孫瀚文

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400)

改裝船增設(shè)大功率電動(dòng)機(jī)對(duì)船舶電站容量的影響

孫瀚文

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400)

船舶電力負(fù)荷計(jì)算是選擇船舶電站容量的依據(jù)，但大功率電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生很大的影響，必須對(duì)電站容量進(jìn)行驗(yàn)算。文章結(jié)合本公司74 000 DWT系列自卸改裝船項(xiàng)目、使用啟動(dòng)電壓降法和瞬時(shí)啟動(dòng)電流法來(lái)驗(yàn)算船舶電站容量，對(duì)今后船舶改裝時(shí)電站容量的選擇或大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的選擇有重要借鑒意義。

船舶電站容量；瞬態(tài)電壓降；瞬時(shí)啟動(dòng)電流

在改裝船項(xiàng)目中，經(jīng)常會(huì)遇到船東要求更換船舶電站，或在原電站的基礎(chǔ)上增加艏側(cè)推等大功率電機(jī)的改裝任務(wù)。遇到這種情況，船廠一般都會(huì)依據(jù)設(shè)計(jì)院的《電力負(fù)荷計(jì)算書》來(lái)進(jìn)行發(fā)電機(jī)容量與電力負(fù)荷的對(duì)比。但是，僅考慮發(fā)電機(jī)功率是不完整的，電站容量還必須依據(jù)側(cè)推電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓降和啟動(dòng)電流重新進(jìn)行驗(yàn)算，避免因電站容量偏小而造成側(cè)推電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗，使船廠蒙受損失。

筆者結(jié)合自身實(shí)踐，并以74 000 DWT系列自卸改裝船為實(shí)例，介紹在電力負(fù)荷計(jì)算的基礎(chǔ)上，同時(shí)使用瞬時(shí)電流法和電壓降法來(lái)驗(yàn)算船舶電站容量的步驟。

1 船舶電站容量的選擇

1.1 電力負(fù)荷計(jì)算

電力負(fù)荷計(jì)算是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作，這是因?yàn)槿秒娫O(shè)備的實(shí)際負(fù)載和具體使用工況受多種因素影響，且部分?jǐn)?shù)據(jù)需根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)獲得，難以準(zhǔn)確地定量計(jì)算。對(duì)于改裝船項(xiàng)目，可在原電力負(fù)荷計(jì)算書的基礎(chǔ)上，加入新增負(fù)荷并選取合適的系數(shù)，來(lái)獲得完整的電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。

在進(jìn)行電力負(fù)荷計(jì)算時(shí)，通常要考慮船舶運(yùn)行工況，大致可分為：海上航行、進(jìn)出港、停泊、裝/卸貨、應(yīng)急工況。分別把新增負(fù)荷加入到計(jì)算書中，如果是更換電站的改裝，必須更新計(jì)算書中發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)。

以下為74 000 DWT自卸改裝船的相關(guān)參數(shù)。

1)發(fā)電機(jī)。型號(hào)，1FC5 556-8TA83；數(shù)量，3臺(tái)；功率及電制，900 kW AC440 V 60 Hz；額定電流，1 443 A。

2)艏側(cè)推電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)。型號(hào)，ARN630d-6；功率及電制，1 500 kW，AC440 V 60 Hz；額定電流，2 365 A；直接啟動(dòng)電流，15 136 A；側(cè)推電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)電流曲線見(jiàn)圖1所示。

圖1 啟動(dòng)電流曲線圖

在對(duì)原電力負(fù)荷計(jì)算書中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新后，加入艏側(cè)推1臺(tái)，功率1 500 kW,連續(xù)負(fù)載，用于進(jìn)出港工況。若取使用系數(shù)0.8，此時(shí)3臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，計(jì)算出電站負(fù)荷率為83.1%，該結(jié)果滿足總負(fù)荷對(duì)電站功率的要求。

1.2 大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)電壓波動(dòng)的影響

大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降低。其瞬態(tài)電壓降與發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)和電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)有關(guān)。IEEE No.45中規(guī)定: 消防泵、錨機(jī)等在1 h內(nèi)啟動(dòng)次數(shù)少的設(shè)備，在配電板處的啟動(dòng)時(shí)電壓降應(yīng)低于18%；而空調(diào)、空壓機(jī)和冷藏裝置等在1 h內(nèi)經(jīng)常啟動(dòng)的設(shè)備，在配電板處的啟動(dòng)時(shí)電壓降應(yīng)低于10%。

