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节约型2

节能型船舶电站

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摘要：

随着市场经济地不断发展，为了提高综合经济性，在船舶建造和航行中建立一种节能型船舶电站将引起人们的重视。

船舶电站是船舶的主要动力源，是船舶电力系统的核心，，是船舶正常运行的保障之一。

随着船舶自动化要求日益提高，设计船舶电站节能化、自动化和智能化管理系统成为必然趋势，在实际应用中具有重大现实意义。

而随着电力电子技术的发展，轴带发电装置作为节约运行费用及改善机舱管理运行条件的有效手段，以其特有的优越性引起了各国造船界和航运界的重视。

关键词：

节能船舶电站轴带发电机装置自动化经济型

第一节节能型船舶电站

一.船舶电站的节能

在船舶航运费用中，燃料费占（50%-60%0;因此，合理利用资源，降低燃油消耗量，对于提高船舶的经济效益有巨大意义。

对船舶运输中的节能来说，它关系到节约燃料资和费用，环境保护以及船舶营运经济效益等问题。

在这里我就已船舶电站的节能为主要研究方向。

船舶电站的节能大体有如下四个途径。

1.提高主机废气热的回收率，主要利用废气透平发电机系统（TG系统）将推进用柴油机废气引入锅炉，产生废气，在驱动透平发电机。

最后达到节能的目的。

2.采用轴带发电机系统（SG系统）发电机以重油代替柴油，降低燃油费用。

在船舶航行期间，全船电能由轴发系统提供，使用重油发电，可以降低燃料费用和润滑油费用，还可以降低发电机组中柴油机零部件的损耗费用，带来相当的经济效益。

3采用废气透平与轴带发电机系统联合系统（TG＋S/G系统）由轴带发电机系统对T/G的不足部分以补充就够成了TG＋S/G系统，两者兼有节能效果，故节能效率高，该系统还能在负载变动时维持稳定运行，具有快速调节负荷平衡的能力，因此具有较大的优越性，其缺点是初次投资大。

4采用高经济能应用型轴带发电机系统（SSG）,进一步提高了主机推进装置的经济效益，它兼有T/G和S/G系统的优点，其典型功能是在透平发电机和主机（轴发系统）之间能相互传递功率，从而更有效地进行废热回收。

综上所述，提高船舶电站的效率不应忽视。

为此，应合理的使用发电机，尽量避免柴油机在低负荷下运行，以提高柴油机的运行经济性。

正确选择电动机容量；采取补偿装置提高功率因数；采用控制机构提高电动机效率，以提高船舶供电系统的功率因数；同时开发低油耗，热效率高并能提高压力升高比的船用发电机都是船舶节能技术的重要措施。

二自动化模块在船舶电站节能的应用

一自动化模块在船舶节能的应用

随着控制理论、数据处理、人工智能等技术的飞速发展，自动化控制技术广泛地应用于船舶领域。

利用自动化模块实现船舶电站的半自动化、自动化。

船舶电站自动化有两个功能：

一有保障地为全船用电设备连续供电；二.合理地经济地使用电能。

（一）连续供电要分三个要点：

（1）备用用发电机组的设置可以通过在ECC台上的电脑，用鼠标来选择主用发电机组，但前提条件是各发电机组均设在遥控备用位置，配电板上的模式选择开关打到PMS（功率管理系统）的位置。

（2）电网故障的处理当出现某一种故障时，说明运行的发电机组有故障，控制该发电机组的断路器将会不正常脱扣，延时在设定值之后，第一备用发电机组自动启动，待故障发电机组断路器分断1秒后，合闸供电。

（3）柴油机的故障处理，即对引起发电机组停机的故障进行重点处理。

（二）合理经济地使用电能

要合理利用这些自动化模块，实现船舶电网的节能。

在这里我就着重介绍PLC模块在船舶电站的运用以及它给船舶带来的好处。

以某电站系统为例，该系统由三台发电机组组成，要求具有自动起动、自动负载分配功能和高负载自动并车、低负载自动解列的功能,同时设各种报警。

在这个系统中，可编程控制器PLC就如同人的大脑，它通过判断外界环境的状态或变化，发出指令给相应功能块，相应功能块收到信号后，做出正确反应。

因此PLC用以下几个重要功能是不能忽视的：

1.对船舶电网的监视。

2对发电机进行控制。

3.故障检测。

4对发电机的保护。

5.功率控制。

6系统参数的在线监视与修改。

故PLC模块流程图如下：

二．自动电站主要功能的体现

自动电站有以下几个主要功能:

