基于变距桨轴带发电机装置电力系统设计

摘 要：简述了变距桨轴带发电机装置的工作特点，介绍了6 000 kW救助拖船的电力系统设计要点。

关键词：轴带发电机；电力系统；主配电板

中图分类号：U665.11 文献标识码：A

1 引言

当今海洋救助船功能多样化发展趋势显著，从传统的单一拖带和消防功能，向救助、维修、补给等多功能方向发展。海洋救助船较常规船舶具有显著差异，特别是在用电设备容量及其运行工况上对船舶电站配置提出多元化要求。采用轴带发电机组成的电站，相对常规单一柴油发电机具有环保、节能和经济性高的优势，因此在国内外中大型船舶，特别是海洋工程船上广泛应用。我院设计的6000kW救助拖船是新开发船型之一，具有救助拖带、对外消防、人员搜救、协助潜水、应急抢修和装载补给等功能，主电站采用了轴带发电机与柴油发电机混合供电的形式，本文总结了该船变距桨轴带发电机装置组成的电力系统设计特点。

2 主要电力系统参数

（1）轴带发电机： 850 kW 3? AC400V 50 Hz，共2台；

（2）柴油发电机：400 kW 3? AC400V 50 Hz，共3台；

（3）首侧推：600 kW 3? AC400V 50 Hz，1台；

（4）尾侧推：450 kW 3? AC400V 50 Hz，1台；

（5）电动液压甲板折臂吊：110 kW 3? AC400V 50 Hz，1台；

（6）电动液压拖曳绞车：4×50 kW AC380V 3? 50 Hz，1台；

（7）可调桨：2×30 kW AC380V 3? 50 Hz，共2台；

（8）岸电箱： AC380V 3? 50 Hz 400A，1台；

（9）对外供电箱： AC380V 3? 50 Hz 150A，1台；

（10）主配电板：柴油发电机屏（3屏）、轴带发电机屏（2屏）、同步屏/首侧推屏（1屏）、侧推屏（1屏），1号AC380V负载屏&岸电屏（1屏）以及2号AC380V负载屏/对外供电屏（1屏）。

3 变距桨（CPP）轴带发电机装置工作特点

变距桨（CPP）轴带发电机装置是由船舶主机驱动发电机的船舶电源装置，通常其发电机经增速齿轮箱与主机固定连接，即主机运行时发电机也随着运行。由于船舶主机运行条件和海况的变化，发电机频率随主机的转速变化而变化。为满足船舶用电设备对频率变化的要求，船舶主机的转速应维持一定的变化范围。主机驱动变距浆，在船舶正常运行工况下，主机的转速和转向可保持不变，轴带发电机转速也保持恒定，因此该型式的轴带发电机装置可直接向电网供电，如图1所示。

该装置的发电机通常采用船用无刷自励式恒压三相交流同步发电机，其主要由机体、励磁机、旋转整流器以及励磁系统等四大部分组成。由于励磁系统采用相复励系统，通过自带自动电压调节器（AVR）精调，发电机输出电压可保持恒定。

4 电力系统设计要点

4.1 电站容量确定

本船属于多功能、多用途工作船，全船除配置空调、通风等常规船舶用电设备外，还配置有电动潜水泵、电焊机、集装箱插座、移动式空压机、对外供水/油泵、机动减压舱、移动式载人潜水吊笼等专用设施设备，设备使用工况较复杂，用电负荷计算书编制要求高。根据作业要求和负载使用情况，本船计算工况分为全速航行、巡航航行、停泊、进出港、救助、拖带以及对外消防、应急工况。

发电机使用情况：在巡航工况，除可使用二台柴油发电机外，也可使用一台轴带发电机；在进出港、救助、对外消防使用侧推时，轴带发电机与柴油发电机采用分区供电，即一台轴带发电机供电一台艏侧推、一台柴油发电机供电一台艉侧推；全速航行工况、停泊工况均使用柴油发电机。柴发、轴发使用工况及负荷率分别见表1和表2。

4.2 分区供电

本船配电系统采用三相三线绝缘系统。主配电板供电采用了分区供电方式，主配电板共有A1、 A2、B、C四段汇流排组成，其中汇流排B与汇流排C通过隔离开关（DBT）连接，汇流排B与汇流排A1通过1号联络开关（SDBT1）连接，汇流排C与汇流排A2通过2号联络开关（SDBT2）， 1#～3#柴油发电机组主开关（DCB1～ DCB3）分别连接汇流排B、汇流排C，1#～2#轴带发电机主开关（SCB1～ SCB2）分别连接汇流排A1、汇流排A2。从而保证侧推运行时，首侧推、尾侧推通过A1、 A2汇流排由轴发一对一分区供电（其中一台轴发故障时，可通过侧推供电开关保证首、尾侧推其中一台运行），其他负载由柴油发电机经B、C汇流排供电；侧推不运行时，全船负载可通过A1、B、C汇流排由1#轴发供电或通过A2、B、C汇流排由2#轴发供电。主汇流排分段图，见图2。

