21萬t雙燃料散貨船軸帶發(fā)電機(jī)容量研究

嚴(yán) 昆

（新世紀(jì)船舶設(shè)計研發(fā)（上海）有限公司，上海 201203）

0 引 言

21 萬t散貨船是運(yùn)輸鐵礦石的主力船型，目前航運(yùn)業(yè)對其新造船的環(huán)保要求很高，出于降低氮氧化合物和硫氧化合物排放考慮，此類新造船的燃料采用燃油與天然氣組合的方式（以下簡稱雙燃料）。為減少柴油發(fā)電機(jī)油耗和維修工作量，軸帶發(fā)電機(jī)可作為船舶電站的主要選擇之一。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）對新造船提出了船舶能效設(shè)計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）的要求，并分3 個階段實施，軸帶發(fā)電機(jī)（以下簡稱軸發(fā)）使用主機(jī)富余功率可有效降低EEDI數(shù)值，近年來大型散貨船采用軸發(fā)作為電站的情況開始增多。船舶電站容量計算是電氣設(shè)計中最重要的一項基礎(chǔ)工作，直接影響到船舶的安全性、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和電氣設(shè)備成本。正確選擇雙燃料船舶的軸發(fā)容量至關(guān)重要，需引起重視。本文以江蘇某船廠開發(fā)的21 萬t雙燃料散貨船為例，對其軸發(fā)容量進(jìn)行研究。

1 軸發(fā)容量影響因素

該散貨船的主機(jī)和鍋爐均為雙燃料設(shè)備，比較1 000 ～1 300 kW范圍內(nèi)低速軸發(fā)（含變頻器）與柴油發(fā)電機(jī)組和雙燃料發(fā)電機(jī)組的價格可知：單臺永磁軸發(fā)的價格是同功率單臺柴油發(fā)電機(jī)組的2 ～3 倍，是同容量單臺雙燃料發(fā)電機(jī)組的1.1 ～1.3 倍。綜合考慮成本和EEDI，并與船東協(xié)商，該船配置的電站為1 臺軸發(fā)和2 臺柴油發(fā)電機(jī)組。軸發(fā)在航行工況下使用，其容量需滿足船舶正常航行時負(fù)載的使用需求，軸發(fā)能與柴油發(fā)電機(jī)并車。除了供電特征以外，還需注意軸發(fā)的能量源是主機(jī)推進(jìn)產(chǎn)生的富余功率。具體來講，在計算軸發(fā)容量時，需考慮以下因素：

1）軸發(fā)的容量能滿足船舶負(fù)載的使用需求，特別是船舶正常航行工況下電力負(fù)荷的需求。船舶電力負(fù)荷計算方法主要有需要系數(shù)法和三類負(fù)載法2 種，船舶海洋工程主要運(yùn)用需要系數(shù)法，本文所述散貨船即采用該計算方法。

2）軸發(fā)的電能依靠主推進(jìn)裝置轉(zhuǎn)動得到，其容量與主機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，必須考慮軸發(fā)與主機(jī)功率配合問題。由主機(jī)側(cè)機(jī)械能到主配電板側(cè)電能，中間的能量轉(zhuǎn)化存在效率損失；不同型式軸發(fā)的效率損失差異較大。

3）大型散貨船存在低速航行工況，軸發(fā)必須能提供一個經(jīng)濟(jì)功率點滿足該工況下全船負(fù)載的用電需求。

2 電力負(fù)荷計算

船舶電力負(fù)荷是指不同工況下船上所有運(yùn)行用電設(shè)備的負(fù)荷值，在進(jìn)行完整的電力負(fù)荷計算時，需對全船全系統(tǒng)的設(shè)備功率進(jìn)行收集并作適當(dāng)計算。新開發(fā)船型完全按該方法計算不太實際，一方面設(shè)備資料不全，另一方面花費(fèi)的精力過多，可采用相近船型作為基礎(chǔ)進(jìn)行計算。本文所述21 萬t雙燃料船帶軸發(fā)項目是新船型項目，目前國內(nèi)沒有已完成的同類型項目可供參考。

