電力推進裝置在清掃船上的應用

王 鵬, 屠偉峰

(1.上海海事大學,上海201306;2.上海市交通運輸和港口管理局,上海200003)

0 前 言

20世紀80年代以來,隨著電力電子技術(shù)日新月異的變化,交流調(diào)速技術(shù)和交流電機技術(shù)取得了重大進展。交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟,使得船舶電力推進系統(tǒng)在機動性、可靠性、運行效率和推進功率方面都有了突破性進展,應用范圍不斷擴大。

本船是以電力推進系統(tǒng)為推進裝置的雙體型水面清掃工作船,主要用于在上海世博園區(qū)水域進行環(huán)境保潔。船上裝備了封閉式自動清潔打撈和儲存系統(tǒng),能夠在4.4 m作業(yè)寬度和0.5 m作業(yè)深度實現(xiàn)水面垃圾和水生植物的自動清撈收集、儲存和裝運。

本船作為水面清掃工作船,能夠滿足正常船舶航行和日常清掃作業(yè)的具體要求。

1 電力推進系統(tǒng)的優(yōu)勢

電力推進的形式可以分為3種:軸槳推進、舵槳推進(Z型推進)和吊艙式推進。本船為內(nèi)河小船,采用的推進方式為軸槳推進。電力推進系統(tǒng)由以下幾部分組成:螺旋槳、電動機、發(fā)電機、原動機以及控制調(diào)節(jié)設(shè)備。

電力推進具有機械噪聲大幅度下降、振動減少、工作區(qū)整潔、減少廢氣排放、運行可靠的優(yōu)秀性能。本船為環(huán)衛(wèi)清掃船,多數(shù)時候為工作狀態(tài)即低速航行狀態(tài),此時單臺發(fā)電機組供電就可以滿足工作航速的需要。采用傳統(tǒng)的推進方式,2臺柴油推進主機均要運行,同時輔機也需要運行;而采用電力推進則只需要1臺柴油發(fā)電機組就可以滿足作業(yè)、推進、生活、照明等負載的用電需要,這樣可以比傳統(tǒng)的推進方式更節(jié)約油耗。

2 本船主要電氣系統(tǒng)

2.1 電站

選用船用柴油發(fā)電機組2臺,每臺柴油發(fā)電機額定功率為140 k W。2臺發(fā)電機并車運行,可供船舶全速航行,同時滿足全船的照明和生活用電。單臺發(fā)電機組運行,可供船舶低速航行,同時滿足全船的照明和生活用電。打撈作業(yè)系統(tǒng)在低速航行時進行。

根據(jù)所設(shè)計的新型水面清掃船主尺度與排水量估算,船舶設(shè)計航速與推進功率的對照見表1。

表1 航速與推進功率對照表

根據(jù)船舶航行情況、保潔作業(yè)工況和日常用電負荷,提供相應航速下的推進功率與全船用電所需功率,進行柴油發(fā)電機組合理配置(數(shù)量和組合)。通過負荷率分析,使各種工況下運行的柴油發(fā)電機組保持相對較高的負荷率,達到較好的節(jié)能環(huán)保要求。提出優(yōu)化的船舶電站配置方案:按設(shè)計航速為10.5 kn計,擬設(shè)置2套柴油發(fā)電機組成船舶主電站,每套機組功率為140 k W,柴油機裝置總功率280 k W,主電站的最大負荷率估算為85%。各種工況下柴油發(fā)電機的配置及電站負荷率估算分析見表2。

表2 電站負荷估算

圖1 無源濾波器結(jié)構(gòu)

2.2 推進系統(tǒng)

本船采用了施耐德6脈沖變頻器(ATV61HC13N4)來驅(qū)動電動機(380 V,110 k W,1 500 r/min),作為推進的動力源。為減小變頻器諧波問題,使諧波畸變(THD)減小,滿足船級社的規(guī)范要求(THDU≤5%),選用了匹配的無源濾波器(VW3 A4 610),無源濾波器結(jié)構(gòu)見圖1。使用濾波器有效降低了諧波(THDU＜5%)。為了有效釋放電機制動所產(chǎn)生的回饋能量,選用了45 k W制動電阻。

圖2 電力推進系統(tǒng)示意圖

2.3 推進控制

電力推進操縱系統(tǒng)是在主機遙控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,為了適應電力推進船舶的要求和控制特點而研發(fā)的,本船的電力推進系統(tǒng)示意見圖2。

