采用混合電力推進

混合電力推進系統使用直流電網加儲能裝置，一般由可變速柴油機、直流電網、整流器、逆變器和能量存儲單元等設備組成，如圖4所示。

圖4 直流電網系統圖

一般恒速運行的柴油發電機組最佳效率點出現在約 85%額定功率時，但工程類船舶柴油發電機組更多情況下是在低負荷下長期運行，其燃油消耗率較大、經濟性較差。如果柴油機發電機組能夠變速運行，使最優效率運行點可以根據船舶不同工況下的電站負載率進行設定，在低負荷時通過改變柴油發電機組的轉速使原動機盡量工作在最佳運行條件下，這樣原動機獲得最高效率，就能使燃油消耗量降到最低。從圖5可看出：在低負荷時，可變轉速燃油消耗率明顯較低，整個系統的綜合能效可以提高 20%左右。國外在平臺供應船（如“Dina Star”號，98 m長，4 800總噸）及短程渡船等項目上已有直流配電系統的應用。

圖5 定速與變速柴油機燃油消耗率曲線圖

另外，可將蓄電池或超級電容連接到直流電網，它們在低負荷下進行充電，對電力需求起到削峰填谷的作用。在實際動力定位（dynamic positioning，DP）應用中，由于海況變化比較突然，導致負載變化幅度大、速度快，發電機不可能頻繁增減，使用蓄電池或超級電容向負載供電，可保持柴油機負載平穩，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行點附近。同時，這種方法可有效限制供電網絡功率的擾動，如此降低功率峰值可以消除備用發電機的起動并網運行。另外，柴油機快速加載和卸載會對柴油機燃燒過程產生不利影響，通過減少加載和卸載的次數也能顯著降低油耗、減少維護，從而大大提高燃油經濟性和電網可靠性。

鎮揚新汽渡船3011輪為我國首艘混合電力推進民用船舶，在渡船進行裝車作業時，該船的發動機不工作，而是靠超級電容放電提供動力，從而實現了零排放。新渡船在航行中，其超級電容會結合變速技術，使能源消耗始終處于最佳的耗油點上，可達到節能減排的目的。根據相關測算，新渡船可比傳統渡船節能15%左右。改進系統還有利于將太陽能面板、燃料電池等輔助直流能源簡單地集成到船舶直流電力系統中，為進一步節省燃油創造可能，也為新能源為基礎的船舶應用開辟一條新途徑。

2.2 采用母排閉環技術

帶DP功能的海工船舶對DP冗余性有一定要求，整個系統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，所以其裝機總功率較大。但大多數時候的海況比較好，推進器的輸出功率比較低，總裝機功率大大高于平均負荷所需的功率，所以整個系統的使用率非常低，大概僅占40%額定功率。如果采用母排閉環技術，就可以優化傳統的DP船分開母排運行的模式，減少在網發電機的運行臺數。現代新技術不僅可以保證與傳統技術相同的操作安全等級，而且可使發電機運行在最佳效率點，從而提高了設備利用率、減少了燃料消耗、減少了設備運行時間并間接地減少了維護成本。

因此，大部分時間處于動力定位、待機等工況下的船舶，其節油的潛力較高。根據國外廠家的研究資料顯示：采用母排閉環技術可以減少 35%的氮氧化物（NOx）和 11%的二氧化碳（CO2）排放，節省 9%的燃料，減少 33%的發電機運行時間。此技術目前已在一些項目上實船交付使用。

3 選用高效節能設備和技術

3.1 采用超高效節能IE3電機

船上絕大多數負載都是電機類負載，其在船舶運行過程中大都會處于連續工作狀態，因此消耗了船上大約85%的電能。從圖6能效曲線可看出：采用高能效等級的IE3電機在IE2的基礎上可減少15%～20%左右的損耗，如果每個電機能效都比之前提高一點，那么所有設備在整個航程中累計的能源節省量將是非常巨大的。選用高效節能電機后，不僅節能效果非常明顯，而且將大幅降低能源損耗，甚至船上整個發電機的容量也將減小，這又進一步節約了設備成本。

圖6 電機各種能效效率曲線圖

3.2 采用LED節能燈

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

對比表1中各種光源的性能，可知：LED照明具有低損耗、低能耗、光效高和壽命長等特點。目前，國內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，可在生活區走道等公共區實現照明自動控制，進一步實現節能。當這些區域內有船員活動時，此處的照明將會自動點亮；當船員離開時，經過一定的延時（時間可調）后，該區域照明也會自動關閉。

