船舶论文定距桨直联稳频型轴带发电机系统
发布时间：2016-01-26
定距桨直联稳频型轴带发电机系统的研发与实船应用对于航运企业低成本运营、在新建或已建船舶上实行节能减排具有十分重要的意义。本篇船舶论文定距桨直联稳频型轴带发电机系统除具有其他型式轴带发电机的基本优点外，还具有结构简单、造价低廉的特点。并且使用轴带发电机后，可以省掉一台辅助柴油发电机组，而定距桨直联稳频型轴带发电机的造价却低于辅助柴油发电机组的价格。
推荐期刊：《船舶工程》(ShipEngineering)，主办：中国造船工程学会，周期：双月，出版地：上海市，语种：中文，开本：大16开，国际刊号 ISSN1000-6982国内刊号CN31-1281/U，邮发代号：4-251，历史沿革：现用刊名-船舶工程，创刊时间：1978。该刊被以下数据库收录：中国科学引文数据库(CSCD—2008)核心期刊：中文核心期刊(2008)中文核心期刊(2004)中文核心期刊(2000)中文核心期刊 (1996)中文核心期刊(1992)。本刊系中国造船工程学会会刊，国家技术类核心期刊。在推动造船工业技术进步、促进船舶科研事业的发展、沟通会员单位之间的联系、报道学会动态和提供产品经济信息等方面发挥了重要的导向作用，已成为船舶及海洋工程领域中发行量大、覆盖面广的工程技术类刊物。
[关键词]轴带发电机系统;逻辑控制模块;信号接口与控制;应用
引言
现代船舶主要以石油为燃料。燃料费用在船舶营运成本中占比很高，并随油价上涨而提高，所以燃料节约对降低船舶营运成本有重要意义，方法包括减少燃料消耗量和提高燃料使用的效果。特别是2008年下半年金融危机寒潮的侵袭，使全球的航运业遭到重创，航运市场货量和运价明显下滑， BDI指数跌势不休。船东为了降低营运成本，采取许多减排节能措施，其中就包括在已建和新建船舶上使用轴带发电机技术。
1997年，MARPOL公约缔约国大会通过了关于船舶CO2排放的决议。2009年7月，MEPC59会议通过和批准包括新船能效设计指数(EEDI)计算方法、能效设计指数自愿验证、船舶能效管理计划(SEEMP)制定、能效营运指数(EEOI)自愿使用在内的四个导则。国际海事组织提出了针对新船的“新船设计能效指数”，以促进航运业的节能减排工作开展。根据第62次会议通过的修正案，由2015年开始，所有400总吨或以上的新船必须达到新船设计新能效指数要求。这些新的决议和要求也激发了船东对应用轴带发电机技术的热情。
1轴带发电机系统
船舶轴带发电机系统是由主机驱动船舶发电机，利用主机富裕功率达到节能的目的。轴带发电装置作为节约运行费用及改善机舱管理和运行条件的有效手段，以其特有的优越性引起了各国造船界和航运界的重视。
通常船舶主机的功率都有10%以上的裕量，而船舶上所安装的发电机容量却不会超过这个数值，并且主机效率比常规的柴油发电机组高，由于燃油耗费大约占船舶营运费的53%左右，因此如使用轴带发电机，则燃油的节约立即显示出巨大的经济效益。在航运市场不景气的情况下，各大航运公司为了降低成本、提高船舶的经济性，纷纷采用降低航速或以经济航速运行，使主机拥有大量富裕功率;同时，由于主机长期低负荷运行会对主机性能和效率产生影响，而使用轴带发电机正好可以改善主机运行工况和降低营运成本。
经过多年的发展，目前轴带发电机主要有以下两种类型：
(1)变螺距螺旋桨(CPP)带轴带发电机。通过改变螺距来改变螺旋桨的推力大小和方向，从而保证主机转速和轴带发电机频率不变。
(2)定距桨(FPP)带轴带发电机。由于在船舶运行期间，主机的转速和方向是可变的，因此必须采取稳定频率的措施。常用的有转速补偿和频率补偿的方法：转速补偿一般采用行星齿轮传动型或液压传动型;频率补偿一般采用大功率晶闸管逆变型加调相机或PWM型变频器。
虽然轴带发电机有很多优势，但是已经比较成熟的轴带发电机技术只掌握在几家大公司手中，且产品价格昂贵、初次安装费用极高、控制复杂，对已建船舶进行改装也非常困难，因此对于处于航运低谷中的航运企业而言也是一个不小的负担。
2定距桨直联稳频型轴带发电机系统FPP-DL-FSSG
