文 勇

(上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司， 上海 200011)

350t自航起重船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文 勇

(上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司， 上海 200011)

簡(jiǎn)要介紹了350 t自航起重船的電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況。首先是船舶的主要功能及基本要求；接著給出電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括發(fā)電機(jī)組的配置和主配電板的結(jié)構(gòu)形式；然后說(shuō)明了電力推進(jìn)設(shè)備的選型及諧波控制方法；最后闡述了電力推進(jìn)控制系統(tǒng)和功率管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

起重船； 電力系統(tǒng)； 電力推進(jìn)； 功率管理系統(tǒng)

0 引 言

隨著建設(shè)上海國(guó)際航運(yùn)中心相關(guān)政策的出臺(tái)，對(duì)于具備較好的機(jī)動(dòng)性、較大的起重能力、可在沿海及港內(nèi)作業(yè)的自航式起重船的需求日益迫切。上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司受上港集團(tuán)物流有限公司的委托，研發(fā)設(shè)計(jì)了350 t自航起重船，于2011年底交船并投入使用。

該船為自航全回轉(zhuǎn)起重船，服務(wù)于我國(guó)沿海和黃浦江沿岸的港口，能裝卸各類(lèi)集裝箱船、貨船捎帶的大型重件或水工構(gòu)件等，滿(mǎn)足近海航區(qū)航行、遮蔽海域和港內(nèi)起重作業(yè)的要求。電氣部分設(shè)計(jì)滿(mǎn)足中國(guó)船級(jí)社(CCS)現(xiàn)行規(guī)范，船級(jí)符號(hào)為“★CSAD 起重船，近海航區(qū)；★CSMD 機(jī)器處所集中控制，駕駛室遙控，電力推進(jìn)系統(tǒng)”。為了降低動(dòng)力系統(tǒng)裝機(jī)總?cè)萘?，通過(guò)整合和優(yōu)化，采用全船公共電站實(shí)現(xiàn)起重機(jī)、主推進(jìn)裝置、艏側(cè)推和全船其他主要用電設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)配。

本文對(duì)該船的電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，以期為將來(lái)的類(lèi)似任務(wù)提供參考。

1 電力系統(tǒng)

該船動(dòng)力設(shè)備首先要滿(mǎn)足起重作業(yè)的要求。350 t全回轉(zhuǎn)吊機(jī)采用變頻電力驅(qū)動(dòng)，委托方要求一臺(tái)發(fā)電機(jī)組即能提供吊機(jī)的工作用電，另配一臺(tái)發(fā)電機(jī)組作備用，以保證起重作業(yè)的安全性和連續(xù)性。電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在此基礎(chǔ)上統(tǒng)籌考慮的。采用電力推進(jìn)方式也是出于環(huán)保和降低碳排放的目的。當(dāng)該船在靠近岸線(xiàn)周邊作業(yè)時(shí)有可能利用岸電來(lái)提供全船的電力，對(duì)降低黃浦江江面噪聲和有害氣體排放等都是非常有益的。由于提供推進(jìn)的公共電站其主發(fā)電機(jī)組僅由兩臺(tái)組成，出于安全考慮同樣要滿(mǎn)足規(guī)范要求：在一臺(tái)發(fā)電機(jī)組不工作時(shí)，剩余的機(jī)組應(yīng)能向所有重要設(shè)備和船舶常用設(shè)備供電，同時(shí)應(yīng)維持有效推進(jìn)，即應(yīng)保證船舶航速不小于7 kn(1 kn=1 n mile/h)或設(shè)計(jì)航速的一半，兩者中取大者[1]。該船的最大航速不超過(guò)10 kn(考慮轉(zhuǎn)矩余量等因素設(shè)計(jì)航速定為8.5 kn)。按要求在一臺(tái)主發(fā)電機(jī)組退出工作時(shí)另一臺(tái)主發(fā)電機(jī)組應(yīng)能維持不小于7 kn的航速，為此在確定方案前做了相關(guān)的船模試驗(yàn)以確保能滿(mǎn)足此要求。此公共電站的另一特點(diǎn)是此電站還包含一臺(tái)250 kW輔發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組在航行時(shí)一般不使用，主要為其他工況下的節(jié)能和改善起重機(jī)工作時(shí)可能產(chǎn)生的諧波干擾并兼做停泊發(fā)電機(jī)。如果起重機(jī)工作時(shí)諧波干擾嚴(yán)重，則用分區(qū)供電的方法將船上用電設(shè)備改由輔發(fā)電機(jī)組供電。該船另配一臺(tái)150 kW應(yīng)急兼停泊發(fā)電機(jī)組。該船電力系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 電力系統(tǒng)示意圖 Fig.1 Schematic of the power system

