西門子-肖特爾Z型電力推進系統(tǒng)的設計與安裝

1、西門子-肖特爾Z型電力推進系統(tǒng)的設計與安裝關(guān)英華 梁樹森（大連船舶重工集團公司） 摘 要：目前，以電力推進作為推進方式的船舶，憑借它的操縱靈活、方便、準確，提高了船舶舒適度、減少環(huán)境污染等優(yōu)點，使越來越多的中、小型工程船和客滾船采用這種先進的船舶推進方式。而且附加值很高、市場前景非常好的液化天燃氣（LNG）船也開始采用以電力推進作為船舶的推進方式，這樣推進效率會大大提高?，F(xiàn)借著我公司2004年給中海油服建造的綜合檢測船是第一次采用了電力推進的契機，對電力推進系統(tǒng)的設計安裝和調(diào)試進行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：電力推進；諧波；變頻器1 前言綜合檢測船的船級符號： CSA 5/5 Research Ship，

2、Offshore Supply ShipDP-2，Ice Class B3 CSM AUT0并同時滿足DNV船級的下列船級符號要求。DNV：DSV-III SF，DYNPOS AUTR綜合檢測船是一艘海上石油鉆探工程服務船，在作業(yè)過程中對該船的靈活性、快速性要求較高，因此該船的推進系統(tǒng)沒有采用常規(guī)的柴油機推進，而是采用了能夠?qū)崿F(xiàn)快速反應的電力推進系統(tǒng)。推進的原理如圖1所示：圖1表明，船舶推進的動力來自柴油發(fā)電機組（D/G）。發(fā)電機的電力輸出為常規(guī)的電壓恒定、頻率恒定的3相交流電源，經(jīng)過配電板配電到變頻器，經(jīng)過變頻器的調(diào)制，輸入到推進電機的電源為電壓隨頻率變化的交流電源。通過控制變頻器的電源輸出

3、頻率來改變加載在電動機的電壓，從而實現(xiàn)靈活控制電動機的動力輸出，最終實現(xiàn)對整個船只的靈便操縱。該船的電力推進系統(tǒng)，由西門子(SIEMENS)挪威公司和德國肖特爾(SHOTTEL)公司聯(lián)合供貨。西門子供貨內(nèi)容主要包括發(fā)電機（不包括柴油機部分）、690V配電板、推進變壓器、變頻器和推進電機等電力部分，肖特爾供貨內(nèi)容為全回轉(zhuǎn)舵槳。由于推進電機在船艉部的舵槳艙內(nèi)水平安裝，電機軸的水平輸出通過全回轉(zhuǎn)舵槳的齒輪箱變向后帶動螺旋槳，所以，稱作Z型電力推進。2 系統(tǒng)配置該船的主推進系統(tǒng)共有2套，每套的組成相同。簡化后的系統(tǒng)配置如圖2所示：3 系統(tǒng)設計與安裝3.1 柴油發(fā)電機組發(fā)電機組由3臺主發(fā)電機和1臺輔發(fā)電

4、機組成。主發(fā)電機參數(shù)：P=2500KVA，COSj0.8，U690V，f=50Hz；輔發(fā)電機參數(shù)：P=750KVA，COSj0.8，U690V，f=50Hz。電力推進船舶，尤其是工程船，在作業(yè)和進出港時，推進電機的功率變化范圍較大，變化頻繁，從而要求并聯(lián)運行的發(fā)電機的柴油機組有較好的調(diào)速特性。本船的主發(fā)電機柴油機組和輔發(fā)電機柴油機分別由2個供貨商供貨，因此，必須要求2個制造商配備相同品牌和型號的電子調(diào)速器和執(zhí)行器，而且要求調(diào)速器之間有負荷分配線(load sharing line)。這樣，通過負荷分配線，使主發(fā)電機和輔發(fā)電機并聯(lián)運行在同步模式(isochrounous mode)。本船的主輔發(fā)

