“遠景”號甲板貨船電力推進系統(tǒng)設(shè)計

(寧波海星船舶設(shè)計所，浙江 寧波 315103)

中遠“遠景”號是專為中遠廣州重大件運輸公司設(shè)計的電力推進甲板貨船，主要用于運輸橋吊及重大件貨物，也可用于石油平臺模塊及導(dǎo)管架的運輸。本船為鋼質(zhì)、單甲板、雙底、雙機雙槳的鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)的前駕駛甲板貨船。航行于無限航區(qū)?？傞LLoa=142.80 m，垂線間長Lpp=134.50 m，型寬B=32.20 m，型深D=8.00 m，設(shè)計吃水d=5.20 m，具有一層連續(xù)主甲板，設(shè)有艏甲板室，主甲板為無梁拱、無脊弧的平甲板，前傾式船艏，巡洋艦式船艉，主甲板后部為甲板載貨區(qū)域。

本船入級中國船級社，入級符號為

★ CSA Barge Carrier, Ice Class B, Deck Load 12 t/m3

★ CSM Electric Propulsion System, AUT-0。

1 電力推進船舶的優(yōu)點

通常，艉機型船舶均設(shè)有艉煙囪，甲板貨船也是如此，這勢必占去了主甲板后部甲板載貨區(qū)域的有效面積，而且滾裝大型貨物時易側(cè)斜，為解決此問題，采用電力推進系統(tǒng)。船舶運用電力推進系統(tǒng)通常有以下幾個優(yōu)點。

1)無主柴油機，發(fā)電機組安裝位置與推進軸無關(guān)，布置比較自由；本船的發(fā)電機艙設(shè)在主甲板下甲板室后；

2)選用多臺發(fā)電機組，低速航行時可減少使用臺數(shù)，降低成本，節(jié)能減排；任1臺發(fā)電機組發(fā)生故障，船舶仍能前進；本船選用3臺發(fā)電機組，正常航行時使用2臺；

3)推進機艙設(shè)備減少，更有利于線型優(yōu)化，減少阻力，在同樣功率下可以提高航速；

4)倒車時仍可以利用最大輸出功率，獲得滿意的倒車速度；

5)對原動機控制要求簡化容易實現(xiàn)遙控和自動控制；

6)原動機可以恒速運行，減少操作頻度，可延長原動機的使用壽命；

7)易于實現(xiàn)駕駛室遙控和機艙自動化，本船已實現(xiàn)機艙自動化；

8)可以減少船舶振動和噪聲，更加環(huán)保。

2 設(shè)計通則

1)根據(jù)船東和規(guī)范要求進行電力負荷計算；推進電動機應(yīng)具有足夠的轉(zhuǎn)矩。

2)推進系統(tǒng)的電力，可以設(shè)計成公用電站供電給船舶用電設(shè)備和電力推進系統(tǒng)，也可以由專門的發(fā)電機組提供。本船采用公用電站的方法為推進系統(tǒng)供電。

3)采用公共電站供電，要注意以下情況。

(1)電站控制系統(tǒng)應(yīng)保證安全地分配電能給推進和日用負載；如有必要，可以卸去非重要負載使推進電動機保持低推進功率。

(2)當(dāng)1臺發(fā)電機組發(fā)生故障時，剩余的發(fā)電機組應(yīng)能向所有保證船舶正常航行的設(shè)備供電，同時應(yīng)維持有效的推進，即應(yīng)保證航速不小于7 kn或設(shè)計航速的一半，兩者中取大者。

(3)航行主配電板匯流排的分段應(yīng)采用斷路器連接，該斷路器應(yīng)能切斷其安裝處可能產(chǎn)生的任何故障電流。

3 主要相關(guān)設(shè)備的選用

本船電力推進系統(tǒng)由航行主配電板(公共電站)，雙繞組推進變壓器，12脈沖推進變頻器，推進電動機及推進控制系統(tǒng)組成。工作原理見圖1。

圖1 工作原理

1)主發(fā)電機組。

數(shù)量 3臺

柴油機型號 G8300ZC (寧波中策)

