徐以亮，崔利梅，石 密

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 天津300450；2.天津新港船舶重工有限責(zé)任公司 天津300456)

0 引 言

我國海洋工程船始于20世紀(jì)70年代，按照中華人民共和國交通運(yùn)輸部《老舊運(yùn)輸船舶管理規(guī)定》，到本世紀(jì)初這批船舶已經(jīng)達(dá)到報(bào)廢期。隨著船舶推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，海洋工程船舶由傳統(tǒng)直推方式逐漸向電力推進(jìn)方式發(fā)展，即采用由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組成電站，通過配電系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)螺旋槳的電動(dòng)機(jī)提供電能。近十幾年，交流變頻調(diào)速電力推進(jìn)方案在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用迅速，該方案得到眾多船公司和使用方的認(rèn)可和贊同，特別是配置有動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System)的電力推進(jìn)船舶已經(jīng)成為主作業(yè)船。

目前，國際上電力推進(jìn)設(shè)備供應(yīng)商較多，電力推進(jìn)方案也較多，船東很難對(duì)各家的方案都有較為全面的了解。同時(shí)，由于電力推進(jìn)方案的好壞將直接影響船舶投入后的安全運(yùn)行和作業(yè)效率，因此，如何選取最佳電力推進(jìn)方案是各方急需解決的問題。

1 交流變頻調(diào)速電力推進(jìn)技術(shù)介紹

變頻電力推進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵是變頻控制，變頻控制是通過信號(hào)處理技術(shù)改變輸入到電動(dòng)機(jī)的工作電源的頻率和幅值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制和扭矩控制。目前，海洋工程船舶上使用的主流調(diào)速方案是交流變頻調(diào)速，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由：三繞組移相變壓器(AFE變頻系統(tǒng)不需要)、變頻器(由整流器、電容單元、逆變器、冷卻單元、控制單元等組成)、制動(dòng)單元(根據(jù)需要)、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(鼠籠式交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī))組成。流程見圖1。

圖1 推進(jìn)流程圖Fig.1 Propulsion system

2 交流變頻調(diào)速電力推進(jìn)方案研究

2.1 方案一：以SIEMES和ABB公司為代表的系統(tǒng)

SIEMENS和 ABB的大型變頻器的整流單元采用二極管整流橋，兩家公司在變頻控制軟件方面有所不同，各有其獨(dú)特的技術(shù)和特點(diǎn)。典型單線圖如圖2所示。

根據(jù)變頻器輸入電源的不同，分為 6脈沖變頻器、12脈沖變頻器、虛擬24脈沖變頻器和24脈沖變頻器等；根據(jù)變頻器輸入電壓等級(jí)的不同，可以分為低壓變頻系統(tǒng)(690,V)和中壓變頻系統(tǒng)(3,300,V、6,600,V等)，更高電壓等級(jí)在工程船舶領(lǐng)域較少應(yīng)用。根據(jù)變頻器的冷卻方式不同，可以分為水冷變頻器和風(fēng)冷變頻器。

隨脈沖數(shù)量的增加，單臺(tái)套變頻器內(nèi)部元器件數(shù)量增加、類型增多，控制軟件會(huì)更復(fù)雜，進(jìn)而單臺(tái)套設(shè)備的價(jià)格也越來越高，但整體諧波值會(huì)降低。

圖2 12脈沖單線圖Fig.2 Pulse single line diagram

低壓系統(tǒng)和中壓系統(tǒng)的主要設(shè)備在數(shù)量上一致，由于耐壓等級(jí)的不同，其制造工藝、原材料、元器件的要求不同，導(dǎo)致中壓系統(tǒng)的整體成本較高，但中壓系統(tǒng)的設(shè)備尺寸和重量普遍較低壓系統(tǒng)略小。中壓系統(tǒng)對(duì)變頻器所處的環(huán)境潔凈度、變頻器冷卻水等要求都較高，船舶在建造時(shí)需要對(duì)中壓系統(tǒng)進(jìn)行專門的中壓電纜接線工藝培訓(xùn)、中壓電纜耐壓實(shí)驗(yàn)，船舶交船后的相關(guān)操作人員需經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)。

目前，船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率普遍較大，變頻器自身發(fā)熱較多，閉式循環(huán)淡水冷卻系統(tǒng)憑其良好的冷卻效果、較低的環(huán)境噪音而成為主流的選擇。同時(shí)，為保證變頻器安全，建議選擇一用一備的冗余冷卻循環(huán)泵方案。

根據(jù)以上分析，對(duì)不同脈沖方案的簡(jiǎn)單比較見表1所示。

表1 不同方案單套變頻系統(tǒng)比較表Tab.1 Comparison of different schemes of single set frequency conversion systems

