夏明寬

（羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

電氣自動化

5000dw t多用途天然氣動力滾裝船電氣設(shè)計

夏明寬

（羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

以羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司設(shè)計的世界上首艘5000dw t多用途純天然氣動力滾裝船為例，闡述其電氣系統(tǒng)的設(shè)計及混合推進系統(tǒng)在電力系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮的重要作用。同時，介紹該船主推進遙控系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)和氣體泄漏探測與安全系統(tǒng)的設(shè)計。該類型船的成功應(yīng)用可為相關(guān)船型的電氣設(shè)計提供參考。

滾裝船；船舶電氣；混合軸帶發(fā)電機（HSG）；純氣體燃料發(fā)動機；液化天然氣（LNG）安保；推進控制

0 引 言

環(huán)保問題已是當今社會研究的熱點，為滿足日益嚴苛的CO2及污染物排放要求，研制采用清潔能源的發(fā)動機逐漸成為發(fā)動機制造業(yè)發(fā)展的方向。隨著人們對環(huán)保問題不斷關(guān)注及國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的TierⅢ排放標準出臺，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）燃料動力船舶在環(huán)保方面的獨特優(yōu)勢更加明顯。LNG燃料可從源頭上解決CO2及污染物排放問題并完全滿足IMO TierⅢ的要求。與使用常規(guī)燃油的內(nèi)燃機相比，以LNG為燃料的內(nèi)燃機的減排效果和環(huán)保性能十分顯著，其中：CO2排放量降低約22%；SOx排放量降低約100%；顆粒物排放量降低約100%；NOx排放量降低約92%[1-2]。

這里以羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司（以下簡稱羅爾斯羅伊斯）設(shè)計的世界上首艘5000dw t多用途純天然氣動力滾裝船為例，闡述其電氣系統(tǒng)的設(shè)計及混合推進系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮的作用，并介紹主推進遙控系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)和氧化泄漏探測與安全系統(tǒng)的設(shè)計。該船長112m，載重量5000 t，結(jié)合天然氣發(fā)動機推進系統(tǒng)、最新的船舶線型設(shè)計及混合推進技術(shù)達到環(huán)保的目的，包括可從根本上降低SOx及CO2排放量，比同類型船舶減少約40%。

1 主要負載分析及計算

該船可運載集裝箱、汽車和冷藏貨物，露天甲板上可裝載125TEU集裝箱并安裝有最大起重量為80 t的吊機，艏部配置700kW的側(cè)推器用于進出港機動。表1為該船的主要負載設(shè)備功率需求，表2為該船不同工況下所需的電力負荷。

表1 5000dw t多用途船主要負載設(shè)備功率需求

表2 5000dw t多用途船不同工況下所需的電力負荷

2 電力系統(tǒng)設(shè)計

目前以LNG為燃料的船舶多采用中速四沖程雙燃料發(fā)動機或單一氣體燃料發(fā)動機，其中雙燃料發(fā)動機可在2種燃料模式下工作，根據(jù)不同的工況自動切換。然而，該船的主機為羅爾斯羅伊斯生產(chǎn)的純天然氣動力發(fā)動機，如何在LNG供氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時保證船舶不失去推進動力并滿足相關(guān)船級社規(guī)范要求是該船設(shè)計的難點。

出于推進系統(tǒng)冗余考慮，該船采用羅爾斯羅伊斯的混合軸帶發(fā)電機系統(tǒng)。主機的額定功率為3940kW，通過減速齒輪箱連接可調(diào)螺距螺旋槳，同時連接功率為 1400kW 的軸帶發(fā)電機，實現(xiàn)動力輸出裝置（Power-Take-Out，PTO）功能。該船配有2臺功率為700kW的柴油發(fā)電機組，當主機出現(xiàn)故障無法運行時，可使用2臺柴油發(fā)電機組，軸帶發(fā)電機作為電動機工作，帶動螺旋槳作應(yīng)急推進系統(tǒng)，實現(xiàn)PTH（Power Take Home）功能。

混合軸帶發(fā)電機系統(tǒng)（Hybrid Shaft Generator，HSG）是一種基于主動前端變頻器的新型軸帶發(fā)電機系統(tǒng)，由羅爾斯羅伊斯最先提出。該系統(tǒng)以普通異步感應(yīng)電機作為軸帶發(fā)電機（或推進電機）。在PTO模式下，軸帶發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)主動前端變頻器整定為頻率和電壓穩(wěn)定的電能，供應(yīng)到配電板上，主機不再需要保持轉(zhuǎn)速恒定。這樣就可進一步優(yōu)化主機的轉(zhuǎn)速和可調(diào)螺距螺旋槳的螺距，使主機工作在更為節(jié)能、高效的轉(zhuǎn)速點上。在PTH模式下，主機停車，主動前端變頻器吸收配電板上的電能，用以驅(qū)動感應(yīng)電機和螺旋槳，可根據(jù)船舶運行的實際工況在PTO/PTH模式下自動切換。這種基于絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）技術(shù)的軸帶發(fā)電電動裝置采用全控型器件進行脈寬調(diào)制，節(jié)能效果較好，電網(wǎng)諧波低[3-4]。

