船舶輔機電氣設(shè)備節(jié)能技術(shù)探析
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摘要：針對船舶輔機電氣設(shè)備的節(jié)能技術(shù)展開研究，整理分析船舶輔機電氣設(shè)備能耗的主要原因，明確設(shè)備節(jié)能技術(shù)可行性，闡述節(jié)能技術(shù)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(shù)成功融入船舶輔機電氣設(shè)備運行中，結(jié)合節(jié)能管控策略，可大幅度減少能源消耗。分析可知，當(dāng)前普遍船舶的輔機電氣設(shè)備電能消耗較大，經(jīng)濟負(fù)擔(dān)較重，加劇了能源生產(chǎn)和環(huán)境治理的負(fù)擔(dān)，節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用推廣迫在眉睫。正確合理利用節(jié)能技術(shù)，充分發(fā)揮節(jié)能技術(shù)的作用是解決能量消耗問題的關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞：船舶電氣；電氣節(jié)能；節(jié)能技術(shù)
0引言
近年來我國外貿(mào)領(lǐng)域發(fā)展勢頭迅猛，2021年前11個月進(jìn)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(nèi)外用船數(shù)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(shè)備的能耗問題。船舶輔機電氣設(shè)備能耗較大的問題一直存在，以往整體性低且受關(guān)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(guān)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(shù)進(jìn)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(jié)構(gòu)內(nèi)相對獨立，關(guān)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(shè)備來運作，加之疏于管理，設(shè)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(shè)備是交流異步電機設(shè)備，這種設(shè)備在負(fù)載壓力較大的情況下會出現(xiàn)功率因數(shù)下降的現(xiàn)象，進(jìn)一步加大能耗。針對這些現(xiàn)象，溫明成認(rèn)為要根據(jù)船舶設(shè)計針對性的節(jié)能技術(shù)方案，并加強技術(shù)控制力度；麥克寧[2]提到現(xiàn)代世界各國都存在能源短缺的問題，而這個問題短時間內(nèi)無法解決，因此當(dāng)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(shè)備能耗較大的問題已經(jīng)是“舊調(diào)重彈”，其作為船舶比較主要的能耗負(fù)載來源理應(yīng)得到重視，針對這一需求設(shè)計有針對性的智能管控技術(shù)方案，這是解決問題的關(guān)鍵。前人對于船舶輔機電氣設(shè)備節(jié)能的研究有很大幫助，但在應(yīng)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(shè)備能源損耗現(xiàn)狀與要點
1.1能耗現(xiàn)狀
以某船運公司的全年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)展開分析，該企業(yè)主要船舶多為螺旋槳推進(jìn)船，所搭載的輔機電氣設(shè)備大多為交流異步電機，常態(tài)下功率因數(shù)為0.5~0.9。該企業(yè)體量規(guī)模大，擁有船舶數(shù)量眾多，因此很早就關(guān)注輔機電氣設(shè)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(shè)備實時數(shù)據(jù)、制定船舶輔機用油計劃、設(shè)立船舶輔機節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、展開輔機設(shè)備使用管理培訓(xùn)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(yù)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(jù)數(shù)據(jù)顯示，該企業(yè)船舶個體的輔機電氣實際能耗超過標(biāo)準(zhǔn)12%左右，可見該企業(yè)船舶輔機設(shè)備能耗的嚴(yán)重性，進(jìn)一步改善船舶輔機設(shè)備能耗對于該企業(yè)意義重大。另外，這種現(xiàn)象在其他企業(yè)中也普遍存在，區(qū)別僅在于數(shù)值程度上。因此，根據(jù)現(xiàn)象普遍性可知造成這種結(jié)果的主要原因在于船舶輔機電氣設(shè)備的能耗關(guān)鍵并未被大眾了解，使得合理的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用失準(zhǔn)、節(jié)能管理方法不準(zhǔn)確。從這一角度出發(fā)，要改善船舶輔機電氣設(shè)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(jù)業(yè)界普遍情況（主要參考現(xiàn)狀中的案例企業(yè)）分析，船舶輔機電氣設(shè)備能耗的主要原因分別為電動機運作、電氣設(shè)備控制系統(tǒng)和電氣設(shè)備管理，下文將對各大原因的具體內(nèi)容進(jìn)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(shè)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(yīng)用。