大型客滾船側(cè)推系統(tǒng)設(shè)計和分析

周康寧，李 彬，李國榮

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江蘇 南京 210015）

0 引言

1 概況

1.1 艏艉動力布置

本船布置雙機(jī)艙、四機(jī)雙槳，每側(cè)機(jī)艙均有2臺主機(jī)，通過齒輪箱變速輸出至螺旋槳和軸帶發(fā)電機(jī)，在船艏側(cè)推室布置3臺艏部側(cè)推。在進(jìn)出港靠泊時，分別為船艉和船艏提供橫向推力。

1.2 供電概況

2臺軸帶發(fā)電機(jī)，每臺功率為2880 kW；4臺主發(fā)電機(jī)，每臺功率為1384 kW；3臺艏部側(cè)推，每臺功率為2500 kW；除側(cè)推以外的全船基礎(chǔ)負(fù)荷約2500 kW。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 配電系統(tǒng)

其中1號和2號側(cè)推連接至直流配電板，直流配電板兼作側(cè)推啟動器 ；3號側(cè)推連接至AC690V主配電板，采用自耦降壓啟動方式[3]。

圖1 側(cè)推系統(tǒng)單線圖

1）正常航行時，2臺軸帶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)為全船基礎(chǔ)負(fù)荷提供電源，主發(fā)電機(jī)備用。

2）正常進(jìn)出港工況時，2臺軸帶發(fā)電機(jī)分別為2臺側(cè)推提供電源，第3臺側(cè)推備用，主發(fā)電機(jī)為全船基礎(chǔ)負(fù)荷提供電源。

3）極端進(jìn)出港工況時，軸帶發(fā)電機(jī)輸出功率受限，3臺側(cè)推或其中2臺側(cè)推組合使用，主發(fā)電機(jī)為全船基礎(chǔ)負(fù)荷和部分側(cè)推提供電源。

中國工程院智能制造發(fā)展戰(zhàn)略研究室主任屈賢明曾表示，工業(yè)強(qiáng)基主要包括4個方面，即核心基礎(chǔ)零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)。只有把基礎(chǔ)打牢，才能在關(guān)鍵領(lǐng)域擁有核心競爭力，夯實產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。讓我們將目光從產(chǎn)業(yè)縮小到企業(yè)，只有使每一個出廠產(chǎn)品被客戶認(rèn)可，才能讓企業(yè)在該領(lǐng)域具有一定的話語權(quán)；再將目光從企業(yè)縮小到產(chǎn)品，只有對每一個零件進(jìn)行質(zhì)量把控，才能保證產(chǎn)品的高性能。于此，國望集團(tuán)之所以大手筆購置先進(jìn)加工設(shè)備的原因不言而喻，其就是要保證每一個零件的高精度，從而確保最終組裝產(chǎn)品的高性能，這亦是國望集團(tuán)對于“一流”產(chǎn)品的承諾。

左右兩側(cè)的直流配電板兼作側(cè)推啟動器，1號和2號側(cè)推的升壓變壓器直接連接至軸發(fā)變頻器，減少額外的硬件配置。兩側(cè)直流配電板可與AC690V主配電板分區(qū)運行，側(cè)推突加和突卸負(fù)荷時，不影響主電網(wǎng)的電壓和頻率輸出，主電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠。

2.2 系統(tǒng)選型

1）設(shè)備功率選型

根據(jù)設(shè)備廠家信息，收集各部件工作效率，如本船側(cè)推2500 kW，軸帶發(fā)電機(jī)功率配置到2880 kW，根據(jù)各部件的工作效率逐級推導(dǎo)出軸帶發(fā)電機(jī)所需功率：2500 kW（側(cè)推馬達(dá)軸功率）→3000 kVA（側(cè)推升壓變壓器容量）→2750 kW（變頻器輸出）→2880 kW（軸帶發(fā)電機(jī)輸出）。

2）電纜選型

基于IEC60034-35要求，與變頻器直接相連接的電纜，如圖中序號①②③處的電纜直接與變頻器相應(yīng)的整流和逆變模塊相連，推薦使用變頻電纜，屏蔽接地的截面積至少為單相導(dǎo)體截面積的一半，對于AC690V系統(tǒng)，推薦使用1.8/3 kV電壓等級的電纜，以應(yīng)對變頻器瞬間的沖擊電壓。

