動力定位船需要系統集成方案
2012-01-09 08:25:46
來源：國際船舶網
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國際船舶網
我有話要說
在過去的10-15年里，海洋工程市場對于各種船舶的新建船需求明顯增加，其中有相當一部分船舶采用全電力方案。
起初，全電力船舶自給設計者和船舶建造者帶來的直觀好處是設備可以隨意布置。推力器機械和螺旋槳設計變得更簡單；不再需要齒輪箱、離合器系統和長的軸系；且全壽期維護費用也減少了。全電力船舶帶來的進一步好處是效率提高、螺旋槳噪聲降低、性能改善和可靠性提升，與此同時還標上了全世界各政府部門所需的綠色印記。
構成全電力方案的所有組件可被優化成如一個整體系統那樣正確地工作。這種優化的關鍵是系統集成以及對客戶的需求和需要掌控系統的哪些部分以滿足這些需求有很好的理解�？紤]到動力系統的局限性，在l艘船上集成多重變頻系統有非常大的好處。這當然有可能通過優化控制系統以得到變頻系統的最佳性能而無損于動力系統在所有運行工況下的性能。
諸如航行和動力定位操作這些不同的運行工況對變頻、動力和控制系統的響應有非常不同的要求。只孤立地對這些系統中的一個系統進行最佳響應設置（安全使用）就意味著其它系統有可能不能完全發揮作用，船舶性能不能達到預期。所有系統（控制、動力和變頻系統）需要一起協作才能獲得性能最佳化和總體安全性能改善的最優方案。
系統集成需要船東、船舶建造者、設計者和制造商能意識到緊密的協作關系是最基本的。從設計階段開始到海試項目完成的整個過程中都需要這種緊密的協作關系，各方都有正確的定位。
當需要達成成本目標和一定的性能優化水平時，船舶類型對價格是敏感的。大型船舶幾乎都趨向于電力解決方案，而較小的供應船則努力論證其成本是否合適。世界正在緩慢地認識全電力系統且現在開始意識到它們的潛在益處。
不同的利益方有著不同的目標。船東需要一種高效費比和綠色的解決方案以低的運行和維護成本滿足他們的基本需求，同時又要具有應對未來需求的靈活性。船舶設計者和建造者則希望使空間最大化以提升載貨容量，使重量最小化以改善甲板負荷。
供應商想要以非常具有競爭力的價格提供能僅滿足基本要求的系統或系統的零件。航運業者則要求系統能滿足從航行到特殊運營的所有運營需求，而船級社則不斷將規范應用于新建船并開發新規范以滿足變化中的市場交易平臺。
動力定位船舶經常采用各種各樣的推力器．而且在以往的10多年里其設計改變極少。下述是一些可用的型式：
＊側向推力器裝置或隧道推力器一一大部分隧道推力器采用可調螺距，但即使是這些裝置也慢慢地趨向于電力解決方案；
＊帶有推力幅度和方向控制的方位（可旋轉）推力裝置——大部分方位推力器裝置在推力和方向控制上主要是由電力變頻方案提供動力；
＊噴水推進器（例如鰓形噴水裝置）——使用電力變頻技術（鰓形噴水推進器安裝在船體內且有一個進水開口和一個通過導向葉輪的噴流口。水流由變速變頻系統控制）；
＊平旋螺旋槳——使用電力變頻技術。
大部分市場參與者已成功安裝了符合客戶期望的創新方案，且隨著每天有新的解決方案進入市場，技術在持續演進。在過去的10多年里，變頻器設計已經歷了若干個版本。
有相當長的一段時間，一種帶有變頻變壓器的二極管前端裝置曾作為工業標準且仍在中壓和高壓解決方案中應用。據船舶設計者和船東的觀點，其主要缺點是變頻變壓器需要額外的空間并會產生高電平的諧波干擾，所以在小型平臺供應船、近海供應船和三用工作船上的適用性有限。對于較大的船舶，中壓和高壓的二極管前端裝置仍是優先選擇方案。從電壓范圍來說，高壓一般為6.6-11kV，主要用于大型鉆井／生產型船舶；中壓為3.3kV，主要用于大中型船舶上；而低壓一般為690V，用于近海供應船。在小型船舶上，電力變頻系統很難比得過常用的可調螺距螺旋槳方案，也難滿足船級社的諧波畸變規范。這些系統的成本、尺寸和重量在小型船舶上不適用。
