船舶輔機電氣設備節(jié)能技術探析

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摘要：針對船舶輔機電氣設備的節(jié)能技術展開研究，整理分析船舶輔機電氣設備能耗的主要原因，明確設備節(jié)能技術可行性，闡述節(jié)能技術的策略，并提出節(jié)能綜合管理策略方案。通過研究，將各類節(jié)能技術成功融入船舶輔機電氣設備運行中，結合節(jié)能管控策略，可大幅度減少能源消耗。分析可知，當前普遍船舶的輔機電氣設備電能消耗較大，經濟負擔較重，加劇了能源生產和環(huán)境治理的負擔，節(jié)能技術的應用推廣迫在眉睫。正確合理利用節(jié)能技術，充分發(fā)揮節(jié)能技術的作用是解決能量消耗問題的關鍵。

關鍵詞：船舶電氣；電氣節(jié)能；節(jié)能技術

0引言

近年來我國外貿領域發(fā)展勢頭迅猛，2021年前11個月進出口總值35.39萬億元，同比增長22%，這使得航運業(yè)需求不斷增大。因此國內外用船數量和用船噸位等級都明顯加大，從而加劇突顯了船舶能效問題，其中包括船舶輔機電氣設備的能耗問題。船舶輔機電氣設備能耗較大的問題一直存在，以往整體性低且受關注度較少，也并未得到太多重視。但這些年船舶大型化的發(fā)展使得船舶整體的輔機電氣能耗總量大幅上漲，故引起了業(yè)界廣泛關注與高度重視。在此背景下，如何降低船舶輔機電氣能耗成為了業(yè)界研究的方向，也是本研究主要解決的問題。前人對于船舶輔機電氣節(jié)能技術進行了很多研究，如溫明成[1]指出船舶輔機電氣系統(tǒng)在整個船舶系統(tǒng)結構內相對獨立，關系到船舶是否能夠正常航行，而以往船舶制造中為了提高船舶的航行速度等，普遍會使用大功率設備來運作，加之疏于管理，設備常處于全天候運作狀態(tài)，由此帶來較大能耗，同時大部分船舶的輔機電氣設備是交流異步電機設備，這種設備在負載壓力較大的情況下會出現功率因數下降的現象，進一步加大能耗。針對這些現象，溫明成認為要根據船舶設計針對性的節(jié)能技術方案，并加強技術控制力度；麥克寧[2]提到現代世界各國都存在能源短缺的問題，而這個問題短時間內無法解決，因此當下我國最需要做好的工作就是盡可能地節(jié)省能源。從這一角度出發(fā)，船舶輔機電氣設備能耗較大的問題已經是“舊調重彈”，其作為船舶比較主要的能耗負載來源理應得到重視，針對這一需求設計有針對性的智能管控技術方案，這是解決問題的關鍵。前人對于船舶輔機電氣設備節(jié)能的研究有很大幫助，但在應用和效果上還有待提升，因此將針對這一空白展開更深一步的分析和研究。

1船舶輔機電氣設備能源損耗現狀與要點

1.1能耗現狀

以某船運公司的全年統(tǒng)計數據為基礎展開分析，該企業(yè)主要船舶多為螺旋槳推進船，所搭載的輔機電氣設備大多為交流異步電機，常態(tài)下功率因數為0.5~0.9。該企業(yè)體量規(guī)模大，擁有船舶數量眾多，因此很早就關注輔機電氣設備能耗問題，為了降低能耗展開了多項研究工作，諸如收集船舶輔機電氣設備實時數據、制定船舶輔機用油計劃、設立船舶輔機節(jié)能標準、展開輔機設備使用管理培訓等，這些工作確實能使該企業(yè)船舶輔機整體能耗有所下降，但與預期相比還有較大差距，且通過這些手段改善的船舶輔機整體能耗有限。根據數據顯示，該企業(yè)船舶個體的輔機電氣實際能耗超過標準12%左右，可見該企業(yè)船舶輔機設備能耗的嚴重性，進一步改善船舶輔機設備能耗對于該企業(yè)意義重大。另外，這種現象在其他企業(yè)中也普遍存在，區(qū)別僅在于數值程度上。因此，根據現象普遍性可知造成這種結果的主要原因在于船舶輔機電氣設備的能耗關鍵并未被大眾了解，使得合理的節(jié)能技術應用失準、節(jié)能管理方法不準確。從這一角度出發(fā)，要改善船舶輔機電氣設備能耗大的問題，就必須先研究其根本原因，以便“對癥下藥”。

