变速发电机组如何让船舶更优雅.docx

出于经济上的需要，商业船舶运营商在船舶运营方面越来越注重成本优化。同时.，能源解决方案供应商也一直在设法交付能够满足船舶运营商特定需求的技术方案。近年来，人们对于在商船上使用变速发动机组的兴趣逐渐提升。变速技术使发动机的速度可以根据所连接的电气负载进行调节和调整，从而使其运行更加经济。据MTU商船与海工应用工程师JoergHabermaas和JochenThurner称，相比于传统恒速装置，变速发电机组具备多种优势，例如，油耗节省可达到15%,大修间隔时间最多增加20%,噪音更低，功率密度更高，安装空间更小。变速装置在低负荷占比较高的运行模式下特别有用，例如在海上供应船(OSV)处于待机状态期间。燃油效率提局常见的恒速发电机组的设计初衷是在负荷高于75%的情况下优化燃油消耗。具体的燃油消耗取决于与发动机转速相关的负荷，该功能相当于手动换档的汽车。为了优化燃油消耗，始终要使用较低的发动机转速(可能的最高档位)，因为在相同的负荷下发动机转速越低越能节省燃油。为了获得这些好处，通常通过转换器分两步调节频率。第一步是从交流电(AC)转换为直流电(DC),第二步是通过逆变器再转换为交流电。示例见图1中的单线图。以最近应用变速装置运行的风电平台供应船为例，我们可以一窥其优势。在一艘典型的平台供应船上，使用四个容量分别约为2100kW的变速装置为船舶提供动力。4个装置及其电气组件的布置如图1所示。图1:典型的平台供应船由于冗余要求，这种布置所能提供的高性能是必需的，并且在恶劣的天气条件下会派上用场但在船舶的大部分运行时间中并不需要。在柴油发动机的典型使用期间，应用这种布置会形成高比例的低负荷阶段，其结果是平均发电机组利用率仅为大约35%。这是由于船舶在现场长时间处于等待状态，并且必须保持这种状态。图2对此进行了说明，时间比例由圆圈的大小表示。图3进一步展示了这些负荷的分配。QprlnWM11Me.1.otfBns-1.odFactor.1.oadBanm图3：负荷情况为了查看使用变速装置可能实现的节油效果，以下评估显示了在北海运行的供应船的结果，该供应船由四台16V4000M631.（变速）MTU发动机提供动力，大约80%的时间里其负荷都小于25%。对于恒定速度运行的装置，这些操作点相关联的都是高燃油消耗量。这就是体现变速装置的决定性优势的地方，即燃油经济性。在目前的情况下，这相当于燃油节省约15%,相当于每年大约28万美元，以20年为期的话，总共可节省约450万美元油费。图4展示了变速和恒速柴油发动机之间的特定燃油消耗节省的百分比。Comtntpd(IBOorPfnlIeV4000M4SS.2240kW2MP图4：变速和恒速柴油机燃油节省情况对比如图5所示，燃油经济性是此类船舶生命周期成本（1.Ce）的重要组成部分。2CngKWPUrChKC->M<r*ydrivenbyengine90F1ConsufniMion8%Prv<MlvendC<rctlv图5：运营成本与发动机投资成本的平均分配（2%为发动机购买费用，90%为油耗，8%为预防和矫正成本）除了柴油发动机和发电机之外，还必须考虑通过各种电气组件（例如转换器）进行的电能转换。对另一个评估案例的研究表明，发电机在部分负荷下的效率优势可能高达5%。翻修间隔时间（TBO）延长变速装置的另一个优点是降低速度可使翻修间隔时间（TBO）延长约20%,从而减少成本。但必须注意的是，相比之下，电气组件产生了额外成本，变速装置的编程工作量也增加了大约15%。噪音减少变速装置另一个值得注意的优点是能够减少噪音排放。