直流配電技術(shù)電力推進(jìn)系統(tǒng)在物探船上的應(yīng)用

池 波，翁 爽

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149；2.上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

直流配電技術(shù)電力推進(jìn)系統(tǒng)在物探船上的應(yīng)用

池 波1，翁 爽2

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149；2.上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

分析物探船對推進(jìn)系統(tǒng)的要求，同時分析針對低噪聲、低振動、低轉(zhuǎn)速高牽引力、電能質(zhì)量的要求，推進(jìn)系統(tǒng)采取的相應(yīng)措施。對基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)特點和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，說明基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)可以很好地滿足物探船作業(yè)工況時的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

物探船；變頻驅(qū)動；電力推進(jìn)；直流配電

0 引 言

近年來，世界油氣需求增長強(qiáng)勁，隨著陸上油氣資源逐漸減少甚至枯竭，海上油氣資源越來越成為未來開采的重點，未來世界油氣總儲量的44%將來自海洋的深水區(qū)[1-2]。而中國海域特別是深海海域目前油氣的發(fā)現(xiàn)率比較低，極具勘探開發(fā)潛力，深水油氣勘探開發(fā)將成為我國未來油氣資源勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。三維高性能深水物探船是海洋油氣勘探、開發(fā)、利用產(chǎn)業(yè)鏈上的一個重要環(huán)節(jié)。

目前，新建12纜及以上的三維物探船均采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，如中海油服公司“海洋石油720”地球物理3D地震勘探船，阿聯(lián)酋Polarcus公司的ULSTEIN SX134型14纜物探船，以及PGS公司的Ramform W系列24纜物探船。基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)相比常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)，具有全壽命周期經(jīng)濟(jì)性好、供電連續(xù)性高、優(yōu)化振動噪聲指標(biāo)、電網(wǎng)諧波小、利于艙室安裝的優(yōu)點，在各船型中逐步推廣應(yīng)用。如挪威MT公司為Myklebustaug Offshore公司設(shè)計的PSV Dina Star上使用了ABB公司的Onboard DC Grid System，其能效水平達(dá)到目前電力推進(jìn)系統(tǒng)的最高水平，同時降低排放。多纜三維物探船設(shè)備多，空間緊湊，專業(yè)設(shè)備的技術(shù)要求高，拖纜作業(yè)時需要較大的牽引力，對推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計和配置提出了很高的要求。因此采用基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)可以滿足物探船對推進(jìn)系統(tǒng)的要求，有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 物探船對推進(jìn)系統(tǒng)的要求

海洋地震勘探是傳統(tǒng)性的海洋聲學(xué)技術(shù)，是目前海底探查應(yīng)用最廣、成效最高的地球物理技術(shù)，目前拖纜工作方式是應(yīng)用最成熟、最商業(yè)化的類型[3]。

物探船由于其地震勘探作業(yè)工況的特點，對船體的推進(jìn)系統(tǒng)有較高要求，主要是：船體應(yīng)具有低噪聲、低振動的性能，在低航速下要求有較大的牽引力，物探設(shè)備中用電設(shè)備對電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求。以中海油服公司的“海洋石油720”為例，分析對推進(jìn)系統(tǒng)的特殊要求和相應(yīng)解決方法：

在考慮該物探船震源和拖纜設(shè)備的抗噪聲能力的分析后，提出了對水下噪聲等級的要求：在提供不小于100 t的牽引力5 kn航速下，水下聲輻射在3～250 Hz頻帶內(nèi)1/3 倍頻程的最大噪聲不能超過168 dB；在3～250 Hz頻帶內(nèi)1/3 倍頻程的最大總的聲壓級不能超過176 dB[4]。

為了滿足對水下噪聲的要求，該船采取了相應(yīng)措施：

1)主要設(shè)備減振降噪

在主機(jī)、震源空壓機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等主要設(shè)備均安裝彈性基座。采用彈性聯(lián)軸器用于連接主推進(jìn)電動機(jī)和減速齒輪箱以及主推進(jìn)系統(tǒng)的軸系，采用低噪聲的減速齒輪箱，同時主推進(jìn)電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取特別措施，有效地降低噪聲。

