40 000 t自卸船電力系統關鍵技術研究

吳 帆,胡銀軍

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214433)

0 引言

40 000 t自卸船是為加拿大CSL公司自主研發設計制造的大湖型自卸船。為了運營過程中的節能提效,40 000 t自卸船電力系統設計中采用了大量的變頻設備。另外,船東對運行工況提出了一些個性化的要求,致使電網運行工況復雜,會出現4臺發電機并聯供電,以及主機、艏側推、艉側推、自卸系統同時運行的極端工況。因此,電網功率管理和功率限制自動控制是船舶電力系統設計過程中重點關注的問題之一。選擇合適的變頻器和諧波控制,可滿足船級社規范要求和船舶電網的穩定運行。

本文對40 000 t自卸船電力系統的特點、大功率艏艉側推的啟動方式、功率限制設定和諧波控制4個方面進行研究,通過對大功率艏、艉側推電壓降計算,選擇合適的啟動方式,以確保艏、艉側推的成功啟動,并減少對電網的沖擊。

1 電力系統主要特點

40 000 t自卸船電力系統主要特點如下:

(1)發電機裝機容量大。常規的82 000 t散貨船的發電機裝機容量為3×680 kW。本船裝有1臺軸帶發電機(額定功率1 300 kW),經變頻器向主配電板供電;3臺1 850 kW柴油發電機直接給配電板供電。

(2)船舶運行工況多。本船電網運行工況復雜,主要包括下面14種工況:

工況1:海上航行帶壓載水處理;工況2:海上航行不帶壓載水處理;工況3:江口(河口)航行帶艏、艉側推;工況4:江口(河口)航行帶艏側推;工況5:江口(河口)航行帶艉側推;工況6:江口(河口)航行不帶艏、艉側推;工況7:進出港口帶艏、艉側推;工況8:進出港口帶艏側推;工況9:進出港口帶艉側推;工況10:進出港口不帶艏、艉側推;工況11:裝貨;工況12:自動卸貨不帶艏、艉側推;工況13:艏、艉側推80%額定功率和自卸系統50%功率下自動卸貨;工況14:艏、艉側推100%額定功率和自卸系統50%功率下自動卸貨。

(3)大功率變頻設備較多。本船自卸系統中2臺C-LOOP330 kW電動機、2臺縱向管弄185 kW電動機、4臺59 kW錨機電動機、2臺22 kW機艙風機、1臺160 kW脫硫系統海水泵電動機均應用變頻器,同時艏側推采用變頻控制。另外,為確保供給到主配電板電源頻率的穩定,本船軸帶發電機并不是直接連到主配電板,而是經變頻器后再連到主配電板供電。

2 艏艉側推啟動方式選擇

本船裝有大功率艏、艉側推各1臺。艏側推帶可調槳式,電動機額定功率為2 000 kW;艉側推帶可調槳式,電動機額定功率為1 500 kW。面對大功率的電動機,啟動方式的選擇對電網的安全和設備的運行影響很大。在電力負荷計算[1]的工況中,有4種情況需特別注意:

(1)運行工況3時,全船電網由1臺軸帶發電機和1臺柴油發電機供電,可提供3 150 kW功率。艏側推運行前的全船基本負荷(油泵、水泵、風機、照明等)為689.6 kW,2臺發電機還有剩余功率2 460.4 kW,即艏側推啟動前全船電網還有剩余功率2 460.4 kW。

(2)運行工況4時,全船電網由1臺軸帶發電機和1臺柴油發電機供電,可提供3 150 kW功率。艉側推運行前的全船基本負荷為579.9 kW,2臺發電機還有剩余功率2 570.1 kW,即艉側推啟動前全船電網還有剩余功率2 570.1 kW。

(3)運行工況8時,全船電網由1臺軸帶發電機和1臺柴油發電機供電,可提供3 150 kW功率。艏側推運行前的全船基本負荷(油泵、水泵、風機、照明等)為781.1 kW,2臺發電機還有剩余功率2 368.9 kW,即艏側推啟動前全船電網還有剩余功率2 368.9 kW。

(4)運行工況9時,全船電網由1臺軸帶發電機和1臺柴油發電機供電,可提供3 150 kW功率。艉側推運行前的全船基本負荷(油泵、水泵、風機、照明等)為672.9 kW,2臺發電機還有剩余功率2 477.1 kW,即艉側推啟動前全船電網還有剩余功率2 477.1 kW。

為了在剩余功率下實現艏、艉側推的順利啟動,根據規格書,艏、艉側推都采用自耦變壓器方式啟動[2]。根據側推廠家給出的自耦變壓器抽頭比為0.5,按下面公式計算:

計算結果見表1。從表中可以看出:運行工況3和工況8條件下,啟動壓降達12.99%;運行工況4和工況9條件下,啟動壓降達9.56%。本船入級DNV·GL,其規范要求電壓降不能超過15%[2]。12.99%已很接近規范限值,9.56%則離規范限值還有較多空間。據此計算結果,綜合考慮后,確定將艏側推改為變頻器啟動,艉側推仍然采用自耦變壓器啟動。實船試驗時,艏、艉側推在各種工況下均成功啟動,啟動電壓降均小于15%。

