内河船舶电力推进系统的设计要点

2017-09-20文光澄

船电技术 2017年5期

关键词：内河发电机组变频器

文光澄

内河船舶电力推进系统的设计要点

文光澄

(重庆市西海船舶技术咨询有限公司，重庆400023)

在当前技术发展条件下，结合内河船舶规范的有关要求，综合分析电力推进船舶各个系统在设计时应注意的要点。

内河船舶电力推进设计

0 引言

近年来，随着变频技术、PLC、工控机、工业总线、计算机网络等的发展及其成熟应用，采用交流电力系统+交直交变频+交流异步鼠笼电动机的电力推进技术由于具有投资成本、使用成本、运行稳定性、性能、技术成熟度、设备体积、维护便捷等诸多优势，逐渐成为船舶电力推进的主流应用，不久前本人设计的某内河起重救助船舶采用这种模式达到了较好的效果，在操纵反应的灵敏灵活性、可靠性、机舱的简节性、综合成本等均优于传统的柴油机直接推进模式，本文以这种模式为基础探讨电力推进技术在内河船舶上的设计要点，以供同仁参考。

1 电力推进的优点

1）操控良好：推进控制系统采用PLC＋变频器＋电动机，具有正反转切换快速便捷，调速控制精准，制动迅速，恒转矩，操控反应灵敏可靠等优势。采用全回转舵桨或吊舱推进系统，船舶推进及转向灵活精准，适用于特种作业船舶。

2）安全性：电气设备的故障率相对较低，采用冗余设计，提高了安全性。

3）节省空间，布置方便：由于没有复杂的主机、齿轮箱、轴系，燃油和滑油管系，以及其它辅助系统，可以节省较大的空间。各系统采用电气连接，方便调整布置。

4）噪声及震动低：发电机组可以安装在弹性底座上，各设备与船体无直接的硬连接，减少了震动及噪声的传递，改善了乘客和船员的舒适性。

5）污染小：发电机组一直中速运行，转速变化不大，废气排放更加环保。

6）综合成本低：发电机组可以根据负荷情况增减，且发动机一直处于高速、高效的经济运行工况；对于起重、工程船以及自备装卸设备的船舶来说，采用电力推进并不需要增加发电机的数量，仅仅功率略有增加，但省去主机和齿轮箱等能带来10～20%的综合成本优势。

7）维护成本低：电气系统维护简便，故障率低，滑油、备件的消耗减少，船员的维护工作量减少，很容易实现一人或无人机舱，后期成本优势明显，尤其是发达国家非常看重这方面带来的经济效益。

2 电力推进的缺点

1) 首次投资成本略高：对于游船、不需进行施工或装卸作业船舶来说，在推进系统上的整体成本大约比柴油机直接推进高20-30%。

2) 效率略低：经发电机、变压器、变频器、电机等多个层次的传递，在满负荷时比柴油机＋齿轮箱的传动效率低大约7%。

3) 电网的谐波干扰：虽然采取了一些措施来降低谐波，但是电网的谐波干扰仍然比普通船舶复杂，需要对此进行特别处理。

3 各型船舶的适用性

1) 航道工程船、起重船、需要自己装卸作业的液货船：由于航行时负荷主要供给推进系统，而作业时推进系统负荷较低或者为零，作业或装卸货设备负荷最高，可以确保电力系统在任何时候都可以得到很高的利用率。

2) 消防船、救助船、特种工程船：这类船舶要求操纵灵活性、定位精问候准，采用电力吊舱式或全回转电力推进可以更好地满足这类船舶的操控要求，相比传统的一些技术解决方案，在安全可靠性、技术复杂性、设备的利用效率、维护的简捷性、投资成本等都有较大的优势。

3) 游轮：期望提供给乘客更好的舒适性和安全性。

4 电站电网的设计

4.1内河三相交流变频推进系统典型单线图

图1 内河三相交流变频推进系统典型单线图

4.2 发电机组数量及电压的选择

根据现行《钢质内河船舶建造规范》第八篇第二章“电力推进船舶的附加要求”（如无特殊说明，后文简称“内规”均为本规范附加要求中的相关条款）第2.2.1.3(2)条，最少应配备两台发电机组才能满足该条款的要求。其中需要注意的是关于满足“一台发电机不工作时仍能维持有效的推进”，这种情况下船舶的航速不低于7 kN或设计航速的一半（取两者最大值），结合船舶的大小、经济性、利用率、可靠性等方面考虑，普遍配备3-4台，3相，AC400 V的发电机组。内河船普遍较小，适合采用AC400 V低压电力系统，总体成本不高。如果推进负荷较大，可以考虑采用中压设备，从而减小设备体积和电缆线径。

