全電力推進船舶的運行維護與管理

張博山，喬顯輝

（青島海洋地質研究所，山東青島 266237）

0 引言

隨著電力電子技術中大功率調速技術的逐漸成熟，船舶電力推進系統的可靠性、運行效率和推進功率等運行指標被大幅提高[1-3]。電力推進技術的日益成熟，使船舶電力推進系統成為船舶電力系統中的負荷之一，稱為全電力推進船舶。不同于傳統船舶，全電力推進船舶不需再通過齒輪箱與原動機相連，而是由船載發電機作為原動機為船舶電力系統供電。從而，可用高速柴油機或燃氣輪機[4]替換原有的低速柴油機，從而大幅提升船舶運行效率。

1 電力推進系統的組成

綜合全電力推進系統, 將船舶的電力系統和推進系統組成一個整體, 電力推進船舶，主要指船舶的主推進系統是由電動機所帶動的，其利用發電機（一般為柴油機發電機組、燃氣輪機發電機組或渦輪機發電機組）把機械能轉化為電能,再通過電動機把電能轉換成機械能，實現了能量的非機械方式傳遞。在民用船舶領域，電力推進技術的發展已經相當成熟，應用范圍十分廣泛。ABB、SIEMENS、ALSTOM和STNATLAS等各大公司紛紛推出了電力推進的主推進系統和相應的控制系統。在系統硬件結構方面，先進的船舶電力推進系統大多采用吊艙式或推進電機-齒輪箱-軸-槳的結構型式。

船舶綜合全電力推進系統包括發電、輸電、配電、變電、推進系統、儲能系統、監控系統和電力管理系統。以“海洋地質九號”船為例，該型船舶采用ABB推進電機、變頻器+齒輪箱+螺旋槳的架構。其電力推進系統構成見圖1。

圖1 “海洋地質九號”船綜合全電力推進系統圖

在該型全電力推進船舶電力系統中，柴油機驅動690 V發電機發電，經過供電單元和配電單元等，為電力系統中負荷供電。2套主推進單元按照虛擬24脈沖形式設計。每個主推進單元主要包含主推進移相變壓器、主推進變頻器（含變頻器驅動控制系統）、主推進電機、后傳動系統（含高彈、齒輪箱、軸系、可調槳及附件）。

推進系統中包括，艏艉2個側推單元（按照虛擬24脈沖形式設計），各側推單元包含艏/艉側推進移相變壓器、艏/艉側推變頻器、艏/艉側推進電機、艏/艉側向推進器。

2 電力推進系統各模塊的功能

2.1 690 V 柴油機發電機組

發電機組包括柴油原動機和發電機2部分。發電機組將機械能轉化為電能，經配電裝置和輸電裝置供推進電機使用[5]。

該型全電力推進船舶的船用柴油機采用4臺Wartsila九缸機，發電機為ABB公司原產AMG系列，額定轉速為1 000 r/min。發電機為三相無刷同步發電機，電壓等級為低壓690 V，頻率50 Hz。由每臺機組配置的機組控制器來分別控制，最終通過電站功率管理系統（Power Management System，PMS）進行綜合控制[6-9]。

2.2 主配電板

690 V主配電板共計14屏，母排分成兩段，中間通過母聯斷路器連接。配電板所有斷路器均選用ABB產品。此外，主配電板內裝設1套電站管理系統。配電板為各發電機和用電設備提供保護功能[10-13]，如差動（僅針對主發電機組設置）、過載、短路、欠壓、逆功等保護功能。PMS系統安裝在配電板內。

2.3 電站功率管理系統（PMS）

電站功率管理系統（PMS）能在獨立的電網中控制和管理發電設備，其能夠在所有操作狀態中不中斷供電，為用戶提供足夠的電能。電站功率管理系統也包括網絡的保護和電功率的集成。當供電系統出現故障時，功率管理系統會采取相應措施，盡可能保證對負載的連續供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性[14-17]。