使用經(jīng)驗(yàn)：①如果變頻方案已選定，為了降低諧波只能配置諧波濾波器。②變頻系統(tǒng)的電力電纜必需為變頻專用電纜，非常規(guī)電力電纜。③變頻器內(nèi)元器件屬于高精密電子元器件，存放和施工期間必須做好防護(hù)，否則故障頻發(fā)。④在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工工藝上，要注意電磁干擾。⑤此方案既有低壓又有中高壓，在配置上較靈活。

2.2 方案二：以Rolls-Royce公司為代表的系統(tǒng)

Rolls-Royce公司變頻器的整流單元為 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極型晶體管，稱為AFE(Active Front End)有源前端變頻器，輸入電壓從AC 380,V到AC 690,V。SIEMENS和ABB公司此類型變頻器的功率約 1,500,kW 以下。根據(jù)調(diào)研，此類型變頻器目前無中高壓類型。典型單線圖如圖3所示。

圖3 AFE單線圖Fig.3 AFE single line diagram

其主要優(yōu)勢(shì)有：①與方案一相比，諧波控制較好，諧波值(THD)低，不需要另設(shè)獨(dú)立的濾波器。②與方案一相比，無移相變壓器，既減少了安裝、設(shè)備基座和鋼材工作量，也減少了整體的重量(平均每個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)減少約 6,t左右)。③與方案一相比，無移相變壓器，節(jié)省空間，平均每個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)可減少 10～12,m3空間的占用。

但是與其他變頻方案相比，其主要缺點(diǎn)有：①對(duì)電網(wǎng)有反饋，影響到配電板短路電流計(jì)算值。②整流單元和逆變單元為 IGBT，輸出端有故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致整流和逆變都故障。

2.3 方案三：以WARTSILA公司為代表的系統(tǒng)

瓦錫蘭(WARTSILA)公司在 2006年收購了Aker Kevrner公司后，推廣其專利產(chǎn)品 LLC(Low Loss Concept)變頻方案(單線圖見圖4)。此方案與船舶配電系統(tǒng)相組合，系統(tǒng)架構(gòu)上與上述方案一和方案二存在較大差別，目前以低壓 690,V為主，中壓方案目前應(yīng)用較少，至少在國內(nèi)未見中壓方案的應(yīng)用。

圖4 LLC單線圖Fig.4 LLC single line diagram

每個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)無需單獨(dú)移相變壓器，連接兩段配電板的 LLC變壓器起到移相作用。每個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的變頻器都平均從兩段主配電板供電，常規(guī)運(yùn)行時(shí)幾乎是無電流流過LLC變壓器。

其主要優(yōu)勢(shì)有：①變頻器電源由兩段配電板供應(yīng)，系統(tǒng)冗余度高。②配電板被分成 4段，在一定程度上增加了操作靈活性和可用性。③采用 4段配電板母排設(shè)計(jì)，降低了配電板的短路電流等級(jí)。主斷路器可選低分?jǐn)嗄芰π吞?hào)，既提高操作安全性又降低采購成本。④無需配置相對(duì)較多的三繞組移相變壓器，減少重量，節(jié)省空間。⑤可用 LLC變壓器取代 AC 380,V日用變壓器，減少了重量，節(jié)省空間。

缺點(diǎn)有：①變頻器電源由兩段配電板供應(yīng)，主開關(guān)數(shù)量增加，操作上稍顯復(fù)雜。②從電氣原理上分析，認(rèn)為電壓諧波較上述兩種方案會(huì)稍高。③施工工藝和電纜選擇與上述兩種方案有別，有特殊要求。④國外有一些實(shí)船使用，但國內(nèi)未有應(yīng)用，可借鑒經(jīng)驗(yàn)較少。

3 結(jié) 論

本文所述的 3個(gè)方案屬于目前海洋工程船交流變頻調(diào)速電力推進(jìn)方案中成熟、先進(jìn)的典型，能為相關(guān)方在前期技術(shù)方案的決策、設(shè)備選型、船舶建造等方面提供指導(dǎo)和幫助。在 2011年交付深水工程勘察船、2014年交付深水 12纜物探船，兩型海洋工程船都使用了 2.1方案一的電力推進(jìn)方案，船舶交付前實(shí)測(cè)諧波值分別小于 5%,和 2%，大大優(yōu)于船級(jí)社的要求。船舶在交付后為公司創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

海洋工程船交流變頻調(diào)速電力推進(jìn)方案的最終確定還受諸多方面的影響，每個(gè)項(xiàng)目應(yīng)結(jié)合自身總投資情況、船東公司目前在用船舶的電力推進(jìn)方案情況等選擇適合的最優(yōu)方案。