定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統

趙建平　畢建秀　柯于銳

（1.黃海造船有限公司 榮成264309；2.上海歐得利船舶工程有限公司 上海200023）

定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統

趙建平1畢建秀1柯于銳2

（1.黃海造船有限公司 榮成264309；2.上海歐得利船舶工程有限公司 上海200023）

定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統是在定距槳船舶上,通過雙速比或多速比齒輪箱與自勵無刷同步發電機相聯接而成。其通過在主機遙控系統、主機控制與安保系統、電站管理系統、齒輪箱控制系統之間建立起復雜的邏輯關系,使相關控制、報警信號在不同系統中有序合理傳遞和反饋,從而達到建立一套低成本、硬件結構簡單、電源品質高、能滿足CCS、DNVGL等各大船級社無人機艙要求的新型定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統FPP-DL-FSSG。文章介紹了該系統的作用、軟硬件的構成和特點,分析了其優缺點并提出使用時的注意事項。對航運企業實行低成本運營以及節能減排具有重要意義。

軸帶發電機系統；邏輯控制模塊；信號接口與控制；應用

引 言

現代船舶主要以石油為燃料。燃料費用在船舶營運成本中占比很高，并隨油價上漲而提高，所以燃料節約對降低船舶營運成本有重要意義，方法包括減少燃料消耗量和提高燃料使用的效果。特別是2008年下半年金融危機寒潮的侵襲，使全球的航運業遭到重創，航運市場貨量和運價明顯下滑，BDI指數跌勢不休。船東為了降低營運成本，采取許多減排節能措施，其中就包括在已建和新建船舶上使用軸帶發電機技術。

1997年，MARPOL公約締約國大會通過了關于船舶CO2排放的決議。2009年7月，MEPC59會議通過和批準包括新船能效設計指數（EEDI）計算方法、能效設計指數自愿驗證、船舶能效管理計劃（SEEMP）制定、能效營運指數（EEOI）自愿使用在內的四個導則。國際海事組織提出了針對新船的“新船設計能效指數”，以促進航運業的節能減排工作開展。根據第62次會議通過的修正案，由2015年開始，所有400總噸或以上的新船必須達到新船設計新能效指數要求。這些新的決議和要求也激發了船東對應用軸帶發電機技術的熱情。

1　軸帶發電機系統

船舶軸帶發電機系統是由主機驅動船舶發電機，利用主機富裕功率達到節能的目的。軸帶發電裝置作為節約運行費用及改善機艙管理和運行條件的有效手段，以其特有的優越性引起了各國造船界和航運界的重視。

通常船舶主機的功率都有10%以上的裕量，而船舶上所安裝的發電機容量卻不會超過這個數值，并且主機效率比常規的柴油發電機組高，由于燃油耗費大約占船舶營運費的53%左右，因此如使用軸帶發電機，則燃油的節約立即顯示出巨大的經濟效益。在航運市場不景氣的情況下，各大航運公司為了降低成本、提高船舶的經濟性，紛紛采用降低航速或以經濟航速運行，使主機擁有大量富裕功率；同時，由于主機長期低負荷運行會對主機性能和效率產生影響，而使用軸帶發電機正好可以改善主機運行工況和降低營運成本。

經過多年的發展，目前軸帶發電機主要有以下兩種類型：

（1）變螺距螺旋槳（CPP）帶軸帶發電機。通過改變螺距來改變螺旋槳的推力大小和方向，從而保證主機轉速和軸帶發電機頻率不變。

（2）定距槳（FPP）帶軸帶發電機。由于在船舶運行期間，主機的轉速和方向是可變的，因此必須采取穩定頻率的措施。常用的有轉速補償和頻率補償的方法：轉速補償一般采用行星齒輪傳動型或液壓傳動型；頻率補償一般采用大功率晶閘管逆變型加調相機或PWM型變頻器。

雖然軸帶發電機有很多優勢，但是已經比較成熟的軸帶發電機技術只掌握在幾家大公司手中，且產品價格昂貴、初次安裝費用極高、控制復雜，對已建船舶進行改裝也非常困難，因此對于處于航運低谷中的航運企業而言也是一個不小的負擔。

