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作为一座令人叹为观止的巨型海上浮动仙境,全长361米的海洋绿洲号相比其前辈吨位更大,功能更齐全,而其总能效却提高了15%至25%,并且有效降低了乘客的单位碳足迹。
HVAC(暖通空调)是船上除推进系统之外最主要的耗能设备之一,其能耗约占船舶总能耗的30%。因此,海洋绿洲号采用了一套精密复杂的HVAC监控系统。据该船船东皇家加勒比海游轮有限公司(RCCL)估计,其节能效果近30%。
海洋绿洲号采用的空调系统是RCCL与芬兰Koja Marine公司之间重要合作项目的结晶。Koja Marine公司以向世界上的顶级豪华邮轮提供空调系统而著称,RCCL于2004年即开始了与其在新技术及系统优化领域的合作。
船上各区域的具体功能及乘客数量不同,其空调系统的需求也各不相同。Koja Marine公司利用其在陆基HVAC系统方面的丰富经验,设计了一套舒适度更高,占用空间更小的高能效系统,其中,空气调节装置采用直驱式变频风机,并配备不锈钢外壳,而350台丹佛斯VACON®变频器对风机设备的无级变速控制,成为帮助Koja Marine公司成功应对这一挑战的技术王牌。
丹佛斯变频器控制着舱房及公共区域的温度、通风量及湿度,以确保船上的空气质量最优化。在检测舱房及公共区域的二氧化碳水平后,借助变频器调节相应风机的运行,由此实现能耗优化。
丹佛斯VACON®变频器内置的工厂预装应用宏使其在海洋绿洲号上的应用中拥有众多明显的优势。应用宏的普适性使得绿洲号上的各种工艺控制及监测任务均可通过变频器完成。在VACON® I/O卡上接有多个现场I/O:一部分用于通过Profibus现场总线进行船舶自动化控制,而另一部分则在空气调节装置处于本地控制模式时,对变频器进行操控。
海洋绿洲号是第一艘采用Profibus总线实现变频器对船舶空调系统进行控制的邮轮。现场总线技术可减少系统布线及连接点数,节约安装、调试及维修成本,并增强系统的容错能力。同时,现场总线技术还为系统控制及监控过程中的各种测量及控制数据留下了几乎不受限制的拓展余地。
自2000年以来,已有数千台VACON®变频器应用于控制Koja Marine旗下20艘豪华邮轮上Koja空调系统中的风机,这些邮轮大部分巡弋在加勒比海上。变频器功率一般在50kW以下,大部分为IP54封装,电源电压380-500V,具有高等级的防潮能力。
海洋绿洲号共装有约400台丹佛斯变频器,除对空调系统风机进行控制以外,尚有50台变频器控制着船上的其它设备。另外,在计划于2010年10月首航的海洋魅力号(海洋绿洲号姊妹船)上,同样采用了配备丹佛斯变频器的Koja Marine空调系统。
Geo Celtic号是目前世界上吨位最大,技术最为先进的3-D地震科考船,主要用于海上石油勘探中的时移地震数据的采集和监测。该科考船装备的柴电推进系统由斯堪的纳维亚电气系统公司(SES)提供,采用了丹佛斯VACON®水冷型有源前端(AFE)驱动方案,具有高效,节能,安全,低噪音的特点,已成为同类型应用中的典范。
Geo Celtic号全长100.8米,在28米宽的锚链甲板上装有12台拖缆绞车。其设计面向准确,有效,安全的地震数据监测,具有运行成本低,抗风浪能力强,内/外弦噪音低等特点。
由SES提供的柴电推进系统是目前同类应用中比较具有吸引力的解决方案。在Geo Celtic号中,柴电推进系统的总装机容量为11,000kVA。其它系统设备包括大停电预防系统,带有功率管理系统的主配电盘和应急配电盘。
以水冷型有源单元(AFE)为代表的VACON®共直流母线产品系列,包括各种类型的前端单元,逆变单元和制动单元,功率范围最大可达5MW,电压范围从交流380V到690V。作为共直流母线系统中的双向(可回馈能量)整流装置,AFE在输入侧配装外部LCL滤波器,可完全满足海上船舶对于电网低谐波的要求,其总谐波失真(THD)极低,这有助于设计更为简单的电力系统且无需使用移相变压器。