这起着非常重要的作用，尤其是在舒适性方面，因为这些船上的操作人员经常会长时间暴露于噪声和振动之下。在功率为500kW（负荷约为20%）的情况下，表面噪声（声压级）的比较：MTUl6V4000M631.（变速），转速l,135rpm,噪声约95分贝（八）MTU16V4000M43S（恒速），转速1,80OrPm,噪声约101分贝（八）乍一看，6分贝的差异似乎并不十分明显。但是，增加6分贝意味着测得的声压要增加一倍。声音增加6-10分贝，人们能感受到的声音几乎是两倍之大，考虑到这一点，变速装置带来的好处也就非常可观了。灵活性增强总的来说，船舶运营商正在寻找一种具有先进技术的灵活系统，以便能够尽可能高效地运行船舶。有了变速发电机组，供应商就能够通过模拟测试根据特定的客户要求创建定制的航行曲线。该过程考虑到了每个客户的各种因素，包括船舶的极端运行条件、燃料节省和任何特定的安全需求。图6显示了从给定的低负荷工作点(1)到工作点(3)的负荷阶跃模拟。已经考虑到250kWe的负荷储备(安全边际)，这是此类船舶上大功率用户的典型值。总共仅11秒的加速时间充分证明了MTU4000系列发电机组能够灵活流畅地处理电气负荷。这些数值在工厂验收测试和实际操作中均得到了确认。所有平均负荷低、运行时间长的船舶都适合使用变速发电机组，这对于船舶运营商来说非常经济，对操作人员也很有益。Enginespeedrm图6：变速装置的典型工作曲线附参考资料：变速轴带发电机系统一一功能强大、高性价比的节能减排方式2021年6月，国际海事组织(IMo)海洋环境保护委员会(MEPC)通过了新版国际防止船舶污染公约(即MARPO1.公约)修正案，其中新增了能效要求-现有船舶能效指数(EEXl)和碳强度指标(ClI)oEEXI要求只根据船舶的设计参数来计算运输过程中的二氧化碳排放量，但不要求测量和报告实际运输过程中的二氧化碳排放量。EEXI与2013年生效的EEDI(船舶能效设计指数)采用了相同标准，EEDl适用于新造船舶，而EEXl则适用于现有船舶。CII用于测量船舶营运期间的实际碳排放量，该指标与EEXl同时于2023年1月开始实施。轴带发电机系统指的是一种利用推进主机功率来发电的旋转发电机。自进入直流电时代以来，轴带发电机系统己经在中小型船舶中得到普遍应用，但其成为大型船舶尤其是集装箱船的“标配”只是最近几年的事情。由于电力电子技术、包括永磁设备在内的发电机设计以及高性能控制系统的快速发展，轴带发电机在效率、重量和体积等方面都得到了显著改善，从而大大提升了性能。正是由于轴带发电机固有的简约设计、高效率以及节能表现(促进节能减排)，使其成为一种可靠的高性价比系统，可帮助船东和设计师满足日益严苛的能效和排放限制。系统结构概述轴带发电机系统的结构相对简单。最简单的轴带发电机一般是通过齿轮箱将发电机与主机进行机械连接，以固定速度运行，以便为电气设备提供恒定频率。由于主机通常比小型辅机具有更低的油耗，因此可以提升总体燃油效率。直接机械连接虽然简单，但为轴带发电机和其余推进系统的应用带来了一些限制。以定距螺旋桨推进系统为例，轴带发电机的频率会随主机的转速波动而变化，从而导致要么提高供电系统的设计要求，要么直接限制了轴带发电机的使用。如果是可调螺距螺旋桨推进系统，发动机可保持恒定转速从而产生恒定频率，但这种情况下螺旋桨就不能发挥最佳效率，尤其是在推进力较低的情况下。由于使用直接机械连接轴带发电机具有上述局限性，变速轴带发电机系统已逐渐成为了首选解决方案，这主要归功于动力电子技术的发展和包括永磁设备在内的发电机设计的改进，使得发电机的功能和性能控制能力得到大幅提升。变速轴带发电机系统主要包括轴带发电机、变频器、变压器(如适用)和控制系统。