“科學”號科考船綜合電力推進系統概述

張 優 李 欣

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.國家海洋局第一海洋研究所 青島266061）

引 言

由中國船舶及海洋工程設計研究院設計、武昌船舶重工有限責任公司建造的“科學”號海洋科學綜合考察船，于2012年9月交付中國科學院海洋研究所使用。本船是一艘集多學科、多功能、多技術手段為一體，滿足海洋研究需求的現代化海洋科學綜合考察船，可實現大洋環流系統與氣候變化、海洋動力過程與災害、深海生物、基因資源及生物多樣性、大洋生態系統與碳循環、洋中脊與大陸邊緣熱液系統及地球深部過程、深海海底油氣（含天然氣水合物）資源形成機理等的主要科學調研，技術水平和考察能力達到并超過國際綜合科學考察船的同等水平，成為我國遠洋科學綜合考察的主力船之一。

“科學”號具備全球航行能力、 B3級冰區加強、一人橋樓OMBO、動力定位DP-1和機艙周期無人值班AUT- 0等入級符號。采用電力推進系統，具有布置靈活性高、機動性好、振動小、噪聲低和冗余度高等特點，在特種用途船舶上優勢明顯，尤其在綜合調查船上更具有良好的發展前景。

1 綜合電力推進系統的配置

本船服務航速12 kn，最大航速達15 kn，在ROV作業、地質柱狀取樣作業時采用動力定位系統（DP-1）定點定位工作。其操縱性能、定位性能要求高，不同工況下負荷變化范圍大，配置電站應滿足經濟、高效、環保的要求。

本文將從發電機系統、配電系統、主電力推進系統、主推進遙控系統及自動化控制系統等五個方面分別闡述其功能特點，以及在電力推進船舶中的重要作用。

1.1 主發電機組

主電站由4臺發電機組構成（3大1小）。大功率的主發電機型號為AMG 0560LR06 LSE，單機功率2 610 kW、電壓AC 690 V、頻率50 Hz、功率因數（滯后）0.8、轉速1 000 r/min、防護等級IP44、水冷、絕緣等級H、溫升等級H。小功率的主發電機型號為AMG 0400LK06LAE，單機功率758 kW、電壓AC 690 V、頻率50 Hz、功率因數（滯后）0.8、轉速1 000 r/min、防護等級IP44、水冷、絕緣等級H、溫升等級H。該發電機兼做停泊發電機使用。

調研結果顯示：大多數科考船在巡航時為2臺發電機并聯運行，例如我國天然氣水合物綜合調查船（海洋6號）、英國JAMS COOK、西班牙SARMIENTO DE GAMBOA等。因為這樣配置可以降低單個柴油發電機組的裝置容量，前期投入的經濟性好，運行時冗余度高。但為減少船員在巡航時的工作量，本船要求在巡航時僅運行1臺發電機組，但矛盾的是機艙空間狹窄，單臺發電機的體積和容量受限。因此，電氣設備在滿足系統性能指標的前提下，應優先采用效率高的電機、風機和泵組。尤其電力推進電機是本船最大的電力負載，對其功率的選擇應特別予以重視。推進電機的功率，取決于船舶的航行速度、船體線型、舵槳效率、舵槳的安裝形式等總體性能參數，其中每一個參數的調整，都會影響到推進電機功率的選擇，嚴重時可顛覆電站容量的配置。所以，在方案論證前期，應盡可能獲取準確可靠的電機和舵槳數據，保證電站配置的合理性和經濟性。

“科學”號在各種典型工況負荷預估情況如下：巡航航速12 kn時，運行1臺功率為2 610 kW的發電機，夏季時負荷率為84.8%，冬季時負荷率為80.2%。最大航速15 kn時，運行2臺2 610 kW的發電機和1臺758 kW發電機，夏季時負荷率為79.6%，冬季時負荷率為76.5%。ROV作業、動力定位（DP-1）投入時，運行3臺2 610 kW的發電機，夏季時負荷率為73.7%，冬季時負荷率為71%。