（一）自动并车功能的实现：

在船舶电站自动控制中，将发电机并入电网运行时船舶自动化的主要功能之一。

自动并车操作是检测和调整待并发电机组的电压、频率、相位使之满足并车的条件。

这样可以保证并车合闸时没有大的冲击电流，如果冲击电流大，有可能将发电机组的绕组烧毁，甚至会造成整个电网的主开关跳闸，以至整个电网失电

（二）实现自动调频功能。

（三）自动增机、自动减机。

（四）重载询问：

由于电站一般运行在经济运行状态，当船上的一些重载设备起动前，应先自动询问电站当前运行机组的供电状况是否满足重载设备起动的需要。

若不能满足需要，则应先自动起动一台备用机组，待其并入电网后的功率裕量满足需要后，才允许重载设备起动。

综上所述，船舶电站是现代船舶的心脏，而船舶电网失电会造成整船瘫痪，电站的可靠供电是全船所有设备正常运行的必要条件。

技术发展至今，自动化模块在船舶电站的应用日益广泛，对船舶电站在节能方面和管理方面起着重要作用。

不仅给船舶带来优越技术的飞越，还给轮机员带来了新进的管理知识

第二节船舶轴带发电机装置

一船舶轴发电机系统的简介

船舶轴带发电机系统简称轴发系统,是由主机驱动船舶发电机,利用主机

富裕功率达到节能的目的,轴带发电机采用交、直流均可。

目前所有的轴发

系统可分为：

一种主机转速变化引起轴带发电机输出频率变化的型式称变频

型;另一种是考虑第一种变化且设置恒频装置的型式称恒频型。

随着电力电子

技术的发展，轴带发电装置作为节约运行费用及改善机舱管理运行条件的有效

手段，以其特有的优越性引起各国造船界和航运界的重视。

二轴带发电机系统的主要优点与缺点

（一）轴带发电机系统的主要优点

1.降低燃油消耗量，轴带发电机燃油耗费大约占船舶营运费的53%左右，燃油的节约立即显示出巨大的经济效益。

2.使用轴发后，减少昂贵的轻柴油消耗和滑油

3.船舶在海上航行，由轴发发电机供给全船所需电能，轴发的维修工作量要比辅助柴油发电机组要少得多，降低了维修费用和延长了维修周期。

4装有轴发装置的船舶能配备效小容量的辅机，有利于扩大机舱的空间、降低机舱温度并减少了机舱的噪声，故改善了工作环境和条件，也有利于机舱布置。

（二）轴带发电机系统的主要缺点

采用轴带发电机系统也会带来一些不利因素：

1.在停泊或港口装卸货工况时，因主机不工作，故轴发不能供电，船舶仍需装置一定功率的柴油辅机。

2.对于采用交流电制的大多数商船，大都采用主机转速可调的中、低发电机，为了保证电网系统频率的恒定，使控制系统变得复杂，相应地使管理人员的技术水准要求提高。

3.初次投资大，但短期内可收回成本。

因此，采用轴发系统仍有发展前途。

综上所述，轴带发电机完全能满足船舶正常航行的电力需要。

主机轴带发电机因良好的经济性得到广泛应用。

三、稳频轴带发电机的简介

主机转速的变化对轴带发电机工作带来的影响是轴带发电机的一个主

要技术关键问题。

在变距奖船舶上工作的轴带发电机固然不存在这个问题，但为了保持主机恒速旋转，螺旋桨不能工作在最佳曲线上，螺距的变化又降低推进效率，而且变距桨比定距桨昂贵得多。

因此，在推进器为定距桨的船舶上，船速是通过改变主机转速来控制的，但是要获得频率恒定的交流电源，就必须设置转速或频率补偿的轴带发电机。

以下我着重谈谈稳频轴带发电机的特点。

1.1WP-H系列船用稳频轴带发电机在船舶主机不稳定转速（从怠速至高速）的动力输入到稳频发电机上，给船舶提供各项性能可靠的优质电源。

1.2WP-H系列船用发电机在当主动力转速通过增速离合器输入转速在900-2300r/min范围变化时，发电机的输出频率稳定值在50±1HZ，输出电压稳定为400V±1%，目前生产的功率范围：