系統采用“冗余電站控制器+冗余網絡”的分布式控制形式，系統拓撲結構圖見圖2，2套冗余的SCU模塊作為電站管理主站，發布全局控制指令，每臺機組配置1套C4模塊作為控制從站，完成機組控制功能。

圖2 PMS 系統拓撲圖

2.4 主推進系統

本船推進系統為雙機雙槳電力推進型式，分為主推進電力驅動系統及后傳動系統[18]。

主推進電機發出的功率通過高彈性聯軸器傳遞給齒輪箱，經齒輪箱減速后通過螺旋槳軸帶動調距槳轉動用于船舶推進。推進系統采用電力推進+調距槳的模式，通過電機的無級調速配合螺旋槳螺距的調節，達到在不同工況下的船-機-槳的優化匹配。

主推進系統移相變壓器選用TRASNFOR公司空水冷產品，主推進變頻器選用ABB公司ACS800系列12脈水冷變頻器，主推進電機選用ABB公司AMI系列空水冷變頻電機，單推進支路的額定輸出功率為2 400 kW。

主推進電力驅動系統采用變頻器驅動推進電機的型式，見圖3，采用虛擬24脈沖的結構設計，2套12脈沖移相變壓器為主推進系統的變頻器供電，每套移相變壓器均有2套三相次級繞組。在每套變壓器的兩套次級繞組之間存在30°電位移，2套變壓器的原邊繞組相對于電網分別存在+7.5°和-7.5°電位移。在兩套變壓器同時工作的情況下在690 V母線形成虛擬24脈沖整流系統，可以有效抑制系統的諧波。

圖3 主推進系統線路圖

值得注意的是，當推進電動機同時工作時，其最佳的工作狀態為各推進電機能夠承擔較為均衡的負載推力。此外，為了避免在斷路器閉合時出現大沖擊電流，變壓器具有預充磁功能，對預充磁及推進變壓器的操作均由推進變頻器控制。

考慮到推進系統與電站系統的一體化集成設計，推進負載占電站容量的比重較大，推進系統的運行狀態應與電站系統運行狀態相匹配。推進控制系統中的推進控制系統（RCS）與電站管理系統（PMS）之間建立實時通信，RCS能基于PMS提供的電站運行狀態做出及時響應，如當電站處于欠壓、欠頻或是某一機組應急停機狀態時，RCS能根據設定的程序進行推進功率的限制甚至停止推進變頻器的運行來達到保護電站的目的。

2.5 側推進系統

本船配置艏/艉部側向推進器兩套，每套采用12脈變頻驅動定距槳的形式，系統結構如圖4所示。艏/艉側推電力驅動系統的組成主要包括：艏/艉推移相變壓器、艏/艉側推變頻器、艏/艉側推電機、艏/艉推進器。

側推進系統移相變壓器選用TRASFOR公司空水冷產品，側推進變頻器選用ABB公司ACS800系列12脈水冷變頻器，側推進電機選用ABB公司AMI系列空水冷變頻電機。艏推進支路的額定輸出功率為850 kW，艉推進支路的額定輸出功率為600 kW。

2.6 推進遙控系統

本船推進系統如2.5節所述，其推進系統包含2套主推進遙控、2套側推進遙控、2套舵機控制系統、應急車鐘、UPS電源裝置和舵角指示器等。

由主推進控制系統布置架構可知（見圖4），2套主推進控制系統具備聯動操縱功能。推進控制系統由具有冗余功能的現場總線互相連接而成的DPU組成，通過操作面板實現操控，和動力定位系統綜合在一起實現全船操縱。

圖4 側推進系統線路圖

分布式的系統能夠將DPU就近布置到控制系統附近的位置、第三方電箱、接線盒或者主機上，通過友好操作的面板實現操控。

主操作面板用于機艙集控室和駕駛室，其涵蓋一個高精度的顯示器和手柄，和Kongsberg動力定位系統綜合在一起能實現全船操縱概念。在駕駛室控制位置可以完成聯合及各手柄控制、自動艏向控制和位置控制等功能。

