動力定位船需要系統(tǒng)集成方案

2012-01-09 08:25:46
來源：國際船舶網(wǎng) 編輯：國際船舶網(wǎng) 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(dāng)一部分船舶采用全電力方案。

起初，全電力船舶自給設(shè)計者和船舶建造者帶來的直觀好處是設(shè)備可以隨意布置。推力器機械和螺旋槳設(shè)計變得更簡單；不再需要齒輪箱、離合器系統(tǒng)和長的軸系；且全壽期維護(hù)費用也減少了。全電力船舶帶來的進(jìn)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(biāo)上了全世界各政府部門所需的綠色印記。

構(gòu)成全電力方案的所有組件可被優(yōu)化成如一個整體系統(tǒng)那樣正確地工作。這種優(yōu)化的關(guān)鍵是系統(tǒng)集成以及對客戶的需求和需要掌控系統(tǒng)的哪些部分以滿足這些需求有很好的理解。考慮到動力系統(tǒng)的局限性，在l艘船上集成多重變頻系統(tǒng)有非常大的好處。這當(dāng)然有可能通過優(yōu)化控制系統(tǒng)以得到變頻系統(tǒng)的最佳性能而無損于動力系統(tǒng)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(tǒng)的響應(yīng)有非常不同的要求。只孤立地對這些系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)進(jìn)行最佳響應(yīng)設(shè)置（安全使用）就意味著其它系統(tǒng)有可能不能完全發(fā)揮作用，船舶性能不能達(dá)到預(yù)期。所有系統(tǒng)（控制、動力和變頻系統(tǒng)）需要一起協(xié)作才能獲得性能最佳化和總體安全性能改善的最優(yōu)方案。

系統(tǒng)集成需要船東、船舶建造者、設(shè)計者和制造商能意識到緊密的協(xié)作關(guān)系是最基本的。從設(shè)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(xié)作關(guān)系，各方都有正確的定位。

當(dāng)需要達(dá)成成本目標(biāo)和一定的性能優(yōu)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(yīng)船則努力論證其成本是否合適。世界正在緩慢地認(rèn)識全電力系統(tǒng)且現(xiàn)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(biāo)。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(hù)成本滿足他們的基本需求，同時又要具有應(yīng)對未來需求的靈活性。船舶設(shè)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(fù)荷。

供應(yīng)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(tǒng)或系統(tǒng)的零件。航運業(yè)者則要求系統(tǒng)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(guī)范應(yīng)用于新建船并開發(fā)新規(guī)范以滿足變化中的市場交易平臺。

動力定位船舶經(jīng)常采用各種各樣的推力器．而且在以往的10多年里其設(shè)計改變極少。下述是一些可用的型式：

＊側(cè)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(diào)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(zhuǎn)）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(jìn)器（例如鰓形噴水裝置）——使用電力變頻技術(shù)（鰓形噴水推進(jìn)器安裝在船體內(nèi)且有一個進(jìn)水開口和一個通過導(dǎo)向葉輪的噴流口。水流由變速變頻系統(tǒng)控制）；

＊平旋螺旋槳——使用電力變頻技術(shù)。

大部分市場參與者已成功安裝了符合客戶期望的創(chuàng)新方案，且隨著每天有新的解決方案進(jìn)入市場，技術(shù)在持續(xù)演進(jìn)。在過去的10多年里，變頻器設(shè)計已經(jīng)歷了若干個版本。

有相當(dāng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)且仍在中壓和高壓解決方案中應(yīng)用。據(jù)船舶設(shè)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(chǎn)生高電平的諧波干擾，所以在小型平臺供應(yīng)船、近海供應(yīng)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(yōu)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(chǎn)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(yīng)船。在小型船舶上，電力變頻系統(tǒng)很難比得過常用的可調(diào)螺距螺旋槳方案，也難滿足船級社的諧波畸變規(guī)范。這些系統(tǒng)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(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的成熟技術(shù)，在該領(lǐng)域需要裝置有能力再生能源反饋回電網(wǎng)。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(xiàn)在可以用于低壓電源生成裝置，更適用于平臺供應(yīng)船、近海供應(yīng)船、三用工作船和其它小型船舶。

該方案的優(yōu)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(lián)發(fā)電機的數(shù)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(yōu)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(yōu)勢，而且可選擇進(jìn)一步優(yōu)化配置以減少成本、尺寸和重量。