2)螺旋槳激振力優(yōu)化

根據(jù)船體參數(shù)設(shè)計與該船相匹配的主推進(jìn)裝置可控螺距槳，并在歐洲船模水池研究所進(jìn)行廣延船模試驗，通過船模試驗結(jié)果、船體參數(shù)以及給定的推進(jìn)軸輸入功率進(jìn)一步優(yōu)化該船主推進(jìn)裝置可控螺距槳在水下噪聲和輸出推力方面的綜合性能。

3)采用變頻驅(qū)動系統(tǒng)

該船的作業(yè)工況是在5 kn航速下輸出不小于100 t 牽引力來拖動設(shè)備[5]，這就要求推進(jìn)系統(tǒng)具有良好的低速大轉(zhuǎn)矩特性，并且還要滿足低振動噪聲的要求。該船采用的是變頻驅(qū)動可控螺距槳系統(tǒng)，使整船能在較低的轉(zhuǎn)速下通過調(diào)節(jié)槳的螺距實現(xiàn)更加穩(wěn)定的大功率輸出，改善了推進(jìn)系統(tǒng)引起高振動和高噪聲的情況。

物探船需配備功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理中心實時處理采集來的數(shù)據(jù)，因此需要電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能。由于系統(tǒng)容量較大，該船采用中壓電力推進(jìn)系統(tǒng)[6]。主推的變頻器的輸入進(jìn)線側(cè)接入2臺移相變壓器提供24脈沖系統(tǒng)，以減少電網(wǎng)諧波。在所有工況且在不配備濾波器的前提下，確保整個船舶電網(wǎng)中的總電壓諧波畸變(THD)不超過5%，任何單次諧波不超過3%。對于特殊電能質(zhì)量要求較高的供電部位，通過電網(wǎng)諧波干擾及抑制分析，適當(dāng)設(shè)置濾波器以達(dá)到要求。

2 基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)

2.1 概述

電力推進(jìn)系統(tǒng)一般由電站、配電設(shè)備、電力推進(jìn)裝置及其他日用負(fù)荷等組成，其工作原理是通過船舶集中電站發(fā)電，電能通過配電設(shè)備分配給電力推進(jìn)裝置與其他日用負(fù)荷。常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)如圖1所示，這種系統(tǒng)的電站及配電設(shè)備均采用3相交流電制，目前在電力推進(jìn)船舶上得到廣泛應(yīng)用。

圖1 常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The conventional electric propulsion system

隨著常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展，提高系統(tǒng)供電連續(xù)性以及效率越來越受到設(shè)計者的重視，在這種背景下，基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)概念被提出，其系統(tǒng)如圖2所示?；谥绷髋潆娂夹g(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)的電站依然采用3相交流電制，但電站輸出通過整流裝置變?yōu)橹绷麟姾笤儆膳潆娫O(shè)備分配到電力推進(jìn)裝置及各種日用負(fù)荷。目前，整流裝置分為發(fā)電機(jī)自帶的多相整流裝置和單獨設(shè)置的整流柜2種形式。此外，由于日用負(fù)荷一般采用交流電源，所以系統(tǒng)中具有逆變電源裝置，將直流電逆變?yōu)榻涣麟姽┤沼秘?fù)荷使用。

圖2 基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 The electric propulsion system basedm DC distribution technology

2.2 技術(shù)特點

2.2.1 全壽命周期經(jīng)濟(jì)性好

船舶采用基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)具有較好的全壽命周期經(jīng)濟(jì)性。主要體現(xiàn)在：

1)系統(tǒng)效率高

與常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，從發(fā)電機(jī)組開始到推進(jìn)電機(jī)的一系列轉(zhuǎn)換設(shè)備中，省略了整流變壓器，降低了部分損耗。直流母線下的電機(jī)全部可以實現(xiàn)四象限運行，電網(wǎng)輸入的電能和電機(jī)回饋的電能在直流母線上自動調(diào)配，回饋能量不須回饋電網(wǎng)即可得到利用。當(dāng)采用全控型整流器時，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可調(diào)，可實現(xiàn)單位功率因數(shù)調(diào)節(jié)。常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)的總體效率約為86%，基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)可以達(dá)到88%以上，能節(jié)省大量的燃油消耗。

