吳 帆,胡銀軍

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214433)

0 引言

40 000 t自卸船是為加拿大CSL公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)制造的大湖型自卸船。為了運(yùn)營(yíng)過程中的節(jié)能提效,40 000 t自卸船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了大量的變頻設(shè)備。另外,船東對(duì)運(yùn)行工況提出了一些個(gè)性化的要求,致使電網(wǎng)運(yùn)行工況復(fù)雜,會(huì)出現(xiàn)4臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電,以及主機(jī)、艏側(cè)推、艉側(cè)推、自卸系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的極端工況。因此,電網(wǎng)功率管理和功率限制自動(dòng)控制是船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。選擇合適的變頻器和諧波控制,可滿足船級(jí)社規(guī)范要求和船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文對(duì)40 000 t自卸船電力系統(tǒng)的特點(diǎn)、大功率艏艉側(cè)推的啟動(dòng)方式、功率限制設(shè)定和諧波控制4個(gè)方面進(jìn)行研究,通過對(duì)大功率艏、艉側(cè)推電壓降計(jì)算,選擇合適的啟動(dòng)方式,以確保艏、艉側(cè)推的成功啟動(dòng),并減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

1 電力系統(tǒng)主要特點(diǎn)

40 000 t自卸船電力系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下:

(1)發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量大。常規(guī)的82 000 t散貨船的發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量為3×680 kW。本船裝有1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)(額定功率1 300 kW),經(jīng)變頻器向主配電板供電;3臺(tái)1 850 kW柴油發(fā)電機(jī)直接給配電板供電。

(2)船舶運(yùn)行工況多。本船電網(wǎng)運(yùn)行工況復(fù)雜,主要包括下面14種工況:

工況1:海上航行帶壓載水處理;工況2:海上航行不帶壓載水處理;工況3:江口(河口)航行帶艏、艉側(cè)推;工況4:江口(河口)航行帶艏側(cè)推;工況5:江口(河口)航行帶艉側(cè)推;工況6:江口(河口)航行不帶艏、艉側(cè)推;工況7:進(jìn)出港口帶艏、艉側(cè)推;工況8:進(jìn)出港口帶艏側(cè)推;工況9:進(jìn)出港口帶艉側(cè)推;工況10:進(jìn)出港口不帶艏、艉側(cè)推;工況11:裝貨;工況12:自動(dòng)卸貨不帶艏、艉側(cè)推;工況13:艏、艉側(cè)推80%額定功率和自卸系統(tǒng)50%功率下自動(dòng)卸貨;工況14:艏、艉側(cè)推100%額定功率和自卸系統(tǒng)50%功率下自動(dòng)卸貨。

(3)大功率變頻設(shè)備較多。本船自卸系統(tǒng)中2臺(tái)C-LOOP330 kW電動(dòng)機(jī)、2臺(tái)縱向管弄185 kW電動(dòng)機(jī)、4臺(tái)59 kW錨機(jī)電動(dòng)機(jī)、2臺(tái)22 kW機(jī)艙風(fēng)機(jī)、1臺(tái)160 kW脫硫系統(tǒng)海水泵電動(dòng)機(jī)均應(yīng)用變頻器,同時(shí)艏側(cè)推采用變頻控制。另外,為確保供給到主配電板電源頻率的穩(wěn)定,本船軸帶發(fā)電機(jī)并不是直接連到主配電板,而是經(jīng)變頻器后再連到主配電板供電。

2 艏艉側(cè)推啟動(dòng)方式選擇

本船裝有大功率艏、艉側(cè)推各1臺(tái)。艏側(cè)推帶可調(diào)槳式,電動(dòng)機(jī)額定功率為2 000 kW;艉側(cè)推帶可調(diào)槳式,電動(dòng)機(jī)額定功率為1 500 kW。面對(duì)大功率的電動(dòng)機(jī),啟動(dòng)方式的選擇對(duì)電網(wǎng)的安全和設(shè)備的運(yùn)行影響很大。在電力負(fù)荷計(jì)算[1]的工況中,有4種情況需特別注意:

(1)運(yùn)行工況3時(shí),全船電網(wǎng)由1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)和1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)供電,可提供3 150 kW功率。艏側(cè)推運(yùn)行前的全船基本負(fù)荷(油泵、水泵、風(fēng)機(jī)、照明等)為689.6 kW,2臺(tái)發(fā)電機(jī)還有剩余功率2 460.4 kW,即艏側(cè)推啟動(dòng)前全船電網(wǎng)還有剩余功率2 460.4 kW。

(2)運(yùn)行工況4時(shí),全船電網(wǎng)由1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)和1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)供電,可提供3 150 kW功率。艉側(cè)推運(yùn)行前的全船基本負(fù)荷為579.9 kW,2臺(tái)發(fā)電機(jī)還有剩余功率2 570.1 kW,即艉側(cè)推啟動(dòng)前全船電網(wǎng)還有剩余功率2 570.1 kW。

