軸帶發(fā)電機(jī)在2沖程低速柴油機(jī)上的應(yīng)用

崔大鵬

上海福凱船舶設(shè)計(jì)有限公司，中國·上海 200000

1 引言

在1982年MAN 公司推出MC 系列低速柴油主機(jī)以后，MAN 公司就對(duì)使用低速機(jī)驅(qū)動(dòng)軸發(fā)的可行性進(jìn)行了研究，以便能夠在船舶航行時(shí)通過軸發(fā)獲得電力并取代一部分四沖程柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組的功能[1]。

驅(qū)動(dòng)進(jìn)行軸發(fā)研究的原因是基于不斷上漲的燃料價(jià)格及IMO 對(duì)EEDI 指數(shù)的嚴(yán)格要求。當(dāng)時(shí)，大多數(shù)四沖程的發(fā)電機(jī)機(jī)組只能使用昂貴的船用柴油機(jī)油作為主要的燃料。相比較而言，低速柴油主機(jī)能夠使用價(jià)格相對(duì)便宜的劣質(zhì)重油，因此海運(yùn)行業(yè)更希望使用主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)以降低每年的運(yùn)營成本。在這種需示背景的刺激下，許多廠商相繼開發(fā)出能夠長時(shí)間可靠運(yùn)行的軸帶發(fā)電機(jī)。由于其能夠長時(shí)間平穩(wěn)地運(yùn)行，并且與主機(jī)具有幾乎相同的維修周期，因此，使得軸發(fā)在船舶中的應(yīng)用逐漸廣泛起來[2]。

與此同時(shí)，許多船東或船運(yùn)公司更傾向于為集裝箱船、成品油輪以及穿梭油輪等船型安裝軸發(fā)[3]。這可能是歸因于這樣一個(gè)事實(shí)：軸發(fā)電機(jī)和低速主機(jī)常常被認(rèn)為是高度可靠的，并能夠長時(shí)間用于取代四沖程發(fā)電機(jī)為船舶提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。近些年來由于變頻技術(shù)的發(fā)展，使軸發(fā)可以在各種轉(zhuǎn)數(shù)下為主電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電源，并使軸發(fā)的應(yīng)用不局限在發(fā)電這一功能，其PTI，PTO 功能可以為船舶提供額外的推進(jìn)動(dòng)力，這意味著，如果選擇合適的設(shè)計(jì)方案，在船舶的正常航行過程中，穩(wěn)定的電力完全可以通過軸發(fā)獲得，而在特殊情況下軸發(fā)又可以為整個(gè)船舶提供冗余的動(dòng)力。

2 軸發(fā)使用的三種模式分類

從表1中我們可以算出，PTI 與PTH 是兩個(gè)不同的工作模式，許多設(shè)計(jì)人員在剛剛接觸軸發(fā)時(shí)可能存在概念的混淆，將兩者混為一談。實(shí)際上，兩者最主要的區(qū)別是主機(jī)是否參與推進(jìn)。PTH 模式，是當(dāng)主機(jī)失效時(shí)，為保證船舶的運(yùn)行安全，僅僅由主發(fā)提供電力通過軸發(fā)驅(qū)動(dòng)螺旋槳用于推進(jìn)，保證船舶能夠最終到港，此種模式下，在主機(jī)飛輪的輸出端必須安裝有一個(gè)離合器，以將主機(jī)脫開。PTH 模式我們有時(shí)也稱為“安全返港模式”；而PTI 模式，則是指在主機(jī)正常推進(jìn)時(shí)，額外再由主發(fā)提供一部分推進(jìn)功率，因此，PTI 模式也有時(shí)也可稱為“聯(lián)合推進(jìn)模式”。

表1 軸發(fā)使用的三種模式分類

根據(jù)不同的功能需要，軸發(fā)分成以下三個(gè)組別：

PTO/GCR (power take-off/gear constant ratio)，由高彈聯(lián)軸節(jié)，增速齒輪箱及發(fā)電機(jī)組成。

PTO/RCF (power take-off/RENK constant frequency)，由高彈聯(lián)軸節(jié)，增速齒輪箱，剛性聯(lián)軸節(jié)，RCF 單元及發(fā)電機(jī)組成。

PTO/CFE (power take-off/constant frequency electrical)，由低速發(fā)電機(jī)及相關(guān)的電氣控制設(shè)備組成。

