巴拿马型自卸船的绿色科技

巴拿马型自卸船的绿色科技

张磊

中船澄西船舶修造有限公司江苏江阴214400

摘要：绿色船舶，是指在船舶全寿命周期中（包括设计、制造、营运、和报废拆解），通过采用先进技术，满足用户功能和使用性能的要求，并节省资源和能源，减少环境污染，且对生产者和使用者具有良好保护的船舶。随着世界航运事业的进一步发展，船东对于船舶性能的指标越来越注重节能环保和新技术的应用。本文通过对巴拿马型自卸船中所运用的节能环保设备的简单介绍去展望船舶自动化系统在未来船舶建造中的发展方向。

关键词：环保节能；自动化；船舶电气；新技术应用

一、引言：

为加拿大CSL公司建造的巴拿马型自卸船融入了节能环保理念及较多的新技术应用。在对该船建造的过程中，也是对绿色科技的最直观感受。这些理念和技术展现的平台都基于电气化的：平台。

对于船舶的电气自动化技术，由传统的简单的机电式控制方式逐步被智能型、网络化、数字化的控制方式所取代。船舶电气设备的自动化地位也从早期的简单单台设备，自动化控制系统集成开发自动控制，发展为轮机自动化控制系统，以及全船自动化系统。随着我国科技竞争力的提高和船舶工业的发展，以及市场的需求，自动化程度必然有进一步的发展，越来越多的绿色环保技术将会应用到现代船舶的建造中。

二、节能环保的具体体现

1、轴带发电机的应用

该船配装有1套输出功率为800千瓦（在主配电板处的功率）的轴带发电机系统，包括1台同步交流发电机和1套变频器。该船在海上正常航行时全船电力负荷约为670千瓦。所以该船在海上正常航行时，全船电力将由轴带发电机系统提供，3台主发电机处于备用状态。这样的运用在确保航行安全的前提下大大节省了燃料的消耗，降低了运行成本。

该船的轴带发电机系统由德国SAM公司提供，其系统构成见下图：

轴发系统共包括3部分：

（1）交流同步发电机（S/G）

发电机容量910千伏安，功率因数0.96。恒功率输出转速范围为1440~1800转，对应主机转速范围为64.8~81转。减功率输出转速范围为1244~1440转，对应主机转速范围为56~64.8转。发电机为淡水冷却式，带有发电机定子绕组温度传感器、冷却水温度传感器、轴承温度传感器、冷却水泄漏探测传感器等。

（2）变频器（FC）

因为该船为定距桨（FPP），不是可调桨（CPP），所以船速的改变只能靠改变主机的转速实现。另外，连接主机和轴带发电机的齿轮箱为定速比，速比不可变，这意味着轴带发电机输出的频率必定会随着主机转速的改变而改变。所以，当需要改变主机转速来改变船速时，为保证电网频率为60赫兹，轴带发电机的输出必须经过变频器的处理。

变频器共包括6屏，由淡水冷却，其构成原理如下图所示：

图中中间的虚线框表示变频器，共包括7个主要部分（图中4~10项）。第4项为二极管整流器，是变频器的输入端，将来自发电机的交流电整流成直流电。第5项为过电压保护模块，当由于主配电板上轴带发电机开关突然跳闸等原因造成大负荷突卸时，变频器中直流电路的电压会升高，将损坏变频器，过电压保护模块可以起到抑制这种高压的作用。第6项为宽脉冲调制（PWMPulseWidthModulation）转换器，这是变频器的最核心部分，它是变频器的输出端，能保证以额定电压和频率向船上电网供电，而不管主机和发电机在供电转速范围内转速如何变化。第7项为滤波器，在使用大功率变频器的船舶电网中，谐波控制是非常重要的，也是很复杂的。电网谐波必须控制在相关规范、标准规定的范围内，比如LR要求电网电压总谐波畸变（THD）必须小于8%，否则用电设备工作将会不正常甚至损坏。第8项为变频器工作电源输入接收模块，变频器为了工作，自身需要外供交流440伏、220伏和直流24伏电源。第9、10项分别为变频器控制部分和系统控制部分，是变频器的弱电部分。

