高端客滾船動力能源節(jié)能技術(shù)

蘭 攀，楊顯義

（招商局金陵船舶威海有限公司，山東威海 264205）

0 引 言

與普通船型相比，高端客滾船具有眾多大型用電負(fù)載，能源消耗較多，其岸電設(shè)備，以及船上的軸帶發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和應(yīng)急柴發(fā)等動力能源設(shè)備一般根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算書和船東的要求配置，在停泊、進(jìn)出港和航行工況下，船上的用電負(fù)載會隨著工況的改變產(chǎn)生較大的變化，發(fā)電機(jī)的功率輸出無法穩(wěn)定在經(jīng)濟(jì)值，柴油機(jī)會出現(xiàn)持續(xù)高油耗的情況，即使都配置電站管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS），也只能根據(jù)用電負(fù)載進(jìn)行簡單的發(fā)電機(jī)功率分配，存在安全隱患和能源浪費(fèi)問題。

為彌補(bǔ)PMS無法進(jìn)行能源消耗管理的缺陷，同時滿足部分港口的污染物排放要求，為高端客滾船額外配置一套能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS），并將其與能源存儲系統(tǒng)（Energy Storage System，ESS）和PMS相結(jié)合，在滿足發(fā)電機(jī)功率分配需求的同時，對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)消耗值進(jìn)行計(jì)算和管理，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

1 現(xiàn)狀分析

目前，PMS廣泛應(yīng)用于船舶電站管理中，利用PMS計(jì)算系統(tǒng)的在線負(fù)載，通過控制柴油發(fā)電機(jī)的啟停實(shí)現(xiàn)動力能源補(bǔ)給。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載低于85%柴油發(fā)電機(jī)容量時，單臺柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行；當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載增至85%柴油發(fā)電機(jī)容量時，啟動備用柴油發(fā)電機(jī)后均攤負(fù)載；當(dāng)2 臺柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載均增加至85%柴油發(fā)電機(jī)容量時，啟動第二備用柴油發(fā)電機(jī)，3 臺柴油發(fā)電機(jī)并車均分負(fù)載；當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)模式被激活時，其邏輯控制方式與柴油發(fā)電機(jī)相同，也可并車均分負(fù)載。

3 臺柴油發(fā)電機(jī)和2 臺軸帶發(fā)電機(jī)作為主要的動力能源，均有燃油消耗，且隨著負(fù)載的變化，其油耗量并不是恒定的，對于船舶節(jié)能減排而言，如何降低燃油消耗，使發(fā)電機(jī)一直工作在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷狀態(tài)，是現(xiàn)階段需深入研究的課題。

理論上看，柴油發(fā)電機(jī)輸出功率發(fā)生變化并不會引起油耗發(fā)生變化（見圖1a）。由圖1a 可知，負(fù)載從20%增加到100%時，油耗保持195 g/（kW·h）不變。但是，在實(shí)際工作中，柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率與耗油量成不規(guī)則變化（見圖1b）。由圖1b可知，柴油發(fā)電機(jī)最經(jīng)濟(jì)的油耗為195 g/（kW·h），最經(jīng)濟(jì)的輸出負(fù)載為85%，此時柴油發(fā)電機(jī)的效率最佳。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)輸出功率與油耗的關(guān)系

2 能量存儲和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EMS的主要功能是對PMS和ESS的工作邏輯進(jìn)行合理優(yōu)化，對燃料能源和電量存儲進(jìn)行控制，ESS 主回路集成在軸帶發(fā)電機(jī)變頻控制系統(tǒng)中，增加蓄電池單元（Battery Unit，BU）進(jìn)行能量存儲（見圖2）。

圖2 EMS帶ESS系統(tǒng)的基本邏輯框架圖

由于需符合安全返港（Safety Return to Port，SRtP）相關(guān)要求，因此設(shè)計(jì)雙套系統(tǒng)，分別布置在前機(jī)艙和后機(jī)艙，根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，前后機(jī)艙各設(shè)計(jì)1 套2.5 MW·h的BU進(jìn)行能量存儲。

