0 引　言

目前，能源短缺问题已成为世界各国密切关注的重要问题。我国的能源形势十分紧张，能源供需矛盾突出，受技术水平制约，许多能耗设备效率较低，在能源紧张的同时还存在着比较严重的浪费现象。因此，节能是我国国民经济发展中的长期战略任务。随着柴油价格上涨，航运成本大幅提高，船舶综合节能已成为世界各国造船界和航运界研究的重要课题。

船舶是典型的孤岛型能量系统，航行期间任一工况变化都伴随着化学能、电能、热能、机械能等相互转化的过程，如船舶的电能来源于燃料的化学能，推进电机及辅机的机械运动来源于电能，电能转换过程中会产生大量的热，最终又由电力驱动的空调系统及冷却水泵等将热量带走。因此，控制船舶的用电量，首先应对全船能量流通环节进行清理，开展特性分析研究，进而站在全船能量管理和统筹优化设计的层面，研究制定全船能量综合利用技术方案^{[1 – 3]}。

本研究以柴油动力船舶为研究对象，分析船舶的能量流通情况，得出全船能量流通的初步特性，并以此为基础对船舶的能量综合利用技术开展初步研究。具体思路是：考虑到柴油动力船舶动力由正常航行时柴油动力、应急航行时蓄电池动力两大部分组成，从源头出发，分析正常、应急航行时全船能量流通的主要环节，清理、总结能量“浪费”现象。同时，以全船用电负荷清理入手，明确长期负荷、典型负荷，对典型负荷的能量流通和利用情况开展分析。最后，提出全船能量流通存在的主要问题，并从解决问题出发提出能量综合利用的初步想法或技术方案。

1 主要能量流通分析 1.1 正常航行能量流通分析

船舶柴油动力正常航行时，全船能量流通主要分 2 条支路：支路 1 通过柴油发电机组将柴油、空气燃烧中产生的化学能转化为机械能，并进而转化为电能，再通过全船电网将电能分配给推进负荷和必要的非推进负荷；支路 2 通过柴油机发电机组运行，将柴油、空气中的化学能转化为附加的热能，通过冷却系统、排气系统排出船外^{[4 – 6]}。船舶柴油动力正常航行时船舶用电能量、非电能量主要流通环节如图 1和图 2 所示。

可见，柴油动力正常航行时，柴油、空气中化学能的约 25% 转化为电能，供给推进负荷和非推进负荷，剩余的约 75% 转化为热能。热能中的绝大部分通过水冷系统排至船外，部分热量由船舱内空气吸收，通过空调系统降低空气温度。

此外，柴油供应中同时配置驳运模块、供油模块、高压油泵，未能从总体设计、系统配置、设备实际需求协同考虑，增加了柴油传输环节，流量、扬程需求与电机功率的匹配性较差，增大了系统能耗。

1.2 应急航行能量流通分析

蓄电池动力应急航行时，铅酸蓄电池的成流反应遵循“双硫酸盐化理论”，充放电过程中伴随着 Pb，PbQ ₂，H ₂SO ₄ 等物质的转化。

Pb + PbO ₂ + 2H ₂SO ₄→2PbSO ₄ + 2H ₂O。

根据法拉第定律和各有关物质的电化当量，铅酸蓄电池每放出 1 Ah 的电量，需消耗活性物质约 12 g，即铅酸蓄电池的理论比容量为约 83.5 Ah/kg。同时，充放电过程中还存在可逆热效应、焦耳热效应、电池散热以及蓄电池热容量等多个能量转化环节^{[7 – 9]}。

为简化对象，仅分析蓄电池放电过程的能量流通情况。蓄电池动力应急航行时的能量流通也分为 2 条支路。其中，支路 1 通过蓄电池活性物质的“成流反应”产生电能，再通过全船电网将电能分配给推进负荷和必要的非推进负荷；支路 2 将蓄电池放电过程中产生的热能通过自然散热或水冷系统排出船外。蓄电池动力应急航行时船舶用电能量、非电能量主要流通环节如图 3和图 4 所示。

