“科學”號科考船綜合電力推進系統(tǒng)概述

張 優(yōu) 李 欣

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.國家海洋局第一海洋研究所 青島266061）

引 言

由中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院設(shè)計、武昌船舶重工有限責任公司建造的“科學”號海洋科學綜合考察船，于2012年9月交付中國科學院海洋研究所使用。本船是一艘集多學科、多功能、多技術(shù)手段為一體，滿足海洋研究需求的現(xiàn)代化海洋科學綜合考察船，可實現(xiàn)大洋環(huán)流系統(tǒng)與氣候變化、海洋動力過程與災(zāi)害、深海生物、基因資源及生物多樣性、大洋生態(tài)系統(tǒng)與碳循環(huán)、洋中脊與大陸邊緣熱液系統(tǒng)及地球深部過程、深海海底油氣（含天然氣水合物）資源形成機理等的主要科學調(diào)研，技術(shù)水平和考察能力達到并超過國際綜合科學考察船的同等水平，成為我國遠洋科學綜合考察的主力船之一。

“科學”號具備全球航行能力、 B3級冰區(qū)加強、一人橋樓OMBO、動力定位DP-1和機艙周期無人值班AUT- 0等入級符號。采用電力推進系統(tǒng)，具有布置靈活性高、機動性好、振動小、噪聲低和冗余度高等特點，在特種用途船舶上優(yōu)勢明顯，尤其在綜合調(diào)查船上更具有良好的發(fā)展前景。

1 綜合電力推進系統(tǒng)的配置

本船服務(wù)航速12 kn，最大航速達15 kn，在ROV作業(yè)、地質(zhì)柱狀取樣作業(yè)時采用動力定位系統(tǒng)（DP-1）定點定位工作。其操縱性能、定位性能要求高，不同工況下負荷變化范圍大，配置電站應(yīng)滿足經(jīng)濟、高效、環(huán)保的要求。

本文將從發(fā)電機系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、主電力推進系統(tǒng)、主推進遙控系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)等五個方面分別闡述其功能特點，以及在電力推進船舶中的重要作用。

1.1 主發(fā)電機組

主電站由4臺發(fā)電機組構(gòu)成（3大1小）。大功率的主發(fā)電機型號為AMG 0560LR06 LSE，單機功率2 610 kW、電壓AC 690 V、頻率50 Hz、功率因數(shù)（滯后）0.8、轉(zhuǎn)速1 000 r/min、防護等級IP44、水冷、絕緣等級H、溫升等級H。小功率的主發(fā)電機型號為AMG 0400LK06LAE，單機功率758 kW、電壓AC 690 V、頻率50 Hz、功率因數(shù)（滯后）0.8、轉(zhuǎn)速1 000 r/min、防護等級IP44、水冷、絕緣等級H、溫升等級H。該發(fā)電機兼做停泊發(fā)電機使用。

調(diào)研結(jié)果顯示：大多數(shù)科考船在巡航時為2臺發(fā)電機并聯(lián)運行，例如我國天然氣水合物綜合調(diào)查船（海洋6號）、英國JAMS COOK、西班牙SARMIENTO DE GAMBOA等。因為這樣配置可以降低單個柴油發(fā)電機組的裝置容量，前期投入的經(jīng)濟性好，運行時冗余度高。但為減少船員在巡航時的工作量，本船要求在巡航時僅運行1臺發(fā)電機組，但矛盾的是機艙空間狹窄，單臺發(fā)電機的體積和容量受限。因此，電氣設(shè)備在滿足系統(tǒng)性能指標的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用效率高的電機、風機和泵組。尤其電力推進電機是本船最大的電力負載，對其功率的選擇應(yīng)特別予以重視。推進電機的功率，取決于船舶的航行速度、船體線型、舵槳效率、舵槳的安裝形式等總體性能參數(shù)，其中每一個參數(shù)的調(diào)整，都會影響到推進電機功率的選擇，嚴重時可顛覆電站容量的配置。所以，在方案論證前期，應(yīng)盡可能獲取準確可靠的電機和舵槳數(shù)據(jù)，保證電站配置的合理性和經(jīng)濟性。