2　定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統FPP-DL-FSSG

正是基于上述原因，在仔細研究和總結已有軸帶發電機技術特性和特點的基礎上，我們提出一套新的軸帶發電機系統。該系統投資少、硬件結構簡單、對新建船舶無需增加額外投資就可以使用軸帶發電機，從而提高船舶的能效水平；同時由于該系統的基礎在于合理整合優化已有船舶設備，因此也適用于已建船舶的節能環保的改造。該系統在兼顧變螺距螺旋槳（CPP）帶軸帶發電機和定距槳（FPP）帶軸帶發電機的優點的同時，能保證船舶在海上航行時，由軸帶發電機供給全船所需電能，僅在停泊或在復雜航道中才需要柴油發電機組投入運行。由于FPP-DL-FSSG軸帶發電機系統，傳遞效率高，傳遞損失僅為1%左右，因此能為船舶運營節約大量的燃油費用。

FPP-DL-FSSG軸帶發電機系統的維修工作量要比柴油發電機組少得多，且維修周期又長得多，使船舶的運行管理得到了簡化，從而降低了維修費用和延長了維修周期。裝有FPP-DL-FSSG軸發裝置的船舶可以減少輔機的配置數量，有利于擴大機艙的空間、降低機艙溫度并減少機艙的噪聲，改善工作環境和條件。同時，由于船舶在航行中可以不使用柴油發電機組，因此也減少其消耗的燃油和滑油，從而減少CO2的排量，提高了船舶EEDI和EEOI的水平。

該系統的總體設計方案經過廣泛討論和調研，得到 GL 船級社和許多船東的論證和認可。該系統主要分為以下幾個主要部分：

2.1雙速比或多速比齒輪箱

雙速比或多速比齒輪箱是該系統的動力轉換與輸出裝置，安裝在螺旋槳中間軸或裝在主機自由端。雙速比或多速比齒輪箱的使用是為了確保航行時的船舶在整個航速范圍內使用軸帶發電機。眾所周知，船舶在海上正常航行時，根據該船的能源管理計劃，船舶航速基本保持在一個經濟航速范圍內。正是基于這種實際應用中的需要，本系統設計了雙速比或多速比齒輪箱，可以覆蓋整個經濟航速內的主機轉速范圍，保證發電機裝置在主機70%～100%的轉速范圍內發出足夠的輸出功率，以滿足全船供電要求。

齒輪箱動力傳遞路線圖如圖1和圖2所示。

圖1　齒輪箱安裝在中間軸動力傳遞路線圖

圖2　齒輪箱安裝在主機自由端動力傳遞路線圖

2.2軸帶發電機

軸帶發電機使用的是自勵無刷同步發電機，符合《船用發電機通用技術條件》，發電機通過高彈連接軸與齒輪箱輸出軸相連。要求軸帶發電機具有以下特性：穩定時間不超過1.5 s，電壓波動率不超過±1%，空載線電壓波形畸變率不超過3%，帶防潮加熱和繞組溫度傳感器，軸帶發電機帶并聯下垂裝置，能夠滿足與船舶柴油發電機短時并車和自動負載轉移的要求。 軸帶發電機帶 AVR自動調壓器裝置和電動與手動外接調壓器，保證軸帶發電機在負載變化及主機轉速波動時，電壓保持穩定，保證軸帶發電機與柴油發電機組短時并車時，電壓特性滿足并車要求。 軸帶發電機設有勵磁和滅磁功能轉換接口，以防止軸帶發電機和主發電機組進行相互轉換時，產生過載電壓而損害軸帶發電機，轉換開關由主配電板PMS控制。

2.3FPP-DL-FSSG邏輯控制模塊單元組

2.3.1主機遙控系統中的FPP-DL-FSSG邏輯控制模塊

主機遙控系統是指在駕駛室或集控室對遠處的主機進行操縱的裝置。對于定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統來講，在原有主機遙控控制模塊中，增加了FPP-DL-FSSG邏輯控制模塊，該模塊主要功能包括：在主機遙控系統PCS與電站管理系統PMS之間建立起SG請求與允許、調速請求與調速允許等握手信號，來達到主機轉速操縱及當主機轉速變化時仍能保證船舶供電的連續性和穩定性；在主機遙控系統PCS與電站管理系統PMS之間建立起主機故障處理及應急操縱請求與主機故障處理及應急操縱允許的握手信號，來達到當主機出現SLD故障或SHD故障時，電站管理系統PMS通過發電機的轉換等控制流程，保證船舶供電、主機的安保及船舶的應急操縱能夠滿足各大船級社和SOLAS及IMO對無人機艙的要求、對主機SLD和主機SHD的安保要求以及對船舶應急操縱的要求。