VACON®水冷型有源前端(AFE)主要用于Geo Celtic号的主推进装置(2x4200kW),以及5台推进器(3x1400kW,2x2000kW)。通过将电力分配给一台或多台AFE单元,可由多台小型柴油发动机替代1或2台大型主发动机。在实际运转过程中,投入使用的逆变器数量取决于推进器的功率要求,因而可在部分满载的情况下优化其净功率因数。
该方案的主要优势在于可有效避免在系统运行的整个过程中自始至终均使用全部的发动机。例如,如果船舶正在减速行进,则可能只需一台发动机;而当需要船舶快速前进并迅速到达某一目的地时,就需要让所有的发动机都运转起来。这种灵活性实质上带来了明显的节能效果,同时保证了最佳的动力输出。
VACON® NXP水冷型AFE单元一般将水作为冷却剂,与同等规格的空冷型单元相比,拥有结构紧凑,静音运行的特点。同时,由于柴油机与推进器之间不存在机械连接,因此推进装置的各种部件可以安装在船上最合适的位置,从而大大节省了空间,并减少了开关装置的费用支出及其占地。
在整个系统的集成化解决方案中,VACON®应用宏软件在一些重要环节起到了不可替代的作用,例如,在其特有的大停电预防系统中,必须采用VACON®应用软件的某些特定功能,这对于保证整个系统的安全,可靠,不间断运转具有重要意义。
Pioneering Spirit号是全球最大的海工船,由瑞典Allseas公司设计建造。主要的作用是用于整体安装和拆除大型的海上钻井平台(可以把平台上部模块整体拆除,并可以把下部导管架部分整体拔出拖走),同时,还配备了管道铺设设备,2000吨的张紧器能力是目前世界上已运营的最大的铺管船Allseas的Solitaire的2倍。
Pioneering Spirit号船全长382米,宽124米,船体由两艘油轮一样的船体并联在一起成为一艘双体船,船体之间间距59米,起重能力达4.8万吨,相当于能够托起一艘中型的航空母舰。起重系统要求可以在北海恶劣海况下正常工作,可以拆除1万吨以上的平台上部模块,最大可拆除70米高的导管架。
除了12个中压推进变频器以外,Pioneering spirit号上数量众多的440V空冷和水冷变频器均采用VACON® AFE有源前端变频器。
上海振华重工承建了Pioneering Spirit号上的11台起重机,包括5台船用行车、2台船用龙门吊和4台船用克令吊。其中5台行车由于需要到甲板作业,采用了IP66防护等级的变频柜,确保变频器在恶劣的环境条件下仍然能够稳定运行。而其他的变频柜的防护等级采用的是IP23。
所有变频柜都采用了VACON® NXP共直流母线产品,包括AFE整流器和INU逆变器。AFE变频技术在船舶及海工应用中具有显著的优势,首先其谐波含量低,在任何工况下THD都小于5%,能够满足船级社对谐波失真的要求。其次,无需进线变压器,占地面积小,减少设备重量。同时,AFE变频技术可以使制动能量反馈回电网,无须配置制动单元和制动电阻。由于该船上的变频器数量巨大,所以采用AFE变频方案是最佳的选择,即可以满足总的系统的谐波要求,省掉移相变压器,又通过把制动能量集中处理的方式,大幅减少了制动电阻的配置。
AFE共直流母线不锈钢变频柜,防护等级IP66
AFE共直流母线变频柜,防护等级IP23
整套系统采用的VACON® NX共直流母线产品基于模块化设计理念,结构紧凑牢固,采用闭环矢量控制模式,具有极高的速度和转矩精度,其速度误差小于0.01%,转矩精度小于2%,并可在包括0速在内的任何速度下实现满转矩控制。所有变频器内置了VACON®船舶专用应用宏,具有满速或常速控制模式,能够进行转矩柔性控制,以及防止发动机熄火的快速功率极限控制,可实现驱动器之间用于速度/负载分配的快速通讯,从而有效地满足对电缆与管道铺设,起重机与升降机控制。
项目于2011年开建,于2013年上半年完成发运,振华重工派出专业安装队伍,配合船东进行安装和调试。在该项目中,振华重工设计建造的行车首次进入海工领域,其提供的行车与龙门吊将参与管路的运输环节,起重量为100吨,远超国内船用维修用行车10吨的起重能力。
