船舶軸帶發(fā)電機的應(yīng)用及發(fā)展

王炳義

（青島北海船舶重工有限責(zé)任公司 青島266520）

船舶軸帶發(fā)電機的應(yīng)用及發(fā)展

王炳義

（青島北海船舶重工有限責(zé)任公司 青島266520）

［摘 要］根據(jù)航運船舶和大型船舶航行的特點，對船舶軸帶發(fā)電機作為船用電站組成系統(tǒng)及其應(yīng)用進(jìn)行了分析，探討了不同階段的船舶軸帶發(fā)電機的技術(shù)方案，分析了其經(jīng)濟性及節(jié)能減排效果，結(jié)合安裝實例對船舶軸帶發(fā)電機應(yīng)用進(jìn)行了評估，從船舶運營的經(jīng)濟性出發(fā)預(yù)測船舶軸帶雙饋發(fā)電機作為船用輔助電站的發(fā)展趨勢。

［關(guān)鍵詞］遠(yuǎn)洋船舶；軸帶發(fā)電機；雙饋；定距槳；船用電站

引 言

近年來航運市場低迷，隨著國際油價的劇烈震蕩和不斷攀升，使得船舶航運的營運成本日益提高。世界上各大航運企業(yè)對船舶節(jié)能技術(shù)裝置日趨關(guān)注。其中船舶電站的經(jīng)濟性方案尤為受到重視［1］。船舶軸帶發(fā)電機技術(shù)的應(yīng)用從上世紀(jì)80年代初期興起，它利用船舶主推進(jìn)裝置的軸上冗余功率使軸帶發(fā)電機為船舶提供電力，以達(dá)到節(jié)能的目的，然而由于種種原因未能獲得長足發(fā)展。近年來隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和裝備水平的提高，尤其是當(dāng)今世界對環(huán)保和節(jié)能意識的日漸增強，將船舶軸帶發(fā)電機作為船舶電站重要組成部分的設(shè)計和應(yīng)用深受各大航運企業(yè)青睞［2］。

1 船舶軸帶發(fā)電機的發(fā)展歷程

軸帶發(fā)電機從上世紀(jì)70年代初在德國開始裝船， 至今已有40多年歷史。其初期的軸帶發(fā)動機裝置簡陋、運行條件苛刻、發(fā)電頻率波動、供電質(zhì)量難以保證。上世紀(jì)80年代初船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)基本屬于無頻率補償型，如日本建造的滾裝船系列的主機軸帶發(fā)電機。這種軸帶發(fā)電機的供電質(zhì)量往往受到很多因素的影響，如主機轉(zhuǎn)速變化會引起發(fā)電頻率波動，而只能短時使用；不能與船舶電站其他柴油發(fā)電機進(jìn)行有效的并聯(lián)運行。隨后出現(xiàn)的在主機推進(jìn)軸與軸帶發(fā)電機之間利用機械變速裝置進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，當(dāng)主機推進(jìn)軸轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，使軸帶發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持恒定，從而控制軸帶發(fā)電機系統(tǒng)發(fā)電頻率穩(wěn)定性。但是在這種機械式補償型軸帶發(fā)電機系統(tǒng)中，主機的當(dāng)前速度與額定轉(zhuǎn)速差異較大時，機械變速裝置的容量將受到限制，故其應(yīng)用范圍也受到制約［3］。

