大型客滾船側推系統設計和分析

周康寧，李 彬，李國榮

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江蘇 南京 210015）

0 引言

1 概況

1.1 艏艉動力布置

本船布置雙機艙、四機雙槳，每側機艙均有2臺主機，通過齒輪箱變速輸出至螺旋槳和軸帶發電機，在船艏側推室布置3臺艏部側推。在進出港靠泊時，分別為船艉和船艏提供橫向推力。

1.2 供電概況

2臺軸帶發電機，每臺功率為2880 kW；4臺主發電機，每臺功率為1384 kW；3臺艏部側推，每臺功率為2500 kW；除側推以外的全船基礎負荷約2500 kW。

2 系統設計

2.1 配電系統

其中1號和2號側推連接至直流配電板，直流配電板兼作側推啟動器 ；3號側推連接至AC690V主配電板，采用自耦降壓啟動方式[3]。

圖1 側推系統單線圖

1）正常航行時，2臺軸帶發電機并網為全船基礎負荷提供電源，主發電機備用。

2）正常進出港工況時，2臺軸帶發電機分別為2臺側推提供電源，第3臺側推備用，主發電機為全船基礎負荷提供電源。

3）極端進出港工況時，軸帶發電機輸出功率受限，3臺側推或其中2臺側推組合使用，主發電機為全船基礎負荷和部分側推提供電源。

中國工程院智能制造發展戰略研究室主任屈賢明曾表示，工業強基主要包括4個方面，即核心基礎零部件、關鍵基礎材料、先進基礎工藝和產業技術基礎。只有把基礎打牢，才能在關鍵領域擁有核心競爭力，夯實產業發展的基礎。讓我們將目光從產業縮小到企業，只有使每一個出廠產品被客戶認可，才能讓企業在該領域具有一定的話語權；再將目光從企業縮小到產品，只有對每一個零件進行質量把控，才能保證產品的高性能。于此，國望集團之所以大手筆購置先進加工設備的原因不言而喻，其就是要保證每一個零件的高精度，從而確保最終組裝產品的高性能，這亦是國望集團對于“一流”產品的承諾。

左右兩側的直流配電板兼作側推啟動器，1號和2號側推的升壓變壓器直接連接至軸發變頻器，減少額外的硬件配置。兩側直流配電板可與AC690V主配電板分區運行，側推突加和突卸負荷時，不影響主電網的電壓和頻率輸出，主電網安全、穩定、可靠。

2.2 系統選型

1）設備功率選型

根據設備廠家信息，收集各部件工作效率，如本船側推2500 kW，軸帶發電機功率配置到2880 kW，根據各部件的工作效率逐級推導出軸帶發電機所需功率：2500 kW（側推馬達軸功率）→3000 kVA（側推升壓變壓器容量）→2750 kW（變頻器輸出）→2880 kW（軸帶發電機輸出）。

2）電纜選型

基于IEC60034-35要求，與變頻器直接相連接的電纜，如圖中序號①②③處的電纜直接與變頻器相應的整流和逆變模塊相連，推薦使用變頻電纜，屏蔽接地的截面積至少為單相導體截面積的一半，對于AC690V系統，推薦使用1.8/3 kV電壓等級的電纜，以應對變頻器瞬間的沖擊電壓。

序號④為高壓電纜，通過變壓器隔離后，無須考慮使用變頻電纜，如本船變壓器二次側為AC6600V,采用6/10 kV電壓等級的電纜即可，也不需要提升電纜的電壓等級應對考慮變頻器瞬間的沖擊電壓。

如上述分析，序號④所示的高壓電纜其單價低于序號③所示的變頻電纜。變壓器二次側電纜用量大幅減少，以3×95 mm2電纜規格為例，相比于低壓側推方案，本船共減少電纜用量約8000 m,減輕重量約20 t。

2.3 側推變頻電纜防電磁干擾方案

1）變頻電纜防電磁干擾傳統方案

依據IEC60533要求，序號①②③所標的三相對稱變頻電纜須在電纜兩端做360°屏蔽網可靠接地，對于軸帶發電機可以考慮要求設備廠家自帶EMC型填料函，對于直流配電板大型落地式安裝的變頻器，變頻電纜數量大，布置分散，柜體內無專用的電纜屏蔽處理裝置應對電磁干擾問題。常規方案是通過在下層甲板上布置專用的EMC型電纜密封件，以實現電纜屏蔽層360°接地。此方案采購成本高，屏蔽接地的位置只能在電纜密封件處處理，距離變頻器距離較遠，效果較差。此外，電纜進行密封件前需要處理外護套，不易施工，現場耗費工時較長。如圖2所示。

圖2 EMC型電纜密封件方案

2）變頻電纜防電磁干擾改進方案

通過改進變頻電纜屏蔽網接地方式，采用不銹鋼無磁彈簧卡箍固定電纜屏蔽層的方式，取代傳統的EMC型電纜密封件。在變頻電纜穿越普通的電纜密封件后，具體操作流程為：①做切割標記；②解除外護套；③移除屏蔽層 ；④安裝不銹鋼無磁彈簧；⑤連接接地銅網。

