劉小慶

（701研究所上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201108）

0 引 言

目前，我國(guó)在遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源調(diào)查方面的技術(shù)還比較落后，對(duì)遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源調(diào)查船的研究還比較少。遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源調(diào)查船項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，提高我國(guó)對(duì)海洋漁業(yè)資源的科研調(diào)查能力和共享海洋資源具有重要的戰(zhàn)略意義。

上海海洋大學(xué)遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源調(diào)查船“淞航”號(hào)（見圖1）是由我國(guó)自主研發(fā)、設(shè)計(jì)并建造的。該船是一艘集深遠(yuǎn)海漁業(yè)調(diào)查作業(yè)和科研教學(xué)于一體的多功能調(diào)查船，總長(zhǎng)85m，型寬14.96m，滿載設(shè)計(jì)吃水4.8m，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)航速12kn，最大航速15kn，續(xù)航力10000n mile，定員59人，適于在無限航區(qū)航行。

圖1 上海海洋大學(xué)遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源調(diào)查船“淞航”號(hào)

本文主要對(duì)“淞航”號(hào)調(diào)查船的電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并結(jié)合航行試驗(yàn)的典型調(diào)查裝備作業(yè)工況討論電站運(yùn)行和諧波控制情況。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)在遠(yuǎn)洋漁業(yè)調(diào)查船的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在選擇科學(xué)調(diào)查船的推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，船型的操縱性和調(diào)查的多任務(wù)性是首要考慮的因素[1]。遠(yuǎn)洋漁業(yè)調(diào)查船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為：

1) 布置更靈活，占有空間少。與常規(guī)機(jī)械推進(jìn)設(shè)備相比，電力推進(jìn)設(shè)備的體積更小，可在船上靈活布置，可合理有效地利用空間。對(duì)于遠(yuǎn)洋漁業(yè)調(diào)查船而言，可增加樣品魚艙艙容和作業(yè)樣品存儲(chǔ)空間。

2) 振動(dòng)和噪聲小，舒適性好。船舶的振動(dòng)和噪聲主要來自柴油機(jī)及推進(jìn)器等，與常規(guī)推進(jìn)方式相比，采用電力推進(jìn)方式時(shí)柴油機(jī)等設(shè)備工作在恒速狀態(tài)下，振動(dòng)要小很多。此外，電力推進(jìn)可提高漁業(yè)調(diào)查船聲學(xué)設(shè)備的探測(cè)質(zhì)量，提升船舶的舒適性。

3) 經(jīng)濟(jì)性好，污染和排放少。對(duì)于同一功率船舶而言，電力推進(jìn)通過靈活調(diào)整在網(wǎng)機(jī)組數(shù)量，使機(jī)組始終運(yùn)行在高效的工作區(qū)，有效降低單位功率的燃油消耗率，提高船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性并有效減少排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[2]。

2 電力推進(jìn)整體介紹及系統(tǒng)配置

該船采用直翼槳電力推進(jìn)方式，設(shè)有2套功率約為2×1850kW的直翼槳推進(jìn)器，艏部設(shè)置有一臺(tái)450kW的定螺距隧道式側(cè)推裝置，全船共設(shè)置2臺(tái)瓦錫蘭9L/20主柴油發(fā)電機(jī)組（發(fā)電機(jī)功率為2×1710kW）和1臺(tái)4L/20主柴油發(fā)電機(jī)組（發(fā)電機(jī)功率為760kW）。電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2，每套推進(jìn)器由1臺(tái)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)再由1臺(tái)獨(dú)立的推進(jìn)變頻器控制，系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)所有電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并相應(yīng)地進(jìn)行保護(hù)，確保推進(jìn)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖2 電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 推進(jìn)形式——直翼槳推進(jìn)器系統(tǒng)

直翼槳推進(jìn)器系統(tǒng)又稱直葉槳推進(jìn)器系統(tǒng)。直翼槳主要由槳葉、連桿機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)箱體、傘齒輪、輸入軸和液壓電機(jī)等組成，其工作原理可看成2種運(yùn)動(dòng)的合成；旋轉(zhuǎn)箱體在沿垂直方向旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，每片槳葉圍繞自身的軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)[3]。直翼槳推進(jìn)器是由垂直機(jī)翼型葉片組成的圓盤式推進(jìn)器，葉片之間相互平行，并與圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行，葉片繞自身轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞圓盤轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生方向一致的推力，可在360°范圍內(nèi)快速改變推力的方向及大小，因而具有較好的操縱性和機(jī)動(dòng)性[4]。由于槳盤在水平方向上作360°旋轉(zhuǎn)，可通過調(diào)節(jié)槳葉自身的旋轉(zhuǎn)角度來改變推力的方向，因此可完全替代舵。直翼槳推進(jìn)器系統(tǒng)外觀圖見圖3，在船舶上的安裝位置見圖4。

