船舶軸帶發(fā)電機選型及節(jié)能分析

殷宗學，周海濤，王 遠，李茂永

船舶軸帶發(fā)電機選型及節(jié)能分析

殷宗學，周海濤，王 遠，李茂永

（中遠海運重工有限公司設計研究院，上海 200135）

在新船設計中，為了滿足2025年IMO能效設計指數(shù)（EEDI）第三階段的要求，需要大幅降低碳排放。增加船舶軸帶發(fā)電機（軸發(fā)）是最便捷的方案，不僅可以有效降低船舶CO2排放，而且還可以節(jié)能從而降低營運成本。本文從軸發(fā)的驅(qū)動方式、運行工況、功率需求方面出發(fā)，得出軸發(fā)系統(tǒng)的合理配置方案及其與主機功率的配合，并對軸發(fā)的節(jié)能效益對船舶經(jīng)濟性的影響進行了分析。本文提出的方案對船舶的綠色設計具有參考價值。

EEDI 降低碳排放 軸帶發(fā)電機 節(jié)能 船舶

0 引言

眾所周知，當前船舶市場總體持續(xù)低迷，而高效節(jié)能、低碳環(huán)保、智能化并滿足最新國際公約的新船型設計，將成為三大主力船型細分領域?qū)で笸黄频姆较?。各國政府和IMO對船舶溫室氣體減排的要求越來越嚴苛，能效設計指數(shù)（EEDI）第三階段要求也將在2025年實施，尤其根據(jù)最新MEPC 75次大會決議，集裝箱船及雜貨船等船型將于2022年4月1日提前實施，因此設計公司及各大船廠積極運用新節(jié)能技術(shù)、替代燃料、新能源及降低航速等減排措施來提高適用船型的EEDI指數(shù)值。在不采用替代燃料的情況下，只基于廣泛采用的節(jié)能措施，很難實現(xiàn)EEDI第三階段目標，因而不得不尋求其它新方案。軸發(fā)節(jié)能技術(shù)因為其相對比較成熟可靠，能有效降低船舶總油耗和減少輔機的維護，從而可以顯著節(jié)省營運成本，成為目前可選的減排方案。如某設計公司研究指出好望角型以下散貨船，只需在原配置基礎上使用軸帶發(fā)電機就較容易達到EEDI III要求；在大型油船上，軸發(fā)也可以配合其他節(jié)能措施一起使用；在大型集裝箱船上，軸發(fā)可以充分利用剩余功率達到節(jié)能減排的效果。下面主要針對軸發(fā)系統(tǒng)的選型及與主機的功率配合、節(jié)能等方面進行可行性及經(jīng)濟性分析探討。

1 軸發(fā)驅(qū)動及系統(tǒng)組成

軸帶發(fā)電機即在主機驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)的同時還一并帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，利用軸帶發(fā)電機發(fā)電向船舶電網(wǎng)輸出功率（PTO），傳統(tǒng)船舶采用軸帶發(fā)電機主要基于如下兩個方面原因：

1）通常船舶上主機額定功率有10%以上的裕度，而正常航行時所需的電量一般不會超過這個功率（約為主機額定功率的5 %左右），所以在不增加主機容量情況下依靠主機帶動軸發(fā)向電網(wǎng)供電是可行的，并且主機效率要比柴油發(fā)電機組的效率高，能達到一定的節(jié)能效果。如此配置往往還可減少1臺主柴油發(fā)電機組的設置，可有效減少柴油發(fā)電機組的運行臺數(shù)及時間，優(yōu)化了機艙布置和減少維護成本。

2）在經(jīng)濟航速下主機較長時間處于低負荷狀態(tài)，其效率不高，耗油率還會增加。為此充分利用主機剩余功率來帶動軸帶發(fā)電機，此時主機功率為軸帶發(fā)電機功率+螺旋槳功率，這樣可使主機一直運轉(zhuǎn)在效率較高的區(qū)域，減少燃油消耗量。一般燃油耗費大概占船舶營運費用的50%～60%，因此采用軸發(fā)會表現(xiàn)出非常大的經(jīng)濟效益。

目前市場上軸發(fā)系統(tǒng)驅(qū)動方式主要有三種方案[1]：

方案一：高速軸發(fā)帶恒頻率齒輪單元，通過機械-液壓轉(zhuǎn)速控制使主機在70%～105%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證發(fā)電機的頻率不變，無需額外配備變頻器，其總效率約為90%。