J.M. Martinac Shipbuilding公司位于华盛顿州塔科马,自1924年起就开始建造船舶。公司以渔船起家,多年来已经建造了300多艘各种船舶。Martinac的最新项目Northern Leader号是美国乃至全球最大的延绳钓渔船之一,并且全部采用环保理念设计建造。
Northern Leader号在2013年1月26日满潮时下水,并于春天在西雅图的Puget Sound进行了适航性海试。该船是有史以来最大也是最环保的商业渔船之一,长达184英尺(56米),总重量为1600吨。该船隶属于阿拉斯加领导者渔业公司,驶出阿拉斯加Kodiak岛后,将在北太平洋、白令海和阿留申群岛海域进行延绳捕鱼作业。
Northern Leader号由位于西雅图的Jensen Maritime公司(Crowley子公司)设计,所选设备高度环保特性以最大限度降低对海洋生态的影响,而且还能保持最低的化石燃料排放。同时该船采用全柴电驱动,可实现更低排放和更高的燃油效率。
Northern Leader号的推进器来自Schottel公司,是首个采用Z-Drives驱动系统的延绳钓渔船。其中Schottel是全球知名的专业推进器制造商。船上有两个Schottel Z-Drive吊舱推进器,各由一台1000 kW VACON® NXP水冷型变频器控制,还有一个隧道推进器,由一台300 kW VACON® NXP空冷型变频器控制。VACON® NXP装置均为双向(再生)有源前端设备,适合需要低电源谐波的应用。柴油发电系统包括四台额定功率715 kW的Caterpillar C32发电机组、一台额定功率425 kW的Caterpillar C18发电机组和一台额定功率238 kW的Caterpillar C9发电机组。
J.M. Martinac Shipbuilding公司总裁Joe Martinac说道:“我们之所以选择采用有源前端技术 (AFE) 的VACON® NXP变频系统,主要是因为它们可以为船舶系统提供最佳的性能、紧凑的尺寸以及最小的谐波畸变。再加上能够增强船舶控制能力的Schottel Z-Drives,几乎能完美满足船长随时随地的动力需求。可随时根据动力需求进行在线定制的发电机功率,结合柴电推进系统的高效率特性,可以完美适应延绳钓作业时不断波动的动力需求。加拿大Techsol提供的自动功率管理系统在任何工作条件下都能确保实现最佳效率。”
Northern Leader号采用环保设计以减少浪费,并可通过全面利用低价值的主副产品实现捕捞价值的最大化。该船还可存放各种捕捞工具,以便重复使用,避免了以前随意丢弃捕捞工具的现象。
“National Marine Fisheries认为,目前的捕捞业已达到全部海洋捕捞容量的百分之十二,”Alaskan Leader Fisheries总经理Nick Delaney说道。“业界必须确保可持续的渔业捕捞,才能满足这个极限的要求。Jensen设计了这艘新型延绳钓渔船,以维持负责任且可持续的捕捞,并满足这个极限的要求。Northern Leader不仅是全球最大的延绳钓渔船之一,也是有史以来最环保的船舶之一。”
Northern Leader是一艘采用最新技术的捕鱼船,于2013年7月31日在美国华盛顿州西雅图市投入使用。船身长184英尺(56米)、宽42英尺(12.8米)、深18.75英尺(5.7米)。
船上有31名负责捕鱼和加工的船员,拥有38000立方英尺(1076立方米)以上的冷冻舱,冷冻容量可达1867000磅(大约847000千克),是所有延绳钓渔船中冷冻舱容量最大的船舶之一。每天的最大冷冻容量为153000磅(69400千克)。
延绳钓是一种商业捕捞技术,在捕捞点放下延绳(也叫主线)进行捕捞,每隔一段距离安装有带鱼饵的鱼钩。Northern Leader使用挪威Mustad Longline AS公司设计的Mustad自动收线超级捕鱼器,可布放76800个鱼钩。主线长度可达45英里(72千米)!