5、電機在設計之初，沒有采用相同的調(diào)速器和執(zhí)行器，4臺發(fā)電機并聯(lián)運行時，只能通過電站管理系統(tǒng)向柴油機調(diào)速器發(fā)出增減負荷的命令，這是一種比較差的頻差工作模式（droop mode）。為了使主輔發(fā)電機能夠工作在較理想的同步模式，通過協(xié)調(diào)輔發(fā)電機制造商，使他們選用了和主發(fā)電機相同品牌和型號的電子調(diào)速器和執(zhí)行器。在以后類似船舶的設計中，如果有額定輸出功率不同的幾臺發(fā)電機組并聯(lián)運行的情況，則應該注意類似的問題。3.2 690V主配電板主配電板共11屏，配置2個西門子PMA300電站管理系統(tǒng)。本船的電站管理系統(tǒng)與通常的電站管理系統(tǒng)不同之處在于，具有功率限制的功能。即：當電站超負荷運行時，沒有采取優(yōu)先脫扣的方式

6、卸掉不重要的負載，而是通過到變頻器的模擬電流信號，降低推進電機的的輸出功率，從而既保護發(fā)電機不過載，又保證了船上設備的正常運行。由于推進電機的額定功率較大，所以，即便是5的功率下降，下降功率的絕對值也很大，超過船上較大電器設備的額定功率，從而能夠更加有效地解決發(fā)電機過載的問題。這種負荷處理方式是電力推進船舶的優(yōu)點之一。但是，對于這一優(yōu)點，船東起初卻并不接受，經(jīng)過船廠和西門子的解釋，最終同意了這種全新的負荷處理方式。圖3是綜合檢測船690V配電板的電力單線圖。3.3 推進變壓器推進變壓器額定功率P=2800KVA，變比690/(720,720)。每臺推進變壓器（T）實際上由2臺變壓器組成（T1,

7、T2），T1和T2各由1個原邊2個副邊組成，且都是Z型連接方式，但連接方法不同。T1和T2具體的連接方法如圖4所示。采用電力推進的船舶缺點之一是電力系統(tǒng)中有較大的諧波污染，而且，已經(jīng)有實船發(fā)生，因為諧波污染，導致雷達等通訊設備偶爾失電甚至短路現(xiàn)象。推進變壓器的作用是將配電板輸出電源，經(jīng)變壓器移相，改造諧波源。由于推進變壓器容量較大，系統(tǒng)設計時，還要考慮到變壓器的保護。本船在變壓器副邊每相繞組上安裝2個溫度傳感器，其中1個信號接到監(jiān)測報警系統(tǒng)，另1個作為備用。3.4 變頻器變頻器是電力推進系統(tǒng)中的重要設備。本船變頻器輸出電源，也是推進電機的工作電源，為3Ph，AC0690V，頻率0200Hz。從

8、中可以看出，變頻器輸出電源的頻率較高。由于這個因素，變頻器到推進電機的動力電纜的類型，應該選用適于變頻電路的電纜。電纜越長，電纜與屏蔽網(wǎng)之間產(chǎn)生的漏電流越大；屏蔽網(wǎng)在電機端接地，漏電流會通過電機外殼到地形成回路。較大的漏電流有可能燒毀電機軸承。因此，選用有良好電磁兼容特性的電纜，對船舶的正常運行及保證推進系統(tǒng)的使用壽命是很重要的。綜合檢測船基于以上考慮，最終選用了由西門子推薦的德國某電纜公司生產(chǎn)的電纜，型號為FR M2XCH-FC，規(guī)格為3x95mm2。系統(tǒng)設計容易忽略的一個問題，是在作全船電力負荷估算時，沒有考慮變頻器和變壓器本身的功率發(fā)熱損耗。在額定負載時，以本船為例，單臺變壓器和變頻器功

