超大型集裝箱船電站功率系統(tǒng)構(gòu)成

傅曉紅，夏 駿，周祎隆

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

能源問題和環(huán)境問題是當(dāng)今人類面臨的共同問題。當(dāng)前航運(yùn)業(yè)承擔(dān)了全球近90%的貨物運(yùn)輸，集裝箱船作為目前三大主流船型之一，其溫室氣體排放量在所有船型中占比較高[1]。近年來，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）對船舶節(jié)能減排的要求越來越嚴(yán)苛，減少廢氣排放、降低燃油成本已成為綠色船舶設(shè)計(jì)的核心理念。為降低燃油成本，除了在線型優(yōu)化、螺旋槳設(shè)計(jì)優(yōu)化、主輔機(jī)選型優(yōu)化和節(jié)能裝置的應(yīng)用上提高船舶的能效以外[3]，還可在動力及電站設(shè)計(jì)方面采取很多措施。例如，許多航運(yùn)公司采取減速航行的措施，在主機(jī)設(shè)計(jì)的常用輸出功率點(diǎn)不能充分利用的情況下，為主機(jī)配置軸帶發(fā)電機(jī)，以提高經(jīng)濟(jì)性和減少設(shè)備磨耗與保養(yǎng)[4]；通過回收主機(jī)的廢熱來發(fā)電，配置蒸汽透平發(fā)電機(jī)、廢氣增壓發(fā)電機(jī)和有機(jī)工質(zhì)發(fā)電機(jī)；利用廢熱回收發(fā)電機(jī)給軸帶電動機(jī)供電，在船舶航行時(shí)進(jìn)行助推。不同船型根據(jù)自身特點(diǎn)選擇1種或多種方式，以達(dá)到節(jié)約燃油成本、減少廢氣排放的目的。

1 超大型集裝箱船常規(guī)電站架構(gòu)

超大型集裝箱船電站系統(tǒng)最為普遍的配置是4臺柴油發(fā)電機(jī)，根據(jù)各船的特點(diǎn)，采用4臺等容量的柴油發(fā)電機(jī)或兩大兩小的配置方式[5]。這種配置方式最簡潔，對電站管理系統(tǒng)的功能要求最低，按常規(guī)設(shè)置即可。各工況下發(fā)電機(jī)組的投入情況根據(jù)負(fù)載來決定，操作簡單，易于控制；缺點(diǎn)是柴油機(jī)裝機(jī)容量大，燃油消耗量大。

表1為某型18000TEU集裝箱船在各工況下發(fā)電機(jī)組投入情況。從表1中可看出：在不帶冷箱航行工況下，僅用1臺發(fā)電機(jī)組就能滿足全船日用負(fù)載的需求；在帶冷箱航行工況下，需3臺發(fā)電機(jī)組同時(shí)投入工作，不同工況下負(fù)載的變化幅度明顯。

2 組合動力電站構(gòu)成及分析

近年來，隨著船用重質(zhì)燃油的價(jià)格逐漸上漲，船舶燃料費(fèi)用占營運(yùn)成本的比例越來越大[6]。同時(shí)，陸續(xù)出臺的各種限制船舶廢氣排放的強(qiáng)制性國際公約和排放控制區(qū)[7]既要求減少氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和煤塵等懸浮物，又要求減少二氧化碳（CO2）。這些都迫使對船舶電站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

目前，組成電站的發(fā)電機(jī)組主要有柴油發(fā)電機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、蒸汽透平發(fā)電機(jī)和廢氣增壓發(fā)電機(jī)等4類。

1) 柴油發(fā)電機(jī)的配置根據(jù)船舶在不同工況下運(yùn)營時(shí)全船的負(fù)載確定，與主機(jī)功率和載運(yùn)的冷藏集裝箱的數(shù)量有關(guān)。

2) 在超大型集裝箱船上，軸帶發(fā)電機(jī)的配置往往出現(xiàn)在大主機(jī)、低航速的配置中，在航運(yùn)公司運(yùn)力過剩的大背景下，采取減速航行加軸帶發(fā)電機(jī)的配置能有效降低主機(jī)的燃油消耗。此時(shí)主機(jī)可在高負(fù)荷區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此可獲得較高的燃油效率；同時(shí)，作為低速柴油機(jī)的主機(jī)的熱效率要比中速柴油機(jī)高。在船舶正常航行時(shí)，若不帶冷藏集裝箱或冷藏集裝箱的數(shù)量較少，只使用軸帶發(fā)電機(jī)就可滿足全船用電負(fù)荷的需求，因此不需要使用其他的柴油發(fā)電機(jī)，可減少柴油發(fā)電機(jī)的能耗，而主機(jī)的能耗增加有限。在這種配置中，可將軸帶發(fā)電機(jī)兼作軸帶電動機(jī)（Power Take In, PTI）使用，利用主機(jī)廢熱回收發(fā)電的電能驅(qū)動PTI，將其作為主推進(jìn)助推電機(jī)使用，提高船舶的航速。