2)發(fā)電機(jī)組機(jī)械磨損小

當(dāng)船舶處于穩(wěn)定的低負(fù)荷率運行工況時，常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組只能維持額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，而采用直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)則自動降低發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)組處于低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，發(fā)電機(jī)組機(jī)械磨損更小，可以降低機(jī)組的維修成本。

2.2.2 電網(wǎng)諧波小

常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)變頻器與其他交流用電設(shè)備在同一電網(wǎng)中，推進(jìn)變頻器工作時，會產(chǎn)生大量的諧波電流，進(jìn)而導(dǎo)致交流電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。在常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計中，一般通過整流變壓器實現(xiàn)多相整流，降低變頻器諧波對交流電網(wǎng)的影響，但整個交流電網(wǎng)的諧波畸變率(THD)仍然在2%至5%之間。采用直流配電技術(shù)后，交流用電設(shè)備由逆變電源供電，其輸出電壓波形好，諧波畸變率低于1%。

2.2.3 優(yōu)化振動噪聲指標(biāo)

推進(jìn)系統(tǒng)的主要振動噪聲源是發(fā)電機(jī)組原動機(jī)，基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，當(dāng)船舶運行在穩(wěn)定的低負(fù)荷率工況下，原動機(jī)處于低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，其振動噪聲較高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)低，能較有效的優(yōu)化振動噪聲指標(biāo)。

2.2.4 靈活的岸電輸入

目前岸電頻率主要有50 Hz及60 Hz兩種。常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)中船舶岸電直接連接到低壓配電板，供日用交流負(fù)載使用，所以只能適應(yīng)50 Hz或60 Hz電制中的一種。采用直流配電技術(shù)后，由整流裝置將岸電變?yōu)橹绷麟姾蠼尤胫绷髂概?，再由逆變電源將直流電逆變后供給日用交流負(fù)載使用，可直接適應(yīng)50 Hz或60 Hz電制的岸電。

2.2.5 利于艙室安裝

基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)與常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，設(shè)備具有更多空間優(yōu)勢，有利于艙室的布置，主要體現(xiàn)在以下方面：

1)電力推進(jìn)系統(tǒng)整流變壓器一般與主推及側(cè)推裝置的功率一致，體積重量大，增加了艙室設(shè)備較多的船舶總體布置難度。基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)不需要采用整流變壓器，因而可以節(jié)省較多的艙室空間。

2)采用直流配電技術(shù)后，日用負(fù)荷可以采用集中供電方式，也可采用分布式供電方式。集中供電方式采用1臺或2臺大功率逆變電源將直流電逆變?yōu)?相交流電，供全船交流用電設(shè)備使用；分布式供電方式則通過電纜將直流電從直流母線引入各設(shè)備艙室，在這些艙室中安裝1臺或2臺小功率逆變電源，將直流電逆變?yōu)榻涣麟娊o艙室設(shè)備供電。采用分布式供電方式時，由于每個艙室的逆變電源體積重量均很小，所以易于艙室布置。

2.2.6 發(fā)展趨勢

綜上所述，基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)點眾多，但現(xiàn)階段應(yīng)用較少，制約其發(fā)展的主要因素是集成了較多的新技術(shù)，其系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)及專用設(shè)備壟斷程度高，同時各大船級社相關(guān)規(guī)范的制定也處于起步階段而沒有明確的內(nèi)容，船東出于技術(shù)風(fēng)險及初期建造成本的考量推廣該系統(tǒng)的積極性略差。但可以肯定的是，隨著國外同類船型投入使用及技術(shù)經(jīng)驗的積累，該技術(shù)在未來5至10年內(nèi)會逐漸在海洋工程船舶中推廣開來，其發(fā)展過程應(yīng)該類似于常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展過程——常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)過10年左右的推廣后最終被各種海洋工程船所接受而成為現(xiàn)階段海工船的主要推進(jìn)系統(tǒng)之一。

2.3 需研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用需要解決好以下問題：

2.3.1 變速發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)

