基于變距槳軸帶發電機裝置電力系統設計

危成亮

摘 要：簡述了變距槳軸帶發電機裝置的工作特點，介紹了6 000 kW救助拖船的電力系統設計要點。

關鍵詞：軸帶發電機；電力系統；主配電板

中圖分類號：U665.11 文獻標識碼：A

1 引言

當今海洋救助船功能多樣化發展趨勢顯著，從傳統的單一拖帶和消防功能，向救助、維修、補給等多功能方向發展。海洋救助船較常規船舶具有顯著差異，特別是在用電設備容量及其運行工況上對船舶電站配置提出多元化要求。采用軸帶發電機組成的電站，相對常規單一柴油發電機具有環保、節能和經濟性高的優勢，因此在國內外中大型船舶，特別是海洋工程船上廣泛應用。我院設計的6000kW救助拖船是新開發船型之一，具有救助拖帶、對外消防、人員搜救、協助潛水、應急搶修和裝載補給等功能，主電站采用了軸帶發電機與柴油發電機混合供電的形式，本文總結了該船變距槳軸帶發電機裝置組成的電力系統設計特點。

2 主要電力系統參數

（1）軸帶發電機： 850 kW 3? AC400V 50 Hz，共2臺；

（2）柴油發電機：400 kW 3? AC400V 50 Hz，共3臺；

（3）首側推：600 kW 3? AC400V 50 Hz，1臺；

（4）尾側推：450 kW 3? AC400V 50 Hz，1臺；

（5）電動液壓甲板折臂吊：110 kW 3? AC400V 50 Hz，1臺；

（6）電動液壓拖曳絞車：4×50 kW AC380V 3? 50 Hz，1臺；

（7）可調槳：2×30 kW AC380V 3? 50 Hz，共2臺；

（8）岸電箱： AC380V 3? 50 Hz 400A，1臺；

（9）對外供電箱： AC380V 3? 50 Hz 150A，1臺；

（10）主配電板：柴油發電機屏（3屏）、軸帶發電機屏（2屏）、同步屏/首側推屏（1屏）、側推屏（1屏），1號AC380V負載屏&岸電屏（1屏）以及2號AC380V負載屏/對外供電屏（1屏）。

3 變距槳（CPP）軸帶發電機裝置工作特點

變距槳（CPP）軸帶發電機裝置是由船舶主機驅動發電機的船舶電源裝置，通常其發電機經增速齒輪箱與主機固定連接，即主機運行時發電機也隨著運行。由于船舶主機運行條件和海況的變化，發電機頻率隨主機的轉速變化而變化。為滿足船舶用電設備對頻率變化的要求，船舶主機的轉速應維持一定的變化范圍。主機驅動變距漿，在船舶正常運行工況下，主機的轉速和轉向可保持不變，軸帶發電機轉速也保持恒定，因此該型式的軸帶發電機裝置可直接向電網供電，如圖1所示。

該裝置的發電機通常采用船用無刷自勵式恒壓三相交流同步發電機，其主要由機體、勵磁機、旋轉整流器以及勵磁系統等四大部分組成。由于勵磁系統采用相復勵系統，通過自帶自動電壓調節器（AVR）精調，發電機輸出電壓可保持恒定。

4 電力系統設計要點

4.1 電站容量確定

本船屬于多功能、多用途工作船，全船除配置空調、通風等常規船舶用電設備外，還配置有電動潛水泵、電焊機、集裝箱插座、移動式空壓機、對外供水/油泵、機動減壓艙、移動式載人潛水吊籠等專用設施設備，設備使用工況較復雜，用電負荷計算書編制要求高。根據作業要求和負載使用情況，本船計算工況分為全速航行、巡航航行、停泊、進出港、救助、拖帶以及對外消防、應急工況。

發電機使用情況：在巡航工況，除可使用二臺柴油發電機外，也可使用一臺軸帶發電機；在進出港、救助、對外消防使用側推時，軸帶發電機與柴油發電機采用分區供電，即一臺軸帶發電機供電一臺艏側推、一臺柴油發電機供電一臺艉側推；全速航行工況、停泊工況均使用柴油發電機。柴發、軸發使用工況及負荷率分別見表1和表2。

4.2 分區供電

本船配電系統采用三相三線絕緣系統。主配電板供電采用了分區供電方式，主配電板共有A1、 A2、B、C四段匯流排組成，其中匯流排B與匯流排C通過隔離開關（DBT）連接，匯流排B與匯流排A1通過1號聯絡開關（SDBT1）連接，匯流排C與匯流排A2通過2號聯絡開關（SDBT2）， 1#～3#柴油發電機組主開關（DCB1～ DCB3）分別連接匯流排B、匯流排C，1#～2#軸帶發電機主開關（SCB1～ SCB2）分別連接匯流排A1、匯流排A2。從而保證側推運行時，首側推、尾側推通過A1、 A2匯流排由軸發一對一分區供電（其中一臺軸發故障時，可通過側推供電開關保證首、尾側推其中一臺運行），其他負載由柴油發電機經B、C匯流排供電；側推不運行時，全船負載可通過A1、B、C匯流排由1#軸發供電或通過A2、B、C匯流排由2#軸發供電。主匯流排分段圖，見圖2。