正是基于上述原因，在仔细研究和总结已有轴带发电机技术特性和特点的基础上，我们提出一套新的轴带发电机系统。该系统投资少、硬件结构简单、对新建船舶无需增加额外投资就可以使用轴带发电机，从而提高船舶的能效水平;同时由于该系统的基础在于合理整合优化已有船舶设备，因此也适用于已建船舶的节能环保的改造。该系统在兼顾变螺距螺旋桨(CPP)带轴带发电机和定距桨(FPP)带轴带发电机的优点的同时，能保证船舶在海上航行时，由轴带发电机供给全船所需电能，仅在停泊或在复杂航道中才需要柴油发电机组投入运行。由于FPP-DL-FSSG轴带发电机系统，传递效率高，传递损失仅为1%左右，因此能为船舶运营节约大量的燃油费用。
FPP-DL-FSSG轴带发电机系统的维修工作量要比柴油发电机组少得多，且维修周期又长得多，使船舶的运行管理得到了简化，从而降低了维修费用和延长了维修周期。装有FPP-DL-FSSG轴发装置的船舶可以减少辅机的配置数量，有利于扩大机舱的空间、降低机舱温度并减少机舱的噪声，改善工作环境和条件。同时，由于船舶在航行中可以不使用柴油发电机组，因此也减少其消耗的燃油和滑油，从而减少CO2的排量，提高了船舶EEDI和EEOI的水平。
该系统的总体设计方案经过广泛讨论和调研，得到 GL 船级社和许多船东的论证和认可。该系统主要分为以下几个主要部分：
2.1双速比或多速比齿轮箱
双速比或多速比齿轮箱是该系统的动力转换与输出装置，安装在螺旋桨中间轴或装在主机自由端。双速比或多速比齿轮箱的使用是为了确保航行时的船舶在整个航速范围内使用轴带发电机。众所周知，船舶在海上正常航行时，根据该船的能源管理计划，船舶航速基本保持在一个经济航速范围内。正是基于这种实际应用中的需要，本系统设计了双速比或多速比齿轮箱，可以覆盖整个经济航速内的主机转速范围，保证发电机装置在主机70%~100%的转速范围内发出足够的输出功率，以满足全船供电要求。
齿轮箱动力传递路线图如图1和图2所示。
2.2轴带发电机
轴带发电机使用的是自励无刷同步发电机，符合《船用发电机通用技术条件》，发电机通过高弹连接轴与齿轮箱输出轴相连。要求轴带发电机具有以下特性：稳定时间不超过1.5s，电压波动率不超过±1%，空载线电压波形畸变率不超过3%，带防潮加热和绕组温度传感器，轴带发电机带并联下垂装置，能够满足与船舶柴油发电机短时并车和自动负载转移的要求。 轴带发电机带 AVR自动调压器装置和电动与手动外接调压器，保证轴带发电机在负载变化及主机转速波动时，电压保持稳定，保证轴带发电机与柴油发电机组短时并车时，电压特性满足并车要求。 轴带发电机设有励磁和灭磁功能转换接口，以防止轴带发电机和主发电机组进行相互转换时，产生过载电压而损害轴带发电机，转换开关由主配电板PMS控制。
2.3FPP-DL-FSSG逻辑控制模块单元组
2.3.1主机遥控系统中的FPP-DL-FSSG逻辑控制模块
主机遥控系统是指在驾驶室或集控室对远处的主机进行操纵的装置。对于定距桨直联稳频型轴带发电机系统来讲，在原有主机遥控控制模块中，增加了 FPP-DL-FSSG逻辑控制模块，该模块主要功能包括：在主机遥控系统PCS与电站管理系统PMS之间建立起SG请求与允许、调速请求与调速允许等握手信号，来达到主机转速操纵及当主机转速变化时仍能保证船舶供电的连续性和稳定性;在主机遥控系统PCS与电站管理系统PMS之间建立起主机故障处理及应急操纵请求与主机故障处理及应急操纵允许的握手信号，来达到当主机出现SLD故障或SHD故障时，电站管理系统PMS通过发电机的转换等控制流程，保证船舶供电、主机的安保及船舶的应急操纵能够满足各大船级社和SOLAS及IMO对无人机舱的要求、对主机SLD和主机SHD的安保要求以及对船舶应急操纵的要求。
2.3.2电站管理系统PMS中的FPP-DL-FSSG逻辑控制模块
船舶电站是现代船舶的心脏，船舶电网失电会造成全船瘫痪，增大风险。电站管理系统PMS是以PLC控制为基础的综合电站管理系统，可以保证船舶供电的可靠性、快速性及合理性。对于定距桨直联稳频型轴带发电机系统来讲，在PMS系统中采用轴带发电机与柴油发电机组短时并车操作，用于轴发与柴发之间的切换和负荷转移。同时也在PMS系统中增加与主机遥控系统中的FPP-DL-FSSG逻辑控制模块相对应的握手信号逻辑控制单元及对不同档速比齿轮箱及轴带发电机进行控制的逻辑控制模块单元，从而使采用定距桨直联稳频型轴带发电机系统的自动电站可以满足船舶的不同配电要求。
