船舶电气节能技术研究

殷宗学，初建树，刘日文，刘玉涛

（中远海运重工有限公司技术研发中心，辽宁大连 116600）

0 引言

传统的船舶节能技术主要涉及3个方面：1）尽量减少船体的各种阻力，增强推进效率，降低主机功率以达到节能的效果，如优化船体型线设计与船型、采用防污涂料减少船体的粗糙度、采用船艉附体（外加鳍、导流管等节能装置）及选用带舵球扭曲节能舵等；2）提高船舶动力装置的效率和传动效率，减少单位输出功率的能耗，通过节约燃料达到节能的目的，如通过优化船、机、桨的匹配，优选低转速、长冲程主机，采用大直径低转速的螺旋桨、新型高效螺旋桨，优选螺旋桨与船壳相对最佳安装位置，利用主机废气余热（加装废热回收装置）等；3）通过实船测试或计算机技术找出最佳配载方案或最佳纵倾、船舶经济航速（减速航行）、主机降额输出和优化航线等达到减少能耗的目的。除此传统节能技术外，如何进一步来提高船舶能效呢？随着船舶电气设备、自动化技术和智能化技术的不断发展，电气系统同样也可以在节能领域发挥作用[1-4]。

1 优选发电装置的节能技术

船舶电站的能耗在整个船舶动力装置中占有一定的份额，为此，应合理地使用发电机，尽量避免柴油机在低负荷下运行，以提高柴油机的运行经济性。另外，可采取补偿装置以提高船舶电力系统的功率因数，进而提高可用功率、减小发电机总容量。

1.1 采用频率补偿装置的轴带发电机

轴带发电机在主机驱动螺旋桨旋转的同时还一并带动发电机运转。由于柴油机在部分负荷时的经济性较差，耗油率增加，当船舶较长时间处于部分负荷时，可采用主机轴带发电机，这样不仅可使主机在效率高的运行区域，提高系统效率，而且有可能减少柴油发电机组的数目和运行时间。轴带发电机也可采用永磁发电机的型式，以提高在低转速时的效率。若在轴带发电机装置中加入频率补偿装置（四象限变频器），则可以实现输出有功和无功功率的单独调节，提高船舶电站系统的功率因素，增加调节的灵活性和动、静态稳定性。此时即使是配置了固定式螺旋桨，在70%～100%主机转速范围内，轴带发电机都可以保证额定功率输出，并可与主柴油机长期并联运行，这样正常情况下就可以节省 1台备用主柴油机的配置，从而减少设备成本。

图1 轴带发电机发电模式示意图

在中大型集装箱船或原油船上，由于主机的装机功率非常大，废气余热回收量也非常大，而燃料中约50%的能量无法用于机械做功，主要以热量的形式被浪费。即使加装普通废气锅炉，利用一部分蒸汽作为其他辅机系统的热能，但因船上本身蒸汽热量消耗不大，所以大量废气余热就被浪费。如果增加蒸汽的产量并将蒸汽的热能转化为电能，废气流中损失的能量减少，就可更高效地利用燃料。

如图2所示，利用回收的主机废气产生蒸汽，驱动蒸汽透平发电机组（有时部分废气直接驱动废气透平，其通过1个减速齿轮箱驱动透平发电机组）。正常航行时，只需使用透平发电机为全船设备输送电力，充分利用了废气、废热，提高了主机效率，而且还可以减少 1台主柴油发电机的配置。使用废热回收系统一般可回收 10%的主机输出功率，由于燃料成本的上涨，加装废气回收系统具有一定的经济性，据测算，主机输出功率达到20 MW及以上的船使用废热回收系统的经济性较好。

图2 透平发电机组系统组成示意图

如果再和轴带发电机PTI（power take in，功率输入）配合使用，即轴带发电机作为 1台推进电机，电源由主柴油发电机提供，在主机故障时可作为主推的替代动力实现船舶安全返港的功能。另外，由于轴带发电机与配电板之间加装了变频器，当船舶停靠码头使用中压岸电系统时，无论岸电是什么频率，都可灵活地进行岸电连接，可以兼容全球任何国家的电制，轻松停靠任何国家的港口。

1.2 采用透平发电机

如果搭配使用轴带发电机（见图3），在主机低速航行时，船舶的耗电超出可从废热中回收的电量时，轴带发电机将向船舶的主电网供电。另一方面，当透平发电机的电足够多时，可以向轴带发电机供电，此时轴带发电机作为轴带电机与主机联合推进，为船舶提供航行动力。这种方式尤其适用于季节性或偶尔极地航行的船舶，通过助力主推进器，可使用原动力和尺寸均较小的柴油主机，即可在无需增加柴油主机功率的情况下达到冰级航行要求的额外推进力。

