试论船舶辅机节能控制与管理技术

试论船舶辅机节能控制与管理技术

曹彪

中交广州航道局有限公司广东广州510290

摘要：在船舶结构中辅机属于主要的耗能负载，对其采取节能控制技术，可减小对能源的消耗，实现船舶节能。本文简述船舶辅机的系统组成以及节能原理，分别从变转差调速、变级调速和变频调速等方面阐述节能控制技术，并对节能管理技术加以说明。

关键词：船舶辅机；节能控制；管理技术

引言

当前世界正面临着能源短缺问题，油价的上涨，提高了航运成本，因此，船舶节能成为航运界重点面临的问题。在船舶行驶过程中，辅机消耗了大量的能量，因此，加强对船舶辅机的节能控制研究以及节能管理技术等成为当前人们关注的重点。

1船舶辅机节能系统介绍

1.1系统介绍

船舶辅机主要分为两个系统，一是机械设备，二是电力拖动。其中电力拖动为电动机以及电机控制，属于辅机主要动力源，船舶电网的用电负荷就是源于此，所以辅机节能技术的研究重点就是对其电力拖动的节能性展开研究。辅机可为船舶其他系统提供服务，通常为风机或者泵类的负载，可满足船舶不同系统在运行过程对风、水、油的使用需求。当前辅机的电力拖动在控制方面相对简单，只设置了启停控制装置，因此电机不能使用电气形式对输出功率灵活控制，满足船舶航行过程辅机对能量的需求变化。

1.2节能原理

船舶辅机使用截流或者回流等方式，对流量进行调节，减少辅机实际供给流量。其中使用截流方式可将辅机中管路存在的阻力特征改变，例如：使用减小风机或者水泵出口位置的阀门开度，将管路内的阻力值增加，使风机和水泵中的流量减少。使用回流节能方式原理为，在水泵和风机的出口位置出设置一个并联形式的回流阀，如果其中的流量较大，可将回流阀开启，利用分流将输出流量减小，但是不改变辅机的电动机转速。使用这两种方式可能导致阀门振动频率增加，磨损过大，影响其使用寿命。对此，为优化辅机的节能方式，需要从其电机功率入手，保障其可灵活按照系统需求改变输出功率，提升电动机实际运行效率。将电机的控制形式改变，形成精准化的辅机管理。使用调速技术调节辅机的输出流量，促使其功率和系统需求变化相匹配。在辅机运行过程扬程和电机转速平方成正比。当辅机转速降低时，扬程也随之下降，所以可使用调速形式控制其节能。实践表明，当将辅机额定转速的调整范围确定在70%~100%之间，可满足扬程需求，实现节能控制[1]。

2船舶辅机的节能控制与管理技术

2.1节能控制方法

由于通过调整辅机的额定转速可实现对其节能控制。辅机在实际运转过程时通过电动机进行驱动，因此调节过程主要对象为电机转速。通常船舶辅机使用的为交流异步式电动机，这种类型电动机在运行时转速公式为，此公式中n代表电动机的转速，f代表供电频率，p代表电机极对数。S代表转差率，电动机的实际转速和同步转速之间成正比。在公式中电动机的转速和供电频率之间成正比，转速与极对数、转差率等成反比。由此可以看出可通过变转差、变级、和变频调速等实现改变电动机的转速。

2.1.1变转差调速

使用变转差调速主要是通过降压和转子串电阻等调速形式，将辅机中的电动机在转差过程的功率大部分消耗电阻上，使转差功率增加，实现将电动机的转速减小的目的。这种调速方式虽然降低了电动机的转速，但是并没有减小其对电能的消耗，实现节能的目的。同时使用这种调速方式还能使电动机变热，调速之后工作状态不够稳定等。

2.1.2变级调速

变级调速是一种分级别调速形式，这种调速方式下电动机的转速成倍下降。船舶辅机中风机和泵类的负载产生的机械特征属于二次曲线，扬程H、转速n、流量Q以及功率P之间的关系如公式：，，所示。辅机的扬程和转速的平方之间成正比，这种调速方式会导致各个档转速的变化过大，使扬程迅速下降，不满足辅机系统运行实际需求。