《船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)》中提供了3種計(jì)算發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降的方法[1]，分別介紹如下。

1)根據(jù)突加的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電抗計(jì)算。對(duì)于自勵(lì)同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)直接啟動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，其瞬態(tài)電壓降Δu為：

(1)

式中：Δu為發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降，%；x′d為發(fā)電機(jī)直軸瞬態(tài)電抗(標(biāo)么值)；x″d為發(fā)電機(jī)直軸次瞬態(tài)電抗(標(biāo)么值)；xL為突加負(fù)載電抗(標(biāo)么值)。

2)根據(jù)根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流計(jì)算。當(dāng)忽略電路阻抗時(shí)，可以利用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流等參數(shù)計(jì)算方式：

Δu=

(2)

3)對(duì)于鼠籠式電動(dòng)機(jī)，可以根據(jù)啟動(dòng)時(shí)的視在功率計(jì)算。其公式如下：

(3)

式中：Δu為發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓降，%；x′d為發(fā)電機(jī)直軸瞬態(tài)電抗(標(biāo)么值)，當(dāng)發(fā)電機(jī)為自勵(lì)時(shí)，用(x′d+x″d)/2代替x′d；PO為 給負(fù)載供電的發(fā)電機(jī)額定容量之和，kVA；PM為負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的視在功率，kVA。

除此之外，還可以利用瞬態(tài)電壓降曲線圖解計(jì)算，其它一些公司也有自己的計(jì)算方法。但是不論何種計(jì)算法都比較復(fù)雜，并且需要提取發(fā)電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)，這在修船項(xiàng)目中都比較難以取得。筆者選擇了可以代入明確數(shù)值的啟動(dòng)電流法嘗試計(jì)算，其結(jié)果為11.56%。用啟動(dòng)視在功率法計(jì)算，其結(jié)果為9.72%。

因該型船配備的艏側(cè)推是可變螺距螺旋槳側(cè)推，一次啟動(dòng)完成后可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺距來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率和推力方向，不需要重復(fù)多次啟動(dòng)，屬于在1 h內(nèi)啟動(dòng)次數(shù)少的設(shè)備，計(jì)算出的電壓降符合IEC的要求。

1.3 大功率電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流

受船舶電站容量限制，船用大功率電動(dòng)機(jī)通常不選擇直接啟動(dòng)的方式，而采用降壓?jiǎn)?dòng)。常見(jiàn)的降壓?jiǎn)?dòng)方式有如下幾種。

1)Y-△降壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電流為直接啟動(dòng)的1/3。

2)自偶變壓器降壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電流根據(jù)自偶變壓器的抽頭而定。

3)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，啟動(dòng)電流根據(jù)所采用的軟啟動(dòng)器。

4)變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流一般為額定電流的1倍多，但價(jià)格昂貴。

本例采用的是價(jià)格相對(duì)較低，靈活可靠的自偶變壓器降壓?jiǎn)?dòng)方式。查找設(shè)備工作資料，可以明確得到側(cè)推廠家選配的啟動(dòng)器的啟動(dòng)電流Ist(約3 548 A),不高于電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5倍,啟動(dòng)時(shí)間在10～15 s。

從工程估算的角度出發(fā)，若要確定該電站容量是否滿足側(cè)推電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的要求，可以從側(cè)推電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式和發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)的選擇性保護(hù)來(lái)綜合考慮，就能得到比較明確的答案。

2 發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性及主開(kāi)關(guān)的過(guò)流保護(hù)[2]

并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)首先必須具有大致相同的負(fù)載特性，即外特性曲線斜率基本相同，才能夠保證在突加大負(fù)載時(shí)每臺(tái)發(fā)電機(jī)分配的功率基本一致，不至于出現(xiàn)某臺(tái)發(fā)電機(jī)過(guò)載而跳閘，造成發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行失敗。按照船級(jí)社規(guī)范，同時(shí)要求每臺(tái)發(fā)電機(jī)具有一定的過(guò)電流特性。

