现代节能型船舶电站及其自动化
大连船舶重工集团设计研究所有限公司 大连 116021 王笑虹 关勇
摘 要
本文主要针对当下全球关注船舶能效大背景下的船舶电站配置及相关自动化系统进行论述。内容包括能效设计指数（EEDI ）、现代节能型船舶电站的典型案例，诸如：节能型VLCC 电站配置、废气回收再利用系统（WHR ）的构成、节能型大型集装箱船的电站配置，以及船舶电站的自动化系统等。
关键词：EEDI 现代节能型船舶电站 WHR 电站自动化系统
1 关于EEDI
随着全球化石油能源价格高涨，节能降耗成为全球航运界关注的焦点。作为衡量船舶节能效果的重要指标，能效指数EEDI 成为船舶设计的核心内容之一。
EEDI, 即Energy Efficiency Design Index，能效设计指数。公式如下：
nME – 主机台数；
P ME(i) – 每台主机额定装机功率（MCR ）减去轴带发电机功率后75%时的功率值；
P PTI (i ) – 每台轴带推进电机额定功率值除以效率后的75%时的功率值；
P eff (i ) – 由于能效技术创新使得主机功率减少的效能功率的75%；
P AEeff (i ) – 由于能效技术创新使得辅助功率减少的效能功率；
P AE – 正常最大海况下所需要的辅机功率；
SFC – 在机器输出功率时的单位油耗值，对于下标ME （i ）和AE 分别代表主机和辅机； f eff (i ) – 反映创新能效技术的可用因数，对于废热回收系统该值为1.0。
从轮机、电气角度，对于现代节能型船舶的设计即可围绕上述公式中相关量展开，同时要兼顾船东的使用习惯、成本等因素。
2 现代节能型船舶电站的典型案例
2.1 节能型VLCC 电站配置（图1）
VLCC （Very Large Crude Carrier 吨位在30 万吨左右的巨型油船）是大连船舶重工集团的主打产品，集团对此类产品也进行持续改进, 而增加节能降耗技术是改进工作的重点之一。
2.1.1 WHR （WASTE HEAT RECOVERY）废气回收再利用技术
作为降低EEDI 的有效手段之一，废热回收技术受到了市场的关注。
2.1.1.1 WHR系统的构成
作为重新利用主机废热的废热回收系统，根据不同的船型、主机功率、船东需求，主要由：(1) 主机；(2) 废气锅炉；(3) 动力 / 蒸汽透平发电机；(4) 配电系统；(5) 发电机
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王笑虹 男 高级工程师 1978年8月出生 毕业于哈尔滨工业大学工业自动化专业 现从事船舶电气及自动化设计与研究。
轴带电机；(6) 电站管理和废热控制系统；(7) 集成计算机控制系统等七个部分组成。
2.1.1.2 WHR系统原理
安装在主机排烟总管上的自动控制电动旁通调节阀，根据主机负荷（主机
的排烟温度）进行自动的调节，将多余的废燃气排到燃气涡轮内，使燃气涡轮做功发电。利用废气锅炉产生的蒸汽来使气轮机端做功，发电机组可以与船上轴带发电机和主发电机组并联向船用设备供电。
2.1.1.3 使用WHR 系统的特点：
(1) 减少CO2排放量；(2）减少燃油消耗；(3) 满足IMO 规范要求（Tier II和III ）；
(4)降低发电机运行成本；(5) 其他在绿色技术上的优点；(6) 但是WHR 系统在设备尺寸和花费上是需要特别考虑的。
2.1.2 电站配置：
船舶电站主要由发电装置和配电装置组成。
1) 柴油发电机2台，透平发电机1台；2) 相关电站管理系统；3) 其他配置与常规VLCC 船相同。
图1
投资回报分析：
由于采用废热回收带来的燃油费用，综合货币利率、日常维护、减少的柴油发电机初期投资、以及废热回收及相关控制系统初期投资而计算获得，投资回报周期为6年左右。
其中，设计之初由于受到主机型号、功率点选取、废气锅炉、透平效率、航行工况点等因素影响， 航行工况下主机废热回收产生的电能可能不足以支持全船电力需要，可以酌情增加轴带发电机、冷却水泵及风机的变频控制方案以及半导体照明灯节能措施，保证全船负载正常使用的前提下，减少电力消耗。
2.2 大型集装箱船的电站配置