圖3 直翼槳推進(jìn)器系統(tǒng)外觀圖

圖4 直翼槳推進(jìn)器系統(tǒng)在船舶上的安裝位置

直翼槳系統(tǒng)的主要性能和特點(diǎn)為：

購(gòu)銷合同是企業(yè)應(yīng)收賬款的一個(gè)保障，企業(yè)應(yīng)當(dāng)根據(jù)銷售人員及財(cái)務(wù)人員的意見制定一份規(guī)范的購(gòu)銷合同，該合同中要寫出企業(yè)之間應(yīng)該遵守的準(zhǔn)則，并且要明確違約的處罰方法，銷售人員在賒銷時(shí)要依據(jù)該合同內(nèi)容同客戶簽訂合約。如果在簽訂過程中，需要對(duì)合同內(nèi)容進(jìn)行修改的，銷售人員要向管理人員及時(shí)反映，管理人員標(biāo)準(zhǔn)才可做出修改。每一筆賒銷業(yè)務(wù)都需要簽訂規(guī)范的合同，這給企業(yè)的應(yīng)收賬款提供了一個(gè)法律憑據(jù)，當(dāng)應(yīng)收賬款無法收回時(shí)，企業(yè)可以憑借該合同通過法律途徑來維護(hù)自己的權(quán)益。

1) 良好的操縱性和機(jī)動(dòng)性。直翼槳推力的大小和方向是通過伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)控制的，無須改變旋轉(zhuǎn)箱體的旋轉(zhuǎn)方向，因此反應(yīng)時(shí)間極短，可使船舶具有精確的回轉(zhuǎn)性能，可原地回轉(zhuǎn)、橫移、倒車，實(shí)現(xiàn)從回轉(zhuǎn)到向前行駛的無級(jí)過渡。

2) 優(yōu)良的減搖特性。直翼槳推進(jìn)器能產(chǎn)生推進(jìn)和操縱2種力，且發(fā)出的推力能在大小和方向上無極、快速調(diào)節(jié)。這種快速產(chǎn)生和變化的推力及產(chǎn)生的力矩很大，使之能利用直翼槳來減小橫搖運(yùn)動(dòng)，船舶在停止不動(dòng)時(shí)及在航行過程中都可減搖。直翼槳推進(jìn)器既可產(chǎn)生正向前進(jìn)作用的推進(jìn)力，也可產(chǎn)生橫向作用的轉(zhuǎn)向力?？焖僮兓耐屏蜕傻姆浅４蟮牧厥勾暗臋M搖運(yùn)動(dòng)得以有效減小。尤其是當(dāng)船舶處于靜止?fàn)顟B(tài)和航速不太高時(shí)，可有效減小船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)。直翼槳推進(jìn)器減搖功能示意見圖5。

3) 不易受漂浮物影響。由于直翼槳推進(jìn)器采用水平旋轉(zhuǎn)、外擺動(dòng)工作的方式，槳葉作水平旋轉(zhuǎn)，槳葉朝外擺動(dòng)，總會(huì)將附近的漂浮物體推開，而不是吸入，從而使水中漂浮的物體很難向其靠近，即使有物體碰上，也會(huì)被不斷向外擺動(dòng)的槳葉推開，故不會(huì)有纏繞發(fā)生，不易被漁網(wǎng)、繩索纏繞。直翼槳推進(jìn)器不易受漂浮物影響原理示意見圖6。

圖5 直翼槳推進(jìn)器減搖功能示意

圖6 直翼槳推進(jìn)器不易受漂浮物影響原理示意

該船采用的直翼槳推進(jìn)器的主要參數(shù)見表1。

表1 直翼槳推進(jìn)器主要參數(shù)

2.2 推進(jìn)變頻器系統(tǒng)

