6000HP深水平臺(tái)供應(yīng)船電力推進(jìn)系統(tǒng)概述

劉文達(dá)，郝衛(wèi)明

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6000HP深水平臺(tái)供應(yīng)船電力推進(jìn)系統(tǒng)概述

劉文達(dá)，郝衛(wèi)明

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064;）

本文介紹了6000HP深水平臺(tái)供應(yīng)船電站，功率管理系統(tǒng)及電力推進(jìn)系統(tǒng)組成及功能，并探討了系統(tǒng)的諧波及電磁兼容性問(wèn)題,并給出了為避免電磁兼容問(wèn)題在實(shí)際施工中的有效方法，電力推進(jìn)作為一種新型的船舶推進(jìn)方式，在未來(lái)海洋工程中的應(yīng)用中越來(lái)越成為一種趨勢(shì)。

PMS 電力推進(jìn) 諧波 電磁兼容

0 引言

平臺(tái)供應(yīng)船，簡(jiǎn)稱PSV(Platform Supply Vessel),是指專為石油平臺(tái)服務(wù)設(shè)計(jì)的具有供應(yīng)，拖拽，拋起錨，救助與守護(hù)，對(duì)外消防滅火等功能的船舶。本型船適用于南海所有海域和其他較深遠(yuǎn)海域及一般海域的海洋石油勘探和開發(fā)，能為其運(yùn)送生產(chǎn)物料（如鉆桿、套管、設(shè)備、固完井材料、散料、泥漿、燃油、基礎(chǔ)油、鉆井水、淡水、鹽水等）及生活物資、提供救助、守護(hù)、對(duì)外消防等服務(wù)。

本6000 HP深水平臺(tái)供應(yīng)船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，并為本船負(fù)載進(jìn)行配電與保護(hù)，滿足本船航行與進(jìn)出港需求，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及其它重要設(shè)備的監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。

1 系統(tǒng)介紹

本船設(shè)置主發(fā)電機(jī)4臺(tái)，在航行和作業(yè)時(shí)為全船供電。如圖1所示，主發(fā)電機(jī)額定功率為1100 kW，額定輸出電壓為AC690 V。4臺(tái)發(fā)電機(jī)可任意臺(tái)數(shù)長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，最大可為本船提供4400 kW電能。主發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造能夠滿足四臺(tái)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，同時(shí)能夠與停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組進(jìn)行半自動(dòng)/手動(dòng)短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)移負(fù)載。主發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)滿足電力推進(jìn)和DP2動(dòng)力定位的相關(guān)要求，滿足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)電站動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求，并能承受本船電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流。

功率管理系統(tǒng)（PMS）保證電站在各種工況下長(zhǎng)期穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行，滿足各種保護(hù)及其自動(dòng)化要求。

本船采用電力推進(jìn)技術(shù)，設(shè)有2套1600kW的全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器，每套推進(jìn)器由1臺(tái)主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)再由一個(gè)獨(dú)立的主推進(jìn)變頻器供電和控制，每個(gè)主推進(jìn)變頻器通過(guò)1臺(tái)主推進(jìn)移相變壓器連接到船舶電網(wǎng)。主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)2臺(tái)、主推進(jìn)變頻器2臺(tái)、主推進(jìn)移相變壓器2臺(tái)構(gòu)成了本船的2條主推進(jìn)支路。

2 功率管理系統(tǒng)概述

本船在航行和作業(yè)時(shí)通過(guò)功率管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PMS）控制和調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)管理，為全船供電。PMS的監(jiān)控對(duì)象為主發(fā)電機(jī)組及停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組及主配電板內(nèi)的主斷路器和母聯(lián)開關(guān)。PMS根據(jù)功率的需求對(duì)每臺(tái)主發(fā)電機(jī)及推進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各發(fā)電機(jī)的工作，可以對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警和處理，為推進(jìn)系統(tǒng)和其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，PMS會(huì)采取各種措施，盡可能保證對(duì)負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。