近年来，由于可降低单箱运价，大型集装箱船受到市场追捧，实力雄厚的航运公司纷纷订购，其特点：1) 主机功率大，航速高；2) 装载冷藏集装箱的数量多，500-1000FEU 不等。
2.2.1 电力负荷构成：
1) 正常航行时全船推进、生活相关负载；2) 冷藏集装箱；3) 艏部推进器，进出港时使用。
2.2.2 节能型大型集装箱船的电站配置（图2）
1) 柴油发电机组；2) 废热回收系统，包括废气锅炉、蒸汽透平、废气透平、透平发电机；3) 轴带发电机，运行模式为PTI / PTO ；4) 高压配电系统；5) 高压岸电系统。
图2
运行模式：
1) 正常航行时，主机高负荷运行，废热回收电力支持全船电力需求；
2) 正常航行时，主机高负荷运行，冷箱数量偏少，废热回收电力回输轴带发电机PTI ；
3) 进出港时，主机低负荷运行，废热回收工作或停止工作，柴油发电机工作；
4) 停泊时，柴油发电机工作。
2.2.3 高压岸电系统（图3）
部分国家的港口对于排放控制十分严格，高压岸电系统得到了应用。高压岸电（alternative marine power, AMP ）可代替船舶电站支持全船的电力需要，主要由电缆滚轮，连接板，接收板等构成，电压多为AC6600V 。岸电的使用是船舶停泊时的理想选择，节省大量的柴油使用，没有气体排放。
图3
3 电站自动化系统
在具有要求多台机组并联供电的电站中，若要满足“无人机舱”要求，实现电站自动化，必须将各个自动环节有机地联系起来，组成一个总体控制系统，用来收集来自每台柴油机、发电机、断路器、汇流排以及各主要负载的必要信息及参数，加以分析、判断，在一定条件下，自动采取符合逻辑的措施，以处理电站运行中可能出现的各种情况，确保电力系统安全可靠、经济的运行。
3.1 电站自动化系统构成
电站自动化系统由三大部分构成，即安全保护系统、自动控制系统和监测报警系统。
3.2 安全保护系统
船舶电站安全保护系统可分为原动机安全保护和电力系统安全保护。
3.2.1 原动机（柴油机）的安全保护，主要包括：(1) 滑油压力过低应急停机；(2) 机组超速应急停机；(3) 机组冷却水温度过高应急停机等。
3.2.2 电力系统安全保护主要包括五种：(1) 过载保护；(2) 发电机短路保护；(3) 欠压保护；(4) 逆功率保护；(5) 在特殊情况下还应考虑过压、过频和欠频保护。
3.3 自动控制系统
船舶电站自动控制系统是电站自动化的核心，多由可编程逻辑控制器（PLC ）构成，用于对各个模拟量、开关量采集，状态开关量输出，逻辑控制等，主要可实现以下功能。
3.3.1 电压自动调整，就是对发电机磁场的自动调节，从而达到发电机输出电压的稳定。衡量自动电压调节器的性能指标有二个，即静态特性和动态特性。一般情况下，静态电压调整率应不超过额定电压的±2.5%；动态电压调整率不超过额定电压的±15%，恢复时间不超过
1.5s(电压波动≤3%额定电压) 。
3.3.2 机组自动起动时，应具有三次起动功能，若三次起动失败则应给出指示及报警。一般出现以下情况时，备用机组应自动起动：(1) 电网失电；(2) 在网运行机组的平均功率大于85%Pe；(3) 在网运行机组发生故障需要换机或停机；(4) 机组接到手动起动指令。
3.3.3 首机自动投入。在电网失电时，备用机组自动起动，最先起动成功的机组投入电网供用。
3.3.4 自动准同步并车。电站系统需要自动增加机组时，在备用机组起动成功后，自动进入准同步并车程序，根据并车三个条件：相电压相等、频率相同及相位差为零，自动测量和调整发电机电压、频率及相位，使并车三个条件满足并发合闸信号，且待并发电机的频率要略大于电网频率。
3.3.5 自动调频调载。对已投入电网运行的发电机组自动实现频率及有功负荷分配制度，使各运行机组负载按比例分配，一般负载分配差度小于±5%Pe。
3.3.6 自动转移负荷及分闸(或称解列) 。对已投入电网运行的机组出现以下情况时，则按顺序运行机组逐个解列：(1) 在网运行机组平均功率小于30%Pe；(2) 机组有冷却水高温、滑油压力低等二级故障；(3) 有人工解列指令，且P=ΣPi/n-1≤85%Pe。当解列机组的负载转移到小于10%Pe时，发分闸信号。
3.3.7 机组自动停机。当投入电网运行的机组解列分闸后，则该机组就自动停机。 一般情况下，机组出现以下情况之一则自动停机：(1) 机组有严重故障(应急保护停机) 或二类故障；