2.1 相近船單燃料電力負(fù)荷

在選擇相近船（單燃料船）的負(fù)荷值計算雙燃料船的電力負(fù)荷時，相近船需滿足功能相同（如都是散貨船）、載重量相近、主機(jī)選定最大持續(xù)功率點（Specified Maximum Continuous Rating，SMCR）接近等。該船廠已成功交付多艘21 萬t單燃料推進(jìn)散貨船，可將這些船視為相近船，表1 為船型參數(shù)對比，相近船的主機(jī)和發(fā)電機(jī)均配有選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）裝置。由表1 可知：新開發(fā)船與相近船的噸位和船型均相同；散貨船航行的負(fù)載主要與主機(jī)SMCR（Specified Maximum Continuous Rating）有關(guān)，這2 種船型的SMCR相近，可參考相近船的電力負(fù)荷值。相近船的電力負(fù)荷采用需要系數(shù)法計算，將全船用電設(shè)備分為連續(xù)負(fù)載和間斷負(fù)載，計算結(jié)果已在試航期間的無人機(jī)艙試驗中得到驗證：在正常航行工況下，全船負(fù)載的計算值與試驗測量值相比，偏差小于30 kW。表2 為相近船電力負(fù)荷。

表1 船型參數(shù)對比

表2 相近船電力負(fù)荷

相近船安裝了用于降低廢氣含硫量的開式脫硫塔，而新開發(fā)的雙燃料船采用天然氣燃料滿足環(huán)保要求。SCR工作時主機(jī)和發(fā)電機(jī)采用低硫油，不會同時用到開式脫硫塔。相近船的開式脫硫塔電力負(fù)荷（安裝功率約為380 kW，其中脫硫海水泵為1 用1 備）大于主機(jī)和發(fā)電機(jī)SCR（安裝功率約為28 kW），故在計算時僅選取電力負(fù)荷較大的脫硫塔。

2.2 燃?xì)怆娏ω?fù)荷和燃油電力負(fù)荷

軸發(fā)的功率會影響到主機(jī)推進(jìn)功率，電力負(fù)荷計算需盡可能準(zhǔn)確。研究雙燃料船的電力負(fù)荷，分為燃油和燃?xì)? 種模式。為簡化電力負(fù)荷分析，燃?xì)饽Ｊ綖橹鳈C(jī)和鍋爐均燃燒天然氣（不考慮燃油與燃?xì)饣旌系哪Ｊ剑?。燃?xì)饽Ｊ降闹匾?fù)載是供氣系統(tǒng)，根椐設(shè)備商提供的信息，供氣系統(tǒng)的安裝功率為640 kW，比脫硫塔的功率大260 kW，但電力負(fù)荷不能如此簡單增加，需考慮實際使用系數(shù)，以及供氣系統(tǒng)的設(shè)備原理和使用情況。除了考慮運(yùn)行中備用泵不用計算以外，還需重點關(guān)注供氣系統(tǒng)的2 個子系統(tǒng)，即閃蒸氣（Boiled Off Gas，BOG）壓縮機(jī)和氮?dú)庀到y(tǒng)。

由于不可避免地需進(jìn)行熱交換，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）儲存罐內(nèi)的液體會蒸發(fā)產(chǎn)生BOG。早期采用的BOG處理方式是將其放空或配備再液化裝置，現(xiàn)在主要將BOG 升溫升壓之后供負(fù)載使用。通過加熱器和壓縮機(jī)對BOG進(jìn)行加熱加壓處理之后，將其送到低壓緩沖罐內(nèi)供給發(fā)電機(jī)和鍋爐負(fù)載使用。BOG壓縮機(jī)的功率較大，考慮到蒸發(fā)氣受罐內(nèi)壓力控制，并不是一直連續(xù)工作的，可計入間斷負(fù)荷。氮?dú)庀到y(tǒng)主要在惰艙工況下使用，或在供氣系統(tǒng)發(fā)生故障之后向管路中充氮起到保護(hù)作用，或在管路中的氮?dú)獠蛔銜r充氮。正常航行工況下很少采用氮?dú)庀到y(tǒng)充氮，可將其計入間斷負(fù)荷，與輪機(jī)專業(yè)商議之后確定使用系數(shù)按50%計算。表3 為供氣系統(tǒng)在正常航行工況下的負(fù)載情況（模式列中C表示連續(xù)性負(fù)載，I為間斷性負(fù)載）。燃油模式下的負(fù)荷按相近船在IMO排放三階段下的負(fù)載計算，即用相近船電力負(fù)荷值減去脫硫塔負(fù)載并加上SCR設(shè)備負(fù)載。在燃油模式下，有部分設(shè)備不使用（包括供氣系統(tǒng)、雙壁管風(fēng)機(jī)、主機(jī)密封油泵和氣體閥組單元風(fēng)機(jī)等），此時負(fù)載功率的計算公式為

