40 000 t自卸船電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

吳 帆,胡銀軍

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214433)

0 引言

40 000 t自卸船是為加拿大CSL公司自主研發(fā)設計制造的大湖型自卸船。為了運營過程中的節(jié)能提效,40 000 t自卸船電力系統(tǒng)設計中采用了大量的變頻設備。另外,船東對運行工況提出了一些個性化的要求,致使電網(wǎng)運行工況復雜,會出現(xiàn)4臺發(fā)電機并聯(lián)供電,以及主機、艏側(cè)推、艉側(cè)推、自卸系統(tǒng)同時運行的極端工況。因此,電網(wǎng)功率管理和功率限制自動控制是船舶電力系統(tǒng)設計過程中重點關(guān)注的問題之一。選擇合適的變頻器和諧波控制,可滿足船級社規(guī)范要求和船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

本文對40 000 t自卸船電力系統(tǒng)的特點、大功率艏艉側(cè)推的啟動方式、功率限制設定和諧波控制4個方面進行研究,通過對大功率艏、艉側(cè)推電壓降計算,選擇合適的啟動方式,以確保艏、艉側(cè)推的成功啟動,并減少對電網(wǎng)的沖擊。

1 電力系統(tǒng)主要特點

40 000 t自卸船電力系統(tǒng)主要特點如下:

(1)發(fā)電機裝機容量大。常規(guī)的82 000 t散貨船的發(fā)電機裝機容量為3×680 kW。本船裝有1臺軸帶發(fā)電機(額定功率1 300 kW),經(jīng)變頻器向主配電板供電;3臺1 850 kW柴油發(fā)電機直接給配電板供電。

(2)船舶運行工況多。本船電網(wǎng)運行工況復雜,主要包括下面14種工況:

工況1:海上航行帶壓載水處理;工況2:海上航行不帶壓載水處理;工況3:江口(河口)航行帶艏、艉側(cè)推;工況4:江口(河口)航行帶艏側(cè)推;工況5:江口(河口)航行帶艉側(cè)推;工況6:江口(河口)航行不帶艏、艉側(cè)推;工況7:進出港口帶艏、艉側(cè)推;工況8:進出港口帶艏側(cè)推;工況9:進出港口帶艉側(cè)推;工況10:進出港口不帶艏、艉側(cè)推;工況11:裝貨;工況12:自動卸貨不帶艏、艉側(cè)推;工況13:艏、艉側(cè)推80%額定功率和自卸系統(tǒng)50%功率下自動卸貨;工況14:艏、艉側(cè)推100%額定功率和自卸系統(tǒng)50%功率下自動卸貨。

(3)大功率變頻設備較多。本船自卸系統(tǒng)中2臺C-LOOP330 kW電動機、2臺縱向管弄185 kW電動機、4臺59 kW錨機電動機、2臺22 kW機艙風機、1臺160 kW脫硫系統(tǒng)海水泵電動機均應用變頻器,同時艏側(cè)推采用變頻控制。另外,為確保供給到主配電板電源頻率的穩(wěn)定,本船軸帶發(fā)電機并不是直接連到主配電板,而是經(jīng)變頻器后再連到主配電板供電。

2 艏艉側(cè)推啟動方式選擇

本船裝有大功率艏、艉側(cè)推各1臺。艏側(cè)推帶可調(diào)槳式,電動機額定功率為2 000 kW;艉側(cè)推帶可調(diào)槳式,電動機額定功率為1 500 kW。面對大功率的電動機,啟動方式的選擇對電網(wǎng)的安全和設備的運行影響很大。在電力負荷計算[1]的工況中,有4種情況需特別注意:

(1)運行工況3時,全船電網(wǎng)由1臺軸帶發(fā)電機和1臺柴油發(fā)電機供電,可提供3 150 kW功率。艏側(cè)推運行前的全船基本負荷(油泵、水泵、風機、照明等)為689.6 kW,2臺發(fā)電機還有剩余功率2 460.4 kW,即艏側(cè)推啟動前全船電網(wǎng)還有剩余功率2 460.4 kW。

(2)運行工況4時,全船電網(wǎng)由1臺軸帶發(fā)電機和1臺柴油發(fā)電機供電,可提供3 150 kW功率。艉側(cè)推運行前的全船基本負荷為579.9 kW,2臺發(fā)電機還有剩余功率2 570.1 kW,即艉側(cè)推啟動前全船電網(wǎng)還有剩余功率2 570.1 kW。