船舶用铅酸蓄电池硫酸密度较高，热容量不大。因此，铅酸蓄电池放电时主要体现为放热，放热量的大小由放电电流产生的焦耳热效应来决定，放电电流越大，蓄电池发热量也越大。对于量级较大的焦耳热效应，主要由蓄电池内阻、汇流排及其接触电阻、补偿电缆电阻等产生的焦耳热组成，各自的贡献与电阻的大小成正比。根据船舶计算参数及经验，汇流排及其接触电阻、补偿电缆电阻是蓄电池内阻的 15 倍以上，成为蓄电池放热的主要原因。

蓄电池动力应急航行时，放电电流不大，蓄电池舱的发热量也不大，仅几十瓦。当蓄电池放电电流较大时，需开启蓄电池海水冷却泵进行冷却，高速工况下，放电电流很大，蓄电池舱的发热量可高达约几十千瓦。

因此，蓄电池动力应急航行时，蓄电池本身产生的能量浪费较小，可不计。

1.3 推进负荷能量流通分析

推进负荷是指用于船舶电力推进的负荷，主要包括推进电机、轴系、螺旋桨、船体等多个能量传递环节^{[10 – 12]}。对于柴油动力船舶，推进负荷电能量主要流通环节如图 5 所示。

其中，船舶推进需要的功率即螺旋桨有效功率 P _E ，与船舶航速、总阻力成正比。

螺旋桨发出的功率 P _T = P _E /η _H ，其中 η _H 为船体效率，主要与伴流系数、推力减额分数等有关，螺旋桨收到的功率 P _D = P _T /（η _r ×η _p ），其中 η _r 为，η _p 为敞水效率，因此，船舶螺旋桨的效率取决于螺旋桨敞水效率、相对旋转效率和船体效率。

轴系损耗在高速工况下占总推进功耗的比例不大，仅约 5%。但在低速航行时，尾轴前、后轴承、推力轴承、弹性连轴器等主要连接设备中的摩擦、扭转仍存在，将产生一定的损耗。由于总的传递功率较小，该部分损耗占比较大，导致轴系效率不高。

推进电机的系统效率包括了推进电机本体的效率、推进电机控制器的效率。由于推进电机输出额定功率较低，推进电机本体内部风摩损耗、铜耗、铁耗以及推进电机控制器内部的开关损耗、附加损耗等均变化不大，导致推进电机的系统效率不高。

因此，为减少推进负荷，应从船体需要功率、螺旋桨效率、轴系效率、推进电机效率等多个方面开展优化，其中轴系损耗降低、推进电机高效配置或设计是重点。

1.4 辅机负荷能量流通分析 1.4.1 柴油机系统辅助用电能量流通及利用情况

柴油机系统的辅助用电主要包括系统控制用电、冷却用电。一般而言，船舶装备了若干台柴油机和 1 台发电机控制柜，控制柜内包含若干台柴油机发电机组的控制单元。由于控制柜为共用设备，柴油机系统控制用电不能根据柴油机的开启数量而变化，直接导致船舶柴油机系统的控制用电功耗较大。

柴油机系统的冷却系统能量流通见图 2。考虑柴油机海水冷却泵、淡水冷却泵等长期或临时负荷时，冷却系统的功耗较大。

因此，除控制用电功耗较大、需开展节能优化以外，控制柴油机系统的辅助用电，还应着重控制冷却系统功耗，加强柴油机余热的利用。

1.4.2 空调系统能量流通及利用情况

船舶空调系统通常由空调水系统和空调风系统组成。空调水系统采用集中式中央供冷（暖）形式，空调风系统采用分区循环形式，即货物舱、控制舱、乘客舱、辅机舱和主机舱等若干个空调分区。空调系统的能量主流通情况如图 6 所示。

空调系统制冷时，空调冷水机组的制冷压缩机吸入低温低压的氟里昂气体将其压缩成高温高压的氟里昂气体，氟里昂气体进入冷凝器后其热量被经过冷凝器的冷却海水带走而凝结成高压的氟里昂液体，然后经干燥过滤器后流入膨胀阀节流成为低温低压的氟里昂液体进入蒸发器，在蒸发器中吸收冷媒水的热量，氟里昂液体也变成低温低压的氟里昂气体，再被压缩机压缩，如此循环往复，达到制冷目的。