表3 供氣系統(tǒng)在正常航行工況下的負(fù)載情況

在燃?xì)饽Ｊ较?，主機(jī)供油單元、燃油駁運(yùn)泵和鍋爐供油泵等停止運(yùn)行，此時負(fù)載功率的計算公式為

式（1）和式（2）中：為燃油模式下的負(fù)載功率；為燃?xì)饽Ｊ较碌呢?fù)載功率；P為每組負(fù)載的功率，分別對應(yīng)后續(xù)表4 中的負(fù)載序號。

在燃?xì)饽Ｊ较?，電力?fù)荷是在相近船的基礎(chǔ)上減去脫硫塔部分再加上供氣系統(tǒng)的負(fù)載得到的，其中機(jī)艙供油系統(tǒng)設(shè)備和鍋爐供油功率在燃油模式與燃?xì)饽Ｊ较掠兴煌?，將電力?fù)荷機(jī)艙油類設(shè)備分為燃油和燃?xì)? 種模式，將鍋爐設(shè)備分為燃油和燃?xì)? 種模式，由此可得出電力負(fù)荷信息（見表4）。

3 軸發(fā)額定功率

根椐表4，船舶正常航行時，燃油模式下負(fù)載為849 kW，燃?xì)饽Ｊ较仑?fù)載為993 kW，軸發(fā)的容量需覆蓋燃?xì)饽Ｊ较碌呢?fù)載。發(fā)電機(jī)使用負(fù)荷一般不超過90%，這樣軸發(fā)到電網(wǎng)側(cè)功率初步定為1 110 kW。在研發(fā)本文所述散貨船過程中，船東提出船舶正常航行工況下的負(fù)荷在85%以內(nèi)，軸發(fā)在電網(wǎng)側(cè)的容量確定為1 200 kW。由于容量較大，軸發(fā)的電壓選擇較高的690 V。

表4 燃油模式和燃?xì)饽Ｊ较碌碾娏ω?fù)荷

主機(jī)為低速二沖程機(jī)型，軸發(fā)將直接抱在推進(jìn)軸上，主機(jī)將能量傳遞到軸上使軸發(fā)產(chǎn)生電能。由于該散貨船的槳為固定槳，航行時需調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣需通過變頻器獲得電壓和頻率穩(wěn)定的三相交流電。除了配置變頻器以外，還考慮配置降壓變壓器，目的有2 個：

1）大部分廠家的變頻器不能直接將電壓降到450 V，需額外配置降壓變壓器；

2）有變壓器隔離可有效降低電網(wǎng)中諧波和消除共模電壓。

電網(wǎng)側(cè)的功率為1 200 kW，并不表示軸發(fā)的容量也為1 200 kW。與常規(guī)船舶電站計算不同，從軸發(fā)側(cè)發(fā)出的電能在到達(dá)電網(wǎng)之前還要經(jīng)過變頻器和變壓器，這2 個過程存在效率損失，即軸發(fā)功率必大于1 200 kW。從發(fā)電機(jī)效率的角度看，采用低速勵磁軸發(fā)的效率較低，而采用更高效的永磁軸發(fā)可減少功率損失。表5 為國外某永磁軸發(fā)包在100%和83%負(fù)荷下的傳動效率。電網(wǎng)側(cè)需要的軸發(fā)輸出功率為1 200 kW，經(jīng)變頻器和降壓變壓器之后總效率約為96%，需要的軸發(fā)額定功率為1 250 kW。軸發(fā)的輸出功率受限于主機(jī)，主機(jī)功率會受到內(nèi)部因素和外部因素變化的影響，而這種變化必將影響軸發(fā)的輸出功率。在總體性文件中明確了設(shè)計吃水下的航速要求，通過檢查主機(jī)SMCR功率得出能提供給軸發(fā)的最大功率約為1 100 kW，此時用軸發(fā)電網(wǎng)側(cè)額定功率1 200 kW計算顯然不滿足要求。在與總體專業(yè)和船級社討論之后，認(rèn)為計算的電力負(fù)荷值更接近于實際運(yùn)行工況，需確保在航行工況下軸發(fā)從主機(jī)需求的功率小于1 100 kW。航行工況下的實際電力負(fù)荷值為993 kW，對應(yīng)的軸發(fā)總效率約為93%，反推出主機(jī)側(cè)輸出功率為1 068 kW，可滿足總體對主機(jī)功率的限定。

