吊舱式电力推进装置的应用

吊舱式电力推进装置的应用叶国泉,沈林涛(江南造船(集团)有限责任公司,上海200011)摘要:详尽介绍了全回转舵桨合一、吊舱式电力推进的性能及电力推进系统的组成,并结合我国首艘成功采用吊舱式电力推进装置船舶的实施效果,阐述了电力推进技术的先进性。

关键词:电力推进;吊舱式推进系统;装船效果;系统组成中图分类号:U664.3 文献标识码:B 文章编号:100529962(2007)0120019203Abstract:This paper intr oduces the functi on and compositi on of Azi pod Electrical Pr opulsi on Syste m.Based on the per 2f or mance of the shi p equi pped with Azi pod,the technical advantage of the electrical p r opulsi on is discussed .Key words:electrical p r opulsi on;Azi pod p r opulsi on syste m;shi p perf or mance;syste m integrati on第一作者简介:叶国泉,男,高级工程师(研究员级)。

1947年生,1970年上海交通大学船舶动力系毕业,长期从事船舶设计工作。

1　前　言 由708研究所设计,江南造船(集团)有限责任公司建造的综合海洋监测船“中国海监83”号是首艘由我国自行设计的采用紧凑型吊舱装置的全电力推进系统船舶,也是目前国内最大、设备最先进的综合海洋监测船。

其主要技术参数:总 长98m 垂线间长86m 型 宽15.2m 型 深7.8m 设计吃水5.0m设计排水量约3420t结构吃水5.5m最大排水量约3980t航速:设计航速18kn (推进功率2×1700k W 时),常用航速14kn (推进功率2×823k W 时),最低航速不大于0.5kn,无级调速定员:80人(船员30人,调查科研人员50人)续航力和自持力:常用航速下续航力为10000n m ile;额定人员80人情况下,船的自持力为60天本船可航行于南北纬60度以内的世界各大洋海域,在风力12级的恶劣天气条件下,也可执行维权巡航任务。

2　电力推进 电力推进具有低噪声、低振动、低油耗、低废气排放、长时间低速航行、机动性好、冗余度大、运行可靠、节省机舱空间等优秀性能。

海监船工作的特殊性决定了载体的动力控位和机动操纵时间基本与行驶操作时间相当。

因此,选择电力推进作为本船的推进装置是最佳的设计方案。

上世纪七八十年代,AC /DC 整流器(可控硅整流器)和AC /DC 变频器分别问世,变速变频技术的发展使电力推进系统变得更加紧凑、安全、高效和经济,随之,越来越多的船舶采用了电力推进系统。

电力推进的形式可以分为三种:轴桨推进,舵桨推进(Z 型推进)和吊舱式推进。

其中轴桨推进的变速电动机与螺旋桨轴连接,适用于船舶所需的推进功率比较大,超出了舵桨推进能提供的功率范围。

舵桨推进的推进电机在舱内,推进器可以自由转动,能产生任何方向的推力,但功率范围有限。

吊舱式推进的推进电动机在水下的吊舱内,无机械传动的机构,系统可以自由转动,能产生任何方向的推力。

功率范围从500～30000k W 。

综合舵桨推进与吊舱式推进系统的投资成本、安装、舱室布置、维修等因素,若总推进功率小于等于6600k W ,采用舵桨推进为宜;反之,吊舱式推进装置为佳,但其初投资高,且满载航行时增加传输损耗。

3　电力推进系统组成 本船的电力推进系统由中心电站和2套推进驱动器组成。

根据本船总体设计的要求及综合经济分析,中心电站有4台690V 的柴油发电机组组成;每套推进驱动器由1套6脉冲推进变频器(ACS600W)、1套5次谐波滤波器和1套紧凑型吊舱式推进装置(Azi pod)组成。

3.1　中心电站中心电站设有3台主柴油发电机组(每台机组功率为1800k W,1000r/m in,690V,50Hz),1台停泊柴油发电机组(机组功率为600k W,1000r/ m in,690V,50Hz)。

主柴油发电机组既供推进电机等动力系统的用电,又供船舶日常用电。

3.2　6脉冲推进变频器6脉冲推进变频器(ACS600,690V,2510k VA, 2196A,水冷却),采用直接转矩控制(DTC)电机控制方式,不需要速度反馈,响应时间快。

带刹车电阻箱(ACA622)和程序应用控制箱(AC800),刹车功率为300k W,最大400k W,以实现反向快速制动和速度参考值管理、功率限制控制等功能。

3.3　5次谐波滤波器5次谐波滤波器(400V,630V,2×175k VA, 245Hz,谐波电流450A,RMS544A)由电容、电抗器、接触器和热动继电器等组成。

滤波器不接地,分支并联通过低压配电板供电。

其电容容量和电抗感应系数的选择是关键,必须使滤波器达谐振频率时,具有低阻抗的谐振电路,从而使绝大部分谐波电流由调谐滤波器吸收。

3.4　紧凑型吊舱式推进装置3.4.1　主要技术参数推进电动机最大额定功率(每台):1860k W, 690V螺旋桨:定距,4叶,镍铝青铜,桨叶直径2.5m转速范围:0～293r/m in,最大转速316r/m in 3.4.2　组成吊舱式推进装置由转舵模块、支撑模块、电机模块和螺旋桨组成。