被降温的冷媒水通过空调冷媒水泵经水管路送往各个空调末端设备，与空气进行热交换，冷媒水在空气热交换器中被升温后又回到冷水机组，在冷水机组的蒸发器中被吸收热量后降低温度，然后再送往各个空调末端设备，如此循环往复，达到降低舱室温度的目的。

空调系统通过消耗一定的电能，从外部吸收海水冷量，空调系统产生制冷量。这部分制冷量通过制冷剂、冷媒水、空气等多种工质的传递，最终释放到船舶舱室中，吸收舱室热量，能量传递需要再消耗约一定的电能。最终导致空调系统耗电约为产生、传递制冷所需能量的总和，空调系统的能耗较大。

船舶的舱室主要热源是设备运转产生的损耗和人员活动释放的热量，其中电力系统和电气设备的发热量占较大比例。现有空调方案中，能量转化环节多、各环节效率不高、系统配置较粗放是空调系统能耗较高的直接原因。例如，各配套电动机的效率偏低，导致电能转换效率不高；冷水机组的制冷量与实际开启的空调器的制冷量不一致，导致实际使用时的能源浪费。

1.4.3 水冷系统能量流通及利用情况

水冷系统的能量流通包括海水冷却系统、淡水冷却系统两个部分。船舶淡水冷却系统的用户只有蓄电池、柴油机，水冷系统的能量流通情况如图 2和图 4 所示。

船舶海水冷却系统的用户包括蓄电池淡水冷却器、柴油机淡水冷却器、推进电机空气冷却器、轴系滑油冷却器、尾轴管密封装置、空调冷水机组以及液压油冷却器、厨房空气冷却器等其他辅机设备。

可见，蓄电池动力应急航行时，可开启小流量的轴系海水泵，不开启蓄电池海水冷却泵，减少了水冷系统能耗。但是，船舶柴油动力正常航行和蓄电池动力应急航行时，开空调时辅机海水冷却系统的配置远大于冷水机组的需求，存在一定的能源浪费。

1.4.4 电力系统能量流通及利用情况

电力系统的能量流通是指由蓄电池、柴油发电机等电源设备发出的电能，经电网设备转换、传输至负载的过程。如图 1和图 3 所示，电力系统的能量流通包括 2 个支路：一是经蓄电池开关板（或发电机控制板）、推进控制板传输给推进电机；二是经直流断路器板、直流配电板、逆变电源装置、交流配电板及相应的配电箱传输给辅机电网负荷。

对于支路 1，能量流通过程的损耗主要来自于电网压降引起的线路损耗，在高航工况下系统电流较大，线路损耗较高。

对于支路 2，能量流通过程中的损耗除包括线路损耗外，还包括逆变电源装置等电源转换设备的转换损耗。船舶逆变电源装置的容量越大、额定效率越低，由此产生的损耗越大。

可见，电力系统的电能损耗主要在于线路损耗和电源设备的损耗，这 2 部分损耗均以热量的形式散发到舱室空气中，是空调系统的主要热源。因此，降低电力系统损耗，是降低空调系统制冷量，进而减少空调系统能耗的基础。

1.4.5 轴系滑油系统能量流通及利用情况

船舶的轴系滑油系统主要用于向推力轴承、推进电机和应急推力轴承提供滑油，润滑轴承，兼顾用于装载、移注滑油和滑油舱清洗等。仅针对航行期间的供油功能对轴系滑油系统能量流通情况分析如图 7 所示。

2 “能源浪费”现象分析

可见，滑油系统配置上存在滑油泵流量与滑油冷却器流量不一致现象，且滑油泵流量、压力远大于供油负荷的总需求，存在一定能源浪费。虽然轴系滑油系统功能较多，但考虑其是航行时必不可少的常用连续负荷，建议系统配置上进一步细化，避免功能冗余带来的功率配置的浪费。