常態(tài)下輔機設(shè)備運作穩(wěn)定，電機能耗處于合理區(qū)間內(nèi)。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(shè)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(dǎo)致輔機系統(tǒng)的負(fù)載、電網(wǎng)電壓等發(fā)生變化，如果出現(xiàn)輔機系統(tǒng)輸出功率超過額定功率的現(xiàn)象，電動機造成的能耗就會大幅增加。現(xiàn)實情況中，這種現(xiàn)象常發(fā)生在交流異步電動機的運作過程中，即多數(shù)船舶上設(shè)置的交流異步電動機的功率因數(shù)在常態(tài)下為0.5~0.9，當(dāng)輔機系統(tǒng)功率降低時，輔機電氣設(shè)備的負(fù)載也將大幅降低，達(dá)到輕載狀態(tài)可能還會接近空載狀態(tài)，功率因數(shù)將大幅下降，造成電網(wǎng)電流的無功功率增長，電網(wǎng)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(shè)備，但不代表能耗與直流電動機設(shè)備無關(guān)，相反直流電動機設(shè)備普遍具有電刷，運作中可能誘發(fā)電火花現(xiàn)象，該現(xiàn)象頻繁發(fā)生會導(dǎo)致直流電動機受損，能耗也會不斷提升。2）電氣設(shè)備控制系統(tǒng)商船在電氣設(shè)備控制方案設(shè)計時，依然采用簡單的設(shè)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(shè)備價格昂貴，很難大范圍地采用此種控制設(shè)備。但是如果依然沿用傳統(tǒng)的啟/?？刂葡到y(tǒng)，會對船舶帶來能效差、不環(huán)保等負(fù)面影響。以機艙風(fēng)機的控制為例進(jìn)行說明。首先在風(fēng)機選型階段由于設(shè)計要求，普遍會預(yù)留一定的設(shè)計裕量（5%~10%的通風(fēng)量和10%~15%的風(fēng)壓）；此外由于風(fēng)機廠家不同，相同的通風(fēng)量和風(fēng)壓下選出的風(fēng)機功率也有10%左右的差異。這就造成實際安裝上船的風(fēng)機和真正需要的風(fēng)機功率會有15%~20%的差異。對于這些裕量，一般的調(diào)節(jié)手段是采用節(jié)流板或擋板式閥門等方法來進(jìn)行調(diào)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(jìn)行調(diào)節(jié)，既不經(jīng)濟，又不環(huán)保，且會產(chǎn)生較大噪音。如能對風(fēng)機增加變頻控制，可以根據(jù)風(fēng)機負(fù)載對風(fēng)機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行平滑的調(diào)速，使風(fēng)機始終工作在最佳狀態(tài)，既可以提高風(fēng)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(fēng)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(biāo)要求日趨嚴(yán)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(shè)備管理船舶輔機電氣設(shè)備能耗大的問題除了與設(shè)備本身有關(guān)，也與電氣設(shè)備管理員的人為因素有密切關(guān)系，即無論設(shè)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(shè)備管理中存在漏洞，那么即使設(shè)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(xiàn)代企業(yè)雖然已經(jīng)開始有意識地對船舶輔機電氣設(shè)備能耗進(jìn)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(shè)備運作時間，卻沒有意識到如何去實現(xiàn)節(jié)能，理應(yīng)提高設(shè)備本身的應(yīng)用效率；又或者在設(shè)定輔機電氣設(shè)備的最高額定功率時，沒有保留裕量，這導(dǎo)致設(shè)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(nèi)的很多領(lǐng)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(shè)備的管理，才能最大限度地實現(xiàn)降低能耗的目標(biāo)。
2船舶輔機電氣節(jié)能技術(shù)應(yīng)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(shè)備技術(shù)型，其二是管理型。因此根據(jù)問題分類，需要采用節(jié)能技術(shù)應(yīng)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(shù)應(yīng)用策略
