高端客滾船動力能源節能技術

蘭 攀，楊顯義

（招商局金陵船舶威海有限公司，山東威海 264205）

0 引 言

與普通船型相比，高端客滾船具有眾多大型用電負載，能源消耗較多，其岸電設備，以及船上的軸帶發電機、柴油發電機和應急柴發等動力能源設備一般根據電力負荷計算書和船東的要求配置，在停泊、進出港和航行工況下，船上的用電負載會隨著工況的改變產生較大的變化，發電機的功率輸出無法穩定在經濟值，柴油機會出現持續高油耗的情況，即使都配置電站管理系統（Power Management System，PMS），也只能根據用電負載進行簡單的發電機功率分配，存在安全隱患和能源浪費問題。

為彌補PMS無法進行能源消耗管理的缺陷，同時滿足部分港口的污染物排放要求，為高端客滾船額外配置一套能源管理系統（Energy Management System，EMS），并將其與能源存儲系統（Energy Storage System，ESS）和PMS相結合，在滿足發電機功率分配需求的同時，對柴油機的經濟消耗值進行計算和管理，達到節能減排的目的。

1 現狀分析

目前，PMS廣泛應用于船舶電站管理中，利用PMS計算系統的在線負載，通過控制柴油發電機的啟停實現動力能源補給。當柴油發電機負載低于85%柴油發電機容量時，單臺柴油發電機運行；當柴油發電機負載增至85%柴油發電機容量時，啟動備用柴油發電機后均攤負載；當2 臺柴油發電機負載均增加至85%柴油發電機容量時，啟動第二備用柴油發電機，3 臺柴油發電機并車均分負載；當軸帶發電機模式被激活時，其邏輯控制方式與柴油發電機相同，也可并車均分負載。

3 臺柴油發電機和2 臺軸帶發電機作為主要的動力能源，均有燃油消耗，且隨著負載的變化，其油耗量并不是恒定的，對于船舶節能減排而言，如何降低燃油消耗，使發電機一直工作在經濟負荷狀態，是現階段需深入研究的課題。

理論上看，柴油發電機輸出功率發生變化并不會引起油耗發生變化（見圖1a）。由圖1a 可知，負載從20%增加到100%時，油耗保持195 g/（kW·h）不變。但是，在實際工作中，柴油發電機的輸出功率與耗油量成不規則變化（見圖1b）。由圖1b可知，柴油發電機最經濟的油耗為195 g/（kW·h），最經濟的輸出負載為85%，此時柴油發電機的效率最佳。

圖1 柴油發電機輸出功率與油耗的關系

2 能量存儲和系統結構

EMS的主要功能是對PMS和ESS的工作邏輯進行合理優化，對燃料能源和電量存儲進行控制，ESS 主回路集成在軸帶發電機變頻控制系統中，增加蓄電池單元（Battery Unit，BU）進行能量存儲（見圖2）。

圖2 EMS帶ESS系統的基本邏輯框架圖

由于需符合安全返港（Safety Return to Port，SRtP）相關要求，因此設計雙套系統，分別布置在前機艙和后機艙，根據電力負荷計算結果，前后機艙各設計1 套2.5 MW·h的BU進行能量存儲。

柴油發電機和軸帶發電機的多余能源用來給ESS充電。當ESS處于充電狀態時，自動調整充電功率，作為補償負載介入電力電網系統；當ESS處于放電狀態時，可作為電網的動力來源；當船舶靠港時，ESS可作為岸電模式供電，其充放電功率均可調整，大功率設備的突加突卸、電網中的電壓和頻率波動需滿足中國船級社（China Classification Society，CCS）規范的要求。

3 ESS能量儲能原理

ESS由BU和集成在變頻柜內的控制回路構成（見圖3），其中BU 為2.5 MW·h/1 100 V DC 容量的蓄電池組，通過變頻柜內的控制回路與直流匯流板連接，按船舶不同航行工況實現對能量存儲和釋放的邏輯控制。

