船舶主要负载电力负荷波动分析及设计优化

蔡笑驰，黄建涛，黄 莹

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前 言

船舶设计中，电气工程师通过电力负荷计算得到不同工况下的电力负荷需求，从而指导电站的选配。 电站的总功率应满足任何工况下的电力负荷总需求。 单台发电机的选配应充分考虑单台发电机对相应设计工况下负载的覆盖；多台发电机组的选配应满足船舶在长期运行工况条件下的电力负荷需求，并避免备用发电机组频繁起停。

船舶电力负荷可以根据设备的起停频率和运行时间分为连续负荷和间歇负荷。 冷却水泵、循环油泵、通风机等设备属于连续负荷，往往处于相对稳定的运行状态，其电力消耗比较固定。空压机、压载泵、起锚机等设备属于间歇性负荷，这些设备的功率比较大，因此它们的起停运行给电站造成较明显的影响。 在做电力负荷计算时通常将负载分为连续负载和间隙负载，通过设定不同的使用系数，计算负载的实际电功率消耗。 对于上述负载的实际运行情况没有准确的反映。

另一方面，船舶设计、建造、营运等各环节存在独立性，船舶营运环节中各设备和系统的运行数据并没有反馈到设计环节。 由于设计过程无法闭环，船舶设计人员难以发现设计上存在的问题，更不能做迭代优化。船舶电力负荷计算也存在类似的情况。计算船舶的电力负荷时，设计人员主要根据经验选取设备使用系数，由于实际的船舶电力负荷情况无法反馈到设计环节，使用系数的选择便无法验证校核，设计方法难以得到优化。 伴随着数字化时代的到来，各设备和系统在船舶营运时产生的结构化数据，例如起停状态、运行状态等，已被采集。 这为船舶设计优化提供了新的手段，即基于数据分析的船舶设计优化方法。 本文聚焦于某散货船的日常电力负荷，通过观察船舶实际运行时的电力负荷数据，总结规律并发现其中不合理的现象。 采用机理与数理相结合的方式定位问题的原因，并采用数据分析的方法定量评估优化方案对电力能源消耗和电站稳定运行的贡献。

图1 某散货船电力负荷曲线

1 某散货船的电力负荷周期性陡增现象

某散货船能源系统配置1 台低速柴油机作为推进能源、3 台柴油发电机组作为电站、1 台由废气锅炉和燃油锅炉组成的组合锅炉作为蒸汽能源。 该船舶通过智能化升级，主要设备和系统的运行数据都经传输和保存，为船舶设备系统运行状态的监测提供了条件。 通过对该船正常航行时柴油发电机总功率的数据进行局部采样，得到图1 所示曲线。

图1a）和b）分别显示了该船在某两天的电力负荷。从两张图中都可以看到：大约每间隔1.5 h，船舶电力负荷产生数分钟的提升，提升幅度约60 kW。这种周期性的冲击负荷导致备车状态柴油发电机的短时起停， 不利于船舶电力系统的日常运行和管理。如果长期出现这种现象，不仅对设备和系统的健康产生不良影响，同时导致能源消耗的增加。 因此，需要通过一定的手段找到这种电力负荷产生周期性陡增的原因。

2 电力负荷周期性陡增原因的分析方法

可采用以下3 种方法进行分析研究：

1）基于设备开关状态的分析方法。根据机理分析可以确定：电力负荷的周期性陡增现象不是由连续性负荷产生的，应是由于间歇性使用的设备在使用时导致的。 因此，可以在间歇性负荷中找到相应的设备开关状态信号，在同一时间段中与电力负荷的变化作比较，观察匹配情况。 如某设备的起动与电力负荷陡增的时间一致，则判断该设备的起停是造成电力负荷周期性大幅波动的原因。 如该设备的起动与电力负荷的波动没有直接关系，则排除相关设备的嫌疑。 基于设备开关状态信号的分析流程如图2 所示。

2）基于专家经验的分析与诊断方法。直觉可以理解为“基于粗略整合信息的快速评估”［1］。 有科学研究表明，“直觉建立在领域内由丰富经验开发出深厚而丰富的知识库”［2］。通过专家的直觉判断定位问题具有科学性。 如图3 所示，本方法要求专家基于专业知识直觉判断潜在因素。 随后，将这些潜在因素与电力负荷的变化作对比。 如两者趋势一致，则判断相应因素造成了电力负荷的变化。 如两者趋势无明显关联，则寻求其他专家给出判断。 重复这一流程，从而获得结果。

图2 基于设备开关状态信号排查的流程

图3 基于专家经验分析诊断的流程

3）基于表征性信号排查方法。船舶各设备系统的运行存在关联性。 举例来看，主机扫气风机、主机冷却水循环泵、 主机燃油供油泵和增压泵等为主推进服务的设备与主机的运行状况密切相关。主机的功率可以表征主机的运行状态， 也能表征这些设备的运行情况。 通过观察主机功率可以直接判断电力负荷的变化是否与上述相关设备有关。 如若主机功率与电力负荷呈现类似的周期性波动，则可以将问题定位到主机相关设备的范畴，从而进行进一步比对定位到具体的问题设备；若主机功率未呈现类似波动， 可以排除相关设备导致电力负荷周期性波动的可能。 如图4 所示，本方法通过筛选并观察具有表征意义的信号确定或排除设备范围。

