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        大型客滾船側推系統(tǒng)設計和分析

        2022-09-28 11:30:06周康寧李國榮
        船舶物資與市場 2022年9期
        關鍵詞:軸帶密封件變頻

        周康寧,李 彬,李國榮

        (招商局金陵船舶(南京)有限公司,江蘇 南京 210015)

        0 引言

        1 概況

        1.1 艏艉動力布置

        本船布置雙機艙、四機雙槳,每側機艙均有2臺主機,通過齒輪箱變速輸出至螺旋槳和軸帶發(fā)電機,在船艏側推室布置3臺艏部側推。在進出港靠泊時,分別為船艉和船艏提供橫向推力。

        1.2 供電概況

        2臺軸帶發(fā)電機,每臺功率為2880 kW;4臺主發(fā)電機,每臺功率為1384 kW;3臺艏部側推,每臺功率為2500 kW;除側推以外的全船基礎負荷約2500 kW。

        2 系統(tǒng)設計

        2.1 配電系統(tǒng)

        其中1號和2號側推連接至直流配電板,直流配電板兼作側推啟動器 ;3號側推連接至AC690V主配電板,采用自耦降壓啟動方式[3]。

        圖1 側推系統(tǒng)單線圖

        1)正常航行時,2臺軸帶發(fā)電機并網為全船基礎負荷提供電源,主發(fā)電機備用。

        2)正常進出港工況時,2臺軸帶發(fā)電機分別為2臺側推提供電源,第3臺側推備用,主發(fā)電機為全船基礎負荷提供電源。

        3)極端進出港工況時,軸帶發(fā)電機輸出功率受限,3臺側推或其中2臺側推組合使用,主發(fā)電機為全船基礎負荷和部分側推提供電源。

        中國工程院智能制造發(fā)展戰(zhàn)略研究室主任屈賢明曾表示,工業(yè)強基主要包括4個方面,即核心基礎零部件、關鍵基礎材料、先進基礎工藝和產業(yè)技術基礎。只有把基礎打牢,才能在關鍵領域擁有核心競爭力,夯實產業(yè)發(fā)展的基礎。讓我們將目光從產業(yè)縮小到企業(yè),只有使每一個出廠產品被客戶認可,才能讓企業(yè)在該領域具有一定的話語權;再將目光從企業(yè)縮小到產品,只有對每一個零件進行質量把控,才能保證產品的高性能。于此,國望集團之所以大手筆購置先進加工設備的原因不言而喻,其就是要保證每一個零件的高精度,從而確保最終組裝產品的高性能,這亦是國望集團對于“一流”產品的承諾。

        左右兩側的直流配電板兼作側推啟動器,1號和2號側推的升壓變壓器直接連接至軸發(fā)變頻器,減少額外的硬件配置。兩側直流配電板可與AC690V主配電板分區(qū)運行,側推突加和突卸負荷時,不影響主電網的電壓和頻率輸出,主電網安全、穩(wěn)定、可靠。

        2.2 系統(tǒng)選型

        1)設備功率選型

        根據設備廠家信息,收集各部件工作效率,如本船側推2500 kW,軸帶發(fā)電機功率配置到2880 kW,根據各部件的工作效率逐級推導出軸帶發(fā)電機所需功率:2500 kW(側推馬達軸功率)→3000 kVA(側推升壓變壓器容量)→2750 kW(變頻器輸出)→2880 kW(軸帶發(fā)電機輸出)。

        2)電纜選型

        基于IEC60034-35要求,與變頻器直接相連接的電纜,如圖中序號①②③處的電纜直接與變頻器相應的整流和逆變模塊相連,推薦使用變頻電纜,屏蔽接地的截面積至少為單相導體截面積的一半,對于AC690V系統(tǒng),推薦使用1.8/3 kV電壓等級的電纜,以應對變頻器瞬間的沖擊電壓。

        序號④為高壓電纜,通過變壓器隔離后,無須考慮使用變頻電纜,如本船變壓器二次側為AC6600V,采用6/10 kV電壓等級的電纜即可,也不需要提升電纜的電壓等級應對考慮變頻器瞬間的沖擊電壓。

        如上述分析,序號④所示的高壓電纜其單價低于序號③所示的變頻電纜。變壓器二次側電纜用量大幅減少,以3×95 mm2電纜規(guī)格為例,相比于低壓側推方案,本船共減少電纜用量約8000 m,減輕重量約20 t。

        2.3 側推變頻電纜防電磁干擾方案

        1)變頻電纜防電磁干擾傳統(tǒng)方案

        依據IEC60533要求,序號①②③所標的三相對稱變頻電纜須在電纜兩端做360°屏蔽網可靠接地,對于軸帶發(fā)電機可以考慮要求設備廠家自帶EMC型填料函,對于直流配電板大型落地式安裝的變頻器,變頻電纜數量大,布置分散,柜體內無專用的電纜屏蔽處理裝置應對電磁干擾問題。常規(guī)方案是通過在下層甲板上布置專用的EMC型電纜密封件,以實現電纜屏蔽層360°接地。此方案采購成本高,屏蔽接地的位置只能在電纜密封件處處理,距離變頻器距離較遠,效果較差。此外,電纜進行密封件前需要處理外護套,不易施工,現場耗費工時較長。如圖2所示。