PMS由2 組完全冗余設(shè)計(jì)PLC 組成，，PLC控制器采用SIEMENS的兩套S7-400H熱冗余控制器，S7-400H配置有2個(gè)同步模塊，通過(guò)光纖進(jìn)行實(shí)時(shí)同步通訊，兩套S7-400H獨(dú)立運(yùn)行并互為備用。在一組出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一組自動(dòng)運(yùn)行，控制器的切換時(shí)間小于100 毫秒。PLC通過(guò)Y-link連接DEIF公司的PPU。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2。

PMS能管理4 臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，并且能管理停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，在DP 操作時(shí)，按下DP 模式，電站能在PMS 管理下母排自動(dòng)分段、負(fù)荷自動(dòng)分區(qū)，滿足DP 操作要求。

母聯(lián)開關(guān)配置有保護(hù)功能的同步模塊,為母聯(lián)開關(guān)提供保護(hù)、同步合閘、分閘控制等。在DP 操作時(shí)，按下DP模式，電站能在PMS管理下母排自動(dòng)分段、負(fù)荷自動(dòng)分區(qū)，滿足DP操作要求。

電力變壓器副端開關(guān)配置有保護(hù)功能的同步模塊,為變壓器副端開關(guān)提供保護(hù)、同步合閘、分閘控制等。待并機(jī)組，以停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)屏為基準(zhǔn)自動(dòng)/手動(dòng)并車操作，并車后做不間斷負(fù)載轉(zhuǎn)移。

本船工作在特殊工況（比如某臺(tái)柴油機(jī)工作在消防泵模式）時(shí)，PMS將執(zhí)行特殊的控制策略，適時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出功率，確保柴油機(jī)不會(huì)過(guò)載。

PMS配置單獨(dú)的UPS，容量滿足系統(tǒng)電源需求和CCS規(guī)范的要求。

3 推進(jìn)系統(tǒng)概述

電力推進(jìn)系統(tǒng)由推進(jìn)變壓器，推進(jìn)變頻器，推進(jìn)電機(jī)組成。

3.1 主推進(jìn)移相變壓器

主推進(jìn)移相變壓器為三繞組整流變壓器，容量為1900 kVA。兩臺(tái)整流變壓器原邊有15°相角差，當(dāng)兩條推進(jìn)支路同時(shí)工作時(shí)，對(duì)于交流電網(wǎng)相當(dāng)于虛擬24 脈動(dòng)整流，可有效降低電網(wǎng)的諧波。為避免在變壓器投入時(shí)出現(xiàn)大沖擊電流，推變壓器設(shè)有預(yù)充磁裝置。

3.2 主推進(jìn)變頻器

變頻器是主推進(jìn)系統(tǒng)的控制核心，對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，使系統(tǒng)根據(jù)指令，連續(xù)調(diào)節(jié)推進(jìn)電機(jī)的速度，驅(qū)動(dòng)螺旋槳，使船舶平穩(wěn)航行。

推進(jìn)變頻器具有過(guò)電壓、過(guò)電流、低電壓、過(guò)負(fù)載，超溫、自檢、屏蔽接地、絕緣監(jiān)測(cè)等保護(hù)。

變頻器內(nèi)部冷卻系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻水的溫度，一旦超出設(shè)定值，則會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)；冷卻系統(tǒng)故障，變頻控制系統(tǒng)將停止工作。

變頻器配備了發(fā)電機(jī)功率限制控制器，保證電網(wǎng)不會(huì)過(guò)載。當(dāng)一臺(tái)或者數(shù)臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)故障而跳閘時(shí)，變頻器能夠瞬時(shí)將輸出功率降至與可用機(jī)組功率相匹配，在保證剩余機(jī)組不會(huì)出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷跳閘情況下，最大限度地利用機(jī)組可用功率。

僅在一臺(tái)主發(fā)電機(jī)運(yùn)行的情況下，便可起動(dòng)主推進(jìn)裝置而不致造成電網(wǎng)過(guò)載。

變頻器配備了預(yù)充磁控制系統(tǒng)，減小變壓器投入時(shí)的沖擊電流。配備了預(yù)充電電路，減小變頻器投入時(shí)的沖擊電流。

3.3 主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用船用變頻調(diào)速交流異步電動(dòng)機(jī)，由變頻器供電。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)符合全回轉(zhuǎn)舵槳扭矩和轉(zhuǎn)速特性曲線，配合全回轉(zhuǎn)定距槳作為主推進(jìn)動(dòng)力并滿足推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械裝置和電氣設(shè)備的特殊要求。各相繞組和軸承上都設(shè)置了溫度傳感器，可以連接到電力推進(jìn)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

