21万t双燃料散货船轴带发电机容量研究

严 昆

（新世纪船舶设计研发（上海）有限公司，上海 201203）

0 引 言

21 万t散货船是运输铁矿石的主力船型，目前航运业对其新造船的环保要求很高，出于降低氮氧化合物和硫氧化合物排放考虑，此类新造船的燃料采用燃油与天然气组合的方式（以下简称双燃料）。为减少柴油发电机油耗和维修工作量，轴带发电机可作为船舶电站的主要选择之一。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）对新造船提出了船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）的要求，并分3 个阶段实施，轴带发电机（以下简称轴发）使用主机富余功率可有效降低EEDI数值，近年来大型散货船采用轴发作为电站的情况开始增多。船舶电站容量计算是电气设计中最重要的一项基础工作，直接影响到船舶的安全性、运行的经济指标和电气设备成本。正确选择双燃料船舶的轴发容量至关重要，需引起重视。本文以江苏某船厂开发的21 万t双燃料散货船为例，对其轴发容量进行研究。

1 轴发容量影响因素

该散货船的主机和锅炉均为双燃料设备，比较1 000 ～1 300 kW范围内低速轴发（含变频器）与柴油发电机组和双燃料发电机组的价格可知：单台永磁轴发的价格是同功率单台柴油发电机组的2 ～3 倍，是同容量单台双燃料发电机组的1.1 ～1.3 倍。综合考虑成本和EEDI，并与船东协商，该船配置的电站为1 台轴发和2 台柴油发电机组。轴发在航行工况下使用，其容量需满足船舶正常航行时负载的使用需求，轴发能与柴油发电机并车。除了供电特征以外，还需注意轴发的能量源是主机推进产生的富余功率。具体来讲，在计算轴发容量时，需考虑以下因素：

1）轴发的容量能满足船舶负载的使用需求，特别是船舶正常航行工况下电力负荷的需求。船舶电力负荷计算方法主要有需要系数法和三类负载法2 种，船舶海洋工程主要运用需要系数法，本文所述散货船即采用该计算方法。

2）轴发的电能依靠主推进装置转动得到，其容量与主机转速有关，必须考虑轴发与主机功率配合问题。由主机侧机械能到主配电板侧电能，中间的能量转化存在效率损失；不同型式轴发的效率损失差异较大。

3）大型散货船存在低速航行工况，轴发必须能提供一个经济功率点满足该工况下全船负载的用电需求。

2 电力负荷计算

船舶电力负荷是指不同工况下船上所有运行用电设备的负荷值，在进行完整的电力负荷计算时，需对全船全系统的设备功率进行收集并作适当计算。新开发船型完全按该方法计算不太实际，一方面设备资料不全，另一方面花费的精力过多，可采用相近船型作为基础进行计算。本文所述21 万t双燃料船带轴发项目是新船型项目，目前国内没有已完成的同类型项目可供参考。

2.1 相近船单燃料电力负荷

在选择相近船（单燃料船）的负荷值计算双燃料船的电力负荷时，相近船需满足功能相同（如都是散货船）、载重量相近、主机选定最大持续功率点（Specified Maximum Continuous Rating，SMCR）接近等。该船厂已成功交付多艘21 万t单燃料推进散货船，可将这些船视为相近船，表1 为船型参数对比，相近船的主机和发电机均配有选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）装置。由表1 可知：新开发船与相近船的吨位和船型均相同；散货船航行的负载主要与主机SMCR（Specified Maximum Continuous Rating）有关，这2 种船型的SMCR相近，可参考相近船的电力负荷值。相近船的电力负荷采用需要系数法计算，将全船用电设备分为连续负载和间断负载，计算结果已在试航期间的无人机舱试验中得到验证：在正常航行工况下，全船负载的计算值与试验测量值相比，偏差小于30 kW。表2 为相近船电力负荷。

