柴電混合推進(jìn)模式在8000kW海洋救助船的應(yīng)用

王雙喜

(鎮(zhèn)江賽爾尼柯電器有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

柴電混合推進(jìn)模式在8000kW海洋救助船的應(yīng)用

王雙喜

(鎮(zhèn)江賽爾尼柯電器有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

針對船舶推進(jìn)系統(tǒng)采用柴電混合推進(jìn)模式大部分設(shè)備及控制技術(shù)主要依賴進(jìn)口的問題，研究動(dòng)力系統(tǒng)柴電混合推進(jìn)模式配套的主配電板及功率管理系統(tǒng)(PMS)的相關(guān)功能，同時(shí)結(jié)合航行試驗(yàn)時(shí)對混合推進(jìn)模式的不同進(jìn)入方式過程中的主要工作參數(shù)及變化進(jìn)行了分析。在8 000 kW海洋救助船系泊及航行試驗(yàn)中，柴電混合推進(jìn)模式的功能測試及技術(shù)性能達(dá)到預(yù)期效果。

救助工作船；柴電推進(jìn)；配電板；限流啟動(dòng)；動(dòng)態(tài)進(jìn)入；靜態(tài)進(jìn)入

0 引言

為了節(jié)能減排，平臺守護(hù)、救助等雙機(jī)雙槳船舶在低速巡航時(shí)采用柴電混合推進(jìn)模式。柴電混合推進(jìn)模式的難點(diǎn)之一是作為電推的電動(dòng)機(jī)如何起動(dòng)，目前采用較多的是自耦變壓器降壓起動(dòng)、小電機(jī)拖動(dòng)起動(dòng)、雙軸帶發(fā)電機(jī)并車起動(dòng)及限流起動(dòng)等方式。前2種起動(dòng)方式均需要增加額外的機(jī)電設(shè)備，成本高、占用空間大；雙軸帶發(fā)電機(jī)并車起動(dòng)雖是最為簡單的方式，但每次進(jìn)入柴電混合推進(jìn)模式前必須將2臺主柴油機(jī)全部起動(dòng)，額外消耗一定能源，且如果其中1臺主柴油機(jī)因故不能起動(dòng)將無法進(jìn)入柴電混合推進(jìn)模式；而與限流起動(dòng)技術(shù)相配套的PMS系統(tǒng)一直被國外所壟斷。

本文研究的8 000 kW海洋救助船的柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)，采用動(dòng)、靜態(tài)2種進(jìn)入方式的柴電混合推進(jìn)模式，在不同航行工況時(shí)均能發(fā)揮較高的推進(jìn)效率，可提高船舶的運(yùn)行安全可靠性。

1 船舶推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)分左右2套系統(tǒng)，每套推進(jìn)系統(tǒng)包含主柴油機(jī)、齒輪箱、變距槳、軸帶發(fā)電機(jī)(同時(shí)可作電動(dòng)機(jī))等，其中，主柴油機(jī)功率為4 500 kW，轉(zhuǎn)速為750 r/min。為了實(shí)現(xiàn)柴電混合推進(jìn)，其齒輪箱采用1入2出結(jié)構(gòu)，由3個(gè)離合器進(jìn)行切換控制。

圖1為左推進(jìn)系統(tǒng)示意圖，右推進(jìn)系統(tǒng)與之對稱。正常航行時(shí)，由柴油機(jī)進(jìn)行推進(jìn)。主離合器J1嚙合帶動(dòng)推進(jìn)軸高速旋轉(zhuǎn)，PTO(功率輸出)離合器J2嚙合帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，PTI(功率輸入)離合器J3脫開。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

船舶處于低速巡航時(shí)，為了節(jié)省能源降低排放采用單主機(jī)運(yùn)行、柴電混合推進(jìn)模式。船舶若一側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)入主柴油機(jī)推進(jìn)模式即PTO模式，另一側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)則進(jìn)入電力推進(jìn)模式即PTI模式，兩側(cè)的PTO、PTI模式可任意選擇以保證兩側(cè)柴油機(jī)均衡工作。

