高端客滚船动力能源节能技术

兰 攀，杨显义

（招商局金陵船舶威海有限公司，山东威海 264205）

0 引 言

与普通船型相比，高端客滚船具有众多大型用电负载，能源消耗较多，其岸电设备，以及船上的轴带发电机、柴油发电机和应急柴发等动力能源设备一般根据电力负荷计算书和船东的要求配置，在停泊、进出港和航行工况下，船上的用电负载会随着工况的改变产生较大的变化，发电机的功率输出无法稳定在经济值，柴油机会出现持续高油耗的情况，即使都配置电站管理系统（Power Management System，PMS），也只能根据用电负载进行简单的发电机功率分配，存在安全隐患和能源浪费问题。

为弥补PMS无法进行能源消耗管理的缺陷，同时满足部分港口的污染物排放要求，为高端客滚船额外配置一套能源管理系统（Energy Management System，EMS），并将其与能源存储系统（Energy Storage System，ESS）和PMS相结合，在满足发电机功率分配需求的同时，对柴油机的经济消耗值进行计算和管理，达到节能减排的目的。

1 现状分析

目前，PMS广泛应用于船舶电站管理中，利用PMS计算系统的在线负载，通过控制柴油发电机的启停实现动力能源补给。当柴油发电机负载低于85%柴油发电机容量时，单台柴油发电机运行；当柴油发电机负载增至85%柴油发电机容量时，启动备用柴油发电机后均摊负载；当2 台柴油发电机负载均增加至85%柴油发电机容量时，启动第二备用柴油发电机，3 台柴油发电机并车均分负载；当轴带发电机模式被激活时，其逻辑控制方式与柴油发电机相同，也可并车均分负载。

3 台柴油发电机和2 台轴带发电机作为主要的动力能源，均有燃油消耗，且随着负载的变化，其油耗量并不是恒定的，对于船舶节能减排而言，如何降低燃油消耗，使发电机一直工作在经济负荷状态，是现阶段需深入研究的课题。

理论上看，柴油发电机输出功率发生变化并不会引起油耗发生变化（见图1a）。由图1a 可知，负载从20%增加到100%时，油耗保持195 g/（kW·h）不变。但是，在实际工作中，柴油发电机的输出功率与耗油量成不规则变化（见图1b）。由图1b可知，柴油发电机最经济的油耗为195 g/（kW·h），最经济的输出负载为85%，此时柴油发电机的效率最佳。

图1 柴油发电机输出功率与油耗的关系

2 能量存储和系统结构

EMS的主要功能是对PMS和ESS的工作逻辑进行合理优化，对燃料能源和电量存储进行控制，ESS 主回路集成在轴带发电机变频控制系统中，增加蓄电池单元（Battery Unit，BU）进行能量存储（见图2）。

图2 EMS带ESS系统的基本逻辑框架图

由于需符合安全返港（Safety Return to Port，SRtP）相关要求，因此设计双套系统，分别布置在前机舱和后机舱，根据电力负荷计算结果，前后机舱各设计1 套2.5 MW·h的BU进行能量存储。

柴油发电机和轴带发电机的多余能源用来给ESS充电。当ESS处于充电状态时，自动调整充电功率，作为补偿负载介入电力电网系统；当ESS处于放电状态时，可作为电网的动力来源；当船舶靠港时，ESS可作为岸电模式供电，其充放电功率均可调整，大功率设备的突加突卸、电网中的电压和频率波动需满足中国船级社（China Classification Society，CCS）规范的要求。

3 ESS能量储能原理

ESS由BU和集成在变频柜内的控制回路构成（见图3），其中BU 为2.5 MW·h/1 100 V DC 容量的蓄电池组，通过变频柜内的控制回路与直流汇流板连接，按船舶不同航行工况实现对能量存储和释放的逻辑控制。