漁業(yè)資源調(diào)查船搭載大量精密試驗(yàn)設(shè)備，這些試驗(yàn)設(shè)備存在供電品質(zhì)問題。當(dāng)電網(wǎng)品質(zhì)較差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致采集的信號(hào)失真，影響采集效果[5]。電力推進(jìn)船舶變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制元件是變頻器，大功率推進(jìn)變頻器在船舶電網(wǎng)中運(yùn)行不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量諧波，故合理選擇推進(jìn)變頻器的形式尤其重要。市場(chǎng)上大多數(shù)產(chǎn)品采用6脈沖、12脈沖、24脈沖及虛擬24脈沖等多脈沖電平電路形式，以滿足不同用戶的需求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，IGBT器件的有源前端（AFE）電路應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的多脈沖整流方案因高次諧波的干擾，可導(dǎo)致發(fā)電機(jī)及變壓器過熱，且實(shí)際功率因數(shù)＜0.95，因此傳統(tǒng)的多脈沖整流方案在選擇移相變壓器和發(fā)電機(jī)時(shí)需考慮諧波及功率因素的影響，而AFE變頻器的功率因素可調(diào)，可等于1[6]。另外，傳統(tǒng)的多脈沖變頻方案需配置移相變壓器以達(dá)到所需的12脈沖或24脈沖的效果，而此類變壓器體積大、價(jià)格高；若采用AFE變頻方案，則移相變壓器可完全省去，從而減小體積和船舶重量。傳統(tǒng)的多脈沖變頻方案必須考慮移相變壓器和變頻器輸出電纜產(chǎn)生的壓降，引起電機(jī)的額定電壓低于電源電壓，電機(jī)的額定電流需相應(yīng)地增大；當(dāng)采用AFE電路變頻器時(shí)，變頻的中間直流回路電壓可調(diào)，可使電機(jī)的電壓調(diào)到與電源電壓相同，甚至比其更高[6]。綜合考慮諧波控制、空間、重量和控制原理等因素，最后采用AFE變頻方案。主推進(jìn)變頻器主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 主推進(jìn)變頻器主要技術(shù)參數(shù)

2.3 推進(jìn)動(dòng)力源——電動(dòng)機(jī)

電力推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要有交流同步電動(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)2種。同步電機(jī)主要適用于低速傳動(dòng)的情況，調(diào)速范圍一般在0～350r/min；而鼠籠式異步電機(jī)則用于中高速傳動(dòng)的情況，調(diào)速范圍一般在750～1200r/min；該船采用額定轉(zhuǎn)速為1000r/min的交流異步電動(dòng)機(jī)。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表3。

表3 推進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2.4 推進(jìn)電站系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)推進(jìn)電站系統(tǒng)時(shí)，除了考慮供電系統(tǒng)的安全性和連續(xù)性以外，還要滿足不同調(diào)查作業(yè)工況的用電需求。該船的電力負(fù)荷估算見表4。

表4 “淞航”號(hào)調(diào)查船電力負(fù)荷估算

根據(jù)作業(yè)工況和負(fù)荷分析，配置2臺(tái)功率均為1710kW的發(fā)電機(jī)和1臺(tái)功率為760kW的發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)都采用淡水冷卻；同時(shí)，配有空間加熱器，電壓等級(jí)為690V，頻率50Hz，日用負(fù)荷選擇AC380V、50Hz。該船采用AC690V配電板和AC400V配電板各1座。

此外，配置2臺(tái)日用變壓器供給日用負(fù)荷使用。該船電力單線圖見圖7。

圖7 “淞航”號(hào)調(diào)查船電力單線圖

3 電站管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行功能

3.1 電站管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該船自動(dòng)電站控制裝置采用挪威Kongsberg公司的K-chief 600系統(tǒng)集成，具備對(duì)船舶電站進(jìn)行全面的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)等功能?？刂仆ㄟ^頁(yè)面Minic圖實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用“冗余電站控制器+冗余網(wǎng)絡(luò)”的分布式控制形式，電站管理結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖見圖8，2套冗余的SCU模塊作為電站管理主站，發(fā)布全局控制指令，每臺(tái)機(jī)組配置1套C4控制模塊和C3發(fā)電機(jī)保護(hù)模塊作為控制從站，完成機(jī)組控制功能。各控制模塊安裝于690V主配電板內(nèi)。