從以上分析數據可以看出：在3個典型工況下，不僅具有備用發電機，而且所運行的柴油機均在經濟負荷點附近工作，電站配置能滿足船舶的動力需求。

試航時為6月中旬，氣候適宜，空調、風機等設備的運行工況介于冬、夏季之間，當船舶以12 kn航速行進時，推進電機的功率為2×750 kW，單臺發電機輸出功率為2 050 kW，電站負荷率為78%。其值略小于電力負荷估算書預報值，因為當時所有調查實驗室、樣品儲藏室的空調機組、冷藏機柜、風機、實驗儀器等設備均未投入工作，所有廚房設備均未啟用（用專用廚房集裝箱的燃氣進行伙食供應）。實船實驗結果證明：電站完全滿足船舶使用要求，并為今后試驗設備的更新和發電機老化留有適當裕度。

“科學”號目前已投入執行科考任務的營運中。在海況良好時進行海上漂泊實驗，只需要開動1臺758 kW小型發電機，用于生活用電和小負荷電力推進（抵制風浪），因其震動小、油耗低，而且科考試驗環境安靜，獲得廣大船東好評。

1.2 電力推進配電系統

電力推進系統的單線圖如下頁圖1所示。AC 690 V主配電板包括發電機屏、同步屏和饋電屏，饋電屏主要為主推進設備、艏側推設備、日用變壓器和大功率特種設備等供電。

圖1 電力推進系統單線圖

由于電力推進的采用以及科考作業專用大型設備的投入，電站的容量逐漸變大，短路電流也隨之增大，給配電板設計帶來的重要問題就是斷路器的選型。目前船用斷路器發展得已很完善，分段能力和接通能力基本可以滿足使用要求，但選擇性保護的匹配還存在一定難度。科考船設備數量眾多，部分重要設備由分電箱供電，這樣導致選擇性分析變得較為復雜。

我們通常可以根據斷路器的時間電流特性曲線獲得上下級開關的選擇性。目前也有特殊設計的斷路器，具有限流作用或允通能量脫扣作用。限流作用是指在通過其中短路電流所產生的電動斥力作用下，使其觸頭快速（例如3～5 ms）分斷，使這一短路電流尚未達到峰值時即被切斷，達到只允許限定的電流通過以阻止預期最大短路電流通過的目的。允通能量是指脫扣期間通過斷路器的特定能量“I2t”，發生短路時，受故障影響的設備部件受到熱應力，而熱應力大小與故障電流的二次方及保護設備分斷電流所需時間成正比。允通能量是標志低壓斷路器的基本性能之一，要通過試驗測試，保證每臺產品的特性均在規定范圍內。具有限流作用和允通能量脫扣作用的斷路器，能夠減小熱效應和機械應力，提高斷路器間選擇性的能力，避免上級斷路器選型過大。

我們有效地利用ABB斷路器的允通能量特性，提高了開關之間的選擇性。例如，本船設有2臺柴油分油機、2臺滑油分油機，由于船舶沒有配備蒸汽鍋爐，每臺分油機的加熱方式為電加熱。考慮到配電板的尺寸不能過大，故采用2個分電箱分別為分油機及其電加熱器集中供電。分油機屬于次要設備，分電箱的供電斷路器和負載斷路器應具有選擇性。

表1為關于柴油分油機分電箱（5P）和滑油分油機分電箱 （6P）短路電流的估算值，可以看出，5P和6P的短路電流有效值為18.5 kA。主配電板上為5P、6P供電的開關為斷路器型號為T4H250 PR221 R160（QF13/14），5P、6P為分油機設備饋電的最大斷路器為S1N125 R63。

表1 柴油分油機分電箱 (5P)和滑油分油機分電箱 (6P)短路電流

以5P分電箱為例，從圖2的時間電流曲線上看，在短路電流小于3.2 kA時，5P/6P供電斷路器T4H250 PR221 R160 與5P/6P內負載斷路器S1N125 R63具有完全選擇性；但當在短路電流大于3.2 kA時，時間電流曲線已不能反映是否具有選擇性，應采用允通能量曲線進行分析。

從圖3的允通能量曲線上看，當短路電流為10 kA時，上級斷路器T4H250 PR221 R160的允通能量為0.548 A2s，大于下級斷路器S1N 125R63的允通能量0.362 A2s；當短路電流為18.5 kA時，上級斷路器T4H250 PR221 R160的允通能量為0.673 A2s，大于下級斷路器 S1N 125 R63的允通能量0.571 A2s。在短路電流介于3.2～18.5 kA時，可以做到完全選擇性。

