西门子-肖特尔Z型电力推进系统的设计与安装

1/7西门子-肖特尔Z型电力推进系统的设计与安装关英华梁树森（大连船舶重工集团公司）摘要：目前，以电力推进作为推进方式的船舶，凭借它的操纵灵活、方便、准确，提高了船舶舒适度、减少环境污染等优点，使越来越多的中、小型工程船和客滚船采用这种先进的船舶推进方式。而且附加值很高、市场前景非常好的液化天燃气（LNG）船也开始采用以电力推进作为船舶的推进方式，这样推进效率会大大提高。现借着我公司2004年给中海油服建造的综合检测船是第一次采用了电力推进的契机，对电力推进系统的设计安装和调试进行了总结。关键词：电力推进；谐波；变频器1前言综合检测船的船级符号：★CSA5/5ResearchShip，OffshoreSupplyShipDP-2，IceClassB3★CSMAUT—0并同时满足DNV船级的下列船级符号要求。DNV：DSV-IIISF，DYNPOSAUTR综合检测船是一艘海上石油钻探工程服务船，在作业过程中对该船的灵活性、快速性要求较高，因此该船的推进系统没有采用常规的柴油机推进，而是采用了能够实现快速反应的电力推进系统。推进的原理如图1所示：2/7图1表明，船舶推进的动力来自柴油发电机组（D/G）。发电机的电力输出为常规的电压恒定、频率恒定的3相交流电源，经过配电板配电到变频器，经过变频器的调制，输入到推进电机的电源为电压随频率变化的交流电源。通过控制变频器的电源输出频率来改变加载在电动机的电压，从而实现灵活控制电动机的动力输出，最终实现对整个船只的灵便操纵。该船的电力推进系统，由西门子(SIEMENS)挪威公司和德国肖特尔(SHOTTEL)公司联合供货。西门子供货内容主要包括发电机（不包括柴油机部分）、690V配电板、推进变压器、变频器和推进电机等电力部分，肖特尔供货内容为全回转舵桨。由于推进电机在船艉部的舵桨舱内水平安装，电机轴的水平输出通过全回转舵桨的齿轮箱变向后带动螺旋桨，所以，称作Z型电力推进。2系统配置该船的主推进系统共有2套，每套的组成相同。简化后的系统配置如图2所示：3/73系统设计与安装3.1柴油发电机组发电机组由3台主发电机和1台辅发电机组成。主发电机参数：P=2500KVA，COS＝0.8，U＝690V，f=50Hz；辅发电机参数：P=750KVA，COS＝0.8，U＝690V，f=50Hz。电力推进船舶，尤其是工程船，在作业和进出港时，推进电机的功率变化范围较大，变化频繁，从而要求并联运行的发电机的柴油机组有较好的调速特性。本船的主发电机柴油机组和辅发电机柴油机分别由2个供货商供货，因此，必须要求2个制造商配备相同品牌和型号的电子调速器和执行器，而且要求调速器之间有负荷分配线(loadsharingline)。这样，通过负荷分配线，使主发电机和辅发电机并联运行在同步模式(isochrounousmode)。本船的主辅发电机在设计之初，没有采用相同的调速器和执行器，4台发电机并联运行时，只能通过电站管理系统向柴油机调速器发出增减负荷的命令，这是一种比较差的频差工作模式（droopmode）。为了使主辅发电机能够工作在较理想的同步模式，通过协调辅发电机制造商，使他们选用了和主发电机相同品牌和型号的电子调速器和执行器。在以后类似船舶的设计中，如果有额定输出功率不同的几台发电机组并联运行的情况，则应该注意类似的问题。3.2690V主配电板主配电板共11屏，配置2个西门子PMA300电站管理系统。本船的电站管理系统与通常的电站管理系统不同之处在于，具有功率限制的功能。即：当电站超负荷运行时，没有采取优先脱扣的方式卸掉不重要的负载，而是通过到变频器的模拟电流信号，降低推进电机的的输出功率，从而既保护发电机不过载，又保证了船上设备的正常运行。由于推进电机的额定功率较大，所以，即便是5％的功率下降，下降功率的绝对值也很大，超过船上较大电器设备的额定功率，从而能够更加有效地解决发电机过载的问题。这种负荷处理方式是电力推进船舶的优点之一。但是，对于这一优点，船东起初却并不接受，经过船厂和西门子的解释，最终同意了这种全新的负荷处理方式。图3是综合检测船690V配电板的电力单线图。4/73.3推进变压器推进变压器额定功率P=2800KVA，变比690/(720,720)。每台推进变压器（T）实际上由2台变压器组成（T1,T2），T1和T2各由1个原边2个副边组成，且都是Z型连接方式，但连接方法不同。T1和T2具体的连接方法如图4所示。采用电力推进的船舶缺点之一是电力系统中有较大的谐波污染，而且，已经有实船发生，因为谐波污染，导致雷达等通讯设备偶尔失电甚至短路现象。