船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的應(yīng)用及經(jīng)濟性分析

孫厚偉 鐘軍杰

摘要：在船舶電站中，軸帶發(fā)電機占據(jù)重要組成成分，具有良好的發(fā)展前景，可以為船舶航行提供電能供應(yīng)，不但可以減少船舶主電站的消耗，而且可以增強便利性與經(jīng)濟性，有利于節(jié)省維修成本。本文分析了船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的特點與應(yīng)用技術(shù)方案，根據(jù)具體案例對軸帶發(fā)電機的應(yīng)用與經(jīng)濟性進行詳細研討，以期為相關(guān)人員提供借鑒與參考，對其有更加深入了解，通過科學合理應(yīng)用，降低產(chǎn)生的噪聲，改善航運的條件，從而促進航海事業(yè)的發(fā)展。

Abstract： In ship power station， shaft generator occupies an important component and has a good development prospect. It can provide electric energy supply for ship navigation， not only reduce the consumption of ship main power station， but also enhance convenience and economy. It is beneficial to save maintenance cost. This paper analyzes the characteristics and application technical scheme of ship axle belt generator system， and discusses the application and economy of axle belt generator in detail according to specific cases， in order to provide reference and reference for relevant personnel. Through scientific and reasonable application， reduce the noise and improve the shipping conditions， thus promote the development of navigation.

關(guān)鍵詞：軸帶發(fā)電機;經(jīng)濟性;技術(shù)方案

Key words： shaft generator;economy;technical scheme

中圖分類號：U661.39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0056-02

0? 引言

在經(jīng)濟全球化的背景下，航運市場的競爭日漸激勵，由于不斷提高國際油價，導(dǎo)致價格產(chǎn)生劇烈變動，增加航運的生產(chǎn)成本與運營成本，經(jīng)過相關(guān)人員的研究后，提出船舶節(jié)能技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟性，可以減少能源消耗，受到航運人員的充分重視。在20世紀80年代，軸帶發(fā)電機獲得初步應(yīng)用，可以為船舶提供源源不斷地能量，其主要利用軸上冗余功率，優(yōu)化推進裝置，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。

1? 船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的特點與應(yīng)用技術(shù)方案

1.1 軸帶發(fā)電機系統(tǒng)特點

在現(xiàn)代科技化社會，人民日漸增強節(jié)能意識與環(huán)保意識，更加注重軸帶發(fā)電機的運用，為航運減少能源消耗與經(jīng)營成本。在功率輸出軸上連接著軸帶發(fā)電機，在發(fā)電過程中，主要利用主機功率余量，發(fā)電機可以轉(zhuǎn)化主機的冗余功率，使其向發(fā)電機的機械能轉(zhuǎn)變，將會降低15-20%的電能消耗，確保船舶主機處于最佳狀態(tài)，可以長期運行，對增強經(jīng)濟性具有重要意義[1]。

發(fā)電機裝置從頻率穩(wěn)定型的角度分類，可以分為交流式和直流式等旋轉(zhuǎn)變流機、晶閘管逆變器式和靜止式等感應(yīng)恒頻式、油壓驅(qū)動式和渦輪連軸節(jié)式等定速類等。軸帶發(fā)電機可以節(jié)省燃料費用，具有較高的經(jīng)濟性，其主要采用GCR系統(tǒng)，主機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比關(guān)系，在恒定轉(zhuǎn)速下，可以同時使用發(fā)電機與CPP，若是想要改變工況航行時，在確保螺旋槳轉(zhuǎn)速恒定的情況下，可以對螺距進行適當調(diào)整，確保供電頻率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變。軸帶發(fā)動機具有眾多優(yōu)勢，主要包括以下幾點：第一，可以提高燃料效率，節(jié)省燃料費用。第二，可以為機組的穩(wěn)定運行提供保障，減少維修費用與維修工作量。第三，使用軸帶發(fā)動機可以代替柴油機組，有利于減少油耗。第四，可以縮短機組工作時間，減少輔機的使用，進而節(jié)省一定的機艙空間。第五，不但可以減少機艙熱源，而且可以降低產(chǎn)生的噪音，使機艙的工作環(huán)境獲得改善[2]。