图3 轴带发电机电动模式示意图

2 优选配电系统节能技术

电力推进船舶在操纵灵活性、可靠性和效率等方面比传统船舶更有优势。电力推进船舶的电站功率大，运用现代新技术可挖掘节省燃油和运营成本的潜力，达到节能的目的。

2.1 采用混合电力推进

混合电力推进系统使用直流电网加储能装置，一般由可变速柴油机、直流电网、整流器、逆变器和能量存储单元等设备组成，如图4所示。

图4 直流电网系统图

一般恒速运行的柴油发电机组最佳效率点出现在约 85%额定功率时，但工程类船舶柴油发电机组更多情况下是在低负荷下长期运行，其燃油消耗率较大、经济性较差。如果柴油机发电机组能够变速运行，使最优效率运行点可以根据船舶不同工况下的电站负载率进行设定，在低负荷时通过改变柴油发电机组的转速使原动机尽量工作在最佳运行条件下，这样原动机获得最高效率，就能使燃油消耗量降到最低。从图5可看出：在低负荷时，可变转速燃油消耗率明显较低，整个系统的综合能效可以提高 20%左右。国外在平台供应船（如“Dina Star”号，98 m长，4 800总吨）及短程渡船等项目上已有直流配电系统的应用。

图5 定速与变速柴油机燃油消耗率曲线图

另外，可将蓄电池或超级电容连接到直流电网，它们在低负荷下进行充电，对电力需求起到削峰填谷的作用。在实际动力定位（dynamic positioning，DP）应用中，由于海况变化比较突然，导致负载变化幅度大、速度快，发电机不可能频繁增减，使用蓄电池或超级电容向负载供电，可保持柴油机负载平稳，电力需求突变将变得顺滑，从而可降低电站的峰值功率，使其始终保持在最佳运行点附近。同时，这种方法可有效限制供电网络功率的扰动，如此降低功率峰值可以消除备用发电机的起动并网运行。另外，柴油机快速加载和卸载会对柴油机燃烧过程产生不利影响，通过减少加载和卸载的次数也能显著降低油耗、减少维护，从而大大提高燃油经济性和电网可靠性。

镇扬新汽渡船3011轮为我国首艘混合电力推进民用船舶，在渡船进行装车作业时，该船的发动机不工作，而是靠超级电容放电提供动力，从而实现了零排放。新渡船在航行中，其超级电容会结合变速技术，使能源消耗始终处于最佳的耗油点上，可达到节能减排的目的。根据相关测算，新渡船可比传统渡船节能15%左右。改进系统还有利于将太阳能面板、燃料电池等辅助直流能源简单地集成到船舶直流电力系统中，为进一步节省燃油创造可能，也为新能源为基础的船舶应用开辟一条新途径。

2.2 采用母排闭环技术

带DP功能的海工船舶对DP冗余性有一定要求，整个系统的总功率容量配置是按照最恶劣海况条件下即使失效一组还要保持原先的定位能力来确定的，这意味着电站的总功率必须保有一定余量，所以其装机总功率较大。但大多数时候的海况比较好，推进器的输出功率比较低，总装机功率大大高于平均负荷所需的功率，所以整个系统的使用率非常低，大概仅占40%额定功率。如果采用母排闭环技术，就可以优化传统的DP船分开母排运行的模式，减少在网发电机的运行台数。现代新技术不仅可以保证与传统技术相同的操作安全等级，而且可使发电机运行在最佳效率点，从而提高了设备利用率、减少了燃料消耗、减少了设备运行时间并间接地减少了维护成本。

因此，大部分时间处于动力定位、待机等工况下的船舶，其节油的潜力较高。根据国外厂家的研究资料显示：采用母排闭环技术可以减少 35%的氮氧化物（NOx）和 11%的二氧化碳（CO2）排放，节省 9%的燃料，减少 33%的发电机运行时间。此技术目前已在一些项目上实船交付使用。

3 选用高效节能设备和技术

3.1 采用超高效节能IE3电机

船上绝大多数负载都是电机类负载，其在船舶运行过程中大都会处于连续工作状态，因此消耗了船上大约85%的电能。从图6能效曲线可看出：采用高能效等级的IE3电机在IE2的基础上可减少15%～20%左右的损耗，如果每个电机能效都比之前提高一点，那么所有设备在整个航程中累计的能源节省量将是非常巨大的。选用高效节能电机后，不仅节能效果非常明显，而且将大幅降低能源损耗，甚至船上整个发电机的容量也将减小，这又进一步节约了设备成本。

图6 电机各种能效效率曲线图

3.2 采用LED节能灯

LED即半导体发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED灯以高亮度白色发光二极管为发光源，比普通节能灯更安全、环保。根据LED发光的原理可知：LED灯发热量不高，把电能量尽可能地转化成了光能。而普通的灯（如白炽灯）发热量大，把许多电能转化成了热能，能量被白白浪费。

