船舶辅机电气设备节能技术研究

阳世荣 王云鹤 吴团结 夏伟 曹晨

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

1 引言

相对于陆地电网来说，船舶电网是一个独立的小容量系统[1]，而船舶辅机是船舶电网的主要用电负荷之一。由于船舶所携能源有限，辅机耗电量过大必然会占用船舶主推进设备所需的能源份额，影响船舶航行续航力的提升，从而导致航运成本增加，也不符合国家能源政策中的节能减排要求。因此，采用节能技术，降低辅机能耗，是提升船舶续航力、降低运营成本的有效途径，在世界能源形势日益紧张的今天，意义十分重大。

船舶辅机主要包括泵和风机[2]，一般采用电动机直接驱动的方式运行，因此电动机及控制装置等辅机电气设备是船舶电网的直接用电负荷，也是节能技术的具体应用对象。另外，经济节能还与辅机运行的使用管理模式密切相关。所以，本文将从电动机、运行控制和使用管理等三个方面对船舶辅机电气设备节能技术进行分析和阐述。

2 电动机节能技术

电动机是辅机运转的动力源，也是船舶电网主要的直接用电负荷，因此电动机效率的高低是节能与否的直接因素。另外，多数船舶辅机，如冷却水泵、主轴滑油泵、通风机、空调压缩机等，在整个航行期间均处于连续运行状态，连续运转的电动机，其效率的改善对降低电机能耗的影响尤为明显。由于运行时间较长，即使电动机效率只提高一点点，整个航行期间累计节省的电能也是相当可观的。

根据船舶电网电制的不同，目前的船舶辅机电动机包括直流电动机和交流异步电动机两大类。由于船舶航行工况发生变化，会引起辅机负载变动或者电网电压产生变化，从而导致辅机电动机的输出功率偏离额定功率，出现“大马拉小车”的现象，此时电动机效率急剧降低，电能损耗大大升高。另外，对于交流异步电机而言，其功率因数一般为0.8左右，当辅机负载降低较多时（如接近空载时），功率因数也大大降低，导致电网电流的无功分量增大，网损增加；而直流电动机由于存在电刷，运行期间的机械换向会引起电火花，需定期清理或更换电刷，电机维护工作量较大。

近年来发展迅速的永磁同步电动机，为解决船舶辅机电动机存在的上述问题、提高电动机能效，提供了一条有效的技术途径。永磁同步电动机的转子由永磁体材料构成，转子侧无感应电流，不存在转子磁滞损耗和涡流损耗[3]，提高了电机效率；由于无需转子励磁，电机功率因数可接近于1[3]，减小了定子电流，进一步提高了电机效率，同时也改善了电网品质，降低了网损；全功率范围内效率高，即使负载降低到额定负载的25%时，永磁电动机效率仍可达到90%以上。永磁电动机启动转矩大，可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的一般电机，较好的解决了“大马拉小车”的现象[4]。此外，永磁电动机还具有温升低、体积小、重量轻的优点，并且不存在电刷，维护性好，特别适合作为船舶辅机电动机。随着稀土永磁材料生产工艺水平的提高和量产成本的下降，永磁电动机以其在高效节能方面无可比拟的优势，在发电、冶金、陶瓷、纺织等工业领域得到了广泛的应用[3]。永磁同步电动机作为船舶辅机配套电机的应用条件已经成熟。

基于永磁同步电动机宽范围高效率和高功率因数的优点，选用永磁同步电动机，作为船舶辅机的电力驱动设备，是提高辅机电气设备能效的最直接有效的途径。

3 运行控制节能技术

船舶辅机大多为风机、泵类负载[2]，对于船舶这样一个中小型管网系统来说，风机、泵的流量需求经常随航行工况的不同而发生变化。由于船舶辅机的额定功率一般按满足最大流量需求的原则进行设计，因此，船舶辅机的流量调节大多为向下调节。目前，船舶辅机进行流量调节时，往往采用截流的方式，即减小出口处风门或阀门的开度，实质是通过增加管路阻力来限制流量，此时电动机的转速基本不变，电功率基本不变，大量电能白白浪费在管路损失上。

风机、泵是典型的平方转矩类型负载，其流量q、扬程H、功率p和转速n之间的关系如式（1）所示。

从式（1）可以看出，风机、泵的流量与电动机转速成正比，所消耗的电功率与电动机转速的三次方成正比，且电功率正比于流量与扬程的乘积。因此，在管路特性不变时，采用降低转速的方式来减小流量，能够取得明显的节能效果。

风机、泵采用调速方式减小流量与截流方式减小流量的对比分析如图1所示。图1中，M为阀门全开时的工作点，对应转速n、流量qVM、扬程HM和管路特性曲线 I。当采用截流方式减小流量时，由于出口阀门关小，管路阻力增加，管路特性曲线由I变为 I'，但是此时的电动机转速n没有变化，辅机工作特性曲线没有变化，因此工作点沿着原有的工作特性曲线从M移至A，此时对应转速n、流量qVA、扬程HA和管路特性曲线 I'。当采用调速方式减小同样的流量时，由于管路特性没有变化，转速降低，辅机工作特性曲线平行下移，工作点沿着原有的管路特性曲线I由M移至B，此时对应转速 n'、流量qVA、扬程HB和管路特性曲线 I。由于风机、泵消耗的电功率正比于流量与扬程的乘积，所以图1中阴影部分面积HA-A-B-HB表示采用调速方式减小流量时所节省的电力。从上述分析可以看出，采用调速的方式减小流量，尤其是在长期运行的情况下，节省的电能是相当可观的。