電源系統(tǒng)包含下列主要部件：柴油發(fā)動機、發(fā)電機、主配電屏和輔助配電屏。此外：

＊柴油發(fā)動機要在優(yōu)化負(fù)荷水平下運行以減少維護(hù)的需要；

＊調(diào)速器是發(fā)動機的基本部件——通過調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)動機的燃油量，并聯(lián)發(fā)動機之間的kw級負(fù)荷分配得以實現(xiàn)，且電網(wǎng)的頻率得以維持；

＊自動調(diào)壓器調(diào)節(jié)發(fā)電機繞組磁場的磁極電流，分配無功功率（kvar）并維持電網(wǎng)電壓；

＊主配電屏與發(fā)電機相連并經(jīng)過主回路斷路開關(guān)向電站配電。

設(shè)計者需要理解這些系統(tǒng)部件及其局限性應(yīng)該如何整合，從而使每個部件都能發(fā)揮作用而又不導(dǎo)致整體系統(tǒng)過負(fù)荷。電源系統(tǒng)的每個部件都經(jīng)過制造、檢查和測試，然后才送到船廠。電源系統(tǒng)要到最終被安裝到船上之后，才會形成真正的系統(tǒng)集成。

船級社在船上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上扮演重要的角色，因為他們提供了船廠和供應(yīng)商在系統(tǒng)設(shè)計期間必須滿足的基本規(guī)范。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含下列主要部件：電源管理系統(tǒng)、船舶控制系統(tǒng)、手動推力器控制系統(tǒng)、單手柄操縱桿控制系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)的復(fù)雜性（有關(guān)冗余度和安全性）隨著入級的每一步而不斷增加。進(jìn)一步的附加船舶標(biāo)志是為了滿足環(huán)境和安全要求，又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。每種系統(tǒng)的遙控能力如下：

＊電源管理系統(tǒng)提供一個從遠(yuǎn)程操作臺手動或自動管理電站的遙控系統(tǒng)；

＊船舶控制系統(tǒng)提供一個從遠(yuǎn)程操作臺手動或自動管理船舶輔助系統(tǒng)的遙控系統(tǒng)；

＊手動推力器控制系統(tǒng)提供一個從遠(yuǎn)程操作臺手動管理推力器和推進(jìn)系統(tǒng)的遙控系統(tǒng)；

＊獨立單手柄操縱桿控制系統(tǒng)提供一個遙控系統(tǒng)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(tǒng)提供一個手動或自動控制船舶航向和位置的遙控系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計提供操縱臺、主控制器、傳感器和船位參考系統(tǒng)的冗余度，這些是船舶入級必須滿足的冗余度。

上述系統(tǒng)可被拆分為這些核心系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)可由不同的供應(yīng)商提供，每個系統(tǒng)可以單獨設(shè)計和測試。這意味著供應(yīng)商之間必須有良好的關(guān)系和對彼此產(chǎn)品的較深的了解度。

由單一供應(yīng)商提供的核心系統(tǒng)應(yīng)有助于核心部件的集成，有助于共同的理解和共同的設(shè)計目標(biāo)。設(shè)計和測試應(yīng)減少在調(diào)試、海試和運行期間的集成問題。供應(yīng)商負(fù)責(zé)多個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)以滿足共同的目標(biāo)。

什么是船上的主要集成問題？變頻系統(tǒng)和變頻斜率一般是依據(jù)船舶航行工況下采用最少數(shù)量的發(fā)電機來設(shè)置的。一些變頻系統(tǒng)可與電源系統(tǒng)有交互界面且給變頻器可提供的電源功率設(shè)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(shù)量發(fā)電機，但是卻不利于優(yōu)化船舶的航向和定位性能。它們會導(dǎo)致不穩(wěn)定問題和并使動力系統(tǒng)及推力器系統(tǒng)過負(fù)荷。獨立于其他系統(tǒng)工作的變頻系統(tǒng)，將導(dǎo)致航向和定位問題。

變頻系統(tǒng)有若干的應(yīng)急的選項，會限制系統(tǒng)的額定功率輸出，如冷卻系統(tǒng)失效、繞組溫度和頻率相位逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這些選項對保護(hù)變頻系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)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(tǒng)提出需求的速率是沒有限制且是直接的，因而變頻系統(tǒng)一般將被強制產(chǎn)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(tǒng)的配置。這些操縱桿的優(yōu)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(tǒng)必須有應(yīng)對快速相位逆轉(zhuǎn)的頻率保護(hù)。

