210000DWT散貨船軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用

陳文騰 王剛 曹森 謝春萌

摘 ? ?要：本文重點(diǎn)介紹我司210000DWT散貨船電力系統(tǒng)配置、各種工況下電力負(fù)荷、軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的類型等。描述在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的安全措施，分析不同系統(tǒng)配置的經(jīng)濟(jì)性，并展望了軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在遠(yuǎn)洋散貨船的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)洋散貨船;軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng);安全性;經(jīng)濟(jì)性

中圖分類號(hào)：U665.11?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The main configuration scheme and application of power system of the ocean-going bulk carrier are introduced. The electric system configuration， the power load under various working conditions and the type of shaft generator system of the 210 000 DWT bulk carrier are emphatically introduced. Safety measures adopted in the design process， economy of different system configurations are analyzed. The prospect of shaft generator system in the ocean-going bulk carrier is expected.

Key words： Ocean-going bulk carrier; ?Shaft generator system; ?Safety; ?Economy

1 ? ? 前言

近年來(lái)，遠(yuǎn)洋船舶的營(yíng)運(yùn)成本呈逐年上升趨勢(shì)，我司為了獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益、降低營(yíng)運(yùn)成本，在為幾內(nèi)亞航線新建的一批210 000 DWT散貨船上首次應(yīng)用了軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，并且計(jì)劃在325 000 DWT礦砂船上也推廣應(yīng)用該系統(tǒng)。

軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能夠有效利用主機(jī)富裕的功率，提高船舶效率，提升船舶EEDI水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。該系統(tǒng)在大、中型集裝箱、特種船等船舶上得到廣泛應(yīng)用。隨著成本、排放矛盾的加劇，各航運(yùn)公司開(kāi)始嘗試在遠(yuǎn)洋散貨船、礦砂船上應(yīng)用該系統(tǒng)。

2 ? ? 軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)分類

（1）根據(jù)是否可以變轉(zhuǎn)速運(yùn)行分為：定轉(zhuǎn)速型和變轉(zhuǎn)速型;

（2）根據(jù)控制原理分為：簡(jiǎn)單型;無(wú)功功率補(bǔ)償型;有功功率控制型。

其中：定轉(zhuǎn)速型一般應(yīng)用在中、高速主機(jī);隨著船舶的大型化，主機(jī)的功率不斷增大、轉(zhuǎn)速越來(lái)越低，且電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，有功功率控制型逐漸成為主流：有功功率控制型允許主機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化，發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電經(jīng)過(guò)整流、逆變等變頻控制，最終向電網(wǎng)提供恒頻、恒壓的電源;有功功率控制型的逆變環(huán)節(jié)，采用象限可控PWM逆變技術(shù)，調(diào)節(jié)輸出電壓與電流的相角，向電網(wǎng)提供有功功率和無(wú)功功率;輸出電壓諧波可以控制在5%以內(nèi)，可與柴油發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，有效地解決了以往軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并且成本亦有較大降幅。

3 ? ? 電力系統(tǒng)配置方案與使用工況

3.1 ? 主機(jī)參數(shù)和電力系統(tǒng)配置方案

210 000 DWT散貨船采用低速主機(jī)+定距槳的配置，軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用抱軸式、有功功率控制型。

主機(jī)型號(hào)：WinGD 6X72‐B或MAN 6G70ME‐C9.5

持續(xù)功率（CSR）：11 965 kW X 63 r/min （78.2% CMCR）;

燃油消耗率： 156.0 g/kWh+6% （Tier II）;

滑油消耗：48 kg/24 h;

柴油發(fā)電機(jī)組：950 kW、AC450 V、60 Hz三臺(tái);

軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（PTO）：1 050 kW、AC450 V、60 Hz一臺(tái)。

3.2 ? 電力系統(tǒng)使用工況

正常航行：電力負(fù)荷為794.7 kW，軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)工作;

進(jìn)出港：電力負(fù)荷為1 555.7 kW，二臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行;

裝卸貨：電力負(fù)荷為1 281.1 kW，二臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行;

停泊：電力負(fù)荷為520.7 kW，一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

3.3 ?軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)原理

對(duì)于轉(zhuǎn)速為100 r/min以下的主機(jī)，軸帶發(fā)電機(jī)一般采用低速它勵(lì)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)更為安全可靠。其主要組成部分：發(fā)電機(jī)定子、發(fā)電機(jī)電極、冷卻裝置、整流器裝置、控制屏以及1對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器。

控制屏由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)控制器、頻率控制器、觸發(fā)脈沖發(fā)生器、電流控制器、故障檢測(cè)器等組成;采用二次換流設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)定子輸出的交流電通過(guò)整流器轉(zhuǎn)變成直流電，再逆變轉(zhuǎn)換為恒定頻率、恒定電壓的交流電，見(jiàn)圖1、圖2所示。

由于采用的是PWM逆變控制技術(shù)，軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能夠向電網(wǎng)提供所需的恒壓、恒頻電源，同時(shí)提供有功和無(wú)功功率（功率因數(shù)cosφ=0，8），PWM逆變器是由一個(gè)快速信號(hào)微處理器系統(tǒng)控制的;通過(guò)在直流環(huán)節(jié)配置斬波器及電阻來(lái)避免中間直流電路過(guò)電壓。

3.4 ?軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全措施

（1）本船采用的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是最新一代產(chǎn)品，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速等于和大于50 r/min時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)保持額定功率輸出;當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速在50～45.8 r/min之間時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)輸出功率與其轉(zhuǎn)速成正比例下降;當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到45.8 r/min時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)輸出功率為640 kW;當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速低于45.8 r/min時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行、SG主開(kāi)關(guān)跳閘。

