12纜物探船電力推進(jìn)系統(tǒng)研究

張 舒 蓉

（708研究所，上海 200011）

1 電力推進(jìn)概述

“海洋石油720”是一艘由柴電推進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動的12纜大型物探船，主要從事海上三維地震采集作業(yè)，即勘查地下礦產(chǎn)、研究地質(zhì)構(gòu)造。12纜物探船推進(jìn)裝置有3種，分別是位于船尾的長軸可調(diào)槳，船首的可伸縮全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和艏側(cè)推。

艉部的長軸可調(diào)槳為2個，分別由2臺變頻電機(jī)驅(qū)動。每臺變頻電機(jī)功率為4500kW，由24脈沖水冷型變頻器驅(qū)動；艏部的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器由一臺1500kW的電機(jī)驅(qū)動，艏側(cè)推由一臺1200kW的電機(jī)驅(qū)動。配置的4臺柴油發(fā)電機(jī)組組成主電站，每臺柴油發(fā)電機(jī)組功率為4200kW 3～6.6kV 50Hz，向三相三線絕緣6.6kV 50Hz中壓電網(wǎng)供電。中壓電網(wǎng)通過3～6.6kV/440V 50Hz配電變壓器向低壓電網(wǎng)供電，配電變壓器容量為2500kVA。單線圖見圖1。

圖1 12纜物探船單線圖

中壓配電板匯流排和低壓配電板匯流排均分成兩段，發(fā)電機(jī)和主推進(jìn)器分別掛在中壓配電板的兩段匯流排上。正常航行和作業(yè)時聯(lián)絡(luò)開關(guān)合上，發(fā)電機(jī)以最佳數(shù)量投入運(yùn)行。某段匯流排發(fā)生故障時，剩下的那段匯流排及其供電的主推進(jìn)器依舊正常工作。因而，電力推進(jìn)系統(tǒng)在12纜物探船的應(yīng)用將帶來的益處很多[1,2]。

1.1 噪音低

12纜物探船長期作業(yè)在外，船員和特殊作業(yè)人員居住環(huán)境的舒適度非常重要。船舶采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，振動小、噪音低，可以營造一個良好的居住環(huán)境。另外，主推進(jìn)變頻器和主推進(jìn)電機(jī)都采用水冷型，省去了大風(fēng)機(jī)，也有利于降低船上噪音。

1.2 重量輕

12纜物探船是利用地震勘探技術(shù)從事調(diào)查作業(yè)，也可以稱為地震船。作業(yè)甲板分為炮纜甲板和電纜甲板兩層。作業(yè)甲板高度高，且安裝在甲板上的作業(yè)設(shè)備重量重，控制空船重量很重要。采用電力推進(jìn)技術(shù)，發(fā)電機(jī)重量比主機(jī)小，可以使全船總重量減少。船舶電站采用中壓系統(tǒng)，電纜載流量變小，電纜重量相應(yīng)也減少了，有助于船舶總重量的減輕。

1.3 布置靈活

12纜物探船作業(yè)設(shè)備占用空間大。該船自持力75天，儲油艙占用空間也大。采用電力推進(jìn)系統(tǒng)后，推進(jìn)電機(jī)和電站之間的一系列設(shè)備通過電纜連接，可以分開布置在合適的地方，空間利用最大化。見圖2。

圖2 電力主推進(jìn)系統(tǒng)部件布置

1.4 響應(yīng)快，航線控制精準(zhǔn)

12纜物探船數(shù)據(jù)采集效率越高，每航次的作業(yè)收益也就越高。采用電力推進(jìn)技術(shù)后，船舶航線操縱比海油公司原來的8纜物探船精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)采集漏點(diǎn)率下降，不再需要對同一區(qū)域進(jìn)行多次重復(fù)作業(yè)來補(bǔ)全數(shù)據(jù)，從而提高作業(yè)效率并降低設(shè)備折舊率。

1.5 節(jié)能減排

12纜物探船設(shè)計(jì)航速為16kn，拖帶作業(yè)航速5kn。對于長期在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的船舶，電力推進(jìn)系統(tǒng)比常規(guī)推進(jìn)合理。發(fā)電機(jī)按照負(fù)載量運(yùn)行，不需要在所有時間投入全部4臺發(fā)電機(jī)。自動電站管理系統(tǒng)在線監(jiān)視匯流排上的負(fù)載量，負(fù)載量高時，自動起動備用發(fā)電機(jī)；負(fù)載量低時，減少運(yùn)行的發(fā)電機(jī)數(shù)量。這樣，發(fā)電機(jī)保持在最佳容量和最佳效率上運(yùn)行。電站電能分配的靈活性，日積月累下可降低油耗，減少廢氣排放量。

2 主推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)

12纜物探船主推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)有2套，每套由2臺三繞組變壓器、1臺主推進(jìn)變頻器、1臺鼠籠式感應(yīng)推進(jìn)電動機(jī)（雙繞組系統(tǒng)）及輔助設(shè)備組成。

