定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

趙建平　畢建秀　柯于銳

（1.黃海造船有限公司 榮成264309；2.上海歐得利船舶工程有限公司 上海200023）

定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

趙建平1畢建秀1柯于銳2

（1.黃海造船有限公司 榮成264309；2.上海歐得利船舶工程有限公司 上海200023）

定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是在定距槳船舶上,通過(guò)雙速比或多速比齒輪箱與自勵(lì)無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)相聯(lián)接而成。其通過(guò)在主機(jī)遙控系統(tǒng)、主機(jī)控制與安保系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)、齒輪箱控制系統(tǒng)之間建立起復(fù)雜的邏輯關(guān)系,使相關(guān)控制、報(bào)警信號(hào)在不同系統(tǒng)中有序合理傳遞和反饋,從而達(dá)到建立一套低成本、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電源品質(zhì)高、能滿足CCS、DNVGL等各大船級(jí)社無(wú)人機(jī)艙要求的新型定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)FPP-DL-FSSG。文章介紹了該系統(tǒng)的作用、軟硬件的構(gòu)成和特點(diǎn),分析了其優(yōu)缺點(diǎn)并提出使用時(shí)的注意事項(xiàng)。對(duì)航運(yùn)企業(yè)實(shí)行低成本運(yùn)營(yíng)以及節(jié)能減排具有重要意義。

軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；邏輯控制模塊；信號(hào)接口與控制；應(yīng)用

引 言

現(xiàn)代船舶主要以石油為燃料。燃料費(fèi)用在船舶營(yíng)運(yùn)成本中占比很高，并隨油價(jià)上漲而提高，所以燃料節(jié)約對(duì)降低船舶營(yíng)運(yùn)成本有重要意義，方法包括減少燃料消耗量和提高燃料使用的效果。特別是2008年下半年金融危機(jī)寒潮的侵襲，使全球的航運(yùn)業(yè)遭到重創(chuàng)，航運(yùn)市場(chǎng)貨量和運(yùn)價(jià)明顯下滑，BDI指數(shù)跌勢(shì)不休。船東為了降低營(yíng)運(yùn)成本，采取許多減排節(jié)能措施，其中就包括在已建和新建船舶上使用軸帶發(fā)電機(jī)技術(shù)。

1997年，MARPOL公約締約國(guó)大會(huì)通過(guò)了關(guān)于船舶CO2排放的決議。2009年7月，MEPC59會(huì)議通過(guò)和批準(zhǔn)包括新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）計(jì)算方法、能效設(shè)計(jì)指數(shù)自愿驗(yàn)證、船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）制定、能效營(yíng)運(yùn)指數(shù)（EEOI）自愿使用在內(nèi)的四個(gè)導(dǎo)則。國(guó)際海事組織提出了針對(duì)新船的“新船設(shè)計(jì)能效指數(shù)”，以促進(jìn)航運(yùn)業(yè)的節(jié)能減排工作開展。根據(jù)第62次會(huì)議通過(guò)的修正案，由2015年開始，所有400總噸或以上的新船必須達(dá)到新船設(shè)計(jì)新能效指數(shù)要求。這些新的決議和要求也激發(fā)了船東對(duì)應(yīng)用軸帶發(fā)電機(jī)技術(shù)的熱情。

1　軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是由主機(jī)驅(qū)動(dòng)船舶發(fā)電機(jī)，利用主機(jī)富裕功率達(dá)到節(jié)能的目的。軸帶發(fā)電裝置作為節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用及改善機(jī)艙管理和運(yùn)行條件的有效手段，以其特有的優(yōu)越性引起了各國(guó)造船界和航運(yùn)界的重視。

通常船舶主機(jī)的功率都有10%以上的裕量，而船舶上所安裝的發(fā)電機(jī)容量卻不會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)值，并且主機(jī)效率比常規(guī)的柴油發(fā)電機(jī)組高，由于燃油耗費(fèi)大約占船舶營(yíng)運(yùn)費(fèi)的53%左右，因此如使用軸帶發(fā)電機(jī)，則燃油的節(jié)約立即顯示出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。在航運(yùn)市場(chǎng)不景氣的情況下，各大航運(yùn)公司為了降低成本、提高船舶的經(jīng)濟(jì)性，紛紛采用降低航速或以經(jīng)濟(jì)航速運(yùn)行，使主機(jī)擁有大量富裕功率；同時(shí)，由于主機(jī)長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)對(duì)主機(jī)性能和效率產(chǎn)生影響，而使用軸帶發(fā)電機(jī)正好可以改善主機(jī)運(yùn)行工況和降低營(yíng)運(yùn)成本。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前軸帶發(fā)電機(jī)主要有以下兩種類型：

