[基础知识] 高效节能 绿色变频 ——变频技术在船舶领域的应用

随着国民经济的快速增长，我国航运业和造船业取得了令人瞩目的成就，但同时也付出了巨大的资源和环境代价，如何能够合理利用能源、降低能耗已成为船舶行业最为关心的问题之一。

2011年7月，国际海事组织（IMO）通过了国际防止船舶污染海洋公约（MARPOL）附则VI“防止船舶污染大气的规定”的修正案，在此修正案中新增加了船舶能效设计要求，从2013年1月1日起，能效设计指数（EEDI）对新造船正式生效。这些船舶领域强制性的国际减排规则，对各国航运和造船行业产生深远影响。面对越来越严苛的减排规则和高昂的燃油费用，人们开始寻找更加行之有效的节能减排技术，而变频技术作为一种高效节能技术在造纸、金属、采矿、水泥、电力、化工等行业及生活领域取得了良好的效果，随着船舶对节能减排要求的不断提高，变频技术在船舶领域也有了越来越多的应用。

目前，船舶主要驱动方式是柴油机通过轴系带动螺旋桨，这种驱动方式有两个显著特点。首先，柴油机的燃油消耗率随其额定转速先降低再升高，而只有运行在80%至90%的额定转速时，燃油消耗率才会达到最低值，这样为了更好的燃油经济性，柴油机就需要工作在一定的转速范围内；其次，作为负载的螺旋桨在外界工况的变动下，柴油机负荷不断变化，导致其不能一直运行在最佳工作区，尤其当柴油机在低转速低负荷工况下运行时，燃油消耗率变高，经济性严重下降。

将采用变频驱动的电力推进技术引入到船舶推进系统中，上述问题会大大改善，对同一功率的船舶而言，可以保证柴油机始终在最佳工作区内，不仅燃油喷射和燃烧状况良好，还有效减少了排放。此外，通过使用变频器不仅可以有效提高电网功率因数，减少功率损失，还能实现驱动电机的软起动，降低起动时对电网的冲击。

近年来，各个国家对船舶变频驱动技术的研究如火如荼，ABB、SIEMENS等公司都已陆续开发出成套产品。以ABB公司的ACS系列变频器为例，其不仅具有标准化的通讯接口，灵活的编程功能，还具有多种应用宏，使用方便，性能稳定，并且其内部集成了多种高性能变频控制技术，如：U/f恒定控制技术，矢量控制（VC）技术，直接转矩控制（DTC）技术等，这样可以根据用户的不同需求选择不同的控制模式。据了解，今年1月中旬，ABB公司获得丽星邮轮公司两艘邮轮的推进系统订单，该推进系统采用基于交流变频技术的电力推进系统，相比传统柴油机推进系统，其燃油消耗能减少20%至25%，据初步估算，这样一周可节省的燃油约为65吨，减少的CO2排放量约为200吨，减少的NOX排放量约为3.8吨。

相比之下，我国在变频技术的研究及应用起步较晚，而且实现变频技术的关键元器件如功率半导体、驱动电路、电解电容等都要依赖进口。目前，中船重工第七一二研究所已具备电压等级为3300V，容量为5MVA变频器的研制能力，还正在开发更高电压等级、更大容量的产品。

据悉，ABB公司已为中远船务造船厂在建的一艘30000载重吨的多用途船提供了船舶冷却水系统变频技术的解决方案（图1），其中的主海水泵通过变频技术来实现。目前，变频技术在冷却水系统上的应用还处于初步阶段，国外一些集装箱船，散货船和少数油船已有应用；但在我国仅有少数工程船，多用途船在冷却水系统中采用变频技术。

变频空调和变频风机在陆地上的应用已屡见不鲜，但由于投资成本偏高、安装复杂等原因，变频技术在船舶空调和风机上的应用却寥寥无几。随着电力电子技术的不断发展和节能减排要求的提高，变频技术在船舶空调和风机的应用正逐渐增多。

在传统的船舶空调设计中，空调制冷与制热机组的容量是按照房间最大冷热负荷需求来确定，并且留有一定余量。这样无论用户负荷如何变化，各电机始终都在工频状态下的额定转速运行，虽然可以满足用户最大冷热负荷，但并不具备随用户负荷的变化而动态调节系统功率的能力，这样对于较小的用户负荷会造成很大的能源浪费。使用变频技术后，电机的输出功率随冷热负荷的变化而变化，可以在满足使用要求的前提下达到最大程度的节能要求。

图2 基于变频技术的风机设备组成单元

船舶在安全航行过程中，需要具有良好操纵性能的舵机来保持或改变航向，并且在船舶靠泊期间能迅速到达目的地。目前，在舵机的液压系统中，绝大多数液压泵是由异步电机拖动，电机在工频下按额定转速运行，执行元件所需的流量只能靠改变变量泵的排量来实现，这样就造成了在小流量时电机与泵仍需高速运转，不但使机件容易磨损，效率较低，而且系统的故障率也较高。

将变频技术引入到舵机的液压系统中，通过改变异步电机电源频率来调节电机转速，进而满足执行元件的速度要求。与传统的节流调速相比，采用变频调速的舵机液压系统回路效率相对较高，节能率在20%以上；如果应用回馈型变频器，制动负载时能量回馈电网，节能率在40%以上，这样不仅加强了舵机的机动性，减少了对电网的冲击，还实现了对变量泵的流量、转向实时调节，此外，通过取消换向阀、流量阀、压力阀，使得液压换向简单、可靠、平缓、冲击小、可靠性高、环境适应性强。

图3 UT788CD型深水三用工作船舵机

起货机和绞车都是船舶上重要的甲板机械，按驱动方式来分，主要有液压式和电动式。液压吊机工作平稳，并且具有较好的制动能力，但其效率较低，加工精度要求很高，制造安装比较复杂，维护成本较高；电动吊机操作简单，维护成本低，省去了液压阀件，大大简化了液压管路，减少了液压油的泄漏源，但工作在传统定频下的电动吊车一般只能采用变极三档调速控制，调速范围十分局限。

变频驱动技术不仅能实现对转速无级调速，还可以发挥电动吊机更好的工作特性（表2），并且在较大的转速范围内，为电机提供较为均匀的转矩。此外，变频器还具有力矩验证、转矩记忆、转矩监视、抱闸控制等专用功能，在甲板机械领域显示出广阔的应用前景。