電力推進(jìn)系統(tǒng)集成裝船技術(shù)研究

李素美 謝勰 馮先偉 鐘浩權(quán) 黃應(yīng)祥

摘 ? ?要：目前，國內(nèi)具有電力推進(jìn)系統(tǒng)集成能力的單位較少，開展對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)集成裝船技術(shù)研究，對提升我國船舶建造核心技術(shù)具有重要意義。本文簡要介紹電力推進(jìn)系統(tǒng)組成，根據(jù)我司承建的某型船電力推進(jìn)系統(tǒng)集成經(jīng)驗，對其系統(tǒng)原理、設(shè)備選型、接口、生產(chǎn)設(shè)計、調(diào)試和試驗等進(jìn)行分析研究，可供電力推進(jìn)系統(tǒng)集成裝船提供參考。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)系統(tǒng)；集成技術(shù)；船舶建造

中圖分類號：U665.1 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research on Integrated Technology of Electric Propulsion System

Li Sumei， ?Xie Xie ， ?Feng xianwei， ?Zhong Haoquan ， ?HUAng yingxiang

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuiding Co.，Ltd.，Guangzhou 510715 ）

Abstract： At present， there are only a few companies with electric propulsion integration capability in China. Therefore， its of great significance to carry out the research on Marine electric propulsion system integration technology to improve the core technology of Chinas ship construction. This paper briefly introduces the composition of the electric propulsion system. According to the experience of the electric propulsion system integration of a certain type of ship built by our company， the system principle， equipment selection， interface， production design， commissioning and testing are analyzed and studied， which can provide reference for the integrated shipment of the electric propulsion system.

Key words： Electric propulsion system; Integration technology; Ship construction

1 ? ? 前言

隨著電力電子技術(shù)快速發(fā)展，電力推進(jìn)技術(shù)在船舶上的安裝越來越廣，特別是海洋工程船舶及對操作靈活性要求較高的船舶。在未來市場，電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣泛，且不斷嘗試在新的領(lǐng)域推廣。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)作為全船的核心系統(tǒng)，具有發(fā)電、輸電、配電、變電、推進(jìn)、儲能、監(jiān)控和電力管理等功能。目前國內(nèi)具有電力推進(jìn)系統(tǒng)集成能力的單位較少，關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在歐美幾個大的設(shè)備制造商手里，例如ABB、西門子等。研究船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)，對提升我國船舶建造核心技術(shù)具有重要意義。本文根據(jù)我司承建的某型船，對電力推進(jìn)系統(tǒng)集成裝船技術(shù)展開分析研究，總結(jié)電力推進(jìn)系統(tǒng)裝船過程和關(guān)鍵技術(shù)。

2 ? ? 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)組成

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，一般由發(fā)電機(jī)組、電站管理系統(tǒng)、配電板、變壓器、推進(jìn)控制系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)、諧波抑制器、監(jiān)控系統(tǒng)和推進(jìn)器組成，如圖1、圖2所示。

3 ? ?電力推進(jìn)系統(tǒng)裝船集成技術(shù)

3.1 ?系統(tǒng)原理

電力推進(jìn)系統(tǒng)是船舶電力從發(fā)電到配電，直至推進(jìn)、控制的全過程綜合系統(tǒng)。在確立了系統(tǒng)的整體方案以后，首先從系統(tǒng)內(nèi)每一個子系統(tǒng)著手，分解到每一個設(shè)備，逐一對其性能指標(biāo)、設(shè)計邏輯、功能需求和接口等原理技術(shù)進(jìn)行分析研究，這個過程一般和系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計同步進(jìn)行，或者提前準(zhǔn)備。隨著對系統(tǒng)原理的深入分析和研究，可同時完成系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計圖的繪制和送審工作，為后續(xù)系統(tǒng)安裝施工工藝、接線圖繪制、調(diào)試試驗等做好技術(shù)和資料的儲備工作。