2.1 發(fā)電機(jī)允許運(yùn)行的過(guò)電流范圍

引起發(fā)電機(jī)損壞的主要原因是短路或過(guò)載電流產(chǎn)生的熱量和電磁力。長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電流運(yùn)行產(chǎn)生的熱量會(huì)使絕緣老化。發(fā)電機(jī)允許過(guò)電流運(yùn)行的范圍主要由流過(guò)定子(電樞)繞組的電流決定，而該電流值將直接反映在主配電板上發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)的選擇性保護(hù)整定值上。

2.2 發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)的過(guò)流保護(hù)

在船舶電力系統(tǒng)中，把發(fā)電機(jī)的較小的過(guò)電流稱為過(guò)載，嚴(yán)重的過(guò)電流例如短路才稱為過(guò)電流。有些地方把1.1倍IN稱為小過(guò)載，1.5倍IN稱為較大過(guò)載，短路稱為嚴(yán)重過(guò)載。而相對(duì)應(yīng)的主開(kāi)關(guān)的保護(hù)跳閘稱為長(zhǎng)延時(shí)脫扣、短延時(shí)脫扣、瞬動(dòng)脫扣。

按照船級(jí)社規(guī)范和發(fā)電機(jī)的新舊程度，以及船東對(duì)發(fā)電機(jī)充分保護(hù)的考慮，發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)的設(shè)定可能略有不同。我們?cè)诖酥攸c(diǎn)關(guān)注的是長(zhǎng)延時(shí)脫扣的設(shè)定值，因?yàn)樵摃r(shí)間段與側(cè)推電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間重合，是決定側(cè)推電動(dòng)機(jī)能否成功啟動(dòng)的關(guān)鍵。該船船東最后確定的長(zhǎng)延時(shí)脫扣設(shè)定為1.2倍IN,延時(shí)20 s。

3 船舶電站容量或側(cè)推電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的確定

至此，我們已經(jīng)知道了側(cè)推電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)需要的電流以及船舶發(fā)電機(jī)組能夠提供的短時(shí)過(guò)載電流值。從電力負(fù)荷計(jì)算書中可以看出，艏側(cè)推的使用是在海上航行工況，此時(shí)已運(yùn)行的船舶輔機(jī)和其它負(fù)載的總功率約是591 kW,考慮功率因數(shù)cosφ=0.8,通過(guò)計(jì)算得出，此時(shí)消耗的電流Im約為969 A。由此，可以對(duì)電站允許短時(shí)過(guò)載電流Io和艏側(cè)推電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)整船所需電流Is進(jìn)行比較。

Io=∑1.2IN=5 194.8 A,

(4)

Is=Ist+Im=3 548+969=4 517 A。

(5)

該電流Is小于電站允許短時(shí)過(guò)載電流Io，即IsIs作為驗(yàn)算船舶電站容量的依據(jù)被認(rèn)為是有效的。

由此可知，解決問(wèn)題的方法有2種：一是選擇更大容量的電站；二是為側(cè)推電動(dòng)機(jī)選擇更小啟動(dòng)電流的啟動(dòng)器，需根據(jù)改裝工程的實(shí)際情況而定。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，如果船舶配備了較大功率的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，確定電站容量時(shí)，還應(yīng)考慮到最大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬態(tài)電壓降、瞬態(tài)電流需求等因素，避免因考慮不周發(fā)生設(shè)計(jì)失誤、造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

[1]陳可越.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)-電氣分冊(cè)[M].北京：交通科技出版社,2007.

[2]林華峰.船舶電站[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998.

According to the electrical power balance calculation,ship power-station capacity can be achieved,but when an increased high-power motor is installed,its heavy start current will affect the power balance.In this paper,an instance is referred in the modified ship projcet of the 74 000 DWT self-unloading vessel,and the momentary starting current calculation and instantaneous voltage drop calculation will be applied to confirm both the power station capacity and the starting method of high-power motor.

ship power-station capacity;instantaneous voltage drop;momentary starting current

孫瀚文(1978-)，男，河南滎陽(yáng)人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事電氣系統(tǒng)的實(shí)船制造、調(diào)試技術(shù)工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.008

2015-07-14