轴带发电机在二冲程主机上的发展介绍及应用

2019-08-31 08:26郝广君
造船技术 2019年4期
关键词:齿轮箱螺旋桨柴油

郝广君

(中船重工船舶设计研究中心有限公司, 辽宁 大连 116001)

0 引 言

航运公司的日常成本包括运营费用和航行费用,航行费用包括燃油费用、过运河费用、引航和拖船费用等,其中最大的费用就是燃油费用[1]。为减少燃油消耗,需提高燃油单位效率,使用轴带发电机能很好地解决上述问题[2],因此,轴带发电机的研究和应用受到了许多设备厂家、船厂和船舶所有人的重视。

1 轴带发电机在二冲程主机上的发展

早期四冲程发电机只能使用柴油,而二冲程主机可使用便宜的重油。随着油价上涨,航运期间燃油费用不断增加,一些厂家开始研究在二冲程主机上使用轴带发电机来发电,用来替代四冲程的柴油发电机,这样在船舶航行期间就可以关闭柴油发电机,用轴带发电机发电,航行期间只消耗重油,以节省航行成本。其间各发电机厂家开发了多种形式的轴带发电机,主要有齿轮常数比(Gear Constant Ratio, GCR)、恒频电源(Constant Frequency Electrical, CFE)和RENK公司的恒频(RENK Constant Frequency, RCF)装置[3]。轴带发电机可安装在主机中间轴或自由端,根据螺旋桨的形式,又分为定距桨(Fixed Pitch Propeller, FPP)和可调桨(Controllable Pitch Propeller, CPP)。下面详细介绍上述3种形式轴带发电机。

1.1 GCR轴带发电机系统

GCR系统是较简单和便宜的轴带发电机系统,包括同步发电机和增速齿轮箱。轴带发电机输出的电源频率与主机转速成比例关系,因此GCR轴带发电机一般用在恒定转速工况下,通常与CPP配合使用,这样可得到稳定的转速和电源频率,通常在航行工况下才使用轴带发电机,为船舶提供电力供应。然而主机即使在恒定的转速工况下工作,有时也会因为风浪等原因发生小的速度变化,从而导致轴带发电机发生速度和频率变化,在这种情况下轴带发电机不能长时间与主发电机并车运行[4]。

对于CPP船舶,可通过降低主机功率,减小螺距来降低航速,同时保证螺旋桨转速恒定不变。此时螺旋桨效率较低,如需使螺旋桨保持在较高的效率下工作,就需降低螺旋桨转速,但是如果降低螺旋桨转速,轴带发电机则不能正常工作,必须断开轴带发电机。为了避免断开轴带发电机,可安装一个比较贵的两级增速齿轮箱,这样当主机在2个恒定的转速工况下工作时,轴带发电机可输出相同频率的电源,螺旋桨也可在较高的效率下工作。

对于定距桨船舶,由于定距桨的转速随着船舶速度变化而变化,因此定距桨船舶轴带发电机的电源频率随着船速的变化而变化。大多数船用设备在50~60 Hz的范围内能正常工作,这意味着在主机功率在52%~90%的范围内,即主机转速对应为80%~96%,GCR轴带发电机可投入使用,在这种情况下轴带发电机绝大部分时间都可为船舶提供电力。但是,对频率变化敏感的设备,即需在定频下工作的设备,应在设备附近增加1台合适的变频器。

GCR轴带发电机实际使用比较多的形式如图1所示,即齿轮箱安装在中间轴上,带有CPP,发电机效率在92%左右。

图1 带有CPP的GCR轴带发电机

1.2 CFE轴带发电机系统

CFE系统由轴带发电机和变频装置组成,能在较大的主机转速变化范围内输出恒定频率的电源。在通常情况下,轴带发电机转速与螺旋桨转速一致,随着螺旋桨转速的变化,轴带发电机产生电源的频率也随之改变,电流通过变频器,产生恒定频率的电源。由于系统使用可控硅实现交流变直流,不能产生无功功率,因此需要同步器发出无功功率。

随着技术进步,出现另外一种船用轴带发电机系统,该系统带有两套脉宽调制变换器(Pulse Width Modulation, PWM),使用空间矢量控制技术,变频器输出端可以保持恒定电压和频率。PWM系统可以提供有功功率和无功功率,安装简便,后期维护也简单。

CFE轴带发电机有2种安装方式:一种是装在主机前端的直接安装式发电机(Direct-Mounted Generator, DMG)形式;另一种是安装在中间轴上的抱轴式发电机(Shaft-Mounted Generator, SMG)形式。SMG解决方案(见图2)比DMG方案使用更频繁,这是由于 DMG的安装受主机尺寸和主机轴带机与舱壁之间的空间限制。通常,DMG和SMG形式的轴带发电机在主机转速的75%~105%范围内都可以输出额定电功率,在主机转速的40%~75%范围内则降功率工作,并且轴带发电机可以与定距桨配合使用,并能与主发电机并车运行。

