船舶轴带发电机选型及节能分析

殷宗学，周海涛，王 远，李茂永

船舶轴带发电机选型及节能分析

殷宗学，周海涛，王 远，李茂永

（中远海运重工有限公司设计研究院，上海 200135）

在新船设计中，为了满足2025年IMO能效设计指数（EEDI）第三阶段的要求，需要大幅降低碳排放。增加船舶轴带发电机（轴发）是最便捷的方案，不仅可以有效降低船舶CO2排放，而且还可以节能从而降低营运成本。本文从轴发的驱动方式、运行工况、功率需求方面出发，得出轴发系统的合理配置方案及其与主机功率的配合，并对轴发的节能效益对船舶经济性的影响进行了分析。本文提出的方案对船舶的绿色设计具有参考价值。

EEDI 降低碳排放 轴带发电机 节能 船舶

0 引言

众所周知，当前船舶市场总体持续低迷，而高效节能、低碳环保、智能化并满足最新国际公约的新船型设计，将成为三大主力船型细分领域寻求突破的方向。各国政府和IMO对船舶温室气体减排的要求越来越严苛，能效设计指数（EEDI）第三阶段要求也将在2025年实施，尤其根据最新MEPC 75次大会决议，集装箱船及杂货船等船型将于2022年4月1日提前实施，因此设计公司及各大船厂积极运用新节能技术、替代燃料、新能源及降低航速等减排措施来提高适用船型的EEDI指数值。在不采用替代燃料的情况下，只基于广泛采用的节能措施，很难实现EEDI第三阶段目标，因而不得不寻求其它新方案。轴发节能技术因为其相对比较成熟可靠，能有效降低船舶总油耗和减少辅机的维护，从而可以显著节省营运成本，成为目前可选的减排方案。如某设计公司研究指出好望角型以下散货船，只需在原配置基础上使用轴带发电机就较容易达到EEDI III要求；在大型油船上，轴发也可以配合其他节能措施一起使用；在大型集装箱船上，轴发可以充分利用剩余功率达到节能减排的效果。下面主要针对轴发系统的选型及与主机的功率配合、节能等方面进行可行性及经济性分析探讨。

1 轴发驱动及系统组成

轴带发电机即在主机驱动螺旋桨旋转的同时还一并带动发电机运转，利用轴带发电机发电向船舶电网输出功率（PTO），传统船舶采用轴带发电机主要基于如下两个方面原因：

1）通常船舶上主机额定功率有10%以上的裕度，而正常航行时所需的电量一般不会超过这个功率（约为主机额定功率的5 %左右），所以在不增加主机容量情况下依靠主机带动轴发向电网供电是可行的，并且主机效率要比柴油发电机组的效率高，能达到一定的节能效果。如此配置往往还可减少1台主柴油发电机组的设置，可有效减少柴油发电机组的运行台数及时间，优化了机舱布置和减少维护成本。

2）在经济航速下主机较长时间处于低负荷状态，其效率不高，耗油率还会增加。为此充分利用主机剩余功率来带动轴带发电机，此时主机功率为轴带发电机功率+螺旋桨功率，这样可使主机一直运转在效率较高的区域，减少燃油消耗量。一般燃油耗费大概占船舶营运费用的50%～60%，因此采用轴发会表现出非常大的经济效益。

目前市场上轴发系统驱动方式主要有三种方案[1]：

方案一：高速轴发带恒频率齿轮单元，通过机械-液压转速控制使主机在70%～105%的转速范围内保证发电机的频率不变，无需额外配备变频器，其总效率约为90%。

方案二：在主机输出端通过中间轴直接驱动抱轴式低速轴发或经齿轮箱驱动低速轴发，需配置变频器控制其电力输出，其总效率约为91%。

方案三：由主机通过增速齿轮箱驱动轴发，要求主机保持恒定的转速，系统可以不用配变频器，但只适用于带可调桨（CPP）的船舶，其总效率约为92%。

以上三种方案中轴发都可安装在主机前端或输出端，驱动方式及系统组成见图1所示。在实船选取时需根据其主推进系统型式，并考虑机舱空间、投资成本及回报周期、船舶运行工况等多方面因素。

轴发本身通常采用同步发电机，并有两种励磁方式（电励磁/永磁），永磁轴发虽然在低转速时具有高效率的优势，但其成本较高，永磁轴发还需变频器配合使用。目前的轴发系统，为了保证轴发与柴发长期并联运行，也需要配备变频器。另外，为了更好隔离谐波，可以增配一台变压器。因此在轴发系统电气方面选型时需综合考虑电力系统及运行工况等因素。

2 轴发运行工况和配置

根据船舶运行工况和轴发特性（图2）可知，如果船舶配置了可调桨(CPP)，主机一直运行在定转速模式，那么在正常航行和进出港工况下都是可以使用轴带发电机的；但对采用定距桨(FPP)的船舶，由于在进出港时，主机转速较低，及有时还需要紧急倒车或停车，工况比较复杂，因此船舶在进出港时不使用轴带发电机，需要运行主发电机组供电。

