12纜物探船電力推進系統研究

張 舒 蓉

（708研究所，上海 200011）

1 電力推進概述

“海洋石油720”是一艘由柴電推進系統驅動的12纜大型物探船，主要從事海上三維地震采集作業，即勘查地下礦產、研究地質構造。12纜物探船推進裝置有3種，分別是位于船尾的長軸可調槳，船首的可伸縮全回轉推進器和艏側推。

艉部的長軸可調槳為2個，分別由2臺變頻電機驅動。每臺變頻電機功率為4500kW，由24脈沖水冷型變頻器驅動；艏部的全回轉推進器由一臺1500kW的電機驅動，艏側推由一臺1200kW的電機驅動。配置的4臺柴油發電機組組成主電站，每臺柴油發電機組功率為4200kW 3～6.6kV 50Hz，向三相三線絕緣6.6kV 50Hz中壓電網供電。中壓電網通過3～6.6kV/440V 50Hz配電變壓器向低壓電網供電，配電變壓器容量為2500kVA。單線圖見圖1。

圖1 12纜物探船單線圖

中壓配電板匯流排和低壓配電板匯流排均分成兩段，發電機和主推進器分別掛在中壓配電板的兩段匯流排上。正常航行和作業時聯絡開關合上，發電機以最佳數量投入運行。某段匯流排發生故障時，剩下的那段匯流排及其供電的主推進器依舊正常工作。因而，電力推進系統在12纜物探船的應用將帶來的益處很多[1,2]。

1.1 噪音低

12纜物探船長期作業在外，船員和特殊作業人員居住環境的舒適度非常重要。船舶采用電力推進系統，振動小、噪音低，可以營造一個良好的居住環境。另外，主推進變頻器和主推進電機都采用水冷型，省去了大風機，也有利于降低船上噪音。

1.2 重量輕

12纜物探船是利用地震勘探技術從事調查作業，也可以稱為地震船。作業甲板分為炮纜甲板和電纜甲板兩層。作業甲板高度高，且安裝在甲板上的作業設備重量重，控制空船重量很重要。采用電力推進技術，發電機重量比主機小，可以使全船總重量減少。船舶電站采用中壓系統，電纜載流量變小，電纜重量相應也減少了，有助于船舶總重量的減輕。

1.3 布置靈活

12纜物探船作業設備占用空間大。該船自持力75天，儲油艙占用空間也大。采用電力推進系統后，推進電機和電站之間的一系列設備通過電纜連接，可以分開布置在合適的地方，空間利用最大化。見圖2。

圖2 電力主推進系統部件布置

1.4 響應快，航線控制精準

12纜物探船數據采集效率越高，每航次的作業收益也就越高。采用電力推進技術后，船舶航線操縱比海油公司原來的8纜物探船精準，數據采集漏點率下降，不再需要對同一區域進行多次重復作業來補全數據，從而提高作業效率并降低設備折舊率。

1.5 節能減排

12纜物探船設計航速為16kn，拖帶作業航速5kn。對于長期在低負荷狀態下運行的船舶，電力推進系統比常規推進合理。發電機按照負載量運行，不需要在所有時間投入全部4臺發電機。自動電站管理系統在線監視匯流排上的負載量，負載量高時，自動起動備用發電機；負載量低時，減少運行的發電機數量。這樣，發電機保持在最佳容量和最佳效率上運行。電站電能分配的靈活性，日積月累下可降低油耗，減少廢氣排放量。

2 主推進驅動系統

12纜物探船主推進驅動系統有2套，每套由2臺三繞組變壓器、1臺主推進變頻器、1臺鼠籠式感應推進電動機（雙繞組系統）及輔助設備組成。

主推進變頻器型號為SIEMENS SINAMICS GM150，水冷型，采用脈寬調制技術（PWM），逆變器選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），進線側通過2臺移相變壓器提供24脈沖系統，以減少電網諧波。PWM型變頻器，系統電源輸出頻率范圍寬；功率和轉矩動態響應小于10ms；轉矩能夠平滑輸出；任何負載狀況下功率因數可達0.95左右。主推進變頻器具有接地故障監測功能，對主推進變壓器次級繞組和主推進電機定子繞組進行絕緣監測。作為水冷型變頻器，還配備漏水探測器、水溫傳感器和空氣溫度傳感器，確保變頻器在正常工作溫度范圍內運行。主推進變頻器外觀布置見圖3，技術參數見表1。

表1 主推進變頻器和推進電動機主要技術參數

2套主推進驅動系統共有4臺三繞組變壓器，為水冷型。主要技術參數如表2。

表2 4臺三繞組變壓器的主要技術參數

每一套主推進驅動系統配備各自獨立的控制系統，控制推進系統所有的主要部件和相關輔助設備。就地/應急控制時，所有的控制功能不受船舶其他控制系統影響，譬如監測報警系統。主推進驅動控制系統是兩級控制系統，分變頻器控制系統和推進控制系統。

變頻器控制系統主要功能有產生IGBT的觸發脈沖，監測IGBT，過壓/欠壓保護，過流和短路保護，超速監測，直流母排過流保護，失速控制，變頻器功率部分監測和主開關合閘/分閘等。變頻器控制系統組合在變頻器柜中，即圖3 中的變頻器控制柜部分。

圖2中的變頻驅動控制柜即為推進控制系統，控制推進變壓器、推進變頻器、推進輔助設備、推進電動機、就地/遙控模式轉換，以及與可調槳控制系統、功率管理系統等的接口。最終推進控制系統把速度設定信號發送給變頻器控制系統，產生轉矩控制需要的電流設定信號。