（1）變螺距螺旋槳（CPP）帶軸帶發(fā)電機(jī)。通過(guò)改變螺距來(lái)改變螺旋槳的推力大小和方向，從而保證主機(jī)轉(zhuǎn)速和軸帶發(fā)電機(jī)頻率不變。

（2）定距槳（FPP）帶軸帶發(fā)電機(jī)。由于在船舶運(yùn)行期間，主機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向是可變的，因此必須采取穩(wěn)定頻率的措施。常用的有轉(zhuǎn)速補(bǔ)償和頻率補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ恨D(zhuǎn)速補(bǔ)償一般采用行星齒輪傳動(dòng)型或液壓傳動(dòng)型；頻率補(bǔ)償一般采用大功率晶閘管逆變型加調(diào)相機(jī)或PWM型變頻器。

雖然軸帶發(fā)電機(jī)有很多優(yōu)勢(shì)，但是已經(jīng)比較成熟的軸帶發(fā)電機(jī)技術(shù)只掌握在幾家大公司手中，且產(chǎn)品價(jià)格昂貴、初次安裝費(fèi)用極高、控制復(fù)雜，對(duì)已建船舶進(jìn)行改裝也非常困難，因此對(duì)于處于航運(yùn)低谷中的航運(yùn)企業(yè)而言也是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。

2　定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)FPP-DL-FSSG

正是基于上述原因，在仔細(xì)研究和總結(jié)已有軸帶發(fā)電機(jī)技術(shù)特性和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，我們提出一套新的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)投資少、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)新建船舶無(wú)需增加額外投資就可以使用軸帶發(fā)電機(jī)，從而提高船舶的能效水平；同時(shí)由于該系統(tǒng)的基礎(chǔ)在于合理整合優(yōu)化已有船舶設(shè)備，因此也適用于已建船舶的節(jié)能環(huán)保的改造。該系統(tǒng)在兼顧變螺距螺旋槳（CPP）帶軸帶發(fā)電機(jī)和定距槳（FPP）帶軸帶發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能保證船舶在海上航行時(shí)，由軸帶發(fā)電機(jī)供給全船所需電能，僅在停泊或在復(fù)雜航道中才需要柴油發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行。由于FPP-DL-FSSG軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，傳遞效率高，傳遞損失僅為1%左右，因此能為船舶運(yùn)營(yíng)節(jié)約大量的燃油費(fèi)用。

FPP-DL-FSSG軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的維修工作量要比柴油發(fā)電機(jī)組少得多，且維修周期又長(zhǎng)得多，使船舶的運(yùn)行管理得到了簡(jiǎn)化，從而降低了維修費(fèi)用和延長(zhǎng)了維修周期。裝有FPP-DL-FSSG軸發(fā)裝置的船舶可以減少輔機(jī)的配置數(shù)量，有利于擴(kuò)大機(jī)艙的空間、降低機(jī)艙溫度并減少機(jī)艙的噪聲，改善工作環(huán)境和條件。同時(shí)，由于船舶在航行中可以不使用柴油發(fā)電機(jī)組，因此也減少其消耗的燃油和滑油，從而減少CO2的排量，提高了船舶EEDI和EEOI的水平。

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)廣泛討論和調(diào)研，得到 GL 船級(jí)社和許多船東的論證和認(rèn)可。該系統(tǒng)主要分為以下幾個(gè)主要部分：