表1 船型参数对比

表2 相近船电力负荷

相近船安装了用于降低废气含硫量的开式脱硫塔，而新开发的双燃料船采用天然气燃料满足环保要求。SCR工作时主机和发电机采用低硫油，不会同时用到开式脱硫塔。相近船的开式脱硫塔电力负荷（安装功率约为380 kW，其中脱硫海水泵为1 用1 备）大于主机和发电机SCR（安装功率约为28 kW），故在计算时仅选取电力负荷较大的脱硫塔。

2.2 燃气电力负荷和燃油电力负荷

轴发的功率会影响到主机推进功率，电力负荷计算需尽可能准确。研究双燃料船的电力负荷，分为燃油和燃气2 种模式。为简化电力负荷分析，燃气模式为主机和锅炉均燃烧天然气（不考虑燃油与燃气混合的模式）。燃气模式的重要负载是供气系统，根椐设备商提供的信息，供气系统的安装功率为640 kW，比脱硫塔的功率大260 kW，但电力负荷不能如此简单增加，需考虑实际使用系数，以及供气系统的设备原理和使用情况。除了考虑运行中备用泵不用计算以外，还需重点关注供气系统的2 个子系统，即闪蒸气（Boiled Off Gas，BOG）压缩机和氮气系统。

由于不可避免地需进行热交换，液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）储存罐内的液体会蒸发产生BOG。早期采用的BOG处理方式是将其放空或配备再液化装置，现在主要将BOG 升温升压之后供负载使用。通过加热器和压缩机对BOG进行加热加压处理之后，将其送到低压缓冲罐内供给发电机和锅炉负载使用。BOG压缩机的功率较大，考虑到蒸发气受罐内压力控制，并不是一直连续工作的，可计入间断负荷。氮气系统主要在惰舱工况下使用，或在供气系统发生故障之后向管路中充氮起到保护作用，或在管路中的氮气不足时充氮。正常航行工况下很少采用氮气系统充氮，可将其计入间断负荷，与轮机专业商议之后确定使用系数按50%计算。表3 为供气系统在正常航行工况下的负载情况（模式列中C表示连续性负载，I为间断性负载）。燃油模式下的负荷按相近船在IMO排放三阶段下的负载计算，即用相近船电力负荷值减去脱硫塔负载并加上SCR设备负载。在燃油模式下，有部分设备不使用（包括供气系统、双壁管风机、主机密封油泵和气体阀组单元风机等），此时负载功率的计算公式为

表3 供气系统在正常航行工况下的负载情况

在燃气模式下，主机供油单元、燃油驳运泵和锅炉供油泵等停止运行，此时负载功率的计算公式为

式（1）和式（2）中：为燃油模式下的负载功率；为燃气模式下的负载功率；P为每组负载的功率，分别对应后续表4 中的负载序号。

在燃气模式下，电力负荷是在相近船的基础上减去脱硫塔部分再加上供气系统的负载得到的，其中机舱供油系统设备和锅炉供油功率在燃油模式与燃气模式下有所不同，将电力负荷机舱油类设备分为燃油和燃气2 种模式，将锅炉设备分为燃油和燃气2 种模式，由此可得出电力负荷信息（见表4）。

3 轴发额定功率

根椐表4，船舶正常航行时，燃油模式下负载为849 kW，燃气模式下负载为993 kW，轴发的容量需覆盖燃气模式下的负载。发电机使用负荷一般不超过90%，这样轴发到电网侧功率初步定为1 110 kW。在研发本文所述散货船过程中，船东提出船舶正常航行工况下的负荷在85%以内，轴发在电网侧的容量确定为1 200 kW。由于容量较大，轴发的电压选择较高的690 V。

表4 燃油模式和燃气模式下的电力负荷

主机为低速二冲程机型，轴发将直接抱在推进轴上，主机将能量传递到轴上使轴发产生电能。由于该散货船的桨为固定桨，航行时需调节主机转速，这样需通过变频器获得电压和频率稳定的三相交流电。除了配置变频器以外，还考虑配置降压变压器，目的有2 个：