方案二：在主機輸出端通過中間軸直接驅(qū)動抱軸式低速軸發(fā)或經(jīng)齒輪箱驅(qū)動低速軸發(fā)，需配置變頻器控制其電力輸出，其總效率約為91%。

方案三：由主機通過增速齒輪箱驅(qū)動軸發(fā)，要求主機保持恒定的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)可以不用配變頻器，但只適用于帶可調(diào)槳（CPP）的船舶，其總效率約為92%。

以上三種方案中軸發(fā)都可安裝在主機前端或輸出端，驅(qū)動方式及系統(tǒng)組成見圖1所示。在實船選取時需根據(jù)其主推進系統(tǒng)型式，并考慮機艙空間、投資成本及回報周期、船舶運行工況等多方面因素。

軸發(fā)本身通常采用同步發(fā)電機，并有兩種勵磁方式（電勵磁/永磁），永磁軸發(fā)雖然在低轉(zhuǎn)速時具有高效率的優(yōu)勢，但其成本較高，永磁軸發(fā)還需變頻器配合使用。目前的軸發(fā)系統(tǒng)，為了保證軸發(fā)與柴發(fā)長期并聯(lián)運行，也需要配備變頻器。另外，為了更好隔離諧波，可以增配一臺變壓器。因此在軸發(fā)系統(tǒng)電氣方面選型時需綜合考慮電力系統(tǒng)及運行工況等因素。

2 軸發(fā)運行工況和配置

根據(jù)船舶運行工況和軸發(fā)特性（圖2）可知，如果船舶配置了可調(diào)槳(CPP)，主機一直運行在定轉(zhuǎn)速模式，那么在正常航行和進出港工況下都是可以使用軸帶發(fā)電機的；但對采用定距槳(FPP)的船舶，由于在進出港時，主機轉(zhuǎn)速較低，及有時還需要緊急倒車或停車，工況比較復雜，因此船舶在進出港時不使用軸帶發(fā)電機，需要運行主發(fā)電機組供電。

圖1 軸發(fā)驅(qū)動方式及系統(tǒng)組成簡圖

圖2 軸發(fā)特性曲線

按照常規(guī)貨船運行工況及采用低速主機+定距槳推進方式，軸發(fā)裝機數(shù)量和運行工況見表1。

從表1可知，一般船舶配置的軸帶發(fā)電機的容量應與一臺主發(fā)的容量相當。從使用情況來看，常規(guī)散貨船可以減少一臺柴發(fā)，而其他船型并不能減少原柴發(fā)的配置。同時也可看出，方案一由于系統(tǒng)不配變頻器，無法解決與主發(fā)電機組長期并聯(lián)運行，且恒頻率齒輪單元是RENK的獨有技術(shù)，價格較高，在初投資成本上不占優(yōu)勢[1]，同時也增加了系統(tǒng)的故障風險，使系統(tǒng)更加復雜，并需要更多的維護工作，因此，綜合考慮技術(shù)和成本，更多船型適合采用方案二的驅(qū)動方式。另外，為了不改變機艙區(qū)域的總長度和主機安裝位置，主機前端空間往往有限，故一般在主機輸出端安裝軸發(fā)，又因船艉部線型比較窄，采用直接抱軸式低速軸發(fā)會更加合適，可減少齒輪箱的安裝空間及日后維護成本。

表1 軸發(fā)配置及使用情況

3 軸發(fā)與主機功率配合

如前所述，采用軸發(fā)就是要充分利用主機的運轉(zhuǎn)裕度和剩余功率[2]，而并不要求在船舶所有工況下都使用軸發(fā)，如果為了滿足全運行工況下都使用軸發(fā)，很可能使主機的原SMCR（選定最大持續(xù)功率）點都要變大，這樣會增大主機輔助系統(tǒng)的配置規(guī)格，甚至會增大主機的CMCR（合同最大持續(xù)功率），導致設計成本大量增加，違背了使用軸發(fā)的初衷，因此只需考慮所需工況下（經(jīng)濟或主要幾個航速點）主機功率配合問題，即在一定的主機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保證軸發(fā)可以發(fā)出所需電量，若在其他工況下電量達不到要求，就需自動起動備用柴發(fā)與軸發(fā)一起并聯(lián)運行。

相對來說集裝箱船的運行工況比較復雜，下面就以集裝箱船為例說明與主機功率匹配問題。如某箱船所選主機CMCR為47,880 kW × 80.0 r/min，正常航行時軸發(fā)所需從主機得到的總機械功率約為3,785 kW。主機帶軸發(fā)功率限制曲線[3]（Line10）見圖3所示。

