改裝船增設大功率電動機對船舶電站容量的影響

孫瀚文

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400)

改裝船增設大功率電動機對船舶電站容量的影響

孫瀚文

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400)

船舶電力負荷計算是選擇船舶電站容量的依據，但大功率電動機的啟動電流會對發電機組產生很大的影響，必須對電站容量進行驗算。文章結合本公司74 000 DWT系列自卸改裝船項目、使用啟動電壓降法和瞬時啟動電流法來驗算船舶電站容量，對今后船舶改裝時電站容量的選擇或大功率電動機啟動方式的選擇有重要借鑒意義。

船舶電站容量；瞬態電壓降；瞬時啟動電流

在改裝船項目中，經常會遇到船東要求更換船舶電站，或在原電站的基礎上增加艏側推等大功率電機的改裝任務。遇到這種情況，船廠一般都會依據設計院的《電力負荷計算書》來進行發電機容量與電力負荷的對比。但是，僅考慮發電機功率是不完整的，電站容量還必須依據側推電動機的啟動電壓降和啟動電流重新進行驗算，避免因電站容量偏小而造成側推電動機啟動失敗，使船廠蒙受損失。

筆者結合自身實踐，并以74 000 DWT系列自卸改裝船為實例，介紹在電力負荷計算的基礎上，同時使用瞬時電流法和電壓降法來驗算船舶電站容量的步驟。

1 船舶電站容量的選擇

1.1 電力負荷計算

電力負荷計算是一項較為復雜的工作，這是因為全船用電設備的實際負載和具體使用工況受多種因素影響，且部分數據需根據統計計算或經驗獲得，難以準確地定量計算。對于改裝船項目，可在原電力負荷計算書的基礎上，加入新增負荷并選取合適的系數，來獲得完整的電力負荷計算結果。

在進行電力負荷計算時，通常要考慮船舶運行工況，大致可分為：海上航行、進出港、停泊、裝/卸貨、應急工況。分別把新增負荷加入到計算書中，如果是更換電站的改裝，必須更新計算書中發電機組的數據。

以下為74 000 DWT自卸改裝船的相關參數。

1)發電機。型號，1FC5 556-8TA83；數量，3臺；功率及電制，900 kW AC440 V 60 Hz；額定電流，1 443 A。

2)艏側推電動機基本參數。型號，ARN630d-6；功率及電制，1 500 kW，AC440 V 60 Hz；額定電流，2 365 A；直接啟動電流，15 136 A；側推電動機直接啟動電流曲線見圖1所示。

圖1 啟動電流曲線圖

在對原電力負荷計算書中的數據進行更新后，加入艏側推1臺，功率1 500 kW,連續負載，用于進出港工況。若取使用系數0.8，此時3臺發電機并聯運行，計算出電站負荷率為83.1%，該結果滿足總負荷對電站功率的要求。

1.2 大功率電動機啟動對發電機電壓波動的影響

大功率電動機啟動時，發電機瞬態電壓降低。其瞬態電壓降與發電機的基本參數和電動機基本參數有關。IEEE No.45中規定: 消防泵、錨機等在1 h內啟動次數少的設備，在配電板處的啟動時電壓降應低于18%；而空調、空壓機和冷藏裝置等在1 h內經常啟動的設備，在配電板處的啟動時電壓降應低于10%。

《船舶設計手冊》中提供了3種計算發電機瞬態電壓降的方法[1]，分別介紹如下。

1)根據突加的感應電動機電抗計算。對于自勵同步發電機，當直接啟動感應電動機時，其瞬態電壓降Δu為：

(1)

式中：Δu為發電機瞬態電壓降，%；x′d為發電機直軸瞬態電抗(標么值)；x″d為發電機直軸次瞬態電抗(標么值)；xL為突加負載電抗(標么值)。

2)根據根據感應電動機啟動電流計算。當忽略電路阻抗時，可以利用感應電動機的啟動電流等參數計算方式：

Δu=

(2)

3)對于鼠籠式電動機，可以根據啟動時的視在功率計算。其公式如下：

(3)

式中：Δu為發電機瞬態電壓降，%；x′d為發電機直軸瞬態電抗(標么值)，當發電機為自勵時，用(x′d+x″d)/2代替x′d；PO為 給負載供電的發電機額定容量之和，kVA；PM為負載啟動時的視在功率，kVA。

除此之外，還可以利用瞬態電壓降曲線圖解計算，其它一些公司也有自己的計算方法。但是不論何種計算法都比較復雜，并且需要提取發電機的詳細參數，這在修船項目中都比較難以取得。筆者選擇了可以代入明確數值的啟動電流法嘗試計算，其結果為11.56%。用啟動視在功率法計算，其結果為9.72%。

