超大型集裝箱船電站功率系統(tǒng)構(gòu)成

傅曉紅，夏 駿，周祎隆

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

0 引 言

能源問題和環(huán)境問題是當(dāng)今人類面臨的共同問題。當(dāng)前航運業(yè)承擔(dān)了全球近90%的貨物運輸，集裝箱船作為目前三大主流船型之一，其溫室氣體排放量在所有船型中占比較高[1]。近年來，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）對船舶節(jié)能減排的要求越來越嚴(yán)苛，減少廢氣排放、降低燃油成本已成為綠色船舶設(shè)計的核心理念。為降低燃油成本，除了在線型優(yōu)化、螺旋槳設(shè)計優(yōu)化、主輔機選型優(yōu)化和節(jié)能裝置的應(yīng)用上提高船舶的能效以外[3]，還可在動力及電站設(shè)計方面采取很多措施。例如，許多航運公司采取減速航行的措施，在主機設(shè)計的常用輸出功率點不能充分利用的情況下，為主機配置軸帶發(fā)電機，以提高經(jīng)濟性和減少設(shè)備磨耗與保養(yǎng)[4]；通過回收主機的廢熱來發(fā)電，配置蒸汽透平發(fā)電機、廢氣增壓發(fā)電機和有機工質(zhì)發(fā)電機；利用廢熱回收發(fā)電機給軸帶電動機供電，在船舶航行時進行助推。不同船型根據(jù)自身特點選擇1種或多種方式，以達到節(jié)約燃油成本、減少廢氣排放的目的。

1 超大型集裝箱船常規(guī)電站架構(gòu)

超大型集裝箱船電站系統(tǒng)最為普遍的配置是4臺柴油發(fā)電機，根據(jù)各船的特點，采用4臺等容量的柴油發(fā)電機或兩大兩小的配置方式[5]。這種配置方式最簡潔，對電站管理系統(tǒng)的功能要求最低，按常規(guī)設(shè)置即可。各工況下發(fā)電機組的投入情況根據(jù)負(fù)載來決定，操作簡單，易于控制；缺點是柴油機裝機容量大，燃油消耗量大。

表1為某型18000TEU集裝箱船在各工況下發(fā)電機組投入情況。從表1中可看出：在不帶冷箱航行工況下，僅用1臺發(fā)電機組就能滿足全船日用負(fù)載的需求；在帶冷箱航行工況下，需3臺發(fā)電機組同時投入工作，不同工況下負(fù)載的變化幅度明顯。

2 組合動力電站構(gòu)成及分析

近年來，隨著船用重質(zhì)燃油的價格逐漸上漲，船舶燃料費用占營運成本的比例越來越大[6]。同時，陸續(xù)出臺的各種限制船舶廢氣排放的強制性國際公約和排放控制區(qū)[7]既要求減少氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和煤塵等懸浮物，又要求減少二氧化碳（CO2）。這些都迫使對船舶電站系統(tǒng)的設(shè)計進行改進和優(yōu)化。

目前，組成電站的發(fā)電機組主要有柴油發(fā)電機、軸帶發(fā)電機、蒸汽透平發(fā)電機和廢氣增壓發(fā)電機等4類。

1) 柴油發(fā)電機的配置根據(jù)船舶在不同工況下運營時全船的負(fù)載確定，與主機功率和載運的冷藏集裝箱的數(shù)量有關(guān)。

2) 在超大型集裝箱船上，軸帶發(fā)電機的配置往往出現(xiàn)在大主機、低航速的配置中，在航運公司運力過剩的大背景下，采取減速航行加軸帶發(fā)電機的配置能有效降低主機的燃油消耗。此時主機可在高負(fù)荷區(qū)運轉(zhuǎn)，因此可獲得較高的燃油效率；同時，作為低速柴油機的主機的熱效率要比中速柴油機高。在船舶正常航行時，若不帶冷藏集裝箱或冷藏集裝箱的數(shù)量較少，只使用軸帶發(fā)電機就可滿足全船用電負(fù)荷的需求，因此不需要使用其他的柴油發(fā)電機，可減少柴油發(fā)電機的能耗，而主機的能耗增加有限。在這種配置中，可將軸帶發(fā)電機兼作軸帶電動機（Power Take In, PTI）使用，利用主機廢熱回收發(fā)電的電能驅(qū)動PTI，將其作為主推進助推電機使用，提高船舶的航速。

蒸汽透平發(fā)電機在主機穩(wěn)定運行時（主機負(fù)荷超過約35%）可投入使用，而廢氣增壓發(fā)電機只有在主機負(fù)荷超過約 50%時才能正常工作。根據(jù)低速主機機型及相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，對 18000TEU集裝箱船的電站組成進行重構(gòu)（見圖1），其中采用4種發(fā)電機，分別為柴油發(fā)電機、軸帶發(fā)電機、廢氣增壓發(fā)電機和蒸汽透平發(fā)電機。