(3)運(yùn)行工況8時(shí),全船電網(wǎng)由1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)和1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)供電,可提供3 150 kW功率。艏側(cè)推運(yùn)行前的全船基本負(fù)荷(油泵、水泵、風(fēng)機(jī)、照明等)為781.1 kW,2臺(tái)發(fā)電機(jī)還有剩余功率2 368.9 kW,即艏側(cè)推啟動(dòng)前全船電網(wǎng)還有剩余功率2 368.9 kW。

(4)運(yùn)行工況9時(shí),全船電網(wǎng)由1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)和1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)供電,可提供3 150 kW功率。艉側(cè)推運(yùn)行前的全船基本負(fù)荷(油泵、水泵、風(fēng)機(jī)、照明等)為672.9 kW,2臺(tái)發(fā)電機(jī)還有剩余功率2 477.1 kW,即艉側(cè)推啟動(dòng)前全船電網(wǎng)還有剩余功率2 477.1 kW。

為了在剩余功率下實(shí)現(xiàn)艏、艉側(cè)推的順利啟動(dòng),根據(jù)規(guī)格書,艏、艉側(cè)推都采用自耦變壓器方式啟動(dòng)[2]。根據(jù)側(cè)推廠家給出的自耦變壓器抽頭比為0.5,按下面公式計(jì)算:

計(jì)算結(jié)果見表1。從表中可以看出:運(yùn)行工況3和工況8條件下,啟動(dòng)壓降達(dá)12.99%;運(yùn)行工況4和工況9條件下,啟動(dòng)壓降達(dá)9.56%。本船入級(jí)DNV·GL,其規(guī)范要求電壓降不能超過15%[2]。12.99%已很接近規(guī)范限值,9.56%則離規(guī)范限值還有較多空間。據(jù)此計(jì)算結(jié)果,綜合考慮后,確定將艏側(cè)推改為變頻器啟動(dòng),艉側(cè)推仍然采用自耦變壓器啟動(dòng)。實(shí)船試驗(yàn)時(shí),艏、艉側(cè)推在各種工況下均成功啟動(dòng),啟動(dòng)電壓降均小于15%。

表1 艏、艉側(cè)推啟動(dòng)電壓降計(jì)算結(jié)果

3 功率限制自動(dòng)控制

以前建造或改裝的自卸船,自動(dòng)卸貨工作要在船停靠碼頭后才能進(jìn)行,且自動(dòng)卸貨時(shí)主機(jī)、側(cè)推都已停機(jī)。由于運(yùn)營(yíng)情況特殊性,本船會(huì)出現(xiàn)主機(jī)、艏側(cè)推、艉側(cè)推、自卸系統(tǒng)全部同時(shí)運(yùn)行的工況,這樣電網(wǎng)需要3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)和1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)全部并聯(lián)運(yùn)行向電網(wǎng)供電。

當(dāng)船舶處在工況13和工況14條件下時(shí),電網(wǎng)(也即發(fā)電機(jī))的負(fù)荷率分別達(dá)到78%和88%,并且已經(jīng)沒有任何備用發(fā)電機(jī)了。如果由于某種原因(比如船員操作不當(dāng)?shù)?,使得艏、艉側(cè)推均以100%額定功率運(yùn)行,自卸系統(tǒng)也以100%額定功率運(yùn)行,那么4臺(tái)發(fā)電機(jī)均發(fā)生了過載,極可能某臺(tái)發(fā)電機(jī)主開關(guān)因過載保護(hù)而發(fā)生跳閘,導(dǎo)致剩下發(fā)電機(jī)嚴(yán)重過載,其主開關(guān)更快跳閘,全船很快失電。因此,為確保電網(wǎng)安全,需要對(duì)艏、艉側(cè)推和自卸系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行功率限制的自動(dòng)控制,即根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)剩余功率值,自動(dòng)限制艏、艉側(cè)推和自卸系統(tǒng)的最大運(yùn)行功率。

對(duì)于艏、艉側(cè)推的功率限制,主配電板中的功率管理系統(tǒng)會(huì)把電網(wǎng)實(shí)時(shí)剩余功率值(4～20 mA信號(hào))輸出給艏、艉側(cè)推控制系統(tǒng),由艏、艉側(cè)推控制系統(tǒng)完成功率限制的自動(dòng)控制。

控制邏輯按下面設(shè)定:

(1)當(dāng)配電板剩余功率P>側(cè)推運(yùn)行預(yù)設(shè)功率P1時(shí),側(cè)推控制手柄可以正常控制。

(2)當(dāng)側(cè)推運(yùn)行預(yù)設(shè)功率P2<配電板剩余功率P<側(cè)推運(yùn)行預(yù)設(shè)功率P1時(shí),側(cè)推可以保持控制手柄位置或操縱手柄降速。

(3)當(dāng)配電板剩余功率P<側(cè)推運(yùn)行預(yù)設(shè)功率P2時(shí),側(cè)推控制手柄降速。

有了此功率限制的自動(dòng)控制,即使船員操作艏、艉側(cè)推控制手柄至100%額定功率運(yùn)行位置,艏、艉側(cè)推并不會(huì)完全按照控制手柄發(fā)出的指令運(yùn)行,而是會(huì)同時(shí)接收功率管理系統(tǒng)發(fā)來的電網(wǎng)實(shí)時(shí)剩余功率值,按照功率限制的控制邏輯進(jìn)行控制。