（3）主机转速传感器

主机转速传感器安装于主机飞轮处，用于探测主机的转速。如上所述，轴带发电机系统在主机转速范围为64.8~81转时为恒功率输出，在主机转速范围为56~64.8转时为减功率输出。所以轴带发电机系统必须时刻探测主机的转速，以确定是恒功率输出还是减功率输出。需要说明的是当主机安全保护系统发出主机减速、主机停机命令时和船员操作主机遥控的操机手柄改变主机转速时，轴带发电机系统和主发电机系统如何有序动作以确保向全船安全供电则是由功率管理系统来负责完成的。

该船轴带发电机系统功率输出曲线如下图所示：

主机转速范围为64.8~81转时，轴带发电机系统为恒功率输出，输出功率在主配电板处恒定为800千瓦（功率因数0.8），可以满足正常航行时全船用电负荷约670千瓦的要求。主机转速范围为56~64.8转时，轴带发电机系统为减功率输出（恒扭矩输出），当转速低至56转时，输出功率在主配电板处为705千瓦，此功率值离全船用电负荷670千瓦已很接近，并且主机转速已接近必须避开的临界转速范围（48~56转），所以此时轴带发电机系统将向功率管理系统发出起动主发电机的指令，以确保全船供电安全。当电网功率因数随用电负荷性质改变而改变时，变频器可以随之改变，提供相应的有功功率和无功功率，无需另外加装大电感、大电容等装置以提供无功功率。变频器还提供了LR规范要求的对短路电流的承受能力，即承受3倍于发电机额定电流的短路电流2秒钟，发电机及变频器没有任何损坏。

从上述对系统的简单描述，虽然一定程度上反应出了技术相对比较复杂，设备成本及维护成本较高。但是从长远来考虑，船东却预见到了节能带来的经济效益的最大化。

2、LED灯具的应用

该船位于上层建筑的照明灯具（包括航行、信号灯）、货舱区主甲板照明灯具、船艏区域照明灯具全部采用了LED（LightEmittingDiodes发光二极管）照明灯具。考虑到机舱环境温度较高，且某些时间温度急剧升高的可能性很大，而LED不耐高温，因此，机舱照明灯具没有采用LED，而是采用了传统的日光灯。卸货底管弄区域是防爆区域，因为供货商对于防爆式LED灯具尚不能提供防爆证书，所以也没有采用LED，采用了传统的防爆日光灯。LED照明灯具与传统灯具的区别在于发光体，即光源。LED灯具的光源是LED，传统灯具的光源是白炽灯、日光灯等。除此之外，LED照明灯具与传统灯具是一样的，有相同的外壳和造型等。

LED灯具是新一代的照明灯具，目前价格比传统灯具高很多，但其耗电比传统灯具低很多。此外，LED灯具的使用寿命远高于传统灯具。以下某LED灯具厂家的两份数据表对LED灯具和传统灯具作了比较，并对经济性作了统计。

根据以上两表中的统计数据，使用LED灯具的节能效果是非常可观的。虽然采用LED灯具初始投资比传统灯具高很多，但因为LED灯具相比传统灯具在使用寿命、耗电量等方面具有很大优势，所以LED灯具的综合使用成本要比传统灯具低很多，使用时间越长，经济性越好。船舶一般使用寿命在20~30年，使用LED灯具的经济性和节能效果是非常可观的。根据提供以上两份数据表的LED灯具厂家的计算，使用LED灯具增加的初始投资成本回收期约为580天，即只要一年半多的时间。

该船共计使用了约600盏各式LED灯具，功率共计约12千瓦。这么多数量LED灯具的使用，对全船节能是贡献非常大的。

3、排放监测系统（EMISSIONMONITORINGSYSTEM）的应用

该船船上安装了一套排放监测系统，不论船舶处于何种工况，可以时刻对1台主机3台主发电机的排气进行实时监测。该船使用的是瑞典康士廉（CONSILIUM）公司的SALWICO系列中的产品。

其系统构成见下图：

系统共包括5部分：

1）4只传感器（PROBE）

4只传感器分别安装于主机排烟管上和3台主发电机排烟管上，用于排气气样的采集和对气样的稀释。为了保证结果的准确，传感器内设有电加热及控制装置以维持气样的温度。考虑到锅炉是燃烧燃油，排气中的污染物要比内燃机少，同时也为了船厂节约成本考虑，锅炉排烟管上没有安装传感器，即没有对锅炉排气进行监测。

