電動(dòng)船舶能量流通分析與管理技術(shù)研究

桂永勝，謝 坤

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電動(dòng)船舶能量流通分析與管理技術(shù)研究

桂永勝1，謝 坤2,3

(1.海軍駐中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心軍事代表室，武漢 430064；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；3.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

針對(duì)船舶航行時(shí)能量浪費(fèi)等問(wèn)題，以電動(dòng)船舶為研究對(duì)象，分析船舶的能量流通情況，得出全船能量流通的初步特性，并以此為基礎(chǔ)對(duì)船舶的能量綜合利用技術(shù)開(kāi)展初步研究。首先，從源頭出發(fā)，分析船舶航行時(shí)全船能量流通的主要環(huán)節(jié)，清理、總結(jié)能量“浪費(fèi)”現(xiàn)象。同時(shí)，以全船用電負(fù)荷清理入手，明確長(zhǎng)期負(fù)荷、典型負(fù)荷，對(duì)典型負(fù)荷的能量流通和利用情況開(kāi)展分析；最后，提出全船能量流通存在的主要問(wèn)題，并從解決問(wèn)題出發(fā)提出能量綜合利用的初步想法或技術(shù)方案。

能量浪費(fèi) 流通分析 綜合利用 節(jié)能

0 前言

現(xiàn)今，能源短缺問(wèn)題已成為世界各國(guó)密切關(guān)注的重要問(wèn)題。隨著能源價(jià)格上漲，航運(yùn)成本大幅提高，船舶綜合節(jié)能已成為世界各國(guó)造船界和航運(yùn)界研究的重要課題。

船舶是典型的孤島型能量系統(tǒng)，航行期間任一工況變化都伴隨著化學(xué)能、電能、熱能、機(jī)械能等相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，例如，船舶的電能來(lái)源于燃料的化學(xué)能，推進(jìn)電機(jī)及輔機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)源于電能，電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，最終又由電力驅(qū)動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)及冷卻水泵等將熱量帶走。因此，控制船舶的用電量，首先應(yīng)對(duì)全船能量流通環(huán)節(jié)進(jìn)行清理，開(kāi)展特性分析研究，進(jìn)而站在全船能量管理和統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計(jì)的層面，研究制定全船能量綜合利用技術(shù)方案[1-6]。

本研究以電動(dòng)船舶為研究對(duì)象，分析船舶的能量流通情況，得出全船能量流通的初步特性，并以此為基礎(chǔ)對(duì)船舶的能量綜合利用技術(shù)開(kāi)展初步研究。具體思路是：考慮到電動(dòng)船舶動(dòng)力由蓄電池動(dòng)力提供，從源頭出發(fā)，分析船舶航行時(shí)全船能量流通的主要環(huán)節(jié)，清理、總結(jié)能量“浪費(fèi)”現(xiàn)象。同時(shí)，以全船用電負(fù)荷清理入手，明確長(zhǎng)期負(fù)荷、典型負(fù)荷，對(duì)典型負(fù)荷的能量流通和利用情況開(kāi)展分析；最后，提出全船能量流通存在的主要問(wèn)題，并從解決問(wèn)題出發(fā)提出能量綜合利用的初步想法或技術(shù)方案。

1 主要能量流通分析

1.1 蓄電池動(dòng)力航行能量流通分析

蓄電池動(dòng)力航行時(shí)，鉛酸蓄電池的成流反應(yīng)遵循“雙硫酸鹽化理論”，充放電過(guò)程中伴隨著Pb、PbQ2、H2SO4等物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O

根據(jù)法拉第定律和各有關(guān)物質(zhì)的電化當(dāng)量，鉛酸蓄電池每放出1 Ah的電量，需消耗活性物質(zhì)約12 g，即鉛酸蓄電池的理論比容量為約83.5 Ah/kg。同時(shí)，充放電過(guò)程中還存在可逆熱效應(yīng)、焦耳熱效應(yīng)、電池散熱以及蓄電池?zé)崛萘康榷鄠€(gè)能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)[7,8]。