15KW-120KW。

1.3WP-H系列船用稳频轴发发电机具有结构设计先进、性能优良、运行稳定等特点，厂品符合GB12975-91《船用同步发电机通用技术条件》及《钢制海船入级与建造规范》，并符合中国船级社2006年颁布的《国内海船建造规范》第4篇第二章中关于推进装置驱动发动机（轴带发电机）的有关标准及条款规定。

四轴发发电机逆变器并联的设计与研究

当船舶离港进入正常航行后，轴带发电机转速达到要求，先接通控制电源;再检查启动条件尤其是转速要大于75%额定速度，检测频率、相位、幅值在允许的误差之内；达到要求之后轴带发电机系统具备并联供电能力，才是启动成功。

并车成功后的逆变器并联运行问题，既要保证逆变电源输出的频率、相位、幅值很严格的保持一致也要考虑有功功率的均分和无功功率的补偿问题，并且还要减小环流。

为了解决逆变器并联的问题，采用正弦脉宽调制（SPWN）,使得单台逆变器电源输出的波形正弦性好、动态响应快、稳态精度高。

在SPWN控制技术中两个重要的定义：

一个是载波比，即载波信号频率与调制信号频率之比。

它的提高对改善逆变器输出的质量和性能都有很大的帮助。

另一个是调制深度，即正弦调制信号幅值与三角载波信号幅值之比，它可以对SPWN的输出大小进行控制。

这两个定义在SPWN技术中不仅实现逆变器的动态控制，还能根据控制信号来该变逆变器的输出。

尤其是两台逆变器并联中，保持幅值、频率、相位等参数一致，必须通过改变载波比和调制深度来实现。

当在双轴推进的船舶两个推进均采用轴带发电机发电时，就需要两台轴带发电机并联运行，从图可以看出也就是两个逆变器模块的并联。

图

第三节可控硅轴带发电机

目前，逆变技术已相当成熟，大功率逆变器都采用晶闸管，在船舶轴带发电机系统中使用正式晶闸管逆变技术。

下面主要谈谈晶闸管变换式轴带发电装置，其中以WGA23轴带发电机发电装置为重点。

（一）晶闸管变换式轴发发电装置

装置原理图如下：

图

对该图我就主要研究晶闸管整流器（CONV）和同步调相机（SC）在该装置所起的作用。

1.晶闸管整流器由晶闸管桥式整流电路构成，在正常情况下按晶闸管二极管方式运行，它将轴带发电机产生三相交流整流为直流电；当电力系统发生短路时，快速封锁晶闸管触发脉冲，关掉晶闸管。

2.同步调相机由小型异步电动机拖动至同步转速后可作为同步补偿器运行，它的主要功能有两个：

一、保持电网电压稳定二、向全船用电设备提供所需的无功功率及向晶闸管逆变电路提供所需的无功功率。

三、由于逆变器的交流侧接入船舶电网，因此逆变器输出电压的频率，相位和相序必须与电网电压一致，故同步调相机输出的电压用作逆变器的同步信号电压。

总之，在正常工作时同步调相机保证系统的无功平衡，维持电网电压额定值，它运行于功率因数为0的状态下，轴带发电机输出应保证系统的有功平衡，维持电网频率为额定值，它运行于功率因数为1的状态下，逆变器工作于有源逆变状态，在控制器控制下，严格按电网的频率将直流逆变成交流向电网供电。

