张作月

摘  要：中石化海洋石油工程有限公司船舶分公司勘探*轮和**轮两条PSV船DP2作业时，各电压等级母排联络开关需要断开，4台发电机需要同时运行，造成发电机在大部分时间的情况下负载率较低，造成其燃油经济性变差。该文通过研究挪威EQUINOR公式电站加装固态发电机（电池组），来减少DP2作业时运行的发电机台数和停泊时发电机的运行时间在来提高燃油经济性的方案，在节能减排的同时，也提高了运营的安全可靠性。

关键词：PSV  DP2  双向变频器  固态发电机（电池组）

中图分类号：U661.7   文献标识码：A

Abstract： During the DP2 operation of two PSV ships * and * * of Sinopec Offshore Oil Engineering Co.， Ltd. Shipping Branch， the bus tie switch of each voltage level needs to be disconnected， and four generators need to operate at the same time， resulting in low load rate of generators in most of the time， resulting in poor fuel economy. This paper studies the scheme of installing solid-state generator （battery pack） in the power station of EQUINOR Company from Norway to reduce the number of generators running during DP2 operation and the running time of generators during parking， so as to improve the fuel economy， save energy and reduce emission， and improve the safety and reliability of operation.

Key Words： PSV; DP2; Two-way frequency converter; Solid-state generator （battery pack）

1 勘探*輪DP2作业电站负载概况

勘探*轮主电站由4台CAT3512C柴油发电机组成，各电压等级主配电板由母排隔离开关分成左右两段。DP2作业时，这些母排联络开关需要断开，4台发电机需要同时运行，在DP2作业的大部份海况下发电机负载率较低，造成其燃油经济性变差。

勘探*轮DP2工况下大部份时间，发电机负载率不超过30%，故发电机的燃油经济性较差，同时还会给发电机的积炭加重，加重维护保养量。

2 勘探*轮DP2作业能效改进方法

DP2作业时，常规电站各电压等级母排联络开关断开是为了安全考量，因为如果母排联络开关合上有些故障模式将影响整个电站，造成全船失电，导致船舶失去定位能力[1-2]。

2.1 电力推进船舶DP2作业能效改进方法1

改进方法1就是把电站改成690 V母排联络开关在DP2作业时能闭合运行的电站，让电站能根据负载自动起停备用发电机，同时规定DP2作业最低运行发电机台数（如左右各一台）， 还需要把备用发电机改造成能快速自动起动[3-4]。同时，能隔离所有和母排联络开关合排相关的所有故障模式[5-6]。

2.2 电力推进船舶DP2作业能效改进方法2

在每段690 V母排增加约300 Kw·h高放电倍率的电池组，DP2作业时母联开关仍断开。 根据负载，每边电站可只开1台发电机，当负载超过运行发电机功率的85%时，电池系统起到固态发电机作业能自动无缝投入并承担负载，最高可按3C放电倍率也就是承担约750 kW功率。当电池放电以超过2C倍率放电超过5 min，或者SOC低于30%时，备用柴油发电机能自动起动投入运行承担负载后，电池进入充电状态，当两台并车运行的发电机负载都低于40%运行5分钟后，其中一台可自动解列。如图1 所示。

2.3 两种改进方法的比较

改进方法1牵涉的设备和系统比较多，成本较高，且需要在主配电板内增装第二个690 V母排联络开关，所以可操作性不大，且改造后能效提高比没有第二种方法高。

改进方法2增装的设备如图1虚线所标，增装的设备如进线开关柜，双向变频器，DC/DC及电池组可以灵活布置，受空间的限制度小，改造完成后，电站的容错性，耐冲击能力和能效都是比方法1高，同时改造成本也低。

