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踏浪而行,不忘初心
——专访上海海事大学物流工程学院副院长许晓彦
2016-06-03 11:14:17  作者:  来源:中国设计师网  
  •   《警世贤文·勤奋篇》中有一句流传甚广的谚语——“宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来”,现担任上海海事大学物流工程学院副院长的许晓彦教授一直将它视为自己的座右铭。因为他坚信,对于自己所取得的一切研究成果,皆如宝剑和盛开的梅花一般得来不易。

  《警世贤文·勤奋篇》中有一句流传甚广的谚语——“宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来”,现担任上海海事大学物流工程学院副院长的许晓彦教授一直将它视为自己的座右铭。因为他坚信,对于自己所取得的一切研究成果,皆如宝剑和盛开的梅花一般得来不易。不忘初心,默默奋战在教学前线的许院长用自己的努力和坚守,为我国船舶电能质量研究做出了卓越贡献。

上海海事大学物流工程学院副院长 许晓彦

  上海海事大学临港校区距临港新城中心滴水湖3公里,距上海市中心约70公里,面向东海,紧靠东海大桥北桥头,使其与上海航运中心、洋山深水港隔海相连。“临港新城是德国人设计的,这里空气清新,环境优美,业余之时我也会在这里跑步、打篮球,对我的工作和生活都大有益处。”许院长对校园的喜爱溢于言表。同时,上海海事大学也是许晓彦的母校,正是在这里,许晓彦通过对船舶电气自动化的学习,一步步接触到船舶电能质量,从而明确了研究方向和人生目标。

  树立决心,勤奋苦读

  1989年6月,许晓彦参加高考并顺利考入上海海海事大学(原上海海运学院),开始了船舶电气工程及其自动化专业的四年本科生涯。在此期间,在学校组织下,他经历了两次难忘的航海之行,虽然时间已过去很久,但许院长对此仍记忆犹新。“1992~1993年初,我有幸乘坐学校的万吨轮,参加过两次航行,这两次航行的目的地都是新马泰地区。当时我国旅游业并不发达,能够去那里十分不易。”

  正是在航海之时,许晓彦对船上的机器产生了浓厚的兴趣。“在航行过程中,我时常与船上的电机员进行机器方面的交流,讨论机器在运转过程中还有哪些地方需要改进,但当时我还是本科生,在面对精密复杂的轮船机器时,所储备的知识非常薄弱。”从此,许晓彦树立了勤奋苦读的决心,努力增强自己的学识,同时他还意识到不能单纯抱着书本不放,更应该多去实战。

  随后,许晓彦的学习成绩始终保持在班级前列,并于1993年获得了直升研究生的机会,继续攻读上海海事大学电力电子与电力传动专业硕士学位。在这期间,他的学识突飞猛进。许晓彦对此回忆道:“当时导师正好负责了一个自动化机舱项目,我也有幸参与其中。”对于许晓彦来说,参与这个项目的过程,让他受益匪浅。他继续回忆道:“这个项目当初已经建设完成,我为了在研究课题中获得数据,需要使用这些机器。然而让这些机器运行的同时,学校也需要花费很多费用。这就需要向学校进行申请,在得到管理实践课的负责人审批同意后,才能够与其他实验员一起操作。”在进行机器操作审批时,导师在幕后多方协调,做了很多工作。对此,许晓彦充满了感激,“那时的研究生是一种精英教育,上课都是学生和导师两个人一对一进行。我独立的科研能力就是当时被导师培养出来的,为日后进行科研项目研究打下了至关重要的基础。”

  远赴波兰,坚定方向

  1996年,许晓彦研究生毕业后留校任教,直到2000年他参加了在上海举办的国际船舶电工学术会议。也正是这次会议,让许晓彦真正走进了船舶电能质量领域,树立了日后的研究方向与目标。对此他回忆道:“之前我一直从事船舶电力系统控制研究,在2000年的国际船舶电工学术会议上,我有幸结识了波兰格丁尼亚海事大学的副校长和他的团队。格丁尼亚海事大学副校长与我们详细交流了欧洲船舶电能质量环节的发展状态,我对这项研究产生了浓厚的兴趣,决定跟他远赴波兰进行学习。”

