九艘巴拿马型散货船的谐波合规性: CSL 集团和五大湖航道 — Mirus International
| 客户 | CSL集团公司. — 蒙特利尔, 魁北克 (全球最大的自卸船运营商) |
| 船厂 | Chengxi Shipyard Co. Ltd., Jiangyin City, 中国 |
| 舰队 | 9 巴拿马型自卸散货船 |
| 需要认证 | 劳埃德登记处 + 美国船级社 (ABS) — 总谐波失真 < 5% |
| 海上试验中的 THDv | 几乎 35% — 超出限制约 30% |
| 谐波滤波器 | Mirus Lineator AUHF — 适用于每艘船上最大的 VFD |
| A组 (4 船只) | 4 × 400 HP 卸料输送机驱动器 + 2 × 400 HP 压载泵驱动器 |
| B组 (5 船只) | 4 × 400 HP 卸料输送机驱动器 + 2 × 350 HP 压载泵驱动器 |
| 后置滤波器 THDv | 好在里面 < 5% 在所有九艘船上 (解决方案™ 模拟确认) |
| 运营路线 | 五大湖航道 (德卢斯, 明尼苏达州 至 圣湾. 劳伦斯) + 蓝水国际 |
01 操作环境: CSL集团和巴拿马型船队
CSL集团公司. 是一家总部位于蒙特利尔的私营航运公司，也是全球最大的自卸船所有者和运营商. 其船队运输干散货——铁矿石, 粮食, 煤炭, 盐, 聚集体, 糖——面向整个建筑行业的客户, 钢, 活力, 和全球农业食品工业. CSL 交付超过 70 每年百万吨干散货.[1]
CSL委托澄西造船有限公司建造9艘新巴拿马型自卸船. 有限公司. 位于江阴市, 中国. 巴拿马型船是指能够通过巴拿马运河的最大船舶类别，其设计旨在适应运河的最小船闸尺寸，同时承载最大允许的货物. 这些不是小船.
九艘船中的四艘被指定用于五大湖航道运营——德卢斯号, 明尼苏达州 到 圣湾. 劳伦斯路线 — 作为湖人延龄草级单位. 其余五架为远洋蓝水国际航线. 这两个类别都需要劳氏船级社和美国船级社的认证 (ABS) 投入使用前, 并且两个认证机构都施加了硬性限制: 总谐波电压畸变率 (总谐波失真) 船上供电系统不得超过 5%.[2][3][1]
无花果. 1. CSL船舶 拜伊街. 保罗 — 四艘 Laker Trillium 级巴拿马型自卸船之一，前往五大湖航道运营. 源: 米鲁斯国际 / 中超集团.[1]
02 发现号: 30% 海上试验中超过 THDv 限制
在中国海试期间, CSL发现船舶上存在THDv’ 供电系统超过 5% 劳合社/ABS 限制约为 30% — 意味着测得的 THDv 在 30–35% 范围内. 在这个问题得到解决之前，这些船舶无法获得认证，也无法投入使用.[1]
CSL 聘请 Mirus International 为整个机队提供谐波缓解解决方案. Mirus 从他们的标准方法开始: 模拟优先, 然后进行现场测量以验证模型.
2.1 使用 SOLV 进行仿真™
Mirus 工程师使用他们专有的 SOLV™ 谐波仿真软件可对每艘船舶的完整电力系统（发电机）进行建模, 分布架构, 以及各种运行条件下的所有 VFD 负载. 模拟产生了认证机构要求的关键测量点的预测 THDv 水平.[1]
2.2 机载现场测量
验证 SOLV™ 模型, Mirus 工程师登上其中一艘船并进行现场谐波测量. 现场测量的 THDv 值与 SOLV 密切匹配™ 仿真预测和 CSL 自己的海试测量——确认仿真模型准确地代表了实际船舶电气系统. 这份三方协议 (模拟, 米鲁斯野外测量, CSL海试) 对过滤后的预测充满信心.[1]
03 现代散货船上的 VFD 负载: 为什么谐波不可避免
CSL 巴拿马型船舶代表了散货船设计的最新技术水平. 整个过程中都部署了变频驱动器——而不是事后才想到的, 但作为核心效率策略:[1]
- 推进器驱动器 — 船舶操纵和位置保持
- 压载泵驱动 — 纵倾和稳定性管理 (2 × 每艘船 350–400 HP)
- 自卸输送机驱动 — 自卸船的定义能力; 输送机系统无需岸基设备即可卸货 (4 × 400 每艘船的马力)
- 通风风扇驱动器 — 货舱和机器处所通风, 速度控制以提高效率
这些驱动系统均提供真正的运营优势: 减少部分负载时的燃油消耗, 精确的速度控制, 减少机械磨损. 但总的来说, 它们代表了完全由船上发电机供电的船舶电力系统上高度集中的 6 脉冲非线性负载 - 相同的高源阻抗, 本系列之前的案例研究中遇到的孤岛系统问题, 船队规模扩大至九艘.
