图1 上海海洋大学远洋渔业资源调查船“淞航”号
刘小庆
（701研究所上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201108）
摘要：以国内自主设计建造的某渔业资源调查船为例，分析研究其电力推进系统。结合航行试验，对渔业调查作业典型工况、电站运行情况和谐波控制进行详细分析，并对船舶电站管理系统的功能进行详细介绍。
关键词：远洋渔业资源调查船；电力推进系统；电站管理系统；直翼桨
目前，我国在远洋渔业资源调查方面的技术还比较落后，对远洋渔业资源调查船的研究还比较少。远洋渔业资源调查船项目的实施对维护国家海洋权益，提高我国对海洋渔业资源的科研调查能力和共享海洋资源具有重要的战略意义。
上海海洋大学远洋渔业资源调查船“淞航”号（见图1）是由我国自主研发、设计并建造的。该船是一艘集深远海渔业调查作业和科研教学于一体的多功能调查船，总长85m，型宽14.96m，满载设计吃水4.8m，设计经济航速12kn，最大航速15kn，续航力10000n mile，定员59人，适于在无限航区航行。
图1 上海海洋大学远洋渔业资源调查船“淞航”号
本文主要对“淞航”号调查船的电力推进系统设计进行研究，并结合航行试验的典型调查装备作业工况讨论电站运行和谐波控制情况。
在选择科学调查船的推进系统时，船型的操纵性和调查的多任务性是首要考虑的因素[1]。远洋渔业调查船采用电力推进系统具有明显的优势，主要表现为：
1) 布置更灵活，占有空间少。与常规机械推进设备相比，电力推进设备的体积更小，可在船上灵活布置，可合理有效地利用空间。对于远洋渔业调查船而言，可增加样品鱼舱舱容和作业样品存储空间。
2) 振动和噪声小，舒适性好。船舶的振动和噪声主要来自柴油机及推进器等，与常规推进方式相比，采用电力推进方式时柴油机等设备工作在恒速状态下，振动要小很多。此外，电力推进可提高渔业调查船声学设备的探测质量，提升船舶的舒适性。
3) 经济性好，污染和排放少。对于同一功率船舶而言，电力推进通过灵活调整在网机组数量，使机组始终运行在高效的工作区，有效降低单位功率的燃油消耗率，提高船舶运行的经济性并有效减少排放，实现节能环保[2]。
该船采用直翼桨电力推进方式，设有2套功率约为2×1850kW的直翼桨推进器，艏部设置有一台450kW的定螺距隧道式侧推装置，全船共设置2台瓦锡兰9L/20主柴油发电机组（发电机功率为2×1710kW）和1台4L/20主柴油发电机组（发电机功率为760kW）。电力推进系统结构见图2，每套推进器由1台推进电动机驱动，推进电动机再由1台独立的推进变频器控制，系统能监测所有电力推进系统的运行状态，并相应地进行保护，确保推进系统安全运行。
图2 电力推进系统结构
直翼桨推进器系统又称直叶桨推进器系统。直翼桨主要由桨叶、连杆机构、旋转箱体、伞齿轮、输入轴和液压电机等组成，其工作原理可看成2种运动的合成；旋转箱体在沿垂直方向旋转的同时，每片桨叶围绕自身的轴往复运动[3]。直翼桨推进器是由垂直机翼型叶片组成的圆盘式推进器，叶片之间相互平行，并与圆盘的转动轴平行，叶片绕自身转轴自转的同时绕圆盘转轴公转，以产生方向一致的推力，可在360°范围内快速改变推力的方向及大小，因而具有较好的操纵性和机动性[4]。由于桨盘在水平方向上作360°旋转，可通过调节桨叶自身的旋转角度来改变推力的方向，因此可完全替代舵。直翼桨推进器系统外观图见图3，在船舶上的安装位置见图4。
图3 直翼桨推进器系统外观图
图4 直翼桨推进器系统在船舶上的安装位置
直翼桨系统的主要性能和特点为：
1) 良好的操纵性和机动性。直翼桨推力的大小和方向是通过伺服电动机驱动连杆机构控制的，无须改变旋转箱体的旋转方向，因此反应时间极短，可使船舶具有精确的回转性能，可原地回转、横移、倒车，实现从回转到向前行驶的无级过渡。
2) 优良的减摇特性。直翼桨推进器能产生推进和操纵2种力，且发出的推力能在大小和方向上无极、快速调节。这种快速产生和变化的推力及产生的力矩很大，使之能利用直翼桨来减小横摇运动，船舶在停止不动时及在航行过程中都可减摇。直翼桨推进器既可产生正向前进作用的推进力，也可产生横向作用的转向力。快速变化的推力和生成的非常大的力矩使船舶的横摇运动得以有效减小。尤其是当船舶处于静止状态和航速不太高时，可有效减小船舶的横摇运动。直翼桨推进器减摇功能示意见图5。
3) 不易受漂浮物影响。由于直翼桨推进器采用水平旋转、外摆动工作的方式，桨叶作水平旋转，桨叶朝外摆动，总会将附近的漂浮物体推开，而不是吸入，从而使水中漂浮的物体很难向其靠近，即使有物体碰上，也会被不断向外摆动的桨叶推开，故不会有缠绕发生，不易被渔网、绳索缠绕。直翼桨推进器不易受漂浮物影响原理示意见图6。
图5 直翼桨推进器减摇功能示意
图6 直翼桨推进器不易受漂浮物影响原理示意
该船采用的直翼桨推进器的主要参数见表1。
表1 直翼桨推进器主要参数