2.1.3变频调速

使用变频调速的方式可将电动机的供电频率改变，进而实现其转速的改变。调速形式平缓，不存在级别，因此可避免由于转差功率耗能增加的问题，可真正意义达到辅机节能的目的。在实际应用节能技术时，可使用变频调速的形式将电动机的运转速度进行更改。当前，使用变频调速技术属于辅机应用最佳节能方式、随着对电动机的变频技术应用不断成熟，为船舶领域实现辅机节能提供了有力的技术支持。由于辅机属于船舶中电网的主要用电负荷，因此通过提高电机的运行效率。可降低辅机对能量的消耗，进而实现航行过程的节能。

例如：当前船舶辅机使用的交流异步式电动机，运行效率可随转速其对额定工作位置产生的偏离而下降。要保障辅机的节能，应确保电机处于调速范围之内，其运行效率处于较高水平。因此可使用能灵活调速的电动机。使用永磁同步式电动机可高效解决交流异步式电动机运行过程产生的问题。使用永磁体作为材料，在转子的内侧没有感应电流，因此，不会产生转速损耗以及涡流损耗等问题，可有效提升电动机运行效率。在实际应用过程，不需要使用转子励磁，同时电机的功率因数可趋近1，将通过定子的电流减小，进而提高电动机效率。当负载比额定负载＜25%时，电动机的运行效率＞90%，因此这种类型电动机适合应用在对调速要求较高的船舶辅机中。除此之外，这种电动机还具有体积小、质量轻、升温慢、无电刷、便于维护等优势，因此应用在辅机的驱动电机中非常合适[2]。

应用变频调速和永磁电动机这两种节能技术便于对船舶辅机展开柔性化的控制，高效解决辅机在输出功率方面存在的问题，适合各种工作变化要求。使用柔性化的节能控制系统可灵活调节电动机的启停和调速。通过系统准确采集船舶运行实际信息，精准识别。计算、评估系统实际需求，进而对辅机的电动机转速进行灵活调节，实现节能目标。

2.2节能管理

当前船舶行业建立了一体化管理平台，为辅机的节能管理获得了精准的工况参数以及环境参数，便于对船舶辅机的灵活调速。在实际管理过程中，管理系统分为管理、控制、设备三个层次。系统通过管理层获取船舶动力系统的工况信息，以及导航信息，利用信息系统对船舶需求进行分析，计算出辅机最佳运行方案，之后控制人员按照具体方案对船舶展开集中控制，利用网络输出控制辅机的转速，实现船舶的节能管理。

例如：船舶当中空调、通风、冷却等系统中辅机的数量较多，分布广、功率大，管理系统可按照船舶实际航行工况、海水温度、热负荷等变化，通过节能管理系统，对辅机进行控制，取得了较好的效果。在空调系统的控制方面，使用变频调速技术，保障压缩机组、风机组等设备的功率可灵活调节，按照不同船舱内环境温度、室内湿度、人员数量、冷媒水温等数据信息，对空调的制冷量进行调节，既满足人员实际需求，又保障空调系统节能运行。在船舶当中，空调系统是高耗能系统，同时主要是为船员服务，所以应按照不同区域的人员数量以及船舱内的环境温度等，对空调功率准确调节。当人员少时应减小空调运行功率，当空调区域内无人员时，应立即将空调的制冷关闭，以降低其对能源的消耗[3]。

3结束语

总而言之，船舶的辅机节能技术以及管理技术，涉及到设备、控制、管理等方面内容。在实际应用过程，应在提高电动机的效率前提下，使用柔性控制促使辅机的输出功率更加平滑的调节。使用平台信息实现对不同辅机的综合管理，合理分配能量，降低辅机在船舶行驶过程的能量消耗。加强对辅机的节能控制以及管理技术的研究，为船舶行业的发展起到推动性作用。

参考文献：

[1]周志海.船舶辅机电气设备红外故障自动检测系统设计[J].舰船科学技术，2018，40（24）：94-96.

[2]占淼.基于智能控制的船舶辅机节能的技术探索与方案分析[J].中国水运（下半月），2016，16（03）：111-112.

[3]陈凌，戚永卫.变频调速在船舶辅机节能控制中的可行性分析[J].科技资讯，2013（15）：122-123.