图1 轴发驱动方式及系统组成简图

图2 轴发特性曲线

按照常规货船运行工况及采用低速主机+定距桨推进方式，轴发装机数量和运行工况见表1。

从表1可知，一般船舶配置的轴带发电机的容量应与一台主发的容量相当。从使用情况来看，常规散货船可以减少一台柴发，而其他船型并不能减少原柴发的配置。同时也可看出，方案一由于系统不配变频器，无法解决与主发电机组长期并联运行，且恒频率齿轮单元是RENK的独有技术，价格较高，在初投资成本上不占优势[1]，同时也增加了系统的故障风险，使系统更加复杂，并需要更多的维护工作，因此，综合考虑技术和成本，更多船型适合采用方案二的驱动方式。另外，为了不改变机舱区域的总长度和主机安装位置，主机前端空间往往有限，故一般在主机输出端安装轴发，又因船艉部线型比较窄，采用直接抱轴式低速轴发会更加合适，可减少齿轮箱的安装空间及日后维护成本。

表1 轴发配置及使用情况

3 轴发与主机功率配合

如前所述，采用轴发就是要充分利用主机的运转裕度和剩余功率[2]，而并不要求在船舶所有工况下都使用轴发，如果为了满足全运行工况下都使用轴发，很可能使主机的原SMCR（选定最大持续功率）点都要变大，这样会增大主机辅助系统的配置规格，甚至会增大主机的CMCR（合同最大持续功率），导致设计成本大量增加，违背了使用轴发的初衷，因此只需考虑所需工况下（经济或主要几个航速点）主机功率配合问题，即在一定的主机转速范围内保证轴发可以发出所需电量，若在其他工况下电量达不到要求，就需自动起动备用柴发与轴发一起并联运行。

相对来说集装箱船的运行工况比较复杂，下面就以集装箱船为例说明与主机功率匹配问题。如某箱船所选主机CMCR为47,880 kW × 80.0 r/min，正常航行时轴发所需从主机得到的总机械功率约为3,785 kW。主机带轴发功率限制曲线[3]（Line10）见图3所示。

本船在不同航速下的初步预估功率及对应主机转速见表5所示（表5第1，2，3列）。通过主机厂商给出的计算公式[3]（1）可得到所选定航速下主机最大输出功率，从而可得出最大剩余功率（见表5第5列所示），即最大允许轴发的机械功率。

⑤-主机最大运行限制功率曲线，⑦-主机额定运行功率曲线，⑧-主机轻载（LRM）功率曲线，⑩-带轴发限制功率曲线

式中：-所选主机功率（kW）；PCMCR主机功率（kW）；–所选主机转速（rpm）；n-CMCR主机转速（rpm）；2/1/0-系数，见表4所示。从表5可看出，以16～18 knots航速正常航行时，轴发一直能发出所需的电功率，在其他航速下也能保证有一定比例的电功率输出。因此在不更改主机的选型，保持原辅助系统设计的情况下，就能满足船舶正常的操纵需求。

表4 功率换算系数表

表5 不同航速下功率及转速

4 轴发经济性分析

同样以某集装箱船为例进行节能经济性分析。根据船东提供的航线运营信息，可估算出1年内大概可以共计正常航行约99008海里。另外，船东也给出1次航程内各航速下运行时间的占比，这样就可估算出集装箱班轮在各航速下一年内一共实际航行的天数，具体信息见表6所示。

表6 航线及航速信息表

表7 主机和发电机组燃料消耗表

根据估算各航速下的功率点和厂家资料，可得出主、辅机的相关油耗、气耗率，见表7所示。

表8列出的节省成本依据主机带轴发和不带轴发两种运行模式，分别从主、辅机的燃油、燃气、滑油、气缸油和维护成本方面比较本船在这两种模式下的营运成本差。若不计其他费用的差别(差价不大)，船舶在正常航行下利用轴发系统节能是可行的，所增加轴发系统的初期投资费用可在船舶营运约7.25年后就可以全部回收成本，这说明使用轴发系统是既可以达到节能又有一定的综合经济效益。如果是常规散货船型，因轴发可以代替1台柴发，因此其经济性会更好。

表8 各航速下投资回报率估算表

5 结论

本文主要研究轴发的驱动方式、功率配合及节能效益，增加轴发系统可以降低总油耗减少CO2排放，轴发促进对船型EEDI计算值的提高。未来市场将倾向能效水平更高，EEDI指数更低的船舶，未来绿色环保船舶的设计势在必行，各船企要深入挖掘新规范带来的市场需求和机遇。

[1] 李俊, 王文中. 轴带发电机在船用低速主机上的应用[J]. 船舶设计通讯, 2014(2): 62-65.

[2] 姜孟文. 轴带发电机和主机的功率配合[J]. 船舶工程, 1983 (05): 40-42.

[3] 宋强，王爱平，史孝华. 20.5万吨散货船轴带发电机系统的设计[J]. 船舶工程, 2015 (1): 127-130.

[4] 中国船舶工业集团公司. 船舶设计实用手册.电气分册[M]. 北京: 国防工业出版社, 2013.

Analysis of Marine Shaft Generator Type-Selection and Energy Saving

Yin Zongxue, Zhou Haitao, WangYuan, Li Maoyong

(Design and Research Institute of COSCO Shipping Heavy Industry CO., LTD., Shanghai 200135, China)

In order to meet the requirements for phase III of IMO energy efficiency design index (EEDI) in 2025 for ships, carbon emissions need to be greatly reduced. The solution of adding shaft generators (SG) is proposed.

U665.1

A

1003-4862（2021）10-0020-04

2021-08-10

殷宗学（1981-），男，工程师。研究方向：船舶及海洋工程电气研发设计。E-mail:yinzongxue@cosco-shipyard.com