王 鵬, 屠偉峰

(1.上海海事大學(xué),上海201306;2.上海市交通運(yùn)輸和港口管理局,上海200003)

0 前 言

20世紀(jì)80年代以來,隨著電力電子技術(shù)日新月異的變化,交流調(diào)速技術(shù)和交流電機(jī)技術(shù)取得了重大進(jìn)展。交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟,使得船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在機(jī)動(dòng)性、可靠性、運(yùn)行效率和推進(jìn)功率方面都有了突破性進(jìn)展,應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

本船是以電力推進(jìn)系統(tǒng)為推進(jìn)裝置的雙體型水面清掃工作船,主要用于在上海世博園區(qū)水域進(jìn)行環(huán)境保潔。船上裝備了封閉式自動(dòng)清潔打撈和儲(chǔ)存系統(tǒng),能夠在4.4 m作業(yè)寬度和0.5 m作業(yè)深度實(shí)現(xiàn)水面垃圾和水生植物的自動(dòng)清撈收集、儲(chǔ)存和裝運(yùn)。

本船作為水面清掃工作船,能夠滿足正常船舶航行和日常清掃作業(yè)的具體要求。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

電力推進(jìn)的形式可以分為3種:軸槳推進(jìn)、舵槳推進(jìn)(Z型推進(jìn))和吊艙式推進(jìn)。本船為內(nèi)河小船,采用的推進(jìn)方式為軸槳推進(jìn)。電力推進(jìn)系統(tǒng)由以下幾部分組成:螺旋槳、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、原動(dòng)機(jī)以及控制調(diào)節(jié)設(shè)備。

電力推進(jìn)具有機(jī)械噪聲大幅度下降、振動(dòng)減少、工作區(qū)整潔、減少廢氣排放、運(yùn)行可靠的優(yōu)秀性能。本船為環(huán)衛(wèi)清掃船,多數(shù)時(shí)候?yàn)楣ぷ鳡顟B(tài)即低速航行狀態(tài),此時(shí)單臺(tái)發(fā)電機(jī)組供電就可以滿足工作航速的需要。采用傳統(tǒng)的推進(jìn)方式,2臺(tái)柴油推進(jìn)主機(jī)均要運(yùn)行,同時(shí)輔機(jī)也需要運(yùn)行;而采用電力推進(jìn)則只需要1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組就可以滿足作業(yè)、推進(jìn)、生活、照明等負(fù)載的用電需要,這樣可以比傳統(tǒng)的推進(jìn)方式更節(jié)約油耗。

2 本船主要電氣系統(tǒng)

2.1 電站

選用船用柴油發(fā)電機(jī)組2臺(tái),每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)額定功率為140 k W。2臺(tái)發(fā)電機(jī)并車運(yùn)行,可供船舶全速航行,同時(shí)滿足全船的照明和生活用電。單臺(tái)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行,可供船舶低速航行,同時(shí)滿足全船的照明和生活用電。打撈作業(yè)系統(tǒng)在低速航行時(shí)進(jìn)行。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的新型水面清掃船主尺度與排水量估算,船舶設(shè)計(jì)航速與推進(jìn)功率的對(duì)照見表1。

表1 航速與推進(jìn)功率對(duì)照表

根據(jù)船舶航行情況、保潔作業(yè)工況和日常用電負(fù)荷,提供相應(yīng)航速下的推進(jìn)功率與全船用電所需功率,進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組合理配置(數(shù)量和組合)。通過負(fù)荷率分析,使各種工況下運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組保持相對(duì)較高的負(fù)荷率,達(dá)到較好的節(jié)能環(huán)保要求。提出優(yōu)化的船舶電站配置方案:按設(shè)計(jì)航速為10.5 kn計(jì),擬設(shè)置2套柴油發(fā)電機(jī)組成船舶主電站,每套機(jī)組功率為140 k W,柴油機(jī)裝置總功率280 k W,主電站的最大負(fù)荷率估算為85%。各種工況下柴油發(fā)電機(jī)的配置及電站負(fù)荷率估算分析見表2。

表2 電站負(fù)荷估算

圖1 無源濾波器結(jié)構(gòu)

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)

本船采用了施耐德6脈沖變頻器(ATV61HC13N4)來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(380 V,110 k W,1 500 r/min),作為推進(jìn)的動(dòng)力源。為減小變頻器諧波問題,使諧波畸變(THD)減小,滿足船級(jí)社的規(guī)范要求(THDU≤5%),選用了匹配的無源濾波器(VW3 A4 610),無源濾波器結(jié)構(gòu)見圖1。使用濾波器有效降低了諧波(THDU＜5%)。為了有效釋放電機(jī)制動(dòng)所產(chǎn)生的回饋能量,選用了45 k W制動(dòng)電阻。

圖2 電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

2.3 推進(jìn)控制

電力推進(jìn)操縱系統(tǒng)是在主機(jī)遙控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,為了適應(yīng)電力推進(jìn)船舶的要求和控制特點(diǎn)而研發(fā)的,本船的電力推進(jìn)系統(tǒng)示意見圖2。