額定功率×額定轉(zhuǎn)速: 2 206 kW×600 r/min

發(fā)電機 中船重工汾西

額定功率 2 000 kW

額定轉(zhuǎn)速 600 r/min

額定電壓 690 V

頻率 50 Hz

2)推進電機。

數(shù) 量 2臺

型 號 西門子

額定功率 2 200 kW

額定轉(zhuǎn)速 1 000 r/min

工作頻率 50 Hz

3)推進變壓器。

數(shù)量 2臺

額定功率 2 530 kVA

初級側(cè)電壓 690 V±2×3.1%

次級側(cè)電壓 2×707～714.8 V(No load)

4)推進變頻器。

數(shù)量 2臺

額定功率 2 200 kW

輸入電壓 3×715 V

輸出電壓 2×(3×675 V)

輸出頻率 0～100 Hz

5)主配電板。航行配電板為所有用電設(shè)備的公共電站，鋼質(zhì)防滴式框架結(jié)構(gòu)，由9屏組成，尺寸為5 420 mm×820 mm×2 380 mm置于發(fā)電機艙集控室內(nèi)，采用板后接線和維修。

航行主配電板組成如下。

主發(fā)電機屏 3屏

聯(lián)絡(luò)開關(guān)屏 2屏

電力推進屏 2屏

主變壓器兼壓載屏 2屏

航行主配電板具有船舶自動電站管理系統(tǒng)功能：①備用發(fā)電機的自動起動和并車；②能自動卸掉非重要負載來防止發(fā)電機過載；③重載問詢；④保證在網(wǎng)機組負載分配均勻。

4 電氣設(shè)計

4.1 電制

本船的電壓、頻率、相數(shù)和線制設(shè)計如下。

主發(fā)電機 690 V AC 50 Hz 3相 3線

推進電動機 690 V AC 50 Hz 3相 3線

壓載泵電動機690 V AC 50 Hz 3相 3線

停泊發(fā)電機 400 V AC 50 Hz 3相 3線

日常電動機 380 V AC 50 Hz 3相 3線

正常照明 220 V AC 50 Hz 1相 2線

應(yīng)急照明 220 V AC 50 Hz 1相 2線

航行設(shè)備 220 V AC 50 Hz 1相 2線

24 V DC 2線

無線電設(shè)備 220 V AC 50 Hz 1相 2線

24 V DC 2線

船內(nèi)通信等 220 V AC 50 Hz 1相 2線

24 V DC 2線

4.2 船舶推進

本船的主推進系統(tǒng)采用雙機交流電力推進裝置，電源為能向推進電機和正常負載供電的公共電站。

4.2.1 主發(fā)電機

主發(fā)電機輸出交流690 V、50 Hz、3相3線，經(jīng)變頻后供電給電力推進裝置，主發(fā)電機經(jīng)電力變壓器降壓至400 V后供電給全船動力設(shè)備、甲板機械、正常照明、應(yīng)急照明、航行信號燈及無線電通信導(dǎo)航設(shè)備等。本船設(shè)置交流同步主發(fā)電機3臺，供電給全船推進、動力、甲板機械、照明、通信導(dǎo)航等用電設(shè)備。3臺主發(fā)電機可作長期并聯(lián)運行，在單機工作時，當(dāng)運行的主發(fā)電機發(fā)生故障失電時，另2臺備用的主發(fā)電機可按順序自行啟動，并在30 s內(nèi)投入供電，若啟動失敗，會在機艙集控臺上報警。

4.2.2 停泊發(fā)電機

1臺停泊發(fā)電機輸出交流400 V、50 Hz、3相3線，供電給除主推進裝置和壓載泵外的用電設(shè)備。

4.2.3 電力變壓器

本船設(shè)CSD-500型500 kVA 690 V/400 V電力變壓器2臺，安裝在發(fā)電機艙集控室外，提供全船的AC400V設(shè)備用電，2臺變壓器互為備用。

4.2.4 發(fā)電機使用工況

工況包括運行發(fā)電機和備用發(fā)電機。

航行3臺2 000 kW)和1臺320 kW；

進出港為2臺2 000 kW和1臺2 000 kW+320 kW；

裝卸貨為1臺320 kW和3臺2 000 kW；

停泊為1臺320 kW和3臺2 000 kW；

應(yīng)急為1臺100 kW。

根據(jù)電力負荷估算，所選用的發(fā)電機容量能保證本船在航行、進出港、裝卸貨、停泊及應(yīng)急等工況下，滿足各用電設(shè)備正常工作所需的電能。

