（轮机工程专业论文）船舶电力推进原理与操作仿真的研究.pdf

中文摘要 摘要 现代电力推进技术与早期电力推进最大的不同就是建立了综合全电力推进系 统( 简称i p s ) ，它全面融合了现代最先进的数控技术、网络技术以及动力和机电 领域的最新进震，已弓| 起豳际、国内造船和航运界的重视。作为船舶推进的发震 方向之一吊舱式全电力推进船舶以其巨大的优越性得到了越来越广泛的应用。然 而随着国内越来越多的电力推进船舶投入使用，对这一全新电站方式管理的人才 缺乏问题日益突出，对船舶管理人员的培训也已提上日程，圜内对这一教育领域 的资源还不充足。 本文分为6 章。第l 章介绍了谋题的背景，包括船舶电力推进的概念和定义 以及发展历史；第2 章船舶电力系统，简述了船舶电站的设备构成组成；第3 章 电力推进船舶的结构特点及优势和不足；第4 章电力推进船舶的原理，详细阐述 了电推船舶电站各部分的功能和工作原理；第5 章电站管理系统及操作仿真，包 括电站操作仿真的目标和实现方法；第6 章总结和展望，总结课题实现的目标并 展望了电力推进船舶发展的关键技术。 作者查阅了大量文献及互联网资料，并多次上船观摩，学习，掌握了第一手 相关资料，明确了吊舱式全电力推进系统的工作与操作原理。本文首先介绍电力 推进系统的概念，详细地分析了全电力推进系统的结构及特点，通过对比说明了 电力推进是未来船舶主要发展方向， 最后作者以曩前世界最先进的第三伐全电力 推进船舶烟大火车轮渡渡轮的操作系统为模板，在w i n d o w s 环境下用可视化软件 v i s u a lb a s i c 模拟了该船舶的同常操作，有助予船员对全电力推进船舶的教学培训。 关键字：烟大火车轮渡；电力推进；中压电站；v b 英文摘要 a b s t r a c t t h em a x i m a ld i f f e r e n c eb e t w e e nm o d e r ne l e c t r i cp r o p u l s i o nt e c h n o l o g ya n de a r l y e l e c t r i cp r o p u l s i o ni sb u i l d i n gi n t e g r a t e dp o w e rs y s t e m ( i p s ) i p sm e l t st o g e t h e rt h e a d v a n c e dn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h en e wd e v e l o po f d r i v ea n de l e c t r i cm a c h i n e r ya r e a i n t e r n a t i o n a ls h i pb u i l d i n ga n dm a r i t i m ec o m p a n i e s h a v ep a i dg r e a ta t t e n t i o n st oi p s a st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fm a r i n ee l e c t r i c a l p r o p u l s i o n ，p o d d e de l e c t r i c a lp r o p u l s i o nh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e da b r o a do w i n gt oi t s e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s h o w e v e r , a sm o r ea n dm o r es h i p si n t ot h eu s eo fe l e c t r i c p r o p u l s i o n ，p o w e rs t a t i o no nt h en e wm a n a g e m e n to ft h ei s s u eh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l y o b v i o u sl a c ko f t a l e n t ，a n dt h et r a i n i n gm a n a g e m e n tp e r s o n n e lh a v ea l s ob e e np u to nt h e a g e n d a ，t h ed o m e s t i cr e s o u r c e so f t h i sa r e ao fe d u c a t i o na l s on o ta d e q u a t e t h i sp a p e ri s c o m p o s e do fs i xc h a p t e r s c h a p t e r 1 i n t r o d u c e st h ep r o j e c t b a c k g r o u n d ，i n c l u d i n gt h ec o n c e p t