祝世奇，繆燕華

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

電氣與自動化

海洋工程DP-3船舶電氣設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

祝世奇，繆燕華

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

闡述了海洋工程DP-3船舶在電氣設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)。包括：電力負(fù)荷計算時作業(yè)設(shè)備的分類、工況的確定和作業(yè)設(shè)備的工作情況分析；正常運(yùn)行和單故障狀態(tài)的電力負(fù)荷計算，根據(jù)各正常和單故障負(fù)荷分析的結(jié)果確定裝機(jī)總?cè)萘?；分析機(jī)艙數(shù)量對電站總?cè)萘亢桶l(fā)電機(jī)組數(shù)量的影響，確定合適的機(jī)艙數(shù)量、機(jī)組數(shù)量和單機(jī)功率；在電站配置確定后綜合考慮電力系統(tǒng)的架構(gòu)、匯流排的短路容量、電壓等級、環(huán)網(wǎng)形式等，確定電網(wǎng)的組成，并進(jìn)一步校核正常工況和單故障時配電板單段匯流排負(fù)荷率；在電力系統(tǒng)設(shè)計中考慮推進(jìn)負(fù)載在單故障工況時的冗余供電；大功率作業(yè)負(fù)載的轉(zhuǎn)換供電、輔助動力設(shè)備在DP-3船上的冗余設(shè)計；全電力推進(jìn)船舶功率管理系統(tǒng)的配置、功能和必要性。

DP-3附加標(biāo)志；單故障；電力負(fù)荷計算；電站配置；分區(qū)供電；功率管理

0　引言

隨著海洋油氣開發(fā)工程的飛速發(fā)展和對在深海、惡劣環(huán)境中定位工作的更高要求，越來越多的海洋工程船配置了先進(jìn)的動力定位系統(tǒng)，出現(xiàn)了大批具有DP（Dynamic Positioning）-3附加標(biāo)志的海洋工程船舶。中國船級社（China Classification Society，CCS）規(guī)定，具有DP-3附加標(biāo)志的船舶在出現(xiàn)任一故障（包括由于失火或進(jìn)水造成一個艙室的完全損失）后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持船舶的位置和艏向［1］。因此DP-3附加標(biāo)志的船舶設(shè)計除了滿足冗余要求外，還要求艙室分開布置，以應(yīng)對由于失火或進(jìn)水造成的一個艙室的完全損失，實際上涉及多個設(shè)備同時失效的情況。其中海洋工程DP-3船舶電氣系統(tǒng)除了需按照常規(guī)動力定位工程船進(jìn)行設(shè)計外，還需要特別關(guān)注電力負(fù)荷估算、機(jī)艙數(shù)量對總裝機(jī)容量的影響、配電板匯流排負(fù)荷校核、功率管理功能等幾個方面。

1　電力負(fù)荷估算

DP-3船舶在確定電站配置時，首先需要根據(jù)船舶作業(yè)特性進(jìn)行工況分類及作業(yè)設(shè)備分類，然后確定在各工況下作業(yè)設(shè)備的負(fù)荷狀態(tài)和負(fù)荷系數(shù)［2，3］。在對全船的用電負(fù)荷進(jìn)行初步估算后即可初步確定發(fā)電機(jī)組的數(shù)量和功率，在此基礎(chǔ)上，對發(fā)電機(jī)組在不同工況下的負(fù)荷率進(jìn)行估算，并綜合各工況下的負(fù)荷率對發(fā)電機(jī)組的功率和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，原則是既要保證在各種工況下的負(fù)荷率合理，又要使備用發(fā)電機(jī)組的功率和數(shù)量合理。

按DP-3附加標(biāo)志設(shè)計的船舶，發(fā)電機(jī)組的設(shè)置應(yīng)考慮冗余，實際設(shè)計時一般采用增加發(fā)電機(jī)組的數(shù)量和功率來實現(xiàn)冗余，保證在缺少任意一臺發(fā)電機(jī)組或損失任一艙室時，余下的發(fā)電機(jī)組總功率仍能滿足DP-3動力定位的要求。