  于是,2001年5月,许晓彦第一次来到了波兰。在远赴波兰攻读博士之前,他做了大量的知识储备,撰写了两篇电能质量论文并在国际上发表,正式进入到电能质量领域。2002年至2008年,许晓彦进入波兰格但斯克理工大学,开始攻读电力系统自动化专业的博士学位,对船舶的电能质量进行了深入研究。

  在波兰的学习和生活,也给许晓彦留下来深刻的印象。格但斯克是波兰波莫瑞省的省会,也是该国北部沿海地区的最大城市和最重要的海港。格但斯克位于波罗的海沿岸,是波兰北部最大的城市,与索波特、格丁尼亚两市形成庞大的港口城市联合体——三联城。许晓彦对格但斯克的历史非常了解,可见他对于这座古老的欧洲历史名城的热爱。“格但斯克是波兰最理想的出海口,同时它也是联结东普鲁士地区和德国大部分领土的咽喉要地。因此波德两国均将该市视为自己的生命线,每次战争之后,失去这座城市的一方引为奇耻大辱,积极备战,于是又引发下一次的战争。1939年9月1日,纳粹德国的军舰炮击波兰格但斯克基地,标志着第二次世界大战的正式爆发。第二次世界大战结束前夕的1945年3月,苏联红军从纳粹手中攻占格但斯克。激烈的战斗使得90%的城市在战争期间变为废墟,25%的战前人口死亡。这真是座多灾多难的城市。”许晓彦对此充满了感慨。

  因为许晓彦的博士生导师是波兰格丁尼亚大学副校长,所以很多研究是在格丁尼亚海事大学进行,许晓彦同时也讲述了格丁尼亚的历史与我国的渊源。“格丁尼亚被称为波兰‘通往世界的窗口’,是波兰海军总部所在地。这里集中了多家著名的航海院校,是一个航海科学知识培训的中心。不仅如此,格丁尼亚还是中波轮船股份有限公司分公司的所在地。1951年6月15日,中波两国政府各出资50%,成立中波轮船股份公司。总公司设于中国上海,分公司设于波兰格丁尼亚,是新中国第一家中外合资企业,为中波两国以平等互利为基础的双边合作揭开了序幕。”

  未雨绸缪,不断进取

  在许晓彦看来,船舶电能质量技术发展并不是突飞猛进的。他对此解释道:“船舶造好之后,在空间布局上基本就没有了见缝插针的余地,况且绝大多数的船并不是近几年才建造。所以涉及到船舶电能质量的环节有很多。”许晓彦接着说到,“在最初的造船环节,涉及到船舶电能质量的一个重要因素就是验船规范。但国际上各个船级社制定的验船规范中涉及到船舶电能质量这部分的内容却十分粗浅。”

  随后,在这方面率先做出突破的正是与许晓彦结下了不解之缘的格丁尼亚海事大学。“我主持过4项科技部中国与波兰政府间科技合作项目,其中一项就是2011年我与波兰导师合作的——关于船级社对于船舶电能质量检测规范的改进建议研究。格丁尼亚海事大学率先向波兰船级社提供了船舶电能质量检验规范的改良建议,波兰船级社对于其中的电能质量检测方法、检测仪器等改进建议已经接纳。”如今,只要是经过波兰船级社检验的船舶,必须要符合新的验船规范。“验船规范是强制性法规,否则的话,所造的船舶是不能投入营运的。”许晓彦解释到。

  对于船舶电能质量需要改进之处,以及还有哪些问题需要解决,许晓彦作出了详细的说明。“首先,船舶电能质量具有动态性,所以对检测方面要求很高,相关技术需要大力发展。其次,船舶电力系统与陆上大容量电网有本质不同,如果按照陆上大容量电网电能质量的规范,套用在船舶电网,则显然不合适。所以需要有一套适合于船舶电力系统电能质量的评价体系。对于评价参数而言,同样的参数,船上和陆上的定义适用范围应作出区分。如果在检测参数的过程中,用于船舶检测的仪器和陆上电网检测的仪器相同,那么势必会产生问题。”