1）大部分厂家的变频器不能直接将电压降到450 V，需额外配置降压变压器；

2）有变压器隔离可有效降低电网中谐波和消除共模电压。

电网侧的功率为1 200 kW，并不表示轴发的容量也为1 200 kW。与常规船舶电站计算不同，从轴发侧发出的电能在到达电网之前还要经过变频器和变压器，这2 个过程存在效率损失，即轴发功率必大于1 200 kW。从发电机效率的角度看，采用低速励磁轴发的效率较低，而采用更高效的永磁轴发可减少功率损失。表5 为国外某永磁轴发包在100%和83%负荷下的传动效率。电网侧需要的轴发输出功率为1 200 kW，经变频器和降压变压器之后总效率约为96%，需要的轴发额定功率为1 250 kW。轴发的输出功率受限于主机，主机功率会受到内部因素和外部因素变化的影响，而这种变化必将影响轴发的输出功率。在总体性文件中明确了设计吃水下的航速要求，通过检查主机SMCR功率得出能提供给轴发的最大功率约为1 100 kW，此时用轴发电网侧额定功率1 200 kW计算显然不满足要求。在与总体专业和船级社讨论之后，认为计算的电力负荷值更接近于实际运行工况，需确保在航行工况下轴发从主机需求的功率小于1 100 kW。航行工况下的实际电力负荷值为993 kW，对应的轴发总效率约为93%，反推出主机侧输出功率为1 068 kW，可满足总体对主机功率的限定。

表5 国外某永磁轴发包在100%和83%负荷下的传动效率

4 轴发经济功率

轴发到电网的额定功率确定为1 200 kW，得出轴发电网侧功率与主机转速关系曲线见图1。轴发一般在70% ～100% SMCR区间内可输出额定功率，对应的主机转速为62.0 ～70.8 r/min，达到额定功率之后，轴发电网侧功率与主机转速关系曲线是一条水平线，不再随着主机转速的增大而变化；起始点设在50 r/min，

输出450 kW的功率。考虑到实际运营过程中的节能需求，船东提出船舶经常会出现低速航行工况，要求轴发在低速时能输出一个经济功率，即当从主机转速为48 r/min时，轴发的输出功率需满足船上负载的使用需求。查阅主机厂家手册，当主机转速为48 r/min时，主机负荷为30% ～35%SMCR，此时船上主要负载会有所减少，但主机低负荷运行会导致其辅助鼓风机工作。经计算，此时燃气模式下电力负荷为1 013 kW，该工况下考虑不超过90%负荷比，需要轴发的输出功率在1 125 kW。若仍按图1 所示曲线，则不能满足要求。通过调整功率曲线（见图2），当主机转速为48 r/min时，轴发电网侧功率达到1 125 kW（轴发功率为1 210 kW），起始功率下调到450 kW（40 r/min）。再次校核发现，当主机转速为48 r/min时，轴发输出功率为1 210 kW，满足主机低速运行时对轴发功率的限定。综上，该散货船的轴发容量参数见表6。

图1 轴发电网侧功率与主机转速关系曲线1

图2 轴发电网侧功率与主机转速关系曲线2

表6 21 万t双燃料散货船轴发容量参数

5 结 语

在环境保护要求日趋严格的背景下，双燃料将是新造船的主要选择之一，而船舶电气的核心是电站容量的确定，电力负荷和主机推进功率是影响轴发容量的2 个关键要素。在进行电力负荷计算时，需理解船舶各系统使用工况，确保计算结算尽可能准确，但不能过于复杂，否则会影响实际操作性。在选择相近船进行差异对比时，建议结合船厂自身设备订货特点，能有相近船试航实测电力负荷为最佳；在评估主机的影响时，需与轮机、总体等专业协商，在保证主机推进功率和航速满足要求的情况下，合理选择不同工况下的轴发功率，满足船东的实际航行需求。在该散货船的详细设计阶段，在各项设备数据完整的情况下进行电力负荷计算，得出正常航行负载值为981 kW，与研发时计算的993 kW非常接近，轴发功率也在总体限定范围内，得到了船级社和船东的认可。随着船舶柴电混合动力需求的增多，结合电池系统削峰填谷的特点，可将电池系统与轴发有效组合使用，这种情况下的轴发容量的确定将是下一步研究的方向。