因軸帶發(fā)電機(jī)功率(本船為2 400 kW)遠(yuǎn)小于柴油機(jī)功率，為了優(yōu)化推進(jìn)效率，PTI模式時(shí)推進(jìn)軸進(jìn)入低速旋轉(zhuǎn)，PTO側(cè)推進(jìn)軸也進(jìn)入低速旋轉(zhuǎn)。這樣兩側(cè)的推進(jìn)軸以同樣轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，防止主機(jī)過載和增加船舶操控性。

柴電混合推進(jìn)的PTO側(cè)離合器狀態(tài)為：主離合器J1脫開，PTO離合器J2和PTI離合器J3嚙合；PTI側(cè)離合器狀態(tài)為：主離合器J1和PTO離合器J2脫開，PTI離合器J3嚙合。

2 電站組成

2.1電制

本船采用400 V 50 Hz 三相三線制絕緣系統(tǒng)。

2.2發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)主要包括3臺530 kW主柴油發(fā)電機(jī)、2臺2 400 kW軸帶發(fā)電機(jī)(電動(dòng)機(jī))、1臺100 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)。

2.3配電板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配電板匯流排系統(tǒng)示意圖如圖2所示。圖中，SG1、SG2分別為左、右軸帶發(fā)電機(jī)；BS1、BS2、BS3為聯(lián)絡(luò)開關(guān)；QS為隔離開關(guān)；DG1、DG2、DG3分別為左、中、右柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 配電板匯流排系統(tǒng)示意圖

2.3.1A匯流排

A匯流排由左軸帶發(fā)電機(jī)SG1供電，并對前艏側(cè)推及拖纜機(jī)供電。通過BS1聯(lián)絡(luò)開關(guān)與C匯流排相聯(lián)接，再經(jīng)BS3聯(lián)絡(luò)開關(guān)與B匯流排相聯(lián)接。

2.3.2B匯流排

B匯流排由右軸帶發(fā)電機(jī)SG2供電，并對后艏側(cè)推及艉側(cè)推供電。通過BS2聯(lián)絡(luò)開關(guān)與D匯流排相聯(lián)接，再經(jīng)BS3聯(lián)絡(luò)開關(guān)與A匯流排相聯(lián)接。

2.3.3C匯流排

C匯流排由左柴油發(fā)電機(jī)DG1供電，并對船舶部分日用負(fù)載供電。通過BS1聯(lián)絡(luò)開關(guān)與A匯流排相聯(lián)接，再經(jīng)QS隔離開關(guān)與D匯流排相聯(lián)接。

2.3.4D匯流排

D匯流排由中柴油發(fā)電機(jī)DG2、右柴油發(fā)電機(jī)DG3供電，并對船舶部分日用負(fù)載供電。通過BS2聯(lián)絡(luò)開關(guān)與B匯流排相聯(lián)接，再經(jīng)QS隔離開關(guān)與C匯流排相聯(lián)接。

3 柴電混合推進(jìn)供電方式

船舶處于混合推進(jìn)模式時(shí)，掛在C/D匯流排上的日用負(fù)載由柴油發(fā)電機(jī)供電，由PMS監(jiān)管負(fù)載大小決定供電柴油發(fā)電機(jī)數(shù)量。

PTI側(cè)由PTO側(cè)獨(dú)立、直接供電，拖纜機(jī)和側(cè)推禁止運(yùn)行。

2臺軸帶發(fā)電機(jī)可交互使用，即1臺軸帶發(fā)電機(jī)可作為PTI而由另1臺軸帶發(fā)電機(jī)供電。

圖3為SG1作為PTI使用的混合推進(jìn)供電情況示意圖。

由于A、B、C樓生活污水設(shè)計(jì)管道按照3‰坡度至市政接入管道位置標(biāo)高低約50 cm，同時(shí)還與DN 1000清水管標(biāo)高一致并要穿過藥師弄馬路，需要避讓。故采取了提升方式，提升井尺寸為2 m×1.8 m×3 m（長×寬×高），提升泵選用自動(dòng)攪勻潛水排污泵Q=30 m3/h，揚(yáng)程10 m，功率3 kW，采用兩臺，互為備用，同時(shí)自帶配套控制柜。

在巡航速度較低情況下，主機(jī)功率和軸帶發(fā)電機(jī)功率較富裕，PMS可控制C/D匯流排由軸帶發(fā)電機(jī)供電，全船只有1臺主柴油機(jī)運(yùn)行，從而達(dá)到最大節(jié)能減排效果。其供電示意圖如圖4所示。

