5000dw t多用途天然氣動力滾裝船電氣設計

夏明寬

（羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

電氣自動化

5000dw t多用途天然氣動力滾裝船電氣設計

夏明寬

（羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司，上海 201204）

以羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司設計的世界上首艘5000dw t多用途純天然氣動力滾裝船為例，闡述其電氣系統的設計及混合推進系統在電力系統設計中發揮的重要作用。同時，介紹該船主推進遙控系統、自動化系統和氣體泄漏探測與安全系統的設計。該類型船的成功應用可為相關船型的電氣設計提供參考。

滾裝船；船舶電氣；混合軸帶發電機（HSG）；純氣體燃料發動機；液化天然氣（LNG）安保；推進控制

0 引 言

環保問題已是當今社會研究的熱點，為滿足日益嚴苛的CO2及污染物排放要求，研制采用清潔能源的發動機逐漸成為發動機制造業發展的方向。隨著人們對環保問題不斷關注及國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的TierⅢ排放標準出臺，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）燃料動力船舶在環保方面的獨特優勢更加明顯。LNG燃料可從源頭上解決CO2及污染物排放問題并完全滿足IMO TierⅢ的要求。與使用常規燃油的內燃機相比，以LNG為燃料的內燃機的減排效果和環保性能十分顯著，其中：CO2排放量降低約22%；SOx排放量降低約100%；顆粒物排放量降低約100%；NOx排放量降低約92%[1-2]。

這里以羅爾斯-羅伊斯船舶制造（上海）有限公司（以下簡稱羅爾斯羅伊斯）設計的世界上首艘5000dw t多用途純天然氣動力滾裝船為例，闡述其電氣系統的設計及混合推進系統在電力系統中發揮的作用，并介紹主推進遙控系統、自動化系統和氧化泄漏探測與安全系統的設計。該船長112m，載重量5000 t，結合天然氣發動機推進系統、最新的船舶線型設計及混合推進技術達到環保的目的，包括可從根本上降低SOx及CO2排放量，比同類型船舶減少約40%。

1 主要負載分析及計算

該船可運載集裝箱、汽車和冷藏貨物，露天甲板上可裝載125TEU集裝箱并安裝有最大起重量為80 t的吊機，艏部配置700kW的側推器用于進出港機動。表1為該船的主要負載設備功率需求，表2為該船不同工況下所需的電力負荷。

表1 5000dw t多用途船主要負載設備功率需求

表2 5000dw t多用途船不同工況下所需的電力負荷

2 電力系統設計

目前以LNG為燃料的船舶多采用中速四沖程雙燃料發動機或單一氣體燃料發動機，其中雙燃料發動機可在2種燃料模式下工作，根據不同的工況自動切換。然而，該船的主機為羅爾斯羅伊斯生產的純天然氣動力發動機，如何在LNG供氣系統出現故障時保證船舶不失去推進動力并滿足相關船級社規范要求是該船設計的難點。

出于推進系統冗余考慮，該船采用羅爾斯羅伊斯的混合軸帶發電機系統。主機的額定功率為3940kW，通過減速齒輪箱連接可調螺距螺旋槳，同時連接功率為 1400kW 的軸帶發電機，實現動力輸出裝置（Power-Take-Out，PTO）功能。該船配有2臺功率為700kW的柴油發電機組，當主機出現故障無法運行時，可使用2臺柴油發電機組，軸帶發電機作為電動機工作，帶動螺旋槳作應急推進系統，實現PTH（Power Take Home）功能。

混合軸帶發電機系統（Hybrid Shaft Generator，HSG）是一種基于主動前端變頻器的新型軸帶發電機系統，由羅爾斯羅伊斯最先提出。該系統以普通異步感應電機作為軸帶發電機（或推進電機）。在PTO模式下，軸帶發電機發出的電能經主動前端變頻器整定為頻率和電壓穩定的電能，供應到配電板上，主機不再需要保持轉速恒定。這樣就可進一步優化主機的轉速和可調螺距螺旋槳的螺距，使主機工作在更為節能、高效的轉速點上。在PTH模式下，主機停車，主動前端變頻器吸收配電板上的電能，用以驅動感應電機和螺旋槳，可根據船舶運行的實際工況在PTO/PTH模式下自動切換。這種基于絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）技術的軸帶發電電動裝置采用全控型器件進行脈寬調制，節能效果較好，電網諧波低[3-4]。

