珠江380客位雙體客船電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉波濤，李岳洋，饒兆杰

(1．江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江212003;2．廣州市客輪公司，廣東廣州510000)

0 引言

珠江是西江、北江、東江和下游支流的總稱，全長(zhǎng)2 214 km，位居全國(guó)第四。因大小河流眾多、流域面積廣等特點(diǎn)，使珠江成為了除長(zhǎng)江水系以外，航運(yùn)業(yè)最發(fā)達(dá)的水系。而以珠江為平臺(tái)，逐步發(fā)展起來的水路運(yùn)輸業(yè)及旅游業(yè)已成為了珠江三角城市群里重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。同時(shí)珠江水系的入海口毗鄰港澳，特別是珠江下游的廣東省，位置極其優(yōu)越。截至2016年底，廣州從事珠江水路旅游客運(yùn)的船舶共54艘，年度客流量已經(jīng)達(dá)到3 000萬人次左右，儼然已成為廣州城市風(fēng)采的經(jīng)典景觀。

目前珠江水系大部分游覽船的主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)采用常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，以此產(chǎn)生較大的噪聲、振動(dòng)、污染，大大影響了游客的舒適度，同時(shí)與兩岸現(xiàn)代化建筑極沿岸景觀及其不協(xié)調(diào)。為解決上述問題，本文研究的珠江380客位雙體客船的推進(jìn)系統(tǒng)采用交流電力推進(jìn)方式，具有配置靈活、操作性能好，振動(dòng)和噪聲小的特點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

珠江380客位雙體客船作為過江輪渡兼觀光游覽功能的一種新型游船，主要航行于珠江水系，其造型古典優(yōu)美，具有嶺南特色。

為滿足船舶航程較短、?？款l繁等諸多特點(diǎn)，同時(shí)通過對(duì)該船機(jī)槳匹配計(jì)算及電力負(fù)荷計(jì)算后，推進(jìn)系統(tǒng)采用交流電力推進(jìn)方式。在考慮船體線型的基礎(chǔ)上，在艉部設(shè)置2臺(tái)200 kW變頻推進(jìn)電機(jī)，同時(shí)在機(jī)艙設(shè)置3臺(tái)330 kW發(fā)電機(jī)組為其提供電力供應(yīng)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

該船電站總功率為990 kW，屬于低壓電網(wǎng)的容量范圍，因此可采用400 V低壓電力系統(tǒng)。主電站由3臺(tái)330 kW交流發(fā)電機(jī)組組成，正常工況下為2臺(tái)330 kW發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，也可以3臺(tái)并車連續(xù)運(yùn)行。主配電板作為該船電站的輸配電裝置，肩負(fù)著保護(hù)全船發(fā)電、輸電、配電任務(wù)，起到配備完善的電流、電壓、頻率異常保護(hù)作用。

該船主配電板通過配備PMS系統(tǒng)來控制和管理本船的電網(wǎng)。PMS系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)功率的需求合理配置整個(gè)電站系統(tǒng)，使整個(gè)電網(wǎng)在船舶任一工況下運(yùn)行的效率最高。當(dāng)PMS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到在網(wǎng)功率不足時(shí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組且能夠自動(dòng)同步、自動(dòng)合閘并車、自動(dòng)進(jìn)行負(fù)荷分配;同時(shí)當(dāng)監(jiān)測(cè)在網(wǎng)功率低于平均單臺(tái)發(fā)電機(jī)組功率35%時(shí)，能夠自動(dòng)解列、自動(dòng)延時(shí)150 s后停車。

2 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力推進(jìn)系統(tǒng)為該船提供動(dòng)力裝置，滿足船舶的所有航行工況。該船通過推進(jìn)電機(jī)連接齒輪箱和艉軸，與常規(guī)的主機(jī)直接推進(jìn)相比，縮短了傳動(dòng)軸的使用距離，降低了一定的機(jī)械損耗，從而提高了整體動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

該船電力推進(jìn)系統(tǒng)由2條推進(jìn)支路組成，每條推進(jìn)支路單線圖如圖2所示。每條推進(jìn)支路都由1臺(tái)三繞組整流推進(jìn)變壓器、1臺(tái)交直交推進(jìn)變頻器、1臺(tái)感應(yīng)式推進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。同時(shí)每條支路在設(shè)計(jì)時(shí)均匹配相應(yīng)的過流保護(hù)措施，以此來滿足船舶的快速響應(yīng)功能。由于變頻器的介入使得該船推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，船舶在加速過程中不會(huì)產(chǎn)生因換擋加速帶來的抖動(dòng)，更有利于提高船舶的舒適性。2條獨(dú)立的12脈沖整流支路在整個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)形成1個(gè)虛擬24脈沖整流回路，此方式保證了400 V電網(wǎng)THD諧波分量不大于5%。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖

