謝 坤

(1. 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064；2. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

船舶能量流通分析及綜合利用技術(shù)研究

謝 坤1,2

(1. 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064；2. 上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

針對船舶航行時能量浪費等問題，以柴油動力船舶為研究對象，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)對船舶的能量綜合利用技術(shù)開展初步研究。首先，考慮到柴油動力船舶動力由正常航行時柴油動力、應(yīng)急航行時蓄電池動力兩大部分組成，從源頭出發(fā)，分析正常、應(yīng)急航行時全船能量流通的主要環(huán)節(jié)，清理、總結(jié)能量“浪費”現(xiàn)象。同時，以全船用電負(fù)荷清理入手，明確長期負(fù)荷、典型負(fù)荷，對典型負(fù)荷的能量流通和利用情況開展分析；最后，提出全船能量流通存在的主要問題，并從解決問題出發(fā)提出能量綜合利用的初步想法或技術(shù)方案。

能量浪費；流通分析；綜合利用；節(jié)能

0 引 言

目前，能源短缺問題已成為世界各國密切關(guān)注的重要問題。我國的能源形勢十分緊張，能源供需矛盾突出，受技術(shù)水平制約，許多能耗設(shè)備效率較低，在能源緊張的同時還存在著比較嚴(yán)重的浪費現(xiàn)象。因此，節(jié)能是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的長期戰(zhàn)略任務(wù)。隨著柴油價格上漲，航運成本大幅提高，船舶綜合節(jié)能已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題。

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、機械能等相互轉(zhuǎn)化的過程，如船舶的電能來源于燃料的化學(xué)能，推進(jìn)電機及輔機的機械運動來源于電能，電能轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生大量的熱，最終又由電力驅(qū)動的空調(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)對全船能量流通環(huán)節(jié)進(jìn)行清理，開展特性分析研究，進(jìn)而站在全船能量管理和統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計的層面，研究制定全船能量綜合利用技術(shù)方案[1–3]。

本研究以柴油動力船舶為研究對象，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)對船舶的能量綜合利用技術(shù)開展初步研究。具體思路是：考慮到柴油動力船舶動力由正常航行時柴油動力、應(yīng)急航行時蓄電池動力兩大部分組成，從源頭出發(fā)，分析正常、應(yīng)急航行時全船能量流通的主要環(huán)節(jié)，清理、總結(jié)能量“浪費”現(xiàn)象。同時，以全船用電負(fù)荷清理入手，明確長期負(fù)荷、典型負(fù)荷，對典型負(fù)荷的能量流通和利用情況開展分析。最后，提出全船能量流通存在的主要問題，并從解決問題出發(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 正常航行能量流通分析

船舶柴油動力正常航行時，全船能量流通主要分2 條支路：支路 1 通過柴油發(fā)電機組將柴油、空氣燃燒中產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，并進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，再通過全船電網(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 2 通過柴油機發(fā)電機組運行，將柴油、空氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為附加的熱能，通過冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)排出船外[4–6]。船舶柴油動力正常航行時船舶用電能量、非電能量主要流通環(huán)節(jié)如圖 1和圖 2 所示。

可見，柴油動力正常航行時，柴油、空氣中化學(xué)能的約 25% 轉(zhuǎn)化為電能，供給推進(jìn)負(fù)荷和非推進(jìn)負(fù)荷，剩余的約 75% 轉(zhuǎn)化為熱能。熱能中的絕大部分通過水冷系統(tǒng)排至船外，部分熱量由船艙內(nèi)空氣吸收，通過空調(diào)系統(tǒng)降低空氣溫度。

此外，柴油供應(yīng)中同時配置駁運模塊、供油模塊、高壓油泵，未能從總體設(shè)計、系統(tǒng)配置、設(shè)備實際需求協(xié)同考慮，增加了柴油傳輸環(huán)節(jié)，流量、揚程需求與電機功率的匹配性較差，增大了系統(tǒng)能耗。

1.2 應(yīng)急航行能量流通分析

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

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，充放電過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€能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)[7–9]。

為簡化對象，僅分析蓄電池放電過程的能量流通情況。蓄電池動力應(yīng)急航行時的能量流通也分為 2 條支路。其中，支路 1 通過蓄電池活性物質(zhì)的“成流反應(yīng)”產(chǎn)生電能，再通過全船電網(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 2 將蓄電池放電過程中產(chǎn)生的熱能通過自然散熱或水冷系統(tǒng)排出船外。蓄電池動力應(yīng)急航行時船舶用電能量、非電能量主要流通環(huán)節(jié)如圖 3和圖 4 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)來決定，放電電流越大，蓄電池發(fā)熱量也越大。對于量級較大的焦耳熱效應(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)船舶計算參數(shù)及經(jīng)驗，匯流排及其接觸電阻、補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。