（2）軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有下垂特性曲線（見(jiàn)圖3）。通常空載電壓在450～460 V時(shí)，壓降約2%～3%，與柴油發(fā)電機(jī)具有相同的電壓降，確保軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)連續(xù)并聯(lián)運(yùn)行。

（3）變頻器提供300%左右的短路電流，以滿足該短路電流可以完成選擇性保護(hù)的要求：

變頻器提供的短路電流為4 400 A>1 377 A（短路電流）;

軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)效率約90%，總諧波失真（THD）小于5%;

當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)功率達(dá)到95%、時(shí)間t≥2 s時(shí)，電站進(jìn)行二級(jí)優(yōu)先脫扣;

當(dāng)系統(tǒng)輸出電流達(dá)到200%、或由于其它異常使輸出電流達(dá)到200%、或發(fā)生外部短路的情況時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的勵(lì)磁停止、主開(kāi)關(guān)ACB切斷，軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)停止工作;

（4）發(fā)電機(jī)組定子與轉(zhuǎn)子之間，通常設(shè)計(jì)氣隙為7mm;

（5）為了解決軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性問(wèn)題，電纜布置嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)則、指南和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。如：電纜接線部分只去除接地匯流排附近的電纜外護(hù)套，保留電纜屏蔽層;通訊電纜屏蔽層一直保留到接線端子前50～100 mm的距離;用不銹鋼電纜扎帶固定電纜，電纜屏蔽層接地3 60o連接船體等。

4 ? ?軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)方案的經(jīng)濟(jì)性

4.1 ?經(jīng)濟(jì)性分析

通常船舶主機(jī)的功率都有12%～15%的裕量，主機(jī)效率也比柴油發(fā)電機(jī)組高。船舶安裝軸帶發(fā)電機(jī)，航行中使用軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可完全替代柴油發(fā)電機(jī)組，只在錨泊、進(jìn)出港＼靠離碼頭、壓載水處理時(shí)使用柴油發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)初步核算：

（1）燃油費(fèi)用：本船在滿載/壓載、14 kn航速工況，每天可節(jié)省油耗0.4 t/0.9 t;滿載/壓載、12 kn航速工況，每天可節(jié)省油耗1.0 t/0.9 t;按年航行250天計(jì)算，每年節(jié)省燃油成本約10.5萬(wàn)美元;

（2）滑油費(fèi)用：在航行時(shí)不使用柴油發(fā)電機(jī)組、按照使用工時(shí)每1 000小時(shí)更換一次滑油統(tǒng)計(jì)，使用軸帶發(fā)電機(jī)時(shí)柴油發(fā)電機(jī)減少更換滑油次數(shù)5～6次，每年可節(jié)省滑油費(fèi)用約1萬(wàn)美元;

（3）備件維修費(fèi)用：柴油發(fā)電機(jī)組僅在錨泊進(jìn)出港靠達(dá)碼頭、壓載水處理時(shí)才投入運(yùn)行，軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的維修工作量要比柴油發(fā)電機(jī)組少，維修周期延長(zhǎng)，減少了備件費(fèi)用，每年可節(jié)省備件費(fèi)用約2萬(wàn)美元左右。

（4）整套系統(tǒng)（含軸帶發(fā)電機(jī)和變頻設(shè)備）初始投資約100萬(wàn)美元，即8年左右可以收回初投資成本（不包括船員減配的效益）。

4.2 ? 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）節(jié)省燃油、減少燃料費(fèi)用。同時(shí)減少發(fā)電機(jī)組滑油消耗量;

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便快捷，減少船員工作量，降低維修費(fèi)用;

（3）節(jié)省機(jī)艙空間，增加載貨量;

（4）柴油發(fā)電機(jī)組一般是中速、四沖程機(jī)，轉(zhuǎn)速一般為900-1 500 r/min;而大型船舶主機(jī)一般是低速、二沖程機(jī)，轉(zhuǎn)速在100 r/min以內(nèi)。所以采用軸帶發(fā)電機(jī)可降低機(jī)艙噪聲、減少機(jī)艙熱源、改善工作環(huán)境;

（5）利于能量綜合利用，主機(jī)的排氣余熱可以得到更為有效的利用;

（6）減少船員配置，減輕船員的勞動(dòng)量;

（7）提升船舶EEDI。

4.3 ? 系統(tǒng)的缺點(diǎn)

（1）初始投入較高，配置940～1 000 kW的發(fā)電機(jī)，需增加初始投資約80～120萬(wàn)美元;

（2）軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)只能在主機(jī)額定轉(zhuǎn)速80%-105%的范圍內(nèi)使用，使用范圍受到一定的限制;

（3）對(duì)于中、低速柴油機(jī)，為保證電壓/頻率的恒定，其控制系統(tǒng)更為復(fù)雜;

（4）軸帶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，須考慮與其它發(fā)電設(shè)備的連鎖及轉(zhuǎn)換。

5 ? ?結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，210 000 DWT散貨船作為大型遠(yuǎn)洋船舶，使用軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能、環(huán)保的作用。柴油發(fā)電機(jī)主要是在錨泊進(jìn)出港靠達(dá)碼頭、壓載水處理時(shí)使用，安全可靠性明顯提高。另外，由于主發(fā)電機(jī)年運(yùn)行時(shí)間大大減少，船東可考慮將柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)改為最大1 200 r/min的中速柴油機(jī)，減小機(jī)艙發(fā)電機(jī)布置空間，增加載貨量。

210 000 DWT散貨船使用軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，對(duì)于我司今后遠(yuǎn)洋散貨船、礦砂船電站優(yōu)化方面將起到引領(lǐng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]船舶機(jī)電應(yīng)用技術(shù)[J]. 航海技術(shù).