3.1 卸料输送机——集中谐波源
自卸输送机系统是 CSL 船舶的标志性技术，也是船上最大的谐波源. 四 400 同时运行的 HP 输送机驱动器代表 1,600 单船母线上6脉冲整流器负载的HP. 当这些驱动器在货物卸货期间满负荷运行时——也就是船舶靠近港口时, 以有限的发电机冗余运行 — 船舶电气系统上的谐波负载达到最大值.
这是海上试验必须证明符合的最坏情况, 而正是这样的场景产生了 30%+ THDv 超标导致认证受阻.
04 解: 最大驱动器上的 Lineator AUHF, 整个舰队
4.1 过滤器放置策略
仿真分析后, Mirus 工程师建议将 Lineator AUHF 滤波器应用于每艘船上最大的 VFD，特别是输送机驱动器和压载泵驱动器. 这种选择性放置策略反映了谐波抑制的重要原则: 最大的驱动器产生最大的绝对谐波电流，因此对总线 THDv 的影响最大. 减轻主要谐波源即可实现合规性，无需在每个驱动器上安装滤波器.[1]
| 船舶组 | 船只 | 输送机驱动器已过滤 | 压载泵驱动过滤 | 总过滤能力 |
|---|---|---|---|---|
| A组——五大湖 | 4 | 4 × 400 HP | 2 × 400 HP | 2,400 每艘船的马力 |
| B组——海洋 | 5 | 4 × 400 HP | 2 × 350 HP | 2,300 每艘船的马力 |
4.2 模拟确认合规性
解决方案™ 安装了 Lineator 滤波器后的模拟显示 THDv 降低到很好的范围内 5% 劳合社/ABS 对所有九艘船舶在所有操作条件下建模的限制. 模拟和现场测量之间同样紧密地吻合了预过滤器基线的特征，这使人们相信后过滤器模拟结果是对海上试验将确认的内容的可靠预测。.[1]
无花果. 2. CSL 巴拿马型自卸船的甲板视图，显示了输送机基础设施. 四个 400 HP 输送机驱动器是船舶总线上的主要谐波源，也是 Lineator AUHF 安装的主要目标. 源: 米鲁斯国际 / 中超集团.[1]
05 电能质量视角: 这个案例研究说明了什么
5.1 在海试中发现谐波问题——一种反复出现的模式
CSL 案例与本系列前面研究的海上服务船案例具有相同的结构特征: 船舶设计期间未验证谐波符合性，仅在海上试验中发现. 在这两种情况下, 在所有主要负载同时运行的实际操作条件下测试电气系统之前，船舶已建造完毕并准备投入使用.
这种模式是可以预防的. 在设计阶段（造船厂建造之前）进行谐波仿真可以确定计划的 VFD 补充是否会在所有操作场景下产生合规的 THDv. SOLV 的成本™ 设计阶段的模拟只是施工后改造解决方案成本的一小部分. 对于九艘船的船队, 早期谐波分析的论点是令人信服的.
5.2 选择性过滤器放置——主导源策略
当谐波预算由一些大负载主导时，决定仅过滤最大的驱动器（输送机和压载泵）而不是船上的所有驱动器是正确的工程方法. 6 脉冲整流器谐波电流幅度大致与驱动器尺寸成正比. 四个 400 HP 输送机驱动器和两个 400 HP (或 350 HP) 压载泵驱动器总共代表每艘船大约 2,300–2,400 HP 的非线性负载. 其余驱动器——推进器驱动器, 通风扇——较小，对公交车 THDv 的贡献, 而真实的, 是次要的.
过滤主要来源将 THDv 控制在 5% 限制. 过滤每个驱动器会增加成本和复杂性，而不会成比例地提高合规裕度. 解决方案™ 模拟准确量化了每个滤波器放置产生的改进程度, 能够在订购任何硬件之前验证选择性策略.
5.3 作为工程工具的模拟测量协议
SOLV 之间紧密的三方协议™ 模拟, 米鲁斯野外测量, 而CSL自己的海试数据作为方法论点值得强调. 在实施解决方案之前根据独立的现场测量验证仿真模型, 解后模拟结果具有真实的预测权重. 这与单纯的模拟不同, 这取决于输入数据和假设的准确性.
对于九艘船的船队, 登上每艘船进行过滤后测量将非常耗时且成本高昂. 经过验证的模型使得在整个船队中应用相同的过滤器规格是合理的——一旦模型在一艘船上被确认准确, 其他人的预测是可靠的. 这是作为工程工具的模拟, 不作为销售演示.
参考文献
- [1] 米鲁斯国际公司, “案例研究: CSL集团公司. — 巴拿马型船舶谐波缓解,” 应用案例研究, 布兰普顿, Ontario, 加拿大. 可用的: mirusinternational.com
- [2] 美国船级社 (ABS), “电力系统谐波控制指南,” ABS, 休斯顿, TX.
- [3] 劳埃德船级社, “船舶入级规则和规则,” 劳埃德船级社, 伦敦, 联合王国.