推進(jìn)負(fù)荷的加載性能與柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間和加載能力相匹配，該匹配性通過(guò)設(shè)置控制系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)軟件參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)的諧波及電磁兼容性問(wèn)題

4.1 諧波計(jì)算

諧波問(wèn)題是本項(xiàng)目重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一，在正常航行工況下，低壓側(cè)不帶任何諧波濾波器的情況下，整個(gè)電網(wǎng)的總電壓諧波失真(THD)在任何工況下不超過(guò)5%，任何單次諧波不超過(guò)3%。采用電力推進(jìn)技術(shù)的船舶在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)的諧波畸變程度及其治理方式取決于多方面因素，主要包括：

系統(tǒng)組成設(shè)備：主要包括發(fā)電機(jī)（Xd”）、變壓器（Z%）、移相變壓器的對(duì)稱性和移相精度、非線性負(fù)荷的參數(shù)特性（如變頻器的諧波頻譜等）；

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：主要取決于采用多脈整流技術(shù)還是有源前端技術(shù)；

系統(tǒng)的運(yùn)行方式：主要包括在網(wǎng)機(jī)組容量（kVA）、非線性負(fù)荷占總負(fù)荷比例、非線性負(fù)荷占電網(wǎng)容量的比例等；

其它因素：主要包括電網(wǎng)電壓的不平衡度、電網(wǎng)電壓的畸變度。

本項(xiàng)目采用虛擬24脈整流技術(shù)，在很大程度上達(dá)到了降低系統(tǒng)諧波的效果，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)僅有24k±1次諧波，再加上對(duì)發(fā)電機(jī)和變壓器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，諧波計(jì)算結(jié)果表明，在不同工況下系統(tǒng)的諧波含量均能滿足CCS規(guī)范關(guān)于諧波含量的要求。

用MATLAB7.0進(jìn)行諧波估算結(jié)果如下：

航行工況計(jì)算結(jié)果

圖3 航行工況690V電網(wǎng)諧波

進(jìn)出港工況計(jì)算結(jié)果

圖4 進(jìn)出港工況690V電網(wǎng)諧波

單側(cè)航行工況計(jì)算結(jié)果

圖5 單側(cè)航行工況690V電網(wǎng)諧波

本項(xiàng)目中的諧波源主要集中于電力推進(jìn)負(fù)載。結(jié)果表明：在當(dāng)前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備參數(shù)配置以及運(yùn)行工況下，電網(wǎng)的諧波能夠滿足船級(jí)社規(guī)范的要求。

4.2 電磁兼容問(wèn)題及其解決措施

綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)相對(duì)于直接推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于采用了大功率電力電子設(shè)備，電力推進(jìn)系統(tǒng)中的電磁兼容性問(wèn)題成為一個(gè)非常敏感的共性問(wèn)題。

一般來(lái)說(shuō)，電力推進(jìn)船舶推進(jìn)功率占船舶綜合電站總?cè)萘康?0%～80%，故由推進(jìn)變頻器產(chǎn)生的諧波直接影響船舶電網(wǎng)的品質(zhì)、綜合電站的設(shè)計(jì)容量、整個(gè)系統(tǒng)的效率、系統(tǒng)和設(shè)備的電磁兼容性等，而且本船綜合性能要求高，電子設(shè)備相對(duì)較多，其電磁兼容性問(wèn)題受到極大的關(guān)注和重視。

在設(shè)備安裝和電纜敷設(shè)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)注意采取適當(dāng)?shù)碾姶偶嫒荽胧?，以使得各設(shè)備均能正?？煽康毓ぷ?。