2.1 柴油机余热未充分利用 + 冷却系统直接吸收

柴油机余热非常大，该部分热量未考虑综合利用。同时，仅采取冷却水循环的方式将其排出船外，增加了水冷系统负荷，从另一方面造成了电能浪费。

2.2 电力系统的损耗较大 + 未经水冷由空调间接冷却

即使在低速工况下，电力系统线路损耗和电源装置的转换损耗也较大，热量与 1 台冷水机组的制冷量相当，应着力减少系统损耗。同时，由于未采取水冷等直接换热措施，这部分损耗散发至舱室，由空调系统间接换热，增加了空调负担，造成电能浪费。

3 能量综合利用方案与对策 3.1 能量流通路径清晰，但实际消耗情况不明，应加强实际能量利用的监测

通过清理、分析，船舶柴油动力正常航行、蓄电池动力应急航行时的能量流通路径已比较清晰，但实际能量消耗情况不明，是深入开展能量综合利用的最大困难。一方面，根据船舶理论设计参数开展能量综合利用，且理论数据不全，难以全面开展理论需求—供应的匹配性分析；另一方面，受现有条件限制，船舶使用过程中的真实能耗情况无法获取，难以进一步开展理论设计—实际需求的匹配性分析。因此，应建立实际能量利用的监测系统，便于进一步开展节能优化。

3.2 现有技术下，柴油机自耗电、空调、水冷、滑油等典型非推进负荷应优化配置

柴油机自耗电较高，空调系统中能量转化环节多、各环节效率不高，水冷、滑油系统的泵组过需求配置等，都是非推进负荷较大的主要原因，应从节能控制角度开展优化配置。

3.3 推进负荷各环节的效率偏低，应开展新技术应用或优化

推进负荷所列的各环节效率均不高，应从船体线型优化、减阻增效，应用高效率推进器，减少轴系固有损耗以及应用高效率电动机等多个方面开展优化，既可直接提高航速，也有利于全船电能的优化利用。

3.4 应从全船角度进一步优化水冷系统设计

本质上，水冷系统是吸收、排出船舶航行过程中各系统、设备、人员产生的热能的系统。从能量守恒的角度，实现全船能量综合利用，最终效果是实现水冷系统排出热量的最小化，最大限度的利用自生热能。因此，应在柴油机余热利用、电力系统减损等基础上，进一步减少推进设备、大气环境控制设备等设备的热能释放，或通过水冷系统实现热能的综合调配，例如应用温差发电技术等，实现综合利用。

3.5 对于节能工况，应从总体设计角度加强节能设计优化

按前述分析，船舶柴油动力正常航行、蓄电池动力应急航行时的能量流通路径较清晰，负荷使用情况相对固定。应针对节能工况下的柴油输送、空气供应、电能产生、电能传输、电能利用等各环节加强总体的节能优化设计。例如，柴油输送过程中，通过总体优化设计，减少不同柴油舱间柴油转运的耗能、减少驳运环节，在保证安全的基础上减少管路节流阀组的设置等。

4 结　语

针对船舶航行时能量浪费等问题，对全船能量流通环节进行清理，开展特性分析研究，清理、总结能量“浪费”现象，进而站在全船能量管理和统筹优化设计的层面，从解决问题出发提出能量综合利用的初步想法或技术方案。

随着柴油价格上涨，航运成本大幅提高，船舶综合节能已成为世界各国造船界和航运界研究的重要课题。本文以柴油动力船舶为研究对象，分析船舶的能量流通情况，得出全船能量流通的初步特性，并以此为基础对船舶的能量综合利用技术开展初步研究。首先，考虑到柴油动力船舶动力由正常航行时柴油动力、应急航行时蓄电池动力两大部分组成，从源头出发，分析正常、应急航行时全船能量流通的主要环节，清理、总结能量“浪费”现象。同时，以全船用电负荷清理入手，明确长期负荷、典型负荷，对典型负荷的能量流通和利用情况开展分析；最后，提出全船能量流通存在的主要问题，并从解决问题出发提出能量综合利用的初步想法或技术方案。