變速發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)是直流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)核心技術(shù)。常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組運行于恒壓恒頻狀態(tài)，發(fā)電機(jī)組的控制主要由調(diào)速器、自動電壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，控制設(shè)備成熟，控制方法相對簡單。而基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)的變速發(fā)電機(jī)組需要對原動機(jī)轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，在變速降低原動機(jī)單位油耗的同時盡可能穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出電壓，同時實時監(jiān)控發(fā)電機(jī)組的運行狀態(tài)，確保發(fā)電機(jī)組不過載。由于變速發(fā)電機(jī)組較少使用，因此需要熟悉原動機(jī)及發(fā)電機(jī)機(jī)電特性，選擇合適的調(diào)速器及自動電壓調(diào)節(jié)器，開發(fā)相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制軟件，并開展相關(guān)的發(fā)電機(jī)組試驗才能較好的實現(xiàn)機(jī)組的變速控制。

2.3.2 直流電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)

電力推進(jìn)船舶需要首先考慮電力系統(tǒng)的安全問題，直流電力系統(tǒng)保護(hù)主要涉及繼電保護(hù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(直流開關(guān)設(shè)備)。直流系統(tǒng)無論是故障類型還是故障后果都與交流系統(tǒng)不同，實際運用中又因大量電力電子裝置的存在，給保護(hù)配合帶來了挑戰(zhàn)。開關(guān)設(shè)備是隔離故障線路或故障區(qū)域防止故障擴(kuò)大化，保障系統(tǒng)正常部分安全運行的關(guān)鍵，由于直流電流沒有自然過零點，直流電流的分?jǐn)啾冉涣麟娏鞯姆謹(jǐn)嗬щy，因此直流開關(guān)設(shè)備的制造要困難得多。近20年來研究者們在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，在中低壓領(lǐng)域已出現(xiàn)了可開斷數(shù)十千安的直流斷路器。

2.3.3 逆變電源設(shè)計技術(shù)

逆變電源作為一種電力電子變流裝置，是基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)中重要設(shè)備之一。由于常用的小型低壓負(fù)載一般采用交流供電，因此需要提供專用逆變電源將直流電逆變?yōu)?相交流電，相當(dāng)于直接推進(jìn)船舶的輔發(fā)電站。這種逆變電源與普通逆變電源相比，特殊之處在于需要提供選擇性保護(hù)功能。由于逆變電源是電力電子裝置，過流能力弱，因此電流保護(hù)功能十分靈敏。一旦逆變電源后端的任何小型低壓負(fù)載出現(xiàn)短路，短路電流被該負(fù)載的斷路器切除之前，逆變電源本身就可能因為檢測到過流而保護(hù)停機(jī)，無法與后端斷路器實現(xiàn)保護(hù)的配合，降低了供電的可靠性，并無法滿足船規(guī)要求，因此通過控制軟件和硬件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)實現(xiàn)逆變電源的選擇性保護(hù)功能是直流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3 結(jié) 語

通過對物探船作業(yè)工況的分析，可知對船體的振動、噪聲提出了較高的要求，在低航速下給多根長距離拖纜提供較大的牽引力，同時數(shù)據(jù)處理中心設(shè)備對電網(wǎng)電能質(zhì)量要求很高。而基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)方案的特點非常適合物探船作業(yè)時的要求，在解決好變速發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)、直流電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)、逆變電源設(shè)計技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的情況下，基于直流配電技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)在物探船上具有較大的應(yīng)用前景。

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Application of electric propulsion system based on DC distribution technology in seismic vessel

CHI Bo,WENG Shuang

(1.China Oilfield Services Limited,Beijing 101149,China；2.Shanghai Ship Designdnd Research Institute,Shanghai 201203,China)

This paper analyzes requirement for propulsion system of seismic vessel; meanwhile solutions to meet the requirement of low noise, low vibration, low speed high traction and power quality are studied. After analyzing the advantages and key technique of electric propulsion system based on DC distribution technology, the system can satisfy seismic operation is demonstrated and its application prospect is also indicated.

seismic vessel;variable frequency drive;electric propulsion;DC distribution

2014-05-23;

2014-06-20

池波(1978-)，男，碩士，研究方向為電氣工程。

U665.1

A

1672-7649(2014)11-0108-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.021