题图由于极大地降低了燃油消耗以及CO2和NOx的排放量,
MV Viking Legend号已成为同类船舶中环保的典范。
维京(Viking)游轮公司是世界上最大的内河游轮业务运营商,业务遍及欧洲、俄罗斯、中国和埃及的主要河道。2009年7月,该公司旗下的MV Viking Legend号从荷兰的阿姆斯特丹出发,开始了她的处女航,并最终到达匈牙利的布达佩斯。这是世界上首艘采用柴电式主推进和供电系统的内河游轮,其异步发电机和推进电机采用变频调速。与常规柴电推进系统相比,该系统无需占用大量空间的开关柜系统,这对于空间有限的船上应用是一个极大的优势。该系统由德国电子电力船舶解决方案专家GmbH &Co. KG(e-ms)设计,采用Vacon®水冷式变频驱动技术及德国AEM公司的异步发电机和电动机。
MV Viking Legend号全长超过135m,宽度为11.4m,拥有98个豪华特等客舱,可容纳189名乘客和50名船员,是欧洲最大的内河游轮之一。该船主推进系统包括四支电力驱动的Schottel全回转舵桨。推进系统和船载电网所需的电力由三台柴油发电机组提供。发电机组的额定容量为2x1000kW和1x560kW,这样,船载电网和推进驱动器所需的大部分电力均可由两套柴油发动机提供。实际上,仅需一套发电机组即可确保船舶的可靠运行。
MV Viking Legend号的主推进系统、应急推进系统和供电系统被整合为一个紧凑的高冗余度共直流母线网络解决方案,该方案符合欧洲有关内河游轮运营的最新法律和规定,以及Germanischer Lloyd船级社的技术要求。
该创新系统优势众多,包括可大幅度减少燃油消耗及CO2和NOx的排放量。在任何时刻,该船的能源需求均可自动计算出来,发动机只产生和供应实际所需的能量。这使得该船比同类船只减少了20%的能耗。高效的系统特性同时提高了这艘135米长的船只在狭窄河道航行的机动性,并极大地降低了维护成本。
噪音与振动是影响船上乘客和船员舒适度的主要因素,MV Viking Legend号利用4个小型螺旋桨代替了2个大型螺旋桨,并对引擎室进行了隔音处理以进一步降低噪音和振动,为乘客提供了更加安静舒适的旅行环境。
MV Viking Legend的集成化柴电推进和供电网络概念被命名为“e-power pack“。该方案在测试期间表现的非常可靠,这来自于丹佛斯与AEM所提供的创新型设计及其与船舶应用技术的完美结合。得益于创新性的直流电压与功率控制方案,以及高效的负载管理系统,新型柴电推进系统中无需配备制动斩波电阻和类似设备。因此,在共直流母线系统的负载出现各种变化的情况下,“e-power pack”均可快速响应。实践证明,即使在负载突然变化的情况下(从50%到100%),也没有任何负载环节出现任何性质的频率或电压变化。
除内河游轮之外,“e-power pack”亦可广泛用于近海供应船、货船、其他内河船舶和大型游艇。尤其是货船,因为其运营必须遵从严格的环境条件限制,同时保证高效率的运行,因此集成轴带发电机的混合推进概念对其特别有用。
MV Viking Legend号配备的所有丹佛斯VACON®变频器均接入一个带负载平衡的公共直流母线网络,其主要用途包括:
Carolyn Dorothy号是全球首艘真正意义上的混合动力拖船,拥有5000马力的强劲动力,以及绿色环保,低噪音航行的优越性能,主要从事于协助油轮、货轮等船舶离靠码头,进入泊位等港务工作。丹佛斯变频驱动技术在其混合推进系统中扮演了重要角色。
海运拖船经常面临负荷的随时变化,但传统动力系统的输出总是保持不变的,因此传统拖船的效率低,运营成本高,且对环境影响极大。Carolyn Dorothy号的混合动力系统由美国Foss公司与位于加拿大的Aspin Kemp & Associates (AKA)公司及其子公司XeroPoint合作开发,通过配电系统与主马达的高效配合,既可保证强劲的动力和灵活的操控性,又降低了燃料消耗和环境污染,并可通过岸电电源或船载的发电装置对船上电池进行充电。