2.1雙速比或多速比齒輪箱

雙速比或多速比齒輪箱是該系統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換與輸出裝置，安裝在螺旋槳中間軸或裝在主機(jī)自由端。雙速比或多速比齒輪箱的使用是為了確保航行時(shí)的船舶在整個(gè)航速范圍內(nèi)使用軸帶發(fā)電機(jī)。眾所周知，船舶在海上正常航行時(shí)，根據(jù)該船的能源管理計(jì)劃，船舶航速基本保持在一個(gè)經(jīng)濟(jì)航速范圍內(nèi)。正是基于這種實(shí)際應(yīng)用中的需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙速比或多速比齒輪箱，可以覆蓋整個(gè)經(jīng)濟(jì)航速內(nèi)的主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，保證發(fā)電機(jī)裝置在主機(jī)70%～100%的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)出足夠的輸出功率，以滿足全船供電要求。

齒輪箱動(dòng)力傳遞路線圖如圖1和圖2所示。

圖1　齒輪箱安裝在中間軸動(dòng)力傳遞路線圖

圖2　齒輪箱安裝在主機(jī)自由端動(dòng)力傳遞路線圖

2.2軸帶發(fā)電機(jī)

軸帶發(fā)電機(jī)使用的是自勵(lì)無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)，符合《船用發(fā)電機(jī)通用技術(shù)條件》，發(fā)電機(jī)通過(guò)高彈連接軸與齒輪箱輸出軸相連。要求軸帶發(fā)電機(jī)具有以下特性：穩(wěn)定時(shí)間不超過(guò)1.5 s，電壓波動(dòng)率不超過(guò)±1%，空載線電壓波形畸變率不超過(guò)3%，帶防潮加熱和繞組溫度傳感器，軸帶發(fā)電機(jī)帶并聯(lián)下垂裝置，能夠滿足與船舶柴油發(fā)電機(jī)短時(shí)并車和自動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)移的要求。 軸帶發(fā)電機(jī)帶 AVR自動(dòng)調(diào)壓器裝置和電動(dòng)與手動(dòng)外接調(diào)壓器，保證軸帶發(fā)電機(jī)在負(fù)載變化及主機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，電壓保持穩(wěn)定，保證軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)組短時(shí)并車時(shí)，電壓特性滿足并車要求。 軸帶發(fā)電機(jī)設(shè)有勵(lì)磁和滅磁功能轉(zhuǎn)換接口，以防止軸帶發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)組進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換時(shí)，產(chǎn)生過(guò)載電壓而損害軸帶發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)換開關(guān)由主配電板PMS控制。

2.3FPP-DL-FSSG邏輯控制模塊單元組

2.3.1主機(jī)遙控系統(tǒng)中的FPP-DL-FSSG邏輯控制模塊

主機(jī)遙控系統(tǒng)是指在駕駛室或集控室對(duì)遠(yuǎn)處的主機(jī)進(jìn)行操縱的裝置。對(duì)于定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)來(lái)講，在原有主機(jī)遙控控制模塊中，增加了FPP-DL-FSSG邏輯控制模塊，該模塊主要功能包括：在主機(jī)遙控系統(tǒng)PCS與電站管理系統(tǒng)PMS之間建立起SG請(qǐng)求與允許、調(diào)速請(qǐng)求與調(diào)速允許等握手信號(hào)，來(lái)達(dá)到主機(jī)轉(zhuǎn)速操縱及當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)仍能保證船舶供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性；在主機(jī)遙控系統(tǒng)PCS與電站管理系統(tǒng)PMS之間建立起主機(jī)故障處理及應(yīng)急操縱請(qǐng)求與主機(jī)故障處理及應(yīng)急操縱允許的握手信號(hào)，來(lái)達(dá)到當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)SLD故障或SHD故障時(shí)，電站管理系統(tǒng)PMS通過(guò)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換等控制流程，保證船舶供電、主機(jī)的安保及船舶的應(yīng)急操縱能夠滿足各大船級(jí)社和SOLAS及IMO對(duì)無(wú)人機(jī)艙的要求、對(duì)主機(jī)SLD和主機(jī)SHD的安保要求以及對(duì)船舶應(yīng)急操縱的要求。

