基于變距槳軸帶發(fā)電機(jī)裝置電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

危成亮

摘 要：簡(jiǎn)述了變距槳軸帶發(fā)電機(jī)裝置的工作特點(diǎn)，介紹了6 000 kW救助拖船的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：軸帶發(fā)電機(jī)；電力系統(tǒng)；主配電板

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

1 引言

當(dāng)今海洋救助船功能多樣化發(fā)展趨勢(shì)顯著，從傳統(tǒng)的單一拖帶和消防功能，向救助、維修、補(bǔ)給等多功能方向發(fā)展。海洋救助船較常規(guī)船舶具有顯著差異，特別是在用電設(shè)備容量及其運(yùn)行工況上對(duì)船舶電站配置提出多元化要求。采用軸帶發(fā)電機(jī)組成的電站，相對(duì)常規(guī)單一柴油發(fā)電機(jī)具有環(huán)保、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)勢(shì)，因此在國(guó)內(nèi)外中大型船舶，特別是海洋工程船上廣泛應(yīng)用。我院設(shè)計(jì)的6000kW救助拖船是新開發(fā)船型之一，具有救助拖帶、對(duì)外消防、人員搜救、協(xié)助潛水、應(yīng)急搶修和裝載補(bǔ)給等功能，主電站采用了軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)混合供電的形式，本文總結(jié)了該船變距槳軸帶發(fā)電機(jī)裝置組成的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

2 主要電力系統(tǒng)參數(shù)

（1）軸帶發(fā)電機(jī)： 850 kW 3? AC400V 50 Hz，共2臺(tái)；

（2）柴油發(fā)電機(jī)：400 kW 3? AC400V 50 Hz，共3臺(tái)；

（3）首側(cè)推：600 kW 3? AC400V 50 Hz，1臺(tái)；

（4）尾側(cè)推：450 kW 3? AC400V 50 Hz，1臺(tái)；

（5）電動(dòng)液壓甲板折臂吊：110 kW 3? AC400V 50 Hz，1臺(tái)；

（6）電動(dòng)液壓拖曳絞車：4×50 kW AC380V 3? 50 Hz，1臺(tái)；

（7）可調(diào)槳：2×30 kW AC380V 3? 50 Hz，共2臺(tái)；

（8）岸電箱： AC380V 3? 50 Hz 400A，1臺(tái)；

（9）對(duì)外供電箱： AC380V 3? 50 Hz 150A，1臺(tái)；

（10）主配電板：柴油發(fā)電機(jī)屏（3屏）、軸帶發(fā)電機(jī)屏（2屏）、同步屏/首側(cè)推屏（1屏）、側(cè)推屏（1屏），1號(hào)AC380V負(fù)載屏&岸電屏（1屏）以及2號(hào)AC380V負(fù)載屏/對(duì)外供電屏（1屏）。

3 變距槳（CPP）軸帶發(fā)電機(jī)裝置工作特點(diǎn)

變距槳（CPP）軸帶發(fā)電機(jī)裝置是由船舶主機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的船舶電源裝置，通常其發(fā)電機(jī)經(jīng)增速齒輪箱與主機(jī)固定連接，即主機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)也隨著運(yùn)行。由于船舶主機(jī)運(yùn)行條件和海況的變化，發(fā)電機(jī)頻率隨主機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化。為滿足船舶用電設(shè)備對(duì)頻率變化的要求，船舶主機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)維持一定的變化范圍。主機(jī)驅(qū)動(dòng)變距漿，在船舶正常運(yùn)行工況下，主機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向可保持不變，軸帶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也保持恒定，因此該型式的軸帶發(fā)電機(jī)裝置可直接向電網(wǎng)供電，如圖1所示。

該裝置的發(fā)電機(jī)通常采用船用無(wú)刷自勵(lì)式恒壓三相交流同步發(fā)電機(jī)，其主要由機(jī)體、勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器以及勵(lì)磁系統(tǒng)等四大部分組成。由于勵(lì)磁系統(tǒng)采用相復(fù)勵(lì)系統(tǒng)，通過(guò)自帶自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）精調(diào)，發(fā)電機(jī)輸出電壓可保持恒定。

