船舶辅机设备电力驱动化发展.pdf

1 船舶辅机设备电力驱动化发展船舶辅机设备电力驱动化发展 阎 涛，吴正妙（上海船舶设备研究所，上海 200031）摘摘 要：要：当前，国内船舶大量采用传统液压驱动辅机设备，存在设备复杂笨重、容易泄漏、对维护人员和维护工作要求高等问题。针对节能、环保的船舶设备发展趋势，重点对船舶辅机设备电力驱动发展进行分析，指出符合节能和环保要求的电力驱动化方式，为我国船舶设备电力驱动化发展提供参考。关键词：关键词：船舶辅机设备；节能环保；电力驱动 中图分类号：中图分类号：U671.99 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.001 Development Trend of Electric Drive Marine Auxiliary Equipment YAN Tao,WU Zhengmiao(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)Abstract:Traditional hydraulic driving auxiliary equipment is widely used in domestic ships,which is complicated,bulky,easy to leak,and high demand for maintenance personnel and maintenance work.According to the development trend of energy-saving and environmental protection marine equipment,the development of marine auxiliary equipment electric drive is mainly analyzed,and the electric drive mode is pointed out which meets the requirements of energy-saving and environmental protection.It can provide reference for the development of electric propulsion of ship equipment in China.Key words:marine auxiliary equipment;energy saving and environmental protection;electric drive 0 引言引言 船舶辅机设备通常包括甲板机械类（如舵机、锚绞机、吊机、救生设备和电梯等）、舱室机械类（如水泵、空压机、油污水处理装置、焚烧炉、空调、冷藏和海水淡化装置等）、特种机械类（如减摇装置、轴系及推进装置和升降装置等），品种多、数量大，价值约占整个船舶的40%45%，涉及专业范围广，技术发展水平差异大。目前，我国的本土化船用设备装船率较低，与世界先进水平相比仍有所落后，主要体现在研发创新能力不 够、可靠性较低和没有形成品牌等方面。1 电力驱动化发展分析电力驱动化发展分析 1.1 发展概况发展概况 近年来，随着现代电力电子技术、电机设计技术和控制理论的发展，电力驱动船舶设备应运而生。与此同时，船舶COx排放量、NOx和SOx等有害物质排放量以及燃油成本等已逐渐成为全球关注的问题。西方国家为减轻船舶对海洋的污染问题，相继出台了针对海洋运输业的节能环保政 作者简介：阎 涛（1980），男，硕士、高级工程师。研究方向：船舶辅机设备。2 cademic Research 技术交流 A 策，对船舶的污染排放指标出台了非常严格的标准，以控制海洋和港口的污染指数。伴随着船舶工业的技术发展与航运要求的日益严苛，电力驱动技术因在控制特性、维护等方面具有明显优势，得到了越来越广泛的应用，特别是各种风机泵类、绞车和空调等设备均采用电力驱动系统1-2。目前，世界各国对船舶设备的智能、节能、绿色环保的要求越来越高，易于控制、响应迅速、经济性高、环境友好的电力驱动化船舶设备发展迅速。船舶设备电力驱动化发展需求见图1。图 1 船舶设备电力驱动化发展需求 1.2 发展方向发展方向 从技术发展趋势来看，变频调速（Variable Voltage and Variable Frequency，VVVF）控制、矢量控制、直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）控制仍然是主要的发展方向2-3。