圖2 時間電流曲線

圖3 允通能量曲線

同時根據時間電流曲線、允通能量曲線進行全船選擇性分析，整個電力系統的斷路器選型既安全又經濟。

說明：QF12：配電變壓器原邊開關 E3H1600 PR122 1600A；

QF14：配電變壓器副邊開關（400 V配電板進線開關）E3N2500 PR122 2500A；

QF37：5號分電箱供電開關 T4H250 PR221DS 160A；

QF44：5號分電箱最大負載開關 SIN125 R63 63A。

1.3 電力推進系統的組成及諧波的解決

電力推進雖存在初期投資增加、設備復雜、電網諧波大等不足之處，但振動小、噪聲低、操縱性能好、冗余度高等突出優勢，使其在船舶上獲得日益廣泛的使用和推廣。

主推進變壓器：2臺、額定功率2 186 kVA、連接方式Dd0y11±7.5°、絕緣等級F、溫升等級F、水冷。

主推進變頻器：2臺，型號ACS800，額定功率2 680 kVA、直接轉矩控制（DTC）、12脈沖、水冷。

主推進裝置：吊艙COMPACT AZIPOD系統2套，每套包括功率傳輸和轉向模塊、支撐模塊、推進模塊、螺旋槳等。推進電機為永磁同步電機，額定功率為1 895 kW，額定轉速310 r/min，推進形式為拉式。螺旋槳直徑2.3 m，槳葉數為4個。轉舵馬達功率為37 kW，轉舵變頻器亦為12脈沖。主推進電機和螺旋槳直接連接，結構簡單緊湊；特有的轉舵單元使推進模塊全方位旋轉，替代了常規船舶舵機的功能。不僅便于推進裝置的安裝、維護，而且傳輸效率也得到提高。

剎車電阻：推進剎車電阻2個，轉舵剎車電阻2個。

諧波問題：交流變頻調速系統的關鍵技術問題，就是電網的諧波性能。變頻器中的整流器（二極管、晶閘管），為非線性元件電路，在電源輸入的電流中會產生諧波電流，引起電源內阻抗產生相應的諧波電壓。諧波電壓施加到電網的電氣設備中，造成附加發熱、絕緣降低等影響，并使測量儀表產生誤差。電力推進系統的諧波計算也十分復雜，涉及單個發電機組的容量、總電站的容量、發電機的功率因數、發電機的超瞬態阻抗Xd〃、變頻器的工作形式和原理、變頻電動機的功率、變壓器的容量、變壓器的阻抗壓降和重要電機的參數等重要設備的參數；尤其對于大容量的電站系統，短路電流和諧波是一對相互牽制的參數，例如增大發電機的超瞬態阻抗Xd〃，可以減少短路電流，但卻加大了諧波影響。諧波問題在初步設計時就應加以重視。

電壓型交-直-交變頻調速的主要形式有6脈沖、12脈沖、24脈沖、AFE等，隨著諧波抑制的能力增大，價格也隨之上升。經過論證，主推進電機的變頻器確定為12脈沖（主匯流排聯絡開關合閘時，可達虛擬24脈沖的效果），交流輸入電網雖仍有一定的諧波電流，但在規范允許范圍內，是一種性價比較高的設備。另外，本船在降低諧波干擾和電磁干擾方面也采取一些防護措施。大功率的科考設備采用AFE變頻器，降低干擾強度；從變頻器到被控制設備的電纜采用變頻電纜，被 “污染”的AC 690 V電源電纜單獨敷設；敏感設備的電纜填料函采用EMC金屬填料函，少用或不用非金屬填料等。

本船試航時，在兩個典型工況下，用示波器于配電板處對電網的電流和電壓進行測量，波形光滑，無線電、導航設備運行正常。實測的諧波值見下頁表2所示，總諧波均小于5%，最大單次諧波小于3%，完全滿足并優于CCS的要求，為全船電氣設備、尤其是敏感的科考設備，提供一個安全潔凈的工作平臺。