轴带发电机本身主要分为3类：永磁(PM)发电机、同步励磁发电机或感应式发电机。图1列出了永磁和励磁发电机的简单对比：类型同步励磁永磁(PM)备注励磁转子绕组转子永磁材料重量更重更轻定子结构相似，但转子结构不同尺寸更大更小气隙8-IOmm6-7mm气隙更小，占用空间更小效率约为93%-94%约为96%在满转速运行和负载条件下，永磁发电机效率更高维护频次较高频次较低碳刷对励磁电机来说必不可少，需要定期更换。图1：永磁和励磁发电机的对比如上述对比所示，永磁发电机相比于同步励磁发电机更有技术优势，是目前最常用的发电机类型。变频器是变速轴带发电机系统的核心，ABB采用了最新的低压变频器技术,该技术有以下特点：宽功率范围，最大功率达6MW先进的控制方法、通用的选装件、工具和组件性能可靠，可满足所有船舶合规要求模块化，可快速维护，维修简单可采用水冷或风冷两种冷却方式系统传动包括电机侧整流器和电网侧逆变器。电机侧变频器可以是二极管整流器或IGBT逆变器，具体取决于电机的类型和所需的功能；而电网侧IGBT逆变器主要用于为交流电网提供恒定的电压和频率。变频器可配置为单传动变频器或多传动变频器，可以将多个电源和负载连接到同一DC链路，这使得辅机可以与其他新能源(如燃料电池、太阳能板、岸电、风电或储能)轻松进行整合。在减排法规和要求日益严格之际，轴带发电机系统可以相对容易地进行扩展，以兼容零排放的新能源。工作模式变速轴带发电机可用作船舶电网的发电机(PTO),能够优化大型主机的使用，同时减少辅助发电机的运行需要；也可用作主推进轴的助力电机(Pn),以满足功率峰值或者“最差工况''的需求；或者作为替代推进系统(PTH),为突发意外情况提供冗余度和安全保障。常见配置如下图所示。除用发电机发电(PTO)AC配电施图2：在PTO模式中，轴带发电机使用主机发电，经由变频器向船舶电网输送电力；轴带发电机可单独工作，或与其他发电机连续并联工作；轴带发电机系统通过下垂控制进行有功和无功负载分担。推进轴增压/动力返回(PTIPTH)AC配电板轴带发电机I1ABB供法范圉图3：在PTl模式中，轴带发电机用作电机，利用船舶电网经由变频器提供的电力推动主推进器。如果主机发生故障或关停，轴带发电机可以单独驱动主轴，即PTH(动力返回)。岸电连罐r1ABB供用的圉图4：岸电连接是ABB变速轴带发电机系统的可选功能,支持50Hz和60Hz岸电。由于主机在船舶靠岸停泊时会停机，因此可以通过转换开关使用相同的轴带发电机逆变器。岸电变压器可安装在船上或岸上。图5：得益于轴带发电机变频器的模块化设计，燃料电池、风能和太阳能等新能源可以通过DC-DC转换器轻松地与变频器的DC链路进行连接，以调节电压，控制功率流向。因此，船舶可以利用现有的低排放或零排放技术或集成在船舶寿命期内可用的新技术。系统性能和主要特点尽管上述工作模式的定义很简单，但要成功交付轴带发电机系统仅有这些还不够。ABB的变速轴带发电机系统专为满足高标准的安全性和可靠性而设计。该系统的关键性能特点如下文及配图所示，主要包括故障情况下的短路保护能力；补偿谐波失真以保护船舶电网；平衡并联辅助发电机的负载；应对短时负载变化的快速补偿能力；无编码器控制电机；船舶电网启动时的高级同步功能；用于岸电连接的功率因素补偿等。该系统可根据每个船舶项目的特定需求而量身定制，其各种功能组合可确保系统的安全、高效和较低的安装空间需求。短路电流供应如果短路发生在交流系统中，电源需要在一定时间内持续提供足够的电流，以确保电网短路保护系统根据电流保护原理有选择地正常实行保护动作。上述情况同样适用于轴带发电机应用。