(2) 机组平均负荷小于30%Pe，则先解列再自动停机；(3) 机组接到人工指令需要停机。
3.3.8 重载起动询问控制。大功率负载起动前发询问信号，电站自动控制系统接到信号后进行储备功率计算，若储备功率大于其额定功率，即可起动；若储备功率小于其额定功率，则首先起动备用机组投入使储备功率满足条件后，负载才可投入运行。
3.3.9 优先脱扣控制。当发电机发生过载时，电站管理系统会按照预先设定，将船上一些次要负载优先脱扣，以缓解电站过载情况。
3.3.10 原动机预润滑预热控制。发电机组在长期不用或环境温度较低的条件下，机组自动起动前首先要进行原动机的预润滑，主要是控制机组预供油泵投入运行一段时间，待机组起动成功后再停止，此后机组的润滑工作由机带滑油泵承担。其次是对机组冷却水的预热，自动起动冷却水加热装置给冷却水预热。
3.4监测报警系统
3.4.1 显示和打印：(1) 动态显示被测参数；(2) 动态实时显示电站系统各种状态图；(3) 可进行运行参数全段、分页、故障、故障恢复及回顾等各种打印。
3.4.2 报警同时发出声光信号。声响报警信号应有信号收悉后的消声装置，但消声后不得影响后来报警信号的发生。光报警信号应为闪光信号，当声响信号被消声时，闪光信号应同时
转为平光信号，并一直保留到故障消除为止。
3.4.3 相关设备正常的停机和启动过程中，必然会引起某些物理量过多地偏离设定值，此时考虑能自动联锁报警屏蔽线路，以防报警器误报警。
3.4.4 报警系统线路独立于安全系统。同时应能对报警系统的所有声光报警和指示灯工作状况进行试验。
3.4.5 所有测点均可以进行整点自动记录、报警和消警记录及应急自动记录功能。 4 结束语
随着能源价格不断上涨，全球对于节能降耗的要求还将持续提高，更新、更节能的船舶电站技术定会得到更快的发展，需要我们努力跟踪、学习、消化前沿技术，以适应船舶市场的变化，满足客户及国民经济建设需求。
参 考 文 献
[1] 史际昌，《船舶电气设备及系统》大连海事大学出版社 2002年6月
[2] Bent Ørndrup Nielsen,废热回收系统讲座，MAN DIESEL&TURBO，2011年1月
现代节能型船舶电站及其自动化
大连船舶重工集团设计研究所有限公司 大连 116021 王笑虹 关勇
摘 要
本文主要针对当下全球关注船舶能效大背景下的船舶电站配置及相关自动化系统进行论述。内容包括能效设计指数（EEDI ）、现代节能型船舶电站的典型案例，诸如：节能型VLCC 电站配置、废气回收再利用系统（WHR ）的构成、节能型大型集装箱船的电站配置，以及船舶电站的自动化系统等。
关键词：EEDI 现代节能型船舶电站 WHR 电站自动化系统
1 关于EEDI
随着全球化石油能源价格高涨，节能降耗成为全球航运界关注的焦点。作为衡量船舶节能效果的重要指标，能效指数EEDI 成为船舶设计的核心内容之一。
EEDI, 即Energy Efficiency Design Index，能效设计指数。公式如下：
nME – 主机台数；
P ME(i) – 每台主机额定装机功率（MCR ）减去轴带发电机功率后75%时的功率值；
P PTI (i ) – 每台轴带推进电机额定功率值除以效率后的75%时的功率值；
P eff (i ) – 由于能效技术创新使得主机功率减少的效能功率的75%；
P AEeff (i ) – 由于能效技术创新使得辅助功率减少的效能功率；
P AE – 正常最大海况下所需要的辅机功率；
SFC – 在机器输出功率时的单位油耗值，对于下标ME （i ）和AE 分别代表主机和辅机； f eff (i ) – 反映创新能效技术的可用因数，对于废热回收系统该值为1.0。
从轮机、电气角度，对于现代节能型船舶的设计即可围绕上述公式中相关量展开，同时要兼顾船东的使用习惯、成本等因素。
2 现代节能型船舶电站的典型案例
2.1 节能型VLCC 电站配置（图1）
VLCC （Very Large Crude Carrier 吨位在30 万吨左右的巨型油船）是大连船舶重工集团的主打产品，集团对此类产品也进行持续改进, 而增加节能降耗技术是改进工作的重点之一。
2.1.1 WHR （WASTE HEAT RECOVERY）废气回收再利用技术