按規(guī)范要求，主配電板匯流排的分段應(yīng)采用斷路器連接。該斷路器應(yīng)能切斷其安裝處可能產(chǎn)生的任何故障電流[1]。因此，圖1所示兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)匯流排之間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)采用了帶過(guò)載、短路保護(hù)的斷路器，而不能采用普通非電力推進(jìn)船舶通常采用的隔離開(kāi)關(guān)。

2 推進(jìn)設(shè)備與諧波控制

對(duì)于電力推進(jìn)船舶的設(shè)計(jì)，諧波控制是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。電力推進(jìn)需要使用大容量電力電子裝置，如整流、逆變?cè)O(shè)備。所有電力電子裝置在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)，都不可避免地產(chǎn)生大量的諧波，很容易對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響[2]。

該船推進(jìn)設(shè)備包括：左、右舷各一臺(tái)900 kW變頻推進(jìn)電機(jī)；兩臺(tái)400 V/2×720 V、1 250 kVA升壓兼移相變壓器(按組成虛擬24脈沖要求配置)；兩臺(tái)400 V/710 V、25 kVA預(yù)充磁變壓器；兩套推進(jìn)驅(qū)動(dòng)柜(每套推進(jìn)驅(qū)動(dòng)柜包含逆變柜、整流柜、控制柜、水冷柜)；兩套制動(dòng)電阻。全部推進(jìn)設(shè)備由西門(mén)子工業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)技術(shù)集團(tuán)成套供貨。左右推進(jìn)裝置按虛擬24脈沖要求設(shè)計(jì)，在理想或基本滿(mǎn)足虛擬24脈沖運(yùn)行的情況下，總的電壓諧波失真(THD)容易得到控制，可按24脈沖運(yùn)行條件來(lái)估算，計(jì)算值為3.345%。但是虛擬與實(shí)際使用情況會(huì)有差異，故此值不能作為送審和考核依據(jù)。在評(píng)估和提交船級(jí)社審查時(shí)應(yīng)以可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重情況來(lái)估算，確保實(shí)際使用過(guò)程中公共電網(wǎng)上的諧波干擾最嚴(yán)重時(shí)也不會(huì)影響設(shè)備使用和航行安全。當(dāng)兩套推進(jìn)裝置不具備工作在虛擬24脈沖的條件時(shí)(如主配電板上母線(xiàn)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi))，則匯流排上諧波失真要按實(shí)際的12脈沖來(lái)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2，THD為7.357%。從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，11次諧波電壓已達(dá)標(biāo)稱(chēng)電壓的4.95%，接近規(guī)范中單次諧波電壓5%的上限。能做到這一點(diǎn)還在于設(shè)計(jì)初期就對(duì)諧波污染問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)防范，從源頭上進(jìn)行了控制，在訂購(gòu)主發(fā)電機(jī)時(shí)就對(duì)其直軸超瞬態(tài)同步電抗提出要求，要求其不得大于11%(實(shí)際為10.1%)。其結(jié)果是避免了由于個(gè)別單次諧波超標(biāo)而不得不增加濾波裝置導(dǎo)致系統(tǒng)更為復(fù)雜的問(wèn)題。當(dāng)然，在發(fā)電機(jī)采用了較低的直軸超瞬態(tài)同步電抗值后與同等容量機(jī)組相比其短路電流就會(huì)明顯增加，代價(jià)是主配電板上的饋電斷路器要采用高分?jǐn)嘈?使用分?jǐn)嗄芰?0 kA)。