圖3 ESS原理回路

系統以柴油發電機85%經濟負載為參照值，配合EMS，可自動對ESS 的放電功能進行調整。當耗電負載為50%左右（小于經濟負載）時，ESS 作為負載進行能量存儲，見圖4a；當柴油發電機輸出負載為85%左右時，ESS不工作，保持待機狀態等待命令，見圖4b；當柴油發電機輸出負載為95%左右（大于經濟負載）時，ESS 釋放電能，與柴油發電機并聯運行供電，共同承擔負載用電，見圖4c；當柴油發電機輸出負載小于等于35%時，EMS可切斷柴油發電機供電輸出，由ESS釋放電能單獨供電，見圖4d；當前后機艙ESS 同時在網時，EMS 需二次計算在網電力負載，同樣以經濟負載為基準，進行能源合理分配；若BU能量過低，則可開啟ESS 充電模式，給BU補充能量，此時ESS在手動模式下開啟，見圖4e。

圖4 ESS在發電機經濟負載下的能量傳輸

3.1 航行模式

當船舶在海上航行時，其EMS控制模式有8 種：

1）軸帶發電機供電、ESS充電模式，采用軸帶發電機供電，ESS充電儲能；

2）軸帶發電機和ESS供電模式，采用軸帶發電機供電，若負載增加，則ESS釋放能量補給電網；

3）軸帶發電機單獨供電模式，采用軸帶發電機單獨供電，當動力負載處于經濟值時，ESS處于待機狀態；

4）柴油發電機單獨供電模式，采用柴油發電機單獨供電，當動力負載處于經濟值時，ESS處于待機狀態；

5）柴油發電機供電、ESS充電模式，采用柴油發電機供電，ESS作為動力負載進行充電儲能；

6）柴油發電機供電、ESS 放電模式，采用柴油發電機供電，當電力負載過高時，ESS 釋放能量進行電網補給；

7）柴油發電機供電、軸帶發電機供電、ESS充放電混合模式，采用軸帶發電機和柴油發電機并車供電，若負載偏小，則ESS充電儲能，反之ESS釋放能量進行電網補給，ESS根據負載變化自動更換工作狀態；

8）ESS供電模式，采用ESS單獨供電。

3.2 操縱模式

當船舶側推運行時，其EMS控制模式有7 種：

1）柴油發電機單獨供電、軸帶發電機單獨供電模式，柴油發電機給負載屏單獨供電，軸帶發電機單獨給側推供電，ESS處于待機狀態；

2）軸帶發電機單獨供電、ESS單獨供電模式，ESS單獨給負載屏供電，軸帶發電機單獨給側推供電；

3）軸帶發電機單獨供電、柴油發電機供電模式，柴油發電機給負載屏和側推供電，軸帶發電機單獨給側推供電，ESS處于待機狀態；

4）ESS單獨供電、柴油發電機供電模式，柴油發電機給負載屏和側推供電，ESS給側推供電，但不給負載屏供電；

5）ESS單獨供電、軸帶發電機單獨供電、柴油發電機單獨供電模式，柴油發電機單獨給負載屏供電，ESS與軸帶發電機同時給側推單獨供電；

6）柴油發電機供電模式，柴油發電機給負載屏和側推供電，ESS處于待機狀態；

7）ESS供電模式，ESS給負載屏和側推供電。

3.3 停泊模式

當船舶在碼頭停靠時，其EMS控制模式有5 種：

1）柴油發電機單獨供電模式，柴油發電機單獨給負載屏供電，ESS處于待機狀態；

2）柴油發電機供電模式，柴油發電機給負載屏供電，同時給ESS補充能量；

3）柴油發電機供電、ESS供電模式，柴油發電機給負載屏供電，若負載偏大，則ESS放電進行電網補給；

4）岸電單獨供電、ESS供電模式，通過岸電單獨給負載屏供電，若負載偏大，則ESS 調整為放電狀態進行能量補給，并與岸電并聯使用，反之ESS切換為充電狀態儲能，ESS可根據負載變化自動更換工作狀態；

5）ESS單獨供電模式，ESS單獨給負載屏供電。

4 結 語

本文對ESS彈性儲能的節能方案進行了分析，研究了整個EMS 下最經濟的運行工況，為解決高端大型客滾船的動力節能問題提供了新的思路。但是，EMS、PMS和ESS建立的整個節能系統只能根據在線負載的總功率有效降低能源消耗，使船舶時刻處于最經濟的油耗狀態，而系統并未從用電負載的角度解決能源消耗問題，如全船存在大量照明和空調設備，目前的設計并未從節能的角度考慮這些設備運行的合理性，因此整船的電力系統仍需對所有的用電設備進行工況分析，研究設計全船的負載管理系統，將在網負載總功率降至最低，配合本文所述EMS，將能源消耗降至最低。