1）变频调速（VVVF）开环控制。基于异步电动机的稳态数学模型进行电机转速、转矩和磁链控制，只控制电动机电流大小，不控制电动机电流相位。由于没有考虑电动机的动态数学模型，VVVF开环控制方式动态特性差，转速控制精度不高。一般而言，VVVF开环控制方式主要用于风机和泵类等对转速控制精度和动态响应要求不高的辅机设备。2）矢量控制。根据异步电动机动态数学模型，将电机电流分解为转矩分量和磁链分量，既控制电机电流大小，又控制电机电流相位，实现电机转矩和磁链的独立解耦控制。3）直接转矩控制（DTC）。基于电动机的动态数学模型，但不采取矢量控制对电流转矩分量和磁链分量进行解耦控制的思想，通过空间矢量电压表和“磅-磅”控制器，直接对转矩和磁链进行独立控制，其动态调速特性优越，稳态转速控制精度高。从设备发展趋势上看，电力驱动技术以机电装备控制需求为导向，迭代升级，同时带动机电装备性能的不断提升。工频电机驱动技术、变频调速技术、高频化控制技术、嵌入式控制技术、感知与信息交互技术将深入到船舶设备应用领域，在满足船舶基本功能和动力需求的基础上，进一步实现船舶速度和位置精准控制、低振动和低噪声、设备集成优化以及信息化和智能化，见图2。图 2 船舶设备电力驱动化发展方向 1.3 技术技术优势优势 船舶设备电力驱动化发展是大势所趋，是实现船舶智能化的基础，也是决定性环节。目前，电力驱动化发展主要方向包括变频驱动技术、自动控制技术、特种电机设计技术，并具有以下技术优势4：1）变频控制可实现设备驱动装置的无级调速，调速范围宽，调速响应快，可实现快速正反转，优良的控制性能、快速的响应能力可大幅提升系统运转灵活性、可操作性。2）风机泵类负载通过调节转速来改变流量，可以提高运行质量，减小设备磨损，延长检修周期和使用寿命，提升系统稳定性且节能效果十分明显。3）简化船舶设备机械结构和体积，减少液压管路油路，且易于拓展结构、便于系统集成，有利于船上灵活布置，为船舶智能化发展打下基础。4）整个装置维护简单，所需维护人员和维护工作量大大减小。3 2 国内外现状国内外现状 2.1 国外发展现状国外发展现状 世界著名的船舶设备制造商或集成商一般通过直接采购或者代工生产（Original Equipment Manufacturer，OEM）的形式，从已有著名变频驱动品牌（如ABB、SIEMENS、VACON、EMERSON、DENFOSS、ANSERDRIVE、安川、富士等）获得交流变频驱动装置，在与其机械液压设备集成后，向客户提供成套交流变频驱动辅机设备。国内外船舶设备变频驱动装置市场基本被以上国外品牌所占领。这些公司之所以能够占领市场，主要取决于4个方面：1）拥有系列化的交流变频驱动装置；2）变频驱动装置产品硬件类型；3）基于特定应用的专用软件/宏程序包极大方便客户使用；4）丰富的辅机设备和交流变频驱动装置应用经验支撑5。2.2 国内发展现状国内发展现状 与陆地应用不同，船用环境条件要求更高、更严苛、更复杂，如盐雾、霉菌、潮湿、高低温、振动和冲击等均是陆地应用条件所不具备的。目前，国外主要品牌产品均可适应船舶严苛的环境条件，并取得了主要船级社的产品和型式认可，而国内产品尚未取得相关证书。目前，国内高压、低压变频器厂商有很多，在陆地风机、泵类、提升设备和起重等领域应用广泛，如利德华福（被施耐德收购）、合康亿盛、新风光电子、明阳、成都佳灵、英威腾、汇川、森兰和普传科技等，研发出系列产品，如英威腾的 CHV/CHE100/CHF100、森 兰 SB20/40/12/50/80/100/200等以及普传科技的PI7000系列等。同时，国内产品均针对不同的负载类型开发了不同系列的变频器和应用软件，可根据用户要求进行选择。虽然国内厂商在陆用变频器市场占有一定份额，但基本都集中在风机、泵类等对调速性能要求不高的场合，在高性能调速领域，变频驱动装置市场仍被国外品牌所控制，特别是在船用变频驱动领域应用基本为空白，与国外品牌相差甚远。相对于国外产品，国内企业起步较晚，应用 经验和可靠性均相对欠缺，且面临着在国外著名品牌的夹缝中生存与发展的不利境地，因此国内变频器企业尚有很长的路要走。3 发展趋势分析发展趋势分析 交流变频驱动逐步取代液压驱动或恒速电机驱动的辅机设备，这既是节能和绿色环保的要求，也是船舶设备进行技术水平升级和更新换代的需求，更是船舶电气化发展的必然趋势之一。伴随国际海运装备的不断发展完善，未来船舶辅机电力驱动化发展趋势如下：1）全船设备变频驱动一体化、集成化、协调化设计与控制。