i o na n dh i s t o r yo ft h e e l e c t r i c a l p r o p u l s i o n s y s t e m c h a p t e r 2 i n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h es h i pe l e c t r i c a l d e v i c e c h a p t e r 3 a n a l y z et h es t r u c t u r eo ft h em a r i n ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h ea d v a n t a g e a n dd i s a d v a n t a g e c h a p t e r 4 t e l l st h ep r i n c i p l eo fe l e c t r i c a l p r o p u l s i o ns y s t e m c h a p t e r 5i n t r o d u c e sa n ds i m u l a t e st h eo p e r a t i o no fp m s ，i n c l u d i n gt h ew a ya n do b j e c t o ft h es i m u l a t i o n c h a p t e r 6s u m m a r i z e st h et h e s i sa n dp r e s e n tp r o s p e c tt oc o m eu pw i t h t h ek e yt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e t h ea u t h o rr e f e r st ol o t so fl i t e r a t u r e sa n dd a t u mo ni n t e m e t ，o b s e r v ea n ds t u d yo n b o a r d ，u n d e r s t a n d st h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r o c e s so ft h ei p sp o d d e dp r o p u l s i o n t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o no ft h ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e mo fs h i pf i r s t l y , a n da n a l y s e st h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ei p si nd e t a i l b yc o m p a r i n gw i t ht h e t r a d i t i o n a ls h i p ，t h ep a p e r p r e s e n t s t h a tt h ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o ni st h em a i n d e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nt h ef u t u r e a tl a s t ，u n d e rt h es u r r o u n d i n go fw i n d o w s ，b y u s i n gv i s u a ls o f t w a r ev i s u a lb a s i c ，t h ea u t h o rs i m u l a t e st h ee n t i r es c r e w 、sd a y - t o - d a y o p e r a t i o no ft h ey a n t a i - d a l i a nt r a i nf e r r y m a yi tc o n t r i b u t et o t h es c r e wt r a i n i n go f e l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns h i p k e yw o r d s ：y a n t a i - d a l i a nt r a i nf e r r y ；e l e c t r i c a lp r o p u l s i o n ； m e d i u m - v o l t a g ee l e c t r i c a ls y s t e m ；v i s u a l - b a s i c 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文“龃舶鱼左推进速理生握佳笾真的班究 。