  对此,许晓彦教授列举了轰动全球的玛丽皇后2号事故,为我们详细分析了这个船舶系统电能质量评估技术发展历史上的重大事件。

  “2010年9月23日4点25分,由法国大西洋造船厂制造,造价8亿美元,目前全球体积最大的豪华远洋客轮玛丽皇后二号已接近巴塞罗那,突然船尾主配电室发生爆炸。几秒钟内,玛丽皇后二号四个推进电机全部停车,随后整船停电。5点23分,主发电机重新启动,玛丽皇后二号恢复通行。事故直接原因是在船尾的一个滤波器中滤波电容老化失效,在事故发生时,船尾滤波器损坏,使得电网产生了不能满足其稳定性要求的大扰动,并导致发电机停机。”许晓彦详细分析了电容器老化失效的原因,“玛丽皇后二号的电容因为老化,从检验的角度来讲,并没有发现问题,但事实上谐波已造成电流超标,所加电压超过其设计的额定电压,导致整个配电网都烧掉了。幸亏玛丽皇后二号已经接近巴塞罗那港,否则后果不堪设想。”随后,英国最权威的劳氏船级社,邀请大量的专家展开了调查,得出相比陆上公用电网,船舶的电力质量更需要进行监控的结论。

  合作专项,取得成果

  在许晓彦开展的船舶电能领域的研究工作中,最重要的项目,莫过于他亲自主持的国家国际科技合作专项——船舶电能质量检测与谐波滤除关键技术合作研究。

  “这个2012年度国家国际科研合作专项,是我负责的最为关键的科研项目,去年年底,该项目通过了技术验收和财务验收两大环节,获得了成功。”许晓彦自豪地说到。在谈到该合作专项所取得的成果时,许晓彦强调,“通过这次的国家国际科技合作专项研究,使得船舶电能质量环节的检测技术和谐波滤除,获得了首创性的成果,意义十分重大。”

  谈到开展这项研究的初衷时,许晓彦说到,“现代船舶的电力系统可以被认为是一个智能微电网,其具有自诊断和自我重新配置的能力。但它本身与陆上公用电网相比,有许多不同之处,其中包括:有限电源容量、单个负载的容量可以和电源相比拟、多重环境因素对船舶系统的电能质量影响很大、对于负荷变化比较敏感等特点。对于船舶而言,电能质量的下降不仅造成能耗的增加,也降低了电力系统的可靠性和船舶运行的安全程度。船舶电力系统控制的主要目标是确保重要负荷电力供应的持续性。其次,保证电能质量维持在恰当的水平。因此,在进行船舶电力系统开发时,需考虑电力系统的监控问题,即检测相应电气参数并对其所表征的电能质量进行评估。”

  通过与波兰大学的奋力合作,该项科研项目于2015年底完满结束,如今正在计划申请发明专利和奖项。许晓彦教授通过研究,提出了“船舶电能质量参数测量方法”的改进方向,分别是:改进THD值的定义;在稳态和非稳态条件下分别定义电能质量参数进行综合的时间;采用更多的参数用于进行瞬态电能质量评估和电压凹陷等参数的评估,例如采用谐波子群法代替常规的谐波分量法;将原来的采用快速傅立叶算法,改为采用离散小波变换(DWT)和离散傅立叶变换(DFT)联合算法来对谐波进行实时测量与分析。

  “该项研究采用了新型的检测技术,让船舶电能质量真正做到了实时检测,在速度和精度上获得了提高,突破了船舶电能质量检测算法的一个瓶颈,响应跟踪速度能够达到0.015毫秒,这是最为关键之处。第二是使谐波滤除技术在船上获得了应用,使得电力推进船舶装机容量减少了8%,节能超过3%。另外,船用变频技术电能质量装置也解决了国产化的瓶颈。”

