船舶軸帶發(fā)電機(jī)選型及節(jié)能分析

殷宗學(xué)，周海濤，王 遠(yuǎn)，李茂永

船舶軸帶發(fā)電機(jī)選型及節(jié)能分析

殷宗學(xué)，周海濤，王 遠(yuǎn)，李茂永

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司設(shè)計(jì)研究院，上海 200135）

在新船設(shè)計(jì)中，為了滿足2025年IMO能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）第三階段的要求，需要大幅降低碳排放。增加船舶軸帶發(fā)電機(jī)（軸發(fā)）是最便捷的方案，不僅可以有效降低船舶CO2排放，而且還可以節(jié)能從而降低營(yíng)運(yùn)成本。本文從軸發(fā)的驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)行工況、功率需求方面出發(fā)，得出軸發(fā)系統(tǒng)的合理配置方案及其與主機(jī)功率的配合，并對(duì)軸發(fā)的節(jié)能效益對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行了分析。本文提出的方案對(duì)船舶的綠色設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

EEDI 降低碳排放 軸帶發(fā)電機(jī) 節(jié)能 船舶

0 引言

眾所周知，當(dāng)前船舶市場(chǎng)總體持續(xù)低迷，而高效節(jié)能、低碳環(huán)保、智能化并滿足最新國(guó)際公約的新船型設(shè)計(jì)，將成為三大主力船型細(xì)分領(lǐng)域?qū)で笸黄频姆较颉８鲊?guó)政府和IMO對(duì)船舶溫室氣體減排的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）第三階段要求也將在2025年實(shí)施，尤其根據(jù)最新MEPC 75次大會(huì)決議，集裝箱船及雜貨船等船型將于2022年4月1日提前實(shí)施，因此設(shè)計(jì)公司及各大船廠積極運(yùn)用新節(jié)能技術(shù)、替代燃料、新能源及降低航速等減排措施來(lái)提高適用船型的EEDI指數(shù)值。在不采用替代燃料的情況下，只基于廣泛采用的節(jié)能措施，很難實(shí)現(xiàn)EEDI第三階段目標(biāo)，因而不得不尋求其它新方案。軸發(fā)節(jié)能技術(shù)因?yàn)槠湎鄬?duì)比較成熟可靠，能有效降低船舶總油耗和減少輔機(jī)的維護(hù)，從而可以顯著節(jié)省營(yíng)運(yùn)成本，成為目前可選的減排方案。如某設(shè)計(jì)公司研究指出好望角型以下散貨船，只需在原配置基礎(chǔ)上使用軸帶發(fā)電機(jī)就較容易達(dá)到EEDI III要求；在大型油船上，軸發(fā)也可以配合其他節(jié)能措施一起使用；在大型集裝箱船上，軸發(fā)可以充分利用剩余功率達(dá)到節(jié)能減排的效果。下面主要針對(duì)軸發(fā)系統(tǒng)的選型及與主機(jī)的功率配合、節(jié)能等方面進(jìn)行可行性及經(jīng)濟(jì)性分析探討。

1 軸發(fā)驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)組成

軸帶發(fā)電機(jī)即在主機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還一并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，利用軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)電向船舶電網(wǎng)輸出功率（PTO），傳統(tǒng)船舶采用軸帶發(fā)電機(jī)主要基于如下兩個(gè)方面原因：

1）通常船舶上主機(jī)額定功率有10%以上的裕度，而正常航行時(shí)所需的電量一般不會(huì)超過(guò)這個(gè)功率（約為主機(jī)額定功率的5 %左右），所以在不增加主機(jī)容量情況下依靠主機(jī)帶動(dòng)軸發(fā)向電網(wǎng)供電是可行的，并且主機(jī)效率要比柴油發(fā)電機(jī)組的效率高，能達(dá)到一定的節(jié)能效果。如此配置往往還可減少1臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)置，可有效減少柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)及時(shí)間，優(yōu)化了機(jī)艙布置和減少維護(hù)成本。

2）在經(jīng)濟(jì)航速下主機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷狀態(tài)，其效率不高，耗油率還會(huì)增加。為此充分利用主機(jī)剩余功率來(lái)帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)，此時(shí)主機(jī)功率為軸帶發(fā)電機(jī)功率+螺旋槳功率，這樣可使主機(jī)一直運(yùn)轉(zhuǎn)在效率較高的區(qū)域，減少燃油消耗量。一般燃油耗費(fèi)大概占船舶營(yíng)運(yùn)費(fèi)用的50%～60%，因此采用軸發(fā)會(huì)表現(xiàn)出非常大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前市場(chǎng)上軸發(fā)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式主要有三種方案[1]：

方案一：高速軸發(fā)帶恒頻率齒輪單元，通過(guò)機(jī)械-液壓轉(zhuǎn)速控制使主機(jī)在70%～105%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證發(fā)電機(jī)的頻率不變，無(wú)需額外配備變頻器，其總效率約為90%。

方案二：在主機(jī)輸出端通過(guò)中間軸直接驅(qū)動(dòng)抱軸式低速軸發(fā)或經(jīng)齒輪箱驅(qū)動(dòng)低速軸發(fā)，需配置變頻器控制其電力輸出，其總效率約為91%。