4 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 電站容量確定

本船屬于多功能、多用途工作船，全船除配置空調(diào)、通風(fēng)等常規(guī)船舶用電設(shè)備外，還配置有電動(dòng)潛水泵、電焊機(jī)、集裝箱插座、移動(dòng)式空壓機(jī)、對(duì)外供水/油泵、機(jī)動(dòng)減壓艙、移動(dòng)式載人潛水吊籠等專用設(shè)施設(shè)備，設(shè)備使用工況較復(fù)雜，用電負(fù)荷計(jì)算書編制要求高。根據(jù)作業(yè)要求和負(fù)載使用情況，本船計(jì)算工況分為全速航行、巡航航行、停泊、進(jìn)出港、救助、拖帶以及對(duì)外消防、應(yīng)急工況。

發(fā)電機(jī)使用情況：在巡航工況，除可使用二臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)外，也可使用一臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)；在進(jìn)出港、救助、對(duì)外消防使用側(cè)推時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)采用分區(qū)供電，即一臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)供電一臺(tái)艏側(cè)推、一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)供電一臺(tái)艉側(cè)推；全速航行工況、停泊工況均使用柴油發(fā)電機(jī)。柴發(fā)、軸發(fā)使用工況及負(fù)荷率分別見表1和表2。

4.2 分區(qū)供電

本船配電系統(tǒng)采用三相三線絕緣系統(tǒng)。主配電板供電采用了分區(qū)供電方式，主配電板共有A1、 A2、B、C四段匯流排組成，其中匯流排B與匯流排C通過(guò)隔離開關(guān)（DBT）連接，匯流排B與匯流排A1通過(guò)1號(hào)聯(lián)絡(luò)開關(guān)（SDBT1）連接，匯流排C與匯流排A2通過(guò)2號(hào)聯(lián)絡(luò)開關(guān)（SDBT2）， 1#～3#柴油發(fā)電機(jī)組主開關(guān)（DCB1～ DCB3）分別連接匯流排B、匯流排C，1#～2#軸帶發(fā)電機(jī)主開關(guān)（SCB1～ SCB2）分別連接匯流排A1、匯流排A2。從而保證側(cè)推運(yùn)行時(shí)，首側(cè)推、尾側(cè)推通過(guò)A1、 A2匯流排由軸發(fā)一對(duì)一分區(qū)供電（其中一臺(tái)軸發(fā)故障時(shí)，可通過(guò)側(cè)推供電開關(guān)保證首、尾側(cè)推其中一臺(tái)運(yùn)行），其他負(fù)載由柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)B、C匯流排供電；側(cè)推不運(yùn)行時(shí)，全船負(fù)載可通過(guò)A1、B、C匯流排由1#軸發(fā)供電或通過(guò)A2、B、C匯流排由2#軸發(fā)供電。主匯流排分段圖，見圖2。

5 機(jī)組并網(wǎng)同步

由于變距漿軸帶發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)功率比柴油發(fā)電機(jī)的功率大很多（一般5～10倍），在軸帶發(fā)電機(jī)的整個(gè)電力負(fù)載范圍內(nèi)，頻率（轉(zhuǎn)速）基本上不隨電力負(fù)載的變化而變化，這一頻率特性與柴油發(fā)電機(jī)不同，因此二者無(wú)法長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，只能短暫并聯(lián)轉(zhuǎn)移負(fù)載。

并網(wǎng)同步在主配電板同步屏進(jìn)行，同步屏布置有同步選擇開關(guān)、帶同步指令的同步表、同步指示燈、同步按鈕以及發(fā)電機(jī)調(diào)速開關(guān)。手動(dòng)同步時(shí)，同步選擇開關(guān)進(jìn)行待并同步發(fā)電機(jī)組或匯流排的選擇，通過(guò)發(fā)電機(jī)調(diào)速開關(guān)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，當(dāng)待并發(fā)電機(jī)組或匯流排滿足并網(wǎng)條件時(shí)，同步表即刻發(fā)出合閘脈沖信號(hào)，同時(shí)按下同步按鈕，實(shí)現(xiàn)連接開關(guān)合閘。柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速是通過(guò)調(diào)速開關(guān)直接發(fā)信號(hào)至柴油發(fā)電機(jī)機(jī)旁控制箱，而對(duì)于軸帶發(fā)電機(jī)調(diào)速是通過(guò)主配電板向主推進(jìn)遙控系統(tǒng)發(fā)出恒速請(qǐng)求，請(qǐng)求允許后才能進(jìn)行軸帶發(fā)電機(jī)速度（頻率）調(diào)整。本船同步點(diǎn)共八個(gè)。

