文光澄

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內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

文光澄

(重慶市西海船舶技術(shù)咨詢有限公司，重慶400023)

在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展條件下，結(jié)合內(nèi)河船舶規(guī)范的有關(guān)要求，綜合分析電力推進(jìn)船舶各個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的要點(diǎn)。

內(nèi)河船舶 電力推進(jìn) 設(shè)計(jì)

0 引言

近年來，隨著變頻技術(shù)、PLC、工控機(jī)、工業(yè)總線、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等的發(fā)展及其成熟應(yīng)用，采用交流電力系統(tǒng)+交直交變頻+交流異步鼠籠電動(dòng)機(jī)的電力推進(jìn)技術(shù)由于具有投資成本、使用成本、運(yùn)行穩(wěn)定性、性能、技術(shù)成熟度、設(shè)備體積、維護(hù)便捷等諸多優(yōu)勢，逐漸成為船舶電力推進(jìn)的主流應(yīng)用，不久前本人設(shè)計(jì)的某內(nèi)河起重救助船舶采用這種模式達(dá)到了較好的效果，在操縱反應(yīng)的靈敏靈活性、可靠性、機(jī)艙的簡節(jié)性、綜合成本等均優(yōu)于傳統(tǒng)的柴油機(jī)直接推進(jìn)模式，本文以這種模式為基礎(chǔ)探討電力推進(jìn)技術(shù)在內(nèi)河船舶上的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以供同仁參考。

1 電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

1）操控良好：推進(jìn)控制系統(tǒng)采用PLC＋變頻器＋電動(dòng)機(jī)，具有正反轉(zhuǎn)切換快速便捷，調(diào)速控制精準(zhǔn)，制動(dòng)迅速，恒轉(zhuǎn)矩，操控反應(yīng)靈敏可靠等優(yōu)勢。采用全回轉(zhuǎn)舵槳或吊艙推進(jìn)系統(tǒng)，船舶推進(jìn)及轉(zhuǎn)向靈活精準(zhǔn)，適用于特種作業(yè)船舶。

2）安全性：電氣設(shè)備的故障率相對(duì)較低，采用冗余設(shè)計(jì)，提高了安全性。

3）節(jié)省空間，布置方便：由于沒有復(fù)雜的主機(jī)、齒輪箱、軸系，燃油和滑油管系，以及其它輔助系統(tǒng)，可以節(jié)省較大的空間。各系統(tǒng)采用電氣連接，方便調(diào)整布置。

4）噪聲及震動(dòng)低：發(fā)電機(jī)組可以安裝在彈性底座上，各設(shè)備與船體無直接的硬連接，減少了震動(dòng)及噪聲的傳遞，改善了乘客和船員的舒適性。

5）污染?。喊l(fā)電機(jī)組一直中速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速變化不大，廢氣排放更加環(huán)保。

6）綜合成本低：發(fā)電機(jī)組可以根據(jù)負(fù)荷情況增減，且發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于高速、高效的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況；對(duì)于起重、工程船以及自備裝卸設(shè)備的船舶來說，采用電力推進(jìn)并不需要增加發(fā)電機(jī)的數(shù)量，僅僅功率略有增加，但省去主機(jī)和齒輪箱等能帶來10～20%的綜合成本優(yōu)勢。

7）維護(hù)成本低：電氣系統(tǒng)維護(hù)簡便，故障率低，滑油、備件的消耗減少，船員的維護(hù)工作量減少，很容易實(shí)現(xiàn)一人或無人機(jī)艙，后期成本優(yōu)勢明顯，尤其是發(fā)達(dá)國家非?？粗剡@方面帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

2 電力推進(jìn)的缺點(diǎn)

1) 首次投資成本略高：對(duì)于游船、不需進(jìn)行施工或裝卸作業(yè)船舶來說，在推進(jìn)系統(tǒng)上的整體成本大約比柴油機(jī)直接推進(jìn)高20-30%。

2) 效率略低：經(jīng)發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器、電機(jī)等多個(gè)層次的傳遞，在滿負(fù)荷時(shí)比柴油機(jī)＋齒輪箱的傳動(dòng)效率低大約7%。

3) 電網(wǎng)的諧波干擾：雖然采取了一些措施來降低諧波，但是電網(wǎng)的諧波干擾仍然比普通船舶復(fù)雜，需要對(duì)此進(jìn)行特別處理。

3 各型船舶的適用性

1) 航道工程船、起重船、需要自己裝卸作業(yè)的液貨船：由于航行時(shí)負(fù)荷主要供給推進(jìn)系統(tǒng)，而作業(yè)時(shí)推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)荷較低或者為零，作業(yè)或裝卸貨設(shè)備負(fù)荷最高，可以確保電力系統(tǒng)在任何時(shí)候都可以得到很高的利用率。

