40 000 t自卸船电力系统关键技术研究

吴 帆,胡银军

(中船澄西船舶修造有限公司,江苏 江阴 214433)

0 引言

40 000 t自卸船是为加拿大CSL公司自主研发设计制造的大湖型自卸船。为了运营过程中的节能提效,40 000 t自卸船电力系统设计中采用了大量的变频设备。另外,船东对运行工况提出了一些个性化的要求,致使电网运行工况复杂,会出现4台发电机并联供电,以及主机、艏侧推、艉侧推、自卸系统同时运行的极端工况。因此,电网功率管理和功率限制自动控制是船舶电力系统设计过程中重点关注的问题之一。选择合适的变频器和谐波控制,可满足船级社规范要求和船舶电网的稳定运行。

本文对40 000 t自卸船电力系统的特点、大功率艏艉侧推的启动方式、功率限制设定和谐波控制4个方面进行研究,通过对大功率艏、艉侧推电压降计算,选择合适的启动方式,以确保艏、艉侧推的成功启动,并减少对电网的冲击。

1 电力系统主要特点

40 000 t自卸船电力系统主要特点如下:

(1)发电机装机容量大。常规的82 000 t散货船的发电机装机容量为3×680 kW。本船装有1台轴带发电机(额定功率1 300 kW),经变频器向主配电板供电;3台1 850 kW柴油发电机直接给配电板供电。

(2)船舶运行工况多。本船电网运行工况复杂,主要包括下面14种工况:

工况1:海上航行带压载水处理;工况2:海上航行不带压载水处理;工况3:江口(河口)航行带艏、艉侧推;工况4:江口(河口)航行带艏侧推;工况5:江口(河口)航行带艉侧推;工况6:江口(河口)航行不带艏、艉侧推;工况7:进出港口带艏、艉侧推;工况8:进出港口带艏侧推;工况9:进出港口带艉侧推;工况10:进出港口不带艏、艉侧推;工况11:装货;工况12:自动卸货不带艏、艉侧推;工况13:艏、艉侧推80%额定功率和自卸系统50%功率下自动卸货;工况14:艏、艉侧推100%额定功率和自卸系统50%功率下自动卸货。

(3)大功率变频设备较多。本船自卸系统中2台C-LOOP330 kW电动机、2台纵向管弄185 kW电动机、4台59 kW锚机电动机、2台22 kW机舱风机、1台160 kW脱硫系统海水泵电动机均应用变频器,同时艏侧推采用变频控制。另外,为确保供给到主配电板电源频率的稳定,本船轴带发电机并不是直接连到主配电板,而是经变频器后再连到主配电板供电。

2 艏艉侧推启动方式选择

本船装有大功率艏、艉侧推各1台。艏侧推带可调桨式,电动机额定功率为2 000 kW;艉侧推带可调桨式,电动机额定功率为1 500 kW。面对大功率的电动机,启动方式的选择对电网的安全和设备的运行影响很大。在电力负荷计算[1]的工况中,有4种情况需特别注意:

(1)运行工况3时,全船电网由1台轴带发电机和1台柴油发电机供电,可提供3 150 kW功率。艏侧推运行前的全船基本负荷(油泵、水泵、风机、照明等)为689.6 kW,2台发电机还有剩余功率2 460.4 kW,即艏侧推启动前全船电网还有剩余功率2 460.4 kW。

(2)运行工况4时,全船电网由1台轴带发电机和1台柴油发电机供电,可提供3 150 kW功率。艉侧推运行前的全船基本负荷为579.9 kW,2台发电机还有剩余功率2 570.1 kW,即艉侧推启动前全船电网还有剩余功率2 570.1 kW。

(3)运行工况8时,全船电网由1台轴带发电机和1台柴油发电机供电,可提供3 150 kW功率。艏侧推运行前的全船基本负荷(油泵、水泵、风机、照明等)为781.1 kW,2台发电机还有剩余功率2 368.9 kW,即艏侧推启动前全船电网还有剩余功率2 368.9 kW。

(4)运行工况9时,全船电网由1台轴带发电机和1台柴油发电机供电,可提供3 150 kW功率。艉侧推运行前的全船基本负荷(油泵、水泵、风机、照明等)为672.9 kW,2台发电机还有剩余功率2 477.1 kW,即艉侧推启动前全船电网还有剩余功率2 477.1 kW。

为了在剩余功率下实现艏、艉侧推的顺利启动,根据规格书,艏、艉侧推都采用自耦变压器方式启动[2]。根据侧推厂家给出的自耦变压器抽头比为0.5,按下面公式计算:

计算结果见表1。从表中可以看出:运行工况3和工况8条件下,启动压降达12.99%;运行工况4和工况9条件下,启动压降达9.56%。本船入级DNV·GL,其规范要求电压降不能超过15%[2]。12.99%已很接近规范限值,9.56%则离规范限值还有较多空间。据此计算结果,综合考虑后,确定将艏侧推改为变频器启动,艉侧推仍然采用自耦变压器启动。实船试验时,艏、艉侧推在各种工况下均成功启动,启动电压降均小于15%。

