拖網(wǎng)漁船電力推進系統(tǒng)設(shè)計研究

黎建勛，趙新穎，周德國

（1.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點開放實驗室，上海 200092；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092）

0 引 言

電力推進技術(shù)已成為當(dāng)今世界船舶工業(yè)發(fā)展的重要方向[1]。海洋捕撈作為一種高能耗產(chǎn)業(yè)，其漁業(yè)船舶節(jié)能技術(shù)研究已受到世界各國越來越多的重視[2]。

36.5 m電力推進拖網(wǎng)漁船是我國首艘獨立研發(fā)設(shè)計的電力推進漁船。該船可根據(jù)不同工況選擇推進電機及發(fā)電機組單機或雙機運行，使?jié)O船達(dá)到最佳運行和作業(yè)狀態(tài)，提高了發(fā)電機組的負(fù)載率和燃油效率；采用電站功率管理系統(tǒng)，可提高漁船航行作業(yè)的安全性和操縱性。此外，全船照明系統(tǒng)都采用節(jié)能照明燈具，設(shè)計中充分融入了節(jié)能減排的綠色環(huán)保理念。

1 電力推進拖網(wǎng)漁船主要性能

該船為鋼質(zhì)、單槳、單舵，電力推進單螺旋槳動力方式，航行于遠(yuǎn)海航區(qū)。

拖網(wǎng)漁船一般需日夜在海上作業(yè)，作業(yè)海況復(fù)雜，且作業(yè)工況變化較為頻繁，即低速高負(fù)荷、高速低負(fù)荷、低速低負(fù)荷的工況兼而有之，因此對拖網(wǎng)漁船的船舶操縱性要求較高。

主要性能參數(shù)見表1。

表1 主要性能參數(shù)

2 電力推進系統(tǒng)配置

在國內(nèi)電力推進系統(tǒng)幾乎都被西門子、ABB等跨國企業(yè)壟斷[3]的現(xiàn)狀下，該船電力推進系統(tǒng)配置則選用國產(chǎn)電力推進產(chǎn)品。該船主推進器由2臺額定轉(zhuǎn)速為1154r/min的永磁推進電動機驅(qū)動，2臺變頻器選用6脈沖脈寬調(diào)制變頻器，每臺變頻器均設(shè)有閘刀開關(guān)盒，在變頻器發(fā)生故障時，可通過閘刀開關(guān)盒直接向推進電動機配電，此外推進系統(tǒng)還設(shè)有無源濾波裝置及制動電阻單元，確保電力推進系統(tǒng)的供電安全。

電力推進系統(tǒng)設(shè)有推進電動機機旁控制柜和駕駛室控制臺電力推進系統(tǒng)遙控單元，可實現(xiàn)推進電機及變頻器的各種電源、溫度、速度、通信、報警信號的控制；并設(shè)有至AC690V主配電板PMS（電站功率管理系統(tǒng)）的負(fù)荷限制、功率消耗、變頻器運行及故障等信號單元。

推進電機及變頻器的主要參數(shù)見表2和表3。

表2 推進電動機主要參數(shù)

表3 變頻器主要參數(shù)

3 電站配置與諧波分析

該船主推進系統(tǒng)電壓為AC690V，日常負(fù)載電壓為AC380V 50Hz。AC690V主電站電力負(fù)荷及工況見表4，AC400V輔助電站電力負(fù)荷及工況見表5。

一般非電力推進船舶電站的負(fù)荷率在 85%～90%是合理的，對大容量電力推進船舶電站的負(fù)荷率應(yīng)在95%是合理可行的[4]。因此，根據(jù)電力負(fù)荷計算和分析，該船配置了2臺200kW AC690V 3φ50Hz主柴油發(fā)電機組和1臺30kW AC400V 3φ50Hz輔柴油發(fā)電機組，能滿足全船配電需求。

表4 AC690V主電站電力負(fù)荷表

表5 AC400V輔助電站電力負(fù)荷表

由表4和表5可知，拖網(wǎng)漁船主柴油發(fā)電機組在低速航行、進出港工況時，1臺主發(fā)電機組運行，1臺推進電機單機運行；全速航行及拖網(wǎng)、起網(wǎng)工況下，2臺主發(fā)電機組并車運行，以滿足全船配電。當(dāng)AC380V動力設(shè)備用電、AC220V照明及通信設(shè)備用電不能滿足時，則可使用輔發(fā)電機組運行，單獨向AC380V動力設(shè)備及AC220V設(shè)備供電。

該船設(shè)AC690V主配電板（MSB）及AC400V輔配電板（MSB1），AC690V主配電板為3屏，匯流排為2段，AC690V主配電板單線圖如圖1所示。

拖網(wǎng)漁船的主要負(fù)載為2臺同軸推進電機（1M/2M），分別由1#變頻器及2#變頻器控制，2臺變頻器分別配有1只無源濾波器（LC1/LC2）來抑制電網(wǎng)諧波。

主要起網(wǎng)機械為2臺電動液壓絞綱機，運行在起網(wǎng)工況下，取代了漁船柴油機直接推進船型采用主機柴油機組軸帶液壓驅(qū)動的常規(guī)形式。從圖1可知，2臺55kW電力驅(qū)動的液壓泵絞綱機，作為大負(fù)載也采用AC690V，并采用星三角起動。