图4 基于表征信号排查的流程

上述3 种方法各有优劣。方法1）完全忠实于数据： 优点是当信号全面时， 一定可以找到问题的原因；缺点是工作量大，且当船舶不具有关键的用电设备开关状态信号时，该方法将失效。 方法2）从机理的角度出发：优点是解释性强，工作量较小；缺点是需要专家知识作为支撑，人为因素影响较大，且对于一些跨专业问题要从机理分析原因难度较高。 方法3）需要对设备进行系统性归类，并且找出具有表征性的设备参数：优点是可以迅速排除部分原因，逐步聚焦找到目标设备， 而且该方法对于多个设备产生的电负荷波动有很好的排查效果； 缺点是需要有一定的专业知识支撑，且有一定的工作量。3 种方法的优劣比较如表1 所示。 鉴于本项目中并不具备所有的用电设备信号，因此选择方法2）和方法3）相结合的方式作为本案例的分析方法。

表1 3 种方法的多维度比较

3 电力负荷周期性陡增原因的分析结果

根据数据监测分析结果，陡增负荷约为60 kW。船舶机电专家根据该线索列出了导致电力负荷陡增的潜在可能：主机扫气风机、备用辅机（发电机）高温冷却水预加热器、主空压机。 拟将这些设备的运行情况与柴油发电机功率曲线进行对比。

3.1 主机相关设备

为鉴别是否因为主机运行相关的设备导致电力负荷波动，图5展示了某日的主机功率和发电机功率。

图5 2019 年3 月16 日主机功率和柴油发电机功率

由图可见，主机负荷的波动与发动机间歇性的2 h 功率波动没有明显联系。 因此，可以基本排除主机相关的用电设备。

3.2 辅机高温冷却水预加热器

某日， 该船的NO.1 和NO.2 柴油发电机处于备车状态，NO.3 发电机处于持续运行状态。 图6 和图7 分别展示了NO.1 和NO.2 柴油发电机的高温冷却水温度。 由图可见，两台柴油发电机的缸套水温度波动范围均在0.5℃以内，缸套水预加热器并未运行，而柴油发电机总功率仍有规律性波动。 因此判断，柴油发电机总功率的波动并非由辅机缸套水预加热器的运行造成。

图6 2019 年4 月16 日NO.1 辅机缸套水温度和辅机功率

图7 2019 年4 月16 日NO.2 辅机缸套水温度和柴油发电机功率

3.3 主空压机

某日NO.1 主空气瓶压力，如图8 所示，在主空气瓶补气过程中，每隔1.5～2 h，主空气瓶压力由2.98 MPa 下降到2.58 MPa 时，主空压机起动，为空气瓶补气。 每次补气时间约为16 min， 造成了这段时间的电力负荷增加。 发电机负荷呈上升波动。因此可以判断，主空压机的运行造成了柴油发电机的功率波动。

图8 2019 年3 月16 日NO.1 主空气瓶压力和柴油发电机功率

4 基于电力负荷分析的压缩空气系统优化设计

4.1 优化目标和方法

通过数据对比可知，在该散货船上，大功率活塞式空压机的补气动作对船舶的电力负荷产生了间歇性的冲击。出于对船舶运行成本和设备健康的考虑，可对电力负荷制定“节能”和“削峰”两项优化目标。

针对这两项优化目标有如下优化办法：

1） 方法一：降低部分工况下空压机的起动设定压力。 当主机或辅机处于停车或者备车状态时，主空气瓶需具备一定压力以保证设备多次起动的需求。 当主辅机处于运行状态时， 空气瓶的最低保有压力具备适当降低的条件。 降低空压机的起动设定压力后，压缩空气系统管系压降裕度增大，从而有效降低了空压机的起动频率，并提升每次运行的时间。同时，允许压缩空气系统处于更低的压力环境，降低气体泄漏的风险。

2） 方法二：增配功率较低的补气空压机。 增配功率较低的补气空压机，设置补气空压机的起动压力高于主空压机的起动压力。 一般情况下，当空气瓶压力低时，补气空压机为空气瓶充气。 当出现用气量特别大的情况，补气空压机的补气速度不能满足主空气瓶的压降速度，空气瓶压力降至主空压机的起动设定压力时， 主空压机起动为空气瓶充气。该设计方案在实际工程中广泛应用。

3） 方法三：增设日用空气瓶。 将主空气瓶的服务对象拆分，将空气瓶的部分负担转移到日用空气瓶、甲板杂用空气瓶等设备，通过其他空压机为响应的空气瓶补气， 从而可降低主空气瓶的压降速度，延长大功率空压机起动的时间间隔。该设计方案与方法二原理上相似，同样在实际工程中广泛应用。