表1 艏、艉侧推启动电压降计算结果

3 功率限制自动控制

以前建造或改装的自卸船,自动卸货工作要在船停靠码头后才能进行,且自动卸货时主机、侧推都已停机。由于运营情况特殊性,本船会出现主机、艏侧推、艉侧推、自卸系统全部同时运行的工况,这样电网需要3台柴油发电机和1台轴带发电机全部并联运行向电网供电。

当船舶处在工况13和工况14条件下时,电网(也即发电机)的负荷率分别达到78%和88%,并且已经没有任何备用发电机了。如果由于某种原因(比如船员操作不当等),使得艏、艉侧推均以100%额定功率运行,自卸系统也以100%额定功率运行,那么4台发电机均发生了过载,极可能某台发电机主开关因过载保护而发生跳闸,导致剩下发电机严重过载,其主开关更快跳闸,全船很快失电。因此,为确保电网安全,需要对艏、艉侧推和自卸系统运行时进行功率限制的自动控制,即根据电网实时剩余功率值,自动限制艏、艉侧推和自卸系统的最大运行功率。

对于艏、艉侧推的功率限制,主配电板中的功率管理系统会把电网实时剩余功率值(4～20 mA信号)输出给艏、艉侧推控制系统,由艏、艉侧推控制系统完成功率限制的自动控制。

控制逻辑按下面设定:

(1)当配电板剩余功率P>侧推运行预设功率P1时,侧推控制手柄可以正常控制。

(2)当侧推运行预设功率P2<配电板剩余功率P<侧推运行预设功率P1时,侧推可以保持控制手柄位置或操纵手柄降速。

(3)当配电板剩余功率P<侧推运行预设功率P2时,侧推控制手柄降速。

有了此功率限制的自动控制,即使船员操作艏、艉侧推控制手柄至100%额定功率运行位置,艏、艉侧推并不会完全按照控制手柄发出的指令运行,而是会同时接收功率管理系统发来的电网实时剩余功率值,按照功率限制的控制逻辑进行控制。

对于自卸系统,主配电板中的功率管理系统(PMS)会监测电网实时剩余功率值和自卸系统实时运行功率值,对自卸系统进行功率限制的自动控制,其控制逻辑和艏、艉侧推功率限制的自动控制逻辑相似。功率管理系统输出一个无源触点信号(常开触点)给自卸系统:当电网实时剩余功率值足够时,此触点保持常开状态,自卸系统按照船员操作货控电脑发出的指令运行;当电网实时剩余功率值不够时,此触点闭合,自卸系统自动进行功率限制,将不按照货控电脑发出的指令运行。这样,电网(也即发电机)不再会发生过载情况,避免了全船失电的发生,确保了船舶安全。

4 电网谐波控制

4.1 变频器的选择

自卸系统的变频设备功率很大。结合以往的自卸船建造经验,本船大功率自卸电动机、锚缆机电动机、脱硫海水泵电动机和长时间运行的风机均采用AFE变频器。变频设备功率较大,这样相对来说谐波会小,不考虑采用加单独滤波器的形式。如果加单独滤波器,根据最新规范要求配电板上需要配有谐波监测仪,这样会增加安装敷设、采购费用成本。电动舱盖变频设备功率较小,使用时间短,采用DFE变频器。

设备的制造、安装、变频电缆的选择、电缆的敷设工艺等也会影响谐波大小。建造过程中,应该严格按照变频器厂家的电缆选型、敷设工艺、接线工艺的要求。如果最终总谐波、单次谐波超过船级社要求,常见的解决方式是增加单独的滤波器(有源或者无源),同时配电板上需要配有谐波监测仪。

4.2 电网谐波计算

当轴带发电机在网时,分析发现,在运行工况1、工况3、工况8、工况14条件下谐波畸变率高,其计算结果见表2。

表2 谐波计算(轴带发电机在网)

轴带发电机不在网时,通过对电力负荷计算书中的各种工况对比分析后,得出靠泊运行工况12条件下,谐波值将是最大的。计算结果显示,电网总谐波畸变率为2.11%,单次电网谐波畸变率<5%。

各工况下的电网谐波值均没有超过DNV·GL规范的要求值(≤8%)。其中:轴带发电机在网的各工况下,自动卸货工况下的情况3时的电网谐波值最大;轴带发电机不在网的各工况下,自动卸货时的电网谐波值最大。在后续的系泊试验、海上试航时对这2种情况下的电网谐波值进行了测量,测量结果均没有超过DNV·GL规范的要求值[2]。

5 结论

(1)根据船东对本船运行工况的个性化要求,结合电力负荷计算分析,选择了合适的艏、艉侧推的启动方式,有效解决了大功率设备启动对电网的影响问题。

(2)通过对艏、艉侧推、自卸系统的功率限制自动控制,可以确保当电网功率有限时,大功率设备的有效运行。

(3)电力系统设计初期,就重点关注变频设备的谐波控制问题,作了相关分析计算,并依据这些分析计算结果选择合适的AFE型变频器。最终成功解决了这一问题,确保了本船首制船的成功交付。此设计在国内自卸船建造中尚属首次。