軸帶發(fā)電機在二沖程主機上的發(fā)展介紹及應(yīng)用

郝廣君

(中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司， 遼寧 大連 116001)

0 引 言

航運公司的日常成本包括運營費用和航行費用，航行費用包括燃油費用、過運河費用、引航和拖船費用等，其中最大的費用就是燃油費用[1]。為減少燃油消耗，需提高燃油單位效率，使用軸帶發(fā)電機能很好地解決上述問題[2]，因此，軸帶發(fā)電機的研究和應(yīng)用受到了許多設(shè)備廠家、船廠和船舶所有人的重視。

1 軸帶發(fā)電機在二沖程主機上的發(fā)展

早期四沖程發(fā)電機只能使用柴油，而二沖程主機可使用便宜的重油。隨著油價上漲，航運期間燃油費用不斷增加，一些廠家開始研究在二沖程主機上使用軸帶發(fā)電機來發(fā)電，用來替代四沖程的柴油發(fā)電機，這樣在船舶航行期間就可以關(guān)閉柴油發(fā)電機，用軸帶發(fā)電機發(fā)電，航行期間只消耗重油，以節(jié)省航行成本。其間各發(fā)電機廠家開發(fā)了多種形式的軸帶發(fā)電機，主要有齒輪常數(shù)比(Gear Constant Ratio， GCR)、恒頻電源(Constant Frequency Electrical， CFE)和RENK公司的恒頻(RENK Constant Frequency， RCF)裝置[3]。軸帶發(fā)電機可安裝在主機中間軸或自由端，根據(jù)螺旋槳的形式，又分為定距槳(Fixed Pitch Propeller, FPP)和可調(diào)槳(Controllable Pitch Propeller， CPP)。下面詳細(xì)介紹上述3種形式軸帶發(fā)電機。

1.1 GCR軸帶發(fā)電機系統(tǒng)

GCR系統(tǒng)是較簡單和便宜的軸帶發(fā)電機系統(tǒng)，包括同步發(fā)電機和增速齒輪箱。軸帶發(fā)電機輸出的電源頻率與主機轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，因此GCR軸帶發(fā)電機一般用在恒定轉(zhuǎn)速工況下，通常與CPP配合使用，這樣可得到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和電源頻率，通常在航行工況下才使用軸帶發(fā)電機，為船舶提供電力供應(yīng)。然而主機即使在恒定的轉(zhuǎn)速工況下工作，有時也會因為風(fēng)浪等原因發(fā)生小的速度變化，從而導(dǎo)致軸帶發(fā)電機發(fā)生速度和頻率變化，在這種情況下軸帶發(fā)電機不能長時間與主發(fā)電機并車運行[4]。

對于CPP船舶，可通過降低主機功率，減小螺距來降低航速，同時保證螺旋槳轉(zhuǎn)速恒定不變。此時螺旋槳效率較低，如需使螺旋槳保持在較高的效率下工作，就需降低螺旋槳轉(zhuǎn)速，但是如果降低螺旋槳轉(zhuǎn)速，軸帶發(fā)電機則不能正常工作，必須斷開軸帶發(fā)電機。為了避免斷開軸帶發(fā)電機，可安裝一個比較貴的兩級增速齒輪箱，這樣當(dāng)主機在2個恒定的轉(zhuǎn)速工況下工作時，軸帶發(fā)電機可輸出相同頻率的電源，螺旋槳也可在較高的效率下工作。

對于定距槳船舶，由于定距槳的轉(zhuǎn)速隨著船舶速度變化而變化，因此定距槳船舶軸帶發(fā)電機的電源頻率隨著船速的變化而變化。大多數(shù)船用設(shè)備在50～60 Hz的范圍內(nèi)能正常工作，這意味著在主機功率在52%～90%的范圍內(nèi)，即主機轉(zhuǎn)速對應(yīng)為80%～96%，GCR軸帶發(fā)電機可投入使用，在這種情況下軸帶發(fā)電機絕大部分時間都可為船舶提供電力。但是，對頻率變化敏感的設(shè)備，即需在定頻下工作的設(shè)備，應(yīng)在設(shè)備附近增加1臺合適的變頻器。