(3)運行工況8時,全船電網(wǎng)由1臺軸帶發(fā)電機和1臺柴油發(fā)電機供電,可提供3 150 kW功率。艏側(cè)推運行前的全船基本負荷(油泵、水泵、風機、照明等)為781.1 kW,2臺發(fā)電機還有剩余功率2 368.9 kW,即艏側(cè)推啟動前全船電網(wǎng)還有剩余功率2 368.9 kW。

(4)運行工況9時,全船電網(wǎng)由1臺軸帶發(fā)電機和1臺柴油發(fā)電機供電,可提供3 150 kW功率。艉側(cè)推運行前的全船基本負荷(油泵、水泵、風機、照明等)為672.9 kW,2臺發(fā)電機還有剩余功率2 477.1 kW,即艉側(cè)推啟動前全船電網(wǎng)還有剩余功率2 477.1 kW。

為了在剩余功率下實現(xiàn)艏、艉側(cè)推的順利啟動,根據(jù)規(guī)格書,艏、艉側(cè)推都采用自耦變壓器方式啟動[2]。根據(jù)側(cè)推廠家給出的自耦變壓器抽頭比為0.5,按下面公式計算:

計算結(jié)果見表1。從表中可以看出:運行工況3和工況8條件下,啟動壓降達12.99%;運行工況4和工況9條件下,啟動壓降達9.56%。本船入級DNV·GL,其規(guī)范要求電壓降不能超過15%[2]。12.99%已很接近規(guī)范限值,9.56%則離規(guī)范限值還有較多空間。據(jù)此計算結(jié)果,綜合考慮后,確定將艏側(cè)推改為變頻器啟動,艉側(cè)推仍然采用自耦變壓器啟動。實船試驗時,艏、艉側(cè)推在各種工況下均成功啟動,啟動電壓降均小于15%。

表1 艏、艉側(cè)推啟動電壓降計算結(jié)果

3 功率限制自動控制

以前建造或改裝的自卸船,自動卸貨工作要在船?？看a頭后才能進行,且自動卸貨時主機、側(cè)推都已停機。由于運營情況特殊性,本船會出現(xiàn)主機、艏側(cè)推、艉側(cè)推、自卸系統(tǒng)全部同時運行的工況,這樣電網(wǎng)需要3臺柴油發(fā)電機和1臺軸帶發(fā)電機全部并聯(lián)運行向電網(wǎng)供電。

當船舶處在工況13和工況14條件下時,電網(wǎng)(也即發(fā)電機)的負荷率分別達到78%和88%,并且已經(jīng)沒有任何備用發(fā)電機了。如果由于某種原因(比如船員操作不當?shù)?,使得艏、艉側(cè)推均以100%額定功率運行,自卸系統(tǒng)也以100%額定功率運行,那么4臺發(fā)電機均發(fā)生了過載,極可能某臺發(fā)電機主開關(guān)因過載保護而發(fā)生跳閘,導致剩下發(fā)電機嚴重過載,其主開關(guān)更快跳閘,全船很快失電。因此,為確保電網(wǎng)安全,需要對艏、艉側(cè)推和自卸系統(tǒng)運行時進行功率限制的自動控制,即根據(jù)電網(wǎng)實時剩余功率值,自動限制艏、艉側(cè)推和自卸系統(tǒng)的最大運行功率。

對于艏、艉側(cè)推的功率限制,主配電板中的功率管理系統(tǒng)會把電網(wǎng)實時剩余功率值(4～20 mA信號)輸出給艏、艉側(cè)推控制系統(tǒng),由艏、艉側(cè)推控制系統(tǒng)完成功率限制的自動控制。

控制邏輯按下面設定:

(1)當配電板剩余功率P>側(cè)推運行預設功率P1時,側(cè)推控制手柄可以正常控制。

(2)當側(cè)推運行預設功率P2<配電板剩余功率P<側(cè)推運行預設功率P1時,側(cè)推可以保持控制手柄位置或操縱手柄降速。

(3)當配電板剩余功率P<側(cè)推運行預設功率P2時,側(cè)推控制手柄降速。

有了此功率限制的自動控制,即使船員操作艏、艉側(cè)推控制手柄至100%額定功率運行位置,艏、艉側(cè)推并不會完全按照控制手柄發(fā)出的指令運行,而是會同時接收功率管理系統(tǒng)發(fā)來的電網(wǎng)實時剩余功率值,按照功率限制的控制邏輯進行控制。