圖3 不銹鋼無磁彈簧卡箍方案

相比傳統方案，改進方案具有以下優勢：

方便現場施工。電纜穿過密封件后，在電纜適當高度固定不銹鋼無磁彈簧，相比于采用EMC型電纜密封件方案，此方案更方便施工，節省工時，在變頻器內部空間相對寬松的情況下，改進方案和傳統方案所需要工時比約為1:2.5，施工成本優勢明顯。

相比在下方甲板布置EMC型電纜密封件方案，360°屏蔽網接地位置更靈活，可以向上靠近變頻器位置，對柜體其它電氣部件影響更小 ；相比其它屏蔽網接地方案，不銹鋼無磁彈簧為多層環繞，接地更加可靠，緊固性更好，不易松動和斷裂，降低人為因素影響。

不銹鋼無磁彈簧接地方案與傳統方案相比，材料成本大幅降低。

3 側推工作模式

3.1 正常航行工況

正常航行時，軸帶發電機為全船基礎負荷提供電源，直流配電板有以下2種工作模式。

1）PTOeco模式：軸帶發電機在可變轉速工作時，通過直流配電板變頻后，為AC690V主配電板提供穩定的電壓和頻率；此時，QF3和QF4閉合，QF5斷開。

2）PTOclassic模式：軸帶發電機在額定轉速工作時，直接為AC690V主配電板提供穩定的電壓和電源，無需由直流配電板整流和逆變，減少能量損耗。此時，通過QF5旁通至主配電板；此時，QF3和QF4斷開，QF5閉合。

3.2 進出港工況

進出港工況下，基于不同船舶工況和天氣狀況，側推可有以下3種工作模式選擇，以便最大限度地運用船上軸帶發電機和主發電機的輸出功率，為船舶靠泊創造條件。

1）軸發-側推模式：天氣良好，外部風力小，在軸發單獨運行為側推供電時，主推進除為船舶提供艉部橫向推力外，2臺軸帶發電機分別供1號和2號側推使用，滿足艏部橫向推力要求。此時，QF3閉合、QF4和QF5斷開。

2）聯合-側推模式：惡劣天氣，外部風速較大，為應對艉部橫向推力，單側螺旋槳占用主要的主機功率，PTO輸出功率被嚴重制約，此時1號或2號側推需要借助主電網，由主配電板向軸發變頻器提供電源，軸帶發電機和主發電機在直流配電板上并網為側推提供電源；此時，QF3閉合，QF4閉合，QF5斷開。

3）配電板-側推模式：此模式為側推的使用提供更好的靈活性，可在極端天氣的特定風向工況下，軸帶發電機輸出功率嚴重受限時使用。此時，QF4閉合，QF3和QF5斷開。

在外部風力20 m/s的極端工況下，通過列舉3種典型風向下，對艏艉所需要橫向推力，以及兩側軸帶發電機可用的功率分析3臺側推的工作模式。

1）A風向時，左側PTO可用功率為7600 kW,右側PTO可用功率為6700 kW,超過2臺側推功率總和，均大于單臺側推的額定功率。艏部橫向推力需求為5700 kW,超過2臺側推總功率，只能采用3臺側推并機的工作模式，每臺側推功率均為1900 kW，只有3號側推需從主配電板取1900 kW。

2）B風向時，左側PTO可用功率為1400 kW,右側PTO可用功率為700 kW?？紤]到右側PTO可用功率較小，利用率不高，不作考慮。艏部橫向推力需求為3600 kW，此時采用3臺側推并機的工作模式，每臺側推功率均為1200 kW。2號和3號側推電源均需要取自主電板，共需要從主配電板供應2400 kW電源。

表1 側推使用模式參考表

3）C風向時，左側PTO可用功率為900 kW，右側PTO可用功率為60 kW。艏部橫向推力需要3000 kW，此時采用2臺側推并機的工作模式，每臺側推功率均為1500 kW。1號側推需從主配電板取750 kW，3號側推需要從配電板取1500 kW，共需要從主配電板供應2250 kW電源。

上述3種典型工況下，主配電板供應側推使用的電功率均不超過2500 kW，滿足對基礎負荷的供電需求。

4 結語

在正常進出港工況下，1號和2號側推均使用軸發-側推模式，基礎負荷由主發電機承擔，主電網與側推電網分離，降低主電源波動及電網安全。在極端工況的風向下，依然可利用各種模式相互組合，充分利用軸帶發電機和主發電機的剩余電功率，實現船舶靠泊能力最大化。船員可依據不同海況進行靈活選擇，實現電功率的優化分配，可確保船舶按時進出港口。相比側推與主電網同等電制的方案，電纜用量大幅減少，克服了客滾船空間狹小、布置緊湊、電纜通道難以布置等問題。不僅降低建造成本，減輕空船重量，船舶穩性也得到有效控制。