圖2 支路推進(jìn)控制系統(tǒng)單線圖

推進(jìn)電機(jī)在調(diào)速傳動(dòng)時(shí)，變頻器根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性對(duì)供電電壓、電流、頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，不同的控制方式所得到的調(diào)速性能、特性以及用途是不同的。按系統(tǒng)調(diào)速規(guī)律來分，變頻調(diào)速主要有恒壓比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等4種結(jié)構(gòu)形式。該船采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)矢量控制變頻器作為主要調(diào)速系統(tǒng)，通過分解電動(dòng)機(jī)電流，并分別控制其轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量，使其性能接近于直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)對(duì)實(shí)船運(yùn)營(yíng)情況分析，該船與公司其他客船相比，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)比采用常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)效率至少提高6%。

3 諧波控制

推進(jìn)變頻器是該船推進(jìn)系統(tǒng)的核心裝置。該船變頻器采用脈寬調(diào)制型，整流器用二極管組成，逆變器用絕緣柵雙極晶體管組成，具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和快速運(yùn)算能力。

變頻器屬于非線性元件，在使用過程中會(huì)有諧波產(chǎn)生，這就使得變頻器輸入端和輸出端的電壓及電流在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生畸變，從而影響整個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行?！朵撡|(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》要求交流電氣設(shè)備應(yīng)能在供電電源的諧波成分不大于5%的情況下正常工作，所以應(yīng)采取相應(yīng)措施來降低諧波，使船舶具備良好的推進(jìn)效果。

通過計(jì)算，該船最終采用容量為250 kVA的三繞組強(qiáng)制風(fēng)冷整流變壓器，以匹配推進(jìn)變頻器的容量。然而，該船在設(shè)計(jì)初期采用虛擬12脈沖推進(jìn)方式，即每條推進(jìn)支路為獨(dú)立的6脈沖整流方式，且經(jīng)過計(jì)算各推進(jìn)工況下電壓總諧波也能夠滿足規(guī)范低于5%的要求。圖3為采用虛擬12脈沖整流推進(jìn)方式正常航行100%工況時(shí)電壓諧波計(jì)算分布圖和數(shù)值，圖4為采用虛擬24脈沖整流推進(jìn)方式正常航行100%工況時(shí)電壓諧波計(jì)算分布圖和數(shù)值。

圖3 虛擬12脈沖正常航行100%工況時(shí)電壓諧波分布圖

根據(jù)圖3可以得出:電壓諧波總畸變率(THD)為 2．747%。

圖4 虛擬24脈沖正常航行100%工況時(shí)電壓諧波分布圖

根據(jù)圖4可以得出:電壓諧波總畸變率(THD)為0．715%。

根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河游船建造規(guī)范》的要求，本船諧波電壓、電壓諧波總畸變率分別按式(1)和式(2)進(jìn)行計(jì)算。

諧波電壓含量UH定義為:

電壓諧波總畸變率THDu定義為:

式(1)～式(2)中:Un為第n次諧波電壓均方根值;U1為基波電壓均方根值。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出，雖然2種推進(jìn)方式的電壓諧波均滿足規(guī)范最低要求，但是在該船采用虛擬24脈沖整流推進(jìn)方式的電壓諧波分量遠(yuǎn)小于采用虛擬12脈沖整流推進(jìn)方式。在電源質(zhì)量上，12脈波變頻裝置相比于6脈沖變頻裝置具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快、諧波含量少、損耗降低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是所需電子元件數(shù)量大，6脈沖電路需要36個(gè)晶閘管，而12脈沖電路需要72個(gè)晶閘管，因而增加了成本。

由于該船航行于珠江航段，主要從事高端水上旅游業(yè)，船東對(duì)船舶的品質(zhì)、電源的品質(zhì)均要求較高，因此該船最終采用虛擬24脈沖推進(jìn)方式。

4 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全船重要設(shè)備的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由集控臺(tái)與采集柜組成。在集控室設(shè)有集控臺(tái)與采集柜，采集柜用于采集設(shè)備狀態(tài)參數(shù)與報(bào)警，集控臺(tái)用于實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、記錄等。監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)由Profibus DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，收集各分系統(tǒng)狀態(tài)和監(jiān)測(cè)參數(shù)。

該船綜合監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)是基于工業(yè)計(jì)算機(jī)、PLC控制器、工業(yè)以太網(wǎng)及Mod BusRTU現(xiàn)場(chǎng)總線的模塊化設(shè)計(jì)概念的系統(tǒng)。通過FMEA(故障模式分析FMA和故障影響分析FEA)，為了獲得更高的可靠性，工作站、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均采用雙冗余配置，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制箱自帶CPU完全獨(dú)立運(yùn)行而不依賴工作站。而推進(jìn)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保推進(jìn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并且將設(shè)備運(yùn)行信息顯示給操作人員。

5 結(jié)語

內(nèi)河航道與海洋航線相比，具有彎道較多、深淺不一、航道狹窄等特點(diǎn)，且珠江內(nèi)河航運(yùn)通常相對(duì)繁忙，需要不斷地避讓過往船舶，同時(shí)靠離碼頭也比較頻繁，因此，船舶采用電力推進(jìn)方式可以滿足運(yùn)營(yíng)要求。該雙體客船電力推進(jìn)方式具有機(jī)組配置靈活，操作性能、排放特性和經(jīng)濟(jì)性好，振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。隨著該船投入運(yùn)營(yíng)，必將給沿岸城市帶來良好的環(huán)境較高的和經(jīng)濟(jì)效益。

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