GCR軸帶發(fā)電機實際使用比較多的形式如圖1所示，即齒輪箱安裝在中間軸上，帶有CPP，發(fā)電機效率在92%左右。

圖1 帶有CPP的GCR軸帶發(fā)電機

1.2 CFE軸帶發(fā)電機系統(tǒng)

CFE系統(tǒng)由軸帶發(fā)電機和變頻裝置組成，能在較大的主機轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)輸出恒定頻率的電源。在通常情況下，軸帶發(fā)電機轉(zhuǎn)速與螺旋槳轉(zhuǎn)速一致，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化，軸帶發(fā)電機產(chǎn)生電源的頻率也隨之改變，電流通過變頻器，產(chǎn)生恒定頻率的電源。由于系統(tǒng)使用可控硅實現(xiàn)交流變直流，不能產(chǎn)生無功功率，因此需要同步器發(fā)出無功功率。

隨著技術(shù)進步，出現(xiàn)另外一種船用軸帶發(fā)電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶有兩套脈寬調(diào)制變換器(Pulse Width Modulation， PWM)，使用空間矢量控制技術(shù)，變頻器輸出端可以保持恒定電壓和頻率。PWM系統(tǒng)可以提供有功功率和無功功率，安裝簡便，后期維護也簡單。

CFE軸帶發(fā)電機有2種安裝方式：一種是裝在主機前端的直接安裝式發(fā)電機(Direct-Mounted Generator， DMG)形式；另一種是安裝在中間軸上的抱軸式發(fā)電機(Shaft-Mounted Generator， SMG)形式。SMG解決方案(見圖2)比DMG方案使用更頻繁，這是由于 DMG的安裝受主機尺寸和主機軸帶機與艙壁之間的空間限制。通常，DMG和SMG形式的軸帶發(fā)電機在主機轉(zhuǎn)速的75%～105%范圍內(nèi)都可以輸出額定電功率，在主機轉(zhuǎn)速的40%～75%范圍內(nèi)則降功率工作，并且軸帶發(fā)電機可以與定距槳配合使用，并能與主發(fā)電機并車運行。

圖2 帶有FPP的SMG軸帶發(fā)電機

CFE形式軸帶發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較低，為了達到工作頻率的要求，低轉(zhuǎn)速發(fā)電機需要更多的磁極，意味著CFE軸帶發(fā)電機的尺寸比帶增速齒輪箱發(fā)電機大很多。

1.3 RCF軸帶發(fā)電機系統(tǒng)

RCF系統(tǒng)包括RCF速度控制行星齒輪箱和軸帶發(fā)電機，該齒輪箱能夠在主機轉(zhuǎn)速35%的變化范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，可以得到穩(wěn)定電源頻率，系統(tǒng)成熟穩(wěn)定。在RENK公司標(biāo)準(zhǔn)版本中，齒輪箱設(shè)定在主機最大持續(xù)輸出功率(Maximum Continuous Rating， MCR)轉(zhuǎn)速的70%～105%范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)軸帶發(fā)電機輸出電源頻率穩(wěn)定，因此RCF可以用在定距槳上，并且能夠與主發(fā)電機連續(xù)并車運行。

這一類型的軸帶發(fā)電機實際使用比較多的形式如圖3所示，即齒輪箱安裝在主機自由端，軸帶發(fā)電機安裝在主機旁，帶有FPP發(fā)電機的效率在88%～91%左右。

圖3 帶有FPP的RCF軸帶發(fā)電機

2 軸帶發(fā)電機電源特性及優(yōu)缺點

2.1 電源特性

圖4 軸帶發(fā)電機電功率與主機轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖5 軸帶發(fā)電機電功率與主機功率關(guān)系

不同類型的軸帶發(fā)電機其輸出功率的范圍是不一致的，最便宜的GCR軸帶發(fā)電機與CPP配合使用，在額定轉(zhuǎn)速情況以及一定的主機功率變化范圍內(nèi)，軸帶發(fā)電機可正常運行，輸出穩(wěn)定電功率。如果船舶能夠接受變化的頻率，對于定距槳船舶來說，GCR系統(tǒng)也可以用于一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的定距槳。目前有幾個廠家能提供CFE方案軸帶發(fā)電機，這些軸帶發(fā)電機可與柴油發(fā)電機并車運行，在一個較大的主機功率和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)電。RCF方案軸帶發(fā)電機也可提供恒定頻率，并且可與柴油發(fā)電機并車運行，可以在一定的主機功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)輸出額定功率。以上所述3種軸帶發(fā)電機輸出電源功率與主機轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系如圖4和圖5所示。2.2 優(yōu)缺點

