В условиях волны низкоуглеродной трансформации судоходства электрические суда, приводимые в движение метанол-спиртом-водородом и аккумуляторные батареи, являются основными маршрутами экологически чистой энергии для внутренних и морских грузовых судов и инженерных судов. FARIZON, опираясь на спирто-водородную генераторную установку серии GS13M, запустила решение для электросети, охватывающее суда полного тоннажа 1000–15 000 тонн, полностью решая проблемы, связанные с коротким сроком службы чисто электрических судов и высокими выбросами и расходом топлива традиционных дизельных судов. В этой статье объединены параметры соответствия тоннажа кораблей для разбора архитектуры состава, логики работы и принципа совместной работы в нескольких рабочих условиях энергосети спирто-водородных электрокораблей.
A、 Пять основных компонентов спирто-водородной энергетической сети
Вся энергетическая система корабля состоит из пяти частей: спирто-водородного генератора, литиевой батареи для хранения энергии, сетевой системы шин постоянного тока, мощной электрической силовой установки и интеллектуальной платформы управления. Каждый блок работает независимо и работает вместе, образуя полную сеть электропитания с замкнутым контуром.
1. Спиртоводородная генераторная установка ГС13М (источник энергии)
Подберите 2-7 генераторных установок для двигателей внутреннего сгорания на метаноле GS13M мощностью 280 кВт в зависимости от тоннажа судна, использующих жидкий метанол в качестве топлива для сгорания и выработки электроэнергии, без выбросов твердых частиц, соответствующих стандартам выбросов IMO Tier III для судов. В качестве непрерывного и стабильного основного источника питания экипаж отвечает за обеспечение основного питания для установившихся условий плавания корабля, восполняя пробелы в разрядке батареи в течение длительного времени. Малые лодки массой 1000-3000 т оснащаются 2-3 агрегатами, а крупные суда массой более 8000 т - до 7 параллельных генераторов для обеспечения больших резервов мощности.
2. Литиевая аккумуляторная батарея большой емкости (буферный блок для бритья пиковой нагрузки)
Емкость аккумулятора конфигурируется с помощью аккумуляторов энергии емкостью 200–4000 кВтч в зависимости от градиента тоннажа, которые выполняют две основные функции: мгновенную компенсацию высокой мощности и накопление энергии в режиме ожидания при низкой нагрузке. Мгновенно высвобождайте электрическую энергию во время запуска корабля, ускорения и тяжелой нагрузки на волнах, чтобы уменьшить колебания единичной нагрузки; Во время плавания на низкой скорости и в периоды низкой нагрузки при швартовке и разгрузке избыточная электроэнергия спирто-водородной установки сохраняется в аккумуляторе для достижения рекуперации энергии и уменьшения частых потерь при запуске и останове установки.
Интегрированная сетевая шина 3.750DC/380AC (центр распределения энергии)
Вся система использует сетевую архитектуру шины постоянного тока 750 В, а все генераторы, аккумуляторные батареи и электродвигатели подключены параллельно к общей шине постоянного тока. Двунаправленное преобразование постоянного и переменного тока осуществляется с помощью преобразователя мощности. По сравнению с традиционным источником питания для судовых ответвлений встроенная шина может свободно регулировать мощность каждого устройства, обеспечивая плавное переключение питания от нескольких источников, и является основным концентратором всего решения.
4. Мощная электрическая двигательная установка (выходная мощность)
Мощность электрической силовой установки согласовывается поэтапно от 350 кВт до 1100 кВт. Малые суда оснащены двумя гребными электродвигателями мощностью по 350 кВт, а суда большой грузоподъемности водоизмещением 10 000 тонн – двойными электрическими подруливающими устройствами высокой мощности по 1100 кВт. Электрическая энергия передается в электрическую двигательную систему через шинопровод, и двигатель напрямую приводит в движение гребной винт, обеспечивая высокий пусковой момент, низкий рабочий шум и гораздо лучшую управляемость, чем у традиционных кораблей с прямым приводом с дизельным двигателем.
5. Интеллектуальная платформа управления энергопотреблением EMS.
Являясь «мозгом» всей сети, он собирает в режиме реального времени данные о выработке электроэнергии агрегатом, SOC аккумулятора и двигательной нагрузке корабля, автоматически регулирует количество запусков и остановок агрегата, зарядку и разрядку аккумулятора, а также обеспечивает автоматическое интеллектуальное планирование всей системы.
B、 Три основных режима работы спирто-водородной энергетической сети
1. Стационарный крейсерский режим (автономное питание от экипажа)
Корабль курсирует с постоянной скоростью в спокойной воде, со стабильной и умеренной нагрузкой. Система EMS запускает соответствующее количество спиртоводородных генераторных установок, полагаясь исключительно на выработку электроэнергии агрегатами для питания электрической силовой установки и вспомогательного оборудования на борту, при этом аккумулятор поддерживает баланс мощности без зарядки и разрядки. Этот режим установки работает на стабильной и экономичной скорости в течение длительного времени, с самым низким потреблением метанола и подходит для дальнего внутреннего и морского межрегионального судоходства.