圖2 諧波電壓 Fig.2 Harmonic voltages

3 推進(jìn)控制系統(tǒng)

共有4個(gè)部位可進(jìn)行推進(jìn)的操縱與控制，分別是：駕控臺(tái)操作面板、集控臺(tái)操作面板、左機(jī)旁控制箱和右機(jī)旁控制箱。

駕控臺(tái)和機(jī)艙集控臺(tái)上的操作面板基本相同(后者不帶調(diào)光裝置)，設(shè)有雙機(jī)操縱手柄、推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率表、尾軸轉(zhuǎn)速表、相關(guān)的控制按鈕以及主要的報(bào)警和狀態(tài)指示燈，可對(duì)左、右推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)集中控制；并且將主車(chē)鐘系統(tǒng)集成在操作面板上，使得布置緊湊、操作方便。機(jī)旁控制箱是供單機(jī)操作使用的，配有必要的儀表、按鈕、指示燈和主車(chē)鐘收信器。各操縱控制部位的控制權(quán)切換在機(jī)旁控制箱上實(shí)現(xiàn)。另外，在駕控臺(tái)上還設(shè)有左、右車(chē)鐘記錄儀；在集控室內(nèi)還設(shè)有左、右推進(jìn)遙控系統(tǒng)中心控制箱。

推進(jìn)控制系統(tǒng)是全船操作和控制的核心，與其他系統(tǒng)通過(guò)各類(lèi)接口建立連接。

首先是與變頻設(shè)備的接口。向變頻系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)有啟動(dòng)、停止、復(fù)位、機(jī)旁控制選擇、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、越控以及緊急停車(chē)，并通過(guò)操作手柄的位置控制推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。推進(jìn)控制系統(tǒng)還向變頻系統(tǒng)送出相關(guān)狀態(tài)信息，例如本地操作、遠(yuǎn)程控制、檢修模式、故障復(fù)位等，同時(shí)也接收變頻系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)信號(hào)，包括運(yùn)行、故障和要求故障降速的信號(hào)。

因操作面板上匯集了電力推進(jìn)必要的一些報(bào)警和狀態(tài)指示信號(hào)，所以與全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(AMS)也有相應(yīng)的接口。該船監(jiān)測(cè)報(bào)警項(xiàng)目不低于規(guī)范對(duì)電力推進(jìn)船舶補(bǔ)充規(guī)定的要求，因而能夠向推進(jìn)控制系統(tǒng)提供必要的報(bào)警信號(hào)，監(jiān)測(cè)報(bào)警的項(xiàng)目包括了尾軸和減速齒輪箱。

推進(jìn)控制系統(tǒng)與功率管理系統(tǒng)(PMS)的接口有以下功能：推進(jìn)啟動(dòng)請(qǐng)求與啟動(dòng)允許信號(hào)；向PMS提供推進(jìn)運(yùn)行信號(hào)及推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率信號(hào)(4～20 mA) ；接收PMS發(fā)出的全功率允許信號(hào)及減載運(yùn)行指令。

推進(jìn)遙控系統(tǒng)的供電為交流(AC)220 V電源(主電源)和直流(DC)24 V電源(備用電源)兩路，分別接入左、右推進(jìn)遙控系統(tǒng)各自的中心控制箱，通過(guò)中心控制箱內(nèi)向各分系統(tǒng)配電。左、右推進(jìn)遙控系統(tǒng)中心控制箱內(nèi)都設(shè)有獨(dú)立的不間斷電源(UPS)。

4 功率管理系統(tǒng)