2）1只监测切换箱（SWITCHUNIT）

4只传感器采集的气样首先被输送到监测切换箱。监测切换箱上设有手动切换和自动切换选择按钮。通过手动切换，可以指定监测主机或某台主发电机的排气，对于不在运行的主机或某台主发电机可以不监测。通过自动切换，系统将在4路气样中自动定时切换，定时轮流监测主机和主发电机的排气。根据厂家要求，监测切换箱需要和传感器尽可能靠近放置，该船也按照此要求，将监测切换箱放在了机舱棚靠近传感器处。

3）监测主控制箱（MAINCABINET）

监测主控制箱中包含排放监测系统的最核心部件：氮化物（NO和NO2）分析器、硫化物（SO2）分析器、碳化物（CO2）分析器、数据记录器（DATALOGGER）。

氮化物分析器将气样经过与臭氧发生化学反应后利用化学发光原理探测氮化物含量并以4~20mA电流信号输出到数据记录器。硫化物分析器将气样经过紫外线光照射，二氧化硫分子得到激励然后衰减并发出紫外线光，紫外线光的强度和气样中二氧化硫的含量成正比，通过光电管将此紫外线光转化成4~20mA电流信号输出到数据记录器。碳化物分析器利用二氧化碳吸收红外线的原理，通过探测经二氧化碳吸收后红外线的强度来探测气样中二氧化碳的含量并以4~20mA电流信号输出到数据记录器。数据记录器记录以上所有探测到的数据，对各部件进行监测并记录状态、故障信号，数据记录器最终通过RS232通信接口将数据和状态、故障信号等送到位于集控室中的电脑及软件系统。

4）电脑及软件系统

电脑及软件系统定时从监测主控制箱中的数据记录器读取三种排放物数据和各部件的状态、故障信号等，常规的读取时间间隔是2分钟。电脑及软件系统对排放物数据进行计算分析并在显示器上输出结果。输出值有单位功的排放值（g/kwh）、日平均值、峰值等。输出值形式有数据表、图形等。可以根据环境数据（比如机舱温度和气压）对来自数据记录器的排放物数据进行修正，使显示的结果更准确。电脑及软件系统位于集控室，使相关的操作船员可以在较好的工作环境中操作该系统。

5）附件

附件包括气样输送管、机舱环境温度和气压传感器、空气干燥器和滤器等。气样输送管用于将传感器采集的气样输送到监测切换箱，经选择切换后再输送到监测主控制箱中的分析器进行处理。机舱环境温度和气压传感器探测机舱的环境温度和气压数据并输入到电脑及软件系统用于对来自数据记录器的排放物数据进行修正，使探测结果更准确。空气干燥器和滤器用于对监测主控制箱中的分析器所需要的清洁空气进行干燥和过滤。

其工作流程和原理见下图：

传感器（PROBE）从主机和主发电机排烟管中采集气样，经气样输送管输送到监测切换箱（SWITCHUNIT）。经手动或自动选择切换后，主机或某台主发电机的排气气样被输送到监测主控制箱（MAINCABINET）。监测主控制箱中的氮化物分析器、二氧化硫分析器、二氧化碳分析器分别对气样进行探测分析并将结果以4~20mA电流信号输出到数据记录器。数据记录器同时对各部件进行监测并记录状态、故障信号，数据记录器最终通过RS232通信接口将数据和状态、故障信号等送到位于集控室中的电脑及软件系统。电脑及软件系统定时从监测主控制箱中的数据记录器读取三种排放物数据和各部件的状态、故障信号等。电脑及软件系统对排放物数据进行计算分析并利用机舱环境温度和气压数据对其进行修正，最终以数据表、图形等形式在显示器上输出。输出值有单位功的排放值（g/kwh）、日平均值、峰值等。此系统还可以将船舶位置信号（来自全球定位系统GPS）输入到排放监测系统，当船舶航行到对排放控制要求较高的区域时，比如北美洲沿海，排放监测系统将会发出报警或提示，提醒船员转用更清洁的燃油（比如从使用重油转换到使用柴油）或启用某些环保装置（比如脱硫装置）等，以满足当局相关要求，免受处罚。