對DP-3船舶電力負(fù)荷在按正常狀態(tài)下進(jìn)行各工況的估算后，還需分析在發(fā)生單故障時對應(yīng)工況下的負(fù)荷。此時不僅考慮推進(jìn)器及輔助設(shè)備的故障，還需考慮發(fā)電機(jī)組和配電板單段匯流排的損失，按照單故障時動力定位能力分析的結(jié)果確定在此時剩余的正常工作推進(jìn)器的負(fù)荷以及為它們服務(wù)的輔助設(shè)備的用電情況。在得出正常狀態(tài)和單故障狀態(tài)的負(fù)荷分析結(jié)果后，按照最大的負(fù)荷來確定電站的總功率及發(fā)電機(jī)組的功率、臺數(shù)。

表1為16000t深水鋪管起重船的電力負(fù)荷估算結(jié)果，正常動力定位負(fù)荷67177kW，最大單故障動力定位負(fù)荷72863kW。確定電站的總功率及發(fā)電機(jī)組的功率、臺數(shù)時將以最大單故障的負(fù)荷作為依據(jù)。

表1　16000t深水鋪管起重船的電力負(fù)荷估算　單位：kW

2　機(jī)艙數(shù)量對總裝機(jī)容量的影響

在全船電站總負(fù)荷基本確定后，需確定發(fā)電機(jī)容量和數(shù)量。具有DP-3附加標(biāo)志的船舶要求在單故障（即一個機(jī)艙失效）時必須保持船舶的姿態(tài)，這必然影響機(jī)艙數(shù)量的確定，因為單故障發(fā)生時，發(fā)生故障的機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)組將全部失效，造成電站容量的下降，從而影響負(fù)荷的使用。

以16000t深水鋪管起重船為例，最大單故障時的總負(fù)荷72863kW，考慮單臺發(fā)電機(jī)組功率的可選范圍在5800～8700kW之間，以及DP-3要求該最大負(fù)荷是在失去一個機(jī)艙的故障條件下的工況。

方案一：全船設(shè)4個機(jī)艙，單臺機(jī)組功率為7000kW，在單故障發(fā)生時其余3個機(jī)艙發(fā)電機(jī)組的數(shù)量應(yīng)為10.4臺，考慮發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率90%，則需機(jī)組數(shù)量為11.6臺，初選3個機(jī)艙共12臺，每個機(jī)艙應(yīng)布置4臺機(jī)組，加上失效的機(jī)艙4臺機(jī)組，總裝機(jī)數(shù)量達(dá)到16臺機(jī)組。若以3個機(jī)艙布置9臺機(jī)組，則單機(jī)功率應(yīng)達(dá)到8995kW，總裝機(jī)數(shù)量為12臺。前者總功率為112000kW，后者為107940kW，顯然后者更經(jīng)濟(jì)合理。

方案二：總機(jī)艙數(shù)量為6個，每個機(jī)艙布置2臺，共12臺發(fā)電機(jī)組，在單故障發(fā)生時，其余5個機(jī)艙10臺機(jī)組，此時每臺機(jī)組所需的功率為8096kW，全船電站總功率為97142kW，比上述4個機(jī)艙12 臺8995kW的總功率107940kW還要小很多，經(jīng)濟(jì)性更好。因此，最終決定采用6個機(jī)艙布置12臺≈8096kW的柴油發(fā)電機(jī)組方案。

發(fā)電機(jī)組功率和數(shù)量確定后，估算全船電網(wǎng)的短路容量，以使配電板的電壓和斷路器分?jǐn)嗄芰Φ倪x型能符合該短路容量的限額要求?；谠摯珼P-3的要求，為提高系統(tǒng)的可靠性和保證設(shè)備能力有較大的裕度，并具有較好的經(jīng)濟(jì)性，電網(wǎng)電壓確定為11kV，并將12臺發(fā)電機(jī)組分成兩個獨立的電網(wǎng)，此時短路容量可降低一半，斷路器分?jǐn)嗄芰σ部刹捎幂^低的檔次；每個獨立電網(wǎng)有6臺發(fā)電機(jī)組，正常工況使用5臺機(jī)組，另1臺機(jī)組備用，全船共使用10臺機(jī)組。

在確定采用兩個獨立電網(wǎng)分區(qū)供電后，對每個獨立電網(wǎng)匯流排進(jìn)行負(fù)荷計算。在電網(wǎng)分區(qū)或配電板分段較多的情況下，應(yīng)對單故障的每個獨立匯流排作負(fù)荷分析，這可能是相當(dāng)繁瑣的計算工作，但可采用獨立形式的計算表格來進(jìn)行，最后將其中最大單故障工況的結(jié)果列入總的電力負(fù)荷計算書中即可。