(1)转舵模块由功率传输单元、转舵单元和安装块组成,此模块位于船体的舵桨舱内。

转舵单元由齿轮箱和转舵电机组成。

转舵速度:巡航模式6°/s,机动模式12°/s。

安装块与船体的基座相连接。

(2)支撑模块作为转舵模块与电机模块的连接部件。

控制电缆、管系和推进电机的电源线都位于此模块内。

(3)电机模块将永磁同步电动机的输出轴直接与螺旋桨固定在一起,电动机带有轴承、轴封。

轴承由2个背靠背的球形滚珠推力轴承组成,由1个约24L的自润滑油箱提供推力轴承的润滑需求。

此模块包括电动机、刹车、管系、螺旋桨。

3.4.3　控制方式驾驶室———方位角操纵杆模式(360°内都可得到推进功率),巡航模式(推力控制杆加主舵轮),遥控方式,遥控备份控制集控室———推力控制杆舵桨舱———现场备份控制3.4.4　推进控制软件通过可编程逻辑控制器的推进控制软件,可提供控制、保护和监管推进系统的功能,此软件同时具有功率限制功能,以防止电网的过载。

功率限制功能包括推进功率、刹车和转速限制。

3.5　功率管理系统通过功率管理系统(P MS)可选择发电机组投入运行的数量,以达到最佳的经济效率。

P MS用于根据功率需求和预防电网跳闸故障时,控制和监控发电机组。

P MS适用于管理与母线分离的整套运行设备,同时也适用于管理跳闸后建立的整套运行设备。

ABB功率管理系统是基于最现代化的ABB控制平台,采用Advant控制器。

P MS的软件被分开成单独的控制器,以达到所期望的安全标准。

P MS有遥控、现场控制两种操作模式。

P MS有以下主要功能:(1)平衡/不平衡负载分配负载分配系统用以使柴油发电机组相互之间的负荷平均分配。

只要使用增加/减少的命令,即可进行自动负载分配修正。

(2)非重要用电设备的三步脱扣电网运行时,若负荷高于设定的数值,将自动脱扣正在电网上运行的非重要的用电设备,首先脱扣耗电量最大的设备。

在短时间延迟后,若负荷依旧过高,将重复此步骤。

整个步骤将重复三次,直至负荷被充分减少。

(3)发电机起动命令为了控制发电机的起动/停止命令,每台发电机都将按照先后顺序排列。

处于排列第一的发电机经常处于运行状态。

每台发电机的顺序排列是随时可以修改的。

(4)跳闸后重起动当正在使用的母线跳闸后,起动顺序排列将输出一个起动信号至所有可用的发电机,以恢复运行。

(5)最少发电机数量操作人员可以预先设定所需的最少发电机的数量,但数量可以随时修改。

3.6　转舵模块的安装吊舱式电力推进装置是本船的核心设备,转舵模块的安装更为重要。

ABB公司根据本船的线形及航速,设计了吊舱式推进装置的全回转转舵模块。

要求船厂设计的基座结构不但应满足强度要求,安装时还必须满足其对倾斜度、调整度、外斜度的特殊要求。

3.7　谐波控制本船最大的谐波电流源是电力推进系统。

谐波将对电机产生振动,引起发热对电机带来危害,并将影响通信电子设备的正常工作。

为确保电气设备的使用安全可靠,必须将本船的400V和690V电网的谐波限制在规范允许的数值内。

经过综合经济分析和可靠性的论证,本船每套电力推进驱动器由1套6脉冲推进变频器(ACS600W)、1套5次谐波滤波器和1套紧凑型吊舱式推进装置(Azi pod)组成。

采用6脉冲变频器,不需要推进变压器,既节约了设备成本,也不需要考虑推进变压器的瞬时起动峰值电流。

虽然其谐波干扰比12脉冲变频器大,但通过优化“发电机电抗”、“输配电系统中使用谐波滤波器”等技术,可简易、经济有效地改善谐波干扰。

特别是在本船的推进功率不是很大,而要求又不很高的场合上使用,可达到事半功倍的效果。

为杜绝其他用电设备可能引起的谐波干扰,船厂对电缆敷设严格按如下要求操作:(1)动力电缆与信号电缆分束;(2)690V电缆与400V电缆分束;(3)每根电缆接地必须良好。

经上述有效的技术措施,效果明显。

试航测试报告显示:发电机组(1800k W×3+600k W)同时工作,电站总负荷4140k W,690V电网的谐波值为8.6%(符合允许数值10%以下),400V电网的谐波值为4.3%(符合规范规定数值5%以下)。

试航中通信电子设备的工作正常。

4　实施效果 (1)船体振动轻微推进电机功率在100%工况时,上层建筑的最大振动速度为1.5mm/s,振动频率为2.55Hz;机舱的最大振动发生在机舱内底,最大振动速度为2.2 mm/s,振动频率为66.67Hz。

所有测点的振动速度均远小于I S O-6954 (1984)商船船体振动的评价合格数值9mm/s,甚至大大超过优秀标准4mm/s。

舱室噪声指标全部达到设计要求。

因此,本船完全适合水声测量、重力测量和磁力测量的作业要求。

(2)操纵性极佳航速18kn时的回转直径约260m,回转直径与船长之比值为2.63。

低速时,可原地回转。

试航时实测,从全速前进变为全速后退,仅前进0.43n m ile。

(3)低速航行可靠性好本船能长时间以0.5kn速度航行,可满足海洋专业调查的需要,适用于多波束调查地质地貌的操作要求。

(4)冗余度大推进动力系统有足够的冗余度,推进系统不易受到单个设备故障的影响。

(5)低油耗据估算,本船的吊舱式电力推进系统与常规推进系统相比,燃油可节约10%～15%。