主推進(jìn)變頻器型號為SIEMENS SINAMICS GM150，水冷型，采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），逆變器選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），進(jìn)線側(cè)通過2臺移相變壓器提供24脈沖系統(tǒng)，以減少電網(wǎng)諧波。PWM型變頻器，系統(tǒng)電源輸出頻率范圍寬；功率和轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)小于10ms；轉(zhuǎn)矩能夠平滑輸出；任何負(fù)載狀況下功率因數(shù)可達(dá)0.95左右。主推進(jìn)變頻器具有接地故障監(jiān)測功能，對主推進(jìn)變壓器次級繞組和主推進(jìn)電機(jī)定子繞組進(jìn)行絕緣監(jiān)測。作為水冷型變頻器，還配備漏水探測器、水溫傳感器和空氣溫度傳感器，確保變頻器在正常工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。主推進(jìn)變頻器外觀布置見圖3，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主推進(jìn)變頻器和推進(jìn)電動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2套主推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)共有4臺三繞組變壓器，為水冷型。主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 4臺三繞組變壓器的主要技術(shù)參數(shù)

每一套主推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)配備各自獨(dú)立的控制系統(tǒng)，控制推進(jìn)系統(tǒng)所有的主要部件和相關(guān)輔助設(shè)備。就地/應(yīng)急控制時，所有的控制功能不受船舶其他控制系統(tǒng)影響，譬如監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。主推進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)是兩級控制系統(tǒng)，分變頻器控制系統(tǒng)和推進(jìn)控制系統(tǒng)。

變頻器控制系統(tǒng)主要功能有產(chǎn)生IGBT的觸發(fā)脈沖，監(jiān)測IGBT，過壓/欠壓保護(hù)，過流和短路保護(hù)，超速監(jiān)測，直流母排過流保護(hù)，失速控制，變頻器功率部分監(jiān)測和主開關(guān)合閘/分閘等。變頻器控制系統(tǒng)組合在變頻器柜中，即圖3 中的變頻器控制柜部分。

圖2中的變頻驅(qū)動控制柜即為推進(jìn)控制系統(tǒng)，控制推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)輔助設(shè)備、推進(jìn)電動機(jī)、就地/遙控模式轉(zhuǎn)換，以及與可調(diào)槳控制系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)等的接口。最終推進(jìn)控制系統(tǒng)把速度設(shè)定信號發(fā)送給變頻器控制系統(tǒng)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩控制需要的電流設(shè)定信號。

推進(jìn)控制系統(tǒng)的安全保護(hù)功能實(shí)時監(jiān)測推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，必要時會發(fā)出警報(bào)、減速和停車命令，或起動閉鎖或禁止，確保系統(tǒng)和其部件的安全。減速時，推進(jìn)變頻器輸出電流限定在額定值的70%；停車時，變頻器立即停止輸出并斷開主開關(guān)，除非停車越控功能被動作。

圖3 推進(jìn)變頻器外觀布置

圖4 主推進(jìn)驅(qū)動控制系統(tǒng)

推進(jìn)控制系統(tǒng)通過圖4中的ET200S模塊，收集推進(jìn)和電力系統(tǒng)的所有相關(guān)信息，例如電網(wǎng)電壓和頻率、每臺發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率等。通過監(jiān)控這些數(shù)據(jù)，可以把推進(jìn)功率限定在電站可用功率以內(nèi)，防止任何一臺發(fā)電機(jī)過載；在電站發(fā)生嚴(yán)重故障，例如幾臺發(fā)電機(jī)同時跳閘，余下的發(fā)電機(jī)因承擔(dān)推進(jìn)功率短時高過載時，使推進(jìn)系統(tǒng)減速、降低負(fù)荷的輸入功率要求，實(shí)現(xiàn)防失電功能。

3 變頻驅(qū)動可調(diào)槳遙控系統(tǒng)[3]

12纜物探船每個變頻主推進(jìn)電機(jī)通過一個減速齒輪箱驅(qū)動一個可調(diào)螺距螺旋槳。每個變頻驅(qū)動可調(diào)槳遙控系統(tǒng)有3種控制模式：

1) 恒速（CRPM）模式：轉(zhuǎn)速為全速不可調(diào)，螺距可調(diào)，只有螺距手柄可用。

2) 組合（COMBINATOR）模式：轉(zhuǎn)速和螺距都可調(diào)組合輸出, 只有螺距手柄可用, 螺距手柄輸出轉(zhuǎn)速和螺距兩個信號。

3) 變速（VARIABLE SPEED）模式：轉(zhuǎn)速和螺距都可調(diào)分別輸出, 螺距手柄和轉(zhuǎn)速手柄都可用。該種模式下，船東要求速度變化率總是快過螺距變化率；操縱桿作用下船舶方向前進(jìn)后退或者后退前進(jìn)快速變化時，速度命令變化只與操縱桿設(shè)定值的絕對值相關(guān)，而無需把船速降到零。

