船舶輔機電氣設備節能技術研究

陽世榮，王云鶴，吳團結，夏偉，曹晨，范永江

（中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064）

0 引言

相對于陸地電網來說，船舶電網是一個獨立的小容量系統［1］，而船舶輔機是船舶電網的主要用電負荷之一。由于船舶所攜能源有限，輔機耗電量過大必然會占用船舶主推進設備所需的能源份額，影響船舶續航力的提升，從而導致航運成本增加，也不符合國家能源政策中的節能減排要求。因此，采用節能技術，降低輔機能耗，是提升船舶續航力、降低運營成本的有效途徑，在世界能源形勢日益緊張的今天，意義十分重大。

船舶輔機主要包括泵和風機［2］，一般采用電動機直接驅動的方式運行，因此，電動機及控制裝置等輔機電氣設備是船舶電網的直接用電負荷，也是節能技術的具體應用對象。另外，經濟節能還與輔機運行的使用管理模式密切相關。所以，本文將從電動機、運行控制和使用管理等3個方面對船舶輔機電氣設備節能技術進行分析和闡述。

1 電動機節能技術

電動機是輔機運轉的動力源，也是船舶電網主要的直接用電負荷，因此，電動機效率是節能與否的直接因素。另外，多數船舶輔機，如冷卻水泵、主軸滑油泵、通風機、空調壓縮機等，在整個航行期間均處于連續運行狀態，連續運轉的電動機，其效率的改善對降低電機能耗的影響尤為明顯。由于運行時間較長，即使電動機效率只提高一點點，整個航行期間累計節省的電能也是相當可觀的。

根據船舶電網電制的不同，目前的船舶輔機電動機包括直流電動機和交流異步電動機2大類。由于船舶航行工況發生變化，會引起輔機負載變動或電網電壓產生變化，從而導致輔機電動機的輸出功率偏離額定功率，出現“大馬拉小車”的現象，此時電動機效率急劇降低，電能損耗大大升高。另外，對于交流異步電機而言，其功率因數一般為0.8左右，當輔機負載降低較多時（如接近空載時），功率因數也大大降低，導致電網電流的無功分量增大，網損增加;而直流電動機由于存在電刷，運行期間機械換向會引起電火花，需定期清理或更換電刷，電機維護工作量較大。

近年來發展迅速的永磁同步電動機，為解決船舶輔機電動機存在的上述問題、提高電動機能效，提供了一條有效的技術途徑。永磁同步電動機的轉子由永磁體材料構成，轉子側無感應電流，不存在轉子磁滯損耗和渦流損耗［3］，提高了電機效率;由于無需轉子勵磁，電機功率因數可接近于1［3］，減小了定子電流，進一步提高了電機效率，同時也改善了電網品質，降低了網損;全功率范圍內效率高，即使負載降低到額定負載的25%時，永磁電動機效率仍可達到90%以上。永磁電動機啟動轉矩大，可以用較小容量的永磁電機替代較大容量的一般電機，較好地解決了“大馬拉小車”的現象［4］。此外，永磁電動機還具有溫升低、體積小、重量輕的優點，并且不存在電刷，維護性好，特別適合作為船舶輔機電動機。隨著稀土永磁材料生產工藝水平的提高和量產成本的下降，永磁電動機以其在高效節能方面無可比擬的優勢，在發電、冶金、陶瓷、紡織等工業領域得到了廣泛的應用［3］。永磁同步電動機作為船舶輔機配套電機的應用條件已經成熟。

基于永磁同步電動機寬范圍高效率和高功率因數的優點，選用永磁同步電動機，作為船舶輔機的電力驅動設備，是提高輔機電氣設備能效的最直接有效的途徑。

2 運行控制節能技術

船舶輔機大多為風機、泵類負載［2］。對于船舶這樣一個中小型管網系統來說，風機、泵的流量需求經常隨航行工況的不同而發生變化。由于船舶輔機的額定功率一般按滿足最大流量需求的原則進行設計，因此，船舶輔機的流量調節大多為向下調節。目前，船舶輔機進行流量調節時，往往采用截流的方式，即減小出口處風門或閥門的開度，實質是通過增加管路阻力來限制流量，此時電動機的轉速基本不變，電功率基本不變，大量電能白白浪費在管路損失上。

風機、泵是典型的平方轉矩類型負載，其流量q、揚程H、功率P和轉速n之間的關系如式（1）所示。

從式（1）可以看出，風機、泵的流量與電動機轉速成正比，所消耗的電功率與電動機轉速的三次方成正比，且電功率正比于流量與揚程的乘積。因此，在管路特性不變時，采用降低轉速的方式來減小流量，能取得明顯的節能效果。

圖1 調速方式減小流量與截流方式減小流量的對比Fig.1Comparison of reducing the flow by motor speed regulation and the valve opening regulation

風機、泵采用調速方式減小流量，與截流方式減小流量的對比分析如圖1所示。圖1中，M為閥門全開時的工作點，對應轉速n、流量qVM、揚程HM和管路特性曲線I。當采用截流方式減小流量時，由于出口閥門關小，管路阻力增加，管路特性曲線由I變為I′，但是此時的電動機轉速n沒有變化，輔機工作特性曲線沒有變化，因此工作點沿著原有的工作特性曲線從M移至A，此時對應轉速n、流量qVA、揚程HA和管路特性曲線I′。當采用調速方式減小同樣的流量時，由于管路特性沒有變化，轉速降低，輔機工作特性曲線平行下移，工作點沿著原有的管路特性曲線I由M移至B，此時對應轉速n′、流量qVA、揚程HB和管路特性曲線I。由于風機、泵消耗的電功率正比于流量與揚程的乘積，所以圖1中陰影部分面積HA－A－B－HB表示采用調速方式減小流量時所節省的電力。從上述分析可以看出，采用調速的方式減小流量，尤其是在長期運行的情況下，節省的電能是相當可觀的。