作为降低EEDI 的有效手段之一，废热回收技术受到了市场的关注。
2.1.1.1 WHR系统的构成
作为重新利用主机废热的废热回收系统，根据不同的船型、主机功率、船东需求，主要由：(1) 主机；(2) 废气锅炉；(3) 动力 / 蒸汽透平发电机；(4) 配电系统；(5) 发电机
/
王笑虹 男 高级工程师 1978年8月出生 毕业于哈尔滨工业大学工业自动化专业 现从事船舶电气及自动化设计与研究。
轴带电机；(6) 电站管理和废热控制系统；(7) 集成计算机控制系统等七个部分组成。
2.1.1.2 WHR系统原理
安装在主机排烟总管上的自动控制电动旁通调节阀，根据主机负荷（主机
的排烟温度）进行自动的调节，将多余的废燃气排到燃气涡轮内，使燃气涡轮做功发电。利用废气锅炉产生的蒸汽来使气轮机端做功，发电机组可以与船上轴带发电机和主发电机组并联向船用设备供电。
2.1.1.3 使用WHR 系统的特点：
(1) 减少CO2排放量；(2）减少燃油消耗；(3) 满足IMO 规范要求（Tier II和III ）；
(4)降低发电机运行成本；(5) 其他在绿色技术上的优点；(6) 但是WHR 系统在设备尺寸和花费上是需要特别考虑的。
2.1.2 电站配置：
船舶电站主要由发电装置和配电装置组成。
1) 柴油发电机2台，透平发电机1台；2) 相关电站管理系统；3) 其他配置与常规VLCC 船相同。
图1
投资回报分析：
由于采用废热回收带来的燃油费用，综合货币利率、日常维护、减少的柴油发电机初期投资、以及废热回收及相关控制系统初期投资而计算获得，投资回报周期为6年左右。
其中，设计之初由于受到主机型号、功率点选取、废气锅炉、透平效率、航行工况点等因素影响， 航行工况下主机废热回收产生的电能可能不足以支持全船电力需要，可以酌情增加轴带发电机、冷却水泵及风机的变频控制方案以及半导体照明灯节能措施，保证全船负载正常使用的前提下，减少电力消耗。
2.2 大型集装箱船的电站配置
近年来，由于可降低单箱运价，大型集装箱船受到市场追捧，实力雄厚的航运公司纷纷订购，其特点：1) 主机功率大，航速高；2) 装载冷藏集装箱的数量多，500-1000FEU 不等。
2.2.1 电力负荷构成：
1) 正常航行时全船推进、生活相关负载；2) 冷藏集装箱；3) 艏部推进器，进出港时使用。
2.2.2 节能型大型集装箱船的电站配置（图2）
1) 柴油发电机组；2) 废热回收系统，包括废气锅炉、蒸汽透平、废气透平、透平发电机；3) 轴带发电机，运行模式为PTI / PTO ；4) 高压配电系统；5) 高压岸电系统。
图2
运行模式：
1) 正常航行时，主机高负荷运行，废热回收电力支持全船电力需求；
2) 正常航行时，主机高负荷运行，冷箱数量偏少，废热回收电力回输轴带发电机PTI ；
3) 进出港时，主机低负荷运行，废热回收工作或停止工作，柴油发电机工作；
4) 停泊时，柴油发电机工作。
2.2.3 高压岸电系统（图3）
部分国家的港口对于排放控制十分严格，高压岸电系统得到了应用。高压岸电（alternative marine power, AMP ）可代替船舶电站支持全船的电力需要，主要由电缆滚轮，连接板，接收板等构成，电压多为AC6600V 。岸电的使用是船舶停泊时的理想选择，节省大量的柴油使用，没有气体排放。
图3
3 电站自动化系统
在具有要求多台机组并联供电的电站中，若要满足“无人机舱”要求，实现电站自动化，必须将各个自动环节有机地联系起来，组成一个总体控制系统，用来收集来自每台柴油机、发电机、断路器、汇流排以及各主要负载的必要信息及参数，加以分析、判断，在一定条件下，自动采取符合逻辑的措施，以处理电站运行中可能出现的各种情况，确保电力系统安全可靠、经济的运行。
3.1 电站自动化系统构成
电站自动化系统由三大部分构成，即安全保护系统、自动控制系统和监测报警系统。
3.2 安全保护系统
船舶电站安全保护系统可分为原动机安全保护和电力系统安全保护。
3.2.1 原动机（柴油机）的安全保护，主要包括：(1) 滑油压力过低应急停机；(2) 机组超速应急停机；(3) 机组冷却水温度过高应急停机等。
3.2.2 电力系统安全保护主要包括五种：(1) 过载保护；(2) 发电机短路保护；(3) 欠压保护；(4) 逆功率保护；(5) 在特殊情况下还应考虑过压、过频和欠频保护。
