船舶轴带发电机的应用及发展

王炳义

（青岛北海船舶重工有限责任公司 青岛266520）

船舶轴带发电机的应用及发展

王炳义

（青岛北海船舶重工有限责任公司 青岛266520）

［摘 要］根据航运船舶和大型船舶航行的特点，对船舶轴带发电机作为船用电站组成系统及其应用进行了分析，探讨了不同阶段的船舶轴带发电机的技术方案，分析了其经济性及节能减排效果，结合安装实例对船舶轴带发电机应用进行了评估，从船舶运营的经济性出发预测船舶轴带双馈发电机作为船用辅助电站的发展趋势。

［关键词］远洋船舶；轴带发电机；双馈；定距桨；船用电站

引 言

近年来航运市场低迷，随着国际油价的剧烈震荡和不断攀升，使得船舶航运的营运成本日益提高。世界上各大航运企业对船舶节能技术装置日趋关注。其中船舶电站的经济性方案尤为受到重视［1］。船舶轴带发电机技术的应用从上世纪80年代初期兴起，它利用船舶主推进装置的轴上冗余功率使轴带发电机为船舶提供电力，以达到节能的目的，然而由于种种原因未能获得长足发展。近年来随着科学技术进步和装备水平的提高，尤其是当今世界对环保和节能意识的日渐增强，将船舶轴带发电机作为船舶电站重要组成部分的设计和应用深受各大航运企业青睐［2］。

1 船舶轴带发电机的发展历程

轴带发电机从上世纪70年代初在德国开始装船， 至今已有40多年历史。其初期的轴带发动机装置简陋、运行条件苛刻、发电频率波动、供电质量难以保证。上世纪80年代初船舶轴带发电机系统基本属于无频率补偿型，如日本建造的滚装船系列的主机轴带发电机。这种轴带发电机的供电质量往往受到很多因素的影响，如主机转速变化会引起发电频率波动，而只能短时使用；不能与船舶电站其他柴油发电机进行有效的并联运行。随后出现的在主机推进轴与轴带发电机之间利用机械变速装置进行速度调节，当主机推进轴转速发生变化时，使轴带发电机的转速保持恒定，从而控制轴带发电机系统发电频率稳定性。但是在这种机械式补偿型轴带发电机系统中，主机的当前速度与额定转速差异较大时，机械变速装置的容量将受到限制，故其应用范围也受到制约［3］。

上世纪80年代中期，随着电气控制技术的发展，大功率可控硅变流技术被应用到船舶轴带发电机系统中。这种具有频率补偿型轴带发电机系统是由轴带发电机和恒定频率控制装置组成。应用可控硅“逆变”装置及控制系统调节频率，用同步补偿机提供无功功率，维持发电电压的稳定；但是由于装置成本过高、系统的总体稳定性偏弱等因素影响轴带发电系统后续应用的进展［4］。进入90 年代初期，大功率全控型器件及模块的出现以及相应控制方法的完善，使得轴带发电机系统在电能质量、能耗、体积、自重和控制性能等方面都得到改善和提高。德国西门子公司在十余艘远洋集装箱船上实现在主机速度变化的情况下，轴带发电机系统向船舶电网提供恒频、恒压的三相交流电源，从而解决了轴带发电机可以和柴油发电机组并联运行的问题［5］。90年代后期，DSP（数字信号处理器）的广泛应用和PWM（脉宽调制）技术的迅速提高，使得大功率有源逆变控制取得很大进步，使其在船舶轴带发电系统得到应用。21世纪，随着风电技术迅速发展，双馈发电系统和技术在船舶轴带发电系统中得到广泛应用［6］。

2 船舶轴带发电机的技术方案

目前采用的船用轴带发电机，根据螺旋桨的形式，大致可以分成以下两种类型：

一类为变距桨船舶的轴带发电机。它通过变距桨调节的方式使主机转速和转向不变，因此可以采用一般的三相交流同步发电机组。

另一类为定距桨船舶的轴带发电机。其主机转速是变化的，经常采用的是带转速补偿装置或频率补偿装置的船用交流发电机组。这类轴带系统具体也分为两种不同的结构型式： 一种是采用齿轮箱等机械装置提供稳定转速的永磁同步轴带发电机（SG）系统［7］，其结构如图1所示。另一种是通过采用变频器调节补偿得到恒频稳压交流电。将转速变化的轴带发电机发出的交流电经变频器整流并逆变后，形成电压与频率均基本恒定的交流电。这种轴带发电机的有效转速在额定值的60%以上时，均能保持恒定功率输出。由于早期变频器不能对系统所需的无功功率进行调节，因此需增加一台同步调相机提供无功功率。另外，为了改善轴带发电机在运行时其谐波对供电质量的影响，需要增加滤波装置。随着四象限变频器和双馈电机的出现，使得对系统的无功功率调节及轴带发电机与电网之间进行能量回馈成为可能，从而省却同步调相机、降低轴带发电系统成本，并使系统运行更加稳定［8］。有刷双馈轴带发电机系统结构如图2所示。