  立足现在,放眼未来

  对于目前正在进行的船舶电能质量研究工作,许晓彦也为我们做了详细介绍。“如今,我的工作重点放在了岸电研究。由于我国大力推进绿色低碳港口建设,而采用电力设备使港口装卸效率和用能效率明显提高,单位运输能耗和污染物排放量明显下降,因此,大型装卸机械‘油改电’工程和‘靠港船舶使用岸电’工程等港口电气化改造项目在沿海各港口已经大规模实施,使得电能在港口能源消耗中的比重逐年提高,电力已成为港口的主要能源。预计港口电能比例仍将会进一步提高,这个发展方向符合我国‘建设绿色低碳港口’的战略方针,并对加快高能耗、高排放、高污染运输装备淘汰更新起到推动作用。”

  许晓彦继续解释到,“港口岸电供电技术是指船舶靠港期间,停用船舶上的发电机,由港区码头的岸电对船舶供电,是解决靠岸船舶由于船上的发电对港口水域带来的污染问题的重要举措。我国电网采用的频率和电压分别50Hz和380V,而部分船舶供电采用的频率是60Hz。直接将50Hz的电源接入船舶设备,会使设备的整体效率下降30%。采用岸上发电机组提供60Hz电源的方法成本高,噪音大,并造成陆上环境的污染,且发电效率低,维护成本高。”

  许晓彦随后列举了该项研究发现的问题,“当前最为明显的发展趋势是采用以大功率逆变电路(400kW以上)为核心组件的变频电源替换发电机组,而且变频电源装置的输出频率和电压在一定范围内可调整。特别是在船厂使用时出现线路电压损耗的情况下,可调整设定值,升高电压予以补偿。由于变频电源的核心部件是变频器,是谐波源。但作为标准电源的使用,谐波的存在将影响到电源的质量,进而影响使用设备的稳定和寿命。另外,一般用电设备在起动瞬间会产生大于额定电流4倍以上的起动电流,这对发电机组会造成输出电压降低,虽然不影响发电机的正常运行,但对变频电源而言,因电流超过极限会出现保护性跳闸。因此设计变频电源需要考虑负载的具体情况。”

  面对研究中遇到的问题,许晓彦有着清晰的认识。“现在来说,我国大功率变频器、变压器的研制是遇到的重大瓶颈,通过我们的调研,发现北到渤海湾,南到海南,都在研究岸电上船,但其中的问题很多,还有许多环节需要改进。另外,我国大量港口大大超负荷运行,港口改造难度很大。在港口实现船岸电接口装置有时会比较困难。”

  面对研究面临的困难,许晓彦还是保持着乐观的态度,“对于岸电上船的研究,是国家发展迫切需要的,我预计今年就能得出相应的科研结论。”

  教书育人,坚守科研

  从2008年至今,许晓彦一直担任上海海事大学(物流工程学院)教授,并于2011年晋升为博士生导师。对于日常的授课,许晓彦说到,“在学校里,我为硕士生授课的内容是电磁测量,这门课还请了波兰格丁尼亚海事大学的教授进行讲解,其中涉及到船舶系统电能质量检测方面的内容,则完全按照欧盟框架的标准来进行,这对毕业生日后的就业非常有帮助。对电能质量的专题讲解,我会为博士生进行。”

  对于自己二十年来的研究生涯,许晓彦有着许多的感悟。“我认为要踏实做研究,首要条件就是能够沉下心来,抵抗得住外部商品大潮的冲击。同时,搞研究一定要淡泊名利,保持初心,无论外界有多少质疑、多少压力,用毅力坚守研究的本质,才最为重要。如果只看到了别人如何过得比自己舒适,活得比自己快乐,那么势必会功败垂成。”

  许晓彦告诉我们,他身边有很多在十年、二十年里始终坚持研究的学者,每个人都取得了成绩,当经过时间的磨砺和内心强大之后,所结出的智慧果实必将如宝剑般珍贵,如梅花般芬芳,为我国电能事业的发展贡献力量。

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