蓄電池動力應(yīng)急航行時，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，需開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，蓄電池動力應(yīng)急航行時，蓄電池本身產(chǎn)生的能量浪費較小，可不計。

1.3 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、軸系、螺旋槳、船體等多個能量傳遞環(huán)節(jié)[10–12]。對于柴油動力船舶，推進(jìn)負(fù)荷電能量主要流通環(huán)節(jié)如圖 5 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 PT= PE/ηH，其中 ηH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 PD= PT/（ηr×ηp），其中 ηr為，ηp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，尾軸前、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)電機的系統(tǒng)效率包括了推進(jìn)電機本體的效率、推進(jìn)電機控制器的效率。由于推進(jìn)電機輸出額定功率較低，推進(jìn)電機本體內(nèi)部風(fēng)摩損耗、銅耗、鐵耗以及推進(jìn)電機控制器內(nèi)部的開關(guān)損耗、附加損耗等均變化不大，導(dǎo)致推進(jìn)電機的系統(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)電機效率等多個方面開展優(yōu)化，其中軸系損耗降低、推進(jìn)電機高效配置或設(shè)計是重點。

1.4 輔機負(fù)荷能量流通分析

1.4.1 柴油機系統(tǒng)輔助用電能量流通及利用情況

柴油機系統(tǒng)的輔助用電主要包括系統(tǒng)控制用電、冷卻用電。一般而言，船舶裝備了若干臺柴油機和 1臺發(fā)電機控制柜，控制柜內(nèi)包含若干臺柴油機發(fā)電機組的控制單元。由于控制柜為共用設(shè)備，柴油機系統(tǒng)控制用電不能根據(jù)柴油機的開啟數(shù)量而變化，直接導(dǎo)致船舶柴油機系統(tǒng)的控制用電功耗較大。

柴油機系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)能量流通見圖 2。考慮柴油機海水冷卻泵、淡水冷卻泵等長期或臨時負(fù)荷時，冷卻系統(tǒng)的功耗較大。

因此，除控制用電功耗較大、需開展節(jié)能優(yōu)化以外，控制柴油機系統(tǒng)的輔助用電，還應(yīng)著重控制冷卻系統(tǒng)功耗，加強柴油機余熱的利用。

1.4.2 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、輔機艙和主機艙等若干個空調(diào)分區(qū)?？照{(diào)系統(tǒng)的能量主流通情況如圖 6 所示。

空調(diào)系統(tǒng)制冷時，空調(diào)冷水機組的制冷壓縮機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空調(diào)冷媒水泵經(jīng)水管路送往各個空調(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組，在冷水機組的蒸發(fā)器中被吸收熱量后降低溫度，然后再送往各個空調(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。這部分制冷量通過制冷劑、冷媒水、空氣等多種工質(zhì)的傳遞，最終釋放到船舶艙室中，吸收艙室熱量，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)備運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的損耗和人員活動釋放的熱量，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，各配套電動機的效率偏低，導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)換效率不高；冷水機組的制冷量與實際開啟的空調(diào)器的制冷量不一致，導(dǎo)致實際使用時的能源浪費。

1.4.3 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)兩個部分。船舶淡水冷卻系統(tǒng)的用戶只有蓄電池、柴油機，水冷系統(tǒng)的能量流通情況如圖 2和圖 4 所示。

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

可見，蓄電池動力應(yīng)急航行時，可開啟小流量的軸系海水泵，不開啟蓄電池海水冷卻泵，減少了水冷系統(tǒng)能耗。但是，船舶柴油動力正常航行和蓄電池動力應(yīng)急航行時，開空調(diào)時輔機海水冷卻系統(tǒng)的配置遠(yuǎn)大于冷水機組的需求，存在一定的能源浪費。

1.4.4 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、柴油發(fā)電機等電源設(shè)備發(fā)出的電能，經(jīng)電網(wǎng)設(shè)備轉(zhuǎn)換、傳輸至負(fù)載的過程。如圖 1和圖 3 所示，電力系統(tǒng)的能量流通包括 2 個支路：一是經(jīng)蓄電池開關(guān)板（或發(fā)電機控制板）、推進(jìn)控制板傳輸給推進(jìn)電機；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電網(wǎng)負(fù)荷。

對于支路 1，能量流通過程的損耗主要來自于電網(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。

對于支路 2，能量流通過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，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 2 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)。

1.4.5 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)電機和應(yīng)急推力軸承提供滑油，潤滑軸承，兼顧用于裝載、移注滑油和滑油艙清洗等。僅針對航行期間的供油功能對軸系滑油系統(tǒng)能量流通情況分析如圖 7 所示。

可見，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。雖然軸系滑油系統(tǒng)功能較多，但考慮其是航行時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，避免功能冗余帶來的功率配置的浪費。

