內河船舶電力推進系統的設計要點

文光澄

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內河船舶電力推進系統的設計要點

文光澄

(重慶市西海船舶技術咨詢有限公司，重慶400023)

在當前技術發展條件下，結合內河船舶規范的有關要求，綜合分析電力推進船舶各個系統在設計時應注意的要點。

內河船舶 電力推進 設計

0 引言

近年來，隨著變頻技術、PLC、工控機、工業總線、計算機網絡等的發展及其成熟應用，采用交流電力系統+交直交變頻+交流異步鼠籠電動機的電力推進技術由于具有投資成本、使用成本、運行穩定性、性能、技術成熟度、設備體積、維護便捷等諸多優勢，逐漸成為船舶電力推進的主流應用，不久前本人設計的某內河起重救助船舶采用這種模式達到了較好的效果，在操縱反應的靈敏靈活性、可靠性、機艙的簡節性、綜合成本等均優于傳統的柴油機直接推進模式，本文以這種模式為基礎探討電力推進技術在內河船舶上的設計要點，以供同仁參考。

1 電力推進的優點

1）操控良好：推進控制系統采用PLC＋變頻器＋電動機，具有正反轉切換快速便捷，調速控制精準，制動迅速，恒轉矩，操控反應靈敏可靠等優勢。采用全回轉舵槳或吊艙推進系統，船舶推進及轉向靈活精準，適用于特種作業船舶。

2）安全性：電氣設備的故障率相對較低，采用冗余設計，提高了安全性。

3）節省空間，布置方便：由于沒有復雜的主機、齒輪箱、軸系，燃油和滑油管系，以及其它輔助系統，可以節省較大的空間。各系統采用電氣連接，方便調整布置。

4）噪聲及震動低：發電機組可以安裝在彈性底座上，各設備與船體無直接的硬連接，減少了震動及噪聲的傳遞，改善了乘客和船員的舒適性。

5）污染小：發電機組一直中速運行，轉速變化不大，廢氣排放更加環保。

6）綜合成本低：發電機組可以根據負荷情況增減，且發動機一直處于高速、高效的經濟運行工況；對于起重、工程船以及自備裝卸設備的船舶來說，采用電力推進并不需要增加發電機的數量，僅僅功率略有增加，但省去主機和齒輪箱等能帶來10～20%的綜合成本優勢。

7）維護成本低：電氣系統維護簡便，故障率低，滑油、備件的消耗減少，船員的維護工作量減少，很容易實現一人或無人機艙，后期成本優勢明顯，尤其是發達國家非?？粗剡@方面帶來的經濟效益。

2 電力推進的缺點

1) 首次投資成本略高：對于游船、不需進行施工或裝卸作業船舶來說，在推進系統上的整體成本大約比柴油機直接推進高20-30%。

2) 效率略低：經發電機、變壓器、變頻器、電機等多個層次的傳遞，在滿負荷時比柴油機＋齒輪箱的傳動效率低大約7%。

3) 電網的諧波干擾：雖然采取了一些措施來降低諧波，但是電網的諧波干擾仍然比普通船舶復雜，需要對此進行特別處理。

3 各型船舶的適用性

1) 航道工程船、起重船、需要自己裝卸作業的液貨船：由于航行時負荷主要供給推進系統，而作業時推進系統負荷較低或者為零，作業或裝卸貨設備負荷最高，可以確保電力系統在任何時候都可以得到很高的利用率。

2) 消防船、救助船、特種工程船：這類船舶要求操縱靈活性、定位精問候準，采用電力吊艙式或全回轉電力推進可以更好地滿足這類船舶的操控要求，相比傳統的一些技術解決方案，在安全可靠性、技術復雜性、設備的利用效率、維護的簡捷性、投資成本等都有較大的優勢。

3) 游輪：期望提供給乘客更好的舒適性和安全性。

4 電站電網的設計

4.1內河三相交流變頻推進系統典型單線圖

圖1 內河三相交流變頻推進系統典型單線圖

4.2 發電機組數量及電壓的選擇

根據現行《鋼質內河船舶建造規范》第八篇第二章“電力推進船舶的附加要求”（如無特殊說明，后文簡稱“內規”均為本規范附加要求中的相關條款）第2.2.1.3(2)條，最少應配備兩臺發電機組才能滿足該條款的要求。其中需要注意的是關于滿足“一臺發電機不工作時仍能維持有效的推進”，這種情況下船舶的航速不低于7 kN或設計航速的一半（取兩者最大值），結合船舶的大小、經濟性、利用率、可靠性等方面考慮，普遍配備3-4臺，3相，AC400 V的發電機組。內河船普遍較小，適合采用AC400 V低壓電力系統，總體成本不高。如果推進負荷較大，可以考慮采用中壓設備，從而減小設備體積和電纜線徑。