3.3 自动控制系统
船舶电站自动控制系统是电站自动化的核心，多由可编程逻辑控制器（PLC ）构成，用于对各个模拟量、开关量采集，状态开关量输出，逻辑控制等，主要可实现以下功能。
3.3.1 电压自动调整，就是对发电机磁场的自动调节，从而达到发电机输出电压的稳定。衡量自动电压调节器的性能指标有二个，即静态特性和动态特性。一般情况下，静态电压调整率应不超过额定电压的±2.5%；动态电压调整率不超过额定电压的±15%，恢复时间不超过
1.5s(电压波动≤3%额定电压) 。
3.3.2 机组自动起动时，应具有三次起动功能，若三次起动失败则应给出指示及报警。一般出现以下情况时，备用机组应自动起动：(1) 电网失电；(2) 在网运行机组的平均功率大于85%Pe；(3) 在网运行机组发生故障需要换机或停机；(4) 机组接到手动起动指令。
3.3.3 首机自动投入。在电网失电时，备用机组自动起动，最先起动成功的机组投入电网供用。
3.3.4 自动准同步并车。电站系统需要自动增加机组时，在备用机组起动成功后，自动进入准同步并车程序，根据并车三个条件：相电压相等、频率相同及相位差为零，自动测量和调整发电机电压、频率及相位，使并车三个条件满足并发合闸信号，且待并发电机的频率要略大于电网频率。
3.3.5 自动调频调载。对已投入电网运行的发电机组自动实现频率及有功负荷分配制度，使各运行机组负载按比例分配，一般负载分配差度小于±5%Pe。
3.3.6 自动转移负荷及分闸(或称解列) 。对已投入电网运行的机组出现以下情况时，则按顺序运行机组逐个解列：(1) 在网运行机组平均功率小于30%Pe；(2) 机组有冷却水高温、滑油压力低等二级故障；(3) 有人工解列指令，且P=ΣPi/n-1≤85%Pe。当解列机组的负载转移到小于10%Pe时，发分闸信号。
3.3.7 机组自动停机。当投入电网运行的机组解列分闸后，则该机组就自动停机。 一般情况下，机组出现以下情况之一则自动停机：(1) 机组有严重故障(应急保护停机) 或二类故障；
(2) 机组平均负荷小于30%Pe，则先解列再自动停机；(3) 机组接到人工指令需要停机。
3.3.8 重载起动询问控制。大功率负载起动前发询问信号，电站自动控制系统接到信号后进行储备功率计算，若储备功率大于其额定功率，即可起动；若储备功率小于其额定功率，则首先起动备用机组投入使储备功率满足条件后，负载才可投入运行。
3.3.9 优先脱扣控制。当发电机发生过载时，电站管理系统会按照预先设定，将船上一些次要负载优先脱扣，以缓解电站过载情况。
3.3.10 原动机预润滑预热控制。发电机组在长期不用或环境温度较低的条件下，机组自动起动前首先要进行原动机的预润滑，主要是控制机组预供油泵投入运行一段时间，待机组起动成功后再停止，此后机组的润滑工作由机带滑油泵承担。其次是对机组冷却水的预热，自动起动冷却水加热装置给冷却水预热。
3.4监测报警系统
3.4.1 显示和打印：(1) 动态显示被测参数；(2) 动态实时显示电站系统各种状态图；(3) 可进行运行参数全段、分页、故障、故障恢复及回顾等各种打印。
3.4.2 报警同时发出声光信号。声响报警信号应有信号收悉后的消声装置，但消声后不得影响后来报警信号的发生。光报警信号应为闪光信号，当声响信号被消声时，闪光信号应同时
转为平光信号，并一直保留到故障消除为止。
3.4.3 相关设备正常的停机和启动过程中，必然会引起某些物理量过多地偏离设定值，此时考虑能自动联锁报警屏蔽线路，以防报警器误报警。
3.4.4 报警系统线路独立于安全系统。同时应能对报警系统的所有声光报警和指示灯工作状况进行试验。
3.4.5 所有测点均可以进行整点自动记录、报警和消警记录及应急自动记录功能。 4 结束语
随着能源价格不断上涨，全球对于节能降耗的要求还将持续提高，更新、更节能的船舶电站技术定会得到更快的发展，需要我们努力跟踪、学习、消化前沿技术，以适应船舶市场的变化，满足客户及国民经济建设需求。
参 考 文 献
[1] 史际昌，《船舶电气设备及系统》大连海事大学出版社 2002年6月
[2] Bent Ørndrup Nielsen,废热回收系统讲座，MAN DIESEL&TURBO，2011年1月