陳文騰 王剛 曹森 謝春萌

摘 ? ?要：本文重點介紹我司210000DWT散貨船電力系統(tǒng)配置、各種工況下電力負荷、軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的類型等。描述在設計過程中采用的安全措施，分析不同系統(tǒng)配置的經(jīng)濟性，并展望了軸帶發(fā)電機系統(tǒng)在遠洋散貨船的應用前景。

關鍵詞：遠洋散貨船;軸帶發(fā)電機系統(tǒng);安全性;經(jīng)濟性

中圖分類號：U665.11?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： The main configuration scheme and application of power system of the ocean-going bulk carrier are introduced. The electric system configuration， the power load under various working conditions and the type of shaft generator system of the 210 000 DWT bulk carrier are emphatically introduced. Safety measures adopted in the design process， economy of different system configurations are analyzed. The prospect of shaft generator system in the ocean-going bulk carrier is expected.

Key words： Ocean-going bulk carrier; ?Shaft generator system; ?Safety; ?Economy

1 ? ? 前言

近年來，遠洋船舶的營運成本呈逐年上升趨勢，我司為了獲取更大的經(jīng)濟效益、降低營運成本，在為幾內(nèi)亞航線新建的一批210 000 DWT散貨船上首次應用了軸帶發(fā)電機系統(tǒng)，并且計劃在325 000 DWT礦砂船上也推廣應用該系統(tǒng)。

軸帶發(fā)電機系統(tǒng)能夠有效利用主機富裕的功率，提高船舶效率，提升船舶EEDI水平，實現(xiàn)節(jié)能減排。該系統(tǒng)在大、中型集裝箱、特種船等船舶上得到廣泛應用。隨著成本、排放矛盾的加劇，各航運公司開始嘗試在遠洋散貨船、礦砂船上應用該系統(tǒng)。

2 ? ? 軸帶發(fā)電機系統(tǒng)分類

（1）根據(jù)是否可以變轉(zhuǎn)速運行分為：定轉(zhuǎn)速型和變轉(zhuǎn)速型;

（2）根據(jù)控制原理分為：簡單型;無功功率補償型;有功功率控制型。

其中：定轉(zhuǎn)速型一般應用在中、高速主機;隨著船舶的大型化，主機的功率不斷增大、轉(zhuǎn)速越來越低，且電力電子技術迅速發(fā)展，有功功率控制型逐漸成為主流：有功功率控制型允許主機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化，發(fā)電機輸出的三相交流電經(jīng)過整流、逆變等變頻控制，最終向電網(wǎng)提供恒頻、恒壓的電源;有功功率控制型的逆變環(huán)節(jié)，采用象限可控PWM逆變技術，調(diào)節(jié)輸出電壓與電流的相角，向電網(wǎng)提供有功功率和無功功率;輸出電壓諧波可以控制在5%以內(nèi)，可與柴油發(fā)電機長期并聯(lián)運行，有效地解決了以往軸帶發(fā)電機系統(tǒng)存在的問題，并且成本亦有較大降幅。

3 ? ? 電力系統(tǒng)配置方案與使用工況

3.1 ? 主機參數(shù)和電力系統(tǒng)配置方案

210 000 DWT散貨船采用低速主機+定距槳的配置，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)采用抱軸式、有功功率控制型。

主機型號：WinGD 6X72‐B或MAN 6G70ME‐C9.5

持續(xù)功率（CSR）：11 965 kW X 63 r/min （78.2% CMCR）;

燃油消耗率： 156.0 g/kWh+6% （Tier II）;

滑油消耗：48 kg/24 h;

柴油發(fā)電機組：950 kW、AC450 V、60 Hz三臺;

軸帶發(fā)電機系統(tǒng)（PTO）：1 050 kW、AC450 V、60 Hz一臺。

3.2 ? 電力系統(tǒng)使用工況

正常航行：電力負荷為794.7 kW，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)工作;

進出港：電力負荷為1 555.7 kW，二臺柴油發(fā)電機并聯(lián)運行;

裝卸貨：電力負荷為1 281.1 kW，二臺柴油發(fā)電機并聯(lián)運行;

停泊：電力負荷為520.7 kW，一臺柴油發(fā)電機運行。

3.3 ?軸帶發(fā)電機系統(tǒng)原理

對于轉(zhuǎn)速為100 r/min以下的主機，軸帶發(fā)電機一般采用低速它勵同步發(fā)電機系統(tǒng)更為安全可靠。其主要組成部分：發(fā)電機定子、發(fā)電機電極、冷卻裝置、整流器裝置、控制屏以及1對轉(zhuǎn)速傳感器。

控制屏由自動電壓調(diào)節(jié)控制器、頻率控制器、觸發(fā)脈沖發(fā)生器、電流控制器、故障檢測器等組成;采用二次換流設計，發(fā)電機定子輸出的交流電通過整流器轉(zhuǎn)變成直流電，再逆變轉(zhuǎn)換為恒定頻率、恒定電壓的交流電，見圖1、圖2所示。

由于采用的是PWM逆變控制技術，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)能夠向電網(wǎng)提供所需的恒壓、恒頻電源，同時提供有功和無功功率（功率因數(shù)cosφ=0，8），PWM逆變器是由一個快速信號微處理器系統(tǒng)控制的;通過在直流環(huán)節(jié)配置斬波器及電阻來避免中間直流電路過電壓。