圖3 SG1作為PTI使用的混合推進(jìn)供電情況示意圖

圖4 SG1作為PTI,SG2同時(shí)對全船供電示意圖

4 進(jìn)入柴電混合推進(jìn)模式的電站控制

柴電混合推進(jìn)電站管理的重點(diǎn)是PTI的進(jìn)入方式，也就是PTI側(cè)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式。目前采用的起動(dòng)方式有自耦降壓起動(dòng)、變頻起動(dòng)、小電機(jī)起動(dòng)等多種方式，這些起動(dòng)方式有一個(gè)共同缺點(diǎn)就是成本高，占用空間大。本船的機(jī)艙特點(diǎn)是設(shè)備多，空間有限，無法采用上述起動(dòng)方式。經(jīng)綜合考慮，本船采用動(dòng)態(tài)進(jìn)入和靜態(tài)進(jìn)入2種起動(dòng)進(jìn)入方式。

4.1動(dòng)態(tài)進(jìn)入

動(dòng)態(tài)進(jìn)入是由處于恒速運(yùn)行狀態(tài)的左、右2臺主柴油機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的軸帶發(fā)電機(jī)和推進(jìn)軸運(yùn)行，即PTI側(cè)處于動(dòng)態(tài)。齒輪箱為切換到低速驅(qū)動(dòng)推進(jìn)軸模式：主離合器J1脫開、PTO離合器J2和PTI離合器J3嚙合。

在PMS管理下，將A/B匯流排與C/D匯流排分開(BS1、BS2分?jǐn)?，C/D匯流排由柴油發(fā)電機(jī)供電，控制左、右軸帶發(fā)電機(jī)通過BS3并車運(yùn)行。當(dāng)并車完成后，PMS送一控制信號至主推進(jìn)控制系統(tǒng)將PTI側(cè)的PTO離合器脫開，并送一信號控制PTI側(cè)的發(fā)電機(jī)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式。此時(shí)可將PTI側(cè)的主機(jī)停機(jī)，船舶進(jìn)入柴電混合推進(jìn)模式。

此時(shí)船舶的驅(qū)動(dòng)方式是：PTO側(cè)的主機(jī)低速驅(qū)動(dòng)變距槳并帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)電，供給PTI側(cè)電動(dòng)機(jī)(軸帶發(fā)電機(jī))低速驅(qū)動(dòng)變矩槳，船舶進(jìn)入低速航行狀態(tài)。動(dòng)態(tài)進(jìn)入PTI的電流實(shí)測曲線見圖5。

圖5 動(dòng)態(tài)進(jìn)入PTI電流實(shí)測圖(Imax=595 A)

上圖是動(dòng)態(tài)進(jìn)入過程變距槳螺距為零時(shí)的電流曲線。由圖5可看出，動(dòng)態(tài)進(jìn)入非常平穩(wěn)，沖擊電流很小。動(dòng)態(tài)進(jìn)入PTI的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平穩(wěn)，沒有增加額外的硬件，成本低；缺點(diǎn)是必須雙側(cè)主機(jī)具備運(yùn)行條件，如果單側(cè)主機(jī)出現(xiàn)故障船舶則無法進(jìn)入柴電混合推進(jìn)模式。

4.2靜態(tài)進(jìn)入

為了解決動(dòng)態(tài)進(jìn)入的缺點(diǎn)，即在單主機(jī)運(yùn)行情況下也能進(jìn)入柴電混合推進(jìn)模式，如單側(cè)主機(jī)故障或在錨地起航時(shí)起動(dòng)單主機(jī)(避免起動(dòng)雙主機(jī)的能源消耗)，本船設(shè)計(jì)了PTI處于靜態(tài)(即停止?fàn)顟B(tài))時(shí)進(jìn)入柴電混合推進(jìn)的起動(dòng)方式。

本船配備的軸帶發(fā)電機(jī)型號為DSU99K1-4。AVR調(diào)節(jié)器配置SR2-80限流模塊。

作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)，如果激活SR2-80模塊，發(fā)電機(jī)的最大電流將會(huì)被限制，其最大電流值可以進(jìn)行設(shè)定。同時(shí)該發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了作為電動(dòng)機(jī)用時(shí)可具有異步起動(dòng)功能，即異步起動(dòng)同步運(yùn)行。

