船舶輔機電氣設(shè)備節(jié)能技術(shù)研究

陽世榮 王云鶴 吳團結(jié) 夏偉 曹晨

（中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

1 引言

相對于陸地電網(wǎng)來說，船舶電網(wǎng)是一個獨立的小容量系統(tǒng)[1]，而船舶輔機是船舶電網(wǎng)的主要用電負荷之一。由于船舶所攜能源有限，輔機耗電量過大必然會占用船舶主推進設(shè)備所需的能源份額，影響船舶航行續(xù)航力的提升，從而導致航運成本增加，也不符合國家能源政策中的節(jié)能減排要求。因此，采用節(jié)能技術(shù)，降低輔機能耗，是提升船舶續(xù)航力、降低運營成本的有效途徑，在世界能源形勢日益緊張的今天，意義十分重大。

船舶輔機主要包括泵和風機[2]，一般采用電動機直接驅(qū)動的方式運行，因此電動機及控制裝置等輔機電氣設(shè)備是船舶電網(wǎng)的直接用電負荷，也是節(jié)能技術(shù)的具體應(yīng)用對象。另外，經(jīng)濟節(jié)能還與輔機運行的使用管理模式密切相關(guān)。所以，本文將從電動機、運行控制和使用管理等三個方面對船舶輔機電氣設(shè)備節(jié)能技術(shù)進行分析和闡述。

2 電動機節(jié)能技術(shù)

電動機是輔機運轉(zhuǎn)的動力源，也是船舶電網(wǎng)主要的直接用電負荷，因此電動機效率的高低是節(jié)能與否的直接因素。另外，多數(shù)船舶輔機，如冷卻水泵、主軸滑油泵、通風機、空調(diào)壓縮機等，在整個航行期間均處于連續(xù)運行狀態(tài)，連續(xù)運轉(zhuǎn)的電動機，其效率的改善對降低電機能耗的影響尤為明顯。由于運行時間較長，即使電動機效率只提高一點點，整個航行期間累計節(jié)省的電能也是相當可觀的。

根據(jù)船舶電網(wǎng)電制的不同，目前的船舶輔機電動機包括直流電動機和交流異步電動機兩大類。由于船舶航行工況發(fā)生變化，會引起輔機負載變動或者電網(wǎng)電壓產(chǎn)生變化，從而導致輔機電動機的輸出功率偏離額定功率，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，此時電動機效率急劇降低，電能損耗大大升高。另外，對于交流異步電機而言，其功率因數(shù)一般為0.8左右，當輔機負載降低較多時（如接近空載時），功率因數(shù)也大大降低，導致電網(wǎng)電流的無功分量增大，網(wǎng)損增加；而直流電動機由于存在電刷，運行期間的機械換向會引起電火花，需定期清理或更換電刷，電機維護工作量較大。

近年來發(fā)展迅速的永磁同步電動機，為解決船舶輔機電動機存在的上述問題、提高電動機能效，提供了一條有效的技術(shù)途徑。永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子由永磁體材料構(gòu)成，轉(zhuǎn)子側(cè)無感應(yīng)電流，不存在轉(zhuǎn)子磁滯損耗和渦流損耗[3]，提高了電機效率；由于無需轉(zhuǎn)子勵磁，電機功率因數(shù)可接近于1[3]，減小了定子電流，進一步提高了電機效率，同時也改善了電網(wǎng)品質(zhì)，降低了網(wǎng)損；全功率范圍內(nèi)效率高，即使負載降低到額定負載的25%時，永磁電動機效率仍可達到90%以上。永磁電動機啟動轉(zhuǎn)矩大，可以用較小容量的永磁電機替代較大容量的一般電機，較好的解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象[4]。此外，永磁電動機還具有溫升低、體積小、重量輕的優(yōu)點，并且不存在電刷，維護性好，特別適合作為船舶輔機電動機。隨著稀土永磁材料生產(chǎn)工藝水平的提高和量產(chǎn)成本的下降，永磁電動機以其在高效節(jié)能方面無可比擬的優(yōu)勢，在發(fā)電、冶金、陶瓷、紡織等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。永磁同步電動機作為船舶輔機配套電機的應(yīng)用條件已經(jīng)成熟。

基于永磁同步電動機寬范圍高效率和高功率因數(shù)的優(yōu)點，選用永磁同步電動機，作為船舶輔機的電力驅(qū)動設(shè)備，是提高輔機電氣設(shè)備能效的最直接有效的途徑。

3 運行控制節(jié)能技術(shù)

船舶輔機大多為風機、泵類負載[2]，對于船舶這樣一個中小型管網(wǎng)系統(tǒng)來說，風機、泵的流量需求經(jīng)常隨航行工況的不同而發(fā)生變化。由于船舶輔機的額定功率一般按滿足最大流量需求的原則進行設(shè)計，因此，船舶輔機的流量調(diào)節(jié)大多為向下調(diào)節(jié)。目前，船舶輔機進行流量調(diào)節(jié)時，往往采用截流的方式，即減小出口處風門或閥門的開度，實質(zhì)是通過增加管路阻力來限制流量，此時電動機的轉(zhuǎn)速基本不變，電功率基本不變，大量電能白白浪費在管路損失上。