图2 带有FPP的SMG轴带发电机

CFE形式轴带发电机的转速较低,为了达到工作频率的要求,低转速发电机需要更多的磁极,意味着CFE轴带发电机的尺寸比带增速齿轮箱发电机大很多。

1.3 RCF轴带发电机系统

RCF系统包括RCF速度控制行星齿轮箱和轴带发电机,该齿轮箱能够在主机转速35%的变化范围内输出稳定的转速,可以得到稳定电源频率,系统成熟稳定。在RENK公司标准版本中,齿轮箱设定在主机最大持续输出功率(Maximum Continuous Rating, MCR)转速的70%~105%范围内,在此范围内轴带发电机输出电源频率稳定,因此RCF可以用在定距桨上,并且能够与主发电机连续并车运行。

这一类型的轴带发电机实际使用比较多的形式如图3所示,即齿轮箱安装在主机自由端,轴带发电机安装在主机旁,带有FPP发电机的效率在88%~91%左右。

图3 带有FPP的RCF轴带发电机

2 轴带发电机电源特性及优缺点

2.1 电源特性

图4 轴带发电机电功率与主机转速关系

图5 轴带发电机电功率与主机功率关系

不同类型的轴带发电机其输出功率的范围是不一致的,最便宜的GCR轴带发电机与CPP配合使用,在额定转速情况以及一定的主机功率变化范围内,轴带发电机可正常运行,输出稳定电功率。如果船舶能够接受变化的频率,对于定距桨船舶来说,GCR系统也可以用于一定转速范围内的定距桨。目前有几个厂家能提供CFE方案轴带发电机,这些轴带发电机可与柴油发电机并车运行,在一个较大的主机功率和转速范围内发电。RCF方案轴带发电机也可提供恒定频率,并且可与柴油发电机并车运行,可以在一定的主机功率和螺旋桨转速范围内输出额定功率。以上所述3种轴带发电机输出电源功率与主机转速和功率的关系如图4和图5所示。2.2 优缺点

轴带发电机的优缺点如表1所示。

表1 轴带发电机的优缺点

3 SMG轴带发电机应用实例

中船重工船舶设计中心有限公司为西班牙船舶所有人ELCANO设计的120 000 t散货船采用SMG轴带发电机。船舶主机选用MAN B&W 6G60ME-C9.2 (Tier II),其中推进最大持续输出功率(Propulsion Maximum Continuous Rating, PMCR)为11 939 kW ×81 r/min,持续服务功率(Continuous Service Rating, CSR)为10 148 kW × 76.7 r/min。轴带发电机采用德国SAM Electronics公司的抱轴式轴带发电机,该轴带发电机采用双PWM逆变技术, SAM公司在该技术上已有30多年的经验,产品较成熟。主要技术参数如表2所示。

表2 120 000 t散货船轴带发电机主要参数

该轴带发电机安装位置如图6所示,轴带发电机安装在主机中间轴线上,轴带发电机的转子直接安装在中间轴上,随着中间轴的转动而转动。轴带发电机系统的单线图[5]如图7所示,轴带发电机产生的电源频率随着主机转速的变化而变化,经二极管整流后送至轴带发电机的变频控制箱,再通过PWM逆变器等输出稳定的电源。为了防止中间直流电路电压过高,在直流电路部分加入集成过电压保护装置。

图6 轴带发电机安装位置图

图7 轴带发电机系统单线图

为了消除PWM逆变器产生的谐波,变频装置使用高频脉冲、脉宽调制和LCL线性滤波器,其输出波形的谐波满足船级社的要求,并且在逆变部分采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)逆变器。轴带发电机变频装置能输出比较理想的正弦电压波形,如图8所示。

图8 轴带发电机系统输出电压、电流和脉冲波形

该轴带发电机在主机转速s为61~81 r/min时,输出额定功率P为840 kW;在主机转速为52~61 r/min时,轴带发电机输出功率为400~840 kW;当主机转速低于52 r/min时,轴带发电机不能正常工作,需起动备用柴油发电机。轴带发电机的功率如下:

当s<52 r/min时,P=0 kW,无法正常工作;

当52 r/min

当s≥61 r/min时,P=840 kW。

为了轴带发电机系统的安全,SAM规定轴带发电机的负荷只能为最大功率的90%。功率与主机转速之间的关系如图9所示。为了使轴带发电机、电站管理系统(Power Management System, PMS)和主机遥控系统之间快速配合,图9的功率曲线需集成至PMS中,PMS需读取主机在各转速下的功率设定值,这是因为如果主机转速低于61 r/min,新的转速设定值在降功率范围内(52 r/min

图9 轴带发电机功率与主机转速关系

根据SAM提供的资料,轴带发电机与柴油发电机并车运行没有任何限制,但是在本项目中,SAM提出如果轴带发电机与柴油发电机长时间并车运行,柴油发电机的自动电压调节器需为“电压下垂”型,而不是“横流补偿”型,否则无法完成长时间并车运行[6],这一点需在项目开始的阶段加以注意。

4 结束语

对二冲程主机的轴带发电机做简要介绍,对比各种类型轴带机的优缺点,然后根据实际项目介绍抱轴式轴带发电机的应用以及一些问题。轴带发电机是否安装,以及安装什么类型,由很多因素决定,轴带发电机的安装是否有吸引力取决于船舶所有人。

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