“科學”號在各種典型工況負荷預(yù)估情況如下：巡航航速12 kn時，運行1臺功率為2 610 kW的發(fā)電機，夏季時負荷率為84.8%，冬季時負荷率為80.2%。最大航速15 kn時，運行2臺2 610 kW的發(fā)電機和1臺758 kW發(fā)電機，夏季時負荷率為79.6%，冬季時負荷率為76.5%。ROV作業(yè)、動力定位（DP-1）投入時，運行3臺2 610 kW的發(fā)電機，夏季時負荷率為73.7%，冬季時負荷率為71%。

從以上分析數(shù)據(jù)可以看出：在3個典型工況下，不僅具有備用發(fā)電機，而且所運行的柴油機均在經(jīng)濟負荷點附近工作，電站配置能滿足船舶的動力需求。

試航時為6月中旬，氣候適宜，空調(diào)、風機等設(shè)備的運行工況介于冬、夏季之間，當船舶以12 kn航速行進時，推進電機的功率為2×750 kW，單臺發(fā)電機輸出功率為2 050 kW，電站負荷率為78%。其值略小于電力負荷估算書預(yù)報值，因為當時所有調(diào)查實驗室、樣品儲藏室的空調(diào)機組、冷藏機柜、風機、實驗儀器等設(shè)備均未投入工作，所有廚房設(shè)備均未啟用（用專用廚房集裝箱的燃氣進行伙食供應(yīng)）。實船實驗結(jié)果證明：電站完全滿足船舶使用要求，并為今后試驗設(shè)備的更新和發(fā)電機老化留有適當裕度。

“科學”號目前已投入執(zhí)行科考任務(wù)的營運中。在海況良好時進行海上漂泊實驗，只需要開動1臺758 kW小型發(fā)電機，用于生活用電和小負荷電力推進（抵制風浪），因其震動小、油耗低，而且科考試驗環(huán)境安靜，獲得廣大船東好評。

1.2 電力推進配電系統(tǒng)

電力推進系統(tǒng)的單線圖如下頁圖1所示。AC 690 V主配電板包括發(fā)電機屏、同步屏和饋電屏，饋電屏主要為主推進設(shè)備、艏側(cè)推設(shè)備、日用變壓器和大功率特種設(shè)備等供電。

圖1 電力推進系統(tǒng)單線圖

由于電力推進的采用以及科考作業(yè)專用大型設(shè)備的投入，電站的容量逐漸變大，短路電流也隨之增大，給配電板設(shè)計帶來的重要問題就是斷路器的選型。目前船用斷路器發(fā)展得已很完善，分段能力和接通能力基本可以滿足使用要求，但選擇性保護的匹配還存在一定難度?？瓶即O(shè)備數(shù)量眾多，部分重要設(shè)備由分電箱供電，這樣導(dǎo)致選擇性分析變得較為復(fù)雜。

我們通?？梢愿鶕?jù)斷路器的時間電流特性曲線獲得上下級開關(guān)的選擇性。目前也有特殊設(shè)計的斷路器，具有限流作用或允通能量脫扣作用。限流作用是指在通過其中短路電流所產(chǎn)生的電動斥力作用下，使其觸頭快速（例如3～5 ms）分斷，使這一短路電流尚未達到峰值時即被切斷，達到只允許限定的電流通過以阻止預(yù)期最大短路電流通過的目的。允通能量是指脫扣期間通過斷路器的特定能量“I2t”，發(fā)生短路時，受故障影響的設(shè)備部件受到熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力大小與故障電流的二次方及保護設(shè)備分斷電流所需時間成正比。允通能量是標志低壓斷路器的基本性能之一，要通過試驗測試，保證每臺產(chǎn)品的特性均在規(guī)定范圍內(nèi)。具有限流作用和允通能量脫扣作用的斷路器，能夠減小熱效應(yīng)和機械應(yīng)力，提高斷路器間選擇性的能力，避免上級斷路器選型過大。

我們有效地利用ABB斷路器的允通能量特性，提高了開關(guān)之間的選擇性。例如，本船設(shè)有2臺柴油分油機、2臺滑油分油機，由于船舶沒有配備蒸汽鍋爐，每臺分油機的加熱方式為電加熱。考慮到配電板的尺寸不能過大，故采用2個分電箱分別為分油機及其電加熱器集中供電。分油機屬于次要設(shè)備，分電箱的供電斷路器和負載斷路器應(yīng)具有選擇性。