本船的控制系統(tǒng),除具有正常的起動(dòng)、加速、減速、停機(jī)等控制功能外,還具有按工況進(jìn)行功率限制的功能。在電力推進(jìn)系統(tǒng)中變頻器及電動(dòng)機(jī)是船舶中最大的負(fù)載,因此,保證其不引起發(fā)電機(jī)過載或“全船失電”最壞情況的發(fā)生,是非常重要的。電力推進(jìn)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際的發(fā)電機(jī)容量限制推進(jìn)變頻器功率,它是由發(fā)電機(jī)斷路器斷開或閉合信號(hào),來控制推進(jìn)系統(tǒng)的功率的。當(dāng)2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)中,1臺(tái)發(fā)電機(jī)解列,PLC控制器會(huì)接受發(fā)電機(jī)斷路器的斷開信號(hào),限制推進(jìn)系統(tǒng)的功率,從而避免在網(wǎng)的發(fā)電機(jī)過載,斷路器跳閘而引起的“全船失電”事故。

功率限制功能是推進(jìn)控制系統(tǒng)不可缺少的一部分,其工作完全獨(dú)立于電站系統(tǒng)。無論是在就地模式還是在遠(yuǎn)程模式都是有效的。

例如,當(dāng)2臺(tái)發(fā)電機(jī)全速工作時(shí),1臺(tái)突然解列,電推PLC控制系統(tǒng)會(huì)同時(shí)向2臺(tái)變頻器發(fā)出減速指令,變頻器控制電動(dòng)機(jī)會(huì)在3 s內(nèi)從100%速度降低到最大40%,并可由控制手柄無級(jí)調(diào)速在0-40%范圍。

3 電力推進(jìn)系統(tǒng)與柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)比較

3.1 電力推進(jìn)系統(tǒng)與柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的配置比較

按照品牌相同、等級(jí)相近、規(guī)格類同的原則,電力推進(jìn)船舶與柴油機(jī)推進(jìn)船舶的動(dòng)力裝置及相關(guān)配置選用比較如表3所示。

表3 電力推進(jìn)與柴油機(jī)推進(jìn)配置比較

采用先進(jìn)的交流變頻電力推進(jìn)裝置配套齒輪箱驅(qū)動(dòng)螺旋槳的常規(guī)推進(jìn)方式,也可以確保良好的操縱性能。通過PLC可編程控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)2套交流變頻推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速。并通過常規(guī)的電液控制操舵裝置來實(shí)現(xiàn)船舶良好的操縱性能。

通常情況下,采用柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的船舶內(nèi),柴油機(jī)數(shù)量為4臺(tái),其中主機(jī)2臺(tái)(雙機(jī)船),船舶輔機(jī)2臺(tái)(互為備用),全船柴油機(jī)的總功率約為310 k W,采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶,柴油機(jī)數(shù)量可減少為2臺(tái)(2套發(fā)電機(jī)組,其中1套可應(yīng)急備用),全船柴油機(jī)的總功率約為310 kW。

相對(duì)于柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行配置比較,電力推進(jìn)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、變頻柜2只,制動(dòng)單元各2套,PLC控制單元1套和電站管理系統(tǒng)1套組成。同時(shí)還增加主配電板的負(fù)載屏和電線電纜的容量。

以電力推進(jìn)作為動(dòng)力裝置的新型水面清掃船,其機(jī)艙具有較高的自動(dòng)化程度,在正常情況下可以實(shí)現(xiàn)無人操作。此外,作為輔機(jī)使用的柴油機(jī)廢氣排放可以得到明顯改善,并且滿足國際海事組織(IMO)的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 電力推進(jìn)與柴油機(jī)燃油消耗的比較

新型水面清掃船以2種航行和作業(yè)匹配的工況條件作為基本的計(jì)算依據(jù),2種工況的界定如表4所示。

按照以上2種界定的工況,在每種工況條件下,對(duì)柴油機(jī)推進(jìn)方案和電力推進(jìn)方案分別進(jìn)行單位時(shí)間的燃油消耗估算,計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 電力推進(jìn)與柴油機(jī)推進(jìn)不同航行工況負(fù)荷表

表5 電力推進(jìn)與柴油機(jī)推進(jìn)燃油平均消耗比較

按照每天7 h(2 h全速航行、5 h低速作業(yè))作業(yè),每年300 d來考慮黃浦江景觀水域的清掃保潔。同時(shí)燃油以0號(hào)輕柴油為標(biāo)準(zhǔn),輕柴油的價(jià)格僅按4.62元/L計(jì)算。柴油機(jī)推進(jìn)方案和電力推進(jìn)方案燃油消耗的成本估算結(jié)果如表6所示。

表6 電力推進(jìn)與柴油機(jī)推進(jìn)燃油消耗成本比較

顯而易見,根據(jù)表5,表6的對(duì)比分析可知:電力推進(jìn)方案相對(duì)于柴油機(jī)推進(jìn)方案,可以節(jié)約大量燃油消耗。

4 結(jié) 語

通過對(duì)電力推進(jìn)清掃船與柴油機(jī)推進(jìn)清掃船的燃油消耗的比較,可以看到電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用,節(jié)省了燃油消耗,節(jié)約了運(yùn)營成本,實(shí)現(xiàn)了基本的節(jié)能減排。目前清掃船(見圖3)已經(jīng)在黃埔江水域進(jìn)行保潔作業(yè),運(yùn)行狀況良好。電力推進(jìn)裝置在內(nèi)河船舶上的應(yīng)用是一個(gè)逐步積累的過程,本次應(yīng)用在清掃船上,為今后電力推進(jìn)船舶在內(nèi)河的推廣應(yīng)用做了必要的技術(shù)儲(chǔ)備。電力推進(jìn)在節(jié)能減排上的作用也將日益得到體現(xiàn)。

圖3 應(yīng)用電力推進(jìn)裝置的清掃船照片

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