不需要變頻變壓器的有源前端方案是一種用于風力發電領域的成熟技術，在該領域需要裝置有能力再生能源反饋回電網。該方案用全可控變頻橋替代二極管整流橋，類似于逆變整流橋。該方案現在可以用于低壓電源生成裝置，更適用于平臺供應船、近海供應船、三用工作船和其它小型船舶。
該方案的優點是沒有變頻變壓器，可用于低壓電氣裝置，且只有極小的諧波干擾，有較強的故障識別和隔離能力，以及較小的尺寸和較輕的重量。缺點包括高故障電流以及對并聯發電機的數量有運行限制，以減少最大故障電流。
帶有雙有源前端裝置的解決方案是每臺推力器由一臺帶有2個（或更多）電源模塊的有源前端裝置變頻器提供動力。這些電源模塊由不同匯流排供電。該方案的優點是在匯流排故障時推力器仍可運行，而且熱力諧波畸變保持極小。在正常情況和故障情況下，具有可減少推力和電源生成且不會損失船舶的能力的優勢，而且可選擇進一步優化配置以減少成本、尺寸和重量。
電源系統包含下列主要部件：柴油發動機、發電機、主配電屏和輔助配電屏。此外：
＊ 柴油發動機要在優化負荷水平下運行以減少維護的需要；
＊ 調速器是發動機的基本部件——通過調節進入發動機的燃油量，并聯發動機之間的kw級負荷分配得以實現，且電網的頻率得以維持；
＊ 自動調壓器調節發電機繞組磁場的磁極電流，分配無功功率（kvar）并維持電網電壓；
＊ 主配電屏與發電機相連并經過主回路斷路開關向電站配電。
設計者需要理解這些系統部件及其局限性應該如何整合，從而使每個部件都能發揮作用而又不導致整體系統過負荷。電源系統的每個部件都經過制造、檢查和測試，然后才送到船廠。電源系統要到最終被安裝到船上之后，才會形成真正的系統集成。
船級社在船上系統結構上扮演重要的角色，因為他們提供了船廠和供應商在系統設計期間必須滿足的基本規范。系統結構包含下列主要部件：電源管理系統、船舶控制系統、手動推力器控制系統、單手柄操縱桿控制系統和動力定位控制系統。
系統的復雜性（有關冗余度和安全性）隨著入級的每一步而不斷增加。進一步的附加船舶標志是為了滿足環境和安全要求，又增加了系統的復雜性。每種系統的遙控能力如下：
＊電源管理系統提供一個從遠程操作臺手動或自動管理電站的遙控系統；
＊船舶控制系統提供一個從遠程操作臺手動或自動管理船舶輔助系統的遙控系統；
＊手動推力器控制系統提供一個從遠程操作臺手動管理推力器和推進系統的遙控系統；
＊獨立單手柄操縱桿控制系統提供一個遙控系統通過一只公用的單手柄操縱桿手動控制船舶的航向和位置，或使用所選推力器的組合自動控制船舶航向；
＊動力定位控制系統提供一個手動或自動控制船舶航向和位置的遙控系統。系統設計提供操縱臺、主控制器、傳感器和船位參考系統的冗余度，這些是船舶入級必須滿足的冗余度。
上述系統可被拆分為這些核心系統，所有這些系統可由不同的供應商提供，每個系統可以單獨設計和測試。這意味著供應商之間必須有良好的關系和對彼此產品的較深的了解度。
由單一供應商提供的核心系統應有助于核心部件的集成，有助于共同的理解和共同的設計目標。設計和測試應減少在調試、海試和運行期間的集成問題。供應商負責多個系統的協調以滿足共同的目標。
什么是船上的主要集成問題？變頻系統和變頻斜率一般是依據船舶航行工況下采用最少數量的發電機來設置的。一些變頻系統可與電源系統有交互界面且給變頻器可提供的電源功率設定上限。海試前，變頻斜率一般不會被最終確定。它們有助于船舶航行時采用最少數量發電機，但是卻不利于優化船舶的航向和定位性能。它們會導致不穩定問題和并使動力系統及推力器系統過負荷。獨立于其他系統工作的變頻系統，將導致航向和定位問題。
變頻系統有若干的應急的選項，會限制系統的額定功率輸出，如冷卻系統失效、繞組溫度和頻率相位逆轉現象。這些選項對保護變頻系統和相關設備是有好處的，但卻不利于船舶航行及航向和定位操作。