丹佛斯通过其在美国长期的合作伙伴伊顿公司向AKA提供Carolyn Dorothy号混合动力系统所需的变频驱动装置,其中包括两台750kW水冷型变频器(525-690V),用于控制主传动电机和发电机;此外,两台325kW的有源前端(AFE)单元(525-690V)向辅助柴油发动机的逆变器和蓄电池供电。
AFE是共直流母线系统中的双向(可回馈能量)整流装置,包含一个可回馈供电桥和一个被动LCL滤波器。作为一种先进的交流驱动解决方案,AFE在船舶上的应用可谓一举两得:既可有效地抑制谐波失真,使电压直接供客舱使用;同时还可将多余能量回馈到电网。AFE的谐波失真小于5%,可轻松满足有关谐波抑制的所有要求,同时其功率因数高达0.99,能够全面满足发电机及其他负载的驱动需求。
传统拖船的发动机往往有50%的时间处于空转状态,并没有真正用于推进工作。与之相比,新型混合动力拖船在保证提供相同的动力和系泊拉力的同时,可由动力管理系统控制发动机在无需其工作时予以关断,从而彻底告别了发动机空转时代。同时,新型混合动力拖船的推进模式更加灵活,适应性更强,可在纯油、油改电、油电混合和纯电动模式下航行。
混合动力拖船正成为海运行业的重要技术发展趋势之一,Carolyn Dorothy号的成功投运在海运拖船减少有害气体排放和燃料消耗方面迈出了重要的一步,对于该领域的绿色环保进程具有深远的影响。
Carolyn Dorothy号技术参数
2009年1月23日,美国南加州,约三百位来自各界的代表共同见证了全球首艘真正的混合动力拖船的问世。当Carolyn Dorothy号在长滩港口揭开其面纱时,一艘来自洛杉矶的消防船对其致以喷水礼
Baltika是全球首艘倾斜式破冰船,也是一艘多功能紧急救援船。船上的全回转主推进器由位于芬兰Rauma的Steerprop公司提供,且采用VACON®交流变频器进行控制。与传统液压转向系统相比,现代化的驱动控制更加精确、可靠和安静,并且具备占用空间小、易于安装等诸多优势。
Aker Arctic Technology公司采用Aker Arctic ARC 100理念设计建造Baltika,并自2014年开春以来已在芬兰湾执行多次破冰、救援和浮油回收任务。该船采用了全新技术、倾斜式专利设计以及配备三台全回转推进器的非对称船体,能够高效运行,且前后两个方向都能破除1米后的冰层。Baltika在倾斜模式下(横向)可清理出50米宽的通道(0.6米厚的冰层)。此外,Baltika采用了一种非常先进的漏油回收系统,适用于大浪或极具挑战性的严苛条件。
三台柴油主发动机的总功率可达9 MW,总推进功率为7.5 MW。Steerprop生产的机械推进器完美地结合了卓越的可靠性、高效率、环保和低成本特性。18台VACON® NXP交流变频器 (72 A) 用于控制推进器的转向,使船能够向前、向后和倾斜航行。“通过变频器控制全回转推进器可确保船只始终处于正确位置,同时使其正确转向,即可实现Baltika的横向航行。重要的是,Baltika在横向航行时依然可破冰,从而为更大型船舶清理出一条更宽的冰上通道,”Steerprop公司自动化部经理Aarno Niemi解释道。
VACON® NXP变频器安装在非常靠近推进器的位置,两者之间通过Profinet现场总线进行通信。驱动器具有IP54外壳防护等级,支持壁挂式安装,且无需开关柜。
Steerprop公司自2001年起开始在其船舶项目中使用VACON®变频器。“VACON®变频器主要有控制船舶转向、润滑泵中电机以及控制滑动离合器三大用途。截至目前,在我们的项目中总共已使用超过2250台VACON® NXS和VACON® NXP交流驱动器,”Niemi先生介绍道。
SP 60 PULL,用在Baltika上的Steerprop Arctic Azimuth推进器
长76.4米,宽20.5米,是首艘采用倾斜式破冰设计的船舶。在倾斜模式下,该船能清理出50米宽的通道(0.6米厚的冰层)。该宽度是船舶宽度的两倍以上,从而大大提高了成本效益。伟肯提供了18台VACON® NXP交流驱动器,用于控制Steerprop的三台360度回转推进器,从而确保船舶可在横向以及前后方向上高效运行。