蔡笑馳，黃建濤，黃 瑩

（上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前 言

船舶設計中，電氣工程師通過電力負荷計算得到不同工況下的電力負荷需求，從而指導電站的選配。 電站的總功率應滿足任何工況下的電力負荷總需求。 單臺發(fā)電機的選配應充分考慮單臺發(fā)電機對相應設計工況下負載的覆蓋；多臺發(fā)電機組的選配應滿足船舶在長期運行工況條件下的電力負荷需求，并避免備用發(fā)電機組頻繁起停。

船舶電力負荷可以根據(jù)設備的起停頻率和運行時間分為連續(xù)負荷和間歇負荷。 冷卻水泵、循環(huán)油泵、通風機等設備屬于連續(xù)負荷，往往處于相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)，其電力消耗比較固定。空壓機、壓載泵、起錨機等設備屬于間歇性負荷，這些設備的功率比較大，因此它們的起停運行給電站造成較明顯的影響。 在做電力負荷計算時通常將負載分為連續(xù)負載和間隙負載，通過設定不同的使用系數(shù)，計算負載的實際電功率消耗。 對于上述負載的實際運行情況沒有準確的反映。

另一方面，船舶設計、建造、營運等各環(huán)節(jié)存在獨立性，船舶營運環(huán)節(jié)中各設備和系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)并沒有反饋到設計環(huán)節(jié)。 由于設計過程無法閉環(huán)，船舶設計人員難以發(fā)現(xiàn)設計上存在的問題，更不能做迭代優(yōu)化。船舶電力負荷計算也存在類似的情況。計算船舶的電力負荷時，設計人員主要根據(jù)經(jīng)驗選取設備使用系數(shù)，由于實際的船舶電力負荷情況無法反饋到設計環(huán)節(jié)，使用系數(shù)的選擇便無法驗證校核，設計方法難以得到優(yōu)化。 伴隨著數(shù)字化時代的到來，各設備和系統(tǒng)在船舶營運時產生的結構化數(shù)據(jù)，例如起停狀態(tài)、運行狀態(tài)等，已被采集。 這為船舶設計優(yōu)化提供了新的手段，即基于數(shù)據(jù)分析的船舶設計優(yōu)化方法。 本文聚焦于某散貨船的日常電力負荷，通過觀察船舶實際運行時的電力負荷數(shù)據(jù)，總結規(guī)律并發(fā)現(xiàn)其中不合理的現(xiàn)象。 采用機理與數(shù)理相結合的方式定位問題的原因，并采用數(shù)據(jù)分析的方法定量評估優(yōu)化方案對電力能源消耗和電站穩(wěn)定運行的貢獻。

圖1 某散貨船電力負荷曲線

1 某散貨船的電力負荷周期性陡增現(xiàn)象

某散貨船能源系統(tǒng)配置1 臺低速柴油機作為推進能源、3 臺柴油發(fā)電機組作為電站、1 臺由廢氣鍋爐和燃油鍋爐組成的組合鍋爐作為蒸汽能源。 該船舶通過智能化升級，主要設備和系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)都經(jīng)傳輸和保存，為船舶設備系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測提供了條件。 通過對該船正常航行時柴油發(fā)電機總功率的數(shù)據(jù)進行局部采樣，得到圖1 所示曲線。

圖1a）和b）分別顯示了該船在某兩天的電力負荷。從兩張圖中都可以看到：大約每間隔1.5 h，船舶電力負荷產生數(shù)分鐘的提升，提升幅度約60 kW。這種周期性的沖擊負荷導致備車狀態(tài)柴油發(fā)電機的短時起停， 不利于船舶電力系統(tǒng)的日常運行和管理。如果長期出現(xiàn)這種現(xiàn)象，不僅對設備和系統(tǒng)的健康產生不良影響，同時導致能源消耗的增加。 因此，需要通過一定的手段找到這種電力負荷產生周期性陡增的原因。

2 電力負荷周期性陡增原因的分析方法

可采用以下3 種方法進行分析研究：

1）基于設備開關狀態(tài)的分析方法。根據(jù)機理分析可以確定：電力負荷的周期性陡增現(xiàn)象不是由連續(xù)性負荷產生的，應是由于間歇性使用的設備在使用時導致的。 因此，可以在間歇性負荷中找到相應的設備開關狀態(tài)信號，在同一時間段中與電力負荷的變化作比較，觀察匹配情況。 如某設備的起動與電力負荷陡增的時間一致，則判斷該設備的起停是造成電力負荷周期性大幅波動的原因。 如該設備的起動與電力負荷的波動沒有直接關系，則排除相關設備的嫌疑。 基于設備開關狀態(tài)信號的分析流程如圖2 所示。