為簡(jiǎn)化對(duì)象，僅分析蓄電池放電過(guò)程的能量流通情況。蓄電池動(dòng)力航行時(shí)的能量流通分為兩條支路。其中，支路一通過(guò)蓄電池活性物質(zhì)的“成流反應(yīng)”產(chǎn)生電能，再通過(guò)全船電網(wǎng)將電能分配給推進(jìn)負(fù)荷和必要的非推進(jìn)負(fù)荷；支路二將蓄電池放電過(guò)程中產(chǎn)生的熱能通過(guò)自然散熱或水冷系統(tǒng)排出船外。蓄電池動(dòng)力航行時(shí)船舶用電能量、非電能量主要流通環(huán)節(jié)如圖1、2所示。

船舶用鉛酸蓄電池硫酸密度較高，熱容量不大。因此，鉛酸蓄電池放電時(shí)主要體現(xiàn)為放熱，放熱量的大小由放電電流產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)來(lái)決定，放電電流越大，蓄電池發(fā)熱量也越大。對(duì)于量級(jí)較大的焦耳熱效應(yīng)，主要由蓄電池內(nèi)阻、匯流排及其接觸電阻、補(bǔ)償電纜電阻等產(chǎn)生的焦耳熱組成，各自的貢獻(xiàn)與電阻的大小成正比。根據(jù)船舶計(jì)算參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)，匯流排及其接觸電阻、補(bǔ)償電纜電阻是蓄電池內(nèi)阻的15倍以上，成為蓄電池放熱的主要原因。

蓄電池動(dòng)力航行時(shí)，放電電流不大，蓄電池艙的發(fā)熱量也不大，僅幾十瓦。當(dāng)蓄電池放電電流較大時(shí)，需開(kāi)啟蓄電池海水冷卻泵進(jìn)行冷卻，高速工況下，放電電流很大，蓄電池艙的發(fā)熱量可高達(dá)約幾十千瓦。

因此，蓄電池動(dòng)力航行時(shí)，蓄電池本身產(chǎn)生的能量浪費(fèi)較小，可不計(jì)。

1.2 推進(jìn)負(fù)荷能量流通分析

推進(jìn)負(fù)荷是指用于船舶電力推進(jìn)的負(fù)荷，主要包括推進(jìn)電機(jī)、軸系、螺旋槳、船體等多個(gè)能量傳遞環(huán)節(jié)。對(duì)于電動(dòng)船舶，推進(jìn)負(fù)荷電能量主要流通環(huán)節(jié)如圖3所示。其中，船舶推進(jìn)需要的功率即螺旋槳有效功率PE，與船舶航速、總阻力成正比。

螺旋槳發(fā)出的功率P=P，其中hH為船體效率，主要與伴流系數(shù)、推力減額分?jǐn)?shù)等有關(guān)，螺旋槳收到的功率P=P/(*)，其中為，為敞水效率，因此，船舶螺旋槳的效率取決于螺旋槳敞水效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和船體效率。

軸系損耗在高速工況下占總推進(jìn)功耗的比例不大，僅約5%。但在低速航行時(shí)，艉軸前、后軸承、推力軸承、彈性連軸器等主要連接設(shè)備中的摩擦、扭轉(zhuǎn)仍存在，將產(chǎn)生一定的損耗。由于總的傳遞功率較小，該部分損耗占比較大，導(dǎo)致軸系效率不高。

推進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)效率包括了推進(jìn)電機(jī)本體的效率、推進(jìn)電機(jī)控制器的效率。由于推進(jìn)電機(jī)輸出額定功率較低，推進(jìn)電機(jī)本體內(nèi)部風(fēng)摩損耗、銅耗、鐵耗以及推進(jìn)電機(jī)控制器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)損耗、附加損耗等均變化不大，導(dǎo)致推進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)效率不高。

因此，為減少推進(jìn)負(fù)荷，應(yīng)從船體需要功率、螺旋槳效率、軸系效率、推進(jìn)電機(jī)效率等多個(gè)方面開(kāi)展優(yōu)化，其中軸系損耗降低、推進(jìn)電機(jī)高效配置或設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。

