船舶辅机电气设备节能技术探析
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摘要：针对船舶辅机电气设备的节能技术展开研究，整理分析船舶辅机电气设备能耗的主要原因，明确设备节能技术可行性，阐述节能技术的策略，并提出节能综合管理策略方案。通过研究，将各类节能技术成功融入船舶辅机电气设备运行中，结合节能管控策略，可大幅度减少能源消耗。分析可知，当前普遍船舶的辅机电气设备电能消耗较大，经济负担较重，加剧了能源生产和环境治理的负担，节能技术的应用推广迫在眉睫。正确合理利用节能技术，充分发挥节能技术的作用是解决能量消耗问题的关键。
关键词：船舶电气；电气节能；节能技术
0引言
近年来我国外贸领域发展势头迅猛，2021年前11个月进出口总值35.39万亿元，同比增长22%，这使得航运业需求不断增大。因此国内外用船数量和用船吨位等级都明显加大，从而加剧突显了船舶能效问题，其中包括船舶辅机电气设备的能耗问题。船舶辅机电气设备能耗较大的问题一直存在，以往整体性低且受关注度较少，也并未得到太多重视。但这些年船舶大型化的发展使得船舶整体的辅机电气能耗总量大幅上涨，故引起了业界广泛关注与高度重视。在此背景下，如何降低船舶辅机电气能耗成为了业界研究的方向，也是本研究主要解决的问题。前人对于船舶辅机电气节能技术进行了很多研究，如温明成[1]指出船舶辅机电气系统在整个船舶系统结构内相对独立，关系到船舶是否能够正常航行，而以往船舶制造中为了提高船舶的航行速度等，普遍会使用大功率设备来运作，加之疏于管理，设备常处于全天候运作状态，由此带来较大能耗，同时大部分船舶的辅机电气设备是交流异步电机设备，这种设备在负载压力较大的情况下会出现功率因数下降的现象，进一步加大能耗。针对这些现象，温明成认为要根据船舶设计针对性的节能技术方案，并加强技术控制力度；麦克宁[2]提到现代世界各国都存在能源短缺的问题，而这个问题短时间内无法解决，因此当下我国最需要做好的工作就是尽可能地节省能源。从这一角度出发，船舶辅机电气设备能耗较大的问题已经是“旧调重弹”，其作为船舶比较主要的能耗负载来源理应得到重视，针对这一需求设计有针对性的智能管控技术方案，这是解决问题的关键。前人对于船舶辅机电气设备节能的研究有很大帮助，但在应用和效果上还有待提升，因此将针对这一空白展开更深一步的分析和研究。
1船舶辅机电气设备能源损耗现状与要点
1.1能耗现状
以某船运公司的全年统计数据为基础展开分析，该企业主要船舶多为螺旋桨推进船，所搭载的辅机电气设备大多为交流异步电机，常态下功率因数为0.5~0.9。该企业体量规模大，拥有船舶数量众多，因此很早就关注辅机电气设备能耗问题，为了降低能耗展开了多项研究工作，诸如收集船舶辅机电气设备实时数据、制定船舶辅机用油计划、设立船舶辅机节能标准、展开辅机设备使用管理培训等，这些工作确实能使该企业船舶辅机整体能耗有所下降，但与预期相比还有较大差距，且通过这些手段改善的船舶辅机整体能耗有限。根据数据显示，该企业船舶个体的辅机电气实际能耗超过标准12%左右，可见该企业船舶辅机设备能耗的严重性，进一步改善船舶辅机设备能耗对于该企业意义重大。另外，这种现象在其他企业中也普遍存在，区别仅在于数值程度上。因此，根据现象普遍性可知造成这种结果的主要原因在于船舶辅机电气设备的能耗关键并未被大众了解，使得合理的节能技术应用失准、节能管理方法不准确。从这一角度出发，要改善船舶辅机电气设备能耗大的问题，就必须先研究其根本原因，以便“对症下药”。
1.2能耗主要原因