該船電力系統(tǒng)單線圖見圖1，其設(shè)計具有以下特點：

1) 整個電力系統(tǒng)由1臺1400kW的軸帶發(fā)電機和2臺700kW的柴油發(fā)電機組成，運行軸帶發(fā)電機完全可以滿足船上電力負荷的需求。

2) 440V主匯流排分成2段，分別連接1400kW的軸帶發(fā)電機和700kW的柴油發(fā)電機組，功率上達到平衡配置。

3) 配電系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢在于 1400kW 的軸帶發(fā)電機屏可與柴油發(fā)電機屏長期并車，由功率管理系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電機的容量按比例分配負荷。

4) 艏側(cè)推器作為船舶最大的負載，不是直接連接到主匯流排，而是通過軸帶發(fā)電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)來驅(qū)動。在軸帶發(fā)電機運行時，可不通過主匯流排，而是由軸帶發(fā)電機驅(qū)動系統(tǒng)直接驅(qū)動側(cè)推器。在啟動柴油發(fā)電機（軸帶發(fā)電機不運行）時，可由主匯流排的電力來驅(qū)動側(cè)推器。

5) 岸電也是通過軸帶發(fā)電機驅(qū)動控制柜連接到主匯流排的。在驅(qū)動控制柜上設(shè)置岸電控制屏，充分利用主動前端變頻器的優(yōu)勢，不論岸電頻率是50Hz還是60Hz，經(jīng)過變頻器的整流和逆變環(huán)節(jié)，都能在主配電板上得到頻率穩(wěn)定的電力供給。

由以上分析可知，整個電力系統(tǒng)設(shè)計非常靈活，船舶可在多種工況下工作。表3為船舶不同運行模式下的配電狀態(tài)。

表3 船舶不同運行模式下的配電狀態(tài)

3 自動化系統(tǒng)

3.1 主推進裝置及控制

主機采用羅爾斯羅伊斯生產(chǎn)的B35:40L9PG四沖程氣體發(fā)動機（MCR3940kW，轉(zhuǎn)速750 r/m in）；整套推進系統(tǒng)也由其提供，包含齒輪箱、PTO/PTH軸帶發(fā)電機、軸系和調(diào)距槳。主推進系統(tǒng)采用“中速機+齒輪箱+調(diào)距槳”的方案，有多種工作模式（見圖2）。齒輪箱內(nèi)有主離合器、PTO離合器和PTI離合器。在常規(guī)推進模式下，只有主離合器嚙合，主機通過主輸出軸帶動螺旋槳；在PTO模式下，主離合器和PTO離合器嚙合，主機在驅(qū)動螺旋槳的同時帶動軸帶發(fā)電機發(fā)電；在PTH模式下，主機不運行，PTI離合器嚙合，軸帶發(fā)電機以電動機模式工作，驅(qū)動螺旋槳。此外，在港口具有排放限制的區(qū)域還可使用停泊發(fā)電模式，該模式下PTO離合器嚙合、主離合器脫開，主機只用來驅(qū)動軸帶發(fā)電機。

推進器控制系統(tǒng)對主推進調(diào)距槳和艏側(cè)推器集中控制。圖3為全船推進器控制系統(tǒng)布置圖。

1) 在駕駛室的左翼、右翼和主駕控臺設(shè)有控制站。各控制站均包含各推進器單獨的指示儀表、控制手柄及觸摸屏電腦人機界面。調(diào)距槳控制手柄同時輸出螺距命令和主機轉(zhuǎn)速命令，實現(xiàn)聯(lián)合控制。

2) 在集控室控制站設(shè)有主推進調(diào)距槳的控制手柄和觸屏人機界面，集控室控制站對主推進裝置的控制具有優(yōu)先權(quán)。

3) 艏側(cè)推器只在駕駛室控制螺距。側(cè)推器是由變頻器驅(qū)動調(diào)距槳?？刂剖直奈恢冒凑湛刂葡到y(tǒng)內(nèi)預(yù)先標定的聯(lián)合控制曲線標定相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)速和側(cè)推器螺距。