蒸汽透平發(fā)電機(jī)在主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)（主機(jī)負(fù)荷超過約35%）可投入使用，而廢氣增壓發(fā)電機(jī)只有在主機(jī)負(fù)荷超過約 50%時(shí)才能正常工作。根據(jù)低速主機(jī)機(jī)型及相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，對 18000TEU集裝箱船的電站組成進(jìn)行重構(gòu)（見圖1），其中采用4種發(fā)電機(jī)，分別為柴油發(fā)電機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、廢氣增壓發(fā)電機(jī)和蒸汽透平發(fā)電機(jī)。

圖1 組合動力電站構(gòu)成

3 組合動力電站功率管理系統(tǒng)

對于大型集裝箱船來說，傳統(tǒng)的電站配置一般是配置4臺柴油發(fā)電機(jī)組，根據(jù)各工況（航行、進(jìn)出港、裝卸貨和停泊）的需求及船舶是否攜帶冷藏集裝箱進(jìn)行多臺機(jī)組的組合，以保證船舶正常運(yùn)營時(shí)的電力需求。

引入軸帶發(fā)電機(jī)、蒸汽透平發(fā)電機(jī)和廢氣增壓發(fā)電機(jī)的配置之后，由于不同種類發(fā)電機(jī)的特性不同，傳統(tǒng)電站管理系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)發(fā)生了變化。

船舶進(jìn)出港時(shí)均采用柴油發(fā)電機(jī)組，待駛出港口之后，航速增大，當(dāng)主機(jī)的負(fù)荷率達(dá)到蒸汽透平發(fā)電機(jī)工作需求時(shí)，優(yōu)先啟動蒸汽透平發(fā)電機(jī)，根據(jù)全船負(fù)荷的需求，退出1臺或更多的柴油發(fā)電機(jī)組；若航速進(jìn)一步增大，主機(jī)負(fù)荷進(jìn)一步增加，此時(shí)可啟動廢氣增壓發(fā)電機(jī)，從而進(jìn)一步減少柴油發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷，提高主機(jī)的能源利用率。

在全船負(fù)載減少的情況下，功率管理系統(tǒng)優(yōu)先減少柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷，由蒸汽透平發(fā)電機(jī)和廢氣增壓發(fā)電機(jī)來承擔(dān)負(fù)載，以達(dá)到提高能源利用率的目的。圖2為組合動力電站功率管理系統(tǒng)的控制邏輯示意。

圖2 組合動力電站功率管理系統(tǒng)的控制邏輯示意

以18000TEU集裝箱船為例，對航行工況下電站的配置情況進(jìn)行比較結(jié)果，見表2和表3。

表2 組合動力電站

表3 柴油發(fā)電機(jī)組成的電站

由表2和表3可知：在不帶冷藏集裝箱航行時(shí)，常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組電站配置中需投入1臺柴油發(fā)電機(jī)，而組合動力電站無須投入柴油發(fā)電機(jī)；在帶冷藏集裝箱航行時(shí)，前者僅投入1臺柴油發(fā)電機(jī)，后者需投入3臺柴油發(fā)電機(jī)。在這2種工況下，主機(jī)負(fù)荷均在90%左右，可見組合動力電站的優(yōu)勢更明顯。

由于蒸汽透平發(fā)電機(jī)、廢氣增壓發(fā)電機(jī)和軸帶發(fā)電機(jī)在主機(jī)負(fù)荷率很低時(shí)無法投入運(yùn)行（在主機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的情況下，軸帶發(fā)電機(jī)作為主電站存在導(dǎo)致全船失電的風(fēng)險(xiǎn)），因而在進(jìn)出港、裝卸貨和停泊狀態(tài)下，還需依賴常規(guī)的柴油發(fā)電機(jī)組，還需按常規(guī)要求配置相應(yīng)數(shù)量的柴油發(fā)電機(jī)組。但是，對于大型集裝箱船來說，其特點(diǎn)是定點(diǎn)、定班次，航行時(shí)間較長，靠碼頭卸貨時(shí)間較短[8]，因此燃油消耗量很大，控制燃油費(fèi)已成為航運(yùn)公司在成本控制方面的首要任務(wù)。此時(shí)若采用軸帶發(fā)電機(jī)、蒸汽透平發(fā)電機(jī)或廢氣增壓發(fā)電機(jī)，燃油消耗量均能明顯降低，NOx、SOx和 CO2的排放必然隨之大大減少，更符合綠色、節(jié)能和環(huán)保的船舶設(shè)計(jì)理念。

4 結(jié) 語

通過上述研究可知，蒸汽透平發(fā)電機(jī)和廢氣增壓發(fā)電機(jī)及PTO/PTI技術(shù)在提高能效方面的作用是相當(dāng)可觀的，此類技術(shù)在船上的應(yīng)用要求電站功率管理系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)發(fā)生重大變化，將優(yōu)先利用蒸汽透平發(fā)電機(jī)和廢氣增壓發(fā)電機(jī)的理念植入組合動力電站管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念中。但是，廢熱回收及透平系統(tǒng)的投入會增加船舶建造階段的初期投資，這也是一個(gè)客觀因素。近年來，隨著液化天然氣價(jià)格的走低及以柴油和液化天然氣為燃料的雙燃料發(fā)電機(jī)組技術(shù)的發(fā)展，由雙燃料發(fā)電機(jī)組取代柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的全船電站系統(tǒng)逐步被船東接受，日后可能會成為一種常規(guī)的選擇。