該船電力系統單線圖見圖1，其設計具有以下特點：

1) 整個電力系統由1臺1400kW的軸帶發電機和2臺700kW的柴油發電機組成，運行軸帶發電機完全可以滿足船上電力負荷的需求。

2) 440V主匯流排分成2段，分別連接1400kW的軸帶發電機和700kW的柴油發電機組，功率上達到平衡配置。

3) 配電系統最突出的優勢在于 1400kW 的軸帶發電機屏可與柴油發電機屏長期并車，由功率管理系統根據發電機的容量按比例分配負荷。

4) 艏側推器作為船舶最大的負載，不是直接連接到主匯流排，而是通過軸帶發電機的驅動控制系統來驅動。在軸帶發電機運行時，可不通過主匯流排，而是由軸帶發電機驅動系統直接驅動側推器。在啟動柴油發電機（軸帶發電機不運行）時，可由主匯流排的電力來驅動側推器。

5) 岸電也是通過軸帶發電機驅動控制柜連接到主匯流排的。在驅動控制柜上設置岸電控制屏，充分利用主動前端變頻器的優勢，不論岸電頻率是50Hz還是60Hz，經過變頻器的整流和逆變環節，都能在主配電板上得到頻率穩定的電力供給。

由以上分析可知，整個電力系統設計非常靈活，船舶可在多種工況下工作。表3為船舶不同運行模式下的配電狀態。

表3 船舶不同運行模式下的配電狀態

3 自動化系統

3.1 主推進裝置及控制

主機采用羅爾斯羅伊斯生產的B35:40L9PG四沖程氣體發動機（MCR3940kW，轉速750 r/m in）；整套推進系統也由其提供，包含齒輪箱、PTO/PTH軸帶發電機、軸系和調距槳。主推進系統采用“中速機+齒輪箱+調距槳”的方案，有多種工作模式（見圖2）。齒輪箱內有主離合器、PTO離合器和PTI離合器。在常規推進模式下，只有主離合器嚙合，主機通過主輸出軸帶動螺旋槳；在PTO模式下，主離合器和PTO離合器嚙合，主機在驅動螺旋槳的同時帶動軸帶發電機發電；在PTH模式下，主機不運行，PTI離合器嚙合，軸帶發電機以電動機模式工作，驅動螺旋槳。此外，在港口具有排放限制的區域還可使用停泊發電模式，該模式下PTO離合器嚙合、主離合器脫開，主機只用來驅動軸帶發電機。

推進器控制系統對主推進調距槳和艏側推器集中控制。圖3為全船推進器控制系統布置圖。

1) 在駕駛室的左翼、右翼和主駕控臺設有控制站。各控制站均包含各推進器單獨的指示儀表、控制手柄及觸摸屏電腦人機界面。調距槳控制手柄同時輸出螺距命令和主機轉速命令，實現聯合控制。

2) 在集控室控制站設有主推進調距槳的控制手柄和觸屏人機界面，集控室控制站對主推進裝置的控制具有優先權。

3) 艏側推器只在駕駛室控制螺距。側推器是由變頻器驅動調距槳。控制手柄的位置按照控制系統內預先標定的聯合控制曲線標定相應的電動機轉速和側推器螺距。

4) 控制系統為雙總線的冗余設計，指示系統通過單獨的總線傳輸信號。局域網系統連接所有觸屏電腦人機界面。每個手柄中都設有2套控制電位器并單獨供電，使主控制系統和備用控制系統均為隨動控制。