9、率損耗分別是70.0KW和46.7KW，全船2套共70.0x2+46.7x2=233.4KW，是一臺主發(fā)電機額定功率的11.7，可見該值還是很大的，應該引起足夠的重視。綜合檢測船在電力負荷估算時沒有考慮到這部分功率損耗，直到試航時，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機的輸出功率與各負載總和不一致，才發(fā)現(xiàn)該問題。好在發(fā)電機的功率裕度較大，才沒有導致嚴重的設計失誤。3.5 推進電機根據(jù)CCS2001的規(guī)定，推進電機就地位置應設置溫度監(jiān)測裝置，但本船在供貨時沒有滿足該要求。可見，由于電力推進船在我國造船領(lǐng)域才開始起步，設備制造廠在掌握CCS規(guī)范方面也存在經(jīng)驗不足的現(xiàn)象。本船的溫度監(jiān)測裝置最后通過從變頻器輸出電機溫度模擬電流信

10、號，在電機旁設置單獨的溫度儀表，才將問題得以解決。3.6 全回轉(zhuǎn)舵槳本船推進電機功率輸出是通過全回轉(zhuǎn)舵槳做功，推動船的前進和轉(zhuǎn)向?？刂迫剞D(zhuǎn)舵槳的舵槳控制箱布置在舵槳裝置附近。根據(jù)綜合檢測船的設計經(jīng)驗，變頻器一般布置在單獨的艙室內(nèi)，和舵槳控制箱不在同一個水密分割區(qū)域內(nèi)，所以，舵槳控制箱上或附近應設置推進電機應急停止裝置和轉(zhuǎn)速及電流指示儀表。至于舵槳控制箱上是否設置與舵槳有關(guān)的油溫、油壓等報警指示，則需單獨提出技術(shù)要求，否則，制造廠會按照不設置報警指示方式供貨。綜合檢測船就是這樣。待設備到貨時，船東才發(fā)現(xiàn)此問題，但為時已晚。4 調(diào)試交驗整套推進系統(tǒng)的調(diào)試都是由西門子和肖特爾的服務工程師完成的。在

11、本船推進系統(tǒng)的調(diào)試過程中發(fā)生了兩件事，應該引起船東和造船工程技術(shù)人員的注意，避免再次發(fā)生類似的問題。4.1 發(fā)電機的并車一臺主發(fā)電機正在運行供電，當輔發(fā)電機處于較高的優(yōu)先級別而不是設置在最低級別，當前運行電站功率不足時，按照自動電站的級別設置，輔發(fā)電機應該起動運行，投入并網(wǎng)，但是，本船在系泊調(diào)試及航海試驗時，發(fā)生了輔發(fā)電機不能按照設置級別起動并網(wǎng)，而低于輔發(fā)電機設置級別的主發(fā)電機卻起動運行并網(wǎng)。因此，船舶電站各發(fā)電機應該盡可能選取容量等各項參數(shù)完全一致，避免“大機”和“小機”的搭配方式。4.2 變頻器的防護變頻器內(nèi)有許多電氣敏感元件，灰塵、鐵屑是堅決不能進入變頻器內(nèi)的。綜合檢測船在調(diào)試之前，西

12、門子服務工程師發(fā)現(xiàn)，變頻器裝船后由于沒有正確的防護，變頻器周圍舾裝件在進行切割、焊接和打磨工事時產(chǎn)生的金屬粉塵進入到了變頻器，因此，西門子執(zhí)意要求變頻器內(nèi)部需進行徹底清潔，而且，清潔公司的資質(zhì)需得到西門子的認可，而西門子認可的清潔公司卻在德國。如果變頻器內(nèi)部不進行清潔，西門子將不負責變頻器的保修。為此，我們付出了非常高昂的費用，請該清潔公司來清潔變頻器。4.3 總諧波失真(THD)滿足要求電力推進船舶的電力系統(tǒng)中會產(chǎn)生較大的總諧波失真(THD)。綜合檢測船的總諧波失真在試航時經(jīng)測量，在690V配電板處，最大值只有4.2?？傊C波失真的最大值，發(fā)生在單臺發(fā)電機運行、單臺推進電機運行時的工況。而正常航行時，總諧波失真只有3.2，完全滿足船級社的規(guī)范要求。5 結(jié)束語建造以電力推進方式的船舶在我國才剛剛起步，在我們大連