PTO/RCF 和PTO/CFE 安裝了穩(wěn)頻控制系統(tǒng)（注意：不一定是變頻器），以保證發(fā)電機(jī)在不同的主機(jī)轉(zhuǎn)速下能夠提供一個(gè)頻率穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

為了區(qū)別不同的軸發(fā)的安裝位置，一般使用BW Ⅰ，BW Ⅱ，BW Ⅲ，BW Ⅳ，DMG 和SMG 來進(jìn)行區(qū)分。

3 安裝軸發(fā)的利弊分析

3.1 PTO 的優(yōu)點(diǎn)分析

船舶正常航行時(shí)，由主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)供電，于是輔助柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間大大縮短，僅保證在進(jìn)出港口等少數(shù)情況下工作即可，其滑油耗量減少，磨損減少，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用因此降低。主機(jī)配備軸帶發(fā)電機(jī)，船舶正常航行時(shí)由軸帶發(fā)電機(jī)供電，不必使用輔助柴油機(jī)，因此可以省去副機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的功耗，而主機(jī)輔助系統(tǒng)功耗基本不變。主機(jī)配備軸帶發(fā)電機(jī)后，可以長期在較高負(fù)荷下運(yùn)行，油耗率得以降低。另外，主機(jī)效率一般比輔助柴油機(jī)的中速柴油機(jī)要高，且主柴油機(jī)一般燃用劣質(zhì)燃油，從而進(jìn)一步降低了燃料費(fèi)用，提高了綜合經(jīng)濟(jì)性。船舶副機(jī)的排煙余熱一般沒有得到利用，而四沖程的輔助柴油機(jī)較二沖程的主柴油機(jī)排煙溫度高，因此浪費(fèi)了大量排氣余熱。如果設(shè)置主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)，輔助柴油機(jī)因運(yùn)行時(shí)間少，其排氣余熱浪費(fèi)減少，而主機(jī)的排氣余熱可以得到更為有效利用[6]。

3.2 安裝空間要求低

如前面的圖表所示，BWIII 類的軸發(fā)布置在主機(jī)的側(cè)方，BWVI 類的軸發(fā)布置在軸線的一側(cè)，因此在考慮軸發(fā)的布置的時(shí)候，只需要對(duì)機(jī)艙底部的布局做一些輕微的調(diào)整即可滿足軸發(fā)的布置要求；對(duì)于DMG/CFE 類的軸發(fā)，需要布置在主機(jī)的自由端，相對(duì)來說對(duì)空間的要求要高一些；對(duì)于SMG/CFE 類的軸發(fā)，需要考慮安裝軸發(fā)以后對(duì)軸系布置的影響。另外，也需要考慮軸發(fā)的輔助設(shè)備（如變頻器，控制箱等）的布置空間要求。

3.3 前期投資成本低

從前期投資成本來講，PTO/GCR 類軸發(fā)的價(jià)格相對(duì)較低，而PTO/RCF 和PTO/CFE 類軸發(fā)由于包含有變頻控制系統(tǒng)，因此價(jià)格會(huì)相對(duì)較高一些。

在多數(shù)情況下，對(duì)于軸發(fā)的安裝，只需要在結(jié)構(gòu)上提供一個(gè)簡單的基座即可，同時(shí)，軸發(fā)不需要額外增加排煙系統(tǒng)，而輔助的系統(tǒng)也相對(duì)簡單，因此與四沖程柴發(fā)相比，總體上所需要的安裝時(shí)間會(huì)更少一些。

3.4 可靠性高

在船舶正常航行過程中，軸發(fā)能夠?yàn)榇疤峁┓€(wěn)定的電力供應(yīng)，船舶在boost 模式時(shí)，軸發(fā)可以為主機(jī)提供補(bǔ)充動(dòng)力。在主機(jī)故障時(shí)，軸發(fā)可以當(dāng)作推進(jìn)馬達(dá)，時(shí)船舶平安靠港。

3.5 維護(hù)成本低

在設(shè)備運(yùn)行的第一年里，軸發(fā)只需要進(jìn)行例行的維護(hù)保養(yǎng)即可，包括常規(guī)的設(shè)備檢查，滑油的更換等。