渔业资源调查船搭载大量精密试验设备，这些试验设备存在供电品质问题。当电网品质较差时，会导致采集的信号失真，影响采集效果[5]。电力推进船舶变频驱动控制系统的核心控制元件是变频器，大功率推进变频器在船舶电网中运行不可避免地会产生大量谐波，故合理选择推进变频器的形式尤其重要。市场上大多数产品采用6脉冲、12脉冲、24脉冲及虚拟24脉冲等多脉冲电平电路形式，以满足不同用户的需求。随着技术的不断发展，IGBT器件的有源前端（AFE）电路应运而生。传统的多脉冲整流方案因高次谐波的干扰，可导致发电机及变压器过热，且实际功率因数＜0.95，因此传统的多脉冲整流方案在选择移相变压器和发电机时需考虑谐波及功率因素的影响，而AFE变频器的功率因素可调，可等于1[6]。另外，传统的多脉冲变频方案需配置移相变压器以达到所需的12脉冲或24脉冲的效果，而此类变压器体积大、价格高；若采用AFE变频方案，则移相变压器可完全省去，从而减小体积和船舶重量。传统的多脉冲变频方案必须考虑移相变压器和变频器输出电缆产生的压降，引起电机的额定电压低于电源电压，电机的额定电流需相应地增大；当采用AFE电路变频器时，变频的中间直流回路电压可调，可使电机的电压调到与电源电压相同，甚至比其更高[6]。综合考虑谐波控制、空间、重量和控制原理等因素，最后采用AFE变频方案。主推进变频器主要技术参数见表2。
表2 主推进变频器主要技术参数
电力推进系统的推进电动机主要有交流同步电动机和交流异步电动机2种。同步电机主要适用于低速传动的情况，调速范围一般在0～350r/min；而鼠笼式异步电机则用于中高速传动的情况，调速范围一般在750～1200r/min；该船采用额定转速为1000r/min的交流异步电动机。推进电动机主要参数见表3。
表3 推进电动机主要参数
在设计推进电站系统时，除了考虑供电系统的安全性和连续性以外，还要满足不同调查作业工况的用电需求。该船的电力负荷估算见表4。
表4 “淞航”号调查船电力负荷估算
根据作业工况和负荷分析，配置2台功率均为1710kW的发电机和1台功率为760kW的发电机，发电机都采用淡水冷却；同时，配有空间加热器，电压等级为690V，频率50Hz，日用负荷选择AC380V、50Hz。该船采用AC690V配电板和AC400V配电板各1座。
此外，配置2台日用变压器供给日用负荷使用。该船电力单线图见图7。
图7 “淞航”号调查船电力单线图
该船自动电站控制装置采用挪威Kongsberg公司的K-chief 600系统集成，具备对船舶电站进行全面的自动监测、控制和保护等功能。控制通过页面Minic图实现，系统采用“冗余电站控制器+冗余网络”的分布式控制形式，电站管理结构系统图见图8，2套冗余的SCU模块作为电站管理主站，发布全局控制指令，每台机组配置1套C4控制模块和C3发电机保护模块作为控制从站，完成机组控制功能。各控制模块安装于690V主配电板内。
图8 “淞航”号调查船电站管理结构系统图
1) 机组自启动功能。当主汇流排发生故障时，系统会立即发送发电机组启动信号，自动启动备用柴油发电机组，在45s内自动投入电网。
2) 优先机组设定。该船电站管理采用优先机组设定模式，主要目的是自动设置柴油发电机组的优先启动顺序，值班人员在船舶航行过程中可规则地更换下一值班的设定，保证整个电站的各台机组得到平均、合理的使用。
3) 机组自动增列和并机运行。电站管理系统将根据船舶电网所需的负载调整发电机组的运行台数，保证电站运行的合理性。当运行超过单机额定容量的88%时，经系统确认之后发出启动备用机组启动信号，自动投入电网，自动合闸，并按照比例分配作并联运行供电[7]。
4) 机组自动解列运行。当柴油发电机组并联运行时，若电网负荷小于额定功率的 35%，认为没有必要多机并联运行供电，后并联上去的柴油发电机组作负载转移并自动解列机组。此外，该船考虑解列之后发电机组通常要有一段冷却时间，延时3min之后停机。
5) 重载问询功能。在启动重要大功率负荷之前，按照已投入电网的机组总容量做出询问、重载问询时，若正在运行的发电机容量足够，通过 PMS会发出允许启动信号；若正在运行的机组容量不够，会自动启动下一台备用发电机，待其自动并车并确认计算容量是否满足之后，发出允许启动信号，再允许该重载设备启用。该船共设置7组重载问询设备，分别为1组450kW的艏侧推电机和6组132kW的拖网绞车液压泵站，其中6组132kW的拖网绞车液压泵站分别进行重载问询。
远洋渔业资源调查船拖网调查作业主要分为放网过程和起网过程2个步骤。该船配置的拖网作业系统主要由液压动力系统、拖网控制系统和绞车设备等3部分组成。拖网液压系统主要为拖网绞车、卷网绞车和辅助绞车等提供动力源。
1) 当整个拖网作业系统在放网过程工况下时，航速主要在 4～5kn，该工况全船负载和推进所消耗的总功率约为1476.2kW，使用1台1710kW的机组就可满足作业需求，发电机负荷率在86.3% ，拖网作业主要负载情况见表5。
2) 当拖网作业系统在起网过程工况下时，为保障科研人员作业的安全，航速主要在 3～4kn，由于拖网作业起网样品较多，在该工况下全船负载和推进所消耗的总功率约为1961.4kW，使用1台1710kW和1台760kW机组就可满足作业需求，发电机负荷率在79.3%。