按規(guī)范要求該船應(yīng)配置PMS。PMS 根據(jù)負(fù)載的實(shí)時(shí)功率需求和電網(wǎng)的運(yùn)行狀況對(duì)每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的工作，動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)機(jī)組的控制指令，對(duì)供電分系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警和處理，為電力推進(jìn)系統(tǒng)及其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。在供電分系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，PMS能采取相應(yīng)的措施，盡可能保證對(duì)負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電，以確保船舶的安全性[3]。

該船因發(fā)電機(jī)數(shù)量少且主要航行工況下兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)均投入運(yùn)行，沒(méi)有通常自動(dòng)電站系統(tǒng)的常備機(jī)組，故而備用機(jī)組的起動(dòng)和解列在此并不重要。PMS的重點(diǎn)在于可靠的功率分配，既要保證電站安全又要保證航行安全，要能對(duì)全船主要用電負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，準(zhǔn)確計(jì)算當(dāng)前實(shí)際用電量與電站能夠提供的電能間的差距，根據(jù)運(yùn)行趨勢(shì)或局部故障等原因及時(shí)發(fā)出減載或限載的指令。事實(shí)上電站管理系統(tǒng)最有效的控制對(duì)象是推進(jìn)系統(tǒng)，管理好推進(jìn)的功率分配就能大幅度地調(diào)節(jié)電站所需總功率。然而對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)既存在用電安全又存在航行安全的問(wèn)題。該船的“越控”線(xiàn)路接到變頻系統(tǒng)，雖能處理變頻裝置及推進(jìn)電機(jī)故障范圍內(nèi)的越控問(wèn)題，但作為PMS如何全面來(lái)進(jìn)行越控管理尚有待改進(jìn)。

與PMS有信號(hào)接口的設(shè)備和系統(tǒng)，包括推進(jìn)控制系統(tǒng)、艏側(cè)推驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、全回轉(zhuǎn)起重機(jī)、主配電板、綜合監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和液壓泵站控制系統(tǒng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

起重船的電力推進(jìn)設(shè)計(jì)具有某些特點(diǎn)，雖然并不追求先進(jìn)指標(biāo)，但有關(guān)的基本要求還是要認(rèn)真對(duì)待的。介紹了設(shè)計(jì)中遇到的主要問(wèn)題；有些問(wèn)題有待于今后在實(shí)船使用中進(jìn)一步總結(jié)，如該船推進(jìn)電機(jī)正倒車(chē)時(shí)間(現(xiàn)按15 s考慮)也需通過(guò)實(shí)船的驗(yàn)證和考核。推進(jìn)系統(tǒng)采用虛擬24脈沖整流對(duì)抑制諧波的效果和PMS的有效功能與可靠性等也需在實(shí)踐中總結(jié)。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范(第5分冊(cè))[S].北京： 中國(guó)船級(jí)社， 2009.

[2] 范嘯平，韓龍，邰能靈.電力推進(jìn)船舶諧波問(wèn)題及實(shí)例分析[J].船舶，2012， 23(1)： 58.

[3] 劉建波， 張浩.功率管理技術(shù)在艦船電力推進(jìn)中的應(yīng)用[J].船電技術(shù)，2011， 31(7): 62.

ElectricPropulsionSystemDesignof350tSelf-PropelledFloatingCrane

WEN Yong

(HansailMarineamp;OffshoreDesignCo.,Ltd.,Shanghai200011,China)

The electric propulsion system design of 350 t self-propelled floating crane is introduced.The following aspects are covered: the main function and basic demands of this vessel; power system design,including configuration of generator sets and structure of main switchboard; equipment selection of electric propulsion system and harmonic control method; electric propulsion control system design; power management system design.

floating crane; electric system; electric propulsion； power management system

U674.35; U665

A

2095-7297(2014)03-0245-04

2014-05-29

文勇(1982-)，男，工程師，主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)方面的研究。