本船在不同航速下的初步預估功率及對應主機轉(zhuǎn)速見表5所示（表5第1，2，3列）。通過主機廠商給出的計算公式[3]（1）可得到所選定航速下主機最大輸出功率，從而可得出最大剩余功率（見表5第5列所示），即最大允許軸發(fā)的機械功率。

⑤-主機最大運行限制功率曲線，⑦-主機額定運行功率曲線，⑧-主機輕載（LRM）功率曲線，⑩-帶軸發(fā)限制功率曲線

式中：-所選主機功率（kW）；PCMCR主機功率（kW）；–所選主機轉(zhuǎn)速（rpm）；n-CMCR主機轉(zhuǎn)速（rpm）；2/1/0-系數(shù)，見表4所示。從表5可看出，以16～18 knots航速正常航行時，軸發(fā)一直能發(fā)出所需的電功率，在其他航速下也能保證有一定比例的電功率輸出。因此在不更改主機的選型，保持原輔助系統(tǒng)設計的情況下，就能滿足船舶正常的操縱需求。

表4 功率換算系數(shù)表

表5 不同航速下功率及轉(zhuǎn)速

4 軸發(fā)經(jīng)濟性分析

同樣以某集裝箱船為例進行節(jié)能經(jīng)濟性分析。根據(jù)船東提供的航線運營信息，可估算出1年內(nèi)大概可以共計正常航行約99008海里。另外，船東也給出1次航程內(nèi)各航速下運行時間的占比，這樣就可估算出集裝箱班輪在各航速下一年內(nèi)一共實際航行的天數(shù)，具體信息見表6所示。

表6 航線及航速信息表

表7 主機和發(fā)電機組燃料消耗表

根據(jù)估算各航速下的功率點和廠家資料，可得出主、輔機的相關(guān)油耗、氣耗率，見表7所示。

表8列出的節(jié)省成本依據(jù)主機帶軸發(fā)和不帶軸發(fā)兩種運行模式，分別從主、輔機的燃油、燃氣、滑油、氣缸油和維護成本方面比較本船在這兩種模式下的營運成本差。若不計其他費用的差別(差價不大)，船舶在正常航行下利用軸發(fā)系統(tǒng)節(jié)能是可行的，所增加軸發(fā)系統(tǒng)的初期投資費用可在船舶營運約7.25年后就可以全部回收成本，這說明使用軸發(fā)系統(tǒng)是既可以達到節(jié)能又有一定的綜合經(jīng)濟效益。如果是常規(guī)散貨船型，因軸發(fā)可以代替1臺柴發(fā)，因此其經(jīng)濟性會更好。

表8 各航速下投資回報率估算表

5 結(jié)論

本文主要研究軸發(fā)的驅(qū)動方式、功率配合及節(jié)能效益，增加軸發(fā)系統(tǒng)可以降低總油耗減少CO2排放，軸發(fā)促進對船型EEDI計算值的提高。未來市場將傾向能效水平更高，EEDI指數(shù)更低的船舶，未來綠色環(huán)保船舶的設計勢在必行，各船企要深入挖掘新規(guī)范帶來的市場需求和機遇。

[1] 李俊, 王文中. 軸帶發(fā)電機在船用低速主機上的應用[J]. 船舶設計通訊, 2014(2): 62-65.

[2] 姜孟文. 軸帶發(fā)電機和主機的功率配合[J]. 船舶工程, 1983 (05): 40-42.

[3] 宋強，王愛平，史孝華. 20.5萬噸散貨船軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的設計[J]. 船舶工程, 2015 (1): 127-130.

[4] 中國船舶工業(yè)集團公司. 船舶設計實用手冊.電氣分冊[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013.

Analysis of Marine Shaft Generator Type-Selection and Energy Saving

Yin Zongxue, Zhou Haitao, WangYuan, Li Maoyong

(Design and Research Institute of COSCO Shipping Heavy Industry CO., LTD., Shanghai 200135, China)

In order to meet the requirements for phase III of IMO energy efficiency design index (EEDI) in 2025 for ships, carbon emissions need to be greatly reduced. The solution of adding shaft generators (SG) is proposed.

U665.1

A

1003-4862（2021）10-0020-04

2021-08-10

殷宗學（1981-），男，工程師。研究方向：船舶及海洋工程電氣研發(fā)設計。E-mail:yinzongxue@cosco-shipyard.com