表5 拖网作业主要负载情况
金枪鱼延绳钓作业系统由投绳机、理绳机、支线机、液压泵站和输送带/无线电浮标等组成，金枪鱼延绳钓从一根干线到借助浮子浮力的支线，完成诱引金枪鱼上钩捕捞系统的全部工作。金枪鱼延绳钓作业主要负载情况见表6。
表6 金枪鱼延绳钓作业主要负载情况
在金枪鱼延绳钓作业工况下，航速主要在8～9kn，全船负载和推进消耗的总功率约为1441kW，使用1台1710 kW的机组就可满足作业需求，负荷率为84.2%。
灯光鱿鱼钓作业主要利用鱼类的趋光性，利用人造光源将鱿鱼群诱引到调查船周围的光照区，使用鱿鱼钓机和网板进行捕捞作业，主要的用电负载包括鱿鱼钓机、水上集鱼灯、水下放鱼灯、水下卤素灯和伞锚等。灯光鱿鱼钓作业主要负载情况见表7。
表7 灯光鱿鱼钓作业主要负载情况
该船结合作业甲板布置鱿鱼灯、上层集鱼灯共计24盏，水下灯具的作业深度可调（最大深度250m），两舷共设置4台鱿鱼吊机，在灯光鱿鱼钓作业工况下，全船负载和推进消耗的总功率约为619kW，使用1台760kW小机组就可满足作业需求，发电机负荷率为81.4%。
在浮游生物取样作业工况下，用电负载主要包括A型吊机、6000m水纹绞车和浮游生物取样甲板单元等。浮游生物取样作业负载情况见表8。
表8 浮游生物取样作业负载情况
在浮游生物取样作业工况下，航速主要在 2kn左右，此时负载和推进消耗的总功率约为 641kW，使用1台760kW小机组就可满足作业需求，发电机负荷率为84.3%。
由几种实船典型调查作业工况及电站运行情况可知，配置2台1710kW的发电机和1台760kW的发电机可满足不同作业工况的作业需求，使机组始终运行在合理的燃油消耗区间内，有利于满足船舶调查作业的需求。
电力推进系统的谐波主要来自推进变频器。为有效抑制变频器产生的谐波，该船的主推进单元按照有源前端（AFE）形式设计，该船按照7kn航速工况、经济航行工况和全速航速工况、拖网作业工况等多种工况进行谐波分析及计算，在航行试验中采用美国DRANETZ公司的专业电能质量分析仪，根据不同工况进行测量，谐波检测实测结果见表9。经过实测，在海上试航期间，所有实船进行的谐波检测均完全满足并优于船级社规范的要求。
表9 谐波检测实测结果
本文对远洋渔业调查船的电力推进系统进行了研究分析，并结合航行试验的典型调查装备作业工况讨论了电站运行和谐波控制情况，验证了本文所提电力推进系统设计的合理性，可为后续船舶的设计提供一定的参考。
【 参 考 文 献 】
[1] 刘志兵，梅春. 我国海洋科考船的电力推进动力系统[J]. 柴油机，2013, 35 (6): 1-4.
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Electric Propulsion System Design for Ocean Fishery Resources Survey Vessels
LIU Xiao-qing
（China Ship Development and Design Center Shanghai LingYao Marine Engineering Co., Ltd., Shanghai 201108, China）
Abstract:This study makes a comprehensive analysis on the electric propulsion system of a fishery resources survey vessel designed and built in China, which covers the typical working conditions of fishery survey, the operation condition of power station and the harmonic control in the sea trial. The functions of the vessel’s power station management system are also introduced in detail.
Key words:ocean fishery resource survey vessel; electric propulsion system; power station management system; Voith Schneider propeller
中图分类号：U665.12；U674.81
文献标志码：A
文章编号：2095-4069 (2018) 03-0050-07
DOI：10.14056/j.cnki.naoe.2018.03.009
收稿日期：2018-03-06
基金项目：国家发改委关于建造远洋渔业调查船项目（发改农经2013952号）
作者简介：刘小庆，女，学士，1987年生。2009年毕业于江苏科技大学电气工程及自动化专业，现从事船舶电气开发研究及设计工作。