3.6 備件成本低

由于可靠性高及例行維護(hù)周期中更換的備件少，因此相對(duì)四沖程發(fā)電機(jī)組其備件成本要更低一些。

3.7 更長的設(shè)備使用壽命

對(duì)軸發(fā)而言，較低的部件磨損率意味著更長的設(shè)備使用壽命。

但是也需要注意，對(duì)于軸承、滑油泵以及摩擦式離合器等，需要進(jìn)行定期的檢查及更換，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

3.8 延長主柴發(fā)的運(yùn)行周期

在船舶正常運(yùn)營過程中，軸發(fā)可以為船舶提供100%的電力輸出，這意味著在設(shè)計(jì)時(shí)，可以在船上減少一臺(tái)柴發(fā)機(jī)組，同時(shí)，另兩臺(tái)柴發(fā)的運(yùn)行時(shí)間也相對(duì)很少，因此，我們可以考慮適當(dāng)減少另外兩臺(tái)柴發(fā)的功率并使用高速柴油發(fā)電機(jī)的安裝方案，這樣，可以降低船東的初始投資，并優(yōu)化機(jī)艙內(nèi)的布置方案。

3.9 降低機(jī)艙噪聲

根據(jù)使用的經(jīng)驗(yàn)來看，軸發(fā)的噪聲水平要低于柴發(fā)的噪聲水平，這樣可以改善船員的機(jī)艙工作環(huán)境。

4 PTO 的缺點(diǎn)分析

4.1 增加了備件成本

相對(duì)而言，柴發(fā)的備件數(shù)量較多，因此，在安裝軸發(fā)的情況下，除非減少了一臺(tái)柴發(fā)的安裝，否則如果僅是單純地增加了一臺(tái)軸發(fā)，無疑是又增加了軸發(fā)的備件成本。

4.2 在港口條件下無法實(shí)現(xiàn)電力輸出

軸發(fā)一般在港口停泊狀態(tài)下不提供電力輸出，除非在PTO 與螺旋槳軸間增加離合器。這種設(shè)計(jì)一般常見于穿梭油輪的設(shè)計(jì)案例。對(duì)于穿梭油輪，在停泊狀態(tài)下通過離合器將槳軸脫開，這樣軸發(fā)就能繼續(xù)工作并提供額外的電力完成貨油的操作。

4.3 主機(jī)負(fù)荷增加

當(dāng)軸發(fā)處于工作狀態(tài)時(shí)，主機(jī)會(huì)運(yùn)行在較高在負(fù)荷狀態(tài)下，根據(jù)主機(jī)的性能曲線，這可能會(huì)導(dǎo)致主機(jī)的燃油消耗和汽缸油的消耗有一定的增加。

4.4 低航速時(shí)會(huì)導(dǎo)致調(diào)距槳推進(jìn)效率降低

在低負(fù)荷主機(jī)運(yùn)行工況下，PTO/GCR 類軸發(fā)會(huì)影響推進(jìn)的效率。

4.5 更加復(fù)雜的軸系布置方案

當(dāng)二沖程柴油機(jī)僅用作推進(jìn)系統(tǒng)中時(shí)，應(yīng)避免齒輪箱和高彈聯(lián)軸節(jié)的使用，因?yàn)檫@些部件所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)運(yùn)慣量會(huì)對(duì)軸系的布置及軸系扭振計(jì)算產(chǎn)生非常大有影響。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)相比，安裝軸發(fā)會(huì)增加一定的費(fèi)用，與此同時(shí)相應(yīng)的價(jià)值也將有所體現(xiàn)。從近些年新造船市場的反應(yīng)來看，五年前的北歐船東，到三年前的西歐船東，到如今的國內(nèi)船東，已有越來越多的船東傾向于采用安裝軸發(fā)的方案。國際航運(yùn)界對(duì)軸帶發(fā)電機(jī)的認(rèn)可程度，應(yīng)該引起我們充分重視。從市場上已經(jīng)安裝軸發(fā)的船舶運(yùn)營情況來看，該增加的成本的回收平均周期為3年左右?；厥罩芷诘拈L短，往往會(huì)受到燃油價(jià)格、運(yùn)輸條件、運(yùn)營狀況等因素的影響。國際航運(yùn)界對(duì)此類軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品的逐漸認(rèn)可程度隨著IMO 的EEDI 和EEXI 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，節(jié)能減排成為硬性要求，在新造船市場中，安裝軸帶發(fā)電機(jī)已逐步成為船舶制造的主流。