1.2能耗主要原因

根據業(yè)界普遍情況（主要參考現狀中的案例企業(yè)）分析，船舶輔機電氣設備能耗的主要原因分別為電動機運作、電氣設備控制系統(tǒng)和電氣設備管理，下文將對各大原因的具體內容進行分析。1）電動機運作電動機是船舶輔機系統(tǒng)中的主要設備，大體可分為直流電機和交流電機，這2種類型的電機在船舶輔機系統(tǒng)中均有廣泛應用。常態(tài)下輔機設備運作穩(wěn)定，電機能耗處于合理區(qū)間內。但船舶在實際航行中會受到很多外部因素的干擾，直接影響了電氣設備的運行工況，因此船舶實際航行中電動機的工況非常多變。多變的工況會導致輔機系統(tǒng)的負載、電網電壓等發(fā)生變化，如果出現輔機系統(tǒng)輸出功率超過額定功率的現象，電動機造成的能耗就會大幅增加。現實情況中，這種現象常發(fā)生在交流異步電動機的運作過程中，即多數船舶上設置的交流異步電動機的功率因數在常態(tài)下為0.5~0.9，當輔機系統(tǒng)功率降低時，輔機電氣設備的負載也將大幅降低，達到輕載狀態(tài)可能還會接近空載狀態(tài)，功率因數將大幅下降，造成電網電流的無功功率增長，電網電損、能量消耗增大。值得注意的是，雖然電動機的主要能耗來源于交流異步電動機設備，但不代表能耗與直流電動機設備無關，相反直流電動機設備普遍具有電刷，運作中可能誘發(fā)電火花現象，該現象頻繁發(fā)生會導致直流電動機受損，能耗也會不斷提升。2）電氣設備控制系統(tǒng)商船在電氣設備控制方案設計時，依然采用簡單的設備啟動和停止控制方法，沒有采用變頻器等智能、節(jié)能的控制手段。其主要原因是由于船用智能控制設備價格昂貴，很難大范圍地采用此種控制設備。但是如果依然沿用傳統(tǒng)的啟/停控制系統(tǒng)，會對船舶帶來能效差、不環(huán)保等負面影響。以機艙風機的控制為例進行說明。首先在風機選型階段由于設計要求，普遍會預留一定的設計裕量（5%~10%的通風量和10%~15%的風壓）；此外由于風機廠家不同，相同的通風量和風壓下選出的風機功率也有10%左右的差異。這就造成實際安裝上船的風機和真正需要的風機功率會有15%~20%的差異。對于這些裕量，一般的調節(jié)手段是采用節(jié)流板或擋板式閥門等方法來進行調節(jié)。用這些節(jié)流方法雖然簡單，但只是簡答粗暴地增加阻力來進行調節(jié)，既不經濟，又不環(huán)保，且會產生較大噪音。如能對風機增加變頻控制，可以根據風機負載對風機的轉速進行平滑的調速，使風機始終工作在最佳狀態(tài)，既可以提高風機效率，降低電能消耗；又能減少不必要的噪音，滿足船員工作環(huán)境的要求；還能延長風機和電機的壽命。通過這個案例可以了解，采用變頻控制和智能控制后，能給船舶節(jié)能減排帶來很大的幫助。特別EEXI和CII等指標要求日趨嚴格，越來越多的船東也意識到這類智能化控制系統(tǒng)的重要性。3）電氣設備管理船舶輔機電氣設備能耗大的問題除了與設備本身有關，也與電氣設備管理員的人為因素有密切關系，即無論設備本身是否存在能耗較高等問題，其始終只是一種工具，如何運用工具取決于實際操作人員。如果企業(yè)在船舶輔機電氣設備管理中存在漏洞，那么即使設備已采用了節(jié)能電機和智能控制系統(tǒng)，也依然會造成能耗過大的問題。從這一角度出發(fā)，現代企業(yè)雖然已經開始有意識地對船舶輔機電氣設備能耗進行管理，但管理方式依舊老套，整體依然處于粗放式管理狀態(tài)。例如企業(yè)只要求操作人員控制設備運作時間，卻沒有意識到如何去實現節(jié)能，理應提高設備本身的應用效率；又或者在設定輔機電氣設備的最高額定功率時，沒有保留裕量，這導致設備受損效率加快，帶來較大能耗和損失。諸如此類的問題在包括船舶界內的很多領域并不罕見，基本上是行業(yè)通病。只有提高了節(jié)能意識，才能不斷地加強對設備的管理，才能最大限度地實現降低能耗的目標。