船舶輔機電氣節(jié)能技術(shù)主要針對解決電動機和電氣設(shè)備控制系統(tǒng)問題，內(nèi)容如下：1）電動機節(jié)能技術(shù)應(yīng)用電動機是大多船舶輔機設(shè)備的動力源，是船舶電網(wǎng)中重要的直接用電負(fù)荷。可以通過對船舶輔機設(shè)備的電動機進(jìn)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(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。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(shù)。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(fù)責(zé)率在20%~100%范圍內(nèi)，效率都大于90%以上。但是交流異步電機，只有當(dāng)負(fù)載率大于70%以上，效率才能達(dá)到90%以上。由于設(shè)計裕量和設(shè)備選型的原因，電動機往往長時間工作70%以下負(fù)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(shè)計人員的便利度，可以方便設(shè)計人員進(jìn)行設(shè)備布置設(shè)計、電纜和管路放樣設(shè)計。永磁電機的啟動電流較大且很難實現(xiàn)降壓啟動，因此在永磁同步電機選擇時要結(jié)合發(fā)電機功率進(jìn)行分析。2）電氣設(shè)備控制系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用船舶輔機電氣設(shè)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(fēng)系統(tǒng)，首先建議將風(fēng)機原始的啟動停止控制改為變頻壓控制，這樣可以讓風(fēng)機根據(jù)其實際需求進(jìn)行調(diào)速控制，降低電機功率，減少電機不必要的高速運轉(zhuǎn)。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(yīng)的傳感器，這樣能夠使整個系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)計的要求進(jìn)行自動化運作，避免不必要的電能輸出，且保障風(fēng)機運作效果滿足現(xiàn)實需求。諸如通過傳感器監(jiān)測艙室內(nèi)空氣流量參數(shù)，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)低于設(shè)定值時自動化程序會通過系統(tǒng)發(fā)出控制指令，促使風(fēng)機自動運轉(zhuǎn)，當(dāng)空氣流量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值后自動停止，減少風(fēng)機等設(shè)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(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行改造，比如機艙風(fēng)機系統(tǒng)、機艙冷卻水系統(tǒng)、客船的話還可以對上建通風(fēng)系統(tǒng)等系統(tǒng)的電氣控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
2.2節(jié)能管理方法
以往粗放式的設(shè)備管理方式不利于船舶輔機電氣節(jié)能，企業(yè)應(yīng)當(dāng)結(jié)合相關(guān)節(jié)能技術(shù)對原有的管理方式進(jìn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集層獲取船舶輔機系統(tǒng)中所有電器設(shè)備的運行狀態(tài)、工況參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等，而后數(shù)據(jù)在通訊交互層內(nèi)進(jìn)行傳輸，經(jīng)過通訊交互層被傳輸?shù)浇K端管理層，在終端層結(jié)合操作標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，在終端層的界面上可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，操作人員根據(jù)判斷結(jié)果可以直接在終端層中下達(dá)指令，指令將再次通過終端管理層傳輸?shù)娇刂茍?zhí)行層，控制執(zhí)行層主要由若干個電氣設(shè)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(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，實現(xiàn)設(shè)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(zhǔn)的對船舶輔機電氣設(shè)備進(jìn)行管控，同時系統(tǒng)可以結(jié)合提到的自動化系統(tǒng)和先進(jìn)的智能化系統(tǒng)程序，不僅能實現(xiàn)降低輔機電氣設(shè)備能耗的目標(biāo)，還能提升管理實施性、減輕人工負(fù)擔(dān)、增強管理質(zhì)量，因此節(jié)能綜合管理系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價值和必要性。在節(jié)能綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用中，還需針對不同輔機電氣設(shè)備有針對性地進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)定，最大化地發(fā)揮每個系統(tǒng)的作用。
3結(jié)語
現(xiàn)代船舶輔機電氣能耗大的問題愈發(fā)嚴(yán)重，須采取相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)與節(jié)能管控策略來降低能耗。船舶輔機電氣設(shè)備的能耗降低不僅有利于船舶企業(yè)的節(jié)能減排和經(jīng)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(dāng)下是有重大意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]溫明成.船舶輔機電氣設(shè)備節(jié)能技術(shù)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(shù)研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2020,(13):2.
作者:王侃 李琳 單位:上海船舶設(shè)計院