图1 调速方式减小流量与截流方式减小流量的对比

如上文中所述，辅机电动机采用永磁电动机后，由于电机转速即为同步转速，转速表达式为式（2），且电动机效率不会随转速降低而降低，更加符合节能要求。

其中，n为电动机转速，f为供电频率，p为电机极对数。由于电机转速与供电频率成正比，因此采用变频的方式对电机转速进行无级调节是最佳的调速方式。随着大功率电力电子器件发展日新月异，电动机变频调速技术发展也日益成熟，为船舶辅机运行的变频调速节能提供了技术基础。另外，由于变频调速装置的输入电源既可以是交流电也可以是直流电，因此，采用永磁电动机与变频调速装置构成的辅机电力传动系统可以直接接入船舶电网中，无需改变电网结构，降低了改造成本。

采用变频调速装置对船舶辅机的运行转速实施控制，根据系统的实际流量需求，实时动态的调节辅机转速以控制流量输出，节能效果十分明显。需要说明的是，如式（1）及图1所示，当转速下降时，风机、泵的扬程随转速下降呈平方下降关系，因此，进行调速节能时，必须同时考虑扬程是否满足系统需求，因而调速范围不能太大，一般在额定转速70%～100%的范围之内[5]。

4 使用管理中的节能技术

目前，船舶辅机的使用管理仍比较粗放，大多仅为投切台数的简单管理，只要求满足基本的供水、供风等要求，没有从提高全船电能利用效率的角度对辅机整个运行过程实施最优管理。由于辅机的额定功率输出一般按照满足系统最大需求的原则进行设计，并且依据设计规范，还需要保留一定裕量，以保证辅机的长期使用效果。但是，系统实际运行工况往往达不到最大需求，而辅机使用的简单管理方式无法根据系统工况的变化实时调节辅机能量输出，因此存在大量的能源浪费现象。所以，采用节能技术优化全船辅机的运行过程控制，从使用、管理的角度提高辅机运行效率，实现辅机电气设备节能综合管理，是辅机节能又一重要技术途径。

节能综合管理的基本原理为：采用信息技术获取系统的实际运行工况参数及相关环境参数，根据系统实际工况需求，采用变频调速、减载控制等技术手段实时调节辅机的能量输出，实现能量的按需分配和精细管理，达到节能增效的目的。节能综合管理的主要对象包括船舶航行期间长时间连续工作的辅机设备，如冷却水泵、空调装置、通风机组等等。这些设备工作时间长，其流量供给往往随航行工况变化而变化，因此实施节能综合管理能够带来明显的节能效果。

在冷却水泵节能管理方面，根据海洋环境温度、船舶热负荷工况状态、冷却水泵出口温度及压力等信息，通过实施变频调速、冷却水泵运行台数控制等技术措施实时调节冷却水的供给量，当系统热负荷较低或外部海水温度较低、换热效率较高时，可降低冷却水供给量，既能满足系统温升控制要求，又能最大程度节约电能。

在空调装置节能管理方面，采用变频压缩机及变频调速空调风机，根据舱室人员分布、舱室温湿度、外部环境温度、冷媒水温度等信息，在满足人员需求和舱室环境要求的前提下，自动调节制冷量，实现空调的经济运行。空调装置是航行期间的能耗大户，主要是为人员服务的[6]，当空调区域人员减少或者舱室环境温度不高的情况下，通过调速自动减小空调功率；当空调区域无人时，及时关闭相应的空调制冷，降低空调能耗。

在通风机组节能管理方面，根据舱室大气成分含量、大气温湿度、空气压力等信息，并结合航行工况状态，采用变频调速方式实时调节风机供风量。当大气环境质量较好，可降低电机转速以减少风量供给，既节约了电能也降低了通风噪声。

节能管理侧重于运行过程的优化控制与管理，重点在于如何使辅机流量供给与系统实际需求实现经济匹配。通过节能管理，使得辅机流量输出同步跟踪实际需求变化，以满足需求为前提进行按需供应，基本实现不滞后、不多给、不少给，从而达到节能降耗的目的。

5 结论

船舶辅机电气设备节能是一个系统工程，上文所述的永磁电动机、变频调速和节能综合管理等节能技术不是孤立的，而是相辅相成、互为依托的。永磁电动机的应用提高了设备本身的效率，其良好的宽功率范围效率指标及调速性能，为控制层的节能优化提供了技术基础；控制层的变频调速技术又为系统层的节能综合管理提供了技术基础；在系统层的节能综合管理下，各项节能技术相互协调，共同实现节能降耗的目标。从船舶电网的角度来说，船舶辅机节能综合管理实质上是基于节能目的的电网负荷智能管理，这对船舶智能电网技术的发展具有明显的积极意义。

总之，船舶辅机电气设备的研究重点，以前一般着眼于综合自动化，以实现无人机舱、远程监控为技术发展方向。笔者认为，今后船舶辅机电气设备的发展还需要重点关注节能方面的技术研究，以提高全船辅机运行的效率，降低能耗，从而提升船舶续航力、降低航运成本，在倡导节能减排的今天，意义十分重大。

[1]汪雄飞.船舶电网中电机起动方式选择之探讨[J].船舶设计技术交流,2008(3):42-46.

[2]徐立,刘杰.船舶动力装置中的异步电动机变频调速节能技术[J].船海工程,2008,37(3):62-64.

[3]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4]邓穗湘,沈雄.永磁电机在船舶电力推进中的应用和仿真[J].航海技术,2005(4):43-46.

[5]中国电工技术学会编.风机水泵调速节能手册[M].北京:机械工业出版社,1987.

[6]魏安,吕代臣.远洋船舶空调装置冷却水节能分析[J].船海工程,2009,38(2):67-69.