高效节能 绿色变频 ——变频技术在船舶领域的应用

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随着国民经济的快速增长,我国航运业和造船业取得了令人瞩目的成就,但同时也付出了巨大的资源和环境代价,如何能够合理利用能源、降低能耗已成为船舶行业最为关心的问题之一。


2011年7月,国际海事组织(IMO)通过了国际防止船舶污染海洋公约(MARPOL)附则VI“防止船舶污染大气的规定”的修正案,在此修正案中新增加了船舶能效设计要求,从2013年1月1日起,能效设计指数(EEDI)对新造船正式生效。这些船舶领域强制性的国际减排规则,对各国航运和造船行业产生深远影响。面对越来越严苛的减排规则和高昂的燃油费用,人们开始寻找更加行之有效的节能减排技术,而变频技术作为一种高效节能技术在造纸、金属、采矿、水泥、电力、化工等行业及生活领域取得了良好的效果,随着船舶对节能减排要求的不断提高,变频技术在船舶领域也有了越来越多的应用。


1、电力推进系统


目前,船舶主要驱动方式是柴油机通过轴系带动螺旋桨,这种驱动方式有两个显著特点。首先,柴油机的燃油消耗率随其额定转速先降低再升高,而只有运行在80%至90%的额定转速时,燃油消耗率才会达到最低值,这样为了更好的燃油经济性,柴油机就需要工作在一定的转速范围内;其次,作为负载的螺旋桨在外界工况的变动下,柴油机负荷不断变化,导致其不能一直运行在最佳工作区,尤其当柴油机在低转速低负荷工况下运行时,燃油消耗率变高,经济性严重下降。


将采用变频驱动的电力推进技术引入到船舶推进系统中,上述问题会大大改善,对同一功率的船舶而言,可以保证柴油机始终在最佳工作区内,不仅燃油喷射和燃烧状况良好,还有效减少了排放。此外,通过使用变频器不仅可以有效提高电网功率因数,减少功率损失,还能实现驱动电机的软起动,降低起动时对电网的冲击。


近年来,各个国家对船舶变频驱动技术的研究如火如荼,ABB、SIEMENS等公司都已陆续开发出成套产品。以ABB公司的ACS系列变频器为例,其不仅具有标准化的通讯接口,灵活的编程功能,还具有多种应用宏,使用方便,性能稳定,并且其内部集成了多种高性能变频控制技术,如:U/f恒定控制技术,矢量控制(VC)技术,直接转矩控制(DTC)技术等,这样可以根据用户的不同需求选择不同的控制模式。据了解,今年1月中旬,ABB公司获得丽星邮轮公司两艘邮轮的推进系统订单,该推进系统采用基于交流变频技术的电力推进系统,相比传统柴油机推进系统,其燃油消耗能减少20%至25%,据初步估算,这样一周可节省的燃油约为65吨,减少的CO2排放量约为200吨,减少的NOX排放量约为3.8吨。


相比之下,我国在变频技术的研究及应用起步较晚,而且实现变频技术的关键元器件如功率半导体、驱动电路、电解电容等都要依赖进口。目前,中船重工第七一二研究所已具备电压等级为3300V,容量为5MVA变频器的研制能力,还正在开发更高电压等级、更大容量的产品。


2、冷却水系统


为了保证船舶能在全球航行,冷却水系统中各个设备往往根据最大冷却需求及冗余等因素设计,然而在船舶实际运行过程中,不同工况对冷却水的需求量是不同的。由于传统的冷却水系统采用固定数量泵组,冷却水泵的运行台数和实际的电力消耗一直是在额定工况下,不能够根据实船主机负荷变化和海水温度变化来调节所需的冷却水量,这势必会造成能源的浪费。鉴于此,基于变频技术的船舶冷却水系统应运而生。

表1 主海水泵能耗对标

图1 变频海水泵

据悉,ABB公司已为中远船务造船厂在建的一艘30000载重吨的多用途船提供了船舶冷却水系统变频技术的解决方案(图1),其中的主海水泵通过变频技术来实现。目前,变频技术在冷却水系统上的应用还处于初步阶段,国外一些集装箱船,散货船和少数油船已有应用;但在我国仅有少数工程船,多用途船在冷却水系统中采用变频技术。