2.3.2電站管理系統(tǒng)PMS中的FPP-DL-FSSG邏輯控制模塊

船舶電站是現(xiàn)代船舶的心臟，船舶電網(wǎng)失電會(huì)造成全船癱瘓，增大風(fēng)險(xiǎn)。電站管理系統(tǒng)PMS是以PLC控制為基礎(chǔ)的綜合電站管理系統(tǒng)，可以保證船舶供電的可靠性、快速性及合理性。對(duì)于定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)來(lái)講，在PMS系統(tǒng)中采用軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)組短時(shí)并車操作，用于軸發(fā)與柴發(fā)之間的切換和負(fù)荷轉(zhuǎn)移。同時(shí)也在PMS系統(tǒng)中增加與主機(jī)遙控系統(tǒng)中的FPP-DLFSSG邏輯控制模塊相對(duì)應(yīng)的握手信號(hào)邏輯控制單元及對(duì)不同檔速比齒輪箱及軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制的邏輯控制模塊單元，從而使采用定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)電站可以滿足船舶的不同配電要求。

2.4系統(tǒng)設(shè)備之間信號(hào)接口與控制

在主機(jī)自由端或軸系輸出端通過(guò)連接軸連接雙速比或多速比齒輪箱，速比設(shè)計(jì)涵蓋船舶整個(gè)海上航行的航速范圍，雙速比或多速比齒輪箱PTO輸出端帶動(dòng)自勵(lì)無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)，由同步發(fā)電機(jī)供電至主配電板為全船負(fù)載供電，同時(shí)為了保證供電連續(xù)性及船舶進(jìn)出港工況，需配置2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組。主機(jī)遙控系統(tǒng)PCS與電站管理系統(tǒng)PMS中分別設(shè)置請(qǐng)求與允許握手信號(hào)邏輯控制單元，在電站管理系統(tǒng)PMS中設(shè)置對(duì)不同檔速比齒輪箱及軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制的邏輯控制單元，在齒輪箱控制單元中設(shè)置執(zhí)行和反饋邏輯控制單元，在主機(jī)遙控PCS和齒輪箱控制單元中設(shè)置運(yùn)行與安保信號(hào)邏輯控制單元。這些控制單元通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，可以獨(dú)立或集成于原主機(jī)遙控系統(tǒng)PCS、電站管理系統(tǒng)PMS以及齒輪箱控制單元的PLC電路中，從而保證FPP-DL-FSSG系統(tǒng)滿足船級(jí)社對(duì)無(wú)人機(jī)艙的要求，滿足船舶在駕駛室進(jìn)行主機(jī)遙控及船舶操縱的要求，滿足船舶供電的連續(xù)性及船舶設(shè)備對(duì)電源特性的要求。

主機(jī)一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，軸帶發(fā)電機(jī)可以正常工作。當(dāng)電站發(fā)出軸發(fā)請(qǐng)求信號(hào)后，在主機(jī)工作于任一檔允許軸帶發(fā)電機(jī)工作的轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，主機(jī)遙控即發(fā)出軸發(fā)允許信號(hào)給電站控制系統(tǒng)PMS。PMS起動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)，控制齒輪箱對(duì)應(yīng)速比合排，并與運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組短時(shí)并車轉(zhuǎn)移負(fù)荷后，軸帶發(fā)電機(jī)供電，柴油發(fā)電機(jī)停止工作。其運(yùn)行信號(hào)由電站控制系統(tǒng)PMS輸出給主機(jī)遙控系統(tǒng)PCS，提醒保持主機(jī)轉(zhuǎn)速。主機(jī)遙控系統(tǒng)PCS進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)調(diào)速請(qǐng)求信號(hào)給自動(dòng)電站管理系統(tǒng)PMS，待經(jīng)過(guò)起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組并與運(yùn)行的軸帶發(fā)電機(jī)短時(shí)并車轉(zhuǎn)移負(fù)荷后，柴油發(fā)電機(jī)供電，軸帶發(fā)電機(jī)停止工作，電站控制系統(tǒng)PMS再返回一個(gè)調(diào)速允許信號(hào)給主機(jī)遙控系統(tǒng)PCS，由主機(jī)遙控控制主機(jī)完成調(diào)速控制流程。

主機(jī)發(fā)生SLD或SHD時(shí)或船舶進(jìn)行應(yīng)急操縱時(shí)，主機(jī)遙控系統(tǒng)PCS輸出安保信號(hào)或應(yīng)急操縱請(qǐng)求信號(hào)給電站控制系統(tǒng)PMS，PMS則根據(jù)不同安保信號(hào)或應(yīng)急操縱請(qǐng)求信號(hào)做出相應(yīng)處理后，反饋給PCS允許信號(hào)，再由主機(jī)遙控系統(tǒng)PCS控制主機(jī)完成相應(yīng)的控制流程。