1.3 輔機(jī)負(fù)荷能量流通分析

1.3.1 空調(diào)系統(tǒng)能量流通及利用情況

船舶空調(diào)系統(tǒng)通常由空調(diào)水系統(tǒng)和空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)組成?？照{(diào)水系統(tǒng)采用集中式中央供冷（暖）形式，空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)采用分區(qū)循環(huán)形式，即貨物艙、控制艙、乘客艙、輔機(jī)艙和主機(jī)艙等若干個(gè)空調(diào)分區(qū)?？照{(diào)系統(tǒng)的能量主流通情況如圖4所示。

空調(diào)系統(tǒng)制冷時(shí)，空調(diào)冷水機(jī)組的制冷壓縮機(jī)吸入低溫低壓的氟里昂氣體將其壓縮成高溫高壓的氟里昂氣體，氟里昂氣體進(jìn)入冷凝器后其熱量被經(jīng)過(guò)冷凝器的冷卻海水帶走而凝結(jié)成高壓的氟里昂液體，然后經(jīng)干燥過(guò)濾器后流入膨脹閥節(jié)流成為低溫低壓的氟里昂液體進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收冷媒水的熱量，氟里昂液體也變成低溫低壓的氟里昂氣體，再被壓縮機(jī)壓縮，如此循環(huán)往復(fù)，達(dá)到制冷目的。

被降溫的冷媒水通過(guò)空調(diào)冷媒水泵經(jīng)水管路送往各個(gè)空調(diào)末端設(shè)備，與空氣進(jìn)行熱交換，冷媒水在空氣熱交換器中被升溫后又回到冷水機(jī)組，在冷水機(jī)組的蒸發(fā)器中被吸收熱量后降低溫度，然后再送往各個(gè)空調(diào)末端設(shè)備，如此循環(huán)往復(fù)，達(dá)到降低艙室溫度的目的。

空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)消耗一定的電能，從外部吸收海水冷量，空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生制冷量。能量傳遞需要再消耗約一定的電能。最終導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)耗電約為產(chǎn)生、傳遞制冷所需能量的總和，空調(diào)系統(tǒng)的能耗較大。

船舶的艙室主要熱源是設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的損耗和人員活動(dòng)釋放的熱量，其中電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的發(fā)熱量占較大比例?，F(xiàn)有空調(diào)方案中，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多、各環(huán)節(jié)效率不高、系統(tǒng)配置較粗放是空調(diào)系統(tǒng)能耗較高的直接原因。例如，各配套電動(dòng)機(jī)的效率偏低，導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)換效率不高；冷水機(jī)組的制冷量與實(shí)際開(kāi)啟的空調(diào)器的制冷量不一致，導(dǎo)致實(shí)際使用時(shí)的能源浪費(fèi)。

1.3.2 水冷系統(tǒng)能量流通及利用情況

水冷系統(tǒng)的能量流通包括海水冷卻系統(tǒng)、淡水冷卻系統(tǒng)兩個(gè)部分。船舶淡水冷卻系統(tǒng)的用戶只有蓄電池、空調(diào)，水冷系統(tǒng)的能量流通情況如圖2所示。

船舶海水冷卻系統(tǒng)的用戶包括蓄電池淡水冷卻器、推進(jìn)電機(jī)空氣冷卻器、軸系滑油冷卻器、艉軸管密封裝置、空調(diào)冷水機(jī)組以及液壓油冷卻器、廚房空氣冷卻器等其他輔機(jī)設(shè)備。

可見(jiàn)，蓄電池動(dòng)力航行時(shí)，可開(kāi)啟小流量的軸系海水泵，不開(kāi)啟蓄電池海水冷卻泵，減少了水冷系統(tǒng)能耗。但是，船舶蓄電池動(dòng)力航行時(shí)，開(kāi)空調(diào)時(shí)輔機(jī)海水冷卻系統(tǒng)的配置遠(yuǎn)大于冷水機(jī)組的需求，存在一定的能源浪費(fèi)。