Kongsberg自動化系統能為推進器提供監測、輔助系統控制等，并有各系統當前報警點、狀態信息、數據記錄和報告。

推進控制系統能夠監測推進系統內所有設備（包括主配電板、推進變頻器、推進電機、舵槳）的運行狀態，對冷卻風扇等輔助設備進行相應的控制，同時結合推進控制功能，對系統設備進行相應的保護。其中一些是用來防止推進系統內的設備過載的，其余用來保護供電系統[20]。

系統提供的保護功能的一個重要目的是為了防止供電系統發生“全船失電”情況，而推進負載是供電系統中的最大負載，因此系統將設置多種保護措施以防止推進系統引起的全船失電，系統將監測供電系統的狀態，包括在網機組數量與功率裕量等必須的信息。

2.7 K-Chief 600 自動化系統

該系統包含自動電站管理系統（PMS）1套、全船監測報警系統（ICS）、液位遙測系統1套、閥門遙控系統1套、輔助設備控制系統1套；該型船自動化系統采用KONGSBERG K-Chief 600，該型自動化系統基于分布式的數據采集處理模塊，可以實現在所有控制網絡上的K-Chief工作站之間進行實時的數據信息交換、控制和顯示，可以和控制網絡上的其他子系統實現內部通信接口，從而實現K-Chief系統工作站到工作站以及子系統到子系統之間的集成。

系統的自檢功能實時檢測系統本身的工作狀況，包括各個組成部分以及系統內部通信。系統采用基于工業以太網的環網架構，當一條數據鏈路出現故障時，工業交換機會自動搜尋、建立另一條備用數據鏈路，保證數據通信不間斷。

推進控制系統最基本的功能是響應操作人員的命令進而控制螺旋槳推力大小或推力方向的輸出，同時結合變頻器完成對系統的監測與保護。

3 全電力推進船舶設備的維護

有別于常規的船舶推進方式，全電力推進船舶的電站系統、主推進系統、自動化系統及推進遙控系統的設備在使用維護中要重點關注[21-22]。

3.1 全電力推進船舶控制系統運行維護

以該型船自動電站系統為例，該型船投入運行1年左右時間，在一次靠港期間，因海況不良，駕駛員操縱船舶時，2臺主推進器、艏艉側推進器同時使用，此時2臺發電機在網運行，另2臺主發電機在并網運行時皆超85%額定負荷，此時，功率限制未起作用，造成電站超負荷，極易發生全船失電的安全事故。檢查發現推進控制系統（RCS）與電站管理系統（PMS）之間實時通信響應時間為200 ms，電站運行狀態未做出及時響應，后時間調整為100 ms，測試電站各項功能正常。

對于自動電站系統，其故障率相對較少，但是輪機人員日常檢查和定期維護保養工作是必不可少的。應定期檢驗柴油機各傳感器的功能，如轉速、壓力、溫度傳感器等。應對各種報警定期檢測，如漏油報警、壓差報警、負載分配總線故障報警、主速度傳感器報警、備用傳感器報警、控制系統高溫報警和啟動失敗報警等。定期對主發電機組安保系統測試。定期檢查發電機內部接線、檢查發電機內部冷/熱空氣系統，并清潔灰塵[23]。

機艙監測報警系統，報警點數量多，信號源涵蓋開關量、模擬量、脈沖量；各種壓力、溫度、流量、壓差等儀表設備布置復雜[24]，因此需對每個數據采集單元（采集箱）內的接線定期檢查緊固，如主發電機控制箱內發電機繞組溫度檢測接線端子由于機組震動、松動或斷開，造成繞組高溫報警，繼而出現停機故障，影響船舶安全。