FPP-DL-FSSG系統(tǒng)設(shè)備之間信號(hào)接口如圖3所示。

圖3　FPP-DL-FSSG系統(tǒng)設(shè)備之間信號(hào)接口

2.5FPP-DL-FSSG系統(tǒng)的系泊與航行試驗(yàn)

2.5.1FPP-DL-FSSG系統(tǒng)的系泊試驗(yàn)內(nèi)容

（1）用水阻/負(fù)載箱和電抗器進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，絕緣電阻測(cè)量， 穩(wěn)態(tài)電壓特性試驗(yàn)，其試驗(yàn)要求與柴油發(fā)電機(jī)組相同。

（2）軸帶發(fā)電機(jī)及齒輪箱的安全報(bào)警裝置試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足船級(jí)社無(wú)人機(jī)艙的要求。

（3）軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)和手動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)移試驗(yàn)。

2.5.2FPP-DL-FSSG系統(tǒng)的航行試驗(yàn)內(nèi)容

（1）在航行中，軸帶發(fā)電機(jī)和主機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)之間的效用試驗(yàn)，F(xiàn)PP-DL-FSSG控制系統(tǒng)失敗，報(bào)警及安保實(shí)驗(yàn)，失電轉(zhuǎn)換功能應(yīng)可靠。

（2）軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，車鐘操縱試驗(yàn)。

車鐘操縱，主機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)妮S帶發(fā)電機(jī)一個(gè)工作速度范圍轉(zhuǎn)到另一個(gè)工作速度范圍，備用柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，完成柴油發(fā)電機(jī)與軸帶發(fā)電機(jī)及軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換過(guò)程試驗(yàn)。

車鐘操縱，主機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)妮S帶發(fā)電機(jī)工作速度范圍轉(zhuǎn)到非工作速度范圍，預(yù)設(shè)備用柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，柴油發(fā)電機(jī)與軸帶發(fā)電機(jī)短時(shí)并車，轉(zhuǎn)移負(fù)荷，負(fù)荷轉(zhuǎn)移完成后，軸帶發(fā)電機(jī)解列分閘，柴發(fā)運(yùn)行供電，主機(jī)開始調(diào)速，完成主機(jī)調(diào)速過(guò)程。

（3）軸發(fā)運(yùn)行時(shí)，主機(jī)故障SLD&SHD試驗(yàn)及船舶應(yīng)急操縱試驗(yàn)。

（4）電站模式轉(zhuǎn)換及SG手動(dòng)控制效用試驗(yàn)。

3　FPP-DL-FSSG系統(tǒng)的應(yīng)用

定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)FPP-DLFSSG已在黃海造船有限公司31 200載重噸多用途船上成功進(jìn)行實(shí)施和應(yīng)用，該船由上海歐得利船舶工程有限公司設(shè)計(jì)， 其入級(jí)符號(hào)為：

在31 200載重噸多用途船上，主機(jī)為MAN B & W 6S46ME-B8.2-TII低速主機(jī)。主機(jī)在 90%負(fù)荷時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速為106 r/min、功率為5 832 kW；100%負(fù)荷時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速為110 r/min、功率為6 480 kW。90%負(fù)荷時(shí)，最大航速設(shè)計(jì)為14 kn。雙速比增速齒輪箱安裝在中間軸上，其參數(shù)為：快速檔為輸入99 r/min、輸出1 200 r/min，慢速檔為輸入106 r/min、輸出1 200 r/min。當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速變化在95～102 r/min時(shí)，快速檔齒輪合排；當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速變化102～110 r/min時(shí)，慢速檔齒輪合排。正車時(shí)，主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下允許快檔與慢檔的切換。這樣可以保證當(dāng)主機(jī)工作在95～110 r/min大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)可以獲得滿足GL規(guī)范要求的頻率相對(duì)穩(wěn)定的高品質(zhì)電源。軸帶發(fā)電機(jī)參數(shù)為功率745 kW AC 450 V 60 Hz，自然通風(fēng)冷卻、三相三線制、無(wú)刷諧波勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)。軸帶發(fā)電機(jī)僅可以在兩檔主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（95 ～102 r/min和 102 ～110 r/min）正常工作。軸帶發(fā)電機(jī)布置圖如圖4所示，實(shí)船齒輪箱和軸帶發(fā)電機(jī)安裝布置圖如圖5所示。