2.3.2電站管理系統PMS中的FPP-DL-FSSG邏輯控制模塊

船舶電站是現代船舶的心臟，船舶電網失電會造成全船癱瘓，增大風險。電站管理系統PMS是以PLC控制為基礎的綜合電站管理系統，可以保證船舶供電的可靠性、快速性及合理性。對于定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統來講，在PMS系統中采用軸帶發電機與柴油發電機組短時并車操作，用于軸發與柴發之間的切換和負荷轉移。同時也在PMS系統中增加與主機遙控系統中的FPP-DLFSSG邏輯控制模塊相對應的握手信號邏輯控制單元及對不同檔速比齒輪箱及軸帶發電機進行控制的邏輯控制模塊單元，從而使采用定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統的自動電站可以滿足船舶的不同配電要求。

2.4系統設備之間信號接口與控制

在主機自由端或軸系輸出端通過連接軸連接雙速比或多速比齒輪箱，速比設計涵蓋船舶整個海上航行的航速范圍，雙速比或多速比齒輪箱PTO輸出端帶動自勵無刷同步發電機，由同步發電機供電至主配電板為全船負載供電，同時為了保證供電連續性及船舶進出港工況，需配置2臺柴油發電機組。主機遙控系統PCS與電站管理系統PMS中分別設置請求與允許握手信號邏輯控制單元，在電站管理系統PMS中設置對不同檔速比齒輪箱及軸帶發電機進行控制的邏輯控制單元，在齒輪箱控制單元中設置執行和反饋邏輯控制單元，在主機遙控PCS和齒輪箱控制單元中設置運行與安保信號邏輯控制單元。這些控制單元通過PLC實現相應的功能，可以獨立或集成于原主機遙控系統PCS、電站管理系統PMS以及齒輪箱控制單元的PLC電路中，從而保證FPP-DL-FSSG系統滿足船級社對無人機艙的要求，滿足船舶在駕駛室進行主機遙控及船舶操縱的要求，滿足船舶供電的連續性及船舶設備對電源特性的要求。

主機一定轉速范圍內，軸帶發電機可以正常工作。當電站發出軸發請求信號后，在主機工作于任一檔允許軸帶發電機工作的轉速范圍時，主機遙控即發出軸發允許信號給電站控制系統PMS。PMS起動軸帶發電機，控制齒輪箱對應速比合排，并與運行的柴油發電機組短時并車轉移負荷后，軸帶發電機供電，柴油發電機停止工作。其運行信號由電站控制系統PMS輸出給主機遙控系統PCS，提醒保持主機轉速。主機遙控系統PCS進行轉速調節時，首先發出一個調速請求信號給自動電站管理系統PMS，待經過起動柴油發電機組并與運行的軸帶發電機短時并車轉移負荷后，柴油發電機供電，軸帶發電機停止工作，電站控制系統PMS再返回一個調速允許信號給主機遙控系統PCS，由主機遙控控制主機完成調速控制流程。

主機發生SLD或SHD時或船舶進行應急操縱時，主機遙控系統PCS輸出安保信號或應急操縱請求信號給電站控制系統PMS，PMS則根據不同安保信號或應急操縱請求信號做出相應處理后，反饋給PCS允許信號，再由主機遙控系統PCS控制主機完成相應的控制流程。