目前，船舶设备采用变频驱动装置比较零散，是单个辅机设备根据自身要求配备变频驱动装置，往往变频驱动装置设计裕量大，造成浪费。未来，根据对各辅机设备运行工况的全面分析，采用全船直流配电技术等技术对全船辅机设备变频驱动系统进行一体化、集成化和协调化设计和控制，这将极大提高变频驱动设备利用率，降低系统总体成本。2）辅机设备、驱动电动机与变频驱动装置一体化设计。目前，辅机设备、电动机和变频驱动装置绝大多数是分立选择之后集成安装与调试，各设备间的匹配不足，往往造成设备之间性能匹配无法达到最优状态。未来，根据辅机设备负载特性和接口特点，从设备性能匹配角度出发，将对辅机实行一体化设计，实现性能和接口的最优匹配。3）伴随船舶设备电力驱动化发展和状态监测、信息远传遥控、自动控制等船舶信息化发展，未来以运行状态感知、自主决策控制、健康诊断管理和数据智能应用等为代表的全船智能化技术已具备研发条件。4 结论结论 根据本文研究，对船舶设备电力驱动化发展方向总结如下：1）试验验证。尽快建立船舶变频驱动统一发展设计和试验平台，大幅提高辅机设备电气化程度，提高辅机设备技术水平和全船集成性能。（下转第（下转第 8383 页）页）83 综上所述，在保证舵机最大转舵速度时，舵机在单机组和双机组正弦信号激励下均具有较好的跟踪性能，幅值衰减均小于5%；在频率为0.7Hz时，系统相位滞后约20.16。2）舵机系统精度 一对柱塞缸作业时，暂不考虑电器分辨力和其他干扰的影响，阶跃响应结果见图15，稳态精度为0.17，满足精度指标要求。图 15 舵机系统阶跃响应曲线 6 结论结论 本文重点描述了船舶高速舵机设计要素，采用前馈控制策略，可以明显提高系统的响应速度，同时减小跟随误差的振荡幅度，提升高速舵机系统的伺服控制性能，为实船装配提供理论基础。参考文献：参考文献：1 邓琦,邓攀,邱大宝.一种新型船舶舵机系统建模与控制研究J.船舶工程,2013,35(6):80-83.2 周伟,王平军.基于模糊 PID 的液压舵机动态仿真J.机床与液压,2010,35(9):222-223.3 聂松林,李芹,尹方龙,等.直驱泵系统的单神经元PID前馈控制策略J.北京工业大学学报,2019,45(9):821-830.4 于亮,秦伟然.变频液压舵机系统设计与分析J.机电设备,2022,39(4):65-69.5 陈黎,鲁套.液压式船舶舵机控制系统设计与仿真J.船舶科学技术,2014,36(12):78-81.（上接第（上接第 3 3 页）页）2）产业发展。在现有专业基础上，完善变频驱动专业发展，通过自主研发和OEM等模式，尽快形成国内变频驱动装置典型产品。3）体系建立。尽快建立船舶设备电力驱动化技术体系，形成国内标准和设计规范，构建产品序列，为实现全面的智慧电力驱动化打好基础。参考文献：参考文献：1 叶昊,郑唐文,戴菁.“长鲸 7”号全电力驱动耙吸挖泥船的开发设计J.船舶工程,2021,43(2):36-41.2 郑安宾,许汪歆,梁金雄,等.吊舱式电力推进应用及发展J.机电设备,2022,39(5):4-8.3 白洪芬,余波,顾伟.电力推进船舶电机无模型滑模控制策略研究J.船舶工程,2022,44(10):92-99.4 王娜娜,汪晓菲,王硕.船用燃料电池电力推进系统特性与展望J.机电设备,2022,39(2):39-43.5 廖林豪,高海波,林治国,等.船舶电力推进系统控制策略仿真J.船舶工程,2020,42(4):96-101.（上接第（上接第 5656 页）页）7 张贤福,刘丰,孙志刚,等.固定管板管壳式换热器瞬态热应力分析J.压力容器,2016(5):34-38.8 胡锡文,林兴华.管壳式换热器管板的有限元分析J.压力容器,2004(10):26-28.9 刘天丰,林兴华,童水光.基于有限元分析方法对换热器结构的改进设计J.机械强度,2004(6):706-709.10 张玉娇,孙静慧,张慧,等.有限元分析在平盖设计中的应用J.辽宁化工,2009(11):807-808.11 谭志洪,谢志刚,卢黎明,等.平盖与球冠封头加筋结构的有限元分析J.化工装备技术,2006(2):31-33.12 张延丰,宋秉棠.直流道交错流波纹板束:CN2809566YP.2006-08-23.13 刘治中.板式换热器板片传热与阻力性能及冲压成形工艺研究D.济南:山东大学,2016.14 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