1.4 主推進遙控系統

遙控系統提供控制每個Compact Azipod推進和轉舵的方式和手段。控制模式主要分為：

表2 配電板諧波實測值

方位角推力操縱模式：推力由方位角控制桿控制，給出一個設定的“向前/向后”命令；轉舵由可旋轉360°的方位角控制桿來控制。總之，360轉角內都可得到推進功率。

舵輪模式：推力控制由橋樓中央的方位角控制桿控制；轉舵由橋樓中央的主舵輪控制，轉舵控制類同于普通船舶的隨動控制模式。

應急控制模式：應急手柄，“向前/向后”為推力的非隨動控制，“向左舷/向右舷”是轉舵的非隨動控制。

在科考船上，主推進的遙控控制位置較多，主要有駕駛室中央、駕駛室左翼、駕駛室右翼、作業操控室、機艙集控室、機組就地等。

為避免誤操作，電力推進各控制站之間的優先等級規定如表3所示。

表3 電力推進控制站之間的優先等級表

1.5 監測報警系統（含電站管理系統PMS）

本船的監測報警系統采用ABB的HC800設備，拓撲圖參考如圖4所示。

圖4 監測報警系統拓撲圖

系統由過程控制器、I/O系統、操作站、打印機、UPS等構成。過程控制器通過冗余IP控制網絡（Control Network CN）與操作站進行通訊、通過Profibus 和一些其他標準通訊協議和I/O站進行通訊。過程控制器控制了所有的邏輯和數據庫，系統具有模塊化和可擴展性。系統的主要功能為：報警列表、系統列表、事件列表、輪機員呼叫和延伸報警板、輪機員安全報警系統、風機和泵的控制功能、PMS電站管理系統、系統自診斷功能等。

發電機、電力推進電機、操舵電機、變頻器、推進變壓器、配電變壓器等重要設備，均布置在船舶的左右兩舷，其供電遵循“同側供電”的原則，即為左側/右側重要設備服務的水泵、油泵、風機等，由AC 400 V配電板上的左側/右側兩段分別供電。這樣，如果機艙一側發生事故，至少與“幸存”發電機、配電板同側的推進系統不會喪失動力，提高船舶的生命力。同理，在PMS和IAS的設計中，也遵循“同側接入”原則，即機艙里的I/O機柜分左右布置，涉及PMS、發電機、推進設備的報警和狀態、風機和泵的控制功能等關鍵參數，接入同側的I/O機柜，不僅減少電纜的交互延伸，在機艙一側發生事故的情況下，也盡可能將對IAS和PMS的影響降低到最小，增強自動化系統的安全性。

電力推進船舶電站管理系統的一個顯著的特點就是限功率功能。推進電機的需求為全船最大的負載，在電機轉速上升的過程中很容易造成運行發電機過載，在備用發電機未及起動時可能會引起電站失電。PMS將電站的可用功率信號輸出到變頻控制機柜，變頻器根據電站的可用功率，對推進器的運行狀態進行連續監測，必要時進行功率限制控制，待備用發電機自動起動、同步并網后，才允許增加主推進器的功率。

本船的PMS對柴油發電機采用恒速模式（Isochronous control and load sharing mode）控制和降速模式（Speed droop mode）控制。降速模式即常規控制模式，在此不再贅述。恒速模式是柴油機的一個功能，采用CAN bus專用電纜，將所有柴油發電機組、配電板聯絡開關連接起來。每個柴油機的控制板均可監視與該網絡連接的所有柴油機的負荷率，計算出整個電網的負荷率，將本柴油機的負荷率和電網負荷率相比較，然后調節本發電機的轉速，直至每個柴油發電機組負荷率和電網負荷率相一致。在某一發電機加載或減載的過程中，負載轉移按照預設的速度進行控制（應急情況具有特定的加載速度），以達到均衡分配的目的。卸載時，如果被控制柴油機的負荷降低到預設定值，相應的柴油機控制板發出該發電機斷路器分閘命令；如果恒速模式出現故障，則會自動切換至降速模式。可以看出，采用恒速控制模式，各個柴油機頻率相同，負荷分配均衡，從而大大提高電網的品質。

2 結 論

電力推進則具有調速范圍廣、驅動力矩大、易于正反轉、布置靈活、振動和噪音小、居住環境舒適等優點，尤其是采用綜合電站，提高了能源利用效率。隨著人類對地球環境保護意識的不斷提高，設計節能、低耗、環保、高效型的船舶日益重要。目前，電力推進是滿足節能減排要求的較好選擇，特別在作業工況復雜的科學考察船上，其優勢更為顯著，必將會有更廣闊的發展前景。

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