3 改进后带来的效益

改造后带来的效益主要表现在以下方面。

（1）提高燃油经济性。直接减少DP2工况下发电机运行台数，进而减少发电机运行的时间，如在轻度和中度海况下DP2作业时发电机运行台数可从原来的4台减少到2台。

（2）在线发电机的冗余功率给电池充电，起到类似消峰填谷作用。

（3）减少发电机运行时间，进而减少维护保养。一方面改造后能减少DP2工况下发电机运行台数，另一方面还让在线发电机运行在能效高的状态，减少积炭和维护保养量。

（4）提高安全性，增加船舶适租性。由于固态发电机的运用，船舶电站将运行将更加平稳，同时耐冲击能力和容错度将进一步提高。

（5）船舶电站运用更加灵活，如把电池组当停泊发电机运用，改善船员在靠泊和停泊状态下的居住环境，减少排放。

4 改造投资回报分析

（1）从提高燃油经济性和冗余功率充电分析的状态下都是可以减少船舶燃油消耗，该文以提高燃油经济性为例粗略估算改造后为船舶带来的经济效益。

以一条勘探*轮每年320天在租时间，船舶70%也就是230天DP作业天数，在这天数里有85%约190天为轻和中等海况，加装固态发电机后DP2作业时作为热备份，所以可只开两台柴油发电机。

且以如下由卡特比勒官方提供的3512C发电柴油机负载率和每KW小时的油耗克数为依据。

每台CAT3512C发电机在轻负载平均约25%满负载375kW下每天每台机吨油耗计算，每台机每小时耗油375×0.2396÷1000=0.089 t，这和船舶实际报表0.09 t接近。

加装固态发电机后，DP2作业时左、右母排可各开一台柴油发电机，固态发电机作热备用发电机并起到削峰填谷作用，则以每台发电柴油机平均50%满负载750 kW，则其每小时消耗燃油：

0.2093×750÷1000=0.1569 t

以每年190天的可计算天数计算，每年可节省燃油：

（0.089×4-0.1569×2） ×24×190=192.43 t

同时，还可使每台主柴油发电机每年可节省运行时间约95 d。

（2）以勘探*轮每年60 d在靠码头及锚泊时间，每天开一台主发电机供电。夏天燃油消耗报表油耗约1.2 T。

安装电池组后，设两套电池组以约0.6 C的充电倍率两小时充电导90%满电状态， 能给船舶供电约6 h，这样每天需要单台主发电机运行约6 h，这时发电柴油机的功率约两电池组的充电功率和船上停泊负载约600 kW，这样停泊时每天消耗燃油：

600×0.2165×6÷1000=0.7794 t

每年停泊时可节省燃油60×（1.2-0.7794）=25.2 t

同时减少需要发电机运行时减约3/4，摊算到每台主发电机可每年又可节省运行时间约10.5天

同时每台主柴油发电机每年可节省运行时间约105.5（90+10.5） d约2 532 h。

以每台发电機运行约1 000 h后更换滑油约650L计算。

每年可节省滑油：

（2532×4）/100×0.65=6.58 L

同时，减少维护和备件成本，降低排放，并改善船员工作和生活环境。

5 总结

综上所述，安装了固态发电机后，每年可节省燃油约192.43+25.2=217.63 t。以每吨轻柴油当前约8 000元的价格计算，改造后每年能节省的燃油费用约174万元。同时，每台主柴油发电机每年可节省运行时间约105.5 d。加上节省的滑油和维护成本及设备折旧费用，勘探*轮每年可节省费用约人民币180万元/艘，同时减少维护和备件成本，降低排放，并改善船员工作和生活环境。此外，固态发电机使用了带DNV和CCS认证的磷酸铁锂或三元电池和船用动力电池管理系统，使用寿命约在8到10年。投资回报是快速的，约4年节约的成本已经超过投资。

通过上述分析得出，改造加装固态发电机给勘探*轮带来的经济效益是显而易见的，不仅提高了船舶在DP2作业和停泊时的燃油经济性，还增加了电站安全冗余度。

参考文献

[1] BENNABI N，MENANA HCHARPENTIER J F，等.基于混合电力推进的小型船舶能效改进[J].电源学报，2017（15）：12-23.

[2] 严希，亢月胜.船舶能效改善途径探讨[J].船舶物资与市场，2019（10）：59-60.

[3] 黄少青.DP2自升式平台环网电站关键技术[J].船舶工程，2020，42（S1）：468-472.

[4] 操定友.浅谈DP2海工船舶电站管理系统[J].电脑知识与技术，2021，17（16）：215-216，219.

[5] 宋立国，杨金刚，卢凯旋，等.基于船舶动态纵倾优化的能效提升技术分析[J].中国水运（下半月），2019，19（6）：9-10.

[6] 张勇.能耗模型改进的船舶能效评估方法研究[D].大连：大连海事大学，2020.