綜上所述，16000t深水鋪管起重船的電站設(shè)置為：6個以A60級分隔的獨立機(jī)艙，每個機(jī)艙布置2臺11kV、50Hz、7760kW的柴油發(fā)電機(jī)組。電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)置為：左、右兩個獨立的11kV中壓電網(wǎng)，每個11kV中壓電網(wǎng)由3個機(jī)艙的6臺發(fā)電機(jī)組和3段由聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接的配電板組成。為了簡化功率管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）的控制模式，采用開式環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證單故障時至少有2個配電板可以連接在一起，提高供電可靠性，并較易實現(xiàn)負(fù)荷平衡和調(diào)整。圖1為16000t深水鋪管起重船的中壓電力系統(tǒng)單線圖［4，5］。

圖1　16000t深水鋪管起重船的中壓電力系統(tǒng)單線布置

3　配電板匯流排負(fù)荷校核

在確定了單臺發(fā)電機(jī)組的容量、數(shù)量以及機(jī)艙數(shù)量后，為了保證DP-3單故障時能維持動力定位正常作業(yè)，需對配電板分區(qū)供電的匯流排進(jìn)行負(fù)荷校核，不僅需校核最大負(fù)荷正常工況下的機(jī)組負(fù)荷率，還需校核發(fā)生單故障后可能發(fā)生的各個配電板分段獨立工作時，其負(fù)荷是否合理可行，并提供 PMS能作出及時調(diào)整控制的預(yù)案程序要求。

以16000t深水鋪管起重船為例，在雙機(jī)起重工況正常DP作業(yè)時，單側(cè)分區(qū)電站每個匯流排分段的獨立負(fù)荷率均沒有過載，所以不論哪個匯流排故障失電，不會引起繼續(xù)在線的殘剩發(fā)電機(jī)過載分閘。此時，PMS自動啟動備用發(fā)電機(jī)并投入電網(wǎng)。這樣，在故障側(cè)分區(qū)電站仍有4臺發(fā)電機(jī)工作，而正常側(cè)分區(qū)電站將有6臺發(fā)電機(jī)工作，原則上全船仍為10臺發(fā)電機(jī)供電，能保證在正常動力定位時一樣最大負(fù)荷作業(yè)。不過，為保證故障側(cè)分區(qū)電站不會因減少兩臺發(fā)電機(jī)供電而發(fā)生過載現(xiàn)象，必須對該側(cè)的部分供電負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同時應(yīng)確定轉(zhuǎn)移的負(fù)荷由哪個匯流排供電更合理，因此，必須對單故障工況進(jìn)行配電板調(diào)整供電后的負(fù)荷進(jìn)行計算，并校核每個獨立分段工作不會產(chǎn)生過載。

在對該船單機(jī)聯(lián)動工況進(jìn)行單故障分析時，由于是單臺起重機(jī)作業(yè)，此時起重機(jī)的2路供電如果從兩個分區(qū)配電板獲得，可能因2個分區(qū)獨立電網(wǎng)的電壓和頻率參數(shù)的不同造成起重機(jī)用電的困難，所以需對單臺起重機(jī)的供電系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和調(diào)整，原則上全部轉(zhuǎn)移到非故障區(qū)配電板供電較合理，作分段負(fù)荷計算時應(yīng)按此原則進(jìn)行調(diào)整。這樣，配電設(shè)計時需在起重機(jī)的供電回路中增加轉(zhuǎn)換供電的環(huán)節(jié)。圖 2為符合DP-3要求的起重機(jī)供電原則單線圖，圖3為考慮供電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的符合DP-3要求的起重機(jī)供電單線圖。