風機、泵是典型的平方轉(zhuǎn)矩類型負載，其流量q、揚程H、功率p和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系如式（1）所示。

從式（1）可以看出，風機、泵的流量與電動機轉(zhuǎn)速成正比，所消耗的電功率與電動機轉(zhuǎn)速的三次方成正比，且電功率正比于流量與揚程的乘積。因此，在管路特性不變時，采用降低轉(zhuǎn)速的方式來減小流量，能夠取得明顯的節(jié)能效果。

風機、泵采用調(diào)速方式減小流量與截流方式減小流量的對比分析如圖1所示。圖1中，M為閥門全開時的工作點，對應(yīng)轉(zhuǎn)速n、流量qVM、揚程HM和管路特性曲線 I。當采用截流方式減小流量時，由于出口閥門關(guān)小，管路阻力增加，管路特性曲線由I變?yōu)?I'，但是此時的電動機轉(zhuǎn)速n沒有變化，輔機工作特性曲線沒有變化，因此工作點沿著原有的工作特性曲線從M移至A，此時對應(yīng)轉(zhuǎn)速n、流量qVA、揚程HA和管路特性曲線 I'。當采用調(diào)速方式減小同樣的流量時，由于管路特性沒有變化，轉(zhuǎn)速降低，輔機工作特性曲線平行下移，工作點沿著原有的管路特性曲線I由M移至B，此時對應(yīng)轉(zhuǎn)速 n'、流量qVA、揚程HB和管路特性曲線 I。由于風機、泵消耗的電功率正比于流量與揚程的乘積，所以圖1中陰影部分面積HA-A-B-HB表示采用調(diào)速方式減小流量時所節(jié)省的電力。從上述分析可以看出，采用調(diào)速的方式減小流量，尤其是在長期運行的情況下，節(jié)省的電能是相當可觀的。

圖1 調(diào)速方式減小流量與截流方式減小流量的對比

如上文中所述，輔機電動機采用永磁電動機后，由于電機轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速表達式為式（2），且電動機效率不會隨轉(zhuǎn)速降低而降低，更加符合節(jié)能要求。

其中，n為電動機轉(zhuǎn)速，f為供電頻率，p為電機極對數(shù)。由于電機轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比，因此采用變頻的方式對電機轉(zhuǎn)速進行無級調(diào)節(jié)是最佳的調(diào)速方式。隨著大功率電力電子器件發(fā)展日新月異，電動機變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展也日益成熟，為船舶輔機運行的變頻調(diào)速節(jié)能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。另外，由于變頻調(diào)速裝置的輸入電源既可以是交流電也可以是直流電，因此，采用永磁電動機與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成的輔機電力傳動系統(tǒng)可以直接接入船舶電網(wǎng)中，無需改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，降低了改造成本。

采用變頻調(diào)速裝置對船舶輔機的運行轉(zhuǎn)速實施控制，根據(jù)系統(tǒng)的實際流量需求，實時動態(tài)的調(diào)節(jié)輔機轉(zhuǎn)速以控制流量輸出，節(jié)能效果十分明顯。需要說明的是，如式（1）及圖1所示，當轉(zhuǎn)速下降時，風機、泵的揚程隨轉(zhuǎn)速下降呈平方下降關(guān)系，因此，進行調(diào)速節(jié)能時，必須同時考慮揚程是否滿足系統(tǒng)需求，因而調(diào)速范圍不能太大，一般在額定轉(zhuǎn)速70%～100%的范圍之內(nèi)[5]。

4 使用管理中的節(jié)能技術(shù)

目前，船舶輔機的使用管理仍比較粗放，大多僅為投切臺數(shù)的簡單管理，只要求滿足基本的供水、供風等要求，沒有從提高全船電能利用效率的角度對輔機整個運行過程實施最優(yōu)管理。由于輔機的額定功率輸出一般按照滿足系統(tǒng)最大需求的原則進行設(shè)計，并且依據(jù)設(shè)計規(guī)范，還需要保留一定裕量，以保證輔機的長期使用效果。但是，系統(tǒng)實際運行工況往往達不到最大需求，而輔機使用的簡單管理方式無法根據(jù)系統(tǒng)工況的變化實時調(diào)節(jié)輔機能量輸出，因此存在大量的能源浪費現(xiàn)象。所以，采用節(jié)能技術(shù)優(yōu)化全船輔機的運行過程控制，從使用、管理的角度提高輔機運行效率，實現(xiàn)輔機電氣設(shè)備節(jié)能綜合管理，是輔機節(jié)能又一重要技術(shù)途徑。