6 電站工作模式

主配電板設(shè)有DG模式、SG1模式、SG2模式和操縱模式選擇開關(guān)。通過(guò)模式選擇開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的選擇、聯(lián)絡(luò)開關(guān)通斷，從而滿足不同工況下電站工作需要。其不同工作模式下運(yùn)行發(fā)電機(jī)組、適用工況對(duì)應(yīng)表見表3。

從表3可以看出，除了在全速航行、拖帶（主機(jī)功率滿負(fù)荷工作）以及停泊（主機(jī)停止運(yùn)行）工況外，在船上主機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)的其余工況，軸帶發(fā)電機(jī)均可作為供電發(fā)電機(jī)使用。需要注意當(dāng)主機(jī)要變速（齒輪箱接、脫排等）時(shí)，電站需及時(shí)與柴油發(fā)電機(jī)切換，以保證電站供電連續(xù)性。

在上述工作模式之間可人工通過(guò)模式選擇開關(guān)進(jìn)行自由切換。當(dāng)模式切換失敗時(shí)，電站發(fā)出切換失敗報(bào)警，同時(shí)在人機(jī)界面上提供下一步操作信息提醒。

7 斷路器聯(lián)鎖保護(hù)

為保證電站在手動(dòng)、半自動(dòng)以及自動(dòng)控制方式下可靠運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際需要，主配電板設(shè)置具有以下聯(lián)鎖功能：

（1）岸電開關(guān)SC與軸帶發(fā)電機(jī)及柴油發(fā)電機(jī)主開關(guān)之間設(shè)置聯(lián)鎖功能，避免岸電與發(fā)電機(jī)同時(shí)接入船上電網(wǎng)；

（2）艏側(cè)推兩個(gè)供電開關(guān)之間、艉側(cè)推兩個(gè)供電開關(guān)之間設(shè)置聯(lián)鎖功能，使得側(cè)推兩個(gè)供電開關(guān)只能同時(shí)一個(gè)合閘；

（3）連接至A1排艏側(cè)推供電開關(guān)與艉側(cè)推供電開關(guān)之間、連接至A2排艏側(cè)推供電開關(guān)與艉側(cè)推供電開關(guān)之間設(shè)置聯(lián)鎖功能，使得艏側(cè)推與艉側(cè)推不能同時(shí)連接A1排或A2排；

（4）軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)SDBT1與艏側(cè)推兩個(gè)供電開關(guān)之間、軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)SDBT2與艉側(cè)推兩個(gè)供電開關(guān)之間設(shè)置聯(lián)鎖功能，使得側(cè)推工作時(shí)軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)分區(qū)供電；

（5）軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)SDBT1、SDBT2、柴油發(fā)電機(jī)母排隔離開關(guān)DBT三者之間設(shè)置聯(lián)鎖功能，最多只允許兩個(gè)同時(shí)合閘在網(wǎng)，避免兩臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)并聯(lián)的可能；

（6）對(duì)外供電箱開關(guān)DB與岸電開關(guān)SC聯(lián)鎖，避免岸電接通時(shí)，對(duì)外供電箱實(shí)施對(duì)外供電。

8 結(jié)語(yǔ)

文中變距槳軸帶發(fā)電機(jī)裝置是主機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)直接供電系統(tǒng)，與速度補(bǔ)償型以及頻率補(bǔ)償型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有顯著差別。該類型船舶電力系統(tǒng)與船舶主推進(jìn)控制系統(tǒng)、船舶運(yùn)行工況聯(lián)系極為密切，一方面是在軸帶發(fā)電機(jī)使用時(shí)電力系統(tǒng)需要向主推進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)訊，應(yīng)答允許后才能合閘；另一方面船舶運(yùn)行在全速航行等主機(jī)滿負(fù)荷工況或在惡劣海況下，軸帶發(fā)電機(jī)不能作為電力系統(tǒng)電源使用。

近十幾年來(lái)，為進(jìn)一步擴(kuò)展軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的功能，提高船舶的操縱性、推進(jìn)效率及推進(jìn)的冗余度，要求軸帶發(fā)電機(jī)能在發(fā)電機(jī)模式（PTO）和電動(dòng)機(jī)模式（PTI）之間任意轉(zhuǎn)換工作，從而對(duì)船舶電力系統(tǒng)的配電方式、工作模式等提出靈活多樣化的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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