然而，由于使用了快速操縱桿需求，也可能導(dǎo)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(hù)，因為它們僅靠變頻系統(tǒng)的超頻保護(hù)來以防萬一。

柴油發(fā)動機、發(fā)電機和主配電屏的初始設(shè)置只在現(xiàn)場通過使用負(fù)荷庫產(chǎn)生的負(fù)荷進(jìn)行測試。測試期間，發(fā)動機和調(diào)速器系統(tǒng)僅設(shè)置來應(yīng)對瞬變、加載和卸載情況。正確的設(shè)置將給出恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，不正確的設(shè)置則將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的性能變差。典型情況是不正確設(shè)置一開始就會因需求的快速變化而被發(fā)現(xiàn)，變頻系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)推力的快速變化并在極短的時間內(nèi)造成多重匯流排巨大的動力波動。這相應(yīng)地也能使推力器和動力系統(tǒng)過負(fù)荷。提供了全面斷電保護(hù)且系統(tǒng)的正確設(shè)置意味著系統(tǒng)將按照設(shè)計運行，但不正確的設(shè)置將導(dǎo)致系統(tǒng)性能變糟，可能出現(xiàn)全面斷電狀況。

組合推力控制對動力系統(tǒng)并沒有非常大的出錯容許度，因為它將依照設(shè)計工作許多年。動力系統(tǒng)可能在定期維護(hù)后出現(xiàn)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(tǒng)的表現(xiàn)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(tǒng)整合在一起以改善船舶的總體性能和安全性？變頻系統(tǒng)、航行操作和特殊操作都需要有所改進(jìn)。

變頻系統(tǒng)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(tǒng)配置的限制。變頻系統(tǒng)應(yīng)該允許用戶實現(xiàn)最大功率輸出變化斜率的能力，應(yīng)該能設(shè)置最大變化斜率且不應(yīng)該受相連電氣系統(tǒng)的限制。它應(yīng)該有針對頻率相位逆轉(zhuǎn)的應(yīng)急選項以保護(hù)和防止超頻引起的全面斷電，而且也應(yīng)該隨時告知相連系統(tǒng)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(tài)變化率應(yīng)該根據(jù)動力系統(tǒng)設(shè)置的不同用來產(chǎn)生最佳響應(yīng)，而不是由操作員根據(jù)可用的發(fā)電量的多少對操縱桿操作的快或慢來決定。當(dāng)變頻系統(tǒng)傳送和接收功率信息時，就會提供全面斷電保護(hù)，而當(dāng)變頻系統(tǒng)不能接受到全面功率信息時，則回復(fù)到下降斜率以確保在最壞狀況下返回原狀。

過去，當(dāng)系統(tǒng)要求高推力時，單手柄操縱桿和動力定位系統(tǒng)并不能很好地與動力系統(tǒng)配合。系統(tǒng)確切知道哪臺發(fā)電機與哪套匯流排系統(tǒng)相連，所以知道你所使用的柴油發(fā)動機負(fù)荷的變化率，能使系統(tǒng)在不加重柴油發(fā)動機負(fù)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(fā)電裝置限制允許范圍內(nèi)非�？焖賹崿F(xiàn)。而在推力處于正常水平的情況時，這將改善推力器的響應(yīng)速度。在推力要求高的情況下，所需推力能在發(fā)電裝置限制允許范圍內(nèi)以相對緩慢速度實現(xiàn)。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(yīng)速度并在動力系統(tǒng)邊界范圍內(nèi)實現(xiàn)較平滑的功率變化。

在功率消耗較大的情況下，推力能在發(fā)電裝置限制允許范圍內(nèi)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(yīng)商供應(yīng)產(chǎn)品的情況下，要使所有供應(yīng)商步調(diào)一致很困難。想要達(dá)最有效的設(shè)備整合，就應(yīng)該以在某些方面達(dá)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(tǒng)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(jìn)方面給出優(yōu)化方案發(fā)揮最佳性能。這將極大改善船舶的安全性并減少發(fā)動機的負(fù)擔(dān)和全面斷電情況的發(fā)生。

這種功能性和集成化的使用非常適于變頻系統(tǒng)，而基于發(fā)電能力的推力變化率掌控理念也可應(yīng)用于螺距控制系統(tǒng)。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(tǒng)中的應(yīng)用效果。有了上述的系統(tǒng)集成，未來對政府環(huán)境目標(biāo)的承諾將進(jìn)一步導(dǎo)致系統(tǒng)的優(yōu)化和整合。

標(biāo)簽：動力定位船系統(tǒng)集成