柴油發(fā)電機(jī)和軸帶發(fā)電機(jī)的多余能源用來給ESS充電。當(dāng)ESS處于充電狀態(tài)時，自動調(diào)整充電功率，作為補(bǔ)償負(fù)載介入電力電網(wǎng)系統(tǒng)；當(dāng)ESS處于放電狀態(tài)時，可作為電網(wǎng)的動力來源；當(dāng)船舶靠港時，ESS可作為岸電模式供電，其充放電功率均可調(diào)整，大功率設(shè)備的突加突卸、電網(wǎng)中的電壓和頻率波動需滿足中國船級社（China Classification Society，CCS）規(guī)范的要求。

3 ESS能量儲能原理

ESS由BU和集成在變頻柜內(nèi)的控制回路構(gòu)成（見圖3），其中BU 為2.5 MW·h/1 100 V DC 容量的蓄電池組，通過變頻柜內(nèi)的控制回路與直流匯流板連接，按船舶不同航行工況實(shí)現(xiàn)對能量存儲和釋放的邏輯控制。

圖3 ESS原理回路

系統(tǒng)以柴油發(fā)電機(jī)85%經(jīng)濟(jì)負(fù)載為參照值，配合EMS，可自動對ESS 的放電功能進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)耗電負(fù)載為50%左右（小于經(jīng)濟(jì)負(fù)載）時，ESS 作為負(fù)載進(jìn)行能量存儲，見圖4a；當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)輸出負(fù)載為85%左右時，ESS不工作，保持待機(jī)狀態(tài)等待命令，見圖4b；當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)輸出負(fù)載為95%左右（大于經(jīng)濟(jì)負(fù)載）時，ESS 釋放電能，與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行供電，共同承擔(dān)負(fù)載用電，見圖4c；當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)輸出負(fù)載小于等于35%時，EMS可切斷柴油發(fā)電機(jī)供電輸出，由ESS釋放電能單獨(dú)供電，見圖4d；當(dāng)前后機(jī)艙ESS 同時在網(wǎng)時，EMS 需二次計(jì)算在網(wǎng)電力負(fù)載，同樣以經(jīng)濟(jì)負(fù)載為基準(zhǔn)，進(jìn)行能源合理分配；若BU能量過低，則可開啟ESS 充電模式，給BU補(bǔ)充能量，此時ESS在手動模式下開啟，見圖4e。

圖4 ESS在發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)負(fù)載下的能量傳輸

3.1 航行模式

當(dāng)船舶在海上航行時，其EMS控制模式有8 種：

1）軸帶發(fā)電機(jī)供電、ESS充電模式，采用軸帶發(fā)電機(jī)供電，ESS充電儲能；

2）軸帶發(fā)電機(jī)和ESS供電模式，采用軸帶發(fā)電機(jī)供電，若負(fù)載增加，則ESS釋放能量補(bǔ)給電網(wǎng)；

3）軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電模式，采用軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電，當(dāng)動力負(fù)載處于經(jīng)濟(jì)值時，ESS處于待機(jī)狀態(tài)；

4）柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電模式，采用柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電，當(dāng)動力負(fù)載處于經(jīng)濟(jì)值時，ESS處于待機(jī)狀態(tài)；

5）柴油發(fā)電機(jī)供電、ESS充電模式，采用柴油發(fā)電機(jī)供電，ESS作為動力負(fù)載進(jìn)行充電儲能；

6）柴油發(fā)電機(jī)供電、ESS 放電模式，采用柴油發(fā)電機(jī)供電，當(dāng)電力負(fù)載過高時，ESS 釋放能量進(jìn)行電網(wǎng)補(bǔ)給；