（二）WGA23轴带发电装置

西门子可控硅轴发系统属频率补偿型轴发系统，是西门子公司的专利产品，目前在带有轴发系统的船舶上得到较广的应用。

该装置是由微机做核心控制器件的具有开环＋闭环控制系统的晶闸管变换式轴发发电装置。

该装置系统如下。

WGA23轴带发电机装置的运行特点

（1）负荷特性该装置的负荷特性如下图

从图中看出该装置的负荷分四个区域，区域1即在主机转速75%-100%范围内，轴发装置能发出100%额定功率向电网供电；区域2即在主机转速40%-75%范围内，轴发装置的输出功率随主机转速的下降成线降至50%的额定功率，如果轴发装置的功率不足时，会发生自动分级卸去次要负载，同时启动备用柴油机发电机组投入电网并联运行;区域3即在主机转速低于40%时，轴发装置从电网切除，不供电；区域4即当电网负荷增加超过额定功率时轴发装置的输出功率被限制在30秒内增至120%额定功率，在过载发出10秒，轴发装置发出起动备用柴油机发电机组，投入电网并联运行。

（2）主机降速与停车操纵时特性

在主机遥控操作中，为避免电网断电，WGA23d具有一个与主机遥控系统及车钟系统相连接的电路。

在主机降速或停车时，WGA23d能及时向备用柴油

机发电机组发出起动指令，待副机投入电网并联运行且负荷全部转到柴油机发电机组上，主机转速继续下降。

三、控制装置原理

　　西门子可控硅轴带发电机系统的控制装置原理:

它主要用于控制轴带发电机系统有功功率及无功功率的发生及传递。

1.无功功率的发生、传递及电压控制

三相异步电动机驱动同步补偿机起动,当其电压,频率达到额定值后,切除电动机,补偿机投入正常运转,产生无功功率,供给全船负荷与可控硅逆变器有源逆变中所需的无功功率。

通过补偿机的自动电压调节器的自动调节作用保持电网电压稳定。

2.有功功率的发生.传递和频率控制

轴带发电机可控硅整流器、直流电抗器、可控逆变器、交流电抗器、发电机自动空气断路器、励磁用整定变压器、励磁可控硅整流器以及频率自动控制系统构成有功功率发生、传递环节，供给全船负荷及同步补尝机所需要的的有功功率。

为了实现频率的自动控制，考虑轴带发电机尺寸与逆变器功率因数等因素，当主机转速变动时，根据前述的功率输出特性的不同，采用二种控制方法:

一、

采用励磁电流自动调节系统在恒功率运行状态（即前述区域1）时，轴带发电机的转速n介于ne和0.75ne之间,此时,逆变器和逆变角为最小并保持恒定（β=βmin=30°）随着主机转速的下降,只有增大励磁电流，才能维持输出功率恒定并保证频率不变。

二、采用逆变角自动调节系统在输出功率线性递减区域（前述区域II）工作时,轴带发电机的转速ｎ介于0.75ne和0.4ne之间,此时,轴带发电机励磁电压和励磁电流为最大值,并保持恒定。

随着主机转速的下降，只有增加逆变角，使整流电压与逆变电压随转速下降而减少，输出功率线性递减，自动卸去电网次要负载，保持频率恒定。

第四节复合轴带发电装置

一、概述

复合轴带发电装置是一种高经济性能应用型的轴带发电机系统（SSG）,她兼有T/G系统和S/G系统的优点，可以更充分的利用主机废气热和主机的剩余功率，进一步减少燃油的消耗，提高电站运行的经济性。

而使用的复合轴带发电装置中，轴带发电电动装置节能效果最好的。

SSG系统的复合轴带发电装置如下图;

SSG复合轴带发电装置的特点是：

可有效利用主机废热，节省燃料，大幅度节省辅助柴油发电机组的维修时间；若装于油船，在航行中可加热油舱里的货物油;由于这种装置的电网频率波动较大，大致在53-63Hz范围，因此该装置仅用于大功率的船舶。

二SSG系统的轴带发电电动装置工作原理

ＳＳＧ系统是一种较先进的轴带发电电动装置。

当主机废气能量充裕即蒸汽足够情况下，发电机由透平机驱动，向全船电网供电；当废气能量不足时，除透平机驱动外还需主机经齿轮传动通过自动变速装置共同带动发电机运行，向全船供电。