4) 控制系統(tǒng)為雙總線的冗余設(shè)計，指示系統(tǒng)通過單獨的總線傳輸信號。局域網(wǎng)系統(tǒng)連接所有觸屏電腦人機界面。每個手柄中都設(shè)有2套控制電位器并單獨供電，使主控制系統(tǒng)和備用控制系統(tǒng)均為隨動控制。

5) 所有控制站的觸屏人機界面上的信息都是相同的，即顯示所有推進器的相關(guān)信息；在人機界面上可對控制位置進行轉(zhuǎn)換，控制相關(guān)伺服泵的起停、側(cè)推變頻器的啟動與復(fù)位及PTH/PTO齒輪箱模式的轉(zhuǎn)換。

3.2 全船自動化系統(tǒng)

整個自動化系統(tǒng)基于冗余以太網(wǎng)通信設(shè)計，集成機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、泵控閥控系統(tǒng)、液位測量系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、LNG控制系統(tǒng)及LNG安全系統(tǒng)。在駕駛室、集控室、輪機長房間和貨控室設(shè)有控制站?？刂普就ㄟ^冗余以太網(wǎng)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交換機連接各子系統(tǒng)。在自動化系統(tǒng)中預(yù)定義不同的船舶操縱模式，通過自動化系統(tǒng)實現(xiàn)推進控制系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、齒輪箱離合器控制系統(tǒng)及軸帶發(fā)電機控制系統(tǒng)之間的聯(lián)合控制，船員只需在工作站計算機上即可實現(xiàn)不同操作模式之間的自動切換。圖4為集成自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3.3 LNG探測及安全系統(tǒng)

由于采用混合推進技術(shù)，因此當LNG燃料系統(tǒng)發(fā)生故障必須停止使用時會自動切換到PTH模式，采用柴油機電力推進方式保障船舶的推進功能。為避免在PTO模式下全船失電，柴油發(fā)電機組必須在檢測到LNG燃料系統(tǒng)報警并自動轉(zhuǎn)換到PTH模式之前啟動。一旦觸發(fā)安保系統(tǒng)，將有多種類型的動作發(fā)生（見表4）。

表4 LNG安全系統(tǒng)警報分類

LNG安保系統(tǒng)在檢測到氣體泄漏時將關(guān)閉供氣系統(tǒng)，避免天然氣泄漏到非危險區(qū)域。在所有可能發(fā)生氣體積累和/或相應(yīng)通風(fēng)出口處安裝氣體泄漏探測裝置。該船在LNG加注站、冷箱（儲罐連接處所）、壓力整定單元、氣閘、膨脹箱、主機進氣管路、主機上方及機艙布置有天然氣泄漏探測傳感器（見圖5）。

4 結(jié) 語

羅爾斯羅伊斯設(shè)計的5000dw t多用途純天然氣動力滾裝船的首制船“Kvitbj?rn”已于2015年交付給挪威船東Norlines公司，并單純依靠LNG燃料成功完成了史上最長的航行[5]，證明了羅爾斯羅伊斯純氣體發(fā)動機技術(shù)的可靠性。

[1] 金寶燕，鄭玄亮. 液化天然氣雙燃料動力港作拖輪設(shè)計研究[J].船舶與海洋工程，2013 (2): 35-39.

[2] 林建輝，陸晟. 小型LNG船推進方案綜述[J]. 船舶與海洋工程，2012 (3): 52-55.

[3] 郭燚，李碩，許慧敏，等. AFE變頻器在船舶電力推進電機控制中的應(yīng)用[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報，2014, 35 (4): 68-74.

[4] 中國船舶工業(yè)集團公司，中國船舶重工集團公司，中國造船學(xué)會. 船舶設(shè)計實用手冊（電氣分冊）[M]. 3版. 北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[5] Rolls-Royce 公 司 . Rolls-Royce powers the world’s longest journey by LNG at sea[EB/OL]. [2016-02-15]. http://www.rolls-royce.com.

Electrical Design of a LNG Powered 5000dw t M ulti-Purpose RORO Vessel

XIA M ing-kuan
（Rolls-Royce Marine Manufacturing (Shanghai) Lim ited, Shanghai 201204, China）

Taking the world’s first LNG powered 5000dw t multi-purpose pure RORO vessel designed by Rolls-Royce as example, this paper elaborates the electrical system design and the important role that hybrid propulsion system plays in the electrical system. It also introduces the design of the main propulsion remote control system, the automation system and the gas leakage detection and security system. The success of the ship type can provide reference for the electrical design of the sim ilar ships.

RORO vessel; marine electrics; HSG; LNG powered engine; LNG safety; propulsion control

U674.13+8；U665

A

2095-4069 (2017) 03-0046-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.010

2016-05-25

夏明寬，男，工程師，碩士，1980年生。2005年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶電氣自動化系統(tǒng)技術(shù)支持及應(yīng)用工作。