4.3电站的设计与电力系统的保护

由于电力推进船舶电站功率普遍较大，担负着全船的控制、通信、推进、动力、照明等多种设备的电能供应，对船舶的航行安全具有决定性的作用，电站供电的连续性、可靠性是电推船舶的设计重点，因而设计时应注意各个系统的冗余，如发电机组、汇流排、推进系统、照明变压器等均为两套或以上，互为备用，避免局部故障导致全船电力系统瘫痪的风险。

根据“内规”2.2.2条的要求，采用公共电站，应设置功率管理系统。考虑到非公共电站会降低电力推进的某些优势，电力推进的船舶普遍采用公共电站，因此自动电站系统是必备的功能。自动化电站管理系统可以提供可靠的功率管理(如自动卸载、备用机组自起动、自动并车、功率分配、逆功率等)、电压过高或欠压、频率过高或过低、短路、过载、缺相、漏电保护等多种保护，提高了船舶电力系统的生命力。

如果是急流航段或者主发电机总容量超过500 kVA时，还应注意主汇流排的分段要求，重要负荷在分段汇流排上合理分布。并结合短路电流的计算结果，进行协调性保护分析，合理选择和整定断路器。特别应注意避免局部的短路故障，由于协调性保护不合理导致全船失电的严重故障，因此当发生较为严重的短路故障时，汇流排联络开关应当迅速优先分断，。

在实际应用中，当一台在网发电机组因故障停机时，将瞬间拉低整个电网的电压，导致所有发电机主开关、联络开关、推进电机主开关保护性跳闸，只有联络开关快速优先断开，才能保证其余电网及推进系统的稳定运行，保障船舶安全。

4.4谐波的抑制

过高的谐波对船舶电力、电气控制、通信等多个系统的稳定性、能源损耗、设备及电缆的使用寿命具有较大的危害，规范对此非常重视，根据《内规》2.2.3条的要求，电推船舶电力系统各处总谐波失真不超过5%。

在设计时通过计算判断谐波的严重程度，综合考虑费效比、设备体积等因素，选用用12脉冲或(虚拟)24脉冲变频器、有源或无源滤波技术、交流或直流电抗器，优质变频器在输入输出端进行了滤波处理，以及使用IGBT整流桥，可以有效降低总谐波畸变率。

5 推进装置

目前常用的有吊舱式、Z推、传统轴系螺旋桨推进，需要综合考虑操纵灵活性要求、安装布置、推进功率、投资成本等进行选择。

5.1推进电机及变频器

就成本、技术性能、体积、故障率、维护而言，采用交流异步鼠笼式变频电机，配用交直交变频器闭环控制，是当前比较理想的一种模式，相比其它类型的电动机和变频器，具有成本低、故障率低、效率高、操纵性好、可靠性高，缺点是谐波畸变比较严重。

考虑到电机及变频器均为长期运行，应特别注意散热，特别是变频器的安装环境应当干燥、通风、震动小，并远离热源。应采取主动散热的措施，必要时采用水冷或增设空调。

5.2推进控制与监测报警系统的设计

1) 推进控制：现在的变频器和PLC均具有强大而高速的数字控制、运算、通讯功能，主控制系统采用以太网或工业总线，布线简便，能够可靠、快速地在驾驶室、集控室、机舱之间传输多种多样的开关量、模拟量信号。各终端采用触摸屏或计算机显示器，逼真的三维图形显示技术可以完美地向驾驶、轮机人员实时提供重要的船舶发电机组、电站、推进系统、监测报警系统等综合信息。

2) 监测报警：规范对电力推进船舶机舱监测报警系统有复杂而严格的要求，报警、显示和自动停车项目较多，有些项目不是厂家标配提供，比如绕组温度传感器，制造时如果没有安装后期是无法补救的，为了保证可靠往往在制造时还会埋入一套备用传感器。

3) 独立、可靠性：电站管理系统、主推进控制系统、应急操作系统、监测报警系统、车钟通信、语音通信等各个系统均能够独立工作，互不干涉，以保证各个系统的生命力。就地控制应设计为最高优先级别，且不受其他控制处所故障的影响。