圖1 組合動力電站構(gòu)成

3 組合動力電站功率管理系統(tǒng)

對于大型集裝箱船來說，傳統(tǒng)的電站配置一般是配置4臺柴油發(fā)電機組，根據(jù)各工況（航行、進出港、裝卸貨和停泊）的需求及船舶是否攜帶冷藏集裝箱進行多臺機組的組合，以保證船舶正常運營時的電力需求。

引入軸帶發(fā)電機、蒸汽透平發(fā)電機和廢氣增壓發(fā)電機的配置之后，由于不同種類發(fā)電機的特性不同，傳統(tǒng)電站管理系統(tǒng)的邏輯設(shè)計發(fā)生了變化。

船舶進出港時均采用柴油發(fā)電機組，待駛出港口之后，航速增大，當(dāng)主機的負(fù)荷率達到蒸汽透平發(fā)電機工作需求時，優(yōu)先啟動蒸汽透平發(fā)電機，根據(jù)全船負(fù)荷的需求，退出1臺或更多的柴油發(fā)電機組；若航速進一步增大，主機負(fù)荷進一步增加，此時可啟動廢氣增壓發(fā)電機，從而進一步減少柴油發(fā)電機組承擔(dān)的負(fù)荷，提高主機的能源利用率。

在全船負(fù)載減少的情況下，功率管理系統(tǒng)優(yōu)先減少柴油發(fā)電機組的負(fù)荷，由蒸汽透平發(fā)電機和廢氣增壓發(fā)電機來承擔(dān)負(fù)載，以達到提高能源利用率的目的。圖2為組合動力電站功率管理系統(tǒng)的控制邏輯示意。

圖2 組合動力電站功率管理系統(tǒng)的控制邏輯示意

以18000TEU集裝箱船為例，對航行工況下電站的配置情況進行比較結(jié)果，見表2和表3。

表2 組合動力電站

表3 柴油發(fā)電機組成的電站

由表2和表3可知：在不帶冷藏集裝箱航行時，常規(guī)柴油發(fā)電機組電站配置中需投入1臺柴油發(fā)電機，而組合動力電站無須投入柴油發(fā)電機；在帶冷藏集裝箱航行時，前者僅投入1臺柴油發(fā)電機，后者需投入3臺柴油發(fā)電機。在這2種工況下，主機負(fù)荷均在90%左右，可見組合動力電站的優(yōu)勢更明顯。

由于蒸汽透平發(fā)電機、廢氣增壓發(fā)電機和軸帶發(fā)電機在主機負(fù)荷率很低時無法投入運行（在主機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的情況下，軸帶發(fā)電機作為主電站存在導(dǎo)致全船失電的風(fēng)險），因而在進出港、裝卸貨和停泊狀態(tài)下，還需依賴常規(guī)的柴油發(fā)電機組，還需按常規(guī)要求配置相應(yīng)數(shù)量的柴油發(fā)電機組。但是，對于大型集裝箱船來說，其特點是定點、定班次，航行時間較長，靠碼頭卸貨時間較短[8]，因此燃油消耗量很大，控制燃油費已成為航運公司在成本控制方面的首要任務(wù)。此時若采用軸帶發(fā)電機、蒸汽透平發(fā)電機或廢氣增壓發(fā)電機，燃油消耗量均能明顯降低，NOx、SOx和 CO2的排放必然隨之大大減少，更符合綠色、節(jié)能和環(huán)保的船舶設(shè)計理念。

4 結(jié) 語

通過上述研究可知，蒸汽透平發(fā)電機和廢氣增壓發(fā)電機及PTO/PTI技術(shù)在提高能效方面的作用是相當(dāng)可觀的，此類技術(shù)在船上的應(yīng)用要求電站功率管理系統(tǒng)的邏輯設(shè)計發(fā)生重大變化，將優(yōu)先利用蒸汽透平發(fā)電機和廢氣增壓發(fā)電機的理念植入組合動力電站管理系統(tǒng)的設(shè)計理念中。但是，廢熱回收及透平系統(tǒng)的投入會增加船舶建造階段的初期投資，這也是一個客觀因素。近年來，隨著液化天然氣價格的走低及以柴油和液化天然氣為燃料的雙燃料發(fā)電機組技術(shù)的發(fā)展，由雙燃料發(fā)電機組取代柴油發(fā)電機組構(gòu)成的全船電站系統(tǒng)逐步被船東接受，日后可能會成為一種常規(guī)的選擇。