船舶轴带发电机系统的应用及经济性分析

孙厚伟 钟军杰

摘要：在船舶电站中，轴带发电机占据重要组成成分，具有良好的发展前景，可以为船舶航行提供电能供应，不但可以减少船舶主电站的消耗，而且可以增强便利性与经济性，有利于节省维修成本。本文分析了船舶轴带发电机系统的特点与应用技术方案，根据具体案例对轴带发电机的应用与经济性进行详细研讨，以期为相关人员提供借鉴与参考，对其有更加深入了解，通过科学合理应用，降低产生的噪声，改善航运的条件，从而促进航海事业的发展。

Abstract： In ship power station， shaft generator occupies an important component and has a good development prospect. It can provide electric energy supply for ship navigation， not only reduce the consumption of ship main power station， but also enhance convenience and economy. It is beneficial to save maintenance cost. This paper analyzes the characteristics and application technical scheme of ship axle belt generator system， and discusses the application and economy of axle belt generator in detail according to specific cases， in order to provide reference and reference for relevant personnel. Through scientific and reasonable application， reduce the noise and improve the shipping conditions， thus promote the development of navigation.

关键词：轴带发电机;经济性;技术方案

Key words： shaft generator;economy;technical scheme

中图分类号：U661.39                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）05-0056-02

0  引言

在经济全球化的背景下，航运市场的竞争日渐激励，由于不断提高国际油价，导致价格产生剧烈变动，增加航运的生产成本与运营成本，经过相关人员的研究后，提出船舶节能技术，具有良好的经济性，可以减少能源消耗，受到航运人员的充分重视。在20世纪80年代，轴带发电机获得初步应用，可以为船舶提供源源不断地能量，其主要利用轴上冗余功率，优化推进装置，从而实现节能的目的。

1  船舶轴带发电机系统的特点与应用技术方案

1.1 轴带发电机系统特点

在现代科技化社会，人民日渐增强节能意识与环保意识，更加注重轴带发电机的运用，为航运减少能源消耗与经营成本。在功率输出轴上连接着轴带发电机，在发电过程中，主要利用主机功率余量，发电机可以转化主机的冗余功率，使其向发电机的机械能转变，将会降低15-20%的电能消耗，确保船舶主机处于最佳状态，可以长期运行，对增强经济性具有重要意义[1]。

发电机装置从频率稳定型的角度分类，可以分为交流式和直流式等旋转变流机、晶闸管逆变器式和静止式等感应恒频式、油压驱动式和涡轮连轴节式等定速类等。轴带发电机可以节省燃料费用，具有较高的经济性，其主要采用GCR系统，主机转速与电源频率成正比关系，在恒定转速下，可以同时使用发电机与CPP，若是想要改变工况航行时，在确保螺旋桨转速恒定的情况下，可以对螺距进行适当调整，确保供电频率与发电机转速不变。轴带发动机具有众多优势，主要包括以下几点：第一，可以提高燃料效率，节省燃料费用。第二，可以为机组的稳定运行提供保障，减少维修费用与维修工作量。第三，使用轴带发动机可以代替柴油机组，有利于减少油耗。第四，可以缩短机组工作时间，减少辅机的使用，进而节省一定的机舱空间。第五，不但可以减少机舱热源，而且可以降低产生的噪音，使机舱的工作环境获得改善[2]。

1.2 轴带发电机应用技术方案

目前采用的轴带发电机主要分为两种类型，一种是变距桨船舶，其主要利用变距桨进行调整，根据实际情况，合理控制转向和主机转速，使其保持在恒定的范围内。而另一种是定距桨船舶，其具有多变的主机转速，而且交流發电机组采用频率补偿装置和转速补偿装置。轴带系统的结构形式主要有两种，一种发电机系统是永磁同步轴带，其机械装置采用的是齿轮箱等设备，可以为保持稳定转速提供保障，而另一种是恒频稳压交流电，其调节补偿主要利用变频器，通过变频器进行整流，当交流电从发电机发出后，经过逆变后，交流电将会形成相对较为稳定的频率与电压，而且当转速电流超过60%以上的额定值时，可以确保功率输出始终处于恒定状态。此外，可以在发电机中设置滤波装置，从而防止谐波影响发电效率与质量[3]。

2  船舶轴带发电机系统的应用案例

某企业在船舶上安装了轴带发电机系统等推进装置，其发电机系统采用的是SAM，具有高质量、高效益、物理量平稳等众多优势，使用智能化的控制系统，代替了同步补偿器，可以高效提供无功电量。该轴带发电机的安装较为便利，具有科学合理的系统设计，采用报轴式连接的方式连接发电机转子，为维修等操作提供便利。轴带发电机采用了抱轴式，其发电机转子主要利用部分螺旋桨轴，可以对逆变器技术进行合理调制，其主要原理是利用脉冲宽度，在特定范围内，主机转速可以保持恒定的频率与电压，为发电机的运行提供有力保障。此外，电网管理单元对轴带机系统具有重要作用，可以确保进行并联运行，确保船上电站稳定运行，不会受到某个部位的影响。发电机系统主要利用LCR滤波器、调制技术、高频脉冲，可以消除谐波分量的影响，确保输出波形处于正常状态[4]。