表1為關(guān)于柴油分油機分電箱（5P）和滑油分油機分電箱 （6P）短路電流的估算值，可以看出，5P和6P的短路電流有效值為18.5 kA。主配電板上為5P、6P供電的開關(guān)為斷路器型號為T4H250 PR221 R160（QF13/14），5P、6P為分油機設(shè)備饋電的最大斷路器為S1N125 R63。

表1 柴油分油機分電箱 (5P)和滑油分油機分電箱 (6P)短路電流

以5P分電箱為例，從圖2的時間電流曲線上看，在短路電流小于3.2 kA時，5P/6P供電斷路器T4H250 PR221 R160 與5P/6P內(nèi)負載斷路器S1N125 R63具有完全選擇性；但當在短路電流大于3.2 kA時，時間電流曲線已不能反映是否具有選擇性，應(yīng)采用允通能量曲線進行分析。

從圖3的允通能量曲線上看，當短路電流為10 kA時，上級斷路器T4H250 PR221 R160的允通能量為0.548 A2s，大于下級斷路器S1N 125R63的允通能量0.362 A2s；當短路電流為18.5 kA時，上級斷路器T4H250 PR221 R160的允通能量為0.673 A2s，大于下級斷路器 S1N 125 R63的允通能量0.571 A2s。在短路電流介于3.2～18.5 kA時，可以做到完全選擇性。

圖2 時間電流曲線

圖3 允通能量曲線

同時根據(jù)時間電流曲線、允通能量曲線進行全船選擇性分析，整個電力系統(tǒng)的斷路器選型既安全又經(jīng)濟。

說明：QF12：配電變壓器原邊開關(guān) E3H1600 PR122 1600A；

QF14：配電變壓器副邊開關(guān)（400 V配電板進線開關(guān)）E3N2500 PR122 2500A；

QF37：5號分電箱供電開關(guān) T4H250 PR221DS 160A；

QF44：5號分電箱最大負載開關(guān) SIN125 R63 63A。

1.3 電力推進系統(tǒng)的組成及諧波的解決

電力推進雖存在初期投資增加、設(shè)備復(fù)雜、電網(wǎng)諧波大等不足之處，但振動小、噪聲低、操縱性能好、冗余度高等突出優(yōu)勢，使其在船舶上獲得日益廣泛的使用和推廣。

主推進變壓器：2臺、額定功率2 186 kVA、連接方式Dd0y11±7.5°、絕緣等級F、溫升等級F、水冷。

主推進變頻器：2臺，型號ACS800，額定功率2 680 kVA、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）、12脈沖、水冷。

主推進裝置：吊艙COMPACT AZIPOD系統(tǒng)2套，每套包括功率傳輸和轉(zhuǎn)向模塊、支撐模塊、推進模塊、螺旋槳等。推進電機為永磁同步電機，額定功率為1 895 kW，額定轉(zhuǎn)速310 r/min，推進形式為拉式。螺旋槳直徑2.3 m，槳葉數(shù)為4個。轉(zhuǎn)舵馬達功率為37 kW，轉(zhuǎn)舵變頻器亦為12脈沖。主推進電機和螺旋槳直接連接，結(jié)構(gòu)簡單緊湊；特有的轉(zhuǎn)舵單元使推進模塊全方位旋轉(zhuǎn)，替代了常規(guī)船舶舵機的功能。不僅便于推進裝置的安裝、維護，而且傳輸效率也得到提高。

剎車電阻：推進剎車電阻2個，轉(zhuǎn)舵剎車電阻2個。

諧波問題：交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，就是電網(wǎng)的諧波性能。變頻器中的整流器（二極管、晶閘管），為非線性元件電路，在電源輸入的電流中會產(chǎn)生諧波電流，引起電源內(nèi)阻抗產(chǎn)生相應(yīng)的諧波電壓。諧波電壓施加到電網(wǎng)的電氣設(shè)備中，造成附加發(fā)熱、絕緣降低等影響，并使測量儀表產(chǎn)生誤差。電力推進系統(tǒng)的諧波計算也十分復(fù)雜，涉及單個發(fā)電機組的容量、總電站的容量、發(fā)電機的功率因數(shù)、發(fā)電機的超瞬態(tài)阻抗Xd〃、變頻器的工作形式和原理、變頻電動機的功率、變壓器的容量、變壓器的阻抗壓降和重要電機的參數(shù)等重要設(shè)備的參數(shù)；尤其對于大容量的電站系統(tǒng)，短路電流和諧波是一對相互牽制的參數(shù)，例如增大發(fā)電機的超瞬態(tài)阻抗Xd〃，可以減少短路電流，但卻加大了諧波影響。諧波問題在初步設(shè)計時就應(yīng)加以重視。