圖4　31200載重噸多用途船軸帶發(fā)電機(jī)布置

圖5　31200載重噸多用途實(shí)船齒輪箱和軸帶發(fā)電機(jī)安裝布置

3.131200載重噸配電及自動(dòng)電站管理系統(tǒng)PMS的介紹

31200載重噸多用途船的主配電板分A、B、C三段匯流排，AB匯流排接柴油發(fā)電機(jī)組，C匯流排接軸帶發(fā)電機(jī)，其電力系統(tǒng)基本饋線圖如圖6所示。

圖6　31200載重噸主配電板電力系統(tǒng)基本饋線圖

配電模式分為柴發(fā)模式、軸發(fā)優(yōu)先模式、分區(qū)供電模式共三種模式。31 200載重噸MSB上裝有SIEMENTS SMART LINE 顯示屏，可以清楚監(jiān)視三種模式。三種模式介紹如下：

（1）柴油發(fā)電機(jī)模式

當(dāng)選擇柴油發(fā)電機(jī)模式時(shí)，PMS系統(tǒng)將根據(jù)全船負(fù)荷和工況要求，自動(dòng)調(diào)整為一臺(tái)或兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)對(duì)全船供電。一臺(tái)或兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)與軸帶發(fā)電機(jī)并聯(lián)轉(zhuǎn)移負(fù)荷后，軸帶發(fā)電機(jī)自動(dòng)解列分閘，齒輪箱脫排，實(shí)現(xiàn)由柴油發(fā)電機(jī)對(duì)全船負(fù)載供電的模式。

（2）軸帶發(fā)電機(jī)優(yōu)先模式

如果主機(jī)運(yùn)行在兩個(gè)恒速范圍內(nèi)，電站將根據(jù)負(fù)荷和工況要求，在收到主機(jī)遙控發(fā)出的SG允許信號(hào)時(shí)，自動(dòng)調(diào)整為齒輪箱對(duì)應(yīng)速比合排。軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)轉(zhuǎn)移負(fù)荷后，柴油發(fā)電機(jī)分閘停機(jī)，軸帶發(fā)電機(jī)對(duì)全船供電，實(shí)現(xiàn)由軸帶發(fā)電機(jī)對(duì)全船負(fù)載供電的模式。

（3）分區(qū)供電模式

當(dāng)選擇分區(qū)供電模式時(shí)，電站將根據(jù)負(fù)荷和工況要求，母聯(lián)開關(guān)SDBT分閘，自動(dòng)調(diào)整為一臺(tái)柴發(fā)對(duì)A/B 排所帶負(fù)載供電，軸帶發(fā)電機(jī)對(duì)C 排所帶的冷藏箱供電的分區(qū)供電模式。

3.231200載重噸FPP-DL-FSSG系統(tǒng)使用結(jié)果

定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)FPP-DLFSSG在31 200載重噸多用途船上，進(jìn)行了全面嚴(yán)格的檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果滿足DNV-GL無(wú)人機(jī)艙的要求，得到了DNV-GL驗(yàn)船師和船東的高度評(píng)價(jià)和確認(rèn)。該系統(tǒng)不僅能保證船舶在正常航行中，各種船舶操縱及遙控命令的順利執(zhí)行，而且也可以在95～110 r/min轉(zhuǎn)速范圍中的任一轉(zhuǎn)速點(diǎn)上提供100%軸帶發(fā)電機(jī)功率的穩(wěn)頻穩(wěn)壓的高品質(zhì)電源，供全船使用，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1　31200載重噸多用途船試航數(shù)據(jù)