2.4系统设备之间信号接口与控制
在主机自由端或轴系输出端通过连接轴连接双速比或多速比齿轮箱，速比设计涵盖船舶整个海上航行的航速范围，双速比或多速比齿轮箱PTO输出端带动自励无刷同步发电机，由同步发电机供电至主配电板为全船负载供电，同时为了保证供电连续性及船舶进出港工况，需配置2台柴油发电机组。主机遥控系统PCS 与电站管理系统PMS中分别设置请求与允许握手信号逻辑控制单元，在电站管理系统PMS中设置对不同档速比齿轮箱及轴带发电机进行控制的逻辑控制单元，在齿轮箱控制单元中设置执行和反馈逻辑控制单元，在主机遥控PCS和齿轮箱控制单元中设置运行与安保信号逻辑控制单元。这些控制单元通过PLC实现相应的功能，可以独立或集成于原主机遥控系统PCS、电站管理系统PMS以及齿轮箱控制单元的PLC电路中，从而保证FPP-DL-FSSG系统满足船级社对无人机舱的要求，满足船舶在驾驶室进行主机遥控及船舶操纵的要求，满足船舶供电的连续性及船舶设备对电源特性的要求。
主机一定转速范围内，轴带发电机可以正常工作。当电站发出轴发请求信号后，在主机工作于任一档允许轴带发电机工作的转速范围时，主机遥控即发出轴发允许信号给电站控制系统PMS。PMS起动轴带发电机，控制齿轮箱对应速比合排，并与运行的柴油发电机组短时并车转移负荷后，轴带发电机供电，柴油发电机停止工作。其运行信号由电站控制系统PMS输出给主机遥控系统PCS，提醒保持主机转速。主机遥控系统PCS进行转速调节时，首先发出一个调速请求信号给自动电站管理系统PMS，待经过起动柴油发电机组并与运行的轴带发电机短时并车转移负荷后，柴油发电机供电，轴带发电机停止工作，电站控制系统PMS再返回一个调速允许信号给主机遥控系统PCS，由主机遥控控制主机完成调速控制流程。
主机发生SLD或SHD时或船舶进行应急操纵时，主机遥控系统PCS输出安保信号或应急操纵请求信号给电站控制系统PMS，PMS则根据不同安保信号或应急操纵请求信号做出相应处理后，反馈给PCS允许信号，再由主机遥控系统PCS控制主机完成相应的控制流程。
FPP-DL-FSSG系统设备之间信号接口如图3所示。
2.5FPP-DL-FSSG系统的系泊与航行试验
2.5.1FPP-DL-FSSG系统的系泊试验内容
(1)用水阻/负载箱和电抗器进行负载试验，绝缘电阻测量， 稳态电压特性试验，其试验要求与柴油发电机组相同。
(2)轴带发电机及齿轮箱的安全报警装置试验，实验结果满足船级社无人机舱的要求。
(3)轴带发电机与柴油发电机自动和手动负载转移试验。
2.5.2FPP-DL-FSSG系统的航行试验内容
(1)在航行中，轴带发电机和主机自动控制系统之间的效用试验，FPP-DL-FSSG控制系统失败，报警及安保实验，失电转换功能应可靠。
(2)轴带发电机运行时，车钟操纵试验。
车钟操纵，主机转速从轴带发电机一个工作速度范围转到另一个工作速度范围，备用柴油发电机组启动，完成柴油发电机与轴带发电机及轴带发电机与柴油发电机的转换过程试验。
车钟操纵，主机转速从轴带发电机工作速度范围转到非工作速度范围，预设备用柴油发电机组启动，柴油发电机与轴带发电机短时并车，转移负荷，负荷转移完成后，轴带发电机解列分闸，柴发运行供电，主机开始调速，完成主机调速过程。
(3)轴发运行时，主机故障SLD&SHD试验及船舶应急操纵试验。
(4)电站模式转换及SG手动控制效用试验。
3FPP-DL-FSSG系统的应用
定距桨直联稳频型轴带发电机系统FPP-DL-FSSG已在黄海造船有限公司31200载重吨多用途船上成功进行实施和应用，该船由上海欧得利船舶工程有限公司设计， 其入级符号为：
GL100A5，MULTI-PURPOSE SHIP; Strengthened for Heavy Cargoes; G; Equipped for carriage for container; IW; BWM
MC; E1; AUT; SOLAS II-2 Reg.19 Class 1.4s， 2， 3， 4， 5.1， 6.1， 8 & 9