4.3電站的設計與電力系統的保護

由于電力推進船舶電站功率普遍較大，擔負著全船的控制、通信、推進、動力、照明等多種設備的電能供應，對船舶的航行安全具有決定性的作用，電站供電的連續性、可靠性是電推船舶的設計重點，因而設計時應注意各個系統的冗余，如發電機組、匯流排、推進系統、照明變壓器等均為兩套或以上，互為備用，避免局部故障導致全船電力系統癱瘓的風險。

根據“內規”2.2.2條的要求，采用公共電站，應設置功率管理系統?？紤]到非公共電站會降低電力推進的某些優勢，電力推進的船舶普遍采用公共電站，因此自動電站系統是必備的功能。自動化電站管理系統可以提供可靠的功率管理(如自動卸載、備用機組自起動、自動并車、功率分配、逆功率等)、電壓過高或欠壓、頻率過高或過低、短路、過載、缺相、漏電保護等多種保護，提高了船舶電力系統的生命力。

如果是急流航段或者主發電機總容量超過500 kVA時，還應注意主匯流排的分段要求，重要負荷在分段匯流排上合理分布。并結合短路電流的計算結果，進行協調性保護分析，合理選擇和整定斷路器。特別應注意避免局部的短路故障，由于協調性保護不合理導致全船失電的嚴重故障，因此當發生較為嚴重的短路故障時，匯流排聯絡開關應當迅速優先分斷，。

在實際應用中，當一臺在網發電機組因故障停機時，將瞬間拉低整個電網的電壓，導致所有發電機主開關、聯絡開關、推進電機主開關保護性跳閘，只有聯絡開關快速優先斷開，才能保證其余電網及推進系統的穩定運行，保障船舶安全。

4.4諧波的抑制

過高的諧波對船舶電力、電氣控制、通信等多個系統的穩定性、能源損耗、設備及電纜的使用壽命具有較大的危害，規范對此非常重視，根據《內規》2.2.3條的要求，電推船舶電力系統各處總諧波失真不超過5%。

在設計時通過計算判斷諧波的嚴重程度，綜合考慮費效比、設備體積等因素，選用用12脈沖或(虛擬)24脈沖變頻器、有源或無源濾波技術、交流或直流電抗器，優質變頻器在輸入輸出端進行了濾波處理，以及使用IGBT整流橋，可以有效降低總諧波畸變率。

5 推進裝置

目前常用的有吊艙式、Z推、傳統軸系螺旋槳推進，需要綜合考慮操縱靈活性要求、安裝布置、推進功率、投資成本等進行選擇。

5.1推進電機及變頻器

就成本、技術性能、體積、故障率、維護而言，采用交流異步鼠籠式變頻電機，配用交直交變頻器閉環控制，是當前比較理想的一種模式，相比其它類型的電動機和變頻器，具有成本低、故障率低、效率高、操縱性好、可靠性高，缺點是諧波畸變比較嚴重。

考慮到電機及變頻器均為長期運行，應特別注意散熱，特別是變頻器的安裝環境應當干燥、通風、震動小，并遠離熱源。應采取主動散熱的措施，必要時采用水冷或增設空調。

5.2推進控制與監測報警系統的設計

1) 推進控制：現在的變頻器和PLC均具有強大而高速的數字控制、運算、通訊功能，主控制系統采用以太網或工業總線，布線簡便，能夠可靠、快速地在駕駛室、集控室、機艙之間傳輸多種多樣的開關量、模擬量信號。各終端采用觸摸屏或計算機顯示器，逼真的三維圖形顯示技術可以完美地向駕駛、輪機人員實時提供重要的船舶發電機組、電站、推進系統、監測報警系統等綜合信息。

2) 監測報警：規范對電力推進船舶機艙監測報警系統有復雜而嚴格的要求，報警、顯示和自動停車項目較多，有些項目不是廠家標配提供，比如繞組溫度傳感器，制造時如果沒有安裝后期是無法補救的，為了保證可靠往往在制造時還會埋入一套備用傳感器。

3) 獨立、可靠性：電站管理系統、主推進控制系統、應急操作系統、監測報警系統、車鐘通信、語音通信等各個系統均能夠獨立工作，互不干涉，以保證各個系統的生命力。就地控制應設計為最高優先級別，且不受其他控制處所故障的影響。

6 結語

船舶電力推進技術的成熟發展，提高了船舶操縱的性能和可靠性，減少了系統的復雜性和綜合成本，隨著變頻、諧波治理等技術的進一步發展，減少初期投資成本，在船舶以無人駕駛、動力定位、無人機艙、信息化等為發展方向的未來，電推技術必將成為船舶的主流應用。

[1] 金德昌等. 船舶電力推進原理[M]. 北京:國防工業出版社, 1993.

[2] 黃宏波等. 船舶設計實用手冊[M]. 北京:國防工業出版社, 1997.

Key Points of the Design on Electric Propulsion System for an Inland Ship

Wen Guangcheng

(Chongqing Xihai Ship Technology Consulting Co., Ltd, Chongqing 400023, China)

U662.2

A

1003-4862（2017）05-0027-03

2016-12-15

文光澄(1976-)，男，工程師。研究方向：船舶電力推進系統。