圖2　符合DP-3要求的起重機(jī)供電原則單線布置

圖3　符合DP-3要求的起重機(jī)可轉(zhuǎn)換供電的單線布置

4　PMS的功能

海洋工程DP-3船舶由于其復(fù)雜和冗余的發(fā)電配置，造成發(fā)電機(jī)組的功率大、數(shù)量多、配電復(fù)雜，同時大功率的工作機(jī)械負(fù)荷和船舶運(yùn)動負(fù)荷的工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜，以及為了提供動力定位供電的高可靠性，防止過載和失電這種嚴(yán)重危及船舶安全的情況出現(xiàn)，必須設(shè)置有效、反應(yīng)快速、可靠且功能強(qiáng)大的PMS，盡量避免因為某個設(shè)備的故障或失效造成整個電網(wǎng)的過載和全船性的失電。海洋工程DP-3船舶的PMS除了常規(guī)的發(fā)電機(jī)組的啟動、同步、卸載、負(fù)荷平衡、停車等功能外，還需具有對大功率電力系統(tǒng)特有的多段匯流排的聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行有效控制，對電力推進(jìn)系統(tǒng)在線儲備功率的計算等功能，為避免電網(wǎng)的過載還需具有限制功率的控制功能和調(diào)節(jié)推進(jìn)器負(fù)載的功能［4，5］。因此，海洋工程DP-3船舶的PMS涉及兩大塊領(lǐng)域：① 配電板的控制；② 負(fù)荷的控制。具體包括頻率控制、發(fā)電機(jī)負(fù)荷分配、隨負(fù)荷變動起動和停止發(fā)電機(jī)、重載啟動閉鎖、電網(wǎng)恢復(fù)供電時重新啟動、用電負(fù)荷的控制及限制、用電設(shè)備的供電轉(zhuǎn)換、DP失電防止、反饋功率保護(hù)及各個斷路器的控制及保護(hù)等。此外，PMS也對柴油機(jī)進(jìn)行控制，包括自動啟動和停車、柴油機(jī)的預(yù)潤滑、柴油機(jī)（冷卻水）的預(yù)熱、柴油機(jī)的報警和檢測等。

5　結(jié)語

動力定位系統(tǒng)作為一種新型的定位技術(shù)，在深水水域作業(yè)的海洋工程船舶中的使用越來越廣泛，隨著海洋資源的進(jìn)一步開發(fā)和利用，動力定位技術(shù)和海洋工程船舶電力系統(tǒng)將相輔相成，獲得更高更精的發(fā)展和應(yīng)用。

［1］ 中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［S］. 2012.

［2］ 徐丹錚，繆燕華，吳斐文. 大功率電力系統(tǒng)船舶的電氣設(shè)計（上）［J］. 船舶，2009 （5）: 31-37

［3］ 徐丹錚，繆燕華，吳斐文. 大功率電力系統(tǒng)船舶的電氣設(shè)計（下）［J］. 船舶，2009 （6）: 46-49

［4］ 畢雨佳，吳斐文. DP-2/DP-3船舶電力系統(tǒng)設(shè)計要點［J］. 上海造船，2008 （4）: 59-63

［5］ 吳斐文. 動力定位船舶的設(shè)計和操作指南［C］//大型起重/鋪管船及工程船舶的研發(fā)，2010. 490-511.

Key Technology for the Electrical Design of DP-3 Offshore Vessel

ZHU Shi-qi，MIAO Yan-hua
（Marine Design & Research Institute of China，Shanghai 200011）

This paper elaborates the key technology for the electrical design of DP-3 offshore vessel，including categorization of the operating equipment in electrical load calculation，determination of their working conditions and analysis of their performance； as well as electrical load calculation for normal operation and the operation under single fault. The total installed capacity is determined according to normal operation and the result of single fault load analysis；the influence of the number of engine room on both the total capacity of power station and the number of generator set is analyzed to determine the number of engine room，the number of generator set and the capacity of each generator. Then，composition of the power system，short circuit capacity of the bus-bar，voltage level，ring type，etc. are determined with comprehensive considerations. In addition to this，the load of each bus-bar on the switch board under both normal operating condition and single fault condition are checked； the redundant power supply for propulsion under single fault condition，the transitional power supply for high load operation and the redundant design of auxiliary power equipment on board DP-3 vessel are considered in the electrical system design. The configurations，functions and necessities of power management system for full electrical propulsion vessel is discussed.

DP-3 notation； single fault； electrical load calculation； electric power station configuration； subarea power supply； power management

U665.1

A

2095-4069 （2016） 03-0039-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.007

2015-07-29

國家科技重大專項（2011ZX05027-002）

祝世奇，男，助理工程師，1987年生。2010年畢業(yè)于上海電力學(xué)院自動化專業(yè)，現(xiàn)從事船電設(shè)計工作。