節(jié)能綜合管理的基本原理為：采用信息技術(shù)獲取系統(tǒng)的實際運行工況參數(shù)及相關(guān)環(huán)境參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)實際工況需求，采用變頻調(diào)速、減載控制等技術(shù)手段實時調(diào)節(jié)輔機的能量輸出，實現(xiàn)能量的按需分配和精細管理，達到節(jié)能增效的目的。節(jié)能綜合管理的主要對象包括船舶航行期間長時間連續(xù)工作的輔機設(shè)備，如冷卻水泵、空調(diào)裝置、通風機組等等。這些設(shè)備工作時間長，其流量供給往往隨航行工況變化而變化，因此實施節(jié)能綜合管理能夠帶來明顯的節(jié)能效果。

在冷卻水泵節(jié)能管理方面，根據(jù)海洋環(huán)境溫度、船舶熱負荷工況狀態(tài)、冷卻水泵出口溫度及壓力等信息，通過實施變頻調(diào)速、冷卻水泵運行臺數(shù)控制等技術(shù)措施實時調(diào)節(jié)冷卻水的供給量，當系統(tǒng)熱負荷較低或外部海水溫度較低、換熱效率較高時，可降低冷卻水供給量，既能滿足系統(tǒng)溫升控制要求，又能最大程度節(jié)約電能。

在空調(diào)裝置節(jié)能管理方面，采用變頻壓縮機及變頻調(diào)速空調(diào)風機，根據(jù)艙室人員分布、艙室溫濕度、外部環(huán)境溫度、冷媒水溫度等信息，在滿足人員需求和艙室環(huán)境要求的前提下，自動調(diào)節(jié)制冷量，實現(xiàn)空調(diào)的經(jīng)濟運行?？照{(diào)裝置是航行期間的能耗大戶，主要是為人員服務(wù)的[6]，當空調(diào)區(qū)域人員減少或者艙室環(huán)境溫度不高的情況下，通過調(diào)速自動減小空調(diào)功率；當空調(diào)區(qū)域無人時，及時關(guān)閉相應(yīng)的空調(diào)制冷，降低空調(diào)能耗。

在通風機組節(jié)能管理方面，根據(jù)艙室大氣成分含量、大氣溫濕度、空氣壓力等信息，并結(jié)合航行工況狀態(tài)，采用變頻調(diào)速方式實時調(diào)節(jié)風機供風量。當大氣環(huán)境質(zhì)量較好，可降低電機轉(zhuǎn)速以減少風量供給，既節(jié)約了電能也降低了通風噪聲。

節(jié)能管理側(cè)重于運行過程的優(yōu)化控制與管理，重點在于如何使輔機流量供給與系統(tǒng)實際需求實現(xiàn)經(jīng)濟匹配。通過節(jié)能管理，使得輔機流量輸出同步跟蹤實際需求變化，以滿足需求為前提進行按需供應(yīng)，基本實現(xiàn)不滯后、不多給、不少給，從而達到節(jié)能降耗的目的。

5 結(jié)論

船舶輔機電氣設(shè)備節(jié)能是一個系統(tǒng)工程，上文所述的永磁電動機、變頻調(diào)速和節(jié)能綜合管理等節(jié)能技術(shù)不是孤立的，而是相輔相成、互為依托的。永磁電動機的應(yīng)用提高了設(shè)備本身的效率，其良好的寬功率范圍效率指標及調(diào)速性能，為控制層的節(jié)能優(yōu)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)；控制層的變頻調(diào)速技術(shù)又為系統(tǒng)層的節(jié)能綜合管理提供了技術(shù)基礎(chǔ)；在系統(tǒng)層的節(jié)能綜合管理下，各項節(jié)能技術(shù)相互協(xié)調(diào)，共同實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。從船舶電網(wǎng)的角度來說，船舶輔機節(jié)能綜合管理實質(zhì)上是基于節(jié)能目的的電網(wǎng)負荷智能管理，這對船舶智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展具有明顯的積極意義。

總之，船舶輔機電氣設(shè)備的研究重點，以前一般著眼于綜合自動化，以實現(xiàn)無人機艙、遠程監(jiān)控為技術(shù)發(fā)展方向。筆者認為，今后船舶輔機電氣設(shè)備的發(fā)展還需要重點關(guān)注節(jié)能方面的技術(shù)研究，以提高全船輔機運行的效率，降低能耗，從而提升船舶續(xù)航力、降低航運成本，在倡導節(jié)能減排的今天，意義十分重大。

[1]汪雄飛.船舶電網(wǎng)中電機起動方式選擇之探討[J].船舶設(shè)計技術(shù)交流,2008(3):42-46.

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[3]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[4]鄧穗湘,沈雄.永磁電機在船舶電力推進中的應(yīng)用和仿真[J].航海技術(shù),2005(4):43-46.

[5]中國電工技術(shù)學會編.風機水泵調(diào)速節(jié)能手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1987.

[6]魏安,呂代臣.遠洋船舶空調(diào)裝置冷卻水節(jié)能分析[J].船海工程,2009,38(2):67-69.