2）基于專家經(jīng)驗的分析與診斷方法。直覺可以理解為“基于粗略整合信息的快速評估”［1］。 有科學研究表明，“直覺建立在領域內由豐富經(jīng)驗開發(fā)出深厚而豐富的知識庫”［2］。通過專家的直覺判斷定位問題具有科學性。 如圖3 所示，本方法要求專家基于專業(yè)知識直覺判斷潛在因素。 隨后，將這些潛在因素與電力負荷的變化作對比。 如兩者趨勢一致，則判斷相應因素造成了電力負荷的變化。 如兩者趨勢無明顯關聯(lián)，則尋求其他專家給出判斷。 重復這一流程，從而獲得結果。

圖2 基于設備開關狀態(tài)信號排查的流程

圖3 基于專家經(jīng)驗分析診斷的流程

3）基于表征性信號排查方法。船舶各設備系統(tǒng)的運行存在關聯(lián)性。 舉例來看，主機掃氣風機、主機冷卻水循環(huán)泵、 主機燃油供油泵和增壓泵等為主推進服務的設備與主機的運行狀況密切相關。主機的功率可以表征主機的運行狀態(tài)， 也能表征這些設備的運行情況。 通過觀察主機功率可以直接判斷電力負荷的變化是否與上述相關設備有關。 如若主機功率與電力負荷呈現(xiàn)類似的周期性波動，則可以將問題定位到主機相關設備的范疇，從而進行進一步比對定位到具體的問題設備；若主機功率未呈現(xiàn)類似波動， 可以排除相關設備導致電力負荷周期性波動的可能。 如圖4 所示，本方法通過篩選并觀察具有表征意義的信號確定或排除設備范圍。

圖4 基于表征信號排查的流程

上述3 種方法各有優(yōu)劣。方法1）完全忠實于數(shù)據(jù)： 優(yōu)點是當信號全面時， 一定可以找到問題的原因；缺點是工作量大，且當船舶不具有關鍵的用電設備開關狀態(tài)信號時，該方法將失效。 方法2）從機理的角度出發(fā)：優(yōu)點是解釋性強，工作量較??；缺點是需要專家知識作為支撐，人為因素影響較大，且對于一些跨專業(yè)問題要從機理分析原因難度較高。 方法3）需要對設備進行系統(tǒng)性歸類，并且找出具有表征性的設備參數(shù)：優(yōu)點是可以迅速排除部分原因，逐步聚焦找到目標設備， 而且該方法對于多個設備產生的電負荷波動有很好的排查效果； 缺點是需要有一定的專業(yè)知識支撐，且有一定的工作量。3 種方法的優(yōu)劣比較如表1 所示。 鑒于本項目中并不具備所有的用電設備信號，因此選擇方法2）和方法3）相結合的方式作為本案例的分析方法。

表1 3 種方法的多維度比較

3 電力負荷周期性陡增原因的分析結果

根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測分析結果，陡增負荷約為60 kW。船舶機電專家根據(jù)該線索列出了導致電力負荷陡增的潛在可能：主機掃氣風機、備用輔機（發(fā)電機）高溫冷卻水預加熱器、主空壓機。 擬將這些設備的運行情況與柴油發(fā)電機功率曲線進行對比。

3.1 主機相關設備

為鑒別是否因為主機運行相關的設備導致電力負荷波動，圖5展示了某日的主機功率和發(fā)電機功率。

圖5 2019 年3 月16 日主機功率和柴油發(fā)電機功率

由圖可見，主機負荷的波動與發(fā)動機間歇性的2 h 功率波動沒有明顯聯(lián)系。 因此，可以基本排除主機相關的用電設備。

3.2 輔機高溫冷卻水預加熱器

某日， 該船的NO.1 和NO.2 柴油發(fā)電機處于備車狀態(tài)，NO.3 發(fā)電機處于持續(xù)運行狀態(tài)。 圖6 和圖7 分別展示了NO.1 和NO.2 柴油發(fā)電機的高溫冷卻水溫度。 由圖可見，兩臺柴油發(fā)電機的缸套水溫度波動范圍均在0.5℃以內，缸套水預加熱器并未運行，而柴油發(fā)電機總功率仍有規(guī)律性波動。 因此判斷，柴油發(fā)電機總功率的波動并非由輔機缸套水預加熱器的運行造成。