圖8 “淞航”號(hào)調(diào)查船電站管理結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

3.2 電站管理運(yùn)行主要功能

1) 機(jī)組自啟動(dòng)功能。當(dāng)主匯流排發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)送發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)備用柴油發(fā)電機(jī)組，在45s內(nèi)自動(dòng)投入電網(wǎng)。

2) 優(yōu)先機(jī)組設(shè)定。該船電站管理采用優(yōu)先機(jī)組設(shè)定模式，主要目的是自動(dòng)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組的優(yōu)先啟動(dòng)順序，值班人員在船舶航行過程中可規(guī)則地更換下一值班的設(shè)定，保證整個(gè)電站的各臺(tái)機(jī)組得到平均、合理的使用。

3) 機(jī)組自動(dòng)增列和并機(jī)運(yùn)行。電站管理系統(tǒng)將根據(jù)船舶電網(wǎng)所需的負(fù)載調(diào)整發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，保證電站運(yùn)行的合理性。當(dāng)運(yùn)行超過單機(jī)額定容量的88%時(shí)，經(jīng)系統(tǒng)確認(rèn)之后發(fā)出啟動(dòng)備用機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)，自動(dòng)投入電網(wǎng)，自動(dòng)合閘，并按照比例分配作并聯(lián)運(yùn)行供電[7]。

4) 機(jī)組自動(dòng)解列運(yùn)行。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，若電網(wǎng)負(fù)荷小于額定功率的 35%，認(rèn)為沒有必要多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行供電，后并聯(lián)上去的柴油發(fā)電機(jī)組作負(fù)載轉(zhuǎn)移并自動(dòng)解列機(jī)組。此外，該船考慮解列之后發(fā)電機(jī)組通常要有一段冷卻時(shí)間，延時(shí)3min之后停機(jī)。

5) 重載問詢功能。在啟動(dòng)重要大功率負(fù)荷之前，按照已投入電網(wǎng)的機(jī)組總?cè)萘孔龀鲈儐?、重載問詢時(shí)，若正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)容量足夠，通過 PMS會(huì)發(fā)出允許啟動(dòng)信號(hào)；若正在運(yùn)行的機(jī)組容量不夠，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)下一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)，待其自動(dòng)并車并確認(rèn)計(jì)算容量是否滿足之后，發(fā)出允許啟動(dòng)信號(hào)，再允許該重載設(shè)備啟用。該船共設(shè)置7組重載問詢?cè)O(shè)備，分別為1組450kW的艏側(cè)推電機(jī)和6組132kW的拖網(wǎng)絞車液壓泵站，其中6組132kW的拖網(wǎng)絞車液壓泵站分別進(jìn)行重載問詢。

4 典型調(diào)查作業(yè)工況及電站運(yùn)行情況

4.1 拖網(wǎng)作業(yè)工況

遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源調(diào)查船拖網(wǎng)調(diào)查作業(yè)主要分為放網(wǎng)過程和起網(wǎng)過程2個(gè)步驟。該船配置的拖網(wǎng)作業(yè)系統(tǒng)主要由液壓動(dòng)力系統(tǒng)、拖網(wǎng)控制系統(tǒng)和絞車設(shè)備等3部分組成。拖網(wǎng)液壓系統(tǒng)主要為拖網(wǎng)絞車、卷網(wǎng)絞車和輔助絞車等提供動(dòng)力源。

1) 當(dāng)整個(gè)拖網(wǎng)作業(yè)系統(tǒng)在放網(wǎng)過程工況下時(shí)，航速主要在 4～5kn，該工況全船負(fù)載和推進(jìn)所消耗的總功率約為1476.2kW，使用1臺(tái)1710kW的機(jī)組就可滿足作業(yè)需求，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率在86.3% ，拖網(wǎng)作業(yè)主要負(fù)載情況見表5。

2) 當(dāng)拖網(wǎng)作業(yè)系統(tǒng)在起網(wǎng)過程工況下時(shí)，為保障科研人員作業(yè)的安全，航速主要在 3～4kn，由于拖網(wǎng)作業(yè)起網(wǎng)樣品較多，在該工況下全船負(fù)載和推進(jìn)所消耗的總功率約為1961.4kW，使用1臺(tái)1710kW和1臺(tái)760kW機(jī)組就可滿足作業(yè)需求，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率在79.3%。