3  船舶轴带发电机系统的应用及经济性探讨

3.1 船舶轴带发电机的发展情况分析

在1980年日本，建造了主机轴带发电机，当遇到较大风浪时，将会改变主机转速，具有一定限制，若是情况严重，还需要使用柴油发电机代替轴带发电机，在使用过程中具有较多限制，经过优化后，可以利用机械控制发电机的频率，比无频率发电机更加具有实际价值，由于使用机械控制，定速装置安装在轴带发电机与主机推进轴之间，因此即使改变推进轴转速，发电机依然保持之前的速率，而不会受到任何影响，然而，该系统的缺陷在于受到装置容量的限制，无法大范围应用。在现代社会，电力控制技术获得明显提高，可以在发电机系统中，应用变流技术，具有较大的功率，其发电机系统主要有两部分组成，一部分是恒定频率装置，而另一部分是轴带发电机。在调节频率的过程中，主要采用控制调节系统与逆变装置，可以增强电压稳定性，将转速变化保持在特定范围内。等到80年代后期，科学技术日渐成熟，电能转化获得了质的突破，研究人员提出新的控制理论，例如，应用IGBT和SIT等快速器件、静电感应晶体管、断晶闸管、大功率晶体管等，打破传统电能转换限制。当进入90年代后，有源逆变获得广泛应用，兴起了PWM整流器的应用热潮，可以将其应用在船舶发电机系统中，对发电机系统的安全性与稳定性具有重要作用。若是在轴带发电机中应用PWM整流器等科学技术，则需要在SVPWM逆变器的基础上进行，在额定功率区域中，通过轴电发电机的励磁控制与整流控制，可以确保电压恒定，而且电网的谐波还会逐渐减少，对无功输出进行合理控制。

3.2 船舶轴带发电机经济性分析

在经济全球化的背景下，对NOX和SOX等排放提出更高要求，再加上燃油价格的变化较大，产生了较为强烈的动荡，导致船舶生产商、制造商、运营者采用各种方法以求降低经营成本，从而创造更大的经济效益，目前，常见的做法是利用船舶电站节能，减少排放量，此法已经获得国际的认可，因此，加大了对轴带发电机的应用，可以为航行提供便利，实现低排放、环保、节能、高效的目标。

根据调查结果显示，燃料费一直在船舶航运中占据较大比例，甚至达到50-60%，已经成为困扰行业人员的主要问题之一。燃料费作为消耗船舶运营总成本的重要因素，其中重油价格低廉，而轻质柴油的成本较高，因此，在采用燃料时一般采用重油，为船舶主机提供动力。在设计船舶动力装置时，往往会预留功率储备余量，其额定功率为10-15%，而且若是主机功率小于70%左右，将会降低经济性。在船桨动力装置上连接着轴带发电机，可以将冗余功率转化为机械能，为发电机发电提供保障，使发电结构从轻质柴油转变为使用部分重油代替，可以节约发电成本[5]。

不管是船舶运营者，还是制造者，二者的目标都是节省经济成本，增强运营的经济性与合理性，在选择推进装置的过程中，需要考虑许多影响因素，例如，柴油机安全、船体情况、天气情况等，确保具有充足的储备余量。轴带发电机可以实现节能目标的主要原理是利用冗余功率，为船舶的长期运营提供保障，既可以增强船体的经济性，而且可以满足航行的电力需求。同时，由于燃料油采用的是重油，与柴油机相比可以降低燃油消耗率，至少降低30-50g/kWh，在航行过程中，若是使用轴带发电机，可以降低15-20%的发电能耗，使燃油存量逐渐降低，有利于节约维护保养的费用，具有较高的经济性与可行性[6]。

在市场经济中，轴带发电机获得了国际航运界的认可，具有良好的发展前景与应用前景。北海重工曾经打造了海峡形运输船，主要用于远洋运输，经过全面思考后，将轴带发电系应用在船舶的主机曲轴前端，而且其主机座与底座相连，具有78-110r/min的转速，功率为3.5MW，吸引了行业人员的注意力。目前，主要研究方向是将轴带发电机应用在固定浆船舶中，在传统船舶发电的基础上，合理应用主轴发电，可以满足大型船舶对供电的要求，以及新一代集装箱船的要求，从而促进航海事业向更好的方向发展。近年来，我国制造行业获得了快速发展，订单指标与交船等方面在世界各国中占据有利位置，造船技术更加强大，不但可以保护当地的生态环境，而且还可以节省不必要的能源消耗，为未来发展明确了方向，从事航运的人员应当抓住发展机遇，勇于面对航运的挑战，从而带动当地经济的发展，促进国家富强。

4  结论

综上所述，在航运行业中，大部分企业为了增加经济效益，会将发展重心放在节省燃油成本方面，使主电站系统被轴带发电机所替代，可以减少采购数量和维修费用，并且明显提高节能减排的质量与效率，对机舱的工作条件进行有效改善，创造更大的经济收益，符合绿色环保的发展目标。因此，将轴带机系统安装在船舶中，将会创造更加的经济效益，具有良好的经济性与可行性。

参考文献：

[1]李武良.船舶轴带发电机系统的应用及经济性研究[J].船舶物资与市场，2020（08）：66-67.

[2]靳宇峰.轴带发电机逆变器并联运行控制策略[J].舰船科学技术，2020，42（10）：86-88.

[3]陳文腾，王刚，谢春萌，等.210 000 DWT散货船轴带发电机系统的应用[J].广东造船，2020，39（04）：45-47.

[4]杨兵，陈国伟.船舶轴带发电机PTI模式的应用与管理[J].船舶物资与市场，2019（012）：61-62.

[5]明星，顾德君.船舶轴带发电机的应用及发展[J].轻松学电脑，2019（018）：1.

[6]王进.轴带发电机变频器介绍[J].科技与创新，2019（001）：64-65.