靜態(tài)進(jìn)入前PTO側(cè)主推進(jìn)系統(tǒng)的主柴油機(jī)處于恒速運(yùn)行狀態(tài)，齒輪箱切換到低速驅(qū)動(dòng)推進(jìn)模式，即主離合器J1脫開、PTO離合器J2和PTI離合器J3嚙合；PTI側(cè)主柴油機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，齒輪箱的3個(gè)離合器均處于脫開狀態(tài)。

靜態(tài)進(jìn)入柴電混合推進(jìn)的電站控制完全由PMS自動(dòng)管理。在靜態(tài)起動(dòng)前，將C/D匯流排與A/B匯流排分開(BS1、BS2分?jǐn)?，C/D匯流排由柴油發(fā)電機(jī)供電。控制PTO側(cè)發(fā)電機(jī)、PTI側(cè)電動(dòng)機(jī)處于滅磁狀態(tài)，并將SG1、SG2進(jìn)行電聯(lián)接即SG1/SG2主開關(guān)和BS3合閘。此時(shí)PTO側(cè)發(fā)電機(jī)未發(fā)電，PTI側(cè)電動(dòng)機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

PMS控制PTO側(cè)發(fā)電機(jī)的限流模塊S2-80激活及勵(lì)磁線路接通并進(jìn)行2～3 s的充磁，PTO側(cè)發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，PTI側(cè)電動(dòng)機(jī)開始異步起動(dòng)。當(dāng)PTI側(cè)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定異步轉(zhuǎn)速時(shí)，PMS控制PTI側(cè)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線路接通拉入同步運(yùn)行。其起動(dòng)過程的實(shí)測電流曲線如圖6所示。

圖6 靜態(tài)進(jìn)入PTI電流實(shí)測圖(Imax=6 947 A)

從電流曲線圖可知，在投入PTI模式的限流異步啟動(dòng)開始時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁投入后，輸出電流瞬間升高至近7 000 A后不再升高。這個(gè)電流值是限流模塊在起作用，約為額定電流的1.6倍。

PMS檢測到PTI側(cè)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行后將其控制在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式并送一信號至主推進(jìn)控制系統(tǒng)，控制PTI側(cè)齒輪箱的PTI離合器J3嚙合(合排)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)軸旋轉(zhuǎn)。因驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，在合排時(shí)有一定的沖擊。合排電流實(shí)測曲線如圖7所示。

圖7 靜態(tài)進(jìn)入PTI時(shí)合排電流實(shí)測圖(Imax=1 113 A)

5 柴電混合推進(jìn)的保護(hù)

5.1發(fā)電機(jī)長延時(shí)保護(hù)

由圖7可知，在PTI靜態(tài)起動(dòng)時(shí)雖然有限流功能但電流還是較大，發(fā)電機(jī)主開關(guān)的長延時(shí)保護(hù)如果按照正常設(shè)定，在PTI起動(dòng)過程可能會(huì)誤跳閘。

為了解決發(fā)電機(jī)的正常保護(hù)和PTI靜態(tài)起動(dòng)保護(hù)之間的矛盾，在功率管理模塊中增加發(fā)電機(jī)長延時(shí)保護(hù)功能，按規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)定。在靜態(tài)起動(dòng)時(shí)將其關(guān)閉，在正常運(yùn)行時(shí)打開。

5.2PTI運(yùn)行時(shí)逆功保護(hù)功能抑制

在作為PTI運(yùn)行時(shí)，其功率相對于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)是反向的，也就是處于逆功狀態(tài)，這時(shí)須對逆功保護(hù)功能進(jìn)行處理，否則PTI側(cè)的主開關(guān)將會(huì)因逆功而跳閘。常用方法是將電流互感器的2次電流信號用繼電器進(jìn)行切換，使在PTI時(shí)測量系統(tǒng)不產(chǎn)生逆功。但互感器的容量較小，2次電流對電阻非常敏感。當(dāng)繼電器觸頭的接觸電阻達(dá)不到要求時(shí)，整個(gè)測量系統(tǒng)包括電流、功率、無功、功率因數(shù)等與電流相關(guān)的電參量都會(huì)產(chǎn)生偏差，影響系統(tǒng)運(yùn)行安全。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，本船在PTI運(yùn)行模式時(shí)直接將逆功保護(hù)模塊的逆功保護(hù)功能關(guān)閉，使PTO、PTI逆功保護(hù)實(shí)現(xiàn)無縫切換。功率表則用+/-偏轉(zhuǎn)方式，當(dāng)正向偏轉(zhuǎn)時(shí)是發(fā)電機(jī)，反向偏轉(zhuǎn)時(shí)是電動(dòng)機(jī)。