方案三：由主機(jī)通過(guò)增速齒輪箱驅(qū)動(dòng)軸發(fā)，要求主機(jī)保持恒定的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)可以不用配變頻器，但只適用于帶可調(diào)槳（CPP）的船舶，其總效率約為92%。

以上三種方案中軸發(fā)都可安裝在主機(jī)前端或輸出端，驅(qū)動(dòng)方式及系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1所示。在實(shí)船選取時(shí)需根據(jù)其主推進(jìn)系統(tǒng)型式，并考慮機(jī)艙空間、投資成本及回報(bào)周期、船舶運(yùn)行工況等多方面因素。

軸發(fā)本身通常采用同步發(fā)電機(jī)，并有兩種勵(lì)磁方式（電勵(lì)磁/永磁），永磁軸發(fā)雖然在低轉(zhuǎn)速時(shí)具有高效率的優(yōu)勢(shì)，但其成本較高，永磁軸發(fā)還需變頻器配合使用。目前的軸發(fā)系統(tǒng)，為了保證軸發(fā)與柴發(fā)長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，也需要配備變頻器。另外，為了更好隔離諧波，可以增配一臺(tái)變壓器。因此在軸發(fā)系統(tǒng)電氣方面選型時(shí)需綜合考慮電力系統(tǒng)及運(yùn)行工況等因素。

2 軸發(fā)運(yùn)行工況和配置

根據(jù)船舶運(yùn)行工況和軸發(fā)特性（圖2）可知，如果船舶配置了可調(diào)槳(CPP)，主機(jī)一直運(yùn)行在定轉(zhuǎn)速模式，那么在正常航行和進(jìn)出港工況下都是可以使用軸帶發(fā)電機(jī)的；但對(duì)采用定距槳(FPP)的船舶，由于在進(jìn)出港時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速較低，及有時(shí)還需要緊急倒車或停車，工況比較復(fù)雜，因此船舶在進(jìn)出港時(shí)不使用軸帶發(fā)電機(jī)，需要運(yùn)行主發(fā)電機(jī)組供電。

圖1 軸發(fā)驅(qū)動(dòng)方式及系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖

圖2 軸發(fā)特性曲線

按照常規(guī)貨船運(yùn)行工況及采用低速主機(jī)+定距槳推進(jìn)方式，軸發(fā)裝機(jī)數(shù)量和運(yùn)行工況見(jiàn)表1。

從表1可知，一般船舶配置的軸帶發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)與一臺(tái)主發(fā)的容量相當(dāng)。從使用情況來(lái)看，常規(guī)散貨船可以減少一臺(tái)柴發(fā)，而其他船型并不能減少原柴發(fā)的配置。同時(shí)也可看出，方案一由于系統(tǒng)不配變頻器，無(wú)法解決與主發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，且恒頻率齒輪單元是RENK的獨(dú)有技術(shù)，價(jià)格較高，在初投資成本上不占優(yōu)勢(shì)[1]，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的故障風(fēng)險(xiǎn)，使系統(tǒng)更加復(fù)雜，并需要更多的維護(hù)工作，因此，綜合考慮技術(shù)和成本，更多船型適合采用方案二的驅(qū)動(dòng)方式。另外，為了不改變機(jī)艙區(qū)域的總長(zhǎng)度和主機(jī)安裝位置，主機(jī)前端空間往往有限，故一般在主機(jī)輸出端安裝軸發(fā)，又因船艉部線型比較窄，采用直接抱軸式低速軸發(fā)會(huì)更加合適，可減少齒輪箱的安裝空間及日后維護(hù)成本。

表1 軸發(fā)配置及使用情況

3 軸發(fā)與主機(jī)功率配合

如前所述，采用軸發(fā)就是要充分利用主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)裕度和剩余功率[2]，而并不要求在船舶所有工況下都使用軸發(fā)，如果為了滿足全運(yùn)行工況下都使用軸發(fā)，很可能使主機(jī)的原SMCR（選定最大持續(xù)功率）點(diǎn)都要變大，這樣會(huì)增大主機(jī)輔助系統(tǒng)的配置規(guī)格，甚至?xí)龃笾鳈C(jī)的CMCR（合同最大持續(xù)功率），導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本大量增加，違背了使用軸發(fā)的初衷，因此只需考慮所需工況下（經(jīng)濟(jì)或主要幾個(gè)航速點(diǎn)）主機(jī)功率配合問(wèn)題，即在一定的主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證軸發(fā)可以發(fā)出所需電量，若在其他工況下電量達(dá)不到要求，就需自動(dòng)起動(dòng)備用柴發(fā)與軸發(fā)一起并聯(lián)運(yùn)行。

相對(duì)來(lái)說(shuō)集裝箱船的運(yùn)行工況比較復(fù)雜，下面就以集裝箱船為例說(shuō)明與主機(jī)功率匹配問(wèn)題。如某箱船所選主機(jī)CMCR為47,880 kW × 80.0 r/min，正常航行時(shí)軸發(fā)所需從主機(jī)得到的總機(jī)械功率約為3,785 kW。主機(jī)帶軸發(fā)功率限制曲線[3]（Line10）見(jiàn)圖3所示。