上世紀(jì)80年代中期，隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展，大功率可控硅變流技術(shù)被應(yīng)用到船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)中。這種具有頻率補償型軸帶發(fā)電機系統(tǒng)是由軸帶發(fā)電機和恒定頻率控制裝置組成。應(yīng)用可控硅“逆變”裝置及控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻率，用同步補償機提供無功功率，維持發(fā)電電壓的穩(wěn)定；但是由于裝置成本過高、系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性偏弱等因素影響軸帶發(fā)電系統(tǒng)后續(xù)應(yīng)用的進(jìn)展［4］。進(jìn)入90 年代初期，大功率全控型器件及模塊的出現(xiàn)以及相應(yīng)控制方法的完善，使得軸帶發(fā)電機系統(tǒng)在電能質(zhì)量、能耗、體積、自重和控制性能等方面都得到改善和提高。德國西門子公司在十余艘遠(yuǎn)洋集裝箱船上實現(xiàn)在主機速度變化的情況下，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)向船舶電網(wǎng)提供恒頻、恒壓的三相交流電源，從而解決了軸帶發(fā)電機可以和柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的問題［5］。90年代后期，DSP（數(shù)字信號處理器）的廣泛應(yīng)用和PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)的迅速提高，使得大功率有源逆變控制取得很大進(jìn)步，使其在船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)得到應(yīng)用。21世紀(jì)，隨著風(fēng)電技術(shù)迅速發(fā)展，雙饋發(fā)電系統(tǒng)和技術(shù)在船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用［6］。

2 船舶軸帶發(fā)電機的技術(shù)方案

目前采用的船用軸帶發(fā)電機，根據(jù)螺旋槳的形式，大致可以分成以下兩種類型：

一類為變距槳船舶的軸帶發(fā)電機。它通過變距槳調(diào)節(jié)的方式使主機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向不變，因此可以采用一般的三相交流同步發(fā)電機組。

另一類為定距槳船舶的軸帶發(fā)電機。其主機轉(zhuǎn)速是變化的，經(jīng)常采用的是帶轉(zhuǎn)速補償裝置或頻率補償裝置的船用交流發(fā)電機組。這類軸帶系統(tǒng)具體也分為兩種不同的結(jié)構(gòu)型式： 一種是采用齒輪箱等機械裝置提供穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的永磁同步軸帶發(fā)電機（SG）系統(tǒng)［7］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。另一種是通過采用變頻器調(diào)節(jié)補償?shù)玫胶泐l穩(wěn)壓交流電。將轉(zhuǎn)速變化的軸帶發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)變頻器整流并逆變后，形成電壓與頻率均基本恒定的交流電。這種軸帶發(fā)電機的有效轉(zhuǎn)速在額定值的60%以上時，均能保持恒定功率輸出。由于早期變頻器不能對系統(tǒng)所需的無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此需增加一臺同步調(diào)相機提供無功功率。另外，為了改善軸帶發(fā)電機在運行時其諧波對供電質(zhì)量的影響，需要增加濾波裝置。隨著四象限變頻器和雙饋電機的出現(xiàn)，使得對系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)及軸帶發(fā)電機與電網(wǎng)之間進(jìn)行能量回饋成為可能，從而省卻同步調(diào)相機、降低軸帶發(fā)電系統(tǒng)成本，并使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定［8］。有刷雙饋軸帶發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 基于齒輪箱變速及永磁同步軸帶發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 有刷雙饋軸帶發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著電機控制技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者和技術(shù)人員先后研制出不同種類有刷雙饋船用軸帶發(fā)電機，并且把一些先進(jìn)的電機控制方法和技術(shù)應(yīng)用到軸帶發(fā)電系統(tǒng)中。如矢量控制方法和PWM控制技術(shù)已經(jīng)可以很好地應(yīng)用到軸帶發(fā)電系統(tǒng)［9］。雙饋發(fā)電機能量流動方式通過對轉(zhuǎn)子控制繞組勵磁電流和頻率的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)發(fā)電機在“次同步”和“超同步”的不同運行狀態(tài)下的能量流轉(zhuǎn)換，見圖3。近年來，針對有刷雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子滑環(huán)與電刷之間易產(chǎn)生火花，從而灼傷滑環(huán)表面并引起故障的現(xiàn)象，提出一種無刷雙饋電機軸帶發(fā)電機方案（見圖4）［10］：它與有刷雙饋和串調(diào)系統(tǒng)相比，去除了電刷和滑環(huán)，采用定子側(cè)設(shè)立控制繞組和功率繞組，并通過電磁耦合與轉(zhuǎn)子繞組建立勵磁控制和功率傳遞關(guān)系，實現(xiàn)發(fā)電機在變速運行下的恒頻恒壓電力輸出，從而降低發(fā)電故障率，提高系統(tǒng)運行的可靠性。