1.2 軸帶發(fā)電機應(yīng)用技術(shù)方案

目前采用的軸帶發(fā)電機主要分為兩種類型，一種是變距槳船舶，其主要利用變距槳進行調(diào)整，根據(jù)實際情況，合理控制轉(zhuǎn)向和主機轉(zhuǎn)速，使其保持在恒定的范圍內(nèi)。而另一種是定距槳船舶，其具有多變的主機轉(zhuǎn)速，而且交流發(fā)電機組采用頻率補償裝置和轉(zhuǎn)速補償裝置。軸帶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，一種發(fā)電機系統(tǒng)是永磁同步軸帶，其機械裝置采用的是齒輪箱等設(shè)備，可以為保持穩(wěn)定轉(zhuǎn)速提供保障，而另一種是恒頻穩(wěn)壓交流電，其調(diào)節(jié)補償主要利用變頻器，通過變頻器進行整流，當交流電從發(fā)電機發(fā)出后，經(jīng)過逆變后，交流電將會形成相對較為穩(wěn)定的頻率與電壓，而且當轉(zhuǎn)速電流超過60%以上的額定值時，可以確保功率輸出始終處于恒定狀態(tài)。此外，可以在發(fā)電機中設(shè)置濾波裝置，從而防止諧波影響發(fā)電效率與質(zhì)量[3]。

2? 船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的應(yīng)用案例

某企業(yè)在船舶上安裝了軸帶發(fā)電機系統(tǒng)等推進裝置，其發(fā)電機系統(tǒng)采用的是SAM，具有高質(zhì)量、高效益、物理量平穩(wěn)等眾多優(yōu)勢，使用智能化的控制系統(tǒng)，代替了同步補償器，可以高效提供無功電量。該軸帶發(fā)電機的安裝較為便利，具有科學合理的系統(tǒng)設(shè)計，采用報軸式連接的方式連接發(fā)電機轉(zhuǎn)子，為維修等操作提供便利。軸帶發(fā)電機采用了抱軸式，其發(fā)電機轉(zhuǎn)子主要利用部分螺旋槳軸，可以對逆變器技術(shù)進行合理調(diào)制，其主要原理是利用脈沖寬度，在特定范圍內(nèi)，主機轉(zhuǎn)速可以保持恒定的頻率與電壓，為發(fā)電機的運行提供有力保障。此外，電網(wǎng)管理單元對軸帶機系統(tǒng)具有重要作用，可以確保進行并聯(lián)運行，確保船上電站穩(wěn)定運行，不會受到某個部位的影響。發(fā)電機系統(tǒng)主要利用LCR濾波器、調(diào)制技術(shù)、高頻脈沖，可以消除諧波分量的影響，確保輸出波形處于正常狀態(tài)[4]。

3? 船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的應(yīng)用及經(jīng)濟性探討

3.1 船舶軸帶發(fā)電機的發(fā)展情況分析

在1980年日本，建造了主機軸帶發(fā)電機，當遇到較大風浪時，將會改變主機轉(zhuǎn)速，具有一定限制，若是情況嚴重，還需要使用柴油發(fā)電機代替軸帶發(fā)電機，在使用過程中具有較多限制，經(jīng)過優(yōu)化后，可以利用機械控制發(fā)電機的頻率，比無頻率發(fā)電機更加具有實際價值，由于使用機械控制，定速裝置安裝在軸帶發(fā)電機與主機推進軸之間，因此即使改變推進軸轉(zhuǎn)速，發(fā)電機依然保持之前的速率，而不會受到任何影響，然而，該系統(tǒng)的缺陷在于受到裝置容量的限制，無法大范圍應(yīng)用。在現(xiàn)代社會，電力控制技術(shù)獲得明顯提高，可以在發(fā)電機系統(tǒng)中，應(yīng)用變流技術(shù)，具有較大的功率，其發(fā)電機系統(tǒng)主要有兩部分組成，一部分是恒定頻率裝置，而另一部分是軸帶發(fā)電機。在調(diào)節(jié)頻率的過程中，主要采用控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)與逆變裝置，可以增強電壓穩(wěn)定性，將轉(zhuǎn)速變化保持在特定范圍內(nèi)。等到80年代后期，科學技術(shù)日漸成熟，電能轉(zhuǎn)化獲得了質(zhì)的突破，研究人員提出新的控制理論，例如，應(yīng)用IGBT和SIT等快速器件、靜電感應(yīng)晶體管、斷晶閘管、大功率晶體管等，打破傳統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換限制。當進入90年代后，有源逆變獲得廣泛應(yīng)用，興起了PWM整流器的應(yīng)用熱潮，可以將其應(yīng)用在船舶發(fā)電機系統(tǒng)中，對發(fā)電機系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性具有重要作用。若是在軸帶發(fā)電機中應(yīng)用PWM整流器等科學技術(shù)，則需要在SVPWM逆變器的基礎(chǔ)上進行，在額定功率區(qū)域中，通過軸電發(fā)電機的勵磁控制與整流控制，可以確保電壓恒定，而且電網(wǎng)的諧波還會逐漸減少，對無功輸出進行合理控制。