除以上的常規維護工作，針對本船自動電站系統的特點，見圖5 PMS系統拓撲圖。

圖5 全船推進控制系統（PCS）拓撲圖

其系統配置2套SCU網段控制器（網絡管理、2個網段分隔，冗余供電、在PMS和IAS之間形成冗余、和IAS之間是開放CAN通信、PMS主站功能）；4套DPU C4-DGC模塊（控制每臺主發電機，包括：柴油機起/停、斷路器同步和連接、斷路器減載和斷開、發電機的負載分配控制、發電機的頻率控制）；5套DPU C3-DP模塊（控制每臺主發電機的保護功能，包括：短路保護、逆功保護、過電流保護、過電壓保護、低電壓保護、超頻保護、欠頻保護、差動保護）；5套DPU C3-DP 模塊（控制每臺主發電機的保護功）及其他DPU模塊。

由此可見，DPU（分布式處理單元）在全電力推進船舶控制系統中應用廣泛，如該船的PMS系統、全船推進控制系統（PCS）、自動化系統等，都使用了DPU[25]。

因此，在平時的運行維護與管理中，還要注意以下問題：

1）DPU的管理維護。所有DPU模塊均采用統一金屬外殼密封式封裝，內部電路智能化設計，不存在可維修部件，無需跳線設置，若故障，通過報警信息確定地址后，根據指示燈不同組合進行模塊斷電重啟、從ROS模塊重新加載、直至更換DPU模塊。

2）關于各系統后備電池UPS。系統運行一定期限后，及時更換電池，更換時需參照說明書，對電池的使用壽命、更換周期做出統計和記錄，定期查閱；更換電池盡量不斷電進行。如該船推進控制系統（K-Thrust 700）單獨配置有2套交流不間斷電源（UPS），其中一套給左舷主推進和艏側推系統內設備應急供電，另一套給右舷主推進和艉側推系統內各設備應急供電。UPS電制為AC220 V，后備時間不小于30 min。視產品質量而定，UPS的使用壽命一般為3年左右，根據電池容量的衰減情況，定期檢查，及時更換（一般UPS有故障報警）。

3）關于電路板的更換，檢修時，嚴防帶電進行線路板的插拔工作。更換線路板需注意，更換同類型線路板時，嚴格遵守說明書規定和說明進行操作，更換線路板之前斷電，更換結束再通電。

4）控制系統的防護。所有電子設備都對靜電放電（ESD）敏感。特別是在各控制系統設備附近進行熱工作業時（電、氣焊等），需采取一切必要措施，將設備遭ESD損壞風險降到最低或消除。

3.2 全電力推進船舶核心設備運行維護

以該型船主推進變頻器（ACS800系列12脈水冷變頻器）為例，一般包含BRU制動、DSU二極管整流、INU逆變、LCU水冷柜等固件，變頻器因其構造特點，對使用環境要求較高，對電氣設備運行影響比較大的環境條件有溫度、濕度、空氣污染狀況以及大氣壓等，電氣設備在運行中如果溫度過高或過低，超過允許極限值時，都可能產生電氣設備故障。

比如該型船的主推變頻器、移相變壓器、制動電阻等重要設備就集中布置在一個艙室，該艙室提供單獨的空調保證艙內溫度及濕度滿足設備運行要求。

從變頻器的常見故障種類來看，如變頻器IGBT過溫、RMIO控制板溫度超過了允許的范圍、幾個并聯制動模塊中的某個制動模塊的內部溫度過高、制動模塊AINT板過溫等，都與環境溫度有一定的關聯，因此日常保證該艙室空調裝置的正常運行至關重要，特別是航行在夏季高溫高濕高鹽的海域，更是要時刻關注。本船艏側推變頻器安裝在艏側推間（靠近船艏），此處僅布置1臺風機換氣，多次檢查發現IGBT板有腐蝕發黑跡象（見圖6），針對此問題，后期計劃在該艙室加裝除濕機1臺，以改善環境。冬季北方港口停泊期間，注意采取防凍措施，尤其是在停航接岸電及進船塢修理期間，如不能保證環境溫度0 ℃以上，建議放空LCU水冷柜中冷卻液（加冷凍液除外），以免冷卻系統的連接部位凍壞，產生滲漏。