4） 方法四：采用变频空压机错峰用电。 采用变频空压机，空压机的消耗功率将根据实际工况自动调整。 配合合理的控制逻辑，空压机的补气速率可以综合考虑当前时间的补气需求和用电负荷进行实时调整，从而避免因空压机补气动作而产生的电力负荷的“波峰”状态。

由于方法二在实际的船舶设计中常常被应用，本文重点分析采用该设计方案后压缩空气系统对电力负荷的影响。

4.2 优化结果

从能耗来看，评价空压机的主要指标有比功率和全效率［3］，比功率的计算公式为

式中：ζ 为比功率，kW/（Nm3·h-1）；N 为空压机的实际运行功率，kW；QA为空压机标准状态下的产气量，m3/min。

当额定排气压力一定时，空压机的能耗可以用比功率衡量，即比功率越大其能耗也越大。国际GB/T 12928—2008 对船用中低压活塞空压机给出了指标要求，从该指标可见：公称容积流量越大，对比功率的要求就越高。 因此，额定排气压力相同的空压机，流量较大的空压机相比流量较小的空压机能效更优。

该船配备的空压机额定排气压力为3.0 MPa，自然空气吸气量为292 Nm3/h，额定功率为54 kW。假设空压机的实际运行功率与核定功率相同，则其比功率为0.18 kW/（Nm3/h）。 选用相同品牌相同额定排气压力的补气空压机，自然空气吸气量为60 Nm3/h， 额定功率为12.7 kW， 计算得到比功率为0.21 kW/（Nm3/h）。因此，若单独比较空压机之间的能源效率，采用功率较大的主空压机比采用功率较小的补气空压机能效高。 采用上述补气空压机优化方案，空压机能效损失是14%。

采用补气空压机后，船舶电力负荷的变化可以通过扣除原主空压机功率再叠加补气空压机功率的方式获得。 根据图8 所示的空气瓶压力信号，判断空压机起动处于起动状态的时间戳，在相应的时间戳上扣除主空压机的运行功率， 得到总功率如图9所示。 从图中可以看出，扣除主空压机的运行功率后，周期性的功率飙升峰值均已消失，证明选择压缩空气系统作为优化对象的正确性。

图9 2019 年3 月16 日某散货船柴油发电机组总功率（原始数据vs 扣除空压机功率）

通过图8 中主空压机压力上下限，可得到实际主空压机的起动设定点为2.58 MPa，停止设定点为2.98 MPa。根据实船压缩空气消耗率，补气空压机如采用相同的起停逻辑，可得到图10 所示空气瓶压力变化曲线。 相比原主空压机补气的空气瓶曲线，补气空压机的起停周期增大，且单次运行时间更长。

根据图10 中采用补气空压机后的压缩空气压力曲线，可以得到补气空压机处于运行状态下的时间戳，从而得到采用补气用压机后电力负荷需叠加补气空压机运行功率的时间戳。 叠加补气空压机功率后的柴油发电机总功率如图11 所示。 从图中可以看出，原电力负荷均值约为1 004 kW，采用补气空压机后电力负荷均值上升1.1 kW，相比原负荷上升0.1%。 原发电机功率峰值由1 075 kW 下降到1 060 kW，谷值由948 kW 上升到959 kW，电力负荷波动程度下降21%。 原先因主空压机起动导致的每1.5 h 电力负荷的显著波动已不再明显。

结果表明，从设备个体来看，相比采用主空压机，采用补气空压机的电力消耗高14%。 但从全船电力负荷来看，这部分能效负荷仅仅导致了总负荷0.1%的上升，对于总能耗的影响微乎其微。 然而由于主空压机的起动，柴油发电机短时起停，柴油发电机的油耗在空压机运行期间陡增，将导致船舶总能耗的损失。 另外，相对平稳的电力负荷对柴油发电机组等相关设备健康较友好，有利于降低设备的维护成本。 在本案例中，通过采用补气空压机的优化方案后，电力负荷波动程度下降21%，给船舶电站的运行带来了“削峰填谷”的优化效果,大幅提升船舶的电力负荷特性。 因此，实际的能效评价方式应考虑全船的综合能效和产品的全生命周期成本。

图10 2019 年3 月16 日主空气瓶压力对比图（主空压机与补气空压机）

图11 2019 年3 月16 日发电机总功率对比图（采用主空压机补气与采用补气空压机补气）

5 结 语

本论文探讨了以某散货船电力负荷优化为目标，基于数据监测分析，验证了电力负荷陡增现象是因为主空压机的频繁起动和短时运行产生的。 通过数据计算分析，对采用补气空压机的压缩空气系统设计优化方案进行了研究，并量化了优化设计效果。基于数据的故障分析方法和设计评估方法不仅适用于船舶电力负荷或是压缩空气系统，对于船舶所有专业的各个系统，如有数据样本为支撑，都可以通过数据分析方法开展量化计算，从而优化设计，提升船舶设计能力和水平。