對(duì)本系統(tǒng)主要從設(shè)備安裝及電纜鋪設(shè)入手。包括：

a)將主要的大功率干擾源設(shè)備如發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器和電動(dòng)機(jī)等與船舶敏感設(shè)備在空間上分開布置；

b)對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)各設(shè)備的輔助電源采取必要的隔離和濾波措施，并避免與敏感電子設(shè)備采用同一電源；

c)各設(shè)備均采用機(jī)殼就近單點(diǎn)接地，并確保接地的可靠。所有接地點(diǎn)的接地線應(yīng)盡可能地短以使得接地阻抗最小。

d)功率電纜應(yīng)采用鎧裝屏蔽電纜，不同電壓等級(jí)的功率電纜分開敷設(shè)，如690V電纜、400V電纜和220V電纜分開敷設(shè)。

功率電纜和信號(hào)控制電纜應(yīng)分層隔離敷設(shè)，功率電纜應(yīng)遠(yuǎn)離信號(hào)控制電纜。當(dāng)控制電纜和電源電纜必須交叉走線時(shí)，應(yīng)使交叉角度為90度。

電纜槽之間以及電纜槽和地之間必須有良好的電氣連接。

功率電纜鎧裝層和屏蔽層在電纜兩端的接地必須良好。與變頻器無(wú)關(guān)的電纜不要經(jīng)過(guò)變頻器，以免受到變頻器輸出的干擾。

e)由于變頻器與推進(jìn)電機(jī)之間的電纜傳輸?shù)氖歉哳l脈沖電壓波，因此應(yīng)重點(diǎn)注意其電纜敷設(shè)。電機(jī)電纜應(yīng)選用帶鎧裝和屏蔽層的多芯對(duì)稱電纜，且應(yīng)保證兩端實(shí)現(xiàn)360度接地。同時(shí)，電機(jī)電纜的未屏蔽部分應(yīng)盡可能短。電機(jī)電纜不應(yīng)采用單芯電纜。電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線。電機(jī)電纜、輸入電源電纜和控制電纜應(yīng)安裝在不同的電纜槽中，以避免電機(jī)電纜和其它電纜長(zhǎng)距離的并行走線，進(jìn)而減少變頻器輸出電壓瞬變產(chǎn)生的電磁干擾。電動(dòng)機(jī)電纜敷設(shè)時(shí)還應(yīng)注意電纜長(zhǎng)度問(wèn)題。電纜長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)端產(chǎn)生尖峰過(guò)電壓，形成強(qiáng)烈的電磁干擾。

f)控制電纜應(yīng)盡量避免與功率電纜平行布線，以防止控制信號(hào)受到干擾。如果無(wú)法避免這種情況，則必須使控制電纜和主電纜之間保持足夠的距離。所有的模擬信號(hào)和低壓數(shù)字信號(hào)用控制電纜必須采用屏蔽型電纜。對(duì)于模擬信號(hào)，應(yīng)采用雙絞-雙屏蔽線，且對(duì)于每個(gè)信號(hào)采用單獨(dú)的屏蔽絞線，不同的模擬信號(hào)不能使用同一根公共返回線。低壓數(shù)字信號(hào)線最好使用雙屏蔽電纜線，也可以使用單屏蔽的多對(duì)雙絞線。電壓較高的開關(guān)量以及其他繼電器信號(hào)用雙絞線連接，并單獨(dú)走電纜管或電纜槽。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)應(yīng)使用分開的屏蔽電纜。

總結(jié)

電力推進(jìn)技術(shù)在工程船舶的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)非常成熟，為更多船舶設(shè)計(jì)師采納應(yīng)用。電力推進(jìn)系統(tǒng)具有特點(diǎn)包括燃油更經(jīng)濟(jì)性，操作更便利，保養(yǎng)維修更方便快捷，噪音等級(jí)小從而提高船員舒適度，隨著人類不斷走向深海，對(duì)海洋平臺(tái)供應(yīng)船提出更多的功能要求，而電力推進(jìn)系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，使其更能滿足未來(lái)海洋平臺(tái)供應(yīng)船的應(yīng)用需求，更環(huán)保，經(jīng)濟(jì)的電推船，日益受到各船東的青睞，有非常廣闊的發(fā)展前景。

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Review of Electric Propulsion System of a 6000 HP Deepwater Platform Supply Vessel

Liu Wenda, Hao Weiming

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM922

A

1003-4862（2016）011-0027-04

2016-05-15

劉文達(dá)(1984-)，男，碩士。研究方向：電力推進(jìn)系統(tǒng)。