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名易会笼彩年乡月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 豸特翩签言烈弓撇 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 1 1 引言 第1 章绪论 1 1 1 船舶电力推进基本概念 船舶电力推进是指由原动机带动发电机产生电力用来驱动电动机推进的推进 方式。它由原动机、发电机和附属设备及配电板组成，是船舶电力系统的核心部 分【1 1 。 j! 图1 1 船舶电力装置简图 f i 9 1 1e l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e mo ns h i ps i m p l i f i e dd i a g r a m 1 1 2 中压电力系统的定义 在陆地电网中，为了避免长距离输电损耗而采用了高电压及超高电压输电技 术。对于使用大功率的推进设备和供配电网的电力推进船舶也采用了中压标准。 关于中压的定义世界各地以及在不同领域的标准不是完全一致的。i e e e 标准1 0 0 规定的中压交流电力系统定义是指额定电压大于l ，0 0 0 v ，小于l o ，0 0 0 v 的电力系 统，在中压之上，还有高压和超高压。对于额定频率为6 0 h z 的电力系统，中压的 额定值有2 3 ，4 1 6 ，6 6 k v 等等；而额定频率为5 0h z 的电力系统，中压的额定 值有3 3 ，6 0 ，6 6 ，1 0 k v 等级【2 】【3 1 。 第1 章绪论 选择电机是否采用中压标准的传统功率值分界点是4 5 0 k w ，但是这不是死规 定，考虑具体条件和设计要求，会有更合理的不同数值。目前国内为建造的大部 分船舶采用的都怒3 8 0 v 或4 4 0 v 的低压电力系统。但是随着特种船舶特别是电力 推进船舶的日益增多，中压电力系统被越来越多的运用到船舶电力系统中。 1 1 3 船舶电力推进发展历史 船舶逛力推进系统已有近百年历史，但是由于受各种因素割约，发展缓慢，且 大多数只应用在特种船舶上。从2 0 世纪8 0 年代起，供电系统、推进电机和微电 予及信息技术的迅猛发展，使船舶电力推进装置打破了长期徘徊局面，得到了大 力的发展【4 】。 第一代电力推进系统国现在二十世纪二十年代。这种推进系统就是直接雳电 动机代替柴油机作为推进动力。由于能量的多次转换，效率低，同时e l j 于电力电 子技术的限制，无法在船舶上广泛推广应用。在二十世纪五十年代，出现了舵桨 装置，其主要特征就是舵桨合一，舵桨悬挂于船体外侧，取消了舵系。进入八十 年代，由于交流电力拖动技术的发展，逐渐采用交流电机驱动，露第二代电力推 进系统。舵桨可3 6 0 0 回转，大大提高了操纵性能。八十年代后期新建造的工程船 舶采臻此推进系统昀逐渐增多，基翦已经应溺了1 0 0 0 多套疆l 。 第二代电力推进代表产品是s c h o t t l e 公司生产的z 型和l 型推进装置。该推 进装置遴过z 型和l 型齿轮传动概梅将推进电动枫产生的动力送达舵桨，推进电 机安装在机舱罩面，但是船舶的动力受到极大限制，经济性也不可能太离。 1 9 9 0 年，a b b 公司的技术人员，为了辫决船厂自用的破冰拖轮螺旋桨在冰区 工作的需要，将一个0 5m w 的同步电机直接放在水下驱动螺旋桨。为了防止电机 进本，在电机的井面加了一个水密壳fp o d ) ，装配成一个可以圈转3 6 0 。的舵桨， 它就是世界上第一台吊舱式电动舵桨推进系统即p o d 系统，即第一一代电力推进系 统。它的特点是取消了减速齿轮机构，推进电视在罱舱内( 图l 。2 吊舱结构图) ， 其转予即是螺旋桨的驱动轴。九十年代后期建造的大型豪华游轮上很多使用这种 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 推进系统。这种传动方式效率高，故障率低，安装方便，因此，迅速得弼推广使 用。但是由于同步电机驱动需要复杂的通风、冷却、干燥系统组成的转子降温系 定装鬣 时 图1 2 吊舱式推进器结构示意图【6 l f i g u r e l 。2s t r u c t u r ed i a g r a mo f p o d d e dp r o p u l s o r 统，因此系统复杂，价格昂贵，多蔫予豪华游轮与破冰船1 7 1 。 1 9 9 7 年s i e m e n s 公司将推进同步电机改用军用潜艇已使用了十年之久的永磁 电机，并取消了霹步电视的转子冷却系统，采用海水直接冷却，潋此再次提高效 率。此项技术的应用，引起了航运与造船界的广泛注意。其后a b b 公司也将推进 电视改用永磁电机琢j 。 电力推进系统本由机械原动机( 柴油机、燃气轮机或核动力) 构成，用以驱动交 流发电机，发电视荐为推避电动机提供动力。电动祝可麓是直流、交流同步电动 机或交流感应电动机。同传统的机械推进方式相比，采用电力推进系统的船舶在 经济性振动噪声、船舶操纵、布置和安全可靠性等方面矮有懿曼抗点i s ! 。 