3、空调、风机


变频空调和变频风机在陆地上的应用已屡见不鲜,但由于投资成本偏高、安装复杂等原因,变频技术在船舶空调和风机上的应用却寥寥无几。随着电力电子技术的不断发展和节能减排要求的提高,变频技术在船舶空调和风机的应用正逐渐增多。


在传统的船舶空调设计中,空调制冷与制热机组的容量是按照房间最大冷热负荷需求来确定,并且留有一定余量。这样无论用户负荷如何变化,各电机始终都在工频状态下的额定转速运行,虽然可以满足用户最大冷热负荷,但并不具备随用户负荷的变化而动态调节系统功率的能力,这样对于较小的用户负荷会造成很大的能源浪费。使用变频技术后,电机的输出功率随冷热负荷的变化而变化,可以在满足使用要求的前提下达到最大程度的节能要求。


此外,在船舶风机系统使用变频技术同样可以产生意想不到的节能效果,以意大利的Costa Serena号邮轮来说,ABB公司使用ACS 550变频器对其船上的所有风机进行节能改造并设计了风机变频解决方案(图2),据初步估算,在Costa Serena号上,一年节省的燃油约是1270吨,减少的CO2排放量约为4000吨,减少的NOX排放量约为72吨,同时由于减少了风机的操作次数和操作时间,延长了设备维修周期。

图2 基于变频技术的风机设备组成单元


4、舵机系统


船舶在安全航行过程中,需要具有良好操纵性能的舵机来保持或改变航向,并且在船舶靠泊期间能迅速到达目的地。目前,在舵机的液压系统中,绝大多数液压泵是由异步电机拖动,电机在工频下按额定转速运行,执行元件所需的流量只能靠改变变量泵的排量来实现,这样就造成了在小流量时电机与泵仍需高速运转,不但使机件容易磨损,效率较低,而且系统的故障率也较高。


将变频技术引入到舵机的液压系统中,通过改变异步电机电源频率来调节电机转速,进而满足执行元件的速度要求。与传统的节流调速相比,采用变频调速的舵机液压系统回路效率相对较高,节能率在20%以上;如果应用回馈型变频器,制动负载时能量回馈电网,节能率在40%以上,这样不仅加强了舵机的机动性,减少了对电网的冲击,还实现了对变量泵的流量、转向实时调节,此外,通过取消换向阀、流量阀、压力阀,使得液压换向简单、可靠、平缓、冲击小、可靠性高、环境适应性强。


据了解,罗罗公司为中海油服公司设计的UT788CD型深水三用工作船“海洋石油681”采用了变频舵机系统,电动液压舵机型号为SV650-3(图3)。在整个方案中,每组舵机配有两个由变频电机驱动的双向变量泵,其中变频电机的额定功率为26kw,额定电压/频率为3x690V/60Hz。


图3 UT788CD型深水三用工作船舵机


5、吊机、绞车


起货机和绞车都是船舶上重要的甲板机械,按驱动方式来分,主要有液压式和电动式。液压吊机工作平稳,并且具有较好的制动能力,但其效率较低,加工精度要求很高,制造安装比较复杂,维护成本较高;电动吊机操作简单,维护成本低,省去了液压阀件,大大简化了液压管路,减少了液压油的泄漏源,但工作在传统定频下的电动吊车一般只能采用变极三档调速控制,调速范围十分局限。


变频驱动技术不仅能实现对转速无级调速,还可以发挥电动吊机更好的工作特性(表2),并且在较大的转速范围内,为电机提供较为均匀的转矩。此外,变频器还具有力矩验证、转矩记忆、转矩监视、抱闸控制等专用功能,在甲板机械领域显示出广阔的应用前景。


表2 变频驱动与液压驱动



小结


目前,节能环保是大势所趋,各船舶公司也越来越关注降低环境风险、节省能源等航运理念。作为一种重要且极具潜力节能手段,变频技术已经在一些海洋工程船、破冰船、挖泥船、豪华邮轮、近海供应船、轮渡等船型中有一定程度应用。随着节能减排要求的日益严格以及船舶自动化水平的不断提高,相信未来变频技术在船舶领域的应用将愈加广泛。
来源:中船重工经济研究中心


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