2. Режим питания при большой нагрузке (совместный разряд блока и аккумулятора)
Ускорение отхода судна, встречный ветер и волны, а также условия подъема тяжелых грузов значительно увеличили мгновенную потребность в мощности электродвижения, и использование исключительно спиртоводородных установок не может обеспечить пиковые нагрузки. Система автоматически управляет аккумуляторной батареей для синхронного высвобождения электрической энергии и объединяется с питанием устройства на шине постоянного тока, чтобы мгновенно восполнить дефицит высокой мощности. Отсутствие необходимости отдельно запускать генераторную установку, что позволяет избежать перегрузок и высокотемпературной работы агрегата, а также продлить срок службы всей машины.
3. Низкая скорость/режим накопления энергии (генерация и накопление энергии агрегата)
При заходе судов в порт, движении на малых скоростях, погрузке и разгрузке товаров в доке нагрузка на двигательную установку существенно снижается, а выходная мощность спиртоводородной установки превышает расход судна. Избыточная электроэнергия автоматически сохраняется в аккумуляторной батарее для завершения восполнения энергии; После причаливания и остановки все установки по производству спирта и водорода могут быть отключены, а освещение, кондиционирование и вспомогательное оборудование судна могут питаться от аккумуляторов в течение дня, что обеспечивает нулевые выбросы и нулевой шум при швартовке в портовой зоне.
C、 Логика согласования мощности для сети судов в зависимости от тоннажа
Решение для сетей электроснабжения FARIZON стандартизировано на четырех уровнях: 1000–3000 тонн, 3000–5000 тонн, 5000–8000 тонн и >8000 тонн. Все тоннажи имеют одну и ту же сетевую архитектуру 750DC/380AC, с изменением только количества агрегатов, батарей и электрических подруливающих устройств. Для небольших судов внутреннего плавания водоизмещением 1000 тонн требуются 2–3 спирто-водородных агрегата мощностью 280 кВт, аккумуляторы мощностью 200–516 кВтч и двойные электрические подруливающие устройства мощностью 350 кВт для удовлетворения потребностей внутренних перевозок на короткие расстояния; Среднее грузовое судно водоизмещением 5000 тонн: 3-4 единицы, энергонакопитель мощностью 500-700 кВтч, двойная электрическая силовая установка мощностью 450 кВт, баланс выносливости и большой нагрузки; Морские суда тонны в десять тысяч тонн: 6-7 спирто-водородных генераторных установок, аккумуляторы большой емкости 1000-4000 кВтч, двойные мощные электрические подруливающие устройства мощностью 950-1100 кВт, способные выдерживать океанские штормы и длительную навигацию с полной нагрузкой. Стандартизированная сетевая архитектура облегчает модульную установку на верфях, а дополнительные батареи могут быть добавлены по мере необходимости для увеличения срока службы батарей на более позднем этапе без необходимости модификации всей системы электропитания шин.
D、 Основные рабочие преимущества спирто-водородных энергетических сетей
1. Стабильная нагрузка и более низкие потери
Снижение пиковой нагрузки батареи и заполнение долины балансируют нагрузку, спирто-водородные агрегаты всегда работают в экономичном диапазоне, избегая частого переключения высокой и низкой нагрузки, а цикл капитального ремонта продлевается более чем на 40% по сравнению с чисто генераторными установками;
2. Зеленая навигация на протяжении всего периода
Круизы основаны на выработке энергии на основе метанола с низким уровнем выбросов, а батареи с нулевым содержанием углерода используются для электроснабжения в портовых зонах для соблюдения ограничений движения на внутренних зеленых водных путях и в прибрежных экологически чистых портовых зонах;
3. Никаких недостатков по автономной работе.
В отличие от чисто электрических кораблей, запас хода которых составляет всего несколько сотен километров, впрыск метанола удобен, а с аккумуляторными батареями межрегиональная прибрежная навигация не ограничена пробегом;
4. Снижение затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание.
Параллельная конструкция нескольких блоков позволяет обеспечить нормальное электропитание другого оборудования во время обслуживания одного блока, устраняя необходимость заземления судна и значительно снижая потери из-за простоя.
Краткое содержание
Основная рабочая логика электроэнергетической сети FARIZON на спирто-водородных судах заключается в использовании интегрированной шины постоянного тока в качестве концентратора, со спирто-водородными агрегатами в качестве основного источника питания и аккумуляторными батареями в качестве буферов мощности. Благодаря интеллектуальной системе EMS он автоматически переключается между тремя режимами работы: совместная выработка электроэнергии, совместная разгрузка и стыковка для хранения энергии и подходит для внутренних и морских судов водоизмещением от 1000 до 15 000 тонн. Все решение учитывает три основных требования: длительный срок службы, отсутствие выбросов в портах и низкие потери при эксплуатации и техническом обслуживании, обеспечивая зрелое и практичное решение по энергоснабжению судов для судоходных предприятий.
