“Christophe de Margerie” 号 (DSME H2418) 是Yamal 冰级液化天然气运输船系列的第一艘。该艘船舶配备Azipod® 型电力推进系统，并于2016 年/2017 年冬季进行了试航。本文的两个作者Bo-WonLee 和Michal Robenek 分别担任推进系统和 ACS6000 变频器的专家，随船进行冰区试航支持工作。冰区模式（Ice Mode）功能顺利处理了客户和船东的要求。该功能配备到 ABB 推进控制装置 （PCU），使用蒸发燃气作为原动机燃料，实现最大的破冰效果，因此，由DSME 和ABB 提出的构想成功通过了验证。
船舶
“Christophe de Margerie”（ 图1） 是 Yamalmax液化天然气运输船的第一艘， 用于从新建的萨贝塔港运输液化天然气，服务于俄罗斯北部的亚马尔（Yamal）气田。该船为俄罗斯公司Sovcomflot 所有并由其运营，是根据亚马尔油田项目要求建造的15艘系列船的第一艘。这艘船原为大宇造船（DSME）船号2418，按照IMO 号9737187 登记。“Christophede Margerie” 号长 299 米，宽 50 米，吃水 10.4 米，总吨位为 128806 吨, 夏季载重吨为96779 吨，能够将 172600 立方米的液化天然气，经北极高纬航区运往日本、韩国和中国市场。对冰区模式（Ice Mode）功能而言，更为重要的是，该船按ARC -7 级破冰设计，能够在冰厚达2.1 米的北极冰区航行。这艘船以船尾先行的方式航行（见图8），同时进行破冰。它使用ABB Azipods® 推进系统在冰板下面产生下压力，使冰板失去支撑，发生破裂，并脱落到低压水道，随后，从冰板脱落的冰片经过 Azipods® 推进系统研磨，最后，在破冰级船尾曲线形状和加强材的推动下，被驱散到船舶两侧。
推进系统结构
这艘船的主电力推进系统由三台破冰级、额定功率为15 MW 的 Azipod® VI 推进器组成，总推进功率为45 MW，具有推进和破冰两大功能。推进器变频器采用三台 ABB 顶级 ACS 6000 系列变频器，由两个对称电源和配电系统供电。每个对称电源和配电系统由三台 ABB 发电机组组成，其中，两台发动机组的额定功率为 12.5 MVA，另一台为 9.4 MVA，见图2 的单线图。
两侧吊舱单独由电力系统的相应供电端馈电。如某供电端发生故障，电力系统仍可向中吊舱供电（尽管电力所有减少）。因此，在任意一个供电端出现故障的情况下，两个吊舱均可用，从而保证船舶操纵性。
船舶破冰的考虑因素
对破冰（以及紧急停船）操作来而言，尤其重要的是，三台已安装的、额定峰值功率为5 MW 的动电阻装置（BRU），如图 2 中的BR1、 BR2 和 BR3 所示。另一个促进 “Christophe de Margerie ”号及后续的Yamalmax 液化天然气运输船破冰的重要因素是用于此项目的 ACS 6000 变频器已经完成参数配置、测试和调试，具备180% 过转矩能力，如图 3 所示。这比 ABB 通常为冰级船舶提供的 150% 过转矩高出30%。
借助过转矩，Azipods 推进系统能够在驾驶室发来稳定功率命令，而螺旋桨研因船舶对冰板进行机械研磨和粉碎而出现大转速差和抖动的情况下，提高持续转矩。在这种不稳定的情况下，即时转矩命令通道在推进控制装置（PCU）进行持续更新。推进控制装置（PCU）是专用的 ABB 控制器，实施和执行所有通用和特定的推进控制功能，包括冰区模式（Ice Mode）功能。周期和即时计算始终与驾驶室、破冰驾驶室、侧翼或机舱控制室（ECR）的控制杆发出的
命令成比例，并与螺旋桨的即时转速成反比。当螺旋桨转速因其在磨冰和碎冰期间与冰块发生摩擦而降低时，破冰和继续持续转矩操作所需的转矩提高。这样，即使转速骤降，螺旋桨提供的机械功率仍保持恒定，如图4 所示。