根据业界普遍情况（主要参考现状中的案例企业）分析，船舶辅机电气设备能耗的主要原因分别为电动机运作、电气设备控制系统和电气设备管理，下文将对各大原因的具体内容进行分析。1）电动机运作电动机是船舶辅机系统中的主要设备，大体可分为直流电机和交流电机，这2种类型的电机在船舶辅机系统中均有广泛应用。常态下辅机设备运作稳定，电机能耗处于合理区间内。但船舶在实际航行中会受到很多外部因素的干扰，直接影响了电气设备的运行工况，因此船舶实际航行中电动机的工况非常多变。多变的工况会导致辅机系统的负载、电网电压等发生变化，如果出现辅机系统输出功率超过额定功率的现象，电动机造成的能耗就会大幅增加。现实情况中，这种现象常发生在交流异步电动机的运作过程中，即多数船舶上设置的交流异步电动机的功率因数在常态下为0.5~0.9，当辅机系统功率降低时，辅机电气设备的负载也将大幅降低，达到轻载状态可能还会接近空载状态，功率因数将大幅下降，造成电网电流的无功功率增长，电网电损、能量消耗增大。值得注意的是，虽然电动机的主要能耗来源于交流异步电动机设备，但不代表能耗与直流电动机设备无关，相反直流电动机设备普遍具有电刷，运作中可能诱发电火花现象，该现象频繁发生会导致直流电动机受损，能耗也会不断提升。2）电气设备控制系统商船在电气设备控制方案设计时，依然采用简单的设备启动和停止控制方法，没有采用变频器等智能、节能的控制手段。其主要原因是由于船用智能控制设备价格昂贵，很难大范围地采用此种控制设备。但是如果依然沿用传统的启/停控制系统，会对船舶带来能效差、不环保等负面影响。以机舱风机的控制为例进行说明。首先在风机选型阶段由于设计要求，普遍会预留一定的设计裕量（5%~10%的通风量和10%~15%的风压）；此外由于风机厂家不同，相同的通风量和风压下选出的风机功率也有10%左右的差异。这就造成实际安装上船的风机和真正需要的风机功率会有15%~20%的差异。对于这些裕量，一般的调节手段是采用节流板或挡板式阀门等方法来进行调节。用这些节流方法虽然简单，但只是简答粗暴地增加阻力来进行调节，既不经济，又不环保，且会产生较大噪音。如能对风机增加变频控制，可以根据风机负载对风机的转速进行平滑的调速，使风机始终工作在最佳状态，既可以提高风机效率，降低电能消耗；又能减少不必要的噪音，满足船员工作环境的要求；还能延长风机和电机的寿命。通过这个案例可以了解，采用变频控制和智能控制后，能给船舶节能减排带来很大的帮助。特别EEXI和CII等指标要求日趋严格，越来越多的船东也意识到这类智能化控制系统的重要性。3）电气设备管理船舶辅机电气设备能耗大的问题除了与设备本身有关，也与电气设备管理员的人为因素有密切关系，即无论设备本身是否存在能耗较高等问题，其始终只是一种工具，如何运用工具取决于实际操作人员。如果企业在船舶辅机电气设备管理中存在漏洞，那么即使设备已采用了节能电机和智能控制系统，也依然会造成能耗过大的问题。从这一角度出发，现代企业虽然已经开始有意识地对船舶辅机电气设备能耗进行管理，但管理方式依旧老套，整体依然处于粗放式管理状态。例如企业只要求操作人员控制设备运作时间，却没有意识到如何去实现节能，理应提高设备本身的应用效率；又或者在设定辅机电气设备的最高额定功率时，没有保留裕量，这导致设备受损效率加快，带来较大能耗和损失。诸如此类的问题在包括船舶界内的很多领域并不罕见，基本上是行业通病。只有提高了节能意识，才能不断地加强对设备的管理，才能最大限度地实现降低能耗的目标。
2船舶辅机电气节能技术应用策略与节能管理方法
以上三大问题实际上可以分为两类，其一是设备技术型，其二是管理型。因此根据问题分类，需要采用节能技术应用策略与节能管理策略来予以分别处理。
2.1节能技术应用策略