因該型船配備的艏側推是可變螺距螺旋槳側推，一次啟動完成后可以通過調節螺距來調節輸出功率和推力方向，不需要重復多次啟動，屬于在1 h內啟動次數少的設備，計算出的電壓降符合IEC的要求。

1.3 大功率電動機的啟動電流

受船舶電站容量限制，船用大功率電動機通常不選擇直接啟動的方式，而采用降壓啟動。常見的降壓啟動方式有如下幾種。

1)Y-△降壓啟動，啟動電流為直接啟動的1/3。

2)自偶變壓器降壓啟動，啟動電流根據自偶變壓器的抽頭而定。

3)軟啟動器啟動，啟動電流根據所采用的軟啟動器。

4)變頻啟動，啟動電流一般為額定電流的1倍多，但價格昂貴。

本例采用的是價格相對較低，靈活可靠的自偶變壓器降壓啟動方式。查找設備工作資料，可以明確得到側推廠家選配的啟動器的啟動電流Ist(約3 548 A),不高于電動機額定電流的1.5倍,啟動時間在10～15 s。

從工程估算的角度出發，若要確定該電站容量是否滿足側推電動機啟動的要求，可以從側推電動機的啟動方式和發電機主開關的選擇性保護來綜合考慮，就能得到比較明確的答案。

2 發電機的負載特性及主開關的過流保護[2]

并聯運行的發電機首先必須具有大致相同的負載特性，即外特性曲線斜率基本相同，才能夠保證在突加大負載時每臺發電機分配的功率基本一致，不至于出現某臺發電機過載而跳閘，造成發電機組并聯運行失敗。按照船級社規范，同時要求每臺發電機具有一定的過電流特性。

2.1 發電機允許運行的過電流范圍

引起發電機損壞的主要原因是短路或過載電流產生的熱量和電磁力。長時間過電流運行產生的熱量會使絕緣老化。發電機允許過電流運行的范圍主要由流過定子(電樞)繞組的電流決定，而該電流值將直接反映在主配電板上發電機主開關的選擇性保護整定值上。

2.2 發電機主開關的過流保護

在船舶電力系統中，把發電機的較小的過電流稱為過載，嚴重的過電流例如短路才稱為過電流。有些地方把1.1倍IN稱為小過載，1.5倍IN稱為較大過載，短路稱為嚴重過載。而相對應的主開關的保護跳閘稱為長延時脫扣、短延時脫扣、瞬動脫扣。

按照船級社規范和發電機的新舊程度，以及船東對發電機充分保護的考慮，發電機主開關過流保護的設定可能略有不同。我們在此重點關注的是長延時脫扣的設定值，因為該時間段與側推電動機的啟動時間重合，是決定側推電動機能否成功啟動的關鍵。該船船東最后確定的長延時脫扣設定為1.2倍IN,延時20 s。

3 船舶電站容量或側推電動機啟動方式的確定

至此，我們已經知道了側推電動機啟動需要的電流以及船舶發電機組能夠提供的短時過載電流值。從電力負荷計算書中可以看出，艏側推的使用是在海上航行工況，此時已運行的船舶輔機和其它負載的總功率約是591 kW,考慮功率因數cosφ=0.8,通過計算得出，此時消耗的電流Im約為969 A。由此，可以對電站允許短時過載電流Io和艏側推電動機啟動時整船所需電流Is進行比較。

Io=∑1.2IN=5 194.8 A,

(4)

Is=Ist+Im=3 548+969=4 517 A。

(5)

該電流Is小于電站允許短時過載電流Io，即IsIs作為驗算船舶電站容量的依據被認為是有效的。

由此可知，解決問題的方法有2種：一是選擇更大容量的電站；二是為側推電動機選擇更小啟動電流的啟動器，需根據改裝工程的實際情況而定。

4 結束語

綜上所述，如果船舶配備了較大功率的電動機負載，確定電站容量時，還應考慮到最大電動機啟動時瞬態電壓降、瞬態電流需求等因素，避免因考慮不周發生設計失誤、造成不必要的經濟損失。

[1]陳可越.船舶設計實用手冊-電氣分冊[M].北京：交通科技出版社,2007.

[2]林華峰.船舶電站[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1998.

According to the electrical power balance calculation,ship power-station capacity can be achieved,but when an increased high-power motor is installed,its heavy start current will affect the power balance.In this paper,an instance is referred in the modified ship projcet of the 74 000 DWT self-unloading vessel,and the momentary starting current calculation and instantaneous voltage drop calculation will be applied to confirm both the power station capacity and the starting method of high-power motor.

ship power-station capacity;instantaneous voltage drop;momentary starting current

孫瀚文(1978-)，男，河南滎陽人，高級工程師，大學本科，主要從事電氣系統的實船制造、調試技術工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.008

2015-07-14