第1 章绪论 船舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电变电、拖动、推进、储能、 监控和电力管理，是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合；它不是电 力推进加自动电站的简单组合，而是从概念到方案、组成、配置技术等均发生重 大变化，给未来的船舶带来一场革命【9 】【1 0 】【l l 】。 1 2 课题研究的背景 时间跨入二十一世纪后，全球航运业迎来了新一季的春天，航运市场开始摆 脱二十世纪9 0 年代末运费大幅滑坡的局面，国际海运市场需求回升，运费急剧反 弹。其中船舶产品结构进一步优化，承接新船呈现大型化的显著特点，随着船舶 的大型化的发展，大型船用柴油机作为船舶的推进系统的核心，而其配套的燃油 系统、润滑系统、冷却系统规模及功率不断扩大，包括大功率马达( 侧推) 等普 遍在大型船舶上的使用，而随着上世纪末新型电力推进船舶在大型话船舶中的应 用推广，对船舶电力系统的容量要求从量变阶段达到质变阶段。众所周知，在日 常生活和动力用电中，常见的额定电压为3 8 0 v ( 5 0 h z ) 或4 5 0 v ( 6 0 h z ) 的低压 电力系统。低压电气设备的造价低，防止人身触电的安全性比中压电力系统高得 多。但是当用电设备的功率很大时，作为低压系统，电流数值会很大，对于常用 的电动机包括船用电机( 譬如大功率侧推电机) 负载，起动时的电流更将大得惊 人。因为决定绕组导体截面积的因素是，2r ，大的电流要求大的导体截面积，而绕 组的极大截面将使大功率的低压电机无法制作；同时，极大的线路传输电流会使 经路的功率损耗很大，以及在发生短路时产生巨大的短路电流，使与之相配的导 线和断路器等设备的设计制作将变得难以实现。为此，在陆用电网中，为了避免 长距离输电损耗而采用了高电压及超高电压输电技术。而对于大功率的用船用机 电设备和供配电网国外也早己采用了中高压标准。i e e e 标准1 0 0 规定的中压交流 电力系统的定义是指额定电压人予1 0 0 0 v ，小于1 00 0 0v 的电力系统。当今国际 造船应用于超大型散货轮、8 0 0 0 箱以上大型冷藏集装箱船舶以及广泛应用电力推 进的大型豪华邮轮的船舶多为6 6 k v 的中压电力系统。可以说，国际造船业发展 至今，中高压电力系统已经在多种船型中广泛应用【忆】。 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 船舶设计建造部门和航运公司都希望船舶具有优良的航行性能，其中自然包 括船舶的效率、是否具有良好的航向稳定性和回转性等。为了说明中高压系统交 低压系统在电气元件选择上以及造船成本及船舶质量上的优势，拿发电容量 3 1 0 0 k v a 的发电机为例，分别选择4 4 0 v 和6 6 0 0 v ( 单芯和三芯) 电缆进行敷设，计 算出单位长度上电缆的质量，并进行比较如下表【1 3 】： 表1 1 导线重量表 t a b1 1w i r ew e i g h tt a b l e 发电机容量：3 1 0 0 k v a 电压 电流电缆型号导线截面积 导线数量导线重量 5 0 m m2 6 6 0 0 v2 7 1 aj b2 x 3 xl ，3 2 k g m = 7 9 2 k g m ( 1 6 5 a )( 3 3 0 a ) 7 0 m m2 6 6 0 0 v2 7 1 a二b 2 x 5 ，4 0 k g m = l o ，8 0 k g m ( 1 5 0 a )( 3 0 0 a ) 1 5 0 m m1 7 4 5 0 v 3 9 7 7 a二j d17 x 4 , 4 6 k g m = 7 5 8 2 k g m ( 2 4 3 a )( 4 1 3 1 a ) 采用电力推进则显示了这方面的优势，而且其在民用运输船舶的应用正处于 方兴未艾的发展时期，面对电力推进船舶的新技术、新设备，负责运行管理、维 护保养、故障维修的船舶轮机人员面临着严峻的挑战，同时也向教学培训机构、 机务管理部门以及修造船厂的专业人员提出了新的要求。但是我国在役电力推进 船舶很少，尤其处于电力推进前沿的吊舱式电力推进更是寥寥无几，对其没有维 护管理经验和操作实践认识。从节能的长期性和船舶向高度自动化方向发展的趋 势看，有必要对电力推进做一些探讨，以有助于对船舶电力推进系统还处于观望 之中的船东或设计部门做出正确的决策，推广船舶电力推进在国内的应用。对电 力推进原理和内部结构的研究尤其是最先进全电力推进船舶的研究可以作为未来 轮机工程专业课程建设的有益补充，以适应未来电力推进技术管理人爿市场的需 第1 章绪论 求。为此本课题将主要研究处于世界领先的全电力推进船舶的吊舱式电力推进管 理系统，着重对它们的结构特点，工作特性及其操作控制系统进行全面的探讨。 1 3 课题的理论价值和可能达到的水平 中铁渤海铁路轮渡是天津新港船厂为铁道部下属的中铁渤海铁路轮渡有限责 任公司建造的“火车滚装客船”系列船的首制船，其姐妹船为“中铁渤海2 号， 涵盖低压4 5 0 v 和中压6 6 0 0 v 的c o m p a c ta z i p o d 推进系统，是世界上首次采 用第三代电力推进技术的火车滚装渡船【。在我国电力推进船舶制造业刚刚起 步，技术储备不足，各方面标准规格尚不完善的，可借鉴之处也不多的情况下， 对其研究就显得尤为宝贵。 