圖3 不同狀態(tài)運行下雙饋軸帶發(fā)電機的能量流示意圖

圖4 無刷雙饋船用軸帶發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 船舶軸帶發(fā)電機的經(jīng)濟性分析

在船舶航運成本中，燃料費用成本占較大比重（約為總成本的50%～60%）。船舶主機多采用價格較低的重油作為主要燃料，而輕質(zhì)柴油的價格比較高（約是重油的一倍左右）。船用軸帶發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸連接于船槳動力裝置上，將主機的部分冗余功率轉(zhuǎn)化為驅(qū)動軸帶發(fā)電機發(fā)電的機械能，用重油替代部分輕質(zhì)柴油發(fā)電結(jié)構(gòu)，大大降低了船舶航行的發(fā)電成本。由于提高運營經(jīng)濟性始終是船舶制造者和運營者共同追求的目標(biāo)，因此在選用主推進(jìn)裝置功率時考慮到海況、船況、柴油機安全等問題，需留有功率儲備余量，一般為額定功率的10%～15%。另外，主柴油機在低于75%～85%額定功率時，其經(jīng)濟性將會下降。

船用軸帶發(fā)電機充分利用船舶主機所儲備的冗余功率實現(xiàn)節(jié)能目的，使得船舶主機既能正常運行，同時又能帶動軸帶發(fā)電機發(fā)電以滿足船舶正常航行的電力需要，從而提高船舶整體運行的經(jīng)濟性。此外，由于主機使用船用重油作為燃料油，而且燃油消耗率比發(fā)電用中速柴油機低30～50 g/kWh， 如果采用船用軸帶發(fā)電機發(fā)電用于航行，可使發(fā)電能耗的費用降低15%～20%， 從而減少船上燃油存量及潤滑，減少船上主電站柴油機維護(hù)保養(yǎng)的成本費用，并可大大降低發(fā)電噪聲、改善機艙環(huán)境。

目前，隨著國際燃油價格的不斷劇烈震蕩，以及國際海事組織（IMO）對排放（尤其是對NOx， SOx的排放）提出了嚴(yán)格要求，迫使船舶營運者、制造商和生產(chǎn)商想方設(shè)法采取各種措施提高船舶營運中的經(jīng)濟效益，同時減小船舶的碳排量，其中作為船舶電站節(jié)能減排產(chǎn)品之一的船舶軸帶發(fā)電機的應(yīng)用正逐步被國際船舶航運界認(rèn)可。它能夠使船舶在航行中更加體現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保和低排放的優(yōu)點［11］。

4 軸帶發(fā)電機系統(tǒng)應(yīng)用實例

青島北海船舶重工有限責(zé)任公司在2012年承接了阿聯(lián)酋E-SHIP公司委建的兩艘18萬載重噸散貨船訂單，兩艘船都加裝了船舶主動力推進(jìn)裝置的軸帶發(fā)電機系統(tǒng)［12］。首制船于2014 年8月份交付船東（該船在建造船廠的船體編號為：BC18.0-50），第2艘船也于2014年底前成功交付。這兩艘船的主動力推進(jìn)裝置使用MAN B & W的6G70MEC9.2 Part Load-EGR超長沖程低速柴油機。SMCR：15 536 kW，73.9 r/min；CSR：12 356 kW，70 r/min；設(shè)計油耗： 157.2 g/kW·h （CSR狀態(tài)）。軸帶發(fā)電機系統(tǒng)采用德國SAM Electronics公司具有PWM技術(shù)的產(chǎn)品，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