1.3.3 電力系統(tǒng)能量流通及利用情況

電力系統(tǒng)的能量流通是指由蓄電池等電源設(shè)備發(fā)出的電能，經(jīng)電網(wǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)換、傳輸至負(fù)載的過(guò)程。如圖1所示，電力系統(tǒng)的能量流通包括2個(gè)支路。一是經(jīng)蓄電池開(kāi)關(guān)板（或發(fā)電機(jī)控制板）、推進(jìn)控制板傳輸給推進(jìn)電機(jī)；二是經(jīng)直流斷路器板、直流配電板、逆變電源裝置、交流配電板及相應(yīng)的配電箱傳輸給輔機(jī)電網(wǎng)負(fù)荷。

對(duì)于支路一，能量流通過(guò)程的損耗主要來(lái)自于電網(wǎng)壓降引起的線路損耗，在高航工況下系統(tǒng)電流較大，線路損耗較高。

對(duì)于支路二，能量流通過(guò)程中的損耗除包括線路損耗外，還包括逆變電源裝置等電源轉(zhuǎn)換設(shè)備的轉(zhuǎn)換損耗。船舶逆變電源裝置的容量越大、額定效率越低，由此產(chǎn)生的損耗越大。

可見(jiàn)，電力系統(tǒng)的電能損耗主要在于線路損耗和電源設(shè)備的損耗，這兩部分損耗均以熱量的形式散發(fā)到艙室空氣中，是空調(diào)系統(tǒng)的主要熱源。因此，降低電力系統(tǒng)損耗，是降低空調(diào)系統(tǒng)制冷量，進(jìn)而減少空調(diào)系統(tǒng)能耗的基礎(chǔ)。

1.3.4 軸系滑油系統(tǒng)能量流通及利用情況

船舶的軸系滑油系統(tǒng)主要用于向推力軸承、推進(jìn)電機(jī)和應(yīng)急推力軸承提供滑油，潤(rùn)滑軸承，兼顧用于裝載、移注滑油和滑油艙清洗等。僅針對(duì)航行期間的供油功能對(duì)軸系滑油系統(tǒng)能量流通情況分析如圖5所示。

可見(jiàn)，滑油系統(tǒng)配置上存在滑油泵流量與滑油冷卻器流量不一致現(xiàn)象，且滑油泵流量、壓力遠(yuǎn)大于供油負(fù)荷的總需求，存在一定能源浪費(fèi)。雖然軸系滑油系統(tǒng)功能較多，但考慮其是航行時(shí)必不可少的常用連續(xù)負(fù)荷，建議系統(tǒng)配置上進(jìn)一步細(xì)化，避免功能冗余帶來(lái)的功率配置的浪費(fèi)。

3 “能源浪費(fèi)”現(xiàn)象分析—電力系統(tǒng)的損耗較大+未經(jīng)水冷由空調(diào)間接冷卻

即使在低速工況下，電力系統(tǒng)線路損耗和電源裝置的轉(zhuǎn)換損耗也較大，熱量與一臺(tái)冷水機(jī)組的制冷量相當(dāng)，應(yīng)著力減少系統(tǒng)損耗。同時(shí)，由于未采取水冷等直接換熱措施，這部分損耗散發(fā)至艙室，由空調(diào)系統(tǒng)間接換熱，增加了空調(diào)負(fù)擔(dān)，從另一個(gè)方面造成了電能浪費(fèi)。

4 能量綜合利用方案與對(duì)策

4.1 能量流通路徑清晰，但實(shí)際消耗情況不明，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)際能量利用的監(jiān)測(cè)

通過(guò)清理、分析，船舶蓄電池動(dòng)力航行時(shí)的能量流通路徑已比較清晰，但實(shí)際能量消耗情況不明，是深入開(kāi)展能量綜合利用的最大困難。一方面，根據(jù)船舶理論設(shè)計(jì)參數(shù)開(kāi)展能量綜合利用，且理論數(shù)據(jù)不全，難以全面開(kāi)展理論需求—供應(yīng)的匹配性分析；另一方面，受現(xiàn)有條件限制，船舶使用過(guò)程中的真實(shí)能耗情況無(wú)法獲取，難以進(jìn)一步開(kāi)展理論設(shè)計(jì)—實(shí)際需求的匹配性分析。因此，應(yīng)建立實(shí)際能量利用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，便于進(jìn)一步開(kāi)展節(jié)能優(yōu)化。