船舶辅机电气节能技术主要针对解决电动机和电气设备控制系统问题，内容如下：1）电动机节能技术应用电动机是大多船舶辅机设备的动力源，是船舶电网中重要的直接用电负荷。可以通过对船舶辅机设备的电动机进行节能改造，使得整个船舶辅机系统的用电量得到降低，从而整个船舶达到节能减排的目标。例如在条件允许的情况下，尽量多采用永磁电机来代替交流异步电机，永磁同步电机比交流异步电机有如下几大优势：①效率高、环保节能。永磁同步电机与传统的交流异步电动机相比，永磁电机是通过永磁体来建立磁场不需要无功励磁电流，因此能够大幅度的提高功率因数。因此一般永磁电机比同规格的交流异步电机的效率提高2%~8%，并且效率高，可以使用较小功率的永磁电机来替代原较大功率的交流异步机，解决了能源浪费的问题。②永磁同步电机的特性曲线相比交流异步电机在轻载时效率要高很多，且高效运行范围广，一般负责率在20%~100%范围内，效率都大于90%以上。但是交流异步电机，只有当负载率大于70%以上，效率才能达到90%以上。由于设计裕量和设备选型的原因，电动机往往长时间工作70%以下负载率的时间较长，这就造成如选用交流异步电机，会造成能效效率低。而永磁同步电机即使在轻载区，也能保持较高的效率，永磁同步电机相比异步电机的优势很明显。③体积小。相同功率下的永磁同步电机的体积要比交流异步电机小，可以大大提高设计人员的便利度，可以方便设计人员进行设备布置设计、电缆和管路放样设计。永磁电机的启动电流较大且很难实现降压启动，因此在永磁同步电机选择时要结合发电机功率进行分析。2）电气设备控制系统节能技术应用船舶辅机电气设备控制系统同样是能耗“大户”，针对其能耗问题，一般建议采用变频控制等智能化控制策略。如针对船舶通风系统，首先建议将风机原始的启动停止控制改为变频压控制，这样可以让风机根据其实际需求进行调速控制，降低电机功率，减少电机不必要的高速运转。其次如果条件允许，建议在控制系统中安装自动化程序，并且加装相应的传感器，这样能够使整个系统根据事先设计的要求进行自动化运作，避免不必要的电能输出，且保障风机运作效果满足现实需求。诸如通过传感器监测舱室内空气流量参数，当监测参数低于设定值时自动化程序会通过系统发出控制指令，促使风机自动运转，当空气流量达到标准值后自动停止，减少风机等设备不必要的运行，从而减少能源损耗。总体而言，全船电气系统较多，分类也较为明确，没有必要对全船的电气设备的控制系统进行改良，且这样做的成本也较大。因此可以针对几个能耗较大的系统的控制策略进行改造，比如机舱风机系统、机舱冷却水系统、客船的话还可以对上建通风系统等系统的电气控制策略进行优化设计。
2.2节能管理方法
以往粗放式的设备管理方式不利于船舶辅机电气节能，企业应当结合相关节能技术对原有的管理方式进行改革，通常需要建立节能综合管理系统。节能综合管理系统主要由4个层级组成，分别是数据采集层、通讯交互层、终端管理层和控制执行层。节能综合管理系统运作时先通过数据采集层获取船舶辅机系统中所有电器设备的运行状态、工况参数和环境数据等，而后数据在通讯交互层内进行传输，经过通讯交互层被传输到终端管理层，在终端层结合操作标准对数据进行筛选和分析，在终端层的界面上可以对数据进行判断，操作人员根据判断结果可以直接在终端层中下达指令，指令将再次通过终端管理层传输到控制执行层，控制执行层主要由若干个电气设备智能控制单元组成，每个单元在接到终端管理层指令后就会对相应的设备进行调控，实现设置的控制要求。从这一角度出发，节能综合管理系统能够让操作员更高效、更精准的对船舶辅机电气设备进行管控，同时系统可以结合提到的自动化系统和先进的智能化系统程序，不仅能实现降低辅机电气设备能耗的目标，还能提升管理实施性、减轻人工负担、增强管理质量，因此节能综合管理系统具有较高的应用价值和必要性。在节能综合管理系统应用中，还需针对不同辅机电气设备有针对性地进行控制参数设定，最大化地发挥每个系统的作用。
3结语
现代船舶辅机电气能耗大的问题愈发严重，须采取相应的节能技术与节能管控策略来降低能耗。船舶辅机电气设备的能耗降低不仅有利于船舶企业的节能减排和经济压力，还能缓解国家环保方面的压力，在世界环保要求加剧的当下是有重大意义。
参考文献：
[1]温明成.船舶辅机电气设备节能技术研究[J].中国机械,2020,(8):2.
[2]麦克宁.船舶辅机节能控制与管理技术研究[J].产业与科技论坛,2020,(13):2.
作者:王侃 李琳 单位:上海船舶设计院
