電力推進(jìn)船舶DP2作業(yè)和停泊時能效改進(jìn)技術(shù)研究

張作月

摘? 要：中石化海洋石油工程有限公司船舶分公司勘探*輪和**輪兩條PSV船DP2作業(yè)時，各電壓等級母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)需要斷開，4臺發(fā)電機(jī)需要同時運(yùn)行，造成發(fā)電機(jī)在大部分時間的情況下負(fù)載率較低，造成其燃油經(jīng)濟(jì)性變差。該文通過研究挪威EQUINOR公式電站加裝固態(tài)發(fā)電機(jī)（電池組），來減少DP2作業(yè)時運(yùn)行的發(fā)電機(jī)臺數(shù)和停泊時發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時間在來提高燃油經(jīng)濟(jì)性的方案，在節(jié)能減排的同時，也提高了運(yùn)營的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：PSV? DP2? 雙向變頻器? 固態(tài)發(fā)電機(jī)（電池組）

中圖分類號：U661.7? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： During the DP2 operation of two PSV ships * and * * of Sinopec Offshore Oil Engineering Co.， Ltd. Shipping Branch， the bus tie switch of each voltage level needs to be disconnected， and four generators need to operate at the same time， resulting in low load rate of generators in most of the time， resulting in poor fuel economy. This paper studies the scheme of installing solid-state generator （battery pack） in the power station of EQUINOR Company from Norway to reduce the number of generators running during DP2 operation and the running time of generators during parking， so as to improve the fuel economy， save energy and reduce emission， and improve the safety and reliability of operation.

Key Words： PSV; DP2; Two-way frequency converter; Solid-state generator （battery pack）

1 勘探*輪DP2作業(yè)電站負(fù)載概況

勘探*輪主電站由4臺CAT3512C柴油發(fā)電機(jī)組成，各電壓等級主配電板由母排隔離開關(guān)分成左右兩段。DP2作業(yè)時，這些母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)需要斷開，4臺發(fā)電機(jī)需要同時運(yùn)行，在DP2作業(yè)的大部份海況下發(fā)電機(jī)負(fù)載率較低，造成其燃油經(jīng)濟(jì)性變差。

勘探*輪DP2工況下大部份時間，發(fā)電機(jī)負(fù)載率不超過30%，故發(fā)電機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性較差，同時還會給發(fā)電機(jī)的積炭加重，加重維護(hù)保養(yǎng)量。

2 勘探*輪DP2作業(yè)能效改進(jìn)方法

DP2作業(yè)時，常規(guī)電站各電壓等級母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開是為了安全考量，因?yàn)槿绻概怕?lián)絡(luò)開關(guān)合上有些故障模式將影響整個電站，造成全船失電，導(dǎo)致船舶失去定位能力[1-2]。

2.1 電力推進(jìn)船舶DP2作業(yè)能效改進(jìn)方法1

改進(jìn)方法1就是把電站改成690 V母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)在DP2作業(yè)時能閉合運(yùn)行的電站，讓電站能根據(jù)負(fù)載自動起停備用發(fā)電機(jī)，同時規(guī)定DP2作業(yè)最低運(yùn)行發(fā)電機(jī)臺數(shù)（如左右各一臺）， 還需要把備用發(fā)電機(jī)改造成能快速自動起動[3-4]。同時，能隔離所有和母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)合排相關(guān)的所有故障模式[5-6]。

2.2 電力推進(jìn)船舶DP2作業(yè)能效改進(jìn)方法2

在每段690 V母排增加約300 Kw·h高放電倍率的電池組，DP2作業(yè)時母聯(lián)開關(guān)仍斷開。 根據(jù)負(fù)載，每邊電站可只開1臺發(fā)電機(jī)，當(dāng)負(fù)載超過運(yùn)行發(fā)電機(jī)功率的85%時，電池系統(tǒng)起到固態(tài)發(fā)電機(jī)作業(yè)能自動無縫投入并承擔(dān)負(fù)載，最高可按3C放電倍率也就是承擔(dān)約750 kW功率。當(dāng)電池放電以超過2C倍率放電超過5 min，或者SOC低于30%時，備用柴油發(fā)電機(jī)能自動起動投入運(yùn)行承擔(dān)負(fù)載后，電池進(jìn)入充電狀態(tài)，當(dāng)兩臺并車運(yùn)行的發(fā)電機(jī)負(fù)載都低于40%運(yùn)行5分鐘后，其中一臺可自動解列。如圖1 所示。

2.3 兩種改進(jìn)方法的比較

改進(jìn)方法1牽涉的設(shè)備和系統(tǒng)比較多，成本較高，且需要在主配電板內(nèi)增裝第二個690 V母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)，所以可操作性不大，且改造后能效提高比沒有第二種方法高。

改進(jìn)方法2增裝的設(shè)備如圖1虛線所標(biāo)，增裝的設(shè)備如進(jìn)線開關(guān)柜，雙向變頻器，DC/DC及電池組可以靈活布置，受空間的限制度小，改造完成后，電站的容錯性，耐沖擊能力和能效都是比方法1高，同時改造成本也低。

3 改進(jìn)后帶來的效益

改造后帶來的效益主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）提高燃油經(jīng)濟(jì)性。直接減少DP2工況下發(fā)電機(jī)運(yùn)行臺數(shù)，進(jìn)而減少發(fā)電機(jī)運(yùn)行的時間，如在輕度和中度海況下DP2作業(yè)時發(fā)電機(jī)運(yùn)行臺數(shù)可從原來的4臺減少到2臺。

