210000DWT散货船轴带发电机系统的应用

陈文腾 王刚 曹森 谢春萌

摘    要：本文重点介绍我司210000DWT散货船电力系统配置、各种工况下电力负荷、轴带发电机系统的类型等。描述在设计过程中采用的安全措施，分析不同系统配置的经济性，并展望了轴带发电机系统在远洋散货船的应用前景。

关键词：远洋散货船;轴带发电机系统;安全性;经济性

中图分类号：U665.11                            文献标识码：A

Abstract： The main configuration scheme and application of power system of the ocean-going bulk carrier are introduced. The electric system configuration， the power load under various working conditions and the type of shaft generator system of the 210 000 DWT bulk carrier are emphatically introduced. Safety measures adopted in the design process， economy of different system configurations are analyzed. The prospect of shaft generator system in the ocean-going bulk carrier is expected.

Key words： Ocean-going bulk carrier;  Shaft generator system;  Safety;  Economy

1     前言

近年来，远洋船舶的营运成本呈逐年上升趋势，我司为了获取更大的经济效益、降低营运成本，在为几内亚航线新建的一批210 000 DWT散货船上首次应用了轴带发电机系统，并且计划在325 000 DWT矿砂船上也推广应用该系统。

轴带发电机系统能够有效利用主机富裕的功率，提高船舶效率，提升船舶EEDI水平，实现节能减排。该系统在大、中型集装箱、特种船等船舶上得到广泛应用。随着成本、排放矛盾的加剧，各航运公司开始尝试在远洋散货船、矿砂船上应用该系统。

2     轴带发电机系统分类

（1）根据是否可以变转速运行分为：定转速型和变转速型;

（2）根据控制原理分为：简单型;无功功率补偿型;有功功率控制型。

其中：定转速型一般应用在中、高速主机;随着船舶的大型化，主机的功率不断增大、转速越来越低，且电力电子技术迅速发展，有功功率控制型逐渐成为主流：有功功率控制型允许主机转速在一定范围内变化，发电机输出的三相交流电经过整流、逆变等变频控制，最终向电网提供恒频、恒压的电源;有功功率控制型的逆变环节，采用象限可控PWM逆变技术，调节输出电压与电流的相角，向电网提供有功功率和无功功率;输出电压谐波可以控制在5%以内，可与柴油发电机长期并联运行，有效地解决了以往轴带发电机系统存在的问题，并且成本亦有较大降幅。

3     电力系统配置方案与使用工况

3.1   主机参数和电力系统配置方案

210 000 DWT散货船采用低速主机+定距桨的配置，轴带发电机系统采用抱轴式、有功功率控制型。

主机型号：WinGD 6X72‐B或MAN 6G70ME‐C9.5

持续功率（CSR）：11 965 kW X 63 r/min （78.2% CMCR）;

燃油消耗率： 156.0 g/kWh+6% （Tier II）;

滑油消耗：48 kg/24 h;

柴油发电机组：950 kW、AC450 V、60 Hz三台;

轴带发电机系统（PTO）：1 050 kW、AC450 V、60 Hz一台。

3.2   电力系统使用工况

正常航行：电力负荷为794.7 kW，轴带发电机系统工作;

进出港：电力负荷为1 555.7 kW，二台柴油发电机并联运行;

装卸货：电力负荷为1 281.1 kW，二台柴油发电机并联运行;

停泊：电力负荷为520.7 kW，一台柴油发电机运行。

3.3  轴带发电机系统原理

对于转速为100 r/min以下的主机，轴带发电机一般采用低速它励同步发电机系统更为安全可靠。其主要组成部分：发电机定子、发电机电极、冷却装置、整流器装置、控制屏以及1对转速传感器。

控制屏由自动电压调节控制器、频率控制器、触发脉冲发生器、电流控制器、故障检测器等组成;采用二次换流设计，发电机定子输出的交流电通过整流器转变成直流电，再逆变转换为恒定频率、恒定电压的交流电，见图1、图2所示。

由于采用的是PWM逆变控制技术，轴带发电机系统能够向电网提供所需的恒压、恒频电源，同时提供有功和无功功率（功率因数cosφ=0，8），PWM逆变器是由一个快速信号微处理器系统控制的;通過在直流环节配置斩波器及电阻来避免中间直流电路过电压。