5 机组并网同步

由于变距浆轴带发电机的原动机功率比柴油发电机的功率大很多（一般5～10倍），在轴带发电机的整个电力负载范围内，频率（转速）基本上不随电力负载的变化而变化，这一频率特性与柴油发电机不同，因此二者无法长期并联运行，只能短暂并联转移负载。

并网同步在主配电板同步屏进行，同步屏布置有同步选择开关、带同步指令的同步表、同步指示灯、同步按钮以及发电机调速开关。手动同步时，同步选择开关进行待并同步发电机组或汇流排的选择，通过发电机调速开关进行速度调节，当待并发电机组或汇流排满足并网条件时，同步表即刻发出合闸脉冲信号，同时按下同步按钮，实现连接开关合闸。柴油发电机调速是通过调速开关直接发信号至柴油发电机机旁控制箱，而对于轴带发电机调速是通过主配电板向主推进遥控系统发出恒速请求，请求允许后才能进行轴带发电机速度（频率）调整。本船同步点共八个。

6 电站工作模式

主配电板设有DG模式、SG1模式、SG2模式和操纵模式选择开关。通过模式选择开关，可实现运行发电机的选择、联络开关通断，从而满足不同工况下电站工作需要。其不同工作模式下运行发电机组、适用工况对应表见表3。

从表3可以看出，除了在全速航行、拖带（主机功率满负荷工作）以及停泊（主机停止运行）工况外，在船上主机恒速运行时的其余工况，轴带发电机均可作为供电发电机使用。需要注意当主机要变速（齿轮箱接、脱排等）时，电站需及时与柴油发电机切换，以保证电站供电连续性。

在上述工作模式之间可人工通过模式选择开关进行自由切换。当模式切换失败时，电站发出切换失败报警，同时在人机界面上提供下一步操作信息提醒。

7 断路器联锁保护

为保证电站在手动、半自动以及自动控制方式下可靠运行，根据实际需要，主配电板设置具有以下联锁功能：

（1）岸电开关SC与轴带发电机及柴油发电机主开关之间设置联锁功能，避免岸电与发电机同时接入船上电网；

（2）艏侧推两个供电开关之间、艉侧推两个供电开关之间设置联锁功能，使得侧推两个供电开关只能同时一个合闸；

（3）连接至A1排艏侧推供电开关与艉侧推供电开关之间、连接至A2排艏侧推供电开关与艉侧推供电开关之间设置联锁功能，使得艏侧推与艉侧推不能同时连接A1排或A2排；

（4）轴带发电机与柴油发电机母排联络开关SDBT1与艏侧推两个供电开关之间、轴带发电机与柴油发电机母排联络开关SDBT2与艉侧推两个供电开关之间设置联锁功能，使得侧推工作时轴带发电机与柴油发电机分区供电；

（5）轴带发电机与柴油发电机母排联络开关SDBT1、SDBT2、柴油发电机母排隔离开关DBT三者之间设置联锁功能，最多只允许两个同时合闸在网，避免两台轴带发电机并联的可能；

（6）对外供电箱开关DB与岸电开关SC联锁，避免岸电接通时，对外供电箱实施对外供电。

8 结语

文中变距桨轴带发电机装置是主机驱动发电机直接供电系统，与速度补偿型以及频率补偿型轴带发电机系统具有显著差别。该类型船舶电力系统与船舶主推进控制系统、船舶运行工况联系极为密切，一方面是在轴带发电机使用时电力系统需要向主推进控制系统进行问讯，应答允许后才能合闸；另一方面船舶运行在全速航行等主机满负荷工况或在恶劣海况下，轴带发电机不能作为电力系统电源使用。

近十几年来，为进一步扩展轴带发电机系统的功能，提高船舶的操纵性、推进效率及推进的冗余度，要求轴带发电机能在发电机模式（PTO）和电动机模式（PTI）之间任意转换工作，从而对船舶电力系统的配电方式、工作模式等提出灵活多样化的设计要求。

参考文献

[1] 王文义主编.船舶电站组建与调试.哈尔滨工程大学出版社，2009.9.

[2] 聂延生等.船舶轴带电机及其PTO/PTI工作方式的原理和应用.航海技术，2006.

[3] 尹志斌等.船用主机轴带发电机.世界海运，2002.