上述的排放监测系统对船舶排气中的氮化物、二氧化硫、二氧化碳进行比较准确的探测，最终以具体数字量化的方式呈现出来，直观并且使得很多工作因为有了具体的量化数据而有了可操作性。比如该船已预留了脱硫装置的结构空间，日后一旦脱硫装置安装投入运行，其工作时一定要准确地探测到船舶排气中的二氧化硫的含量数据，然后以此数据为基础，确定脱硫需要的化学药剂用量。在环保日益受到重视的今天，船舶配装排放监测系统对节能减排是很有用，很有意义的。4、能效管理系统（SHIPPERFORMANCESYSTEM）的应用

船上安装了一套能效管理系统，由挪威KYMA公司提供。其系统构成见下图：

系统共包括3部分：

1）扭矩仪

扭矩仪包括传感器（SPS-100）和显示单元（KDU-110.1&2）2部分。传感器包括轴环、固定单元和接线盒。轴环安装在主机尾轴上，随尾轴一起转动。轴环中的磁性传感器可以测量尾轴的转速，轴环中的应变仪可以测量尾轴的扭矩。固定单元安装在尾轴旁，它是一个电子单元，轴环中磁性传感器和应变仪测得的转速和扭矩信号被输送到固定单元，固定单元据此计算得出轴功率。转速、扭矩、轴功率3个数据经过接线盒被输送到信号采集模块。系统中包括2个显示单元，分别安装在驾驶室驾控台上和集控室集控台上。显示单元主要显示传感器测得的转速、扭矩、轴功率及其它输入到系统中的数据。

2）信号采集模块

系统中包括2只信号采集模块（KDU-T1&2），1只安装在驾驶室驾控台中，1只安装在集控室集控台中。

驾控台中的采集模块采集的信号有：来自子母钟的时间信号；来自全球定位系统（GPS）的位置信号；来自气象仪的风速风向信号；来自多普勒计程仪的船速信号；来自回声测深仪的水深信号。

集控台中的采集模块采集的信号有：主机所用燃油的种类（重油HFO/柴油MDO）、燃油温度、燃油净消耗量；主发电机组所用燃油的种类（重油HFO/柴油MDO）、燃油温度、燃油净消耗量；锅炉所用燃油的种类（重油HFO/柴油MDO）、燃油温度、燃油净消耗量；主发电机和轴带发电机的输出功率；船舶前后左右吃水深度。其中有些信号是通过安装专门的传感器测量得到的（通过硬线连接），如燃油温度。有些信号是从集成检测报警控制系统通过通信方式输送到采集模块的，如发电机输出功率等。

信号采集模块将以上所述采集到的信号数据传送到电脑及软件系统，用于综合计算和分析。

3）电脑及软件系统

电脑及软件系统接收到2只信号采集模块传送来的数据，还有一部分数据是由操作者手工输入电脑的。这些数据往往是在很长一段时间内不变，保持恒值的数据。比如，某一航程中，燃油密度、燃油含硫量、燃油热值、货物重量等数据。电脑及软件系统对所有输入数据进行分析、统计、计算，最后通过显示器或打印机输出结果。

输出结果有3类，瞬间值、累积值和能效指数（EEOI）。这样使用者将非常直观的了解到船舶的运行状态。有助于船东计算出最优的船舶运行航线、运行速度等。

5、变频器的应用

变频器驱动控制在该船有较多的应用：轴带发电机系统通过变频器控制向船舶电网供电（具体见前述）、首侧推变频器驱动控制、主海水冷却泵变频器驱动控制、机舱风机变频器驱动控制、压载泵变频器驱动控制等。另外，自卸系统、锅炉系统、油水分离器系统中都有变频器驱动控制的应用。

该船首侧推为定距桨（FPP），不是可调桨（CPP），改变侧推力的大小只能通过改变首侧推的转速来实现。该船通过变频器控制来改变首侧推的转速。该船使用了ABB的成套侧推产品，系统构成如下图所示：

系统共包括3部分：马达、变频器和控制系统。

马达为鼠笼式感应马达，额定功率1500千瓦，S2-60分钟工作制，适用频率范围0~60.5赫兹，对应转速为0~1200转每分钟。马达冷却方式为风冷，为此马达本体上安装有风冷冷却器。