2) 消防船、救助船、特種工程船：這類船舶要求操縱靈活性、定位精問候準(zhǔn)，采用電力吊艙式或全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)可以更好地滿足這類船舶的操控要求，相比傳統(tǒng)的一些技術(shù)解決方案，在安全可靠性、技術(shù)復(fù)雜性、設(shè)備的利用效率、維護(hù)的簡捷性、投資成本等都有較大的優(yōu)勢。

3) 游輪：期望提供給乘客更好的舒適性和安全性。

4 電站電網(wǎng)的設(shè)計(jì)

4.1內(nèi)河三相交流變頻推進(jìn)系統(tǒng)典型單線圖

圖1 內(nèi)河三相交流變頻推進(jìn)系統(tǒng)典型單線圖

4.2 發(fā)電機(jī)組數(shù)量及電壓的選擇

根據(jù)現(xiàn)行《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》第八篇第二章“電力推進(jìn)船舶的附加要求”（如無特殊說明，后文簡稱“內(nèi)規(guī)”均為本規(guī)范附加要求中的相關(guān)條款）第2.2.1.3(2)條，最少應(yīng)配備兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組才能滿足該條款的要求。其中需要注意的是關(guān)于滿足“一臺(tái)發(fā)電機(jī)不工作時(shí)仍能維持有效的推進(jìn)”，這種情況下船舶的航速不低于7 kN或設(shè)計(jì)航速的一半（取兩者最大值），結(jié)合船舶的大小、經(jīng)濟(jì)性、利用率、可靠性等方面考慮，普遍配備3-4臺(tái)，3相，AC400 V的發(fā)電機(jī)組。內(nèi)河船普遍較小，適合采用AC400 V低壓電力系統(tǒng)，總體成本不高。如果推進(jìn)負(fù)荷較大，可以考慮采用中壓設(shè)備，從而減小設(shè)備體積和電纜線徑。

4.3電站的設(shè)計(jì)與電力系統(tǒng)的保護(hù)

由于電力推進(jìn)船舶電站功率普遍較大，擔(dān)負(fù)著全船的控制、通信、推進(jìn)、動(dòng)力、照明等多種設(shè)備的電能供應(yīng)，對(duì)船舶的航行安全具有決定性的作用，電站供電的連續(xù)性、可靠性是電推船舶的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，因而設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意各個(gè)系統(tǒng)的冗余，如發(fā)電機(jī)組、匯流排、推進(jìn)系統(tǒng)、照明變壓器等均為兩套或以上，互為備用，避免局部故障導(dǎo)致全船電力系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)“內(nèi)規(guī)”2.2.2條的要求，采用公共電站，應(yīng)設(shè)置功率管理系統(tǒng)?？紤]到非公共電站會(huì)降低電力推進(jìn)的某些優(yōu)勢，電力推進(jìn)的船舶普遍采用公共電站，因此自動(dòng)電站系統(tǒng)是必備的功能。自動(dòng)化電站管理系統(tǒng)可以提供可靠的功率管理(如自動(dòng)卸載、備用機(jī)組自起動(dòng)、自動(dòng)并車、功率分配、逆功率等)、電壓過高或欠壓、頻率過高或過低、短路、過載、缺相、漏電保護(hù)等多種保護(hù)，提高了船舶電力系統(tǒng)的生命力。

如果是急流航段或者主發(fā)電機(jī)總?cè)萘砍^500 kVA時(shí)，還應(yīng)注意主匯流排的分段要求，重要負(fù)荷在分段匯流排上合理分布。并結(jié)合短路電流的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行協(xié)調(diào)性保護(hù)分析，合理選擇和整定斷路器。特別應(yīng)注意避免局部的短路故障，由于協(xié)調(diào)性保護(hù)不合理導(dǎo)致全船失電的嚴(yán)重故障，因此當(dāng)發(fā)生較為嚴(yán)重的短路故障時(shí)，匯流排聯(lián)絡(luò)開關(guān)應(yīng)當(dāng)迅速優(yōu)先分?jǐn)啵?/p>

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)一臺(tái)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組因故障停機(jī)時(shí)，將瞬間拉低整個(gè)電網(wǎng)的電壓，導(dǎo)致所有發(fā)電機(jī)主開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)、推進(jìn)電機(jī)主開關(guān)保護(hù)性跳閘，只有聯(lián)絡(luò)開關(guān)快速優(yōu)先斷開，才能保證其余電網(wǎng)及推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保障船舶安全。