表5 國外某永磁軸發(fā)包在100%和83%負(fù)荷下的傳動效率

4 軸發(fā)經(jīng)濟(jì)功率

軸發(fā)到電網(wǎng)的額定功率確定為1 200 kW，得出軸發(fā)電網(wǎng)側(cè)功率與主機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線見圖1。軸發(fā)一般在70% ～100% SMCR區(qū)間內(nèi)可輸出額定功率，對應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速為62.0 ～70.8 r/min，達(dá)到額定功率之后，軸發(fā)電網(wǎng)側(cè)功率與主機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線是一條水平線，不再隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而變化；起始點設(shè)在50 r/min，

輸出450 kW的功率?？紤]到實際運(yùn)營過程中的節(jié)能需求，船東提出船舶經(jīng)常會出現(xiàn)低速航行工況，要求軸發(fā)在低速時能輸出一個經(jīng)濟(jì)功率，即當(dāng)從主機(jī)轉(zhuǎn)速為48 r/min時，軸發(fā)的輸出功率需滿足船上負(fù)載的使用需求。查閱主機(jī)廠家手冊，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速為48 r/min時，主機(jī)負(fù)荷為30% ～35%SMCR，此時船上主要負(fù)載會有所減少，但主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行會導(dǎo)致其輔助鼓風(fēng)機(jī)工作。經(jīng)計算，此時燃?xì)饽Ｊ较码娏ω?fù)荷為1 013 kW，該工況下考慮不超過90%負(fù)荷比，需要軸發(fā)的輸出功率在1 125 kW。若仍按圖1 所示曲線，則不能滿足要求。通過調(diào)整功率曲線（見圖2），當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速為48 r/min時，軸發(fā)電網(wǎng)側(cè)功率達(dá)到1 125 kW（軸發(fā)功率為1 210 kW），起始功率下調(diào)到450 kW（40 r/min）。再次校核發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速為48 r/min時，軸發(fā)輸出功率為1 210 kW，滿足主機(jī)低速運(yùn)行時對軸發(fā)功率的限定。綜上，該散貨船的軸發(fā)容量參數(shù)見表6。

圖1 軸發(fā)電網(wǎng)側(cè)功率與主機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線1

圖2 軸發(fā)電網(wǎng)側(cè)功率與主機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線2

表6 21 萬t雙燃料散貨船軸發(fā)容量參數(shù)

5 結(jié) 語

在環(huán)境保護(hù)要求日趨嚴(yán)格的背景下，雙燃料將是新造船的主要選擇之一，而船舶電氣的核心是電站容量的確定，電力負(fù)荷和主機(jī)推進(jìn)功率是影響軸發(fā)容量的2 個關(guān)鍵要素。在進(jìn)行電力負(fù)荷計算時，需理解船舶各系統(tǒng)使用工況，確保計算結(jié)算盡可能準(zhǔn)確，但不能過于復(fù)雜，否則會影響實際操作性。在選擇相近船進(jìn)行差異對比時，建議結(jié)合船廠自身設(shè)備訂貨特點，能有相近船試航實測電力負(fù)荷為最佳；在評估主機(jī)的影響時，需與輪機(jī)、總體等專業(yè)協(xié)商，在保證主機(jī)推進(jìn)功率和航速滿足要求的情況下，合理選擇不同工況下的軸發(fā)功率，滿足船東的實際航行需求。在該散貨船的詳細(xì)設(shè)計階段，在各項設(shè)備數(shù)據(jù)完整的情況下進(jìn)行電力負(fù)荷計算，得出正常航行負(fù)載值為981 kW，與研發(fā)時計算的993 kW非常接近，軸發(fā)功率也在總體限定范圍內(nèi)，得到了船級社和船東的認(rèn)可。隨著船舶柴電混合動力需求的增多，結(jié)合電池系統(tǒng)削峰填谷的特點，可將電池系統(tǒng)與軸發(fā)有效組合使用，這種情況下的軸發(fā)容量的確定將是下一步研究的方向。