轴带发电机在二冲程主机上的发展介绍及应用

2019-08-31郝广君

造船技术 2019年4期

郝广君

(中船重工船舶设计研究中心有限公司，辽宁大连 116001)

0 引言

航运公司的日常成本包括运营费用和航行费用，航行费用包括燃油费用、过运河费用、引航和拖船费用等，其中最大的费用就是燃油费用[1]。为减少燃油消耗，需提高燃油单位效率，使用轴带发电机能很好地解决上述问题[2]，因此，轴带发电机的研究和应用受到了许多设备厂家、船厂和船舶所有人的重视。

1 轴带发电机在二冲程主机上的发展

早期四冲程发电机只能使用柴油，而二冲程主机可使用便宜的重油。随着油价上涨，航运期间燃油费用不断增加，一些厂家开始研究在二冲程主机上使用轴带发电机来发电，用来替代四冲程的柴油发电机，这样在船舶航行期间就可以关闭柴油发电机，用轴带发电机发电，航行期间只消耗重油，以节省航行成本。其间各发电机厂家开发了多种形式的轴带发电机，主要有齿轮常数比(Gear Constant Ratio， GCR)、恒频电源(Constant Frequency Electrical， CFE)和RENK公司的恒频(RENK Constant Frequency， RCF)装置[3]。轴带发电机可安装在主机中间轴或自由端，根据螺旋桨的形式，又分为定距桨(Fixed Pitch Propeller, FPP)和可调桨(Controllable Pitch Propeller， CPP)。下面详细介绍上述3种形式轴带发电机。

1.1 GCR轴带发电机系统

GCR系统是较简单和便宜的轴带发电机系统，包括同步发电机和增速齿轮箱。轴带发电机输出的电源频率与主机转速成比例关系，因此GCR轴带发电机一般用在恒定转速工况下，通常与CPP配合使用，这样可得到稳定的转速和电源频率，通常在航行工况下才使用轴带发电机，为船舶提供电力供应。然而主机即使在恒定的转速工况下工作，有时也会因为风浪等原因发生小的速度变化，从而导致轴带发电机发生速度和频率变化，在这种情况下轴带发电机不能长时间与主发电机并车运行[4]。

对于CPP船舶，可通过降低主机功率，减小螺距来降低航速，同时保证螺旋桨转速恒定不变。此时螺旋桨效率较低，如需使螺旋桨保持在较高的效率下工作，就需降低螺旋桨转速，但是如果降低螺旋桨转速，轴带发电机则不能正常工作，必须断开轴带发电机。为了避免断开轴带发电机，可安装一个比较贵的两级增速齿轮箱，这样当主机在2个恒定的转速工况下工作时，轴带发电机可输出相同频率的电源，螺旋桨也可在较高的效率下工作。

对于定距桨船舶，由于定距桨的转速随着船舶速度变化而变化，因此定距桨船舶轴带发电机的电源频率随着船速的变化而变化。大多数船用设备在50～60 Hz的范围内能正常工作，这意味着在主机功率在52%～90%的范围内，即主机转速对应为80%～96%，GCR轴带发电机可投入使用，在这种情况下轴带发电机绝大部分时间都可为船舶提供电力。但是，对频率变化敏感的设备，即需在定频下工作的设备，应在设备附近增加1台合适的变频器。

GCR轴带发电机实际使用比较多的形式如图1所示，即齿轮箱安装在中间轴上，带有CPP，发电机效率在92%左右。

图1 带有CPP的GCR轴带发电机

1.2 CFE轴带发电机系统

CFE系统由轴带发电机和变频装置组成，能在较大的主机转速变化范围内输出恒定频率的电源。在通常情况下，轴带发电机转速与螺旋桨转速一致，随着螺旋桨转速的变化，轴带发电机产生电源的频率也随之改变，电流通过变频器，产生恒定频率的电源。由于系统使用可控硅实现交流变直流，不能产生无功功率，因此需要同步器发出无功功率。

随着技术进步，出现另外一种船用轴带发电机系统，该系统带有两套脉宽调制变换器(Pulse Width Modulation， PWM)，使用空间矢量控制技术，变频器输出端可以保持恒定电压和频率。PWM系统可以提供有功功率和无功功率，安装简便，后期维护也简单。

CFE轴带发电机有2种安装方式：一种是装在主机前端的直接安装式发电机(Direct-Mounted Generator， DMG)形式；另一种是安装在中间轴上的抱轴式发电机(Shaft-Mounted Generator， SMG)形式。SMG解决方案(见图2)比DMG方案使用更频繁，这是由于 DMG的安装受主机尺寸和主机轴带机与舱壁之间的空间限制。通常，DMG和SMG形式的轴带发电机在主机转速的75%～105%范围内都可以输出额定电功率，在主机转速的40%～75%范围内则降功率工作，并且轴带发电机可以与定距桨配合使用，并能与主发电机并车运行。