5) 所有控制站的觸屏人機界面上的信息都是相同的，即顯示所有推進器的相關信息；在人機界面上可對控制位置進行轉換，控制相關伺服泵的起停、側推變頻器的啟動與復位及PTH/PTO齒輪箱模式的轉換。

3.2 全船自動化系統

整個自動化系統基于冗余以太網通信設計，集成機艙監測報警系統、泵控閥控系統、液位測量系統、功率管理系統、LNG控制系統及LNG安全系統。在駕駛室、集控室、輪機長房間和貨控室設有控制站。控制站通過冗余以太網經網絡交換機連接各子系統。在自動化系統中預定義不同的船舶操縱模式，通過自動化系統實現推進控制系統、功率管理系統、齒輪箱離合器控制系統及軸帶發電機控制系統之間的聯合控制，船員只需在工作站計算機上即可實現不同操作模式之間的自動切換。圖4為集成自動化系統結構圖。

3.3 LNG探測及安全系統

由于采用混合推進技術，因此當LNG燃料系統發生故障必須停止使用時會自動切換到PTH模式，采用柴油機電力推進方式保障船舶的推進功能。為避免在PTO模式下全船失電，柴油發電機組必須在檢測到LNG燃料系統報警并自動轉換到PTH模式之前啟動。一旦觸發安保系統，將有多種類型的動作發生（見表4）。

表4 LNG安全系統警報分類

LNG安保系統在檢測到氣體泄漏時將關閉供氣系統，避免天然氣泄漏到非危險區域。在所有可能發生氣體積累和/或相應通風出口處安裝氣體泄漏探測裝置。該船在LNG加注站、冷箱（儲罐連接處所）、壓力整定單元、氣閘、膨脹箱、主機進氣管路、主機上方及機艙布置有天然氣泄漏探測傳感器（見圖5）。

4 結 語

羅爾斯羅伊斯設計的5000dw t多用途純天然氣動力滾裝船的首制船“Kvitbj?rn”已于2015年交付給挪威船東Norlines公司，并單純依靠LNG燃料成功完成了史上最長的航行[5]，證明了羅爾斯羅伊斯純氣體發動機技術的可靠性。

[1] 金寶燕，鄭玄亮. 液化天然氣雙燃料動力港作拖輪設計研究[J].船舶與海洋工程，2013 (2): 35-39.

[2] 林建輝，陸晟. 小型LNG船推進方案綜述[J]. 船舶與海洋工程，2012 (3): 52-55.

[3] 郭燚，李碩，許慧敏，等. AFE變頻器在船舶電力推進電機控制中的應用[J]. 上海海事大學學報，2014, 35 (4): 68-74.

[4] 中國船舶工業集團公司，中國船舶重工集團公司，中國造船學會. 船舶設計實用手冊（電氣分冊）[M]. 3版. 北京：國防工業出版社，2013.

[5] Rolls-Royce 公 司 . Rolls-Royce powers the world’s longest journey by LNG at sea[EB/OL]. [2016-02-15]. http://www.rolls-royce.com.

Electrical Design of a LNG Powered 5000dw t M ulti-Purpose RORO Vessel

XIA M ing-kuan
（Rolls-Royce Marine Manufacturing (Shanghai) Lim ited, Shanghai 201204, China）

Taking the world’s first LNG powered 5000dw t multi-purpose pure RORO vessel designed by Rolls-Royce as example, this paper elaborates the electrical system design and the important role that hybrid propulsion system plays in the electrical system. It also introduces the design of the main propulsion remote control system, the automation system and the gas leakage detection and security system. The success of the ship type can provide reference for the electrical design of the sim ilar ships.

RORO vessel; marine electrics; HSG; LNG powered engine; LNG safety; propulsion control

U674.13+8；U665

A

2095-4069 (2017) 03-0046-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.010

2016-05-25

夏明寬，男，工程師，碩士，1980年生。2005年畢業于哈爾濱工程大學控制理論與控制工程專業，現從事船舶電氣自動化系統技術支持及應用工作。