超大型集装箱船电站功率系统构成

傅晓红，夏 骏，周祎隆

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

能源问题和环境问题是当今人类面临的共同问题。当前航运业承担了全球近90%的货物运输，集装箱船作为目前三大主流船型之一，其温室气体排放量在所有船型中占比较高[1]。近年来，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）对船舶节能减排的要求越来越严苛，减少废气排放、降低燃油成本已成为绿色船舶设计的核心理念。为降低燃油成本，除了在线型优化、螺旋桨设计优化、主辅机选型优化和节能装置的应用上提高船舶的能效以外[3]，还可在动力及电站设计方面采取很多措施。例如，许多航运公司采取减速航行的措施，在主机设计的常用输出功率点不能充分利用的情况下，为主机配置轴带发电机，以提高经济性和减少设备磨耗与保养[4]；通过回收主机的废热来发电，配置蒸汽透平发电机、废气增压发电机和有机工质发电机；利用废热回收发电机给轴带电动机供电，在船舶航行时进行助推。不同船型根据自身特点选择1种或多种方式，以达到节约燃油成本、减少废气排放的目的。

1 超大型集装箱船常规电站架构

超大型集装箱船电站系统最为普遍的配置是4台柴油发电机，根据各船的特点，采用4台等容量的柴油发电机或两大两小的配置方式[5]。这种配置方式最简洁，对电站管理系统的功能要求最低，按常规设置即可。各工况下发电机组的投入情况根据负载来决定，操作简单，易于控制；缺点是柴油机装机容量大，燃油消耗量大。

表1为某型18000TEU集装箱船在各工况下发电机组投入情况。从表1中可看出：在不带冷箱航行工况下，仅用1台发电机组就能满足全船日用负载的需求；在带冷箱航行工况下，需3台发电机组同时投入工作，不同工况下负载的变化幅度明显。

2 组合动力电站构成及分析

近年来，随着船用重质燃油的价格逐渐上涨，船舶燃料费用占营运成本的比例越来越大[6]。同时，陆续出台的各种限制船舶废气排放的强制性国际公约和排放控制区[7]既要求减少氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和煤尘等悬浮物，又要求减少二氧化碳（CO2）。这些都迫使对船舶电站系统的设计进行改进和优化。

目前，组成电站的发电机组主要有柴油发电机、轴带发电机、蒸汽透平发电机和废气增压发电机等4类。

1) 柴油发电机的配置根据船舶在不同工况下运营时全船的负载确定，与主机功率和载运的冷藏集装箱的数量有关。

2) 在超大型集装箱船上，轴带发电机的配置往往出现在大主机、低航速的配置中，在航运公司运力过剩的大背景下，采取减速航行加轴带发电机的配置能有效降低主机的燃油消耗。此时主机可在高负荷区运转，因此可获得较高的燃油效率；同时，作为低速柴油机的主机的热效率要比中速柴油机高。在船舶正常航行时，若不带冷藏集装箱或冷藏集装箱的数量较少，只使用轴带发电机就可满足全船用电负荷的需求，因此不需要使用其他的柴油发电机，可减少柴油发电机的能耗，而主机的能耗增加有限。在这种配置中，可将轴带发电机兼作轴带电动机（Power Take In, PTI）使用，利用主机废热回收发电的电能驱动PTI，将其作为主推进助推电机使用，提高船舶的航速。

蒸汽透平发电机在主机稳定运行时（主机负荷超过约35%）可投入使用，而废气增压发电机只有在主机负荷超过约 50%时才能正常工作。根据低速主机机型及相应的技术参数，对 18000TEU集装箱船的电站组成进行重构（见图1），其中采用4种发电机，分别为柴油发电机、轴带发电机、废气增压发电机和蒸汽透平发电机。

图1 组合动力电站构成

3 组合动力电站功率管理系统

对于大型集装箱船来说，传统的电站配置一般是配置4台柴油发电机组，根据各工况（航行、进出港、装卸货和停泊）的需求及船舶是否携带冷藏集装箱进行多台机组的组合，以保证船舶正常运营时的电力需求。

引入轴带发电机、蒸汽透平发电机和废气增压发电机的配置之后，由于不同种类发电机的特性不同，传统电站管理系统的逻辑设计发生了变化。

船舶进出港时均采用柴油发电机组，待驶出港口之后，航速增大，当主机的负荷率达到蒸汽透平发电机工作需求时，优先启动蒸汽透平发电机，根据全船负荷的需求，退出1台或更多的柴油发电机组；若航速进一步增大，主机负荷进一步增加，此时可启动废气增压发电机，从而进一步减少柴油发电机组承担的负荷，提高主机的能源利用率。

在全船负载减少的情况下，功率管理系统优先减少柴油发电机组的负荷，由蒸汽透平发电机和废气增压发电机来承担负载，以达到提高能源利用率的目的。图2为组合动力电站功率管理系统的控制逻辑示意。

图2 组合动力电站功率管理系统的控制逻辑示意

以18000TEU集装箱船为例，对航行工况下电站的配置情况进行比较结果，见表2和表3。

表2 组合动力电站

表3 柴油发电机组成的电站

由表2和表3可知：在不带冷藏集装箱航行时，常规柴油发电机组电站配置中需投入1台柴油发电机，而组合动力电站无须投入柴油发电机；在带冷藏集装箱航行时，前者仅投入1台柴油发电机，后者需投入3台柴油发电机。在这2种工况下，主机负荷均在90%左右，可见组合动力电站的优势更明显。

由于蒸汽透平发电机、废气增压发电机和轴带发电机在主机负荷率很低时无法投入运行（在主机转速不稳定的情况下，轴带发电机作为主电站存在导致全船失电的风险），因而在进出港、装卸货和停泊状态下，还需依赖常规的柴油发电机组，还需按常规要求配置相应数量的柴油发电机组。但是，对于大型集装箱船来说，其特点是定点、定班次，航行时间较长，靠码头卸货时间较短[8]，因此燃油消耗量很大，控制燃油费已成为航运公司在成本控制方面的首要任务。此时若采用轴带发电机、蒸汽透平发电机或废气增压发电机，燃油消耗量均能明显降低，NOx、SOx和 CO2的排放必然随之大大减少，更符合绿色、节能和环保的船舶设计理念。

4 结 语

通过上述研究可知，蒸汽透平发电机和废气增压发电机及PTO/PTI技术在提高能效方面的作用是相当可观的，此类技术在船上的应用要求电站功率管理系统的逻辑设计发生重大变化，将优先利用蒸汽透平发电机和废气增压发电机的理念植入组合动力电站管理系统的设计理念中。但是，废热回收及透平系统的投入会增加船舶建造阶段的初期投资，这也是一个客观因素。近年来，随着液化天然气价格的走低及以柴油和液化天然气为燃料的双燃料发电机组技术的发展，由双燃料发电机组取代柴油发电机组构成的全船电站系统逐步被船东接受，日后可能会成为一种常规的选择。