本船在不同航速下的初步預(yù)估功率及對(duì)應(yīng)主機(jī)轉(zhuǎn)速見(jiàn)表5所示（表5第1，2，3列）。通過(guò)主機(jī)廠商給出的計(jì)算公式[3]（1）可得到所選定航速下主機(jī)最大輸出功率，從而可得出最大剩余功率（見(jiàn)表5第5列所示），即最大允許軸發(fā)的機(jī)械功率。

⑤-主機(jī)最大運(yùn)行限制功率曲線，⑦-主機(jī)額定運(yùn)行功率曲線，⑧-主機(jī)輕載（LRM）功率曲線，⑩-帶軸發(fā)限制功率曲線

式中：-所選主機(jī)功率（kW）；PCMCR主機(jī)功率（kW）；–所選主機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；n-CMCR主機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）；2/1/0-系數(shù)，見(jiàn)表4所示。從表5可看出，以16～18 knots航速正常航行時(shí)，軸發(fā)一直能發(fā)出所需的電功率，在其他航速下也能保證有一定比例的電功率輸出。因此在不更改主機(jī)的選型，保持原輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)的情況下，就能滿足船舶正常的操縱需求。

表4 功率換算系數(shù)表

表5 不同航速下功率及轉(zhuǎn)速

4 軸發(fā)經(jīng)濟(jì)性分析

同樣以某集裝箱船為例進(jìn)行節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析。根據(jù)船東提供的航線運(yùn)營(yíng)信息，可估算出1年內(nèi)大概可以共計(jì)正常航行約99008海里。另外，船東也給出1次航程內(nèi)各航速下運(yùn)行時(shí)間的占比，這樣就可估算出集裝箱班輪在各航速下一年內(nèi)一共實(shí)際航行的天數(shù)，具體信息見(jiàn)表6所示。

表6 航線及航速信息表

表7 主機(jī)和發(fā)電機(jī)組燃料消耗表

根據(jù)估算各航速下的功率點(diǎn)和廠家資料，可得出主、輔機(jī)的相關(guān)油耗、氣耗率，見(jiàn)表7所示。

表8列出的節(jié)省成本依據(jù)主機(jī)帶軸發(fā)和不帶軸發(fā)兩種運(yùn)行模式，分別從主、輔機(jī)的燃油、燃?xì)狻⒒汀飧子秃途S護(hù)成本方面比較本船在這兩種模式下的營(yíng)運(yùn)成本差。若不計(jì)其他費(fèi)用的差別(差價(jià)不大)，船舶在正常航行下利用軸發(fā)系統(tǒng)節(jié)能是可行的，所增加軸發(fā)系統(tǒng)的初期投資費(fèi)用可在船舶營(yíng)運(yùn)約7.25年后就可以全部回收成本，這說(shuō)明使用軸發(fā)系統(tǒng)是既可以達(dá)到節(jié)能又有一定的綜合經(jīng)濟(jì)效益。如果是常規(guī)散貨船型，因軸發(fā)可以代替1臺(tái)柴發(fā)，因此其經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。

表8 各航速下投資回報(bào)率估算表

5 結(jié)論

本文主要研究軸發(fā)的驅(qū)動(dòng)方式、功率配合及節(jié)能效益，增加軸發(fā)系統(tǒng)可以降低總油耗減少CO2排放，軸發(fā)促進(jìn)對(duì)船型EEDI計(jì)算值的提高。未來(lái)市場(chǎng)將傾向能效水平更高，EEDI指數(shù)更低的船舶，未來(lái)綠色環(huán)保船舶的設(shè)計(jì)勢(shì)在必行，各船企要深入挖掘新規(guī)范帶來(lái)的市場(chǎng)需求和機(jī)遇。

[1] 李俊, 王文中. 軸帶發(fā)電機(jī)在船用低速主機(jī)上的應(yīng)用[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊, 2014(2): 62-65.

[2] 姜孟文. 軸帶發(fā)電機(jī)和主機(jī)的功率配合[J]. 船舶工程, 1983 (05): 40-42.

[3] 宋強(qiáng)，王愛(ài)平，史孝華. 20.5萬(wàn)噸散貨船軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 船舶工程, 2015 (1): 127-130.

[4] 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè).電氣分冊(cè)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2013.

Analysis of Marine Shaft Generator Type-Selection and Energy Saving

Yin Zongxue, Zhou Haitao, WangYuan, Li Maoyong

(Design and Research Institute of COSCO Shipping Heavy Industry CO., LTD., Shanghai 200135, China)

In order to meet the requirements for phase III of IMO energy efficiency design index (EEDI) in 2025 for ships, carbon emissions need to be greatly reduced. The solution of adding shaft generators (SG) is proposed.

U665.1

A

1003-4862（2021）10-0020-04

2021-08-10

殷宗學(xué)（1981-），男，工程師。研究方向：船舶及海洋工程電氣研發(fā)設(shè)計(jì)。E-mail:yinzongxue@cosco-shipyard.com