为此，ABB变频器可以提供长达4秒的短路电流贡献能力。图6是一个实际应用中的现场实测数据，轴带发电机变频器提供了近两倍的额定电流(该特定设备所需)，持续时间为2秒，以使电网短路保护系统能够排除故障。这里可以看到在电网出现重大扰动期间，变频器的DC电压保持稳定，仅发生轻微波动。需要可靠的电路保护系统来保护系统和人员免受实际损害，并防止系统整体停电。短路保护性能Time(三)图6：短路期间的DC电压表现超低谐波变频器谐波电压畸变的原因和影响众所周知，并且电压畸变在使用非线性负载(如变频器)时无法避免。控制谐波失真的目的是为了避免电动船舶电网中的电气设备以及与电弓连接的设备发生故障或受到损害。谐波失真的程度用总谐波失真度THD(%)表示。以下图7列出了一个项目的实测数据。在无负载的条件下，总谐波失真度小于1.2%。只要连接的设备经过相应设计和尺寸配置，小于5%的总谐波失真度往往被视为可以接受。总谐波失真度越低，发热越少，对设备使用寿命的影响也越小。此外，该超低谐波变频器还用于消除谐波，对其他在网的非线性负载谐波失真进行补偿，从而无需额外安装谐波滤波器。Uthd%=1.11%图7：超低谐波电压输出发电机组并联运行ABB轴带发电机系统可与辅助发电机并联发电，进行短时负荷转移或连续的电力传输。在轴带发电机变频器中实现有功和无功功率下垂，下垂控制可确保多个电源并联时负荷均分。P-f下垂Q-V下垂有功功率无功功率图8：通过下垂控制，实现有功和无功功率均衡瞬态负载处理船舶电网电气负载的剧烈变化可能是不同情况引起，例如大功率设备开机，并联电源跳闸，或电网保护系统启动等。为了确保电压稳定并使电压变化保持在允许范围之内，轴带发电机系统必须快速准确地作出反应，对负载的快速变化进行补偿。ABB轴带发电机系统通常适用于50%到100%的瞬态负载变化。图9是一个已交付项目的瞬态负载测试记录：在负载增加50%时，瞬态电压仅在±7.5%的范围内变化并在1.5秒后回到正常值；在负载降低50%时，电压变化微乎其微,无法观察到。瞬态负载测试图9：实际项目的瞬态负载测试无编码器控制在轴带发电机尤其是永磁发电机应用中，逆变器控制通常需要使用编码器来测量速度和转子角位置。位置编码器用于测定转子极位置以控制电机，而速度编码器用于实现闭环控制以保持恒定的DC链路电压。在串轴轴带发电机应用中，编码器被安装在中间轴上，这就增加了复杂程度和硬件成本，也加大了安装工作量和维护需求。ABB变频器可帮助永磁轴带发电机实现无编码器控制。每次启动都通过执行AUtOPhaSing（自动定相）功能来进行转子极定位，并有足够精确的速度来稳定DC电压。图10是一个已交付项目的联机永磁轴带发电机的无编码器快速启动示意图。永磁轴带发电机的无编码器启动l级同步功能ABB轴带发电机解决方案可以实现与交流电网同步，是通过逆变器控制来实施同步功能。当变频器启动时，IGBT逆变器对隔离变压器进行预充磁，以减少主配电板变压器进流合闸时船舶电网中的浪涌电流和电压突变，而无需预充磁变压器。这不仅可以节省成本和空间，还可以简化系统启动和电网连接的流程。带预充磁功能的同步ON2000图11：同步期间的系统性能功率因数补偿当船舶与岸电连接时，可以通过使用轴带发电机变频器进行功率因数补偿，并为船舶电网提供与船舶电气负载相匹配的无功功率，从而最大程度地减少岸电供电电流。从下图可以看出岸电功率因数可调控至完美的1。结论随着减排法规和相关要求变得越来越严，ABB变速轴带发电机系统是一种简单、高效且具有高性价比的方案，可帮助船东和设计师达成减排目标。止匕外，ABB变速轴带发电机系统还可以轻松进行扩展，以便与零排放的新能源结合使用。