如果在操纵杆提供所需的功率数量的情况下，当相应功率曲线与180% 水平线相交时，螺旋桨的转速下降到临界值以下，则操作状态发生变化。变频器将转矩上限控制在180% 标称值。在这种情况下，在电气网络上会观察到负荷随转速的变化突然急剧下降。原动机调速器将根据燃气发动机的转速反馈设法降低燃气发动机的转速。如果转速充分急剧下降，在调速器的比例反应下，减速速率超过蒸发气引出燃烧时节气门的可实现弹性，则发动机控制装置会将燃料转换为更具弹性的船用柴油。如果即使原动机的船用柴油动力也无法满足减速速率，电气网络频率将不受控制地增加，安全保护装置最终会作出响应，使肇事部位或整个电气网络失电。
冰区模式（Ice Mode）功能
即使借助柴油原动机足够快地减速来满足转速下降，Yamalmax 液化天然气运输船的运营经济效率也会不足。如有可能，应通过蒸发气原动机进行破冰过渡航行，而在热力学上，原动机节气门响应必定更为缓慢。为了缩小螺旋桨对磨冰可能非常动态的响应与燃气发动机缓慢的节气门响应之间的差距，冰区模式（Ice Mode）功能动态地再分配或提高电力负荷，以平衡电气网络。
冰区模式（Ice Mode）功能基于推进控制装置（PCU）的交叉连通性，监控图 2 所示的电线图底部的三个推进区域。这样，重负荷会系统地作出响应，更好地补偿三个电气网络平衡原理模型：
- 通过按照蒸发气热动力学过程允许的最大速率降低原动机的速度来消除最大的多余发电量。
- 通过Azipods® 推进系统的备用容量（控制杆的指令功率和最大额定功率之差）收集剩余的多余发电量，其中，Azipods® 推进系统未发生功率损失，最大速率为ACS 6000 变频器允许的速率。
- 通过切换分闸电阻 BR1、 BR12 和BR13 收集剩余的多余发电量，假如分闸电阻 BR1、 BR12 和BR13 借助可能的、基于温度的互锁可用。这种冰区模式（Ice Mode）功能被称为负载柜功能。
此外，冰区模式（Ice Mode）负载柜功能明确处理在操作内燃机（无论何种燃料）时加速响应度和减速响应度之间的差异。一旦冰区失速吊舱负荷过零（并最终处于零），冰区模式（Ice Mode）功能主动降低原动机的速度，提前释放失速吊舱，并根据功率控制杆的设置继续操作。冰区模式（Ice Mode）通过有意地使电气网络失衡间接地提高原动机的速度，并指示进一步突增分闸电阻或备用容量吊舱的负荷。这会促使原动机变速器通过提高发动机的转速对电气网络频率下降作出响应。当达到额定发电量时提速状态停止，即使在失速吊舱配置下，或吊舱重新启动螺旋桨旋转，然后电气网络状态恢复至初始控制杆设置。
除冰区失速吊舱外的吊舱负荷增加原理如图 5 所示。通过负载柜功能等分闸电阻以及失速吊舱的功率过零主动提速增加负荷的原理如图 6 所示。
“Christophe de Margerie ” 号的冰区实验
2017 年 2 月 2 日，“Christophe de Margerie ” 号液化天然气运输船在大宇造船交付后在泽布吕赫液化天然气港装载首批货物，然后离港，开启冰区试航航程（如图 7 所示）。该船装载冰区试航参与人员从船厂和数个重要补给点启航，配备一系列工程支持功能。在越来越苛刻的条件下航行数天后（见图 8），“Christophe de Margerie ”号通过谢韦尔内岛北岬，从巴伦支海驶入喀拉海，随后开始遇到海冰。
系统和冰区模式（Ice Mode）功能的测试
就所述已安装的 ACS 6000 变频器的过转矩能力而言，在实现图 4 所示的原理中的理想平衡方面存在几个实施障碍，例如，速度反馈处理延迟，新转矩基准值的计算阻碍，推进控制装置（PCU）和变频器阵容之间的通信延迟，以及 LSB 抖动等多种测量缺陷，或 ADC 不准确。然而，即使考虑到这些因素，借助ABB 的推进控制算法，在冰区试航期间仍然可以实现消耗功率的高质稳定性（比如，电气网络的电力负荷），见图 10.