        圖2 EMC型電纜密封件方案

        2)變頻電纜防電磁干擾改進方案

        通過改進變頻電纜屏蔽網接地方式,采用不銹鋼無磁彈簧卡箍固定電纜屏蔽層的方式,取代傳統(tǒng)的EMC型電纜密封件。在變頻電纜穿越普通的電纜密封件后,具體操作流程為:①做切割標記;②解除外護套;③移除屏蔽層 ;④安裝不銹鋼無磁彈簧;⑤連接接地銅網。

        圖3 不銹鋼無磁彈簧卡箍方案

        相比傳統(tǒng)方案,改進方案具有以下優(yōu)勢:

        方便現場施工。電纜穿過密封件后,在電纜適當高度固定不銹鋼無磁彈簧,相比于采用EMC型電纜密封件方案,此方案更方便施工,節(jié)省工時,在變頻器內部空間相對寬松的情況下,改進方案和傳統(tǒng)方案所需要工時比約為1:2.5,施工成本優(yōu)勢明顯。

        相比在下方甲板布置EMC型電纜密封件方案,360°屏蔽網接地位置更靈活,可以向上靠近變頻器位置,對柜體其它電氣部件影響更小 ;相比其它屏蔽網接地方案,不銹鋼無磁彈簧為多層環(huán)繞,接地更加可靠,緊固性更好,不易松動和斷裂,降低人為因素影響。

        不銹鋼無磁彈簧接地方案與傳統(tǒng)方案相比,材料成本大幅降低。

        3 側推工作模式

        3.1 正常航行工況

        正常航行時,軸帶發(fā)電機為全船基礎負荷提供電源,直流配電板有以下2種工作模式。

        1)PTOeco模式:軸帶發(fā)電機在可變轉速工作時,通過直流配電板變頻后,為AC690V主配電板提供穩(wěn)定的電壓和頻率;此時,QF3和QF4閉合,QF5斷開。

        2)PTOclassic模式:軸帶發(fā)電機在額定轉速工作時,直接為AC690V主配電板提供穩(wěn)定的電壓和電源,無需由直流配電板整流和逆變,減少能量損耗。此時,通過QF5旁通至主配電板;此時,QF3和QF4斷開,QF5閉合。

        3.2 進出港工況

        進出港工況下,基于不同船舶工況和天氣狀況,側推可有以下3種工作模式選擇,以便最大限度地運用船上軸帶發(fā)電機和主發(fā)電機的輸出功率,為船舶靠泊創(chuàng)造條件。

        1)軸發(fā)-側推模式:天氣良好,外部風力小,在軸發(fā)單獨運行為側推供電時,主推進除為船舶提供艉部橫向推力外,2臺軸帶發(fā)電機分別供1號和2號側推使用,滿足艏部橫向推力要求。此時,QF3閉合、QF4和QF5斷開。

        2)聯(lián)合-側推模式:惡劣天氣,外部風速較大,為應對艉部橫向推力,單側螺旋槳占用主要的主機功率,PTO輸出功率被嚴重制約,此時1號或2號側推需要借助主電網,由主配電板向軸發(fā)變頻器提供電源,軸帶發(fā)電機和主發(fā)電機在直流配電板上并網為側推提供電源;此時,QF3閉合,QF4閉合,QF5斷開。

        3)配電板-側推模式:此模式為側推的使用提供更好的靈活性,可在極端天氣的特定風向工況下,軸帶發(fā)電機輸出功率嚴重受限時使用。此時,QF4閉合,QF3和QF5斷開。

        在外部風力20 m/s的極端工況下,通過列舉3種典型風向下,對艏艉所需要橫向推力,以及兩側軸帶發(fā)電機可用的功率分析3臺側推的工作模式。

        1)A風向時,左側PTO可用功率為7600 kW,右側PTO可用功率為6700 kW,超過2臺側推功率總和,均大于單臺側推的額定功率。艏部橫向推力需求為5700 kW,超過2臺側推總功率,只能采用3臺側推并機的工作模式,每臺側推功率均為1900 kW,只有3號側推需從主配電板取1900 kW。

        2)B風向時,左側PTO可用功率為1400 kW,右側PTO可用功率為700 kW??紤]到右側PTO可用功率較小,利用率不高,不作考慮。艏部橫向推力需求為3600 kW,此時采用3臺側推并機的工作模式,每臺側推功率均為1200 kW。2號和3號側推電源均需要取自主電板,共需要從主配電板供應2400 kW電源。

        表1 側推使用模式參考表

        3)C風向時,左側PTO可用功率為900 kW,右側PTO可用功率為60 kW。艏部橫向推力需要3000 kW,此時采用2臺側推并機的工作模式,每臺側推功率均為1500 kW。1號側推需從主配電板取750 kW,3號側推需要從配電板取1500 kW,共需要從主配電板供應2250 kW電源。

        上述3種典型工況下,主配電板供應側推使用的電功率均不超過2500 kW,滿足對基礎負荷的供電需求。

        4 結語

        在正常進出港工況下,1號和2號側推均使用軸發(fā)-側推模式,基礎負荷由主發(fā)電機承擔,主電網與側推電網分離,降低主電源波動及電網安全。在極端工況的風向下,依然可利用各種模式相互組合,充分利用軸帶發(fā)電機和主發(fā)電機的剩余電功率,實現船舶靠泊能力最大化。船員可依據不同海況進行靈活選擇,實現電功率的優(yōu)化分配,可確保船舶按時進出港口。相比側推與主電網同等電制的方案,電纜用量大幅減少,克服了客滾船空間狹小、布置緊湊、電纜通道難以布置等問題。不僅降低建造成本,減輕空船重量,船舶穩(wěn)性也得到有效控制。

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