該SAM軸帶發(fā)電機系統(tǒng)具有高效經(jīng)濟、輸出電能物理量平穩(wěn)高質(zhì)的優(yōu)點，提供無功電量無需任何同步補償器，采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)。軸帶發(fā)電機系統(tǒng)設(shè)計合理緊湊、安裝方便，發(fā)電機轉(zhuǎn)子為抱軸式連接，便于操作和維修。SAM軸帶發(fā)電機系統(tǒng)在螺旋槳軸的安裝如圖5所示。

表1 SAM軸帶發(fā)電機系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

圖5 SAM軸帶發(fā)電機和在螺旋槳軸端的安裝示意圖

SAM 公司生產(chǎn)的抱軸式軸帶發(fā)電機系統(tǒng)，其螺旋槳軸的一段作為發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，通過脈沖寬度調(diào)制逆變器技術(shù)，當(dāng)主機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化時都能保證發(fā)電機的輸出電壓和頻率保持恒定。該軸帶機系統(tǒng)還配有電網(wǎng)管理單元（PMS），能與船上電站實現(xiàn)有效的并聯(lián)運行。該SAM軸帶發(fā)電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁圖6 所示。

該軸采用了PWM變頻器技術(shù)的帶發(fā)電機系統(tǒng)，由于采用高頻脈沖，調(diào)制技術(shù)和LCR濾波器的有效抑制，使得該發(fā)電系統(tǒng)能夠較好地消除諧波分量對輸出波形的影響，在IGBT逆變器裝置的作用下獲得更優(yōu)質(zhì)正弦波形的輸出，如圖7所示。

圖6 SAM軸帶發(fā)電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的輸出電壓、電流和PWM脈沖波形

該軸帶機系統(tǒng)在海試過程中能夠獨立承載船舶在正常航行狀態(tài)時的用電負(fù)荷，除在額定功率條件下完成試車的全部要求外，還完成了15 min 110%額定負(fù)荷的超負(fù)荷試驗，均取得較好的效果。系統(tǒng)的經(jīng)濟性得到有效驗證，除一次性投資成本外，軸帶機系統(tǒng)的優(yōu)點也十分明顯。在試航過程中，主電站在ISO工況下機組（單臺）的耗油量為：203.5 g/kW·h，而采用軸帶機組在ISO工況下其單位耗油量僅為：160.2 g/kW·h，如在大洋中航行，粗略計算每天可實際節(jié)約燃油1 t左右（這還不包括滑油的節(jié)約）。在當(dāng)今各船公司都在從燃油成本中找效益的情況下，采用軸帶機系統(tǒng)這一項就會給航運公司帶來提高收益的契機，增加其市場競爭力。此外，由于使用軸帶發(fā)電機替代主電站系統(tǒng)的使用，縮短船舶輔機柴油機的使用時間，減少了維修費用和備件的采購數(shù)量，進(jìn)一步壓縮了成本支出，為船東長期經(jīng)濟效益的創(chuàng)收提升了空間；同時也改善機艙的工作條件，減少相關(guān)排放量，提高節(jié)能減排的效率，從而提升了船舶運行的環(huán)保等級［13］。

對于船舶公司而言，選擇船用軸帶發(fā)電機系統(tǒng)或許也有以下不利因素：首先，該系統(tǒng)的應(yīng)用增加了一次性投資成本；其次，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)既有和主機的連帶影響，也給自身系統(tǒng)的維修增加了相應(yīng)的難度；第三，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)作為電氣設(shè)備與主電站相比，因其控制的基礎(chǔ)受主動力裝置的限制，機電融合控制的復(fù)雜度升高，可能會使維修和人力成本有所增加。不過，采用軸帶發(fā)電機系統(tǒng)總體而言利遠(yuǎn)大于弊，航運能耗成本將大幅減少，并且對環(huán)境、節(jié)能減排等方面都大有益處。