4.2 現(xiàn)有技術(shù)下，空調(diào)、水冷、滑油等典型非推進(jìn)負(fù)荷應(yīng)優(yōu)化配置

空調(diào)系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多、各環(huán)節(jié)效率不高，水冷、滑油系統(tǒng)的泵組過(guò)需求配置等，都是非推進(jìn)負(fù)荷較大的主要原因，應(yīng)從節(jié)能控制角度開(kāi)展優(yōu)化配置。

4.3 推進(jìn)負(fù)荷各環(huán)節(jié)的效率偏低，應(yīng)開(kāi)展新技術(shù)應(yīng)用或優(yōu)化

推進(jìn)負(fù)荷所列的各環(huán)節(jié)效率均不高，應(yīng)從船體線型優(yōu)化、減阻增效，應(yīng)用高效率推進(jìn)器，減少軸系固有損耗以及應(yīng)用高效率電動(dòng)機(jī)等多個(gè)方面開(kāi)展優(yōu)化，既可直接提高航速，也有利于全船電能的優(yōu)化利用。

4.4 應(yīng)從全船角度進(jìn)一步優(yōu)化水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本質(zhì)上，水冷系統(tǒng)是吸收、排出船舶航行過(guò)程中各系統(tǒng)、設(shè)備、人員產(chǎn)生的熱能的系統(tǒng)。從能量守恒的角度，實(shí)現(xiàn)全船能量綜合利用，最終效果是實(shí)現(xiàn)水冷系統(tǒng)排出熱量的最小化，最大限度的利用自生熱能。因此，應(yīng)在電力系統(tǒng)減損等基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減少推進(jìn)設(shè)備、大氣環(huán)境控制設(shè)備等設(shè)備的熱能釋放，或通過(guò)水冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱能的綜合調(diào)配，例如應(yīng)用溫差發(fā)電技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)綜合利用。

4.5 對(duì)于節(jié)能工況，應(yīng)從總體設(shè)計(jì)角度加強(qiáng)節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化

按前述分析，船舶蓄電池動(dòng)力航行時(shí)的能量流通路徑較清晰，負(fù)荷使用情況相對(duì)固定。應(yīng)針對(duì)節(jié)能工況下的電能產(chǎn)生、電能傳輸、電能利用等各環(huán)節(jié)加強(qiáng)總體的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)船舶航行時(shí)能量浪費(fèi)等問(wèn)題，對(duì)全船能量流通環(huán)節(jié)進(jìn)行清理，開(kāi)展特性分析研究，清理、總結(jié)能量“浪費(fèi)”現(xiàn)象，進(jìn)而站在全船能量管理和統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計(jì)的層面，從解決問(wèn)題出發(fā)提出能量綜合利用的初步想法或技術(shù)方案。

隨著能源價(jià)格上漲，航運(yùn)成本大幅提高，船舶綜合節(jié)能已成為世界各國(guó)造船界和航運(yùn)界研究的重要課題。本文以電動(dòng)船舶為研究對(duì)象，分析船舶的能量流通情況，得出全船能量流通的初步特性，并以此為基礎(chǔ)對(duì)船舶的能量綜合利用技術(shù)開(kāi)展初步研究。首先，考慮到電動(dòng)船舶動(dòng)力由蓄電池提供，從源頭出發(fā)，分析船舶航行時(shí)全船能量流通的主要環(huán)節(jié)，清理、總結(jié)能量“浪費(fèi)”現(xiàn)象。同時(shí)，以全船用電負(fù)荷清理入手，明確長(zhǎng)期負(fù)荷、典型負(fù)荷，對(duì)典型負(fù)荷的能量流通和利用情況開(kāi)展分析；最后，提出全船能量流通存在的主要問(wèn)題，并從解決問(wèn)題出發(fā)提出能量綜合利用的初步想法或技術(shù)方案。

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Research on Analysis and Its Management Technology of Ship’s Energy Flow

Gui Yongsheng1, Xie Kun2,3

(1. Naval Representatives Office in China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China; 2.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China;3.State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

TN830.5

A

1003-4862（2016）11-0057-05

2016-07-15

桂永勝, 男，碩士。研究方向：船舶能量管理。