電力推進(jìn)系統(tǒng)主要組成：（1）發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器，屬市場成熟產(chǎn)品，型號的設(shè)備性能和參數(shù)固定；（2）配電板，需根據(jù)不同的船型設(shè)計具體的配置和外形，尤其是開關(guān)的選型和參數(shù)設(shè)定需做計算分析及動態(tài)仿真，是電力推進(jìn)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)；（3）PMS電站功率管理系統(tǒng)、PCS推進(jìn)遙控系統(tǒng)以及舵槳匹配，需要根據(jù)項目的具體需求設(shè)計，是電力推進(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 ?設(shè)備選型

電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備選型的過程，也是方案確認(rèn)的過程，包括主要設(shè)備：發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)、變頻器、變壓器、配電板等關(guān)鍵參數(shù)、型號的論證確認(rèn)。從全船電力系統(tǒng)總性能、諧波控制要求等出發(fā)，推算出主要設(shè)備的參數(shù)（功率、形式、轉(zhuǎn)速等），最終確定型號和數(shù)量等。

設(shè)備選型需要對產(chǎn)品市場做足夠的數(shù)據(jù)收集、分類和分析，同時對影響電力推進(jìn)系統(tǒng)和全船電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)做計算分析甚至動態(tài)模擬，如發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)阻抗值Xd。

關(guān)鍵設(shè)備變頻器的選型，對全船電力推進(jìn)系統(tǒng)甚至全船電氣系統(tǒng)影響重大，最重要的是諧波控制、諧振的規(guī)避和控制方案、成本等。

AFE 變頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是諧波干凈，節(jié)省空間；缺點(diǎn)是系統(tǒng)成本較貴，易產(chǎn)生諧振。目前AFE 變頻技術(shù)在船舶市場占有率比較高，尤其在作業(yè)情況復(fù)雜、設(shè)備配置較多的海洋工程船舶上使用廣泛。

DFE變頻技術(shù)成本低，性能成熟，長期擁有市場占有率優(yōu)勢。

Wartsila前幾年對其LLC電推技術(shù)有過大力推廣，也有不少船舶安裝使用，其特點(diǎn)是成本較低，節(jié)省空間，但一般用在690 V及以下電制系統(tǒng)，其變壓器的最大功率在3 000 kVA左右，加上系統(tǒng)內(nèi)部的用電消耗，日用電壓范圍和推進(jìn)功率均限制在1 500 kVA，局限性強(qiáng)。

DFE與AFE變頻技術(shù)主要性能對比，見表1。

3.3 ? 接口

系統(tǒng)間合理正確的連接，是電力推進(jìn)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。電力推進(jìn)系統(tǒng)具有設(shè)備多、配置先進(jìn)、系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)，系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)、相輔相成。在一些較大型的海洋工程船上，一臺機(jī)組的接口就有上百個，接口形式多種多樣。接口協(xié)調(diào)通常是電力推進(jìn)系統(tǒng)裝船工作中難度較高和需要重點(diǎn)關(guān)注的過程，特別是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的逐日發(fā)展和更新，不斷有新的接口形式和類別產(chǎn)生，對電力推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)外接口的研究則更為重要。

電力推進(jìn)系統(tǒng)接口研究，首先從系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理開始，每一個對內(nèi)或?qū)ν饨涌诙汲袚?dān)各自不同的責(zé)任和功能，常用接口類型有4～20 mA、開關(guān)量、PT100、數(shù)字接口NEAM0183、profibus、modenbus等。通過接口研究，掌握電力推進(jìn)系統(tǒng)主要設(shè)備接口特點(diǎn)及目標(biāo)船型具體接口特性，歸類總結(jié)接口表，為電力推進(jìn)系統(tǒng)原理設(shè)計、接口協(xié)調(diào)、安裝調(diào)試及試驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

以我司建造的某電力推進(jìn)船舶為例，電力系統(tǒng)需要與船舶管理系統(tǒng)（PMS）的信息進(jìn)行交互，配電板提供電源、開關(guān)狀態(tài)反饋、報警確認(rèn)、有功分配、解列、有功分配模式、外部調(diào)速設(shè)定、匯流排/發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)電機(jī)電流等信號給PMS，PMS將PMS故障、逆功保護(hù)、開關(guān)合閘/分閘命令、機(jī)組負(fù)荷高/低/過流等信號給配電板，詳細(xì)接口格式及內(nèi)容見表2。

