电力推进装置在清扫船上的应用

2010-11-10屠伟峰

上海船舶运输科学研究所学报 2010年1期

关键词：全船航行柴油机

王鹏, 屠伟峰

(1.上海海事大学,上海201306;2.上海市交通运输和港口管理局,上海200003)

0 前言

20世纪80年代以来,随着电力电子技术日新月异的变化,交流调速技术和交流电机技术取得了重大进展。交流电机的变频调速技术日益成熟,使得船舶电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率和推进功率方面都有了突破性进展,应用范围不断扩大。

本船是以电力推进系统为推进装置的双体型水面清扫工作船,主要用于在上海世博园区水域进行环境保洁。船上装备了封闭式自动清洁打捞和储存系统,能够在4.4 m作业宽度和0.5 m作业深度实现水面垃圾和水生植物的自动清捞收集、储存和装运。

本船作为水面清扫工作船,能够满足正常船舶航行和日常清扫作业的具体要求。

1 电力推进系统的优势

电力推进的形式可以分为3种:轴桨推进、舵桨推进(Z型推进)和吊舱式推进。本船为内河小船,采用的推进方式为轴桨推进。电力推进系统由以下几部分组成:螺旋桨、电动机、发电机、原动机以及控制调节设备。

电力推进具有机械噪声大幅度下降、振动减少、工作区整洁、减少废气排放、运行可靠的优秀性能。本船为环卫清扫船,多数时候为工作状态即低速航行状态,此时单台发电机组供电就可以满足工作航速的需要。采用传统的推进方式,2台柴油推进主机均要运行,同时辅机也需要运行;而采用电力推进则只需要1台柴油发电机组就可以满足作业、推进、生活、照明等负载的用电需要,这样可以比传统的推进方式更节约油耗。

2 本船主要电气系统

2.1 电站

选用船用柴油发电机组2台,每台柴油发电机额定功率为140 k W。2台发电机并车运行,可供船舶全速航行,同时满足全船的照明和生活用电。单台发电机组运行,可供船舶低速航行,同时满足全船的照明和生活用电。打捞作业系统在低速航行时进行。

根据所设计的新型水面清扫船主尺度与排水量估算,船舶设计航速与推进功率的对照见表1。

表1 航速与推进功率对照表

根据船舶航行情况、保洁作业工况和日常用电负荷,提供相应航速下的推进功率与全船用电所需功率,进行柴油发电机组合理配置(数量和组合)。通过负荷率分析,使各种工况下运行的柴油发电机组保持相对较高的负荷率,达到较好的节能环保要求。提出优化的船舶电站配置方案:按设计航速为10.5 kn计,拟设置2套柴油发电机组成船舶主电站,每套机组功率为140 k W,柴油机装置总功率280 k W,主电站的最大负荷率估算为85%。各种工况下柴油发电机的配置及电站负荷率估算分析见表2。

表2 电站负荷估算

图1 无源滤波器结构

2.2 推进系统

本船采用了施耐德6脉冲变频器(ATV61HC13N4)来驱动电动机(380 V,110 k W,1 500 r/min),作为推进的动力源。为减小变频器谐波问题,使谐波畸变(THD)减小,满足船级社的规范要求(THDU≤5%),选用了匹配的无源滤波器(VW3 A4 610),无源滤波器结构见图1。使用滤波器有效降低了谐波(THDU＜5%)。为了有效释放电机制动所产生的回馈能量,选用了45 k W制动电阻。

图2 电力推进系统示意图

2.3 推进控制

电力推进操纵系统是在主机遥控系统的基础上,为了适应电力推进船舶的要求和控制特点而研发的,本船的电力推进系统示意见图2。

本船的控制系统,除具有正常的起动、加速、减速、停机等控制功能外,还具有按工况进行功率限制的功能。在电力推进系统中变频器及电动机是船舶中最大的负载,因此,保证其不引起发电机过载或“全船失电”最坏情况的发生,是非常重要的。电力推进控制系统会根据实际的发电机容量限制推进变频器功率,它是由发电机断路器断开或闭合信号,来控制推进系统的功率的。当2台并联运行的发电机中,1台发电机解列,PLC控制器会接受发电机断路器的断开信号,限制推进系统的功率,从而避免在网的发电机过载,断路器跳闸而引起的“全船失电”事故。

功率限制功能是推进控制系统不可缺少的一部分,其工作完全独立于电站系统。无论是在就地模式还是在远程模式都是有效的。

例如,当2台发电机全速工作时,1台突然解列,电推PLC控制系统会同时向2台变频器发出减速指令,变频器控制电动机会在3 s内从100%速度降低到最大40%,并可由控制手柄无级调速在0-40%范围。

3 电力推进系统与柴油机推进系统比较

3.1 电力推进系统与柴油机推进系统的配置比较

按照品牌相同、等级相近、规格类同的原则,电力推进船舶与柴油机推进船舶的动力装置及相关配置选用比较如表3所示。

表3 电力推进与柴油机推进配置比较

采用先进的交流变频电力推进装置配套齿轮箱驱动螺旋桨的常规推进方式,也可以确保良好的操纵性能。通过PLC可编程控制,实现对2套交流变频推进电动机的无级调速。并通过常规的电液控制操舵装置来实现船舶良好的操纵性能。

通常情况下,采用柴油机推进系统的船舶内,柴油机数量为4台,其中主机2台(双机船),船舶辅机2台(互为备用),全船柴油机的总功率约为310 k W,采用电力推进系统的船舶,柴油机数量可减少为2台(2套发电机组,其中1套可应急备用),全船柴油机的总功率约为310 kW。

相对于柴油机推进系统进行配置比较,电力推进系统由电动机、变频柜2只,制动单元各2套,PLC控制单元1套和电站管理系统1套组成。同时还增加主配电板的负载屏和电线电缆的容量。

以电力推进作为动力装置的新型水面清扫船,其机舱具有较高的自动化程度,在正常情况下可以实现无人操作。此外,作为辅机使用的柴油机废气排放可以得到明显改善,并且满足国际海事组织(IMO)的废气排放标准。

3.2 电力推进与柴油机燃油消耗的比较

新型水面清扫船以2种航行和作业匹配的工况条件作为基本的计算依据,2种工况的界定如表4所示。

按照以上2种界定的工况,在每种工况条件下,对柴油机推进方案和电力推进方案分别进行单位时间的燃油消耗估算,计算结果见表5。

表4 电力推进与柴油机推进不同航行工况负荷表

表5 电力推进与柴油机推进燃油平均消耗比较

按照每天7 h(2 h全速航行、5 h低速作业)作业,每年300 d来考虑黄浦江景观水域的清扫保洁。同时燃油以0号轻柴油为标准,轻柴油的价格仅按4.62元/L计算。柴油机推进方案和电力推进方案燃油消耗的成本估算结果如表6所示。

表6 电力推进与柴油机推进燃油消耗成本比较

显而易见,根据表5,表6的对比分析可知:电力推进方案相对于柴油机推进方案,可以节约大量燃油消耗。

4 结语

通过对电力推进清扫船与柴油机推进清扫船的燃油消耗的比较,可以看到电力推进系统的应用,节省了燃油消耗,节约了运营成本,实现了基本的节能减排。目前清扫船(见图3)已经在黄埔江水域进行保洁作业,运行状况良好。电力推进装置在内河船舶上的应用是一个逐步积累的过程,本次应用在清扫船上,为今后电力推进船舶在内河的推广应用做了必要的技术储备。电力推进在节能减排上的作用也将日益得到体现。