在試航期間，通過(guò)對(duì)全船不同供電負(fù)荷工況下進(jìn)行的油耗測(cè)試，表明FPP-DL-FSSG系統(tǒng)節(jié)能減排效果明顯，每天節(jié)約燃油約1.5 t左右?？紤]到主機(jī)一般擁有10%～15%的儲(chǔ)備功率及在當(dāng)今船東采用低速航行降低航運(yùn)成本的時(shí)代，軸帶發(fā)電機(jī)的使用可以改善主機(jī)運(yùn)行條件，使主機(jī)在理想負(fù)荷點(diǎn)運(yùn)行，從而大幅度提高主機(jī)效率。因此定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可使船舶在航行過(guò)程中用于電力消耗的燃油費(fèi)用降低30%～50%，如再加上滑油及維護(hù)成本，應(yīng)用定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的船舶，其發(fā)電成本比完全使用柴油發(fā)電機(jī)組，節(jié)約成本在50%以上。

4　定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的意義

該系統(tǒng)的研發(fā)與實(shí)船應(yīng)用對(duì)于航運(yùn)企業(yè)低成本運(yùn)營(yíng)、在新建或已建船舶上實(shí)行節(jié)能減排具有十分重要的意義。定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)除具有其他型式軸帶發(fā)電機(jī)的基本優(yōu)點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的特點(diǎn)。并且使用軸帶發(fā)電機(jī)后，可以省掉一臺(tái)輔助柴油發(fā)電機(jī)組，而定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)的造價(jià)卻低于輔助柴油發(fā)電機(jī)組的價(jià)格。

總之，由于定距槳直聯(lián)穩(wěn)頻型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)既滿足CCS、DNV-GL等各大船級(jí)社無(wú)人機(jī)艙的要求，又有造價(jià)低廉、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，具有提供高品質(zhì)電源的能力與節(jié)約建造成本和大幅減少航運(yùn)成本的優(yōu)點(diǎn)，所以其為廣大航運(yùn)企業(yè)滿足MARPOL對(duì)船舶CO2排放的決議及IMO等國(guó)際海事組織對(duì)船舶節(jié)能減排越來(lái)越高的要求，為廣大航運(yùn)企業(yè)降低航運(yùn)成本提供了可靠的應(yīng)用平臺(tái)。該系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用必然會(huì)得到越來(lái)越多船東的認(rèn)可和使用，并為我國(guó)在船舶節(jié)能減排領(lǐng)域添加一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)成果。

［1］ 徐筱欣.船舶動(dòng)力系統(tǒng)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

［2］ 姜錦范.船舶電站及自動(dòng)化［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2005.

［3］ 韓雪峰.船舶柴油機(jī)［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［4］ 李亮，劉以建，喻多祥. 船舶軸帶發(fā)電機(jī)的發(fā)展與新方法的研究［J］.船電技術(shù)，2009（5）： 5-9.

［5］ 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

Directly-linked and frequency-stabilized shaft generator system for a fixed pitch propeller

ZHAO jian-ping1BI Jian-xiu1KE Yu-rui2
(1. Huanghai Shipbuilding Co.Ltd., Rongcheng 264309, China; 2. Shanghai Odely Marine Engineering Co., Ltd., Shanghai 200023, China)

Directly-linked frequency-stabilized shaft generator system for a fixed pitch propeller (FPP-DLFSSG) is developed by combination of duel-speed-ratio or multi-speed-ratio gearbox and self-excitation brushless synchronous generator. This system ensures the relevant control and alarm signals to transmit and feedback regularly in different systems by establishing the complicated logical relations among M/E remote control system, M/E control and security system, PMS, and gearbox control system. Thereby, a new FPP-DL-FSSG system is established with the characteristics of low cost, simple hardware configuration, and high power quality to meet the requirements of the unattended machinery space for various classification, such as CCS, DNV-GL, etc. This paper gives a general description of the system function, composition and the characteristics of the software and hardware, analyzes its advantages and disadvantages, and presents issues that should be noted in its application. It has great significance of low operational cost, energy conservation and emission reduction for shipping enterprises.

shaft generator system; logical controlled modular; signal interface and control; application

U665.11

A

1001-9855（2015）02-0083-07

2014-12-28；

2015-02-05

趙建平（1964-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船舶設(shè)計(jì)與建造。畢建秀（1970-），男，工程師，研究方向：船舶設(shè)計(jì)與建造。柯于銳（1973-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船舶電氣設(shè)計(jì)。