5 機組并網同步

由于變距漿軸帶發電機的原動機功率比柴油發電機的功率大很多（一般5～10倍），在軸帶發電機的整個電力負載范圍內，頻率（轉速）基本上不隨電力負載的變化而變化，這一頻率特性與柴油發電機不同，因此二者無法長期并聯運行，只能短暫并聯轉移負載。

并網同步在主配電板同步屏進行，同步屏布置有同步選擇開關、帶同步指令的同步表、同步指示燈、同步按鈕以及發電機調速開關。手動同步時，同步選擇開關進行待并同步發電機組或匯流排的選擇，通過發電機調速開關進行速度調節，當待并發電機組或匯流排滿足并網條件時，同步表即刻發出合閘脈沖信號，同時按下同步按鈕，實現連接開關合閘。柴油發電機調速是通過調速開關直接發信號至柴油發電機機旁控制箱，而對于軸帶發電機調速是通過主配電板向主推進遙控系統發出恒速請求，請求允許后才能進行軸帶發電機速度（頻率）調整。本船同步點共八個。

6 電站工作模式

主配電板設有DG模式、SG1模式、SG2模式和操縱模式選擇開關。通過模式選擇開關，可實現運行發電機的選擇、聯絡開關通斷，從而滿足不同工況下電站工作需要。其不同工作模式下運行發電機組、適用工況對應表見表3。

從表3可以看出，除了在全速航行、拖帶（主機功率滿負荷工作）以及停泊（主機停止運行）工況外，在船上主機恒速運行時的其余工況，軸帶發電機均可作為供電發電機使用。需要注意當主機要變速（齒輪箱接、脫排等）時，電站需及時與柴油發電機切換，以保證電站供電連續性。

在上述工作模式之間可人工通過模式選擇開關進行自由切換。當模式切換失敗時，電站發出切換失敗報警，同時在人機界面上提供下一步操作信息提醒。

7 斷路器聯鎖保護

為保證電站在手動、半自動以及自動控制方式下可靠運行，根據實際需要，主配電板設置具有以下聯鎖功能：

（1）岸電開關SC與軸帶發電機及柴油發電機主開關之間設置聯鎖功能，避免岸電與發電機同時接入船上電網；

（2）艏側推兩個供電開關之間、艉側推兩個供電開關之間設置聯鎖功能，使得側推兩個供電開關只能同時一個合閘；

（3）連接至A1排艏側推供電開關與艉側推供電開關之間、連接至A2排艏側推供電開關與艉側推供電開關之間設置聯鎖功能，使得艏側推與艉側推不能同時連接A1排或A2排；

（4）軸帶發電機與柴油發電機母排聯絡開關SDBT1與艏側推兩個供電開關之間、軸帶發電機與柴油發電機母排聯絡開關SDBT2與艉側推兩個供電開關之間設置聯鎖功能，使得側推工作時軸帶發電機與柴油發電機分區供電；

（5）軸帶發電機與柴油發電機母排聯絡開關SDBT1、SDBT2、柴油發電機母排隔離開關DBT三者之間設置聯鎖功能，最多只允許兩個同時合閘在網，避免兩臺軸帶發電機并聯的可能；

（6）對外供電箱開關DB與岸電開關SC聯鎖，避免岸電接通時，對外供電箱實施對外供電。

8 結語

文中變距槳軸帶發電機裝置是主機驅動發電機直接供電系統，與速度補償型以及頻率補償型軸帶發電機系統具有顯著差別。該類型船舶電力系統與船舶主推進控制系統、船舶運行工況聯系極為密切，一方面是在軸帶發電機使用時電力系統需要向主推進控制系統進行問訊，應答允許后才能合閘；另一方面船舶運行在全速航行等主機滿負荷工況或在惡劣海況下，軸帶發電機不能作為電力系統電源使用。

近十幾年來，為進一步擴展軸帶發電機系統的功能，提高船舶的操縱性、推進效率及推進的冗余度，要求軸帶發電機能在發電機模式（PTO）和電動機模式（PTI）之間任意轉換工作，從而對船舶電力系統的配電方式、工作模式等提出靈活多樣化的設計要求。

參考文獻

[1] 王文義主編.船舶電站組建與調試.哈爾濱工程大學出版社，2009.9.

[2] 聶延生等.船舶軸帶電機及其PTO/PTI工作方式的原理和應用.航海技術，2006.

[3] 尹志斌等.船用主機軸帶發電機.世界海運，2002.