3.2 船舶軸帶發(fā)電機經(jīng)濟性分析

在經(jīng)濟全球化的背景下，對NOX和SOX等排放提出更高要求，再加上燃油價格的變化較大，產(chǎn)生了較為強烈的動蕩，導(dǎo)致船舶生產(chǎn)商、制造商、運營者采用各種方法以求降低經(jīng)營成本，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益，目前，常見的做法是利用船舶電站節(jié)能，減少排放量，此法已經(jīng)獲得國際的認可，因此，加大了對軸帶發(fā)電機的應(yīng)用，可以為航行提供便利，實現(xiàn)低排放、環(huán)保、節(jié)能、高效的目標。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，燃料費一直在船舶航運中占據(jù)較大比例，甚至達到50-60%，已經(jīng)成為困擾行業(yè)人員的主要問題之一。燃料費作為消耗船舶運營總成本的重要因素，其中重油價格低廉，而輕質(zhì)柴油的成本較高，因此，在采用燃料時一般采用重油，為船舶主機提供動力。在設(shè)計船舶動力裝置時，往往會預(yù)留功率儲備余量，其額定功率為10-15%，而且若是主機功率小于70%左右，將會降低經(jīng)濟性。在船槳動力裝置上連接著軸帶發(fā)電機，可以將冗余功率轉(zhuǎn)化為機械能，為發(fā)電機發(fā)電提供保障，使發(fā)電結(jié)構(gòu)從輕質(zhì)柴油轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂貌糠种赜痛?，可以?jié)約發(fā)電成本[5]。

不管是船舶運營者，還是制造者，二者的目標都是節(jié)省經(jīng)濟成本，增強運營的經(jīng)濟性與合理性，在選擇推進裝置的過程中，需要考慮許多影響因素，例如，柴油機安全、船體情況、天氣情況等，確保具有充足的儲備余量。軸帶發(fā)電機可以實現(xiàn)節(jié)能目標的主要原理是利用冗余功率，為船舶的長期運營提供保障，既可以增強船體的經(jīng)濟性，而且可以滿足航行的電力需求。同時，由于燃料油采用的是重油，與柴油機相比可以降低燃油消耗率，至少降低30-50g/kWh，在航行過程中，若是使用軸帶發(fā)電機，可以降低15-20%的發(fā)電能耗，使燃油存量逐漸降低，有利于節(jié)約維護保養(yǎng)的費用，具有較高的經(jīng)濟性與可行性[6]。

在市場經(jīng)濟中，軸帶發(fā)電機獲得了國際航運界的認可，具有良好的發(fā)展前景與應(yīng)用前景。北海重工曾經(jīng)打造了海峽形運輸船，主要用于遠洋運輸，經(jīng)過全面思考后，將軸帶發(fā)電系應(yīng)用在船舶的主機曲軸前端，而且其主機座與底座相連，具有78-110r/min的轉(zhuǎn)速，功率為3.5MW，吸引了行業(yè)人員的注意力。目前，主要研究方向是將軸帶發(fā)電機應(yīng)用在固定漿船舶中，在傳統(tǒng)船舶發(fā)電的基礎(chǔ)上，合理應(yīng)用主軸發(fā)電，可以滿足大型船舶對供電的要求，以及新一代集裝箱船的要求，從而促進航海事業(yè)向更好的方向發(fā)展。近年來，我國制造行業(yè)獲得了快速發(fā)展，訂單指標與交船等方面在世界各國中占據(jù)有利位置，造船技術(shù)更加強大，不但可以保護當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，而且還可以節(jié)省不必要的能源消耗，為未來發(fā)展明確了方向，從事航運的人員應(yīng)當抓住發(fā)展機遇，勇于面對航運的挑戰(zhàn)，從而帶動當?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，促進國家富強。

4? 結(jié)論

綜上所述，在航運行業(yè)中，大部分企業(yè)為了增加經(jīng)濟效益，會將發(fā)展重心放在節(jié)省燃油成本方面，使主電站系統(tǒng)被軸帶發(fā)電機所替代，可以減少采購數(shù)量和維修費用，并且明顯提高節(jié)能減排的質(zhì)量與效率，對機艙的工作條件進行有效改善，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟收益，符合綠色環(huán)保的發(fā)展目標。因此，將軸帶機系統(tǒng)安裝在船舶中，將會創(chuàng)造更加的經(jīng)濟效益，具有良好的經(jīng)濟性與可行性。

參考文獻：

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