对比表1中各种光源的性能，可知：LED照明具有低损耗、低能耗、光效高和寿命长等特点。目前，国内外灯具厂家都能提供各种安装形式的LED照明灯具（包括航行/信号灯），如果全船都使用LED灯，那么不仅可以大大减少电力消耗，还可能进一步减少通用变压器的选型容量。

如果配合使用红外线传感器，可在生活区走道等公共区实现照明自动控制，进一步实现节能。当这些区域内有船员活动时，此处的照明将会自动点亮；当船员离开时，经过一定的延时（时间可调）后，该区域照明也会自动关闭。

表1 不同种类的光源对比表

3.3 采用变频技术

1）变频调速应用

由公式（1）可知：泵或风机类辅机的功率P与其体积流量Q和压头?Δp紧密相关。船上辅机泵或风机系统的额定功率往往都是按照船舶最大工况下的最大流量需求及冗余等因素进行设计的，所以设备总功率非常大，系统运行后的耗电量相当于或接近于额定功率的最大值。

泵或风机通常使用闸阀或挡板改变管路特性曲线，以此来调节流量需求。减小流量的同时增大了阻力，所以输入功率降低有限，造成大量的能源损耗。在实际运行工况（通常无需连续满载运行）下，很少出现如此大的流量需求。对于长期处于低效工况下运行的大容量泵或风机，很容易出现系统匹配性能不优越等问题，这就无端造成了大量电力损耗。

机舱通风、中央冷却等系统都会长时间连续工作，并且用电量大，而且这些系统的运行都会随着船舶航行的实际情况、热负荷的状况、季节和外部温度的变化而变化。以变频调速的方法适时调节风量/流量，是一种既方便又节能的好方法。

2）变频节能原理

泵和风机类负载具有二次方律负载特性，转速 n与流量Q、扬程H和功率P之间的关系如公式（2）所示。

从式（2）可以看出：流量和压力分别与转速的一次方和二次方成比例，输入功率与转速的三次方成比例，利用变频调速的方式对流量进行动态控制，由调速控制代替节流控制，将大大降低功率损耗，从而达到节能效果。从图7可看出：泵或风机在速度降到额定转速的50%时，其功率只有15%左右，调速节能效果非常明显。

另外，只有当恒速电机的功率达到额定点时，才能高效地运转，如果没有达到额定点，其功效将大打折扣。如果采用变频调速的方式，变频泵或风机的特性曲线在运行中就会出现平移的情况，可使泵或风机始终处于效率比较高的最佳运行点上，使系统运行更佳优越。

图7 泵或风机转速与功率曲线图

泵和风机的变频调速利用的是异步电机的同步转速随频率正比变化的特性，通过改变电机的供电频率进行调速。变频调速原理基础是：频率变化时，必须保持其磁通不变，即保持U/f=常数的电压频率比控制，如图8所示。U/f控制是变频器的基本控制方式，由于其控制简单，以节能为主要目的船用变频调速已得到广泛的应用。

图8 U/f控制曲线图

3.4 采用智能技术

在大数据时代背景下，具有自主感知、认知、预测和决策能力的智能船舶是未来发展的必然趋势，它由多种关键子系统组成，以保证船舶的航行安全、效率以及经济性。其中，智能机舱主要对主机性能进行监测，通过船岸通信可实现无缝显示、远程操作，并提供维护建议，其提高了可用性、减少了停机时间、延长了维护间隔或主动提前维修，并能分析和报告运营模式下的燃料消耗情况，另外，系统还具有实时咨询功能，可提升操作性能、降低能耗。智能能效管理系统通过采集和处理耗能设备的功率、压力、温度、燃料消耗、主机轴功率和船舶状态等参数数据，提供能耗设备工况监测、航行状态信息监测、统计报表等功能，通过分析处理船舶硬件设备终端输出数据，实现船岸能效数据的在线监控、船舶能耗分布分析、船舶能效分析，为船舶提供数据评估分析结果和辅助决策建议，以及航速优化、基于纵倾优化的最佳配载等解决方案，实现船舶能效实时监控、智能评估及优化，从而不断提高船舶能效管理水平。智能航行系统能控制船舶航速和跟踪航程，与推进器配合，可对外部环境进行适应性响应，确保行为优化和效率优化，其节能效果更佳。

4 结束语

除上述船舶本身的节能技术外，船舶运营管理和设备维护节能也是船舶节能技术中不可或缺的环节。使用节能技术的船舶比传统船舶更具有成本竞争优势，也有利于减少排放并赢得环境效益。但所有节能技术的应用不能一概而论，需根据船舶实际功能、具体航线和运行工况，运用系统工程方法，综合利用和选择合适的节能方式，同时应提前评估节能配置方案的投资回报率，才能使节能效果达到最佳。当前，新技术的发展非常迅速，相信会有更多的新技术促进节能技术发展，只有不断学习，才能进一步节省能源、保护环境。