表1 艏、艉側推啟動電壓降計算結果

3 功率限制自動控制

以前建造或改裝的自卸船,自動卸貨工作要在船停靠碼頭后才能進行,且自動卸貨時主機、側推都已停機。由于運營情況特殊性,本船會出現主機、艏側推、艉側推、自卸系統全部同時運行的工況,這樣電網需要3臺柴油發電機和1臺軸帶發電機全部并聯運行向電網供電。

當船舶處在工況13和工況14條件下時,電網(也即發電機)的負荷率分別達到78%和88%,并且已經沒有任何備用發電機了。如果由于某種原因(比如船員操作不當等),使得艏、艉側推均以100%額定功率運行,自卸系統也以100%額定功率運行,那么4臺發電機均發生了過載,極可能某臺發電機主開關因過載保護而發生跳閘,導致剩下發電機嚴重過載,其主開關更快跳閘,全船很快失電。因此,為確保電網安全,需要對艏、艉側推和自卸系統運行時進行功率限制的自動控制,即根據電網實時剩余功率值,自動限制艏、艉側推和自卸系統的最大運行功率。

對于艏、艉側推的功率限制,主配電板中的功率管理系統會把電網實時剩余功率值(4～20 mA信號)輸出給艏、艉側推控制系統,由艏、艉側推控制系統完成功率限制的自動控制。

控制邏輯按下面設定:

(1)當配電板剩余功率P>側推運行預設功率P1時,側推控制手柄可以正常控制。

(2)當側推運行預設功率P2<配電板剩余功率P<側推運行預設功率P1時,側推可以保持控制手柄位置或操縱手柄降速。

(3)當配電板剩余功率P<側推運行預設功率P2時,側推控制手柄降速。

有了此功率限制的自動控制,即使船員操作艏、艉側推控制手柄至100%額定功率運行位置,艏、艉側推并不會完全按照控制手柄發出的指令運行,而是會同時接收功率管理系統發來的電網實時剩余功率值,按照功率限制的控制邏輯進行控制。

對于自卸系統,主配電板中的功率管理系統(PMS)會監測電網實時剩余功率值和自卸系統實時運行功率值,對自卸系統進行功率限制的自動控制,其控制邏輯和艏、艉側推功率限制的自動控制邏輯相似。功率管理系統輸出一個無源觸點信號(常開觸點)給自卸系統:當電網實時剩余功率值足夠時,此觸點保持常開狀態,自卸系統按照船員操作貨控電腦發出的指令運行;當電網實時剩余功率值不夠時,此觸點閉合,自卸系統自動進行功率限制,將不按照貨控電腦發出的指令運行。這樣,電網(也即發電機)不再會發生過載情況,避免了全船失電的發生,確保了船舶安全。

4 電網諧波控制

4.1 變頻器的選擇

自卸系統的變頻設備功率很大。結合以往的自卸船建造經驗,本船大功率自卸電動機、錨纜機電動機、脫硫海水泵電動機和長時間運行的風機均采用AFE變頻器。變頻設備功率較大,這樣相對來說諧波會小,不考慮采用加單獨濾波器的形式。如果加單獨濾波器,根據最新規范要求配電板上需要配有諧波監測儀,這樣會增加安裝敷設、采購費用成本。電動艙蓋變頻設備功率較小,使用時間短,采用DFE變頻器。

設備的制造、安裝、變頻電纜的選擇、電纜的敷設工藝等也會影響諧波大小。建造過程中,應該嚴格按照變頻器廠家的電纜選型、敷設工藝、接線工藝的要求。如果最終總諧波、單次諧波超過船級社要求,常見的解決方式是增加單獨的濾波器(有源或者無源),同時配電板上需要配有諧波監測儀。

4.2 電網諧波計算

當軸帶發電機在網時,分析發現,在運行工況1、工況3、工況8、工況14條件下諧波畸變率高,其計算結果見表2。

表2 諧波計算(軸帶發電機在網)

軸帶發電機不在網時,通過對電力負荷計算書中的各種工況對比分析后,得出靠泊運行工況12條件下,諧波值將是最大的。計算結果顯示,電網總諧波畸變率為2.11%,單次電網諧波畸變率<5%。

各工況下的電網諧波值均沒有超過DNV·GL規范的要求值(≤8%)。其中:軸帶發電機在網的各工況下,自動卸貨工況下的情況3時的電網諧波值最大;軸帶發電機不在網的各工況下,自動卸貨時的電網諧波值最大。在后續的系泊試驗、海上試航時對這2種情況下的電網諧波值進行了測量,測量結果均沒有超過DNV·GL規范的要求值[2]。

5 結論

(1)根據船東對本船運行工況的個性化要求,結合電力負荷計算分析,選擇了合適的艏、艉側推的啟動方式,有效解決了大功率設備啟動對電網的影響問題。

(2)通過對艏、艉側推、自卸系統的功率限制自動控制,可以確保當電網功率有限時,大功率設備的有效運行。

(3)電力系統設計初期,就重點關注變頻設備的諧波控制問題,作了相關分析計算,并依據這些分析計算結果選擇合適的AFE型變頻器。最終成功解決了這一問題,確保了本船首制船的成功交付。此設計在國內自卸船建造中尚屬首次。