4.4諧波的抑制

過高的諧波對(duì)船舶電力、電氣控制、通信等多個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能源損耗、設(shè)備及電纜的使用壽命具有較大的危害，規(guī)范對(duì)此非常重視，根據(jù)《內(nèi)規(guī)》2.2.3條的要求，電推船舶電力系統(tǒng)各處總諧波失真不超過5%。

在設(shè)計(jì)時(shí)通過計(jì)算判斷諧波的嚴(yán)重程度，綜合考慮費(fèi)效比、設(shè)備體積等因素，選用用12脈沖或(虛擬)24脈沖變頻器、有源或無源濾波技術(shù)、交流或直流電抗器，優(yōu)質(zhì)變頻器在輸入輸出端進(jìn)行了濾波處理，以及使用IGBT整流橋，可以有效降低總諧波畸變率。

5 推進(jìn)裝置

目前常用的有吊艙式、Z推、傳統(tǒng)軸系螺旋槳推進(jìn)，需要綜合考慮操縱靈活性要求、安裝布置、推進(jìn)功率、投資成本等進(jìn)行選擇。

5.1推進(jìn)電機(jī)及變頻器

就成本、技術(shù)性能、體積、故障率、維護(hù)而言，采用交流異步鼠籠式變頻電機(jī)，配用交直交變頻器閉環(huán)控制，是當(dāng)前比較理想的一種模式，相比其它類型的電動(dòng)機(jī)和變頻器，具有成本低、故障率低、效率高、操縱性好、可靠性高，缺點(diǎn)是諧波畸變比較嚴(yán)重。

考慮到電機(jī)及變頻器均為長期運(yùn)行，應(yīng)特別注意散熱，特別是變頻器的安裝環(huán)境應(yīng)當(dāng)干燥、通風(fēng)、震動(dòng)小，并遠(yuǎn)離熱源。應(yīng)采取主動(dòng)散熱的措施，必要時(shí)采用水冷或增設(shè)空調(diào)。

5.2推進(jìn)控制與監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1) 推進(jìn)控制：現(xiàn)在的變頻器和PLC均具有強(qiáng)大而高速的數(shù)字控制、運(yùn)算、通訊功能，主控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)或工業(yè)總線，布線簡便，能夠可靠、快速地在駕駛室、集控室、機(jī)艙之間傳輸多種多樣的開關(guān)量、模擬量信號(hào)。各終端采用觸摸屏或計(jì)算機(jī)顯示器，逼真的三維圖形顯示技術(shù)可以完美地向駕駛、輪機(jī)人員實(shí)時(shí)提供重要的船舶發(fā)電機(jī)組、電站、推進(jìn)系統(tǒng)、監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)等綜合信息。

2) 監(jiān)測報(bào)警：規(guī)范對(duì)電力推進(jìn)船舶機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)有復(fù)雜而嚴(yán)格的要求，報(bào)警、顯示和自動(dòng)停車項(xiàng)目較多，有些項(xiàng)目不是廠家標(biāo)配提供，比如繞組溫度傳感器，制造時(shí)如果沒有安裝后期是無法補(bǔ)救的，為了保證可靠往往在制造時(shí)還會(huì)埋入一套備用傳感器。

3) 獨(dú)立、可靠性：電站管理系統(tǒng)、主推進(jìn)控制系統(tǒng)、應(yīng)急操作系統(tǒng)、監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、車鐘通信、語音通信等各個(gè)系統(tǒng)均能夠獨(dú)立工作，互不干涉，以保證各個(gè)系統(tǒng)的生命力。就地控制應(yīng)設(shè)計(jì)為最高優(yōu)先級(jí)別，且不受其他控制處所故障的影響。

6 結(jié)語

船舶電力推進(jìn)技術(shù)的成熟發(fā)展，提高了船舶操縱的性能和可靠性，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性和綜合成本，隨著變頻、諧波治理等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，減少初期投資成本，在船舶以無人駕駛、動(dòng)力定位、無人機(jī)艙、信息化等為發(fā)展方向的未來，電推技術(shù)必將成為船舶的主流應(yīng)用。

[1] 金德昌等. 船舶電力推進(jìn)原理[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 1993.

[2] 黃宏波等. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 1997.

Key Points of the Design on Electric Propulsion System for an Inland Ship

Wen Guangcheng

(Chongqing Xihai Ship Technology Consulting Co., Ltd, Chongqing 400023, China)

U662.2

A

1003-4862（2017）05-0027-03

2016-12-15

文光澄(1976-)，男，工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)。