图1 基于齿轮箱变速及永磁同步轴带发电系统结构

图2 有刷双馈轴带发电机系统结构

随着电机控制技术的发展，许多学者和技术人员先后研制出不同种类有刷双馈船用轴带发电机，并且把一些先进的电机控制方法和技术应用到轴带发电系统中。如矢量控制方法和PWM控制技术已经可以很好地应用到轴带发电系统［9］。双馈发电机能量流动方式通过对转子控制绕组励磁电流和频率的调节，实现发电机在“次同步”和“超同步”的不同运行状态下的能量流转换，见图3。近年来，针对有刷双馈发电机转子滑环与电刷之间易产生火花，从而灼伤滑环表面并引起故障的现象，提出一种无刷双馈电机轴带发电机方案（见图4）［10］：它与有刷双馈和串调系统相比，去除了电刷和滑环，采用定子侧设立控制绕组和功率绕组，并通过电磁耦合与转子绕组建立励磁控制和功率传递关系，实现发电机在变速运行下的恒频恒压电力输出，从而降低发电故障率，提高系统运行的可靠性。

图3 不同状态运行下双馈轴带发电机的能量流示意图

图4 无刷双馈船用轴带发电机系统结构

3 船舶轴带发电机的经济性分析

在船舶航运成本中，燃料费用成本占较大比重（约为总成本的50%～60%）。船舶主机多采用价格较低的重油作为主要燃料，而轻质柴油的价格比较高（约是重油的一倍左右）。船用轴带发电机的转轴连接于船桨动力装置上，将主机的部分冗余功率转化为驱动轴带发电机发电的机械能，用重油替代部分轻质柴油发电结构，大大降低了船舶航行的发电成本。由于提高运营经济性始终是船舶制造者和运营者共同追求的目标，因此在选用主推进装置功率时考虑到海况、船况、柴油机安全等问题，需留有功率储备余量，一般为额定功率的10%～15%。另外，主柴油机在低于75%～85%额定功率时，其经济性将会下降。

船用轴带发电机充分利用船舶主机所储备的冗余功率实现节能目的，使得船舶主机既能正常运行，同时又能带动轴带发电机发电以满足船舶正常航行的电力需要，从而提高船舶整体运行的经济性。此外，由于主机使用船用重油作为燃料油，而且燃油消耗率比发电用中速柴油机低30～50 g/kWh， 如果采用船用轴带发电机发电用于航行，可使发电能耗的费用降低15%～20%， 从而减少船上燃油存量及润滑，减少船上主电站柴油机维护保养的成本费用，并可大大降低发电噪声、改善机舱环境。

目前，随着国际燃油价格的不断剧烈震荡，以及国际海事组织（IMO）对排放（尤其是对NOx， SOx的排放）提出了严格要求，迫使船舶营运者、制造商和生产商想方设法采取各种措施提高船舶营运中的经济效益，同时减小船舶的碳排量，其中作为船舶电站节能减排产品之一的船舶轴带发电机的应用正逐步被国际船舶航运界认可。它能够使船舶在航行中更加体现高效、节能、环保和低排放的优点［11］。

4 轴带发电机系统应用实例

青岛北海船舶重工有限责任公司在2012年承接了阿联酋E-SHIP公司委建的两艘18万载重吨散货船订单，两艘船都加装了船舶主动力推进装置的轴带发电机系统［12］。首制船于2014 年8月份交付船东（该船在建造船厂的船体编号为：BC18.0-50），第2艘船也于2014年底前成功交付。这两艘船的主动力推进装置使用MAN B & W的6G70MEC9.2 Part Load-EGR超长冲程低速柴油机。SMCR：15 536 kW，73.9 r/min；CSR：12 356 kW，70 r/min；设计油耗： 157.2 g/kW·h （CSR状态）。轴带发电机系统采用德国SAM Electronics公司具有PWM技术的产品，相关技术参数如表1所示。

该SAM轴带发电机系统具有高效经济、输出电能物理量平稳高质的优点，提供无功电量无需任何同步补偿器，采用全数字化控制系统。轴带发电机系统设计合理紧凑、安装方便，发电机转子为抱轴式连接，便于操作和维修。SAM轴带发电机系统在螺旋桨轴的安装如图5所示。

表1 SAM轴带发电机系统技术参数

图5 SAM轴带发电机和在螺旋桨轴端的安装示意图

SAM 公司生产的抱轴式轴带发电机系统，其螺旋桨轴的一段作为发电机的转子，通过脉冲宽度调制逆变器技术，当主机转速在一定范围内发生变化时都能保证发电机的输出电压和频率保持恒定。该轴带机系统还配有电网管理单元（PMS），能与船上电站实现有效的并联运行。该SAM轴带发电机控制系统结构如下页图6 所示。

该轴采用了PWM变频器技术的带发电机系统，由于采用高频脉冲，调制技术和LCR滤波器的有效抑制，使得该发电系统能够较好地消除谐波分量对输出波形的影响，在IGBT逆变器装置的作用下获得更优质正弦波形的输出，如图7所示。