7）柴油發(fā)電機(jī)供電、軸帶發(fā)電機(jī)供電、ESS充放電混合模式，采用軸帶發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)并車供電，若負(fù)載偏小，則ESS充電儲能，反之ESS釋放能量進(jìn)行電網(wǎng)補(bǔ)給，ESS根據(jù)負(fù)載變化自動更換工作狀態(tài)；

8）ESS供電模式，采用ESS單獨(dú)供電。

3.2 操縱模式

當(dāng)船舶側(cè)推運(yùn)行時，其EMS控制模式有7 種：

1）柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電、軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電模式，柴油發(fā)電機(jī)給負(fù)載屏單獨(dú)供電，軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)給側(cè)推供電，ESS處于待機(jī)狀態(tài)；

2）軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電、ESS單獨(dú)供電模式，ESS單獨(dú)給負(fù)載屏供電，軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)給側(cè)推供電；

3）軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電、柴油發(fā)電機(jī)供電模式，柴油發(fā)電機(jī)給負(fù)載屏和側(cè)推供電，軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)給側(cè)推供電，ESS處于待機(jī)狀態(tài)；

4）ESS單獨(dú)供電、柴油發(fā)電機(jī)供電模式，柴油發(fā)電機(jī)給負(fù)載屏和側(cè)推供電，ESS給側(cè)推供電，但不給負(fù)載屏供電；

5）ESS單獨(dú)供電、軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電、柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電模式，柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)給負(fù)載屏供電，ESS與軸帶發(fā)電機(jī)同時給側(cè)推單獨(dú)供電；

6）柴油發(fā)電機(jī)供電模式，柴油發(fā)電機(jī)給負(fù)載屏和側(cè)推供電，ESS處于待機(jī)狀態(tài)；

7）ESS供電模式，ESS給負(fù)載屏和側(cè)推供電。

3.3 停泊模式

當(dāng)船舶在碼頭?？繒r，其EMS控制模式有5 種：

1）柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電模式，柴油發(fā)電機(jī)單獨(dú)給負(fù)載屏供電，ESS處于待機(jī)狀態(tài)；

2）柴油發(fā)電機(jī)供電模式，柴油發(fā)電機(jī)給負(fù)載屏供電，同時給ESS補(bǔ)充能量；

3）柴油發(fā)電機(jī)供電、ESS供電模式，柴油發(fā)電機(jī)給負(fù)載屏供電，若負(fù)載偏大，則ESS放電進(jìn)行電網(wǎng)補(bǔ)給；

4）岸電單獨(dú)供電、ESS供電模式，通過岸電單獨(dú)給負(fù)載屏供電，若負(fù)載偏大，則ESS 調(diào)整為放電狀態(tài)進(jìn)行能量補(bǔ)給，并與岸電并聯(lián)使用，反之ESS切換為充電狀態(tài)儲能，ESS可根據(jù)負(fù)載變化自動更換工作狀態(tài)；

5）ESS單獨(dú)供電模式，ESS單獨(dú)給負(fù)載屏供電。

4 結(jié) 語

本文對ESS彈性儲能的節(jié)能方案進(jìn)行了分析，研究了整個EMS 下最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行工況，為解決高端大型客滾船的動力節(jié)能問題提供了新的思路。但是，EMS、PMS和ESS建立的整個節(jié)能系統(tǒng)只能根據(jù)在線負(fù)載的總功率有效降低能源消耗，使船舶時刻處于最經(jīng)濟(jì)的油耗狀態(tài)，而系統(tǒng)并未從用電負(fù)載的角度解決能源消耗問題，如全船存在大量照明和空調(diào)設(shè)備，目前的設(shè)計(jì)并未從節(jié)能的角度考慮這些設(shè)備運(yùn)行的合理性，因此整船的電力系統(tǒng)仍需對所有的用電設(shè)備進(jìn)行工況分析，研究設(shè)計(jì)全船的負(fù)載管理系統(tǒng)，將在網(wǎng)負(fù)載總功率降至最低，配合本文所述EMS，將能源消耗降至最低。