5.3同步電動(dòng)機(jī)的失磁保護(hù)

軸帶發(fā)電機(jī)在PTO運(yùn)行模式時(shí)是同步發(fā)電機(jī)，在PTI運(yùn)行模式時(shí)是同步電動(dòng)機(jī)。同步發(fā)電機(jī)如果失磁(勵(lì)磁線路故障)其主開關(guān)會(huì)因失電或逆功(與其他發(fā)電機(jī)并車運(yùn)行時(shí))而跳閘。而同步電動(dòng)機(jī)一旦失勵(lì)將立即進(jìn)入異步運(yùn)行狀態(tài)，工作特性變壞，功率因數(shù)和電效率嚴(yán)重下降。PMS系統(tǒng)根據(jù)這一特性用監(jiān)測PTI運(yùn)行的無功來進(jìn)行保護(hù)。一旦發(fā)生失磁，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員排除故障或發(fā)出指令退出PTI系統(tǒng)。圖8為PTI在正常運(yùn)行到失磁時(shí)的無功變化曲線。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)中的靜態(tài)進(jìn)入PTI運(yùn)行時(shí)，當(dāng)異步啟動(dòng)完成后進(jìn)行投勵(lì)時(shí)，存在時(shí)間點(diǎn)的控制問題。如果投勵(lì)時(shí)的轉(zhuǎn)子磁場和定子旋轉(zhuǎn)磁場相位角相差過大會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，本船實(shí)測到近9 000 A。雖然軸帶發(fā)電機(jī)廠家聲稱此沖擊電流在發(fā)電機(jī)可承受范圍之內(nèi)，但此沖擊電流對整個(gè)系統(tǒng)還是有害的。要解決這一問題需要增加軸帶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場和定子旋轉(zhuǎn)磁場相位角檢測裝置。

圖8 PTI運(yùn)行時(shí)的失磁無功實(shí)測曲線(kVar)

柴電混合推進(jìn)的難點(diǎn)是其牽涉到主機(jī)及主推進(jìn)系統(tǒng)、主機(jī)遙控系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等，控制復(fù)雜、接口多、協(xié)調(diào)工作量大。由于8 000 kW海洋救助船柴油混合推進(jìn)模式的前期經(jīng)過了充分技術(shù)論證、精心準(zhǔn)備和工廠模擬調(diào)試，在實(shí)船實(shí)驗(yàn)時(shí)一舉取得了成功。但在整個(gè)柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)里的很多技術(shù)還是要依賴進(jìn)口，如發(fā)電機(jī)的限流技術(shù)等。

在當(dāng)今暢導(dǎo)綠色環(huán)保時(shí)代，對于經(jīng)常執(zhí)行低速航行任務(wù)的船舶如救助船、平臺守護(hù)船、海監(jiān)船等，采用柴電混合推進(jìn)是一個(gè)很好的節(jié)能方案，值得推廣應(yīng)用。

[1]宋華屏. 16 400 t化學(xué)品船的PTI/PTO系統(tǒng)研究[J].江南集團(tuán)技術(shù)，2003,(3):11-25.

[2]聶延生，劉鎮(zhèn)宇，劉運(yùn)新，馬會(huì)普.船舶軸帶電機(jī)及其PTO/PTI工作方式的原理和應(yīng)用[J].航海技術(shù),2006,(4):42-43.

[3]柳青,張志田.同步電動(dòng)機(jī)失步原因分析、產(chǎn)生的危害及防護(hù)措施[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2001,1(2):6-8.

2014-05-24

王雙喜(1963-)，男，高級工程師，從事船舶配電設(shè)計(jì)與研究。

U664.81

B