在31200载重吨多用途船上，主机为MAN B & W 6S46ME-B8.2-TII低速主机。主机在 90%负荷时，主机转速为106r/min、功率为5832kW;100%负荷时，主机转速为110r/min、功率为6480kW。90%负荷时，最大航速设计为14kn。双速比增速齿轮箱安装在中间轴上，其参数为：快速档为输入99r/min、输出1200r/min，慢速档为输入106r/min、输出1200r/min。当主机转速变化在95~102r/min时，快速档齿轮合排;当主机转速变化102~110r/min时，慢速档齿轮合排。正车时，主机在额定转速下允许快档与慢档的切换。这样可以保证当主机工作在95~110r/min大转速范围内，通过轴带发电机可以获得满足GL规范要求的频率相对稳定的高品质电源。轴带发电机参数为功率745kW AC450V60Hz，自然通风冷却、三相三线制、无刷谐波励磁同步发电机。轴带发电机仅可以在两档主机转速范围内(95~102r/min和 102~110r/min)正常工作。轴带发电机布置图如图4所示，实船齿轮箱和轴带发电机安装布置图如图5所示。
3.131200载重吨配电及自动电站管理系统PMS的介绍
31200载重吨多用途船的主配电板分A、B、C三段汇流排，AB汇流排接柴油发电机组，C汇流排接轴带发电机，其电力系统基本馈线图如图6所示。
配电模式分为柴发模式、轴发优先模式、分区供电模式共三种模式。31200载重吨MSB上装有SIEMENTS SMART LINE 显示屏，可以清楚监视三种模式。三种模式介绍如下：
(1)柴油发电机模式
当选择柴油发电机模式时，PMS系统将根据全船负荷和工况要求，自动调整为一台或两台柴油发电机对全船供电。一台或两台柴油发电机与轴带发电机并联转移负荷后，轴带发电机自动解列分闸，齿轮箱脱排，实现由柴油发电机对全船负载供电的模式。
(2)轴带发电机优先模式
如果主机运行在两个恒速范围内，电站将根据负荷和工况要求，在收到主机遥控发出的SG允许信号时，自动调整为齿轮箱对应速比合排。轴带发电机与柴油发电机并联转移负荷后，柴油发电机分闸停机，轴带发电机对全船供电，实现由轴带发电机对全船负载供电的模式。
(3)分区供电模式
当选择分区供电模式时，电站将根据负荷和工况要求，母联开关SDBT分闸，自动调整为一台柴发对A/B 排所带负载供电，轴带发电机对C 排所带的冷藏箱供电的分区供电模式。
3.231200载重吨FPP-DL-FSSG系统使用结果
定距桨直联稳频型轴带发电机系统FPP-DL-FSSG在31200载重吨多用途船上，进行了全面严格的检验，其检验结果满足DNV-GL无人机舱的要求，得到了DNV-GL验船师和船东的高度评价和确认。该系统不仅能保证船舶在正常航行中，各种船舶操纵及遥控命令的顺利执行，而且也可以在 95~110r/min转速范围中的任一转速点上提供100%轴带发电机功率的稳频稳压的高品质电源，供全船使用，具体实验数据见表1。
在试航期间，通过对全船不同供电负荷工况下进行的油耗测试，表明FPP-DL-FSSG系统节能减排效果明显，每天节约燃油约1.5t左右。考虑到主机一般拥有10%~15%的储备功率及在当今船东采用低速航行降低航运成本的时代，轴带发电机的使用可以改善主机运行条件，使主机在理想负荷点运行，从而大幅度提高主机效率。因此定距桨直联稳频型轴带发电机系统可使船舶在航行过程中用于电力消耗的燃油费用降低30%~50%，如再加上滑油及维护成本，应用定距桨直联稳频型轴带发电机系统的船舶，其发电成本比完全使用柴油发电机组，节约成本在50%以上。
4定距桨直联稳频型轴带发电机系统的意义
总之，由于定距桨直联稳频型轴带发电机系统既满足CCS、DNV-GL等各大船级社无人机舱的要求，又有造价低廉、硬件结构简单的特点，具有提供高品质电源的能力与节约建造成本和大幅减少航运成本的优点，所以其为广大航运企业满足MARPOL对船舶CO2排放的决议及IMO等国际海事组织对船舶节能减排越来越高的要求，为广大航运企业降低航运成本提供了可靠的应用平台。该系统的推广和应用必然会得到越来越多船东的认可和使用，并为我国在船舶节能减排领域添加一项先进的技术成果。
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