渡船为火车汽车旅客客滚船，抗风浪能力为8 级，服务航速1 8k n ( 含2 5 海 况储备) ，全长1 8 2 6 m ，宽2 4 8m ，满载排水量1 6 2 2 9t ，单航次可载运- n5 0k n8 0 t 重的货运列车、5 0 辆2 0t 载重汽车、2 5 辆小汽车和4 8 0 名旅客。渡船设上、下 两层纵通车辆甲板，下层为火车甲板，上层为汽车甲板。火车车辆舱为封闭式， 汽车车辆舱为遮蔽式。火车上下船采用尾进尾出方式，上甲板滚装汽车在尾部右 舷采用侧进侧出方式。旅客通过全封闭人行栈桥在船中部上下船【l5 1 。 作者的导师在校企合作期间实际参与了该船的管理与维护，作者本人也多次 上船实地学习，观摩，研究，掌握了第一手材料，并查阅了大量的相关的国内外 文献。希望课题的探索能对其他研究全电力推进的同行有所裨益。 本文从铁路轮渡渡船电力推进系统的实践应用出发，系统而全面的总结了电 力推进船舶的电力系统结构和工作原理，通过对比证明了电力推进的先进性，实 际模拟了船舶操作系统的功能，供船员培训使用。并在此基础之上预测了未来电 力推进船舶的发展方向。 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 第2 章船舶电力系统 无论船舶的吨位大小和类型，船舶电力系统都是由发电、配电、输电及用电 四个部分组成的。这里先对船舶的普通电力系统的组成进行简单的介绍 1 6 1 。 2 1 发电单元 用原动机拖动的发电机、用电动机拖动的发电机和蓄电池。 按原动机的种类可分为： ( 1 )柴油机发电机组是目前普遍采用的机组。 ( 2 )汽轮机发电机组只用于以蒸汽为动力源的船舶。 ( 3 )蒸汽机 发电机组由于效率低，己基本淘汰。 ( 4 )燃气轮机 发电机组多用于军舰。 此外，用可变螺距螺旋桨的船舶，为了充分利用主机的功率储备，在主机运 转时，用主轴带动发电机，称为轴带发电机。也有利用柴油主机排气来驱动汽轮 机再带动发电机，称为废气透平( 汽轮机) 发电机，采用这类发电机可提高航行 的经济性。 按用途分类有： ( 1 ) 主电源即主发电机。海船规范要求电源应能“确保为保持船舶处于j 下常 操作状态和满足正常生活条件所必须的所有电力辅助设备供电，而不需求助于应 急电源”。有时根据使用情况，把停泊时使用的发电机称为停泊发电机；把作为 备用的称为备用发电机。但目前较少使用这种名称，因为一般船舶都多台主发电 机，互为备用，都可以停泊时使用。 ( 2 ) 应急电源，是用来确保在各种紧急状念下，向安全所必须的电气设备供 电。可以用发电机组，也可以用蓄f 乜池，大型船舶和客轮多采用发电机组。 按电压等级分类： 船舶大型化的发展趋势下，对大容量的输配电的需求，电压等级在l k v 以上 的发电机渐渐得到广泛运用。 ( 1 ) 低压：电压等级1 k v 以下，多为3 8 0 v ，4 5 0 v ，6 9 0 v 。 第2 章船舶电力系统 ( 2 ) 中高压：电压等级为1 k v - 1 5 k v ，常用为6 6 0 0 v 。 2 2 配电装置 配电装置，它是指把电能有控制地分配给各用电系统或设备的装置。通常称 为配电盘或配电站。对于各种不同用途的配电设备，为了区别和确定它们的功能， 给出下述定义。 ( 1 ) 主配电盘用于控制船舶主电源所产生的电力，并对船舶正常航行和生活使 用的所有电力负载进行配电的开关设备和控制设备的组合装置。 ( 2 ) 应急配电盘用于控制由应急电源产生的电力，并在船舶应急状况下，对有 关航行安全和船员安全所必须的电力负载进行配电的开关设备和控制设备的组合 装置。在正常情况下，应急配电盘由主配电盘供电，只有在应急情况下( 即主配 电盘失电时) 才独立供电。 ( 3 ) 分配电盘用以对最后分路进行配电的一种或多种过流保护设备的组合装 置。 ( 4 ) 蓄电池充放电板用以对蓄电池进行充电控制和对由蓄电池供电的设备进 行配电的组合装置。 2 3 输电部分 它是指联接发电机、主配电盘与用电设备之间的电力线路，称为船舶电力网 或船舶电网，是全船电缆的总称。根据联接的负载性质，可分为动力( 电力) 电 网、照明电网、应急电网、临时应急电网和弱电电网等。 配电方式，可分为一次电网和二次电网，有时称为一次网络和二次网络，也 称为一次配电系统和二次配电系统。国际电工委员会( 简称i e e ) 对此下的定义是： 一次配电系统与发电机有电气联系的系统；二次配电系统指与发电机没有电气联 接的系统，如经变压器或变流机组隔离的系统。目前国内对此习惯上形成的定义 是：一次网络由主配电板和应急配电板直接供电的系统；二次网络由分配电极供 电的系统。近年来越来越多的出现的大型船舶上【1 7 1 。 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 联接方式，电源通过配电装置与用电设备的联接有三种方式：馈线式、干线 式及混合式，目前国内较多地采用馈线式配电系统。 2 4 用电部分 船舶用电设备大致分为动力装置、甲板机械、机舱辅机、风机、空调、冷藏、 照明、船内通讯、通讯导航和其它生活用电设备等，一般把用电设备分为重要设 备和次要设备。用电设备的重要程度取决于它在船舶安全航行中所处的地位。影 响航行安全的主要因素有：失去推进动力、操纵和操舵能力，发生火灾和爆炸， 机舱进水等。 