該船電力推進系統(tǒng)是根據(jù)配置進行諧波分析和計算的，計算結(jié)果THD（諧波）值小于5%。

圖1 AC690V主配電板單線圖

4 電站功率管理系統(tǒng)

對電力推進船舶，最嚴(yán)重的故障就是電站失電[5]，因此，電站的安全及管理至關(guān)重要，必須配置功率管理系統(tǒng)來保障全船供電安全。

該船 PMS管理控制模塊安裝在主配電板上，功率管理系統(tǒng)（PMS）具有發(fā)電機備車完畢、發(fā)電機二類故障、發(fā)電機遙控狀態(tài)、發(fā)電機一類故障、發(fā)電機遙控啟動/停機、發(fā)電機增速/減速和逆功率保護；負(fù)載分配、重載詢問、過載卸載和負(fù)載起動/停止；電網(wǎng)監(jiān)測、故障監(jiān)測及報警和根據(jù)負(fù)載功率自動增機；推進系統(tǒng)信號管理和頻率控制等船舶電站管理功能。

5 推進系統(tǒng)的操縱及外部接口

推進系統(tǒng)控制的主要功能是對不同工況下的變化負(fù)載進行最佳的動態(tài)控制，從而保證系統(tǒng)的最佳性能和安全運行[6]。36.5m電力推進拖網(wǎng)漁船推進系統(tǒng)可實現(xiàn)駕駛室、機旁控制。

在駕駛室駕控臺上設(shè)有駕控臺推進系統(tǒng)遙控單元，該遙控單元上設(shè)有推進系統(tǒng)雙機選擇、就地控制確認(rèn)信號、遙控確認(rèn)信號、1#/2#變頻器運行開關(guān)信號、復(fù)位開關(guān)信號、急停開關(guān)信號、1#/2#推進電機速度控制信號、變頻器工作電源和推進系統(tǒng)PLC（可編程邏輯控制器）AC220V工作電源等控制及電源信號，并設(shè)有至主配電板PMS電站的1#/2#推進電機負(fù)荷限制、功率消耗，變頻器運行及故障等控制信號。

在機艙設(shè)有推進系統(tǒng)機旁控制柜，該控制單元主要設(shè)有至推進系統(tǒng) 1#/2#閘刀開關(guān)盒的電流傳感、主電路絕緣監(jiān)測信號，至1#/2#推進電機、1#/2#變頻器、主發(fā)電機組、駕控臺推進系統(tǒng)及PMS電站的各種電源、控制及網(wǎng)絡(luò)通信信號。

該船電力推進系統(tǒng)與機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)設(shè)有外部接口。機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)由設(shè)在機艙具有聲光報警功能的一只機艙監(jiān)測報警箱組成。該報警箱對主配電板、主/輔發(fā)電機組、推進變頻器、推進電機及各類負(fù)載的運行狀態(tài)等各種監(jiān)測報警信號進行采集，并通過局域網(wǎng)將各種信號顯示在主配電板人機界面中，對整個電力推進系統(tǒng)的工作狀態(tài)實行實時監(jiān)測。

6 結(jié) 語

在單推進電機運行的經(jīng)濟航行工況下，36.5m電力推進拖網(wǎng)漁船航速達(dá)到 9.5kn；在雙推進電機運行的全速航行工況下，航速達(dá)到12kn；在拖網(wǎng)作業(yè)工況下，航速為4.5kn。經(jīng)測量，在各工況下全船諧波測量THD值均小于5%，滿足總體設(shè)計要求。

電力推進系統(tǒng)應(yīng)用于拖網(wǎng)漁船，在船舶的操縱性、節(jié)能環(huán)保及電站管理方面具有較大的優(yōu)越性。電力推進拖網(wǎng)漁船的電站管理、推進系統(tǒng)的操縱和電網(wǎng)的諧波抑制是設(shè)計中需重點關(guān)注的環(huán)節(jié)。

[1] 陳次祥，唐石清，王良秀，等.電力推進技術(shù)下的船舶電站發(fā)展[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2010, 32(8): 30-32.

[2] Ian Vázquez-Rowe, Diego Iribarren, Almudena Hospido, et a1.Linking fuel consumption and eco-efficiency in fishing vessels[OL].First International Symposium on Fishing Vessel Energy Efficiency E-Fishing, Vigo, Spain,May2010.[2011-9-l5].http://www.e-fishing.eu/paperslist/papers/2Linking_fuel_consumption_and_eco-efficiency_in_fishing_vessels.pdf.

[3] 薛海東，張曉東.電力推進控制系統(tǒng)與監(jiān)測報警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化淺談[A].吳斐文.船舶電氣系統(tǒng)高新技術(shù)論文選集[C].上海：上海漢格自動化工程科技有限公司，2011: 153-157.

[4] 吳斐文，韓 明.電力推進系統(tǒng)參數(shù)和形式論證[A].吳斐文.船舶電氣系統(tǒng)高新技術(shù)論文選集[C].上海：上海漢格自動化工程科技有限公司，2011.

[5] 李 學(xué).綜合監(jiān)測船電力推進系統(tǒng)設(shè)計[J].上海造船，2009, (1)：40-42, 76.

[6] 陳 曄，黃建章.電力推進控制系統(tǒng)概述[J].上海造船，2007, (4)：44-45, 53.