表1 不同種類的光源對比表

3.3 采用變頻技術

1）變頻調速應用

由公式（1）可知：泵或風機類輔機的功率P與其體積流量Q和壓頭?Δp緊密相關。船上輔機泵或風機系統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行設計的，所以設備總功率非常大，系統運行后的耗電量相當于或接近于額定功率的最大值。

泵或風機通常使用閘閥或擋板改變管路特性曲線，以此來調節流量需求。減小流量的同時增大了阻力，所以輸入功率降低有限，造成大量的能源損耗。在實際運行工況（通常無需連續滿載運行）下，很少出現如此大的流量需求。對于長期處于低效工況下運行的大容量泵或風機，很容易出現系統匹配性能不優越等問題，這就無端造成了大量電力損耗。

機艙通風、中央冷卻等系統都會長時間連續工作，并且用電量大，而且這些系統的運行都會隨著船舶航行的實際情況、熱負荷的狀況、季節和外部溫度的變化而變化。以變頻調速的方法適時調節風量/流量，是一種既方便又節能的好方法。

2）變頻節能原理

泵和風機類負載具有二次方律負載特性，轉速 n與流量Q、揚程H和功率P之間的關系如公式（2）所示。

從式（2）可以看出：流量和壓力分別與轉速的一次方和二次方成比例，輸入功率與轉速的三次方成比例，利用變頻調速的方式對流量進行動態控制，由調速控制代替節流控制，將大大降低功率損耗，從而達到節能效果。從圖7可看出：泵或風機在速度降到額定轉速的50%時，其功率只有15%左右，調速節能效果非常明顯。

另外，只有當恒速電機的功率達到額定點時，才能高效地運轉，如果沒有達到額定點，其功效將大打折扣。如果采用變頻調速的方式，變頻泵或風機的特性曲線在運行中就會出現平移的情況，可使泵或風機始終處于效率比較高的最佳運行點上，使系統運行更佳優越。

圖7 泵或風機轉速與功率曲線圖

泵和風機的變頻調速利用的是異步電機的同步轉速隨頻率正比變化的特性，通過改變電機的供電頻率進行調速。變頻調速原理基礎是：頻率變化時，必須保持其磁通不變，即保持U/f=常數的電壓頻率比控制，如圖8所示。U/f控制是變頻器的基本控制方式，由于其控制簡單，以節能為主要目的船用變頻調速已得到廣泛的應用。

圖8 U/f控制曲線圖

3.4 采用智能技術

在大數據時代背景下，具有自主感知、認知、預測和決策能力的智能船舶是未來發展的必然趨勢，它由多種關鍵子系統組成，以保證船舶的航行安全、效率以及經濟性。其中，智能機艙主要對主機性能進行監測，通過船岸通信可實現無縫顯示、遠程操作，并提供維護建議，其提高了可用性、減少了停機時間、延長了維護間隔或主動提前維修，并能分析和報告運營模式下的燃料消耗情況，另外，系統還具有實時咨詢功能，可提升操作性能、降低能耗。智能能效管理系統通過采集和處理耗能設備的功率、壓力、溫度、燃料消耗、主機軸功率和船舶狀態等參數數據，提供能耗設備工況監測、航行狀態信息監測、統計報表等功能，通過分析處理船舶硬件設備終端輸出數據，實現船岸能效數據的在線監控、船舶能耗分布分析、船舶能效分析，為船舶提供數據評估分析結果和輔助決策建議，以及航速優化、基于縱傾優化的最佳配載等解決方案，實現船舶能效實時監控、智能評估及優化，從而不斷提高船舶能效管理水平。智能航行系統能控制船舶航速和跟蹤航程，與推進器配合，可對外部環境進行適應性響應，確保行為優化和效率優化，其節能效果更佳。

4 結束語

除上述船舶本身的節能技術外，船舶運營管理和設備維護節能也是船舶節能技術中不可或缺的環節。使用節能技術的船舶比傳統船舶更具有成本競爭優勢，也有利于減少排放并贏得環境效益。但所有節能技術的應用不能一概而論，需根據船舶實際功能、具體航線和運行工況，運用系統工程方法，綜合利用和選擇合適的節能方式，同時應提前評估節能配置方案的投資回報率，才能使節能效果達到最佳。當前，新技術的發展非常迅速，相信會有更多的新技術促進節能技術發展，只有不斷學習，才能進一步節省能源、保護環境。