圖6 2019 年4 月16 日NO.1 輔機缸套水溫度和輔機功率

圖7 2019 年4 月16 日NO.2 輔機缸套水溫度和柴油發(fā)電機功率

3.3 主空壓機

某日NO.1 主空氣瓶壓力，如圖8 所示，在主空氣瓶補氣過程中，每隔1.5～2 h，主空氣瓶壓力由2.98 MPa 下降到2.58 MPa 時，主空壓機起動，為空氣瓶補氣。 每次補氣時間約為16 min， 造成了這段時間的電力負荷增加。 發(fā)電機負荷呈上升波動。因此可以判斷，主空壓機的運行造成了柴油發(fā)電機的功率波動。

圖8 2019 年3 月16 日NO.1 主空氣瓶壓力和柴油發(fā)電機功率

4 基于電力負荷分析的壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化設計

4.1 優(yōu)化目標和方法

通過數(shù)據(jù)對比可知，在該散貨船上，大功率活塞式空壓機的補氣動作對船舶的電力負荷產生了間歇性的沖擊。出于對船舶運行成本和設備健康的考慮，可對電力負荷制定“節(jié)能”和“削峰”兩項優(yōu)化目標。

針對這兩項優(yōu)化目標有如下優(yōu)化辦法：

1） 方法一：降低部分工況下空壓機的起動設定壓力。 當主機或輔機處于停車或者備車狀態(tài)時，主空氣瓶需具備一定壓力以保證設備多次起動的需求。 當主輔機處于運行狀態(tài)時， 空氣瓶的最低保有壓力具備適當降低的條件。 降低空壓機的起動設定壓力后，壓縮空氣系統(tǒng)管系壓降裕度增大，從而有效降低了空壓機的起動頻率，并提升每次運行的時間。同時，允許壓縮空氣系統(tǒng)處于更低的壓力環(huán)境，降低氣體泄漏的風險。

2） 方法二：增配功率較低的補氣空壓機。 增配功率較低的補氣空壓機，設置補氣空壓機的起動壓力高于主空壓機的起動壓力。 一般情況下，當空氣瓶壓力低時，補氣空壓機為空氣瓶充氣。 當出現(xiàn)用氣量特別大的情況，補氣空壓機的補氣速度不能滿足主空氣瓶的壓降速度，空氣瓶壓力降至主空壓機的起動設定壓力時， 主空壓機起動為空氣瓶充氣。該設計方案在實際工程中廣泛應用。

3） 方法三：增設日用空氣瓶。 將主空氣瓶的服務對象拆分，將空氣瓶的部分負擔轉移到日用空氣瓶、甲板雜用空氣瓶等設備，通過其他空壓機為響應的空氣瓶補氣， 從而可降低主空氣瓶的壓降速度，延長大功率空壓機起動的時間間隔。該設計方案與方法二原理上相似，同樣在實際工程中廣泛應用。

4） 方法四：采用變頻空壓機錯峰用電。 采用變頻空壓機，空壓機的消耗功率將根據(jù)實際工況自動調整。 配合合理的控制邏輯，空壓機的補氣速率可以綜合考慮當前時間的補氣需求和用電負荷進行實時調整，從而避免因空壓機補氣動作而產生的電力負荷的“波峰”狀態(tài)。

由于方法二在實際的船舶設計中常常被應用，本文重點分析采用該設計方案后壓縮空氣系統(tǒng)對電力負荷的影響。

4.2 優(yōu)化結果

從能耗來看，評價空壓機的主要指標有比功率和全效率［3］，比功率的計算公式為

式中：ζ 為比功率，kW/（Nm3·h-1）；N 為空壓機的實際運行功率，kW；QA為空壓機標準狀態(tài)下的產氣量，m3/min。

當額定排氣壓力一定時，空壓機的能耗可以用比功率衡量，即比功率越大其能耗也越大。國際GB/T 12928—2008 對船用中低壓活塞空壓機給出了指標要求，從該指標可見：公稱容積流量越大，對比功率的要求就越高。 因此，額定排氣壓力相同的空壓機，流量較大的空壓機相比流量較小的空壓機能效更優(yōu)。