FPP-DL-FSSG系統設備之間信號接口如圖3所示。

圖3　FPP-DL-FSSG系統設備之間信號接口

2.5FPP-DL-FSSG系統的系泊與航行試驗

2.5.1FPP-DL-FSSG系統的系泊試驗內容

（1）用水阻/負載箱和電抗器進行負載試驗，絕緣電阻測量， 穩態電壓特性試驗，其試驗要求與柴油發電機組相同。

（2）軸帶發電機及齒輪箱的安全報警裝置試驗，實驗結果滿足船級社無人機艙的要求。

（3）軸帶發電機與柴油發電機自動和手動負載轉移試驗。

2.5.2FPP-DL-FSSG系統的航行試驗內容

（1）在航行中，軸帶發電機和主機自動控制系統之間的效用試驗，FPP-DL-FSSG控制系統失敗，報警及安保實驗，失電轉換功能應可靠。

（2）軸帶發電機運行時，車鐘操縱試驗。

車鐘操縱，主機轉速從軸帶發電機一個工作速度范圍轉到另一個工作速度范圍，備用柴油發電機組啟動，完成柴油發電機與軸帶發電機及軸帶發電機與柴油發電機的轉換過程試驗。

車鐘操縱，主機轉速從軸帶發電機工作速度范圍轉到非工作速度范圍，預設備用柴油發電機組啟動，柴油發電機與軸帶發電機短時并車，轉移負荷，負荷轉移完成后，軸帶發電機解列分閘，柴發運行供電，主機開始調速，完成主機調速過程。

（3）軸發運行時，主機故障SLD&SHD試驗及船舶應急操縱試驗。

（4）電站模式轉換及SG手動控制效用試驗。

3　FPP-DL-FSSG系統的應用

定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統FPP-DLFSSG已在黃海造船有限公司31 200載重噸多用途船上成功進行實施和應用，該船由上海歐得利船舶工程有限公司設計， 其入級符號為：

在31 200載重噸多用途船上，主機為MAN B & W 6S46ME-B8.2-TII低速主機。主機在 90%負荷時，主機轉速為106 r/min、功率為5 832 kW；100%負荷時，主機轉速為110 r/min、功率為6 480 kW。90%負荷時，最大航速設計為14 kn。雙速比增速齒輪箱安裝在中間軸上，其參數為：快速檔為輸入99 r/min、輸出1 200 r/min，慢速檔為輸入106 r/min、輸出1 200 r/min。當主機轉速變化在95～102 r/min時，快速檔齒輪合排；當主機轉速變化102～110 r/min時，慢速檔齒輪合排。正車時，主機在額定轉速下允許快檔與慢檔的切換。這樣可以保證當主機工作在95～110 r/min大轉速范圍內，通過軸帶發電機可以獲得滿足GL規范要求的頻率相對穩定的高品質電源。軸帶發電機參數為功率745 kW AC 450 V 60 Hz，自然通風冷卻、三相三線制、無刷諧波勵磁同步發電機。軸帶發電機僅可以在兩檔主機轉速范圍內（95 ～102 r/min和 102 ～110 r/min）正常工作。軸帶發電機布置圖如圖4所示，實船齒輪箱和軸帶發電機安裝布置圖如圖5所示。

圖4　31200載重噸多用途船軸帶發電機布置

圖5　31200載重噸多用途實船齒輪箱和軸帶發電機安裝布置

3.131200載重噸配電及自動電站管理系統PMS的介紹

31200載重噸多用途船的主配電板分A、B、C三段匯流排，AB匯流排接柴油發電機組，C匯流排接軸帶發電機，其電力系統基本饋線圖如圖6所示。

圖6　31200載重噸主配電板電力系統基本饋線圖

配電模式分為柴發模式、軸發優先模式、分區供電模式共三種模式。31 200載重噸MSB上裝有SIEMENTS SMART LINE 顯示屏，可以清楚監視三種模式。三種模式介紹如下：

（1）柴油發電機模式

當選擇柴油發電機模式時，PMS系統將根據全船負荷和工況要求，自動調整為一臺或兩臺柴油發電機對全船供電。一臺或兩臺柴油發電機與軸帶發電機并聯轉移負荷后，軸帶發電機自動解列分閘，齒輪箱脫排，實現由柴油發電機對全船負載供電的模式。

（2）軸帶發電機優先模式

如果主機運行在兩個恒速范圍內，電站將根據負荷和工況要求，在收到主機遙控發出的SG允許信號時，自動調整為齒輪箱對應速比合排。軸帶發電機與柴油發電機并聯轉移負荷后，柴油發電機分閘停機，軸帶發電機對全船供電，實現由軸帶發電機對全船負載供電的模式。