图2 1a b b 公，t - 的a z i p o d 系统电力系统图8 1 f 碴2 1 a b b a z i p o de l e c t r i cs y s t e m 由此可以这样来定义重要设备，它是指对船舶的航行、驾驶、操纵和人身安 全，或对船舶的专用特性( 例如特殊h ；】t 途) 所必需的设备。对于那些次要的负载 第2 章船舶电力系统 如住舱、风机、空调等，在发电机过流或过载时可以预先卸去，以避免主断路器因 保护动作被切断。 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 第3 章船舶电力推进系统的结构及特点 电力推进系统由电站、配电盘、变压器、谐波抑制器、变频器、推进电机、 监控系统等组成。典型的电力推进船舶电站设备结构如图3 2 所示，为m e r m a i d 吊舱式电力系统构成图，电站由柴油发电机组和一套主配电盘组成，柴油发电机 组通常供电给一个6 6 k v 的中压电网，为船上的电力推进系统和其它主要设备供 图3 ：1m e r m a i d 吊舱式电力推进系统设备刚1 9 】 f i g3 曩m e r m a i dp o dp r o p u l s i o ns y s t e md e v i c ed i a g r a m 电。发电机组以柴油机为原动机带动发电机发电向电网提供电能。中压配电板确 保电力的分配。通常的电压额定值从3 3 k v 到1l k v 。然而，大多数综合电力推进 系统有一个6 6 k v 的电网，其频率是5 0 或者6 0 h z 。 3 1 中高压配电系统的网络型式【1 3 】 巾高压配电系统的配电网络型式的基本设计理念可分两种，放射形网络 ( r a d i a l m a i nn e t w o r k s ) 干l l 环形网络( r i n g - m a i nn e t w o r k s ) 。 第3 章船舶电力推进系统的结构及特点 3 1 1 放射形网络( r a d i a l m a i nn e t w o r k s ) 1 ) 放射形网络特点； 1 ) 电力成发散形传输； 2 ) 操作较为简单； 3 ) 设计能够达到较高的自动化程度； ) l e d i v o ig 0 0 n a 图3 z 放射形网路示意图 f i g3 z r a d i a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 4 ) 断路器成串联型式； 5 ) 负载端发生故障，可进行选择性断开； 6 ) 交易扩充，通过简单的插槽连接增加新的配电板： 7 ) 电力系统潮流分布在不同的路径上； 缺点： 1 ) 选择性控制较难； 2 ) 需要有双倍数量的电缆和断路器； 3 ) 一旦在一条馈电线路上发生故障，系统没有冗余； r d 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 3 1 2 环形网络( r i n g - m a i nn e t w o r k s ) 环形网络特点： 1 ) 电力通过分配电板连接成环形输送； 2 ) 如果负载端发生故障，输出端电路将切断； 3 ) 如果分站发生故障，其余分站将继续运行，环形打开； 4 ) 重要的负载直接连接在主配电板上： 5 ) 节省大量的电缆和断路器； 图3 墨环形网络示意图 f i g3 3r i n gn e ts c h e m a t i cd i a g r a m b o a r d 目前，除了少数对供电可靠性要求特别高的商船和大型客船采用环状电网外， 绝大部分船舶采用放射式结线方式【1 0 l 。 中铁轮渡船舶供电系统由四台6 6 0 0 v 功率为2 8 8 0 k w ( 实际最大功率设定为 2 7 0 0 k w ) 发电机通过断路器向中压电网供电。推进电力通过2 台推进变压器送往 吊舱式推进装置。而艏侧推器的电力直接来自中压电网。中压电网的电力通过2 台6 6 0 0 4 0 0 v 的变压器降压后使用。 第3 鬻秀骛舶电力推进系统的缩梭及特点 3 2 变频器 变频器定义：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另 一频率的电能控制装置。交流推进电机的控制或变速驱动依赖于变压交频技术。 交流推进电动机的调速主要采用变频调速，这就要求向交流电机供电的电源能够 同时改变电压和频率。目前常用的三种变频器有同步变频器( 交一交变频器) ，交一直一 交变频器和脉宽调制变频器。从谐波来说交交变频器最多，脉宽调制变频器最小， 但功率正好倒过来，所以大型船舶( 通常5 m w 以上) 大都采用交交变频器【2 0 l 。 3 3 推进电动机 推进电机是电力推进船舶的动力驱动设备，因此也是电力推进船舶的核心技 术之一。推进电视又分为以下几种： 3 3 1 同步电机 用予毫力推进的交流电机可以是异步电概和同步电机。异步电机结构简单， 不需要电刷装置，由于其调速特性不好，一般较少使用；同步电机气隙较大，能 承受冲击，励磁损耗小，功率因数可以为l 。随着隶磁电机控制技术豹发展，在船 舶电力推进系统中趋于采用永磁同步电机，己有多种不同结构的永磁同步电机， 其功率范围从足百瓦到应用于船舶推进的几兆瓦。永磁电机与常规电机相比其有 功率密度高、转矩密度高的特点，由其构成的推进系统噪声低、效率高、维护性 好，因此对予船舶来说更具有潜力汪轴。 