图3 ESS原理回路

系统以柴油发电机85%经济负载为参照值，配合EMS，可自动对ESS 的放电功能进行调整。当耗电负载为50%左右（小于经济负载）时，ESS 作为负载进行能量存储，见图4a；当柴油发电机输出负载为85%左右时，ESS不工作，保持待机状态等待命令，见图4b；当柴油发电机输出负载为95%左右（大于经济负载）时，ESS 释放电能，与柴油发电机并联运行供电，共同承担负载用电，见图4c；当柴油发电机输出负载小于等于35%时，EMS可切断柴油发电机供电输出，由ESS释放电能单独供电，见图4d；当前后机舱ESS 同时在网时，EMS 需二次计算在网电力负载，同样以经济负载为基准，进行能源合理分配；若BU能量过低，则可开启ESS 充电模式，给BU补充能量，此时ESS在手动模式下开启，见图4e。

图4 ESS在发电机经济负载下的能量传输

3.1 航行模式

当船舶在海上航行时，其EMS控制模式有8 种：

1）轴带发电机供电、ESS充电模式，采用轴带发电机供电，ESS充电储能；

2）轴带发电机和ESS供电模式，采用轴带发电机供电，若负载增加，则ESS释放能量补给电网；

3）轴带发电机单独供电模式，采用轴带发电机单独供电，当动力负载处于经济值时，ESS处于待机状态；

4）柴油发电机单独供电模式，采用柴油发电机单独供电，当动力负载处于经济值时，ESS处于待机状态；

5）柴油发电机供电、ESS充电模式，采用柴油发电机供电，ESS作为动力负载进行充电储能；

6）柴油发电机供电、ESS 放电模式，采用柴油发电机供电，当电力负载过高时，ESS 释放能量进行电网补给；

7）柴油发电机供电、轴带发电机供电、ESS充放电混合模式，采用轴带发电机和柴油发电机并车供电，若负载偏小，则ESS充电储能，反之ESS释放能量进行电网补给，ESS根据负载变化自动更换工作状态；

8）ESS供电模式，采用ESS单独供电。

3.2 操纵模式

当船舶侧推运行时，其EMS控制模式有7 种：

1）柴油发电机单独供电、轴带发电机单独供电模式，柴油发电机给负载屏单独供电，轴带发电机单独给侧推供电，ESS处于待机状态；

2）轴带发电机单独供电、ESS单独供电模式，ESS单独给负载屏供电，轴带发电机单独给侧推供电；

3）轴带发电机单独供电、柴油发电机供电模式，柴油发电机给负载屏和侧推供电，轴带发电机单独给侧推供电，ESS处于待机状态；

4）ESS单独供电、柴油发电机供电模式，柴油发电机给负载屏和侧推供电，ESS给侧推供电，但不给负载屏供电；

5）ESS单独供电、轴带发电机单独供电、柴油发电机单独供电模式，柴油发电机单独给负载屏供电，ESS与轴带发电机同时给侧推单独供电；

6）柴油发电机供电模式，柴油发电机给负载屏和侧推供电，ESS处于待机状态；

7）ESS供电模式，ESS给负载屏和侧推供电。

3.3 停泊模式

当船舶在码头停靠时，其EMS控制模式有5 种：

1）柴油发电机单独供电模式，柴油发电机单独给负载屏供电，ESS处于待机状态；

2）柴油发电机供电模式，柴油发电机给负载屏供电，同时给ESS补充能量；

3）柴油发电机供电、ESS供电模式，柴油发电机给负载屏供电，若负载偏大，则ESS放电进行电网补给；

4）岸电单独供电、ESS供电模式，通过岸电单独给负载屏供电，若负载偏大，则ESS 调整为放电状态进行能量补给，并与岸电并联使用，反之ESS切换为充电状态储能，ESS可根据负载变化自动更换工作状态；

5）ESS单独供电模式，ESS单独给负载屏供电。

4 结 语

本文对ESS弹性储能的节能方案进行了分析，研究了整个EMS 下最经济的运行工况，为解决高端大型客滚船的动力节能问题提供了新的思路。但是，EMS、PMS和ESS建立的整个节能系统只能根据在线负载的总功率有效降低能源消耗，使船舶时刻处于最经济的油耗状态，而系统并未从用电负载的角度解决能源消耗问题，如全船存在大量照明和空调设备，目前的设计并未从节能的角度考虑这些设备运行的合理性，因此整船的电力系统仍需对所有的用电设备进行工况分析，研究设计全船的负载管理系统，将在网负载总功率降至最低，配合本文所述EMS，将能源消耗降至最低。