對(duì)于自卸系統(tǒng),主配電板中的功率管理系統(tǒng)(PMS)會(huì)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)實(shí)時(shí)剩余功率值和自卸系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行功率值,對(duì)自卸系統(tǒng)進(jìn)行功率限制的自動(dòng)控制,其控制邏輯和艏、艉側(cè)推功率限制的自動(dòng)控制邏輯相似。功率管理系統(tǒng)輸出一個(gè)無源觸點(diǎn)信號(hào)(常開觸點(diǎn))給自卸系統(tǒng):當(dāng)電網(wǎng)實(shí)時(shí)剩余功率值足夠時(shí),此觸點(diǎn)保持常開狀態(tài),自卸系統(tǒng)按照船員操作貨控電腦發(fā)出的指令運(yùn)行;當(dāng)電網(wǎng)實(shí)時(shí)剩余功率值不夠時(shí),此觸點(diǎn)閉合,自卸系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行功率限制,將不按照貨控電腦發(fā)出的指令運(yùn)行。這樣,電網(wǎng)(也即發(fā)電機(jī))不再會(huì)發(fā)生過載情況,避免了全船失電的發(fā)生,確保了船舶安全。

4 電網(wǎng)諧波控制

4.1 變頻器的選擇

自卸系統(tǒng)的變頻設(shè)備功率很大。結(jié)合以往的自卸船建造經(jīng)驗(yàn),本船大功率自卸電動(dòng)機(jī)、錨纜機(jī)電動(dòng)機(jī)、脫硫海水泵電動(dòng)機(jī)和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的風(fēng)機(jī)均采用AFE變頻器。變頻設(shè)備功率較大,這樣相對(duì)來說諧波會(huì)小,不考慮采用加單獨(dú)濾波器的形式。如果加單獨(dú)濾波器,根據(jù)最新規(guī)范要求配電板上需要配有諧波監(jiān)測(cè)儀,這樣會(huì)增加安裝敷設(shè)、采購費(fèi)用成本。電動(dòng)艙蓋變頻設(shè)備功率較小,使用時(shí)間短,采用DFE變頻器。

設(shè)備的制造、安裝、變頻電纜的選擇、電纜的敷設(shè)工藝等也會(huì)影響諧波大小。建造過程中,應(yīng)該嚴(yán)格按照變頻器廠家的電纜選型、敷設(shè)工藝、接線工藝的要求。如果最終總諧波、單次諧波超過船級(jí)社要求,常見的解決方式是增加單獨(dú)的濾波器(有源或者無源),同時(shí)配電板上需要配有諧波監(jiān)測(cè)儀。

4.2 電網(wǎng)諧波計(jì)算

當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)在網(wǎng)時(shí),分析發(fā)現(xiàn),在運(yùn)行工況1、工況3、工況8、工況14條件下諧波畸變率高,其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 諧波計(jì)算(軸帶發(fā)電機(jī)在網(wǎng))

軸帶發(fā)電機(jī)不在網(wǎng)時(shí),通過對(duì)電力負(fù)荷計(jì)算書中的各種工況對(duì)比分析后,得出靠泊運(yùn)行工況12條件下,諧波值將是最大的。計(jì)算結(jié)果顯示,電網(wǎng)總諧波畸變率為2.11%,單次電網(wǎng)諧波畸變率<5%。

各工況下的電網(wǎng)諧波值均沒有超過DNV·GL規(guī)范的要求值(≤8%)。其中:軸帶發(fā)電機(jī)在網(wǎng)的各工況下,自動(dòng)卸貨工況下的情況3時(shí)的電網(wǎng)諧波值最大;軸帶發(fā)電機(jī)不在網(wǎng)的各工況下,自動(dòng)卸貨時(shí)的電網(wǎng)諧波值最大。在后續(xù)的系泊試驗(yàn)、海上試航時(shí)對(duì)這2種情況下的電網(wǎng)諧波值進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量結(jié)果均沒有超過DNV·GL規(guī)范的要求值[2]。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)船東對(duì)本船運(yùn)行工況的個(gè)性化要求,結(jié)合電力負(fù)荷計(jì)算分析,選擇了合適的艏、艉側(cè)推的啟動(dòng)方式,有效解決了大功率設(shè)備啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響問題。

(2)通過對(duì)艏、艉側(cè)推、自卸系統(tǒng)的功率限制自動(dòng)控制,可以確保當(dāng)電網(wǎng)功率有限時(shí),大功率設(shè)備的有效運(yùn)行。

(3)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期,就重點(diǎn)關(guān)注變頻設(shè)備的諧波控制問題,作了相關(guān)分析計(jì)算,并依據(jù)這些分析計(jì)算結(jié)果選擇合適的AFE型變頻器。最終成功解決了這一問題,確保了本船首制船的成功交付。此設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)自卸船建造中尚屬首次。