序號④為高壓電纜，通過變壓器隔離后，無須考慮使用變頻電纜，如本船變壓器二次側(cè)為AC6600V,采用6/10 kV電壓等級的電纜即可，也不需要提升電纜的電壓等級應(yīng)對考慮變頻器瞬間的沖擊電壓。

如上述分析，序號④所示的高壓電纜其單價低于序號③所示的變頻電纜。變壓器二次側(cè)電纜用量大幅減少，以3×95 mm2電纜規(guī)格為例，相比于低壓側(cè)推方案，本船共減少電纜用量約8000 m,減輕重量約20 t。

2.3 側(cè)推變頻電纜防電磁干擾方案

1）變頻電纜防電磁干擾傳統(tǒng)方案

依據(jù)IEC60533要求，序號①②③所標(biāo)的三相對稱變頻電纜須在電纜兩端做360°屏蔽網(wǎng)可靠接地，對于軸帶發(fā)電機(jī)可以考慮要求設(shè)備廠家自帶EMC型填料函，對于直流配電板大型落地式安裝的變頻器，變頻電纜數(shù)量大，布置分散，柜體內(nèi)無專用的電纜屏蔽處理裝置應(yīng)對電磁干擾問題。常規(guī)方案是通過在下層甲板上布置專用的EMC型電纜密封件，以實現(xiàn)電纜屏蔽層360°接地。此方案采購成本高，屏蔽接地的位置只能在電纜密封件處處理，距離變頻器距離較遠(yuǎn)，效果較差。此外，電纜進(jìn)行密封件前需要處理外護(hù)套，不易施工，現(xiàn)場耗費工時較長。如圖2所示。

圖2 EMC型電纜密封件方案

2）變頻電纜防電磁干擾改進(jìn)方案

通過改進(jìn)變頻電纜屏蔽網(wǎng)接地方式，采用不銹鋼無磁彈簧卡箍固定電纜屏蔽層的方式，取代傳統(tǒng)的EMC型電纜密封件。在變頻電纜穿越普通的電纜密封件后，具體操作流程為：①做切割標(biāo)記；②解除外護(hù)套；③移除屏蔽層 ；④安裝不銹鋼無磁彈簧；⑤連接接地銅網(wǎng)。

圖3 不銹鋼無磁彈簧卡箍方案

相比傳統(tǒng)方案，改進(jìn)方案具有以下優(yōu)勢：

方便現(xiàn)場施工。電纜穿過密封件后，在電纜適當(dāng)高度固定不銹鋼無磁彈簧，相比于采用EMC型電纜密封件方案，此方案更方便施工，節(jié)省工時，在變頻器內(nèi)部空間相對寬松的情況下，改進(jìn)方案和傳統(tǒng)方案所需要工時比約為1:2.5，施工成本優(yōu)勢明顯。

相比在下方甲板布置EMC型電纜密封件方案，360°屏蔽網(wǎng)接地位置更靈活，可以向上靠近變頻器位置，對柜體其它電氣部件影響更小 ；相比其它屏蔽網(wǎng)接地方案，不銹鋼無磁彈簧為多層環(huán)繞，接地更加可靠，緊固性更好，不易松動和斷裂，降低人為因素影響。

不銹鋼無磁彈簧接地方案與傳統(tǒng)方案相比，材料成本大幅降低。

3 側(cè)推工作模式

3.1 正常航行工況

正常航行時，軸帶發(fā)電機(jī)為全船基礎(chǔ)負(fù)荷提供電源，直流配電板有以下2種工作模式。

1）PTOeco模式：軸帶發(fā)電機(jī)在可變轉(zhuǎn)速工作時，通過直流配電板變頻后，為AC690V主配電板提供穩(wěn)定的電壓和頻率；此時，QF3和QF4閉合，QF5斷開。

2）PTOclassic模式：軸帶發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速工作時，直接為AC690V主配電板提供穩(wěn)定的電壓和電源，無需由直流配電板整流和逆變，減少能量損耗。此時，通過QF5旁通至主配電板；此時，QF3和QF4斷開，QF5閉合。