3 3 ，2 鼠笼式感应电机 鼠笼式感应电动机则用于中高速传动，它和螺旋桨之间通常需经减速装置连 接。其变速控制的核心是s a m i p w m 变频器，采用a c d c a c 电压型变频器调速， 具有功率因数高、转矩控制平滑等优点。 3 4 推进电动机与螺旋桨的连接方式 a 低速电动机通过尾轴直接连接螺旋桨； b 中速电动机通过减速齿轮箱及尾轴连接螺旋桨； c 中速电动机通过z 型驱动带动螺旋桨全回转； 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 d 中速电动机通过z 型驱动带动对转螺旋桨全回转： e 低速电动机在吊舱内直接带动螺旋桨全回转。 3 5 电站管理及监控系统 3 5 1 电站管理系统 综合电力推进装置的电站管理系统设计成采用同步运作方式取代常规的柴油 发电机组降速耦合方式，保证了船舶电网频率的稳定性，从而满足高标准电源的 要求，这可以通过相互连接的计算机化的数字同步和负荷控制器来实现。这些控 制器和可编程控制器相连，p l c 处理上层功率管理任务、起动柴油机、发电机合 闸、自动离闸、停机等。船舶自动电力管理系统的功能主要有 2 2 】： 1 发电机组停机状态下的周期性预润滑。 2 发电机组的自动起动控制。 3 发电机组的自动并车操作。 4 并联运行中功率的自动分配、转移与电网频率的自动调整。 5 取决与负荷大小的发电机组运行台数管理。 6 大功率负荷投入管理。 7 发电机组自动、故障状态下解列、停机控制。 8 发电机组机、电故障的自动处理与报警及负载自动分级重合闸。 9 发电机的保护。 1 0 运行状态显示及故障监视。 1 1 运行中系统给定参数的监视与修改。 3 5 2 电力推进监控系统 船舶电力推进是一个控制系统要求比较高的复杂系统，一般采用现场总线网 络监控系统。监控系统由推进控制中心、推进操纵单元、舵角控制单元、以及报 警、监视单元组成( 如图3 5 ) 。推进控制系统的主要功能：接受来自操纵单元的 第3 章船舶电力推进系统的结构及特点 转速设定信号，处理后传送到功率和转速控制单元；对推进系统的辅助装置控制 操纵部位进行监控；对系统总线进行监控；温度监测；提供操纵及显示接口。功 图3 4 吊舱的监控系统 f i g3 牟a z i p o ds y s t e md i s p l a y 率和转速控制单元则将推进控制系统传送过来的转速信号转变为电流( 扭矩) 信 号，并传送到扭矩控制单元，而扭矩控制单元则根据收到的电流信号控制直接变 频器内可控硅的触发脉冲，使得变频器输出电源频率发，l i 变化，从而控制推进电 机的转速。目前，部分电力推进监控系统采用光纤总线传输各种信号，它的特点 是传输的信息量大，速度快，抗干扰能力强 2 3 1 。 3 6 电力推进系统的优点和不足 以柴油机和汽轮机为主的传统型船舶动力装置，曾对船舶及航运的发展作出 了重要贡献，然而这类动力装置也因其一些阎有的缺陷| _ ；l 娼了逃步发展，例如： 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 占据空间过大，以柴油机和汽轮机为主机的船舶，其机舱空间都被体积庞大的发 动机、机械传动装置、减速器和轴系等占据，舱室空间利用率大大降低，有效载 荷减小。工作环境差，以柴油机或汽轮机为主机的机舱内，不仅振动大、噪声高， 而且油污多，废气排放影响空气质量，卫生条件差，主机大而高，系统复杂，增 加维护难度，加重维护工作量( 轮机人员往往占船员的3 0 0 0 - , 4 5 ) 【2 4 】。 3 6 1 电力推进的优点 船舶采用电力推进系统后，提高了柴油机效率约1 0 0 o , - - 1 5 ，节约了维修保养 费，显著地增加了船体可利用空间，同时船型优化，提供了安静的推进方式，并 且通过柴油机在大于4 0 的负载匀速运转来减少污染( 减少了n o 。和s o ，的排 放) 。除此之外，电力推进系统还将提高船舶的机动性、可靠性和电站的可利用 率。综上所述，电力推进船舶的优点主要有【2 5 】 2 6 】【2 7 】： ( 1 ) 空间配置灵活。大型船舶的柴油机几乎是毫无例外安装在船尾的下部空间， 同时需要一根较长的传动轴系连接螺旋桨。而电力推进的电动机通常和螺旋桨靠 得很近，省去了传动轴系，相应的节省了空间；发电设备可以根据全船的配置合理安 排，不受推进电动机和螺旋桨的限制。可以在机舱整个空间内立体布置，既方便 灵活，又充分利用了机舱舱容。如果从消防和安全性方面考虑，还可以把发电机 分成几组( 如全船共有6 台发电机的情况下，可以3 台一组) 布置在不同的舱室 中。 ( 2 ) 节省燃油，提高经济性。柴油机的推进特性是：转速升高，机械效率逐步 增加，指示油耗率先是逐步降低，但当转速升高到较高转速时，由于机械效率增 加很少，有效油耗率转速的升高而降低。一般情况，柴油机运行于8 0 - - - 一9 0 标定 转速作为长期运转转速，即所谓的降速运行。当柴油机处于低速低负荷或高速高 负荷，尤其是低速低负荷工况下，由于机械效率低，燃油效率高，柴油机的经济性 严重降低。在电力推进系统中只需根据船舶电量的需求量来决定并入电网的发电 机台数，当船舶需求电量降低时，只需解列一台发电柴油机。