（2）在線發(fā)電機(jī)的冗余功率給電池充電，起到類似消峰填谷作用。

（3）減少發(fā)電機(jī)運(yùn)行時間，進(jìn)而減少維護(hù)保養(yǎng)。一方面改造后能減少DP2工況下發(fā)電機(jī)運(yùn)行臺數(shù)，另一方面還讓在線發(fā)電機(jī)運(yùn)行在能效高的狀態(tài)，減少積炭和維護(hù)保養(yǎng)量。

（4）提高安全性，增加船舶適租性。由于固態(tài)發(fā)電機(jī)的運(yùn)用，船舶電站將運(yùn)行將更加平穩(wěn)，同時耐沖擊能力和容錯度將進(jìn)一步提高。

（5）船舶電站運(yùn)用更加靈活，如把電池組當(dāng)停泊發(fā)電機(jī)運(yùn)用，改善船員在靠泊和停泊狀態(tài)下的居住環(huán)境，減少排放。

4 改造投資回報分析

（1）從提高燃油經(jīng)濟(jì)性和冗余功率充電分析的狀態(tài)下都是可以減少船舶燃油消耗，該文以提高燃油經(jīng)濟(jì)性為例粗略估算改造后為船舶帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

以一條勘探*輪每年320天在租時間，船舶70%也就是230天DP作業(yè)天數(shù)，在這天數(shù)里有85%約190天為輕和中等海況，加裝固態(tài)發(fā)電機(jī)后DP2作業(yè)時作為熱備份，所以可只開兩臺柴油發(fā)電機(jī)。

且以如下由卡特比勒官方提供的3512C發(fā)電柴油機(jī)負(fù)載率和每KW小時的油耗克數(shù)為依據(jù)。

每臺CAT3512C發(fā)電機(jī)在輕負(fù)載平均約25%滿負(fù)載375kW下每天每臺機(jī)噸油耗計(jì)算，每臺機(jī)每小時耗油375×0.2396÷1000=0.089 t，這和船舶實(shí)際報表0.09 t接近。

加裝固態(tài)發(fā)電機(jī)后，DP2作業(yè)時左、右母排可各開一臺柴油發(fā)電機(jī)，固態(tài)發(fā)電機(jī)作熱備用發(fā)電機(jī)并起到削峰填谷作用，則以每臺發(fā)電柴油機(jī)平均50%滿負(fù)載750 kW，則其每小時消耗燃油：

0.2093×750÷1000=0.1569 t

以每年190天的可計(jì)算天數(shù)計(jì)算，每年可節(jié)省燃油：

（0.089×4-0.1569×2） ×24×190=192.43 t

同時，還可使每臺主柴油發(fā)電機(jī)每年可節(jié)省運(yùn)行時間約95 d。

（2）以勘探*輪每年60 d在靠碼頭及錨泊時間，每天開一臺主發(fā)電機(jī)供電。夏天燃油消耗報表油耗約1.2 T。

安裝電池組后，設(shè)兩套電池組以約0.6 C的充電倍率兩小時充電導(dǎo)90%滿電狀態(tài)， 能給船舶供電約6 h，這樣每天需要單臺主發(fā)電機(jī)運(yùn)行約6 h，這時發(fā)電柴油機(jī)的功率約兩電池組的充電功率和船上停泊負(fù)載約600 kW，這樣停泊時每天消耗燃油：

600×0.2165×6÷1000=0.7794 t

每年停泊時可節(jié)省燃油60×（1.2-0.7794）=25.2 t

同時減少需要發(fā)電機(jī)運(yùn)行時減約3/4，攤算到每臺主發(fā)電機(jī)可每年又可節(jié)省運(yùn)行時間約10.5天

同時每臺主柴油發(fā)電機(jī)每年可節(jié)省運(yùn)行時間約105.5（90+10.5） d約2 532 h。

以每臺發(fā)電機(jī)運(yùn)行約1 000 h后更換滑油約650L計(jì)算。

每年可節(jié)省滑油：

（2532×4）/100×0.65=6.58 L

同時，減少維護(hù)和備件成本，降低排放，并改善船員工作和生活環(huán)境。

5 總結(jié)

綜上所述，安裝了固態(tài)發(fā)電機(jī)后，每年可節(jié)省燃油約192.43+25.2=217.63 t。以每噸輕柴油當(dāng)前約8 000元的價格計(jì)算，改造后每年能節(jié)省的燃油費(fèi)用約174萬元。同時，每臺主柴油發(fā)電機(jī)每年可節(jié)省運(yùn)行時間約105.5 d。加上節(jié)省的滑油和維護(hù)成本及設(shè)備折舊費(fèi)用，勘探*輪每年可節(jié)省費(fèi)用約人民幣180萬元/艘，同時減少維護(hù)和備件成本，降低排放，并改善船員工作和生活環(huán)境。此外，固態(tài)發(fā)電機(jī)使用了帶DNV和CCS認(rèn)證的磷酸鐵鋰或三元電池和船用動力電池管理系統(tǒng)，使用壽命約在8到10年。投資回報是快速的，約4年節(jié)約的成本已經(jīng)超過投資。

通過上述分析得出，改造加裝固態(tài)發(fā)電機(jī)給勘探*輪帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的，不僅提高了船舶在DP2作業(yè)和停泊時的燃油經(jīng)濟(jì)性，還增加了電站安全冗余度。

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