图2 带有FPP的SMG轴带发电机

CFE形式轴带发电机的转速较低，为了达到工作频率的要求，低转速发电机需要更多的磁极，意味着CFE轴带发电机的尺寸比带增速齿轮箱发电机大很多。

1.3 RCF轴带发电机系统

RCF系统包括RCF速度控制行星齿轮箱和轴带发电机，该齿轮箱能够在主机转速35%的变化范围内输出稳定的转速，可以得到稳定电源频率，系统成熟稳定。在RENK公司标准版本中，齿轮箱设定在主机最大持续输出功率(Maximum Continuous Rating， MCR)转速的70%～105%范围内，在此范围内轴带发电机输出电源频率稳定，因此RCF可以用在定距桨上，并且能够与主发电机连续并车运行。

这一类型的轴带发电机实际使用比较多的形式如图3所示，即齿轮箱安装在主机自由端，轴带发电机安装在主机旁，带有FPP发电机的效率在88%～91%左右。

图3 带有FPP的RCF轴带发电机

2 轴带发电机电源特性及优缺点

2.1 电源特性

图4 轴带发电机电功率与主机转速关系

图5 轴带发电机电功率与主机功率关系

不同类型的轴带发电机其输出功率的范围是不一致的，最便宜的GCR轴带发电机与CPP配合使用，在额定转速情况以及一定的主机功率变化范围内，轴带发电机可正常运行，输出稳定电功率。如果船舶能够接受变化的频率，对于定距桨船舶来说，GCR系统也可以用于一定转速范围内的定距桨。目前有几个厂家能提供CFE方案轴带发电机，这些轴带发电机可与柴油发电机并车运行，在一个较大的主机功率和转速范围内发电。RCF方案轴带发电机也可提供恒定频率，并且可与柴油发电机并车运行，可以在一定的主机功率和螺旋桨转速范围内输出额定功率。以上所述3种轴带发电机输出电源功率与主机转速和功率的关系如图4和图5所示。2.2 优缺点

轴带发电机的优缺点如表1所示。

表1 轴带发电机的优缺点

3 SMG轴带发电机应用实例

中船重工船舶设计中心有限公司为西班牙船舶所有人ELCANO设计的120 000 t散货船采用SMG轴带发电机。船舶主机选用MAN B&W 6G60ME-C9.2 (Tier II)，其中推进最大持续输出功率(Propulsion Maximum Continuous Rating， PMCR)为11 939 kW ×81 r/min，持续服务功率(Continuous Service Rating， CSR)为10 148 kW × 76.7 r/min。轴带发电机采用德国SAM Electronics公司的抱轴式轴带发电机，该轴带发电机采用双PWM逆变技术， SAM公司在该技术上已有30多年的经验，产品较成熟。主要技术参数如表2所示。

表2 120 000 t散货船轴带发电机主要参数

该轴带发电机安装位置如图6所示，轴带发电机安装在主机中间轴线上，轴带发电机的转子直接安装在中间轴上，随着中间轴的转动而转动。轴带发电机系统的单线图[5]如图7所示，轴带发电机产生的电源频率随着主机转速的变化而变化，经二极管整流后送至轴带发电机的变频控制箱，再通过PWM逆变器等输出稳定的电源。为了防止中间直流电路电压过高，在直流电路部分加入集成过电压保护装置。

图6 轴带发电机安装位置图

图7 轴带发电机系统单线图

为了消除PWM逆变器产生的谐波，变频装置使用高频脉冲、脉宽调制和LCL线性滤波器，其输出波形的谐波满足船级社的要求，并且在逆变部分采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)逆变器。轴带发电机变频装置能输出比较理想的正弦电压波形，如图8所示。

图8 轴带发电机系统输出电压、电流和脉冲波形

该轴带发电机在主机转速s为61～81 r/min时，输出额定功率P为840 kW；在主机转速为52～61 r/min时，轴带发电机输出功率为400～840 kW；当主机转速低于52 r/min时，轴带发电机不能正常工作，需起动备用柴油发电机。轴带发电机的功率如下：

当s<52 r/min时，P=0 kW，无法正常工作；

当52 r/min

当s≥61 r/min时，P=840 kW。

为了轴带发电机系统的安全，SAM规定轴带发电机的负荷只能为最大功率的90%。功率与主机转速之间的关系如图9所示。为了使轴带发电机、电站管理系统(Power Management System， PMS)和主机遥控系统之间快速配合，图9的功率曲线需集成至PMS中，PMS需读取主机在各转速下的功率设定值，这是因为如果主机转速低于61 r/min，新的转速设定值在降功率范围内(52 r/min