電力推進船舶DP2作業和停泊時能效改進技術研究

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作業時，各電壓等級母排聯絡開關需要斷開，4臺發電機需要同時運行，造成發電機在大部分時間的情況下負載率較低，造成其燃油經濟性變差。該文通過研究挪威EQUINOR公式電站加裝固態發電機（電池組），來減少DP2作業時運行的發電機臺數和停泊時發電機的運行時間在來提高燃油經濟性的方案，在節能減排的同時，也提高了運營的安全可靠性。

關鍵詞：PSV? DP2? 雙向變頻器? 固態發電機（電池組）

中圖分類號：U661.7? ?文獻標識碼：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作業電站負載概況

勘探*輪主電站由4臺CAT3512C柴油發電機組成，各電壓等級主配電板由母排隔離開關分成左右兩段。DP2作業時，這些母排聯絡開關需要斷開，4臺發電機需要同時運行，在DP2作業的大部份海況下發電機負載率較低，造成其燃油經濟性變差。

勘探*輪DP2工況下大部份時間，發電機負載率不超過30%，故發電機的燃油經濟性較差，同時還會給發電機的積炭加重，加重維護保養量。

2 勘探*輪DP2作業能效改進方法

DP2作業時，常規電站各電壓等級母排聯絡開關斷開是為了安全考量，因為如果母排聯絡開關合上有些故障模式將影響整個電站，造成全船失電，導致船舶失去定位能力[1-2]。

2.1 電力推進船舶DP2作業能效改進方法1

改進方法1就是把電站改成690 V母排聯絡開關在DP2作業時能閉合運行的電站，讓電站能根據負載自動起停備用發電機，同時規定DP2作業最低運行發電機臺數（如左右各一臺）， 還需要把備用發電機改造成能快速自動起動[3-4]。同時，能隔離所有和母排聯絡開關合排相關的所有故障模式[5-6]。

2.2 電力推進船舶DP2作業能效改進方法2

在每段690 V母排增加約300 Kw·h高放電倍率的電池組，DP2作業時母聯開關仍斷開。 根據負載，每邊電站可只開1臺發電機，當負載超過運行發電機功率的85%時，電池系統起到固態發電機作業能自動無縫投入并承擔負載，最高可按3C放電倍率也就是承擔約750 kW功率。當電池放電以超過2C倍率放電超過5 min，或者SOC低于30%時，備用柴油發電機能自動起動投入運行承擔負載后，電池進入充電狀態，當兩臺并車運行的發電機負載都低于40%運行5分鐘后，其中一臺可自動解列。如圖1 所示。

2.3 兩種改進方法的比較

改進方法1牽涉的設備和系統比較多，成本較高，且需要在主配電板內增裝第二個690 V母排聯絡開關，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。

改進方法2增裝的設備如圖1虛線所標，增裝的設備如進線開關柜，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 改進后帶來的效益

改造后帶來的效益主要表現在以下方面。

（1）提高燃油經濟性。直接減少DP2工況下發電機運行臺數，進而減少發電機運行的時間，如在輕度和中度海況下DP2作業時發電機運行臺數可從原來的4臺減少到2臺。

（2）在線發電機的冗余功率給電池充電，起到類似消峰填谷作用。

（3）減少發電機運行時間，進而減少維護保養。一方面改造后能減少DP2工況下發電機運行臺數，另一方面還讓在線發電機運行在能效高的狀態，減少積炭和維護保養量。

（4）提高安全性，增加船舶適租性。由于固態發電機的運用，船舶電站將運行將更加平穩，同時耐沖擊能力和容錯度將進一步提高。

（5）船舶電站運用更加靈活，如把電池組當停泊發電機運用，改善船員在靠泊和停泊狀態下的居住環境，減少排放。

4 改造投資回報分析

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

以一條勘探*輪每年320天在租時間，船舶70%也就是230天DP作業天數，在這天數里有85%約190天為輕和中等海況，加裝固態發電機后DP2作業時作為熱備份，所以可只開兩臺柴油發電機。

且以如下由卡特比勒官方提供的3512C發電柴油機負載率和每KW小時的油耗克數為依據。

每臺CAT3512C發電機在輕負載平均約25%滿負載375kW下每天每臺機噸油耗計算，每臺機每小時耗油375×0.2396÷1000=0.089 t，這和船舶實際報表0.09 t接近。

加裝固態發電機后，DP2作業時左、右母排可各開一臺柴油發電機，固態發電機作熱備用發電機并起到削峰填谷作用，則以每臺發電柴油機平均50%滿負載750 kW，則其每小時消耗燃油：

0.2093×750÷1000=0.1569 t

以每年190天的可計算天數計算，每年可節省燃油：

（0.089×4-0.1569×2） ×24×190=192.43 t

同時，還可使每臺主柴油發電機每年可節省運行時間約95 d。

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

安裝電池組后，設兩套電池組以約0.6 C的充電倍率兩小時充電導90%滿電狀態， 能給船舶供電約6 h，這樣每天需要單臺主發電機運行約6 h，這時發電柴油機的功率約兩電池組的充電功率和船上停泊負載約600 kW，這樣停泊時每天消耗燃油：

600×0.2165×6÷1000=0.7794 t

每年停泊時可節省燃油60×（1.2-0.7794）=25.2 t

同時減少需要發電機運行時減約3/4，攤算到每臺主發電機可每年又可節省運行時間約10.5天

同時每臺主柴油發電機每年可節省運行時間約105.5（90+10.5） d約2 532 h。

以每臺發電機運行約1 000 h后更換滑油約650L計算。

每年可節省滑油：

（2532×4）/100×0.65=6.58 L

同時，減少維護和備件成本，降低排放，并改善船員工作和生活環境。

5 總結

綜上所述，安裝了固態發電機后，每年可節省燃油約192.43+25.2=217.63 t。以每噸輕柴油當前約8 000元的價格計算，改造后每年能節省的燃油費用約174萬元。同時，每臺主柴油發電機每年可節省運行時間約105.5 d。加上節省的滑油和維護成本及設備折舊費用，勘探*輪每年可節省費用約人民幣180萬元/艘，同時減少維護和備件成本，降低排放，并改善船員工作和生活環境。此外，固態發電機使用了帶DNV和CCS認證的磷酸鐵鋰或三元電池和船用動力電池管理系統，使用壽命約在8到10年。投資回報是快速的，約4年節約的成本已經超過投資。

通過上述分析得出，改造加裝固態發電機給勘探*輪帶來的經濟效益是顯而易見的，不僅提高了船舶在DP2作業和停泊時的燃油經濟性，還增加了電站安全冗余度。

參考文獻

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