3.4 ?軸帶發(fā)電機系統(tǒng)設計和安全措施

（1）本船采用的軸帶發(fā)電機系統(tǒng)是最新一代產(chǎn)品，當主機轉(zhuǎn)速等于和大于50 r/min時，軸帶發(fā)電機保持額定功率輸出;當主機轉(zhuǎn)速在50～45.8 r/min之間時，軸帶發(fā)電機輸出功率與其轉(zhuǎn)速成正比例下降;當主機轉(zhuǎn)速達到45.8 r/min時，軸帶發(fā)電機輸出功率為640 kW;當主機轉(zhuǎn)速低于45.8 r/min時，系統(tǒng)停止運行、SG主開關跳閘。

（2）軸帶發(fā)電機系統(tǒng)具有下垂特性曲線（見圖3）。通?？蛰d電壓在450～460 V時，壓降約2%～3%，與柴油發(fā)電機具有相同的電壓降，確保軸帶發(fā)電機與柴油發(fā)電機連續(xù)并聯(lián)運行。

（3）變頻器提供300%左右的短路電流，以滿足該短路電流可以完成選擇性保護的要求：

變頻器提供的短路電流為4 400 A>1 377 A（短路電流）;

軸帶發(fā)電機系統(tǒng)效率約90%，總諧波失真（THD）小于5%;

當軸帶發(fā)電機系統(tǒng)功率達到95%、時間t≥2 s時，電站進行二級優(yōu)先脫扣;

當系統(tǒng)輸出電流達到200%、或由于其它異常使輸出電流達到200%、或發(fā)生外部短路的情況時，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的勵磁停止、主開關ACB切斷，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)停止工作;

（4）發(fā)電機組定子與轉(zhuǎn)子之間，通常設計氣隙為7mm;

（5）為了解決軸帶發(fā)電機系統(tǒng)電磁兼容性問題，電纜布置嚴格按照有關規(guī)則、指南和國際標準的要求。如：電纜接線部分只去除接地匯流排附近的電纜外護套，保留電纜屏蔽層;通訊電纜屏蔽層一直保留到接線端子前50～100 mm的距離;用不銹鋼電纜扎帶固定電纜，電纜屏蔽層接地3 60o連接船體等。

4 ? ?軸帶發(fā)電機系統(tǒng)方案的經(jīng)濟性

4.1 ?經(jīng)濟性分析

通常船舶主機的功率都有12%～15%的裕量，主機效率也比柴油發(fā)電機組高。船舶安裝軸帶發(fā)電機，航行中使用軸帶發(fā)電機系統(tǒng)可完全替代柴油發(fā)電機組，只在錨泊、進出港＼靠離碼頭、壓載水處理時使用柴油發(fā)電機組。

根據(jù)初步核算：

（1）燃油費用：本船在滿載/壓載、14 kn航速工況，每天可節(jié)省油耗0.4 t/0.9 t;滿載/壓載、12 kn航速工況，每天可節(jié)省油耗1.0 t/0.9 t;按年航行250天計算，每年節(jié)省燃油成本約10.5萬美元;

（2）滑油費用：在航行時不使用柴油發(fā)電機組、按照使用工時每1 000小時更換一次滑油統(tǒng)計，使用軸帶發(fā)電機時柴油發(fā)電機減少更換滑油次數(shù)5～6次，每年可節(jié)省滑油費用約1萬美元;

（3）備件維修費用：柴油發(fā)電機組僅在錨泊進出港靠達碼頭、壓載水處理時才投入運行，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的維修工作量要比柴油發(fā)電機組少，維修周期延長，減少了備件費用，每年可節(jié)省備件費用約2萬美元左右。

（4）整套系統(tǒng)（含軸帶發(fā)電機和變頻設備）初始投資約100萬美元，即8年左右可以收回初投資成本（不包括船員減配的效益）。

4.2 ? 系統(tǒng)的優(yōu)點

（1）節(jié)省燃油、減少燃料費用。同時減少發(fā)電機組滑油消耗量;

（2）結構簡單，維護方便快捷，減少船員工作量，降低維修費用;

（3）節(jié)省機艙空間，增加載貨量;

（4）柴油發(fā)電機組一般是中速、四沖程機，轉(zhuǎn)速一般為900-1 500 r/min;而大型船舶主機一般是低速、二沖程機，轉(zhuǎn)速在100 r/min以內(nèi)。所以采用軸帶發(fā)電機可降低機艙噪聲、減少機艙熱源、改善工作環(huán)境;

（5）利于能量綜合利用，主機的排氣余熱可以得到更為有效的利用;

（6）減少船員配置，減輕船員的勞動量;

（7）提升船舶EEDI。

4.3 ? 系統(tǒng)的缺點

（1）初始投入較高，配置940～1 000 kW的發(fā)電機，需增加初始投資約80～120萬美元;

（2）軸帶發(fā)電機系統(tǒng)只能在主機額定轉(zhuǎn)速80%-105%的范圍內(nèi)使用，使用范圍受到一定的限制;

（3）對于中、低速柴油機，為保證電壓/頻率的恒定，其控制系統(tǒng)更為復雜;

（4）軸帶發(fā)電機并網(wǎng)后，須考慮與其它發(fā)電設備的連鎖及轉(zhuǎn)換。

5 ? ?結束語

綜上所述，210 000 DWT散貨船作為大型遠洋船舶，使用軸帶發(fā)電機系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟性和節(jié)能、環(huán)保的作用。柴油發(fā)電機主要是在錨泊進出港靠達碼頭、壓載水處理時使用，安全可靠性明顯提高。另外，由于主發(fā)電機年運行時間大大減少，船東可考慮將柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)數(shù)改為最大1 200 r/min的中速柴油機，減小機艙發(fā)電機布置空間，增加載貨量。

210 000 DWT散貨船使用軸帶發(fā)電機系統(tǒng)，對于我司今后遠洋散貨船、礦砂船電站優(yōu)化方面將起到引領作用。

參考文獻

[1]船舶機電應用技術[J]. 航海技術.