5 船舶軸帶發(fā)電機的發(fā)展趨勢

日本于上世紀(jì)90年代末建造了一艘裝有大型的軸帶發(fā)電機裝置的4 000箱集裝箱船（丹麥船東）。其主機為低速柴油機，軸帶發(fā)電機設(shè)在主機曲軸前端， 底座與主機座相連，功率為3.5 MW，供船舶和近500箱冷藏集裝箱用電，使用轉(zhuǎn)速范圍在主機78～110 r/min 之間。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速降到50 r/min時，該軸帶發(fā)電機仍可使用，此時的功率已降至2 000 kW左右，但初轉(zhuǎn)速不能低于78 r/min， 否則不能接上船舶電站網(wǎng)。該軸帶發(fā)電機還可作電動機用， 從電網(wǎng)供電作為推進(jìn)助力［14］。最近，北海重工為阿聯(lián)酋E-SHIP公司打造的2艘海峽型遠(yuǎn)洋散裝運輸船，應(yīng)船東要求對新造船加裝軸帶發(fā)電機系統(tǒng)，這顯然是船東經(jīng)利弊權(quán)衡后的選擇，這或許是我們重新關(guān)注軸帶發(fā)電機系統(tǒng)應(yīng)用的信號。從市場經(jīng)營的角度出發(fā)，國際航運界對此類軸帶發(fā)電機系統(tǒng)產(chǎn)品的逐漸認(rèn)可程度，應(yīng)該引起我們足夠的重視。顯然，目前針對固定漿船舶采用軸帶發(fā)電機的應(yīng)用和傳統(tǒng)船舶發(fā)電方式的研究已勢在必行，逐漸發(fā)展和完善起來的主軸帶發(fā)電機系統(tǒng)因其固有的優(yōu)點，在船舶上獲得越來越廣泛的使用，尤其能滿足新一代集裝箱船日益增長的經(jīng)濟供電要求和大型船舶在運行中對電力的需求。軸帶發(fā)電機在大中型集裝箱船上具有美好的前景，對造船及航海事業(yè)的發(fā)展也具有重大意義［15］。

我國船舶工業(yè)已被列入振興裝備制造業(yè)的發(fā)展重點。據(jù)近期統(tǒng)計，世界船市中，不論是交船、承接和手持訂單指標(biāo)，我國都已超越日、韓等國，名列前茅。但“如何由大變強，全面提升造船技術(shù)等級和裝備的節(jié)能高效、綠色環(huán)保水平，從而成為造船強國”，更值得我們思考。這對船舶軸帶發(fā)電機應(yīng)用領(lǐng)域來說既是機遇、也是挑戰(zhàn)，并預(yù)示未來的美好前景。

6 結(jié) 論

本文回顧了船舶軸帶發(fā)電機的發(fā)展歷程，詳細(xì)分析軸帶發(fā)電機發(fā)展的各個階段其結(jié)構(gòu)和工作原理，并按軸帶發(fā)電機分類分析各類軸帶發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)方案給出相應(yīng)技術(shù)特點。從船舶運營的經(jīng)濟性出發(fā)，對船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果進(jìn)行評估并給出相關(guān)結(jié)論。文中所闡述的軸帶發(fā)電機技術(shù)方案和相關(guān)分析結(jié)論對船舶運營和制造商在選擇船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)時具有一定的借鑒作用。

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［中圖分類號］U665.11

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0109-06

［收稿日期］2014-11-24；［修回日期］2014-12-22

［作者簡介］王炳義（1955-），男，高級工程師，研究方向：公司造船市場經(jīng)營和技術(shù)的管理。

Application and development of ship shaft generator

WANG Bing-yi

(Qingdao Beihai Shipbuilding Heavy Industry Co.Ltd, Qingdao 266520, China)

Abstract：Based on the characteristics of ocean shipping vessels and large vessels， this paper analyzes the application of ship shaft generators as the composition system of the marine power plant， and discusses its technical solutions at different stages. It also analyzes its economy and energy-saving and emission reduction effect， and evaluates its application by a practical installation case. In terms of economy， it forecasts the development trend of the double-fed shaft generator as the marine auxiliary power stations.

Keywords：ocean-going vessels； shaft generator； double-fed； fi xed pitch propeller； marine power plant