2 “能源浪費”現(xiàn)象分析

2.1 柴油機余熱未充分利用 + 冷卻系統(tǒng)直接吸收

柴油機余熱非常大，該部分熱量未考慮綜合利用。同時，僅采取冷卻水循環(huán)的方式將其排出船外，增加了水冷系統(tǒng)負(fù)荷，從另一方面造成了電能浪費。

2.2 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 1 臺冷水機組的制冷量相當(dāng)，應(yīng)著力減少系統(tǒng)損耗。同時，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)，造成電能浪費。

3 能量綜合利用方案與對策

3.1 能量流通路徑清晰，但實際消耗情況不明，應(yīng)加強實際能量利用的監(jiān)測

通過清理、分析，船舶柴油動力正常航行、蓄電池動力應(yīng)急航行時的能量流通路徑已比較清晰，但實際能量消耗情況不明，是深入開展能量綜合利用的最大困難。一方面，根據(jù)船舶理論設(shè)計參數(shù)開展能量綜合利用，且理論數(shù)據(jù)不全，難以全面開展理論需求—供應(yīng)的匹配性分析；另一方面，受現(xiàn)有條件限制，船舶使用過程中的真實能耗情況無法獲取，難以進(jìn)一步開展理論設(shè)計—實際需求的匹配性分析。因此，應(yīng)建立實際能量利用的監(jiān)測系統(tǒng)，便于進(jìn)一步開展節(jié)能優(yōu)化。

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

柴油機自耗電較高，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)能控制角度開展優(yōu)化配置。

3.3 推進(jìn)負(fù)荷各環(huán)節(jié)的效率偏低，應(yīng)開展新技術(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)用高效率電動機等多個方面開展優(yōu)化，既可直接提高航速，也有利于全船電能的優(yōu)化利用。

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

本質(zhì)上，水冷系統(tǒng)是吸收、排出船舶航行過程中各系統(tǒng)、設(shè)備、人員產(chǎn)生的熱能的系統(tǒng)。從能量守恒的角度，實現(xiàn)全船能量綜合利用，最終效果是實現(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)在柴油機余熱利用、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，或通過水冷系統(tǒng)實現(xiàn)熱能的綜合調(diào)配，例如應(yīng)用溫差發(fā)電技術(shù)等，實現(xiàn)綜合利用。

3.5 對于節(jié)能工況，應(yīng)從總體設(shè)計角度加強節(jié)能設(shè)計優(yōu)化

按前述分析，船舶柴油動力正常航行、蓄電池動力應(yīng)急航行時的能量流通路徑較清晰，負(fù)荷使用情況相對固定。應(yīng)針對節(jié)能工況下的柴油輸送、空氣供應(yīng)、電能產(chǎn)生、電能傳輸、電能利用等各環(huán)節(jié)加強總體的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計。例如，柴油輸送過程中，通過總體優(yōu)化設(shè)計，減少不同柴油艙間柴油轉(zhuǎn)運的耗能、減少駁運環(huán)節(jié)，在保證安全的基礎(chǔ)上減少管路節(jié)流閥組的設(shè)置等。

4 結(jié) 語

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

隨著柴油價格上漲，航運成本大幅提高，船舶綜合節(jié)能已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題。本文以柴油動力船舶為研究對象，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)對船舶的能量綜合利用技術(shù)開展初步研究。首先，考慮到柴油動力船舶動力由正常航行時柴油動力、應(yīng)急航行時蓄電池動力兩大部分組成，從源頭出發(fā)，分析正常、應(yīng)急航行時全船能量流通的主要環(huán)節(jié)，清理、總結(jié)能量“浪費”現(xiàn)象。同時，以全船用電負(fù)荷清理入手，明確長期負(fù)荷、典型負(fù)荷，對典型負(fù)荷的能量流通和利用情況開展分析；最后，提出全船能量流通存在的主要問題，并從解決問題出發(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 ship energy flow analysis and its comprehensive utilization technology

XIE Kun1,2
(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Aiming at the problem of energy waste in ship navigation, the energy distribution of the ship is studied by analyzing the energy flow of the ship. First of all, taking into account the power of the diesel engine by the normal navigation of diesel power, emergency power, the battery power of the two major components, from the source, the analysis of the normal, emergency navigation of the main part of the whole ship energy, clean, summary of energy waste phenomenon. At the same time, the whole electric load of clean, clear and long-term load, the typical load, to carry out the analysis and utilization of typical load energy circulation; finally, put forward the main problems of ship energy circulation, and put forward a preliminary idea of the comprehensive utilization of energy or technology from solving problems.

energy waste；flow analysis；comprehensive utilization；energy-saving

TN830.5

A

1672–7619(2017)05–0065–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.013

2016–05–15；

2016–07–25

國家自然科學(xué)基金資助項目(61501419)

謝坤(1986–)，男，博士研究生，工程師，主要從事光機電液一體化、船舶電氣自動化方面的研究。