該船配備的空壓機額定排氣壓力為3.0 MPa，自然空氣吸氣量為292 Nm3/h，額定功率為54 kW。假設空壓機的實際運行功率與核定功率相同，則其比功率為0.18 kW/（Nm3/h）。 選用相同品牌相同額定排氣壓力的補氣空壓機，自然空氣吸氣量為60 Nm3/h， 額定功率為12.7 kW， 計算得到比功率為0.21 kW/（Nm3/h）。因此，若單獨比較空壓機之間的能源效率，采用功率較大的主空壓機比采用功率較小的補氣空壓機能效高。 采用上述補氣空壓機優(yōu)化方案，空壓機能效損失是14%。

采用補氣空壓機后，船舶電力負荷的變化可以通過扣除原主空壓機功率再疊加補氣空壓機功率的方式獲得。 根據(jù)圖8 所示的空氣瓶壓力信號，判斷空壓機起動處于起動狀態(tài)的時間戳，在相應的時間戳上扣除主空壓機的運行功率， 得到總功率如圖9所示。 從圖中可以看出，扣除主空壓機的運行功率后，周期性的功率飆升峰值均已消失，證明選擇壓縮空氣系統(tǒng)作為優(yōu)化對象的正確性。

圖9 2019 年3 月16 日某散貨船柴油發(fā)電機組總功率（原始數(shù)據(jù)vs 扣除空壓機功率）

通過圖8 中主空壓機壓力上下限，可得到實際主空壓機的起動設定點為2.58 MPa，停止設定點為2.98 MPa。根據(jù)實船壓縮空氣消耗率，補氣空壓機如采用相同的起停邏輯，可得到圖10 所示空氣瓶壓力變化曲線。 相比原主空壓機補氣的空氣瓶曲線，補氣空壓機的起停周期增大，且單次運行時間更長。

根據(jù)圖10 中采用補氣空壓機后的壓縮空氣壓力曲線，可以得到補氣空壓機處于運行狀態(tài)下的時間戳，從而得到采用補氣用壓機后電力負荷需疊加補氣空壓機運行功率的時間戳。 疊加補氣空壓機功率后的柴油發(fā)電機總功率如圖11 所示。 從圖中可以看出，原電力負荷均值約為1 004 kW，采用補氣空壓機后電力負荷均值上升1.1 kW，相比原負荷上升0.1%。 原發(fā)電機功率峰值由1 075 kW 下降到1 060 kW，谷值由948 kW 上升到959 kW，電力負荷波動程度下降21%。 原先因主空壓機起動導致的每1.5 h 電力負荷的顯著波動已不再明顯。

結果表明，從設備個體來看，相比采用主空壓機，采用補氣空壓機的電力消耗高14%。 但從全船電力負荷來看，這部分能效負荷僅僅導致了總負荷0.1%的上升，對于總能耗的影響微乎其微。 然而由于主空壓機的起動，柴油發(fā)電機短時起停，柴油發(fā)電機的油耗在空壓機運行期間陡增，將導致船舶總能耗的損失。 另外，相對平穩(wěn)的電力負荷對柴油發(fā)電機組等相關設備健康較友好，有利于降低設備的維護成本。 在本案例中，通過采用補氣空壓機的優(yōu)化方案后，電力負荷波動程度下降21%，給船舶電站的運行帶來了“削峰填谷”的優(yōu)化效果,大幅提升船舶的電力負荷特性。 因此，實際的能效評價方式應考慮全船的綜合能效和產品的全生命周期成本。

圖10 2019 年3 月16 日主空氣瓶壓力對比圖（主空壓機與補氣空壓機）

圖11 2019 年3 月16 日發(fā)電機總功率對比圖（采用主空壓機補氣與采用補氣空壓機補氣）

5 結 語

本論文探討了以某散貨船電力負荷優(yōu)化為目標，基于數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，驗證了電力負荷陡增現(xiàn)象是因為主空壓機的頻繁起動和短時運行產生的。 通過數(shù)據(jù)計算分析，對采用補氣空壓機的壓縮空氣系統(tǒng)設計優(yōu)化方案進行了研究，并量化了優(yōu)化設計效果?；跀?shù)據(jù)的故障分析方法和設計評估方法不僅適用于船舶電力負荷或是壓縮空氣系統(tǒng)，對于船舶所有專業(yè)的各個系統(tǒng)，如有數(shù)據(jù)樣本為支撐，都可以通過數(shù)據(jù)分析方法開展量化計算，從而優(yōu)化設計，提升船舶設計能力和水平。