推进变压器的作用是将配电板输出电源，经变压器移相，改造谐波源。由于推进变压器容量较大，系统设计时，还要考虑到变压器的保护。本船在变压器副边每相绕组上安装2个温度传感器，其中1个信号接到监测报警系统，另1个作为备用。5/73.4变频器变频器是电力推进系统中的重要设备。本船变频器输出电源，也是推进电机的工作电源，为3Ph，AC0～690V，频率0～200Hz。从中可以看出，变频器输出电源的频率较高。由于这个因素，变频器到推进电机的动力电缆的类型，应该选用适于变频电路的电缆。电缆越长，电缆与屏蔽网之间产生的漏电流越大；屏蔽网在电机端接地，漏电流会通过电机外壳到地形成回路。较大的漏电流有可能烧毁电机轴承。因此，选用有良好电磁兼容特性的电缆，对船舶的正常运行及保证推进系统的使用寿命是很重要的。综合检测船基于以上考虑，最终选用了由西门子推荐的德国某电缆公司生产的电缆，型号为FRM2XCH-FC，规格为3x95mm2。系统设计容易忽略的一个问题，是在作全船电力负荷估算时，没有考虑变频器和变压器本身的功率发热损耗。在额定负载时，以本船为例，单台变压器和变频器功率损耗分别是70.0KW和46.7KW，全船2套共70.0x2+46.7x2=233.4KW，是一台主发电机额定功率的11.7％，可见该值还是很大的，应该引起足够的重视。综合检测船在电力负荷估算时没有考虑到这部分功率损耗，直到试航时，发现发电机的输出功率与各负载总和不一致，才发现该问题。好在发电机的功率裕度较大，才没有导致严重的设计失误。6/73.5推进电机根据CCS2001的规定，推进电机就地位置应设置温度监测装置，但本船在供货时没有满足该要求。可见，由于电力推进船在我国造船领域才开始起步，设备制造厂在掌握CCS规范方面也存在经验不足的现象。本船的温度监测装置最后通过从变频器输出电机温度模拟电流信号，在电机旁设置单独的温度仪表，才将问题得以解决。3.6全回转舵桨本船推进电机功率输出是通过全回转舵桨做功，推动船的前进和转向。控制全回转舵桨的舵桨控制箱布置在舵桨装置附近。根据综合检测船的设计经验，变频器一般布置在单独的舱室内，和舵桨控制箱不在同一个水密分割区域内，所以，舵桨控制箱上或附近应设置推进电机应急停止装置和转速及电流指示仪表。至于舵桨控制箱上是否设置与舵桨有关的油温、油压等报警指示，则需单独提出技术要求，否则，制造厂会按照不设置报警指示方式供货。综合检测船就是这样。待设备到货时，船东才发现此问题，但为时已晚。4调试交验整套推进系统的调试都是由西门子和肖特尔的服务工程师完成的。在本船推进系统的调试过程中发生了两件事，应该引起船东和造船工程技术人员的注意，避免再次发生类似的问题。4.1发电机的并车一台主发电机正在运行供电，当辅发电机处于较高的优先级别而不是设置在最低级别，当前运行电站功率不足时，按照自动电站的级别设置，辅发电机应该起动运行，投入并网，但是，本船在系泊调试及航海试验时，发生了辅发电机不能按照设置级别起动并网，而低于辅发电机设置级别的主发电机却起动运行并网。因此，船舶电站各发电机应该尽可能选取容量等各项参数完全一致，避免“大机”和“小机”的搭配方式。4.2变频器的防护变频器内有许多电气敏感元件，灰尘、铁屑是坚决不能进入变频器内的。综合检测船在调试之前，西门子服务工程师发现，变频器装船后由于没有正确的7/7防护，变频器周围舾装件在进行切割、焊接和打磨工事时产生的金属粉尘进入到了变频器，因此，西门子执意要求变频器内部需进行彻底清洁，而且，清洁公司的资质需得到西门子的认可，而西门子认可的清洁公司却在德国。如果变频器内部不进行清洁，西门子将不负责变频器的保修。为此，我们付出了非常高昂的费用，请该清洁公司来清洁变频器。4.3总谐波失真(THD)满足要求电力推进船舶的电力系统中会产生较大的总谐波失真(THD)。综合检测船的总谐波失真在试航时经测量，在690V配电板处，最大值只有4.2％。总谐波失真的最大值，发生在单台发电机运行、单台推进电机运行时的工况。而正常航行时，总谐波失真只有3.2％，完全满足船级社的规范要求。5结束语建造以电力推进方式的船舶在我国才刚刚起步，在我们大连新船重工2004年给中海油服建造的综合检测船是第一次采用了电力推进，以前我们没有在电力推进系统设计与安装方面的经验，通过该船的设计和建造，使我们对整个电力推进系统有了较清晰的概念和设计思路，为以后承接电力推进的船舶奠定了可靠的基础。参考文献：1.中国船级社《钢质海船入级与建造规范》（2001年12月1日生效版）2.西门子综合检测船电力推进系统工作图3.肖特尔综合检测船电力推进系统工作图