当蒸汽多余，其能源还可以用于船舶推进。

如下图就可知道SSG。

此系统中，通过增速齿轮与主机主轴相连接的轴带发电电动机采用无刷同步电机，它可作为发电机或电动机运行。

轴带发电机与电动机装置的工作状态由废气锅炉的蒸汽压力信号控制。

如令废气锅炉的蒸汽压力达到下限整定值5kg/cm2以下，令装置作发电机运行;当废气锅炉的蒸汽压力达到上限6kg/cm2时转换为电动机运行；并且在上下限整定值之间（5-6）kg/cm2,设有空载运行区，此时轴带发电机和电动机停止运行。

这种利用废气锅炉蒸汽压力进行装置运行状态的选择，可以使废气锅炉的能量得到完全的利用。

该装置还可以通过控制板上的转换开关对该装置实行手动控制，强迫令其作为发电机或电动机运行。

实践证明，统计了该装置以自动控制方式运行760小时，其中作发电机运行150小时，空载运行320小时，电动机运行290小时，使用结果证明，即使由于不规则的用电负荷使蒸汽消耗量经常发生变化，也能通过运行方式自动转换，使的废气锅炉的蒸汽压力保持在适当的数值，以此保证透平发电机持续稳定运行。

只有当废气锅炉的蒸汽有余量时，其剩余能量经轴带发电电动装置传递到主轴上。

三罗-罗新推混合轴带发电

随着罗尔斯-罗伊斯推出混合轴带发电机组（HSG-Concept）,它实际上是一种先进的电力系统，可以通过调节来自轴带发电机的电力，从而使配电盘的电压和频率恒定不变，同时坚持正确的相位角，以便与其它并联发电机组匹配。

这为更灵活利用发动机与螺旋桨的速度变化开辟了新的途径，通过确保螺旋桨和发动机以设计工况点运行，确保最大程度提高它效率。

这一更加高效的系统还有助于降低二氧化碳和氮氧化物的排放。

HSG-Concept将使固定发电机速度成为历史，它可以降低柴油机机械设备的油耗。

通过降低发电机和轴系的转速，可以优化螺旋桨和发动机的效率。

可举例而言，以固定的额定转速和零螺距运行时，一台典型的6500kw调距桨的功率损耗约为900kw电网在固定额定频率和电压不变得情况下，HSG-Concept可降低发电机速度，从而使轴系转速降至怠速。

因此，零螺距功率损耗能降低800kw这样可提高柴油发电机的效率，从而直接降低5%-8%的油耗。

即使在更高负载的情况下，配备上述类型螺旋桨，最高速度为20节节的船舶通常会以固定发电机和螺旋桨转速、短螺距和14节的速度航行。

但如果采用HSG-Concept坚持14节的速度同时，可将螺距增加一倍而发动机和轴转速降低30%从能耗从1900kw降至1500kw约减少20%。

这表示：

采用相同的HSG-Concept将轴带发电机作为电动机使用，可以进一步优化能效。

综上所述，发电机全速运行时通常效率效低，尤其当螺旋桨以全速、短螺距、高消耗运行，而HSG-Concept可以更加充沛的利用轴带发电机，从一台高热效率运行的大型柴油发电机馈电，而不需要辅助发电机组连续运行，它以最经济的方式提供动力，确保螺旋桨在给定条件下以最大效率、速度和螺距运行。

总结

结论：

利用轴带发电机，可以使主机长时间在较高负荷下运行，从而具有良好的经济性。

轴带发电机完全能满足船舶正常航行的电力需要。

主机轴带发电机因其良好的经济性而得到广泛应用。

因而，轴带发电机的应用具有良好的发展前景。

因此，未来的船舶电站将实现安全型、节能型和科学型。

随着人们在不断地发掘、创造中，未来船舶综合电力系统的组成和结构将变得更加复杂和多样。

怎样更加科学、有效、经济、可靠地管理和运行船舶电站，还必须进一步探讨和深入研究。

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.发布日期：

2011-7-18