在駕駛室和集控室的控制板上都可以進(jìn)行3種控制模式選擇。變頻驅(qū)動可調(diào)槳遙控系統(tǒng)控制板布置見圖5。遙控控制位置（集控室/駕駛室/兩橋樓）的轉(zhuǎn)換可在控制板上進(jìn)行。

駕駛室或者集控室控制位置的選擇只能在集控室控制板上進(jìn)行。集控室控制板和駕駛室控制板上均有控制位置指示燈。但在應(yīng)急狀況或者變頻驅(qū)動可調(diào)槳遙控系統(tǒng)故障進(jìn)一步加大的狀況下，可以把控制切換到備用控制模式，此時在集控室或者駕駛室都可以進(jìn)行控制位置選擇。集控室控制板上可以設(shè)置負(fù)載限定值。左右兩個主推進(jìn)可調(diào)槳各擁有一個變頻驅(qū)動可調(diào)槳遙控系統(tǒng)，該2個遙控系統(tǒng)完全相同，并在這一控制層面上相互獨(dú)立。

圖5 變頻驅(qū)動可調(diào)槳遙控系統(tǒng)控制板布置

4 聯(lián)動控制系統(tǒng)JS（JOYSTICK）[4]

12纜物探船配有聯(lián)動控制系統(tǒng)，可以對2個主推進(jìn)可調(diào)槳、一個可伸縮全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和一個艏側(cè)推進(jìn)行聯(lián)合控制。聯(lián)動控制板見圖6。

圖6 聯(lián)動控制板

聯(lián)動控制系統(tǒng)可以設(shè)定3個轉(zhuǎn)動中心，分別是船首、船中心和船尾。

聯(lián)動控制有3種響應(yīng)模式，分別是正常（NORMAL）、高（HIGH）、低（LOW）。正常模式下，JS操縱桿的動作和推力器作用力之間以線性關(guān)系相互對應(yīng)，而高/低模式下為非線性關(guān)系，見圖7。高模式相比正常模式，船舶對JS操縱桿的動作響應(yīng)快；低模式下，船舶對JS操縱桿的動作響應(yīng)速度由操縱桿動作的大小決定，操縱桿的動作小則推力器響應(yīng)慢，反之推力器響應(yīng)快。

聯(lián)動控制器連續(xù)計(jì)算船舶被要求的推力和轉(zhuǎn)動慣量，計(jì)算后把各自分配到的推力命令送到工作中的每個推力器和螺旋槳。算法確保最小功率消耗下，最佳推力器/螺旋槳使用效果。聯(lián)動控制器中的數(shù)學(xué)模型可以在環(huán)境條件對船舶的作用力作出補(bǔ)償；也可以在各個推力器一起動作時，對推力器-船體作用力、推力器-推力器作用力進(jìn)行補(bǔ)償。

在聯(lián)動控制層面上，2個變頻驅(qū)動可調(diào)槳遙控系統(tǒng)可以相互作用。聯(lián)動要求從駕駛室的聯(lián)動控制板發(fā)出。當(dāng)變頻驅(qū)動可調(diào)槳遙控系統(tǒng)完好無故障時，駕駛室為主推進(jìn)可調(diào)槳當(dāng)前控制位置；且變頻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)正常，變頻驅(qū)動可調(diào)槳遙控系統(tǒng)才能應(yīng)答接收到的聯(lián)動控制要求。此后2個主推進(jìn)可調(diào)槳轉(zhuǎn)換到聯(lián)動控制系統(tǒng)控制，同時可調(diào)槳遙控系統(tǒng)不再進(jìn)行控制。

可伸縮全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器（RT）和艏側(cè)推（BT）位于船首，均通過自耦變壓器方式起動。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器控制板和艏側(cè)推控制板布置見圖8。當(dāng)取消聯(lián)動控制模式時，4個螺旋槳由各自的控制板分開控制。

圖7 聯(lián)動控制增益曲線

圖8 RT和BT控制板布置

5 結(jié) 語

12纜物探船采用電力推進(jìn)形式，能滿足多種工況包括作業(yè)和航行的需求。雖然船舶生命周期花費(fèi)較大（the life cycle cost – LCC）包括設(shè)備采購、安裝、調(diào)試、運(yùn)營和燃油消耗、維護(hù)，以及喪失或者推遲作業(yè)。但從12纜物探船投入運(yùn)營半年來看，以及與海油公司原有的物探船相比，該船動復(fù)原時間減少、作業(yè)效率提高，數(shù)據(jù)采集量不斷創(chuàng)新高。

[1] Alf Kare Adnanes, Asgeir J.Sorensen, Thomas Hackma. Essential Characteristics of Electrical Propulsion and Thruster Drives in DP Vessels[R]. 1997.

[2] Vacon AFE Units Onboard the World’s Largest Seismic Research Ship[R].

[3] Technical Description Propulsion Control System NORISTAR 2000[R]. Drawing No. 74.112, Issue： 2008.

[4] SIEMENS. Standalone Joystick Standard Documentation, System Description[S]. 2009.