2船舶輔機電氣節(jié)能技術應用策略與節(jié)能管理方法

以上三大問題實際上可以分為兩類，其一是設備技術型，其二是管理型。因此根據問題分類，需要采用節(jié)能技術應用策略與節(jié)能管理策略來予以分別處理。

2.1節(jié)能技術應用策略

船舶輔機電氣節(jié)能技術主要針對解決電動機和電氣設備控制系統(tǒng)問題，內容如下：1）電動機節(jié)能技術應用電動機是大多船舶輔機設備的動力源，是船舶電網中重要的直接用電負荷。可以通過對船舶輔機設備的電動機進行節(jié)能改造，使得整個船舶輔機系統(tǒng)的用電量得到降低，從而整個船舶達到節(jié)能減排的目標。例如在條件允許的情況下，盡量多采用永磁電機來代替交流異步電機，永磁同步電機比交流異步電機有如下幾大優(yōu)勢：①效率高、環(huán)保節(jié)能。永磁同步電機與傳統(tǒng)的交流異步電動機相比，永磁電機是通過永磁體來建立磁場不需要無功勵磁電流，因此能夠大幅度的提高功率因數。因此一般永磁電機比同規(guī)格的交流異步電機的效率提高2%~8%，并且效率高，可以使用較小功率的永磁電機來替代原較大功率的交流異步機，解決了能源浪費的問題。②永磁同步電機的特性曲線相比交流異步電機在輕載時效率要高很多，且高效運行范圍廣，一般負責率在20%~100%范圍內，效率都大于90%以上。但是交流異步電機，只有當負載率大于70%以上，效率才能達到90%以上。由于設計裕量和設備選型的原因，電動機往往長時間工作70%以下負載率的時間較長，這就造成如選用交流異步電機，會造成能效效率低。而永磁同步電機即使在輕載區(qū)，也能保持較高的效率，永磁同步電機相比異步電機的優(yōu)勢很明顯。③體積小。相同功率下的永磁同步電機的體積要比交流異步電機小，可以大大提高設計人員的便利度，可以方便設計人員進行設備布置設計、電纜和管路放樣設計。永磁電機的啟動電流較大且很難實現降壓啟動，因此在永磁同步電機選擇時要結合發(fā)電機功率進行分析。2）電氣設備控制系統(tǒng)節(jié)能技術應用船舶輔機電氣設備控制系統(tǒng)同樣是能耗“大戶”，針對其能耗問題，一般建議采用變頻控制等智能化控制策略。如針對船舶通風系統(tǒng)，首先建議將風機原始的啟動停止控制改為變頻壓控制，這樣可以讓風機根據其實際需求進行調速控制，降低電機功率，減少電機不必要的高速運轉。其次如果條件允許，建議在控制系統(tǒng)中安裝自動化程序，并且加裝相應的傳感器，這樣能夠使整個系統(tǒng)根據事先設計的要求進行自動化運作，避免不必要的電能輸出，且保障風機運作效果滿足現實需求。諸如通過傳感器監(jiān)測艙室內空氣流量參數，當監(jiān)測參數低于設定值時自動化程序會通過系統(tǒng)發(fā)出控制指令，促使風機自動運轉，當空氣流量達到標準值后自動停止，減少風機等設備不必要的運行，從而減少能源損耗。總體而言，全船電氣系統(tǒng)較多，分類也較為明確，沒有必要對全船的電氣設備的控制系統(tǒng)進行改良，且這樣做的成本也較大。因此可以針對幾個能耗較大的系統(tǒng)的控制策略進行改造，比如機艙風機系統(tǒng)、機艙冷卻水系統(tǒng)、客船的話還可以對上建通風系統(tǒng)等系統(tǒng)的電氣控制策略進行優(yōu)化設計。

2.2節(jié)能管理方法

以往粗放式的設備管理方式不利于船舶輔機電氣節(jié)能，企業(yè)應當結合相關節(jié)能技術對原有的管理方式進行改革，通常需要建立節(jié)能綜合管理系統(tǒng)。節(jié)能綜合管理系統(tǒng)主要由4個層級組成，分別是數據采集層、通訊交互層、終端管理層和控制執(zhí)行層。節(jié)能綜合管理系統(tǒng)運作時先通過數據采集層獲取船舶輔機系統(tǒng)中所有電器設備的運行狀態(tài)、工況參數和環(huán)境數據等，而后數據在通訊交互層內進行傳輸，經過通訊交互層被傳輸到終端管理層，在終端層結合操作標準對數據進行篩選和分析，在終端層的界面上可以對數據進行判斷，操作人員根據判斷結果可以直接在終端層中下達指令，指令將再次通過終端管理層傳輸到控制執(zhí)行層，控制執(zhí)行層主要由若干個電氣設備智能控制單元組成，每個單元在接到終端管理層指令后就會對相應的設備進行調控，實現設置的控制要求。從這一角度出發(fā)，節(jié)能綜合管理系統(tǒng)能夠讓操作員更高效、更精準的對船舶輔機電氣設備進行管控，同時系統(tǒng)可以結合提到的自動化系統(tǒng)和先進的智能化系統(tǒng)程序，不僅能實現降低輔機電氣設備能耗的目標，還能提升管理實施性、減輕人工負擔、增強管理質量，因此節(jié)能綜合管理系統(tǒng)具有較高的應用價值和必要性。在節(jié)能綜合管理系統(tǒng)應用中，還需針對不同輔機電氣設備有針對性地進行控制參數設定，最大化地發(fā)揮每個系統(tǒng)的作用。

3結語

現代船舶輔機電氣能耗大的問題愈發(fā)嚴重，須采取相應的節(jié)能技術與節(jié)能管控策略來降低能耗。船舶輔機電氣設備的能耗降低不僅有利于船舶企業(yè)的節(jié)能減排和經濟壓力，還能緩解國家環(huán)保方面的壓力，在世界環(huán)保要求加劇的當下是有重大意義。

參考文獻：

[1]溫明成.船舶輔機電氣設備節(jié)能技術研究[J].中國機械,2020,(8):2.

[2]麥克寧.船舶輔機節(jié)能控制與管理技術研究[J].產業(yè)與科技論壇,2020,(13):2.

作者:王侃 李琳 單位:上海船舶設計院