上文所述，輔機電動機采用永磁電動機后，由于電機轉速即為同步轉速，轉速表達式為式（2），且電動機效率不會隨轉速降低而降低，更符合節能要求。

式中:n為電動機轉速;f為供電頻率;p為電機極對數。由于電機轉速與供電頻率成正比，因此，采用變頻的方式對電機轉速進行無級調節是最佳的調速方式。隨著大功率電力電子器件發展日新月異，電動機變頻調速技術發展也日益成熟，為船舶輔機運行的變頻調速節能提供了技術基礎。另外，由于變頻調速裝置的輸入電源既可以是交流電也可以是直流電，因此，采用永磁電動機與變頻調速裝置構成的輔機電力傳動系統可以直接接入船舶電網中，無需改變電網結構，降低了改造成本。

采用變頻調速裝置對船舶輔機的運行轉速實施控制，根據系統的實際流量需求，實時動態的調節輔機轉速以控制流量輸出，節能效果十分明顯。需要說明的是，如式（1）及圖1所示，當轉速下降時，風機、泵的揚程隨轉速下降呈平方下降關系，因此在進行調速節能時，必須同時考慮揚程是否滿足系統需求，調速范圍不能太大，一般在額定轉速70%～100%的范圍之內［5］。

3 使用管理中的節能技術

目前，船舶輔機的使用管理仍比較粗放，大多僅為投切臺數的簡單管理，只要求滿足基本的供水、供風等要求，沒有從提高全船電能利用效率的角度對輔機整個運行過程實施最優管理。由于輔機的額定功率輸出一般按照滿足系統最大需求的原則進行設計，并且依據設計規范，還需要保留一定裕量，以保證輔機的長期使用效果。但是，系統實際運行工況往往達不到最大需求，而輔機使用的簡單管理方式無法根據系統工況的變化實時調節輔機能量輸出，因此存在大量的能源浪費現象。所以，采用節能技術優化全船輔機的運行過程控制，從使用、管理的角度提高輔機運行效率，實現輔機電氣設備節能綜合管理，是輔機節能又一重要技術途徑。

節能綜合管理的基本原理為:采用信息技術獲取系統的實際運行工況參數及相關環境參數，根據系統實際工況需求，采用變頻調速、減載控制等技術手段實時調節輔機的能量輸出，實現能量的按需分配和精細管理，達到節能增效的目的。節能綜合管理的主要對象包括船舶航行期間長時間連續工作的輔機設備，如冷卻水泵、空調裝置、通風機組等。這些設備工作時間長，其流量供給往往隨航行工況變化而變化，因此實施節能綜合管理能帶來明顯的節能效果。

在冷卻水泵節能管理方面，根據海洋環境溫度、船舶熱負荷工況狀態、冷卻水泵出口溫度及壓力等信息，通過實施變頻調速、冷卻水泵運行臺數控制等技術措施實時調節冷卻水的供給量，當系統熱負荷較低或外部海水溫度較低、換熱效率較高時，可降低冷卻水供給量，既能滿足系統溫升控制要求，又能最大程度節約電能。

在空調裝置節能管理方面，采用變頻壓縮機及變頻調速空調風機，根據艙室人員分布、艙室溫濕度、外部環境溫度、冷媒水溫度等信息，在滿足人員需求和艙室環境要求的前提下，自動調節制冷量，實現空調的經濟運行。空調裝置是航行期間的能耗大戶，主要是為人員服務的［6］，當空調區域人員減少或者艙室環境溫度不高的情況下，通過調速自動減小空調功率;當空調區域無人時，及時關閉相應的空調制冷，降低空調能耗。

在通風機組節能管理方面，根據艙室大氣成分含量、大氣溫濕度、空氣壓力等信息，并結合航行工況狀態，采用變頻調速方式實時調節風機供風量。當大氣環境質量較好，可降低電機轉速以減少風量供給，既節約了電能也降低了通風噪聲。

節能管理側重于運行過程的優化控制與管理，重點是如何使輔機流量供給與系統實際需求實現經濟匹配。通過節能管理，使輔機流量輸出同步跟蹤實際需求變化，以滿足需求為前提進行按需供應，基本實現不滯后、不多給、不少給，從而達到節能降耗的目的。

4 結語

船舶輔機電氣設備節能是一個系統工程，上文所述的永磁電動機、

變頻調速和節能綜合管理等節能技術不是孤立的，而是相輔相成、互為依托的。永磁電動機的應用提高了設備本身的效率，其良好的寬功率范圍效率指標及調速性能，為控制層的節能優化提供了技術基礎;控制層的變頻調速技術又為系統層的節能綜合管理提供了技術基礎;在系統層的節能綜合管理下，各項節能技術相互協調，共同實現節能降耗的目標。從船舶電網的角度來說，船舶輔機節能綜合管理實質上是基于節能目的的電網負荷智能管理，這對船舶智能電網技術的發展具有明顯的積極意義。

總之，船舶輔機電氣設備的研究重點，以前一般著眼于綜合自動化，以實現無人機艙、遠程監控為技術發展方向。筆者認為，今后船舶輔機電氣設備的發展還需要重點關注節能方面的技術研究，以提高全船輔機運行的效率，降低能耗，從而提升船舶續航力、降低航運成本，在倡導節能減排的今天，意義十分重大。

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