軸帶發(fā)電機的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 軸帶發(fā)電機的優(yōu)缺點

3 SMG軸帶發(fā)電機應(yīng)用實例

中船重工船舶設(shè)計中心有限公司為西班牙船舶所有人ELCANO設(shè)計的120 000 t散貨船采用SMG軸帶發(fā)電機。船舶主機選用MAN B&W 6G60ME-C9.2 (Tier II)，其中推進最大持續(xù)輸出功率(Propulsion Maximum Continuous Rating， PMCR)為11 939 kW ×81 r/min，持續(xù)服務(wù)功率(Continuous Service Rating， CSR)為10 148 kW × 76.7 r/min。軸帶發(fā)電機采用德國SAM Electronics公司的抱軸式軸帶發(fā)電機，該軸帶發(fā)電機采用雙PWM逆變技術(shù)， SAM公司在該技術(shù)上已有30多年的經(jīng)驗，產(chǎn)品較成熟。主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 120 000 t散貨船軸帶發(fā)電機主要參數(shù)

該軸帶發(fā)電機安裝位置如圖6所示，軸帶發(fā)電機安裝在主機中間軸線上，軸帶發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直接安裝在中間軸上，隨著中間軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的單線圖[5]如圖7所示，軸帶發(fā)電機產(chǎn)生的電源頻率隨著主機轉(zhuǎn)速的變化而變化，經(jīng)二極管整流后送至軸帶發(fā)電機的變頻控制箱，再通過PWM逆變器等輸出穩(wěn)定的電源。為了防止中間直流電路電壓過高，在直流電路部分加入集成過電壓保護裝置。

圖6 軸帶發(fā)電機安裝位置圖

圖7 軸帶發(fā)電機系統(tǒng)單線圖

為了消除PWM逆變器產(chǎn)生的諧波，變頻裝置使用高頻脈沖、脈寬調(diào)制和LCL線性濾波器，其輸出波形的諧波滿足船級社的要求，并且在逆變部分采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT)逆變器。軸帶發(fā)電機變頻裝置能輸出比較理想的正弦電壓波形，如圖8所示。

圖8 軸帶發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓、電流和脈沖波形

該軸帶發(fā)電機在主機轉(zhuǎn)速s為61～81 r/min時，輸出額定功率P為840 kW；在主機轉(zhuǎn)速為52～61 r/min時，軸帶發(fā)電機輸出功率為400～840 kW；當(dāng)主機轉(zhuǎn)速低于52 r/min時，軸帶發(fā)電機不能正常工作，需起動備用柴油發(fā)電機。軸帶發(fā)電機的功率如下：

當(dāng)s<52 r/min時，P=0 kW，無法正常工作；

當(dāng)52 r/min

當(dāng)s≥61 r/min時，P=840 kW。

為了軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的安全，SAM規(guī)定軸帶發(fā)電機的負(fù)荷只能為最大功率的90%。功率與主機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖9所示。為了使軸帶發(fā)電機、電站管理系統(tǒng)(Power Management System， PMS)和主機遙控系統(tǒng)之間快速配合，圖9的功率曲線需集成至PMS中，PMS需讀取主機在各轉(zhuǎn)速下的功率設(shè)定值，這是因為如果主機轉(zhuǎn)速低于61 r/min，新的轉(zhuǎn)速設(shè)定值在降功率范圍內(nèi)(52 r/min

圖9 軸帶發(fā)電機功率與主機轉(zhuǎn)速關(guān)系

根據(jù)SAM提供的資料，軸帶發(fā)電機與柴油發(fā)電機并車運行沒有任何限制，但是在本項目中，SAM提出如果軸帶發(fā)電機與柴油發(fā)電機長時間并車運行，柴油發(fā)電機的自動電壓調(diào)節(jié)器需為“電壓下垂”型，而不是“橫流補償”型，否則無法完成長時間并車運行[6]，這一點需在項目開始的階段加以注意。

4 結(jié)束語

對二沖程主機的軸帶發(fā)電機做簡要介紹，對比各種類型軸帶機的優(yōu)缺點，然后根據(jù)實際項目介紹抱軸式軸帶發(fā)電機的應(yīng)用以及一些問題。軸帶發(fā)電機是否安裝，以及安裝什么類型，由很多因素決定，軸帶發(fā)電機的安裝是否有吸引力取決于船舶所有人。