表2 ?配電板與PMS接口交互清單

另外電力系統(tǒng)還需要與推進(jìn)器、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)信息進(jìn)行交互。

推進(jìn)器系統(tǒng)將合閘/閘命令、應(yīng)急停止命令等信號發(fā)送給電力系統(tǒng)的配電板，配電板將開關(guān)就緒、開關(guān)合閘信號、開關(guān)狀態(tài)反饋信號、功率信號、母排頻率、重載允許、預(yù)充電等信號反饋給推進(jìn)器系統(tǒng)，詳細(xì)接口格式及內(nèi)容見表3。

電力系統(tǒng)配電板將柴油發(fā)電機(jī)控制模式、啟動命令、停止、加速、減速等信號發(fā)送給柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)將機(jī)組運(yùn)行、啟動失敗、停車/故障停車狀態(tài)、發(fā)電機(jī)的差動互感器信號、、電流測量、電壓測量、勵磁輸出、AVR 供電等信號反饋給電力系統(tǒng)的配電板。詳細(xì)接口格式及內(nèi)容見表4。

3.4 ?生產(chǎn)設(shè)計

電力推進(jìn)系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)計研究，主要針對設(shè)備安裝工藝、布置要領(lǐng)，特別是有特殊要求的設(shè)備，如變頻器安裝環(huán)境、變頻電纜的敷設(shè)工藝等；對電力推進(jìn)系統(tǒng)電纜選型，電纜敷設(shè)工藝做通用或?qū)Ｓ眉夹g(shù)研究，編制電力推進(jìn)系統(tǒng)施工工藝及作業(yè)指導(dǎo)文件，是電力推進(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)的必要環(huán)節(jié)；主要設(shè)備能否合理安裝和布置，會直接影響船舶主要性能；電力推進(jìn)系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)計研究可從設(shè)備布置、電纜選型、電纜走向設(shè)計、設(shè)備安裝技術(shù)等方面展開。

3.5 ? 調(diào)試、試驗

電力推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)試和試驗，在建造廠主要進(jìn)行碼頭調(diào)試和海上航行試驗：碼頭調(diào)試主要完成設(shè)備接線檢查、單個設(shè)備通電調(diào)試；海上航行試驗要完成系統(tǒng)功能試驗。對重要設(shè)備的調(diào)試及軟件設(shè)計、邏輯及參數(shù)設(shè)置，關(guān)鍵技術(shù)掌握在設(shè)備制造商手中，掌握電力推進(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)和主要設(shè)備的調(diào)試技術(shù)，需要從實踐中逐步學(xué)習(xí)、總結(jié)、積累。

4 ? ?結(jié)束語

本文主要結(jié)合電力推進(jìn)系統(tǒng)實際裝船經(jīng)驗，通過對電力推進(jìn)系統(tǒng)集成裝船關(guān)鍵技術(shù)的分析和研究，歸納出電力推進(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)研究的思路和方向，為電力推進(jìn)系統(tǒng)集成裝船技術(shù)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] A1 f Kare Adnanes.船的電氣裝置與柴油電力推進(jìn)系統(tǒng)[M].ABB AS船

舶部，2003.

[2]黃建章、吳忠林等著.船舶設(shè)計手冊·電氣分冊[M].第三版.北京：

國防工業(yè)出版社， 2013.

[3]ABB傳動技術(shù)指導(dǎo)手冊[Z].北京：ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司，2010.

[4]林德輝、黃建章.船舶電力推進(jìn)[M].武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2017.

[5]張春來 ， 吳立軍 . 船舶電站系統(tǒng)的典型故障分析 [C] // 中國航海學(xué)會船

舶機(jī)電專業(yè)委員會. 2000年度學(xué)術(shù)報告論文集，2000.

[6]呂井勇，楊濤，張民.船舶電站自動控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計[J].船海工

程， 2008（12）.

[7]范建新.船舶電站自主創(chuàng)新現(xiàn)狀和途徑[J]. 上海造船， 2009 （3）.