電壓型交-直-交變頻調(diào)速的主要形式有6脈沖、12脈沖、24脈沖、AFE等，隨著諧波抑制的能力增大，價格也隨之上升。經(jīng)過論證，主推進電機的變頻器確定為12脈沖（主匯流排聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘時，可達虛擬24脈沖的效果），交流輸入電網(wǎng)雖仍有一定的諧波電流，但在規(guī)范允許范圍內(nèi)，是一種性價比較高的設(shè)備。另外，本船在降低諧波干擾和電磁干擾方面也采取一些防護措施。大功率的科考設(shè)備采用AFE變頻器，降低干擾強度；從變頻器到被控制設(shè)備的電纜采用變頻電纜，被 “污染”的AC 690 V電源電纜單獨敷設(shè)；敏感設(shè)備的電纜填料函采用EMC金屬填料函，少用或不用非金屬填料等。

本船試航時，在兩個典型工況下，用示波器于配電板處對電網(wǎng)的電流和電壓進行測量，波形光滑，無線電、導(dǎo)航設(shè)備運行正常。實測的諧波值見下頁表2所示，總諧波均小于5%，最大單次諧波小于3%，完全滿足并優(yōu)于CCS的要求，為全船電氣設(shè)備、尤其是敏感的科考設(shè)備，提供一個安全潔凈的工作平臺。

1.4 主推進遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)提供控制每個Compact Azipod推進和轉(zhuǎn)舵的方式和手段。控制模式主要分為：

表2 配電板諧波實測值

方位角推力操縱模式：推力由方位角控制桿控制，給出一個設(shè)定的“向前/向后”命令；轉(zhuǎn)舵由可旋轉(zhuǎn)360°的方位角控制桿來控制?？傊?，360轉(zhuǎn)角內(nèi)都可得到推進功率。

舵輪模式：推力控制由橋樓中央的方位角控制桿控制；轉(zhuǎn)舵由橋樓中央的主舵輪控制，轉(zhuǎn)舵控制類同于普通船舶的隨動控制模式。

應(yīng)急控制模式：應(yīng)急手柄，“向前/向后”為推力的非隨動控制，“向左舷/向右舷”是轉(zhuǎn)舵的非隨動控制。

在科考船上，主推進的遙控控制位置較多，主要有駕駛室中央、駕駛室左翼、駕駛室右翼、作業(yè)操控室、機艙集控室、機組就地等。

為避免誤操作，電力推進各控制站之間的優(yōu)先等級規(guī)定如表3所示。

表3 電力推進控制站之間的優(yōu)先等級表

1.5 監(jiān)測報警系統(tǒng)（含電站管理系統(tǒng)PMS）

本船的監(jiān)測報警系統(tǒng)采用ABB的HC800設(shè)備，拓撲圖參考如圖4所示。

圖4 監(jiān)測報警系統(tǒng)拓撲圖

系統(tǒng)由過程控制器、I/O系統(tǒng)、操作站、打印機、UPS等構(gòu)成。過程控制器通過冗余IP控制網(wǎng)絡(luò)（Control Network CN）與操作站進行通訊、通過Profibus 和一些其他標準通訊協(xié)議和I/O站進行通訊。過程控制器控制了所有的邏輯和數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)具有模塊化和可擴展性。系統(tǒng)的主要功能為：報警列表、系統(tǒng)列表、事件列表、輪機員呼叫和延伸報警板、輪機員安全報警系統(tǒng)、風機和泵的控制功能、PMS電站管理系統(tǒng)、系統(tǒng)自診斷功能等。