这样就可以使每台 发电机组都能工作在比较理想的负荷下。这不仅对柴油机的良好燃烧和使用重油 第3 章船舶电力推进系统的结构及特点 有好处，而且可以减少维修保养工作，降低备件费用。这对于时常工作在低负荷 下的船舶更显示出其优越性。 ( 3 ) 提高了船舶的操纵性。柴油机推进的船舶操纵通过改变柴油机转速以改 变船舶速度，改变舵角以改变航向。电力推进的螺旋桨转速通过驱动控制器改变 推进电机转速实现，吊舱单元在动力定位系统的控制下，可以绕竖直轴作3 6 0 。的 转动，吊舱单元的方向决定了螺旋桨的推进方向，船舶倒航只需让吊舱旋转1 8 0 。即可。相比而言，螺旋桨转速的改变更迅速，船舶转向过程中不但只由装船力 矩作用，取消了最大舵角的限制，船舶的航速与船舶的航向都得到了更好的控制， 船舶的操纵性能得到提高。 ( 4 ) 振动小，噪音低。省去了舵和传动轴系，机械设备的总重量比同等功率 柴油主机的船舶减少约3 0 ，应的节省了船舶的舱容。这些优点对于客船是十分 重要的，对大型豪华客船更是如此。这也是电力推进在客船中获得越来越大的市 场份额的主要原因。 ( 5 ) 提高了船舶的安全性。用柴油机单机推进的船舶，一旦柴油主机的重要 部件或舵机及传动轴系出现故障，往往导致瘫船。而电力推进使用多台原动机，个 别机组的故障只对船速造成影响，不会导致瘫船。同时应该看到，目前的电力推 进船舶往往采用两套以上推进系统，它们在保证全船的总功率的前提下，还可互 为备用。其次，船舶上可以装备风力发电机，利用外界的阻力为船舶服务，配备一 定数量的可充电蓄电池作为备用能源以提供不时之需，船舶的可靠性和安全性将 进一步提高。 ( 6 ) 全寿命费用低，电力推进初投资高，但由于运行费用低，维修保障费用 低，人员少，管理费低，使全寿命费大为减少。此外电力推进较高的可靠性、可 维修性也将降低整个系统的全寿命费用。电力推进装胃丁结构相对简单，除轴 承外基本无高速磨擦附件，因而其固有可靠性好，这得到了1 0 0 多年实际应用的 证明。电气维修量少，发电机一般不需要修理或更换，对其清沈、干燥、上漆等 即可。配电板一般情况下不需要修理，仅需保养好。f 乜缆寿命一般不低于3 3 年。 电动机结构简单可靠性好，寿命可达4 万小时以l ：。 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 3 6 2 电力推进的缺点和不足 吊舱式电力推进的优势也付出了一定的代价： ( 1 ) 初投资增加，但随着装船数量的增加，投资趋于减少。电力推进初投资 费用高，这也是阻碍其更广泛应用的主要原因。中远广州公司的半潜船采用s s p 吊舱推进方案比机械推进设备采购费要贵3 0 0 万美元，即贵3 0 。但由于原动机 数量少，每年仅吊缸修理费就节省2 5 万美元，由于机动性好，效率高，节省了部 分拖轮费用，所以多出的初投资可以在5 年内得到补偿。对于火车轮渡船，其吊 舱电力推进采购费要贵3 1 ，多出的费用预计4 年内补偿。有资料表明，全电力 推进设备费用比机械推进一般要多2 5 。采用吊舱式电力推进，其推进器在专门 工厂生产，运到造船厂，约2 4 1 1 可安装完毕，缩短造船时间，节省造船费用约1 0 ， 使初投资有所降低【2 8 】【2 9 1 。 ( 2 ) 航向偏移和稍微改变航向都需要操纵重量比较大的推进器，此推进器也 有疲劳损害的风险。 ( 3 ) 原动机和推进器之间组件的增加( 电力装置，发电机，变压器，变频器) 增加了传动损失。 ( 4 ) 熟悉设备的维护管理人员不足。对于吊舱式电力推进来说，应用时间较 短，一些新设置的设备，需要不同的操作方法，不一样的人员配置和维护策略1 3 0 。 第4 章电推船舶电站工作原理 第4 章电力推进船舶电站原理 本章将详细介绍中压船舶电站的各个组成部分的工作原理与功能，并结合实 际与普通船舶电站做了对比，使我们对中压电站有更清晰的认识。下面结合烟大 轮渡渡轮电力系统图做更深层次的阐述。中铁轮渡电站设备原理图如下： 蕉鱼：逾醒电丕缠遂鳘篮图! 塑曼垒出丝堂垂筮2 i 篡书o k 司羽淼。 图4 1 配电设备简图 f i g4 1e l e c t r i c a ls y s t e md e v i c ed i a g r a m 船舶电力推进原理与操作仿真的研究 4 1 发电机组 船舶发电机组有原动机带动发电机产生电力向电网供电。本轮发电机组是由四 台3 3 0 0 k w 的m a k9 m 2 5 发电柴油机( m a k 供) 带动四台2 8 8 0 k w 的a m g 0 7 1 0 s m 0 8l s e 发电机( a b b 供) 组成。船舶电力系统是独立电网，而不象陆上 电力系统那样一般由十几个甚至几十个不同类型的发电厂联合供电。一般船舶只 有一个电站，电站的容量就是电网的容量，且电网的容量相对负载来说是有限的， 所以大容量负载起动时的冲击电流将引起电网电压的急剧波动。所以船舶电力系 统对发电机调压器和原动机调速器的动态性能有较高的要求，如：要求船用发电 机调压器动作时间要快，有强行励磁能力；发电机有较大的承受过载的能力等。 此外，由于船舶工况变动频繁，要求船用并车装置简单、可靠。 在独立电网中，调节运行发电机的电压或原动机的转速，将直接影响电网的 电压和频率。不像陆地的无穷大电网，调节一台发电机组的电压或