图6 SAM轴带发电机控制系统结构

图7 轴带发电机系统的输出电压、电流和PWM脉冲波形

该轴带机系统在海试过程中能够独立承载船舶在正常航行状态时的用电负荷，除在额定功率条件下完成试车的全部要求外，还完成了15 min 110%额定负荷的超负荷试验，均取得较好的效果。系统的经济性得到有效验证，除一次性投资成本外，轴带机系统的优点也十分明显。在试航过程中，主电站在ISO工况下机组（单台）的耗油量为：203.5 g/kW·h，而采用轴带机组在ISO工况下其单位耗油量仅为：160.2 g/kW·h，如在大洋中航行，粗略计算每天可实际节约燃油1 t左右（这还不包括滑油的节约）。在当今各船公司都在从燃油成本中找效益的情况下，采用轴带机系统这一项就会给航运公司带来提高收益的契机，增加其市场竞争力。此外，由于使用轴带发电机替代主电站系统的使用，缩短船舶辅机柴油机的使用时间，减少了维修费用和备件的采购数量，进一步压缩了成本支出，为船东长期经济效益的创收提升了空间；同时也改善机舱的工作条件，减少相关排放量，提高节能减排的效率，从而提升了船舶运行的环保等级［13］。

对于船舶公司而言，选择船用轴带发电机系统或许也有以下不利因素：首先，该系统的应用增加了一次性投资成本；其次，轴带发电机系统既有和主机的连带影响，也给自身系统的维修增加了相应的难度；第三，轴带发电机系统作为电气设备与主电站相比，因其控制的基础受主动力装置的限制，机电融合控制的复杂度升高，可能会使维修和人力成本有所增加。不过，采用轴带发电机系统总体而言利远大于弊，航运能耗成本将大幅减少，并且对环境、节能减排等方面都大有益处。

5 船舶轴带发电机的发展趋势

日本于上世纪90年代末建造了一艘装有大型的轴带发电机装置的4 000箱集装箱船（丹麦船东）。其主机为低速柴油机，轴带发电机设在主机曲轴前端， 底座与主机座相连，功率为3.5 MW，供船舶和近500箱冷藏集装箱用电，使用转速范围在主机78～110 r/min 之间。当输入转速降到50 r/min时，该轴带发电机仍可使用，此时的功率已降至2 000 kW左右，但初转速不能低于78 r/min， 否则不能接上船舶电站网。该轴带发电机还可作电动机用， 从电网供电作为推进助力［14］。最近，北海重工为阿联酋E-SHIP公司打造的2艘海峡型远洋散装运输船，应船东要求对新造船加装轴带发电机系统，这显然是船东经利弊权衡后的选择，这或许是我们重新关注轴带发电机系统应用的信号。从市场经营的角度出发，国际航运界对此类轴带发电机系统产品的逐渐认可程度，应该引起我们足够的重视。显然，目前针对固定浆船舶采用轴带发电机的应用和传统船舶发电方式的研究已势在必行，逐渐发展和完善起来的主轴带发电机系统因其固有的优点，在船舶上获得越来越广泛的使用，尤其能满足新一代集装箱船日益增长的经济供电要求和大型船舶在运行中对电力的需求。轴带发电机在大中型集装箱船上具有美好的前景，对造船及航海事业的发展也具有重大意义［15］。

我国船舶工业已被列入振兴装备制造业的发展重点。据近期统计，世界船市中，不论是交船、承接和手持订单指标，我国都已超越日、韩等国，名列前茅。但“如何由大变强，全面提升造船技术等级和装备的节能高效、绿色环保水平，从而成为造船强国”，更值得我们思考。这对船舶轴带发电机应用领域来说既是机遇、也是挑战，并预示未来的美好前景。

6 结 论

本文回顾了船舶轴带发电机的发展历程，详细分析轴带发电机发展的各个阶段其结构和工作原理，并按轴带发电机分类分析各类轴带发电系统的技术方案给出相应技术特点。从船舶运营的经济性出发，对船舶轴带发电系统节能减排效果进行评估并给出相关结论。文中所阐述的轴带发电机技术方案和相关分析结论对船舶运营和制造商在选择船舶轴带发电系统时具有一定的借鉴作用。

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［中图分类号］U665.11

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0109-06

［收稿日期］2014-11-24；［修回日期］2014-12-22

［作者简介］王炳义（1955-），男，高级工程师，研究方向：公司造船市场经营和技术的管理。

Application and development of ship shaft generator

WANG Bing-yi

(Qingdao Beihai Shipbuilding Heavy Industry Co.Ltd, Qingdao 266520, China)

Abstract：Based on the characteristics of ocean shipping vessels and large vessels， this paper analyzes the application of ship shaft generators as the composition system of the marine power plant， and discusses its technical solutions at different stages. It also analyzes its economy and energy-saving and emission reduction effect， and evaluates its application by a practical installation case. In terms of economy， it forecasts the development trend of the double-fed shaft generator as the marine auxiliary power stations.

Keywords：ocean-going vessels； shaft generator； double-fed； fi xed pitch propeller； marine power plant