圖6 IGBT 板有發黑跡象

此外，保持艙室空氣清潔、減少灰塵進入也非常重要，變頻器各單元柜依靠其內部的風機來散熱，過多的灰塵集聚會影響其部件的散熱、甚至降低電子元件的絕緣及使用壽命，對設備的危害極大。

電接觸不良是導致各類電氣故障的重要原因，尤其安裝在震動劇烈區域的電氣設備，如柴油機、空壓機、大功率泵等附近的控制箱尤其在電推船上，數量龐大的各種接觸器、繼電器、開關等的維護加大了工作人員的工作量，因此全電力推進船舶對工作人員的技術要求越來越高，同時對工作人員的相關電氣知識的學習能力也提出了更高的要求。

對于主推進變頻器：

1）建議定期對主推進系統（變頻器）檢修保養，由廠家進行，至少2年1次。

2）變頻器的故障率雖然不高，但是需要配備適量備件，考慮到船上的可操作性，以及現場推進器使用的RDCU眾多，至少需要給主推的DSU二極管整流 及 INU 逆變配備相應的RDCU。電腦上安裝變頻器軟件drive window后，即可打開相應的參數備份，實現微代碼刷新（處于隨時可用狀態）。

3）如果主推的RDCU 故障，可使用艏艉側推的RDCU代替。

然而，因步驟過多，注意項眾多。用戶在現場操作可行性不大。建議如果想這樣操作，可聯系ABB技術人員，遠程指導執行。

3.3 系統電能質量對運行維護的影響

因全電推進船舶的特點，主推變頻器、側推變頻器驅動負載在運行過程中產生的電壓諧波可能會對艙內其他電氣設備產生不良影響，如引發電動機、變壓器等的損耗增加，損壞設備。造成繼電器誤動作，干擾電子系統和電力通信系統等問題。通常用總諧波失真（Total Harmonic Distorition, THD）來描述系統電能質量，雖然該船的690 V母線上總電壓諧波畸變率最大為：THD=2.65%。400 V母線上總電壓諧波畸變率最大為：THD=2.08%，滿足CCS規范要求。考慮到船舶運行的不同工況（航行、停泊、拖帶作業等），其諧波畸變度差異還是比較大的。建議在分析、處理某些電氣故障時，可適當考慮諧波的影響因素。

全電力推進船舶中，電能質量問題主要有2方面影響[26-30]，一方面會降低設備的使用效率和可靠性，影響敏感負載的性能，大幅度減小設備的使用壽命，降低船舶運行的安全裕度，嚴重時會威脅到船舶航行的安全性，比如會影響推進電機等負荷的絕緣性能，并網逆變器的正常工作，推進軸系軸承的絕緣性能、電纜的絕緣性能、發電機的絕緣性能或可能造成690 V/400 V主斷路器的誤動作等。另一方面會使得船舶運行的經濟性下降，降低的功率因數會增加系統線損，諧波不僅會產生損耗，若諧波超出一定范圍，必要時需要采取降低航速或降低船舶電站容量來確保船舶安全運行。這會使船舶總能耗增加，不利于節能。

4 結論

我國現代化船舶發動機電力驅動式推進系統技術從20世紀90年代起就已經開始被研究，并應用于大型民間船舶及艦艇領域，其良好的運行工作特點也獲得了人們的廣泛重視。我國應順應把握這一潮流，積極總結工作經驗，并創新掌握使用全電力推進技術，提升使用、維護與管理水平，確保最大程度發揮出全推進電力系統在現代民用商船中的使用價值。