3.2 進(jìn)出港工況

進(jìn)出港工況下，基于不同船舶工況和天氣狀況，側(cè)推可有以下3種工作模式選擇，以便最大限度地運用船上軸帶發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)的輸出功率，為船舶靠泊創(chuàng)造條件。

1）軸發(fā)-側(cè)推模式：天氣良好，外部風(fēng)力小，在軸發(fā)單獨運行為側(cè)推供電時，主推進(jìn)除為船舶提供艉部橫向推力外，2臺軸帶發(fā)電機(jī)分別供1號和2號側(cè)推使用，滿足艏部橫向推力要求。此時，QF3閉合、QF4和QF5斷開。

2）聯(lián)合-側(cè)推模式：惡劣天氣，外部風(fēng)速較大，為應(yīng)對艉部橫向推力，單側(cè)螺旋槳占用主要的主機(jī)功率，PTO輸出功率被嚴(yán)重制約，此時1號或2號側(cè)推需要借助主電網(wǎng)，由主配電板向軸發(fā)變頻器提供電源，軸帶發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)在直流配電板上并網(wǎng)為側(cè)推提供電源；此時，QF3閉合，QF4閉合，QF5斷開。

3）配電板-側(cè)推模式：此模式為側(cè)推的使用提供更好的靈活性，可在極端天氣的特定風(fēng)向工況下，軸帶發(fā)電機(jī)輸出功率嚴(yán)重受限時使用。此時，QF4閉合，QF3和QF5斷開。

在外部風(fēng)力20 m/s的極端工況下，通過列舉3種典型風(fēng)向下，對艏艉所需要橫向推力，以及兩側(cè)軸帶發(fā)電機(jī)可用的功率分析3臺側(cè)推的工作模式。

1）A風(fēng)向時，左側(cè)PTO可用功率為7600 kW,右側(cè)PTO可用功率為6700 kW,超過2臺側(cè)推功率總和，均大于單臺側(cè)推的額定功率。艏部橫向推力需求為5700 kW,超過2臺側(cè)推總功率，只能采用3臺側(cè)推并機(jī)的工作模式，每臺側(cè)推功率均為1900 kW，只有3號側(cè)推需從主配電板取1900 kW。

2）B風(fēng)向時，左側(cè)PTO可用功率為1400 kW,右側(cè)PTO可用功率為700 kW?？紤]到右側(cè)PTO可用功率較小，利用率不高，不作考慮。艏部橫向推力需求為3600 kW，此時采用3臺側(cè)推并機(jī)的工作模式，每臺側(cè)推功率均為1200 kW。2號和3號側(cè)推電源均需要取自主電板，共需要從主配電板供應(yīng)2400 kW電源。

表1 側(cè)推使用模式參考表

3）C風(fēng)向時，左側(cè)PTO可用功率為900 kW，右側(cè)PTO可用功率為60 kW。艏部橫向推力需要3000 kW，此時采用2臺側(cè)推并機(jī)的工作模式，每臺側(cè)推功率均為1500 kW。1號側(cè)推需從主配電板取750 kW，3號側(cè)推需要從配電板取1500 kW，共需要從主配電板供應(yīng)2250 kW電源。

上述3種典型工況下，主配電板供應(yīng)側(cè)推使用的電功率均不超過2500 kW，滿足對基礎(chǔ)負(fù)荷的供電需求。

4 結(jié)語

在正常進(jìn)出港工況下，1號和2號側(cè)推均使用軸發(fā)-側(cè)推模式，基礎(chǔ)負(fù)荷由主發(fā)電機(jī)承擔(dān)，主電網(wǎng)與側(cè)推電網(wǎng)分離，降低主電源波動及電網(wǎng)安全。在極端工況的風(fēng)向下，依然可利用各種模式相互組合，充分利用軸帶發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)的剩余電功率，實現(xiàn)船舶靠泊能力最大化。船員可依據(jù)不同海況進(jìn)行靈活選擇，實現(xiàn)電功率的優(yōu)化分配，可確保船舶按時進(jìn)出港口。相比側(cè)推與主電網(wǎng)同等電制的方案，電纜用量大幅減少，克服了客滾船空間狹小、布置緊湊、電纜通道難以布置等問題。不僅降低建造成本，減輕空船重量，船舶穩(wěn)性也得到有效控制。