本船的控制系統(tǒng),除具有正常的起動、加速、減速、停機等控制功能外,還具有按工況進行功率限制的功能。在電力推進系統(tǒng)中變頻器及電動機是船舶中最大的負載,因此,保證其不引起發(fā)電機過載或“全船失電”最壞情況的發(fā)生,是非常重要的。電力推進控制系統(tǒng)會根據(jù)實際的發(fā)電機容量限制推進變頻器功率,它是由發(fā)電機斷路器斷開或閉合信號,來控制推進系統(tǒng)的功率的。當2臺并聯(lián)運行的發(fā)電機中,1臺發(fā)電機解列,PLC控制器會接受發(fā)電機斷路器的斷開信號,限制推進系統(tǒng)的功率,從而避免在網(wǎng)的發(fā)電機過載,斷路器跳閘而引起的“全船失電”事故。

功率限制功能是推進控制系統(tǒng)不可缺少的一部分,其工作完全獨立于電站系統(tǒng)。無論是在就地模式還是在遠程模式都是有效的。

例如,當2臺發(fā)電機全速工作時,1臺突然解列,電推PLC控制系統(tǒng)會同時向2臺變頻器發(fā)出減速指令,變頻器控制電動機會在3 s內(nèi)從100%速度降低到最大40%,并可由控制手柄無級調(diào)速在0-40%范圍。

3 電力推進系統(tǒng)與柴油機推進系統(tǒng)比較

3.1 電力推進系統(tǒng)與柴油機推進系統(tǒng)的配置比較

按照品牌相同、等級相近、規(guī)格類同的原則,電力推進船舶與柴油機推進船舶的動力裝置及相關(guān)配置選用比較如表3所示。

表3 電力推進與柴油機推進配置比較

采用先進的交流變頻電力推進裝置配套齒輪箱驅(qū)動螺旋槳的常規(guī)推進方式,也可以確保良好的操縱性能。通過PLC可編程控制,實現(xiàn)對2套交流變頻推進電動機的無級調(diào)速。并通過常規(guī)的電液控制操舵裝置來實現(xiàn)船舶良好的操縱性能。

通常情況下,采用柴油機推進系統(tǒng)的船舶內(nèi),柴油機數(shù)量為4臺,其中主機2臺(雙機船),船舶輔機2臺(互為備用),全船柴油機的總功率約為310 k W,采用電力推進系統(tǒng)的船舶,柴油機數(shù)量可減少為2臺(2套發(fā)電機組,其中1套可應急備用),全船柴油機的總功率約為310 kW。

相對于柴油機推進系統(tǒng)進行配置比較,電力推進系統(tǒng)由電動機、變頻柜2只,制動單元各2套,PLC控制單元1套和電站管理系統(tǒng)1套組成。同時還增加主配電板的負載屏和電線電纜的容量。

以電力推進作為動力裝置的新型水面清掃船,其機艙具有較高的自動化程度,在正常情況下可以實現(xiàn)無人操作。此外,作為輔機使用的柴油機廢氣排放可以得到明顯改善,并且滿足國際海事組織(IMO)的廢氣排放標準。

3.2 電力推進與柴油機燃油消耗的比較

新型水面清掃船以2種航行和作業(yè)匹配的工況條件作為基本的計算依據(jù),2種工況的界定如表4所示。

按照以上2種界定的工況,在每種工況條件下,對柴油機推進方案和電力推進方案分別進行單位時間的燃油消耗估算,計算結(jié)果見表5。

表4 電力推進與柴油機推進不同航行工況負荷表

表5 電力推進與柴油機推進燃油平均消耗比較

按照每天7 h(2 h全速航行、5 h低速作業(yè))作業(yè),每年300 d來考慮黃浦江景觀水域的清掃保潔。同時燃油以0號輕柴油為標準,輕柴油的價格僅按4.62元/L計算。柴油機推進方案和電力推進方案燃油消耗的成本估算結(jié)果如表6所示。

表6 電力推進與柴油機推進燃油消耗成本比較

顯而易見,根據(jù)表5,表6的對比分析可知:電力推進方案相對于柴油機推進方案,可以節(jié)約大量燃油消耗。

4 結(jié) 語

通過對電力推進清掃船與柴油機推進清掃船的燃油消耗的比較,可以看到電力推進系統(tǒng)的應用,節(jié)省了燃油消耗,節(jié)約了運營成本,實現(xiàn)了基本的節(jié)能減排。目前清掃船(見圖3)已經(jīng)在黃埔江水域進行保潔作業(yè),運行狀況良好。電力推進裝置在內(nèi)河船舶上的應用是一個逐步積累的過程,本次應用在清掃船上,為今后電力推進船舶在內(nèi)河的推廣應用做了必要的技術(shù)儲備。電力推進在節(jié)能減排上的作用也將日益得到體現(xiàn)。

圖3 應用電力推進裝置的清掃船照片

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