表5 拖網(wǎng)作業(yè)主要負(fù)載情況

4.2 金槍魚延繩釣作業(yè)工況

金槍魚延繩釣作業(yè)系統(tǒng)由投繩機(jī)、理繩機(jī)、支線機(jī)、液壓泵站和輸送帶/無線電浮標(biāo)等組成，金槍魚延繩釣從一根干線到借助浮子浮力的支線，完成誘引金槍魚上鉤捕撈系統(tǒng)的全部工作。金槍魚延繩釣作業(yè)主要負(fù)載情況見表6。

表6 金槍魚延繩釣作業(yè)主要負(fù)載情況

在金槍魚延繩釣作業(yè)工況下，航速主要在8～9kn，全船負(fù)載和推進(jìn)消耗的總功率約為1441kW，使用1臺(tái)1710 kW的機(jī)組就可滿足作業(yè)需求，負(fù)荷率為84.2%。

4.3 燈光魷魚釣作業(yè)工況

燈光魷魚釣作業(yè)主要利用魚類的趨光性，利用人造光源將魷魚群誘引到調(diào)查船周圍的光照區(qū)，使用魷魚釣機(jī)和網(wǎng)板進(jìn)行捕撈作業(yè)，主要的用電負(fù)載包括魷魚釣機(jī)、水上集魚燈、水下放魚燈、水下鹵素?zé)艉蛡沐^等。燈光魷魚釣作業(yè)主要負(fù)載情況見表7。

表7 燈光魷魚釣作業(yè)主要負(fù)載情況

該船結(jié)合作業(yè)甲板布置魷魚燈、上層集魚燈共計(jì)24盞，水下燈具的作業(yè)深度可調(diào)（最大深度250m），兩舷共設(shè)置4臺(tái)魷魚吊機(jī)，在燈光魷魚釣作業(yè)工況下，全船負(fù)載和推進(jìn)消耗的總功率約為619kW，使用1臺(tái)760kW小機(jī)組就可滿足作業(yè)需求，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為81.4%。

4.4 浮游生物取樣作業(yè)工況

在浮游生物取樣作業(yè)工況下，用電負(fù)載主要包括A型吊機(jī)、6000m水紋絞車和浮游生物取樣甲板單元等。浮游生物取樣作業(yè)負(fù)載情況見表8。

表8 浮游生物取樣作業(yè)負(fù)載情況

在浮游生物取樣作業(yè)工況下，航速主要在 2kn左右，此時(shí)負(fù)載和推進(jìn)消耗的總功率約為 641kW，使用1臺(tái)760kW小機(jī)組就可滿足作業(yè)需求，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為84.3%。

由幾種實(shí)船典型調(diào)查作業(yè)工況及電站運(yùn)行情況可知，配置2臺(tái)1710kW的發(fā)電機(jī)和1臺(tái)760kW的發(fā)電機(jī)可滿足不同作業(yè)工況的作業(yè)需求，使機(jī)組始終運(yùn)行在合理的燃油消耗區(qū)間內(nèi)，有利于滿足船舶調(diào)查作業(yè)的需求。

5 諧波分析及實(shí)船測(cè)量結(jié)果

電力推進(jìn)系統(tǒng)的諧波主要來自推進(jìn)變頻器。為有效抑制變頻器產(chǎn)生的諧波，該船的主推進(jìn)單元按照有源前端（AFE）形式設(shè)計(jì)，該船按照7kn航速工況、經(jīng)濟(jì)航行工況和全速航速工況、拖網(wǎng)作業(yè)工況等多種工況進(jìn)行諧波分析及計(jì)算，在航行試驗(yàn)中采用美國(guó)DRANETZ公司的專業(yè)電能質(zhì)量分析儀，根據(jù)不同工況進(jìn)行測(cè)量，諧波檢測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果見表9。經(jīng)過實(shí)測(cè)，在海上試航期間，所有實(shí)船進(jìn)行的諧波檢測(cè)均完全滿足并優(yōu)于船級(jí)社規(guī)范的要求。

表9 諧波檢測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 語

本文對(duì)遠(yuǎn)洋漁業(yè)調(diào)查船的電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，并結(jié)合航行試驗(yàn)的典型調(diào)查裝備作業(yè)工況討論了電站運(yùn)行和諧波控制情況，驗(yàn)證了本文所提電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，可為后續(xù)船舶的設(shè)計(jì)提供一定的參考。