对于冰区模式（Ice Mode）功能来说，上述情况按破冰条件进行了严格测试，如图 9 所示。我们挑选了数个具有代表性的案例，展示图 5 和 图 6 中所设计和描述的原理。
以功率增强功能为例，图 11 中的典型记录趋势表示即使在施加全过转矩的情况下右舷 Azipod® 推进系统仍在厚冰中失速。因此，推进功率迅速从约 9 MW的控制杆功率下降到近 0 MW。在负责三个吊舱的三台推进控制装置（PCU）范围内实施的于冰区模式（Ice Mode）功能立即启动，确保通过同等地提高中央和左舷 Azipod ® 推进系统的负荷来重新获得损失负荷。这样，每个吊舱的功率在其约 9 MW 的控制杆功率的基础上提高约 4.5 MW，也就是，吊舱在接近 13.5MW. 的峰值性能下临时运行。一旦失速螺旋桨摆脱厚冰，推进功率便开始下降回到初始功率基准值，增强吊舱释放增强功率，使之下降到各自的初始基准值，并使电气网络平衡，回到其初始状态。
对冰区模式（Ice Mode）的分闸电阻增强功能而言，当船舶穿透约 500 m 长，冰板厚度为 15 至 18 m 的厚冰脊时进行最为严格的应力测试。在这些条件下，随着三个 Azipods® 推进系统全部在 15 MW 的峰值性能下运行以推动磨冰进度，两个吊舱同时承受厚冰负荷，导致 23 MW 的总推进功率损失，如图 11所示。
负载柜功能协调推进控制装置（PCU）的全部三个电气网络，每个电气网络轮流以协调方式指令分闸电阻排 BR1、BR2 和 BR3，产生总耗散功率，如图 11 中的黄色部分所示。此响应适度降低了总负荷变化量（黑色线），这样，双燃料发动机的电子控制单元（ECU）可以遵循这些变化量，同时继续向发动机馈送蒸发气，而不是切换到船用柴油。安全防护装置和互锁没有启动，即使在累计功率损失达 23 MW 的3 秒内，以及随后累计功率损失达 10 MW 的下个 7 – 8 秒内，直到回到标称的操作状态。
总而言之，作者以及ABB 海事与港口的整个技术和工程组织，非常自豪地看到在一个雄心勃勃的交付期限内为客户提供敏捷的创新，以及在这么苛刻的环境对其性能进行测试。两位作者是四人小组的成员，该小组全体对冰区模式（Ice Mode）功能进行构思、设计、实施、测试、调试和试航。这两位作者还随船证实所有开发的功能和已安装的硬件设备均运行畅顺，无任何故障。冰区试航仅用 6 周时间，业余时间充裕。试航期间在“Christophe de Margerie ” 号上拍摄的 ABB 船上定员合照中，从右至左分别是 Michael Robenek 和 Bo-Won Lee，显而易见，他们无比轻松、满意和自豪。ABB 期望全部 15 艘具备 ARC -7级破冰能力的 Yamalmax 液化天然气运输船最后采用高性能的 ACS 6000 变频器和运行冰区模式（Ice Mode） 的 AC800 推进控制单元（PCU）控制器，借助蒸发气发动机在整个北极航线上持续、经济和安全的航行。
*ABB 冰区模式（Ice Mode）- 北极液化天然气项目的智慧、互联、安全的解决方案
M. Barisic, B. Gundersen, M. Robenek, H. Knappskog
ABB 动力时代 2016. p. 100-10