對于自卸系統(tǒng),主配電板中的功率管理系統(tǒng)(PMS)會監(jiān)測電網(wǎng)實時剩余功率值和自卸系統(tǒng)實時運行功率值,對自卸系統(tǒng)進行功率限制的自動控制,其控制邏輯和艏、艉側(cè)推功率限制的自動控制邏輯相似。功率管理系統(tǒng)輸出一個無源觸點信號(常開觸點)給自卸系統(tǒng):當電網(wǎng)實時剩余功率值足夠時,此觸點保持常開狀態(tài),自卸系統(tǒng)按照船員操作貨控電腦發(fā)出的指令運行;當電網(wǎng)實時剩余功率值不夠時,此觸點閉合,自卸系統(tǒng)自動進行功率限制,將不按照貨控電腦發(fā)出的指令運行。這樣,電網(wǎng)(也即發(fā)電機)不再會發(fā)生過載情況,避免了全船失電的發(fā)生,確保了船舶安全。

4 電網(wǎng)諧波控制

4.1 變頻器的選擇

自卸系統(tǒng)的變頻設備功率很大。結(jié)合以往的自卸船建造經(jīng)驗,本船大功率自卸電動機、錨纜機電動機、脫硫海水泵電動機和長時間運行的風機均采用AFE變頻器。變頻設備功率較大,這樣相對來說諧波會小,不考慮采用加單獨濾波器的形式。如果加單獨濾波器,根據(jù)最新規(guī)范要求配電板上需要配有諧波監(jiān)測儀,這樣會增加安裝敷設、采購費用成本。電動艙蓋變頻設備功率較小,使用時間短,采用DFE變頻器。

設備的制造、安裝、變頻電纜的選擇、電纜的敷設工藝等也會影響諧波大小。建造過程中,應該嚴格按照變頻器廠家的電纜選型、敷設工藝、接線工藝的要求。如果最終總諧波、單次諧波超過船級社要求,常見的解決方式是增加單獨的濾波器(有源或者無源),同時配電板上需要配有諧波監(jiān)測儀。

4.2 電網(wǎng)諧波計算

當軸帶發(fā)電機在網(wǎng)時,分析發(fā)現(xiàn),在運行工況1、工況3、工況8、工況14條件下諧波畸變率高,其計算結(jié)果見表2。

表2 諧波計算(軸帶發(fā)電機在網(wǎng))

軸帶發(fā)電機不在網(wǎng)時,通過對電力負荷計算書中的各種工況對比分析后,得出靠泊運行工況12條件下,諧波值將是最大的。計算結(jié)果顯示,電網(wǎng)總諧波畸變率為2.11%,單次電網(wǎng)諧波畸變率<5%。

各工況下的電網(wǎng)諧波值均沒有超過DNV·GL規(guī)范的要求值(≤8%)。其中:軸帶發(fā)電機在網(wǎng)的各工況下,自動卸貨工況下的情況3時的電網(wǎng)諧波值最大;軸帶發(fā)電機不在網(wǎng)的各工況下,自動卸貨時的電網(wǎng)諧波值最大。在后續(xù)的系泊試驗、海上試航時對這2種情況下的電網(wǎng)諧波值進行了測量,測量結(jié)果均沒有超過DNV·GL規(guī)范的要求值[2]。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)船東對本船運行工況的個性化要求,結(jié)合電力負荷計算分析,選擇了合適的艏、艉側(cè)推的啟動方式,有效解決了大功率設備啟動對電網(wǎng)的影響問題。

(2)通過對艏、艉側(cè)推、自卸系統(tǒng)的功率限制自動控制,可以確保當電網(wǎng)功率有限時,大功率設備的有效運行。

(3)電力系統(tǒng)設計初期,就重點關(guān)注變頻設備的諧波控制問題,作了相關(guān)分析計算,并依據(jù)這些分析計算結(jié)果選擇合適的AFE型變頻器。最終成功解決了這一問題,確保了本船首制船的成功交付。此設計在國內(nèi)自卸船建造中尚屬首次。