4.2.5 電力推進設(shè)備

主推進裝置采用雙機交流電力推進系統(tǒng)，推進電機的功率為2 200 kW×2，電壓AC690 V，輸出轉(zhuǎn)速為0～1 000 r/min，頻率為0～50 Hz。推進電機采用變頻控制啟動，推進電機和變頻器設(shè)在電力推進機艙內(nèi)，在駕駛室和機艙集控室設(shè)主推進遙控裝置，推進電機旁設(shè)機控、遙控轉(zhuǎn)換器，機旁操作優(yōu)先，電力推進系統(tǒng)的控制滿足AUT-0要求。

推進電機的制動通過限流器將推進電機的制動能量傳輸給制動電阻消耗。

本船輸出軸上設(shè)有電動抱閘機構(gòu)，可在推進電機停轉(zhuǎn)后進行緊急抱閘。抱閘機構(gòu)中設(shè)有傳感器，能把抱閘的狀態(tài)傳輸?shù)奖O(jiān)測報警系統(tǒng)。

4.2.6 電力推進的遙控

主電力推進的遙控采用微機控制的遙控系統(tǒng)，符合自動化AUT-0附加標(biāo)志的要求，主推進遙控操縱單元安裝在駕駛室控制臺和機艙集控臺上，機艙控制站單元安裝在電推機艙左右主推進電機附近，機旁設(shè)機控-遙控轉(zhuǎn)換器，機旁控制優(yōu)先，遙控單元上設(shè)主推進緊急停止銨鈕及各種監(jiān)測報警項目。

駕駛室和機艙集控室能實現(xiàn)對主推進的起動、調(diào)速、停車，齒輪箱的正倒車換向等自動順序控制。

服務(wù)于主電力推進的變頻器控制柜和三繞組變壓器設(shè)在電力推進機艙內(nèi)。

4.3 電氣保護

在主電路中設(shè)有過電流保護電器，以確保機動航行或在惡劣海況或浮冰中航行時引起的過電流不會導(dǎo)致引起過電流保護裝置動作。

電站功率管理系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)管整個電站的可靠、平穩(wěn)、安全的運行，必要時能自動卸掉非重要負載來防止發(fā)電機過載。

推進驅(qū)動器還配備“發(fā)電機功率保護限制”功能，可根據(jù)發(fā)電機的實際可用功率，限制推進驅(qū)動系統(tǒng)的輸出功率，但一臺或多臺發(fā)電機發(fā)生突然脫扣，系統(tǒng)將快速限制推進系統(tǒng)的輸出功率，避免繼續(xù)運行的發(fā)電機發(fā)生過載，保證重要設(shè)備的不間斷運行和有效推進。

4.4 監(jiān)測儀表和報警

推進變頻驅(qū)動器具有完備的監(jiān)測與保護功能，與推進控制系統(tǒng)相聯(lián)，接收和執(zhí)行來自控制系統(tǒng)的指令，該指令驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)。推進控制系統(tǒng)具有完善的安全保護監(jiān)控，確?？刂撇僮骺煽考白畲蟪潭鹊乇Ｗo推進系統(tǒng)。 本船的機艙自動化入級標(biāo)志為周期無人值班，機器處所AUT-0附加有標(biāo)志，報警和顯示均滿足中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2009)對電力推進和AUT-0的要求。

5 實船試航情況

在推進電機功率為2 000 kW×2時，試航航速達到13 kn(同類型同功率船舶一般為11 kn)，而且調(diào)速平穩(wěn)，操作方便，振動噪聲小。駕駛室實現(xiàn)遙控，機艙實現(xiàn)自動化。

6 結(jié)論

本船采用電力推進系統(tǒng)后，給設(shè)計人員提供了靈活性，線型可以最優(yōu)化，航速可以大大提高；在裝載貨物重量較小時可以減少發(fā)電機組的使用臺數(shù)，減少燃油消耗，使船舶效率最優(yōu)化；裝卸貨也最為便利，提高了作業(yè)的安全性，船東甚為滿意。

本船雖具有以上明顯的優(yōu)點，但采用國外西門子電機及控制系統(tǒng)，對電氣技術(shù)人員素質(zhì)要求相應(yīng)提高，成本高出同類型船舶的1/5，如果采用國產(chǎn)設(shè)備，經(jīng)濟性將會大大提高。

[1] 船舶設(shè)計實用手冊編委會.船舶設(shè)計實用手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范(2009)[S].北京：人民交通出版社，2009.