發(fā)電機、電力推進電機、操舵電機、變頻器、推進變壓器、配電變壓器等重要設(shè)備，均布置在船舶的左右兩舷，其供電遵循“同側(cè)供電”的原則，即為左側(cè)/右側(cè)重要設(shè)備服務(wù)的水泵、油泵、風機等，由AC 400 V配電板上的左側(cè)/右側(cè)兩段分別供電。這樣，如果機艙一側(cè)發(fā)生事故，至少與“幸存”發(fā)電機、配電板同側(cè)的推進系統(tǒng)不會喪失動力，提高船舶的生命力。同理，在PMS和IAS的設(shè)計中，也遵循“同側(cè)接入”原則，即機艙里的I/O機柜分左右布置，涉及PMS、發(fā)電機、推進設(shè)備的報警和狀態(tài)、風機和泵的控制功能等關(guān)鍵參數(shù)，接入同側(cè)的I/O機柜，不僅減少電纜的交互延伸，在機艙一側(cè)發(fā)生事故的情況下，也盡可能將對IAS和PMS的影響降低到最小，增強自動化系統(tǒng)的安全性。

電力推進船舶電站管理系統(tǒng)的一個顯著的特點就是限功率功能。推進電機的需求為全船最大的負載，在電機轉(zhuǎn)速上升的過程中很容易造成運行發(fā)電機過載，在備用發(fā)電機未及起動時可能會引起電站失電。PMS將電站的可用功率信號輸出到變頻控制機柜，變頻器根據(jù)電站的可用功率，對推進器的運行狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)測，必要時進行功率限制控制，待備用發(fā)電機自動起動、同步并網(wǎng)后，才允許增加主推進器的功率。

本船的PMS對柴油發(fā)電機采用恒速模式（Isochronous control and load sharing mode）控制和降速模式（Speed droop mode）控制。降速模式即常規(guī)控制模式，在此不再贅述。恒速模式是柴油機的一個功能，采用CAN bus專用電纜，將所有柴油發(fā)電機組、配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接起來。每個柴油機的控制板均可監(jiān)視與該網(wǎng)絡(luò)連接的所有柴油機的負荷率，計算出整個電網(wǎng)的負荷率，將本柴油機的負荷率和電網(wǎng)負荷率相比較，然后調(diào)節(jié)本發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，直至每個柴油發(fā)電機組負荷率和電網(wǎng)負荷率相一致。在某一發(fā)電機加載或減載的過程中，負載轉(zhuǎn)移按照預(yù)設(shè)的速度進行控制（應(yīng)急情況具有特定的加載速度），以達到均衡分配的目的。卸載時，如果被控制柴油機的負荷降低到預(yù)設(shè)定值，相應(yīng)的柴油機控制板發(fā)出該發(fā)電機斷路器分閘命令；如果恒速模式出現(xiàn)故障，則會自動切換至降速模式。可以看出，采用恒速控制模式，各個柴油機頻率相同，負荷分配均衡，從而大大提高電網(wǎng)的品質(zhì)。

2 結(jié) 論

電力推進則具有調(diào)速范圍廣、驅(qū)動力矩大、易于正反轉(zhuǎn)、布置靈活、振動和噪音小、居住環(huán)境舒適等優(yōu)點，尤其是采用綜合電站，提高了能源利用效率。隨著人類對地球環(huán)境保護意識的不斷提高，設(shè)計節(jié)能、低耗、環(huán)保、高效型的船舶日益重要。目前，電力推進是滿足節(jié)能減排要求的較好選擇，特別在作業(yè)工況復(fù)雜的科學考察船上，其優(yōu)勢更為顯著，必將會有更廣闊的發(fā)展前景。

［1］ 中國船級社.船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護指南［S］.2007.

［2］ 吳斐文，張慧洲，張曉東.交流變頻調(diào)速電力推進系統(tǒng)的典型應(yīng)用［J］.船舶，2002（1）：52-57.

［3］ 徐丹錚，繆燕華，吳斐文.大功率電力系統(tǒng)船舶的電氣設(shè)計［J］.船舶，2009（5）：36-42.

［4］ 羅成漢，陳輝.電力推進船舶電力系統(tǒng)中的諧波［J］.船舶工程，2007（1）：73-76.

［5］ ABB.交流傳動諧波指南［S］.2008.

［5］ 何家偉，邵能靈.基于EDSA的電力推進船舶電力系統(tǒng)諧波建模與分析［J］.船舶，2013（4）：62-66.

［6］ 鄧穗湘，沈雄.永磁電機在船舶電力推進中的應(yīng)用與仿真［J］.航海技術(shù)，2005（4）：44-47.