由手動控制桿對變頻系統提出需求的速率是沒有限制且是直接的，因而變頻系統一般將被強制產生斜率速率。在緊急情況下，操縱桿將有變化較大的需求，該需求的使用毫不考慮動力系統的配置。這些操縱桿的優點是它們提供了一種簡單的速度界面，而這意味著變頻系統必須有應對快速相位逆轉的頻率保護。
然而，由于使用了快速操縱桿需求，也可能導致跳電或全面斷電狀況。手動操縱桿沒有提供全面斷電保護，因為它們僅靠變頻系統的超頻保護來以防萬一。
柴油發動機、發電機和主配電屏的初始設置只在現場通過使用負荷庫產生的負荷進行測試。測試期間，發動機和調速器系統僅設置來應對瞬變、加載和卸載情況。正確的設置將給出恰當的響應，不正確的設置則將導致整個系統的性能變差。典型情況是不正確設置一開始就會因需求的快速變化而被發現，變頻系統工程師可改變功率輸出斜率來解決問題。
就單手柄操縱桿和動力定位系統而言，在正常運行時只需使用很少的推力就能保持航向和船位。然而，它們也能通過組合單手柄操縱桿或自動控制來實現推力的快速變化并在極短的時間內造成多重匯流排巨大的動力波動。這相應地也能使推力器和動力系統過負荷。提供了全面斷電保護且系統的正確設置意味著系統將按照設計運行，但不正確的設置將導致系統性能變糟，可能出現全面斷電狀況。
組合推力控制對動力系統并沒有非常大的出錯容許度，因為它將依照設計工作許多年。動力系統可能在定期維護后出現性能下降情況，而性能下降可從手動操縱桿和自動控制系統的表現不佳上看出來。
我們怎么才能以較好的方式把這些核心系統整合在一起以改善船舶的總體性能和安全性？變頻系統、航行操作和特殊操作都需要有所改進。
變頻系統在機械方面受到相連推力器的限制，而在電氣方面受到動力系統配置的限制。變頻系統應該允許用戶實現最大功率輸出變化斜率的能力，應該能設置最大變化斜率且不應該受相連電氣系統的限制。它應該有針對頻率相位逆轉的應急選項以保護和防止超頻引起的全面斷電，而且也應該隨時告知相連系統能影響性能的局限性。
就手動操縱桿控制而言，操縱桿的動態變化率應該根據動力系統設置的不同用來產生最佳響應，而不是由操作員根據可用的發電量的多少對操縱桿操作的快或慢來決定。當變頻系統傳送和接收功率信息時，就會提供全面斷電保護，而當變頻系統不能接受到全面功率信息時，則回復到下降斜率以確保在最壞狀況下返回原狀。
過去，當系統要求高推力時，單手柄操縱桿和動力定位系統并不能很好地與動力系統配合。系統確切知道哪臺發電機與哪套匯流排系統相連，所以知道你所使用的柴油發動機負荷的變化率，能使系統在不加重柴油發動機負荷的情況下改變推力的變化率。
在推力要求低情況下，所需推力能在發電裝置限制允許范圍內非�？焖賹崿F。而在推力處于正常水平的情況時，這將改善推力器的響應速度。在推力要求高的情況下，所需推力能在發電裝置限制允許范圍內以相對緩慢速度實現。而在推力處于正常／中等水平的況下，這將改善推力器的響應速度并在動力系統邊界范圍內實現較平滑的功率變化。
在功率消耗較大的情況下，推力能在發電裝置限制允許范圍內以某個速度用。這將允許控制手段能被更好地掌控。
在單個供應商供應產品的情況下，要使所有供應商步調一致很困難。想要達最有效的設備整合，就應該以在某些方面達到最高的整合水平作為最小要求。
手動控制、單手柄操縱桿控制、動力定位和變頻系統需要一個明確的承諾，就是在動力使用、航向和定位控制改進方面給出優化方案發揮最佳性能。這將極大改善船舶的安全性并減少發動機的負擔和全面斷電情況的發生。
這種功能性和集成化的使用非常適于變頻系統，而基于發電能力的推力變化率掌控理念也可應用于螺距控制系統。推力器制造商將需要考慮功率輸出變化率在手動操縱桿、單手柄操縱桿控制和動力定位系統中的應用效果。有了上述的系統集成，未來對政府環境目標的承諾將進一步導致系統的優化和整合。
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