推進控制系統的安全保護功能實時監測推進驅動系統的運行狀態，必要時會發出警報、減速和停車命令，或起動閉鎖或禁止，確保系統和其部件的安全。減速時，推進變頻器輸出電流限定在額定值的70%；停車時，變頻器立即停止輸出并斷開主開關，除非停車越控功能被動作。

圖3 推進變頻器外觀布置

圖4 主推進驅動控制系統

推進控制系統通過圖4中的ET200S模塊，收集推進和電力系統的所有相關信息，例如電網電壓和頻率、每臺發電機的有功功率和無功功率等。通過監控這些數據，可以把推進功率限定在電站可用功率以內，防止任何一臺發電機過載；在電站發生嚴重故障，例如幾臺發電機同時跳閘，余下的發電機因承擔推進功率短時高過載時，使推進系統減速、降低負荷的輸入功率要求，實現防失電功能。

3 變頻驅動可調槳遙控系統[3]

12纜物探船每個變頻主推進電機通過一個減速齒輪箱驅動一個可調螺距螺旋槳。每個變頻驅動可調槳遙控系統有3種控制模式：

1) 恒速（CRPM）模式：轉速為全速不可調，螺距可調，只有螺距手柄可用。

2) 組合（COMBINATOR）模式：轉速和螺距都可調組合輸出, 只有螺距手柄可用, 螺距手柄輸出轉速和螺距兩個信號。

3) 變速（VARIABLE SPEED）模式：轉速和螺距都可調分別輸出, 螺距手柄和轉速手柄都可用。該種模式下，船東要求速度變化率總是快過螺距變化率；操縱桿作用下船舶方向前進后退或者后退前進快速變化時，速度命令變化只與操縱桿設定值的絕對值相關，而無需把船速降到零。

在駕駛室和集控室的控制板上都可以進行3種控制模式選擇。變頻驅動可調槳遙控系統控制板布置見圖5。遙控控制位置（集控室/駕駛室/兩橋樓）的轉換可在控制板上進行。

駕駛室或者集控室控制位置的選擇只能在集控室控制板上進行。集控室控制板和駕駛室控制板上均有控制位置指示燈。但在應急狀況或者變頻驅動可調槳遙控系統故障進一步加大的狀況下，可以把控制切換到備用控制模式，此時在集控室或者駕駛室都可以進行控制位置選擇。集控室控制板上可以設置負載限定值。左右兩個主推進可調槳各擁有一個變頻驅動可調槳遙控系統，該2個遙控系統完全相同，并在這一控制層面上相互獨立。

圖5 變頻驅動可調槳遙控系統控制板布置

4 聯動控制系統JS（JOYSTICK）[4]

12纜物探船配有聯動控制系統，可以對2個主推進可調槳、一個可伸縮全回轉推進器和一個艏側推進行聯合控制。聯動控制板見圖6。

圖6 聯動控制板

聯動控制系統可以設定3個轉動中心，分別是船首、船中心和船尾。

聯動控制有3種響應模式，分別是正常（NORMAL）、高（HIGH）、低（LOW）。正常模式下，JS操縱桿的動作和推力器作用力之間以線性關系相互對應，而高/低模式下為非線性關系，見圖7。高模式相比正常模式，船舶對JS操縱桿的動作響應快；低模式下，船舶對JS操縱桿的動作響應速度由操縱桿動作的大小決定，操縱桿的動作小則推力器響應慢，反之推力器響應快。

聯動控制器連續計算船舶被要求的推力和轉動慣量，計算后把各自分配到的推力命令送到工作中的每個推力器和螺旋槳。算法確保最小功率消耗下，最佳推力器/螺旋槳使用效果。聯動控制器中的數學模型可以在環境條件對船舶的作用力作出補償；也可以在各個推力器一起動作時，對推力器-船體作用力、推力器-推力器作用力進行補償。

在聯動控制層面上，2個變頻驅動可調槳遙控系統可以相互作用。聯動要求從駕駛室的聯動控制板發出。當變頻驅動可調槳遙控系統完好無故障時，駕駛室為主推進可調槳當前控制位置；且變頻電機驅動系統正常，變頻驅動可調槳遙控系統才能應答接收到的聯動控制要求。此后2個主推進可調槳轉換到聯動控制系統控制，同時可調槳遙控系統不再進行控制。

可伸縮全回轉推進器（RT）和艏側推（BT）位于船首，均通過自耦變壓器方式起動。全回轉推進器控制板和艏側推控制板布置見圖8。當取消聯動控制模式時，4個螺旋槳由各自的控制板分開控制。

圖7 聯動控制增益曲線

圖8 RT和BT控制板布置

5 結 語

12纜物探船采用電力推進形式，能滿足多種工況包括作業和航行的需求。雖然船舶生命周期花費較大（the life cycle cost – LCC）包括設備采購、安裝、調試、運營和燃油消耗、維護，以及喪失或者推遲作業。但從12纜物探船投入運營半年來看，以及與海油公司原有的物探船相比，該船動復原時間減少、作業效率提高，數據采集量不斷創新高。

[1] Alf Kare Adnanes, Asgeir J.Sorensen, Thomas Hackma. Essential Characteristics of Electrical Propulsion and Thruster Drives in DP Vessels[R]. 1997.

[2] Vacon AFE Units Onboard the World’s Largest Seismic Research Ship[R].

[3] Technical Description Propulsion Control System NORISTAR 2000[R]. Drawing No. 74.112, Issue： 2008.

[4] SIEMENS. Standalone Joystick Standard Documentation, System Description[S]. 2009.