（3）分區供電模式

當選擇分區供電模式時，電站將根據負荷和工況要求，母聯開關SDBT分閘，自動調整為一臺柴發對A/B 排所帶負載供電，軸帶發電機對C 排所帶的冷藏箱供電的分區供電模式。

3.231200載重噸FPP-DL-FSSG系統使用結果

定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統FPP-DLFSSG在31 200載重噸多用途船上，進行了全面嚴格的檢驗，其檢驗結果滿足DNV-GL無人機艙的要求，得到了DNV-GL驗船師和船東的高度評價和確認。該系統不僅能保證船舶在正常航行中，各種船舶操縱及遙控命令的順利執行，而且也可以在95～110 r/min轉速范圍中的任一轉速點上提供100%軸帶發電機功率的穩頻穩壓的高品質電源，供全船使用，具體實驗數據見表1。

表1　31200載重噸多用途船試航數據

在試航期間，通過對全船不同供電負荷工況下進行的油耗測試，表明FPP-DL-FSSG系統節能減排效果明顯，每天節約燃油約1.5 t左右。考慮到主機一般擁有10%～15%的儲備功率及在當今船東采用低速航行降低航運成本的時代，軸帶發電機的使用可以改善主機運行條件，使主機在理想負荷點運行，從而大幅度提高主機效率。因此定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統可使船舶在航行過程中用于電力消耗的燃油費用降低30%～50%，如再加上滑油及維護成本，應用定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統的船舶，其發電成本比完全使用柴油發電機組，節約成本在50%以上。

4　定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統的意義

該系統的研發與實船應用對于航運企業低成本運營、在新建或已建船舶上實行節能減排具有十分重要的意義。定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統除具有其他型式軸帶發電機的基本優點外，還具有結構簡單、造價低廉的特點。并且使用軸帶發電機后，可以省掉一臺輔助柴油發電機組，而定距槳直聯穩頻型軸帶發電機的造價卻低于輔助柴油發電機組的價格。

總之，由于定距槳直聯穩頻型軸帶發電機系統既滿足CCS、DNV-GL等各大船級社無人機艙的要求，又有造價低廉、硬件結構簡單的特點，具有提供高品質電源的能力與節約建造成本和大幅減少航運成本的優點，所以其為廣大航運企業滿足MARPOL對船舶CO2排放的決議及IMO等國際海事組織對船舶節能減排越來越高的要求，為廣大航運企業降低航運成本提供了可靠的應用平臺。該系統的推廣和應用必然會得到越來越多船東的認可和使用，并為我國在船舶節能減排領域添加一項先進的技術成果。

［1］ 徐筱欣.船舶動力系統［M］.上海：上海交通大學出版社，2007.

［2］ 姜錦范.船舶電站及自動化［M］.大連：大連海事大學出版社，2005.

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Directly-linked and frequency-stabilized shaft generator system for a fixed pitch propeller

ZHAO jian-ping1BI Jian-xiu1KE Yu-rui2
(1. Huanghai Shipbuilding Co.Ltd., Rongcheng 264309, China; 2. Shanghai Odely Marine Engineering Co., Ltd., Shanghai 200023, China)

Directly-linked frequency-stabilized shaft generator system for a fixed pitch propeller (FPP-DLFSSG) is developed by combination of duel-speed-ratio or multi-speed-ratio gearbox and self-excitation brushless synchronous generator. This system ensures the relevant control and alarm signals to transmit and feedback regularly in different systems by establishing the complicated logical relations among M/E remote control system, M/E control and security system, PMS, and gearbox control system. Thereby, a new FPP-DL-FSSG system is established with the characteristics of low cost, simple hardware configuration, and high power quality to meet the requirements of the unattended machinery space for various classification, such as CCS, DNV-GL, etc. This paper gives a general description of the system function, composition and the characteristics of the software and hardware, analyzes its advantages and disadvantages, and presents issues that should be noted in its application. It has great significance of low operational cost, energy conservation and emission reduction for shipping enterprises.

shaft generator system; logical controlled modular; signal interface and control; application

U665.11

A

1001-9855（2015）02-0083-07

2014-12-28；

2015-02-05

趙建平（1964-），男，高級工程師，研究方向：船舶設計與建造。畢建秀（1970-），男，工程師，研究方向：船舶設計與建造。柯于銳（1973-），男，高級工程師，研究方向：船舶電氣設計。