3.4  轴带发电机系统设计和安全措施

（1）本船采用的轴带发电机系统是最新一代产品，当主机转速等于和大于50 r/min时，轴带发电机保持额定功率输出;当主机转速在50～45.8 r/min之间时，轴带发电机输出功率与其转速成正比例下降;当主机转速达到45.8 r/min时，轴带发电机输出功率为640 kW;当主机转速低于45.8 r/min时，系统停止运行、SG主开关跳闸。

（2）轴带发电机系统具有下垂特性曲线（见图3）。通常空载电压在450～460 V时，压降约2%～3%，与柴油发电机具有相同的电压降，确保轴带发电机与柴油发电机连续并联运行。

（3）变频器提供300%左右的短路电流，以满足该短路电流可以完成选择性保护的要求：

变频器提供的短路电流为4 400 A>1 377 A（短路电流）;

轴带发电机系统效率约90%，总谐波失真（THD）小于5%;

当轴带发电机系统功率达到95%、时间t≥2 s时，电站进行二级优先脱扣;

当系统输出电流达到200%、或由于其它异常使输出电流达到200%、或发生外部短路的情况时，轴带发电机系统的励磁停止、主开关ACB切断，轴带发电机系统停止工作;

（4）发电机组定子与转子之间，通常设计气隙为7mm;

（5）为了解决轴带发电机系统电磁兼容性问题，电缆布置严格按照有关规则、指南和国际标准的要求。如：电缆接线部分只去除接地汇流排附近的电缆外护套，保留电缆屏蔽层;通讯电缆屏蔽层一直保留到接线端子前50～100 mm的距离;用不锈钢电缆扎带固定电缆，电缆屏蔽层接地3 60o连接船體等。

4    轴带发电机系统方案的经济性

4.1  经济性分析

通常船舶主机的功率都有12%～15%的裕量，主机效率也比柴油发电机组高。船舶安装轴带发电机，航行中使用轴带发电机系统可完全替代柴油发电机组，只在锚泊、进出港＼靠离码头、压载水处理时使用柴油发电机组。

根据初步核算：

（1）燃油费用：本船在满载/压载、14 kn航速工况，每天可节省油耗0.4 t/0.9 t;满载/压载、12 kn航速工况，每天可节省油耗1.0 t/0.9 t;按年航行250天计算，每年节省燃油成本约10.5万美元;

（2）滑油费用：在航行时不使用柴油发电机组、按照使用工时每1 000小时更换一次滑油统计，使用轴带发电机时柴油发电机减少更换滑油次数5～6次，每年可节省滑油费用约1万美元;

（3）备件维修费用：柴油发电机组仅在锚泊进出港靠达码头、压载水处理时才投入运行，轴带发电机系统的维修工作量要比柴油发电机组少，维修周期延长，减少了备件费用，每年可节省备件费用约2万美元左右。

（4）整套系统（含轴带发电机和变频设备）初始投资约100万美元，即8年左右可以收回初投资成本（不包括船员减配的效益）。

4.2   系统的优点

（1）节省燃油、减少燃料费用。同时减少发电机组滑油消耗量;

（2）结构简单，维护方便快捷，减少船员工作量，降低维修费用;

（3）节省机舱空间，增加载货量;

（4）柴油发电机组一般是中速、四冲程机，转速一般为900-1 500 r/min;而大型船舶主机一般是低速、二冲程机，转速在100 r/min以内。所以采用轴带发电机可降低机舱噪声、减少机舱热源、改善工作环境;

（5）利于能量综合利用，主机的排气余热可以得到更为有效的利用;

（6）减少船员配置，减轻船员的劳动量;

（7）提升船舶EEDI。

4.3   系统的缺点

（1）初始投入较高，配置940～1 000 kW的发电机，需增加初始投资约80～120万美元;

（2）轴带发电机系统只能在主机额定转速80%-105%的范围内使用，使用范围受到一定的限制;

（3）对于中、低速柴油机，为保证电压/频率的恒定，其控制系统更为复杂;

（4）轴带发电机并网后，须考虑与其它发电设备的连锁及转换。

5    结束语

综上所述，210 000 DWT散货船作为大型远洋船舶，使用轴带发电机系统具有很好的经济性和节能、环保的作用。柴油发电机主要是在锚泊进出港靠达码头、压载水处理时使用，安全可靠性明显提高。另外，由于主发电机年运行时间大大减少，船东可考虑将柴油发电机转数改为最大1 200 r/min的中速柴油机，减小机舱发电机布置空间，增加载货量。

210 000 DWT散货船使用轴带发电机系统，对于我司今后远洋散货船、矿砂船电站优化方面将起到引领作用。

参考文献

[1]船舶机电应用技术[J]. 航海技术.