变频器型号为ACS800-37LC-2640-5，采用有源前端技术（AFEActiveFrontEnd）。有源前端技术是比较先进的变频器技术，可以有效的控制电网谐波，并省去了移相变压器、放电电阻等，节省了空间。ABBACS800系列变频器采用直接扭矩控制（DTCDirectTorqueControl），使首侧推系统响应速度更快。变频器为淡水冷却，冷却水在外部经由1只风冷冷却器进行热交换，风冷冷却器装有2台冷却风机，可根据冷却器所处环境温度高低自动起停。

控制系统包括在首侧推舱就地控制和在驾驶室遥控。在首侧推舱安装了1只就地控制箱，遥控发生故障时，可通过就地控制箱控制首侧推。在驾驶室驾控台上和驾驶室左、右翼控制台上安装了首侧推遥控控制板，可以方便地对首侧推进行遥控。无论是就地控制还是驾驶室遥控，控制命令都要经过驱动控制单元（DCUDriveControlUnit）处理后到达变频器。

首侧推控制命令（向左或右转及回转速度）从驾驶室或就地发出，送到驱动控制单元，经过处理后下达到变频器，变频器根据命令，改变输出到马达的电源的相序和频率，马达随之改变转向和转速，从而执行了命令。

由于使用了变频器驱动控制，使得马达转速可以在0~1200转每分钟之间无级调速，大大提高了操纵性。大的调速范围也意味着大的输出功率调节范围，根据水流、风、港口情况等适当地调节输出功率，使得实际输出功率总是可以和需要的功率尽可能靠近，因此可以节约船舶耗能。

该船2台主海水冷却泵通过变频器驱动控制，控制原理图如下图所示：

图中E-2、E-3是主海水冷却泵，额定功率65千瓦。主海水冷却泵和温控阀由集成检测报警控制系统（IAMCS）进行PID控制。正常情况下，1台海水泵工作，另1台备用，工作着的海水泵发生故障或供水压力低时（由PT-1探测），备用泵会自动起动投入工作。开始时，海水泵以能保持冷却水系统最低工作压力（由PT-2探测）的转速运行，约为60%额定转速，温控阀处于约60%开度。随着发电机、主机等设备逐步投入工作，水温（由TS-2探测）逐渐上升，高于设定值35度后，温控阀开始增加开度，直到约90%开度，如果水温还是高于35度，海水泵在变频器控制下增加转速直到额定转速，以保证水温在允许范围内。随着主机、发电机等设备逐步停机退出工作，水温逐渐下降，低于设定值35度后，温控阀开始减小开度，直到约60%开度，如果水温还是低于35度，海水泵在变频器控制下减小转速直到约为60%额定转速，以保证水温在允许范围内。海水泵是船上重要设备，尤其在该船上，空调系统、冷藏系统也为淡水冷却，这意味着海水泵几乎需要始终处于工作状态。该船海水泵额定功率为65千瓦，功率不是很大，但因为始终处于工作状态，运行时间非常长，应用了变频驱动控制后，不但实现了精确控制，其节能效果也是非常可观的。

该船4台22千瓦的机舱风机在集成检测报警控制系统（IAMCS）控制下，根据机舱环境温度、气压参数进行变频器自动驱动控制。2台220千瓦的压载泵也由变频器驱动，在货控台（也是压载控制台）上安装了压载泵变频控制遥控板，通过此板可以手动实现对压载泵变频器驱动的控制。因为机舱风机的运行时间非常长，压载泵的功率很大，对这两样设备进行变频器驱动控制，不但提高了控制效果，节省效果也是很显著的。

该船自卸系统、锅炉系统、油水分离器系统中也都采用了变频器驱动控制。不但提高了控制效果（比如：减小了起动电流，因此减小了对电网的冲击；通过变频器无级调速使得控制更精细，更准确），对于全船节能也是非常有意义的。

三、结束语：

总而言之不管何种船型，不论船舶的功能，还是船舶的大小，环保型船舶越来越受到市场的青睐。当前，“低碳经济”成为全球热点，以新技术、新能源为基础的绿色船舶概念逐渐引起造船、航运业界的重视。而近年来国际海事组织（IMO）的防污染公约、压载水排放公约和拆船公约也正在由单纯关注海洋污染向水空一体化立体方向发展。对船舶的九大排放提出了限制要求与指标，即以船舶排放为主要指标来衡量船舶的先进性。因此谁能把握先机尽早推出适应未来发展需要的绿色船舶技术，谁就会在新的竞争中获得优势。