海洋工程DP-3船舶電氣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

祝世奇，繆燕華

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

電氣與自動(dòng)化

海洋工程DP-3船舶電氣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

祝世奇，繆燕華

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

闡述了海洋工程DP-3船舶在電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。包括：電力負(fù)荷計(jì)算時(shí)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(jì)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)萘浚环治鰴C(jī)艙數(shù)量對(duì)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(jí)、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(shí)配電板單段匯流排負(fù)荷率；在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮推進(jìn)負(fù)載在單故障工況時(shí)的冗余供電；大功率作業(yè)負(fù)載的轉(zhuǎn)換供電、輔助動(dòng)力設(shè)備在DP-3船上的冗余設(shè)計(jì)；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(jì)算；電站配置；分區(qū)供電；功率管理

0　引言

隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)工程的飛速發(fā)展和對(duì)在深海、惡劣環(huán)境中定位工作的更高要求，越來(lái)越多的海洋工程船配置了先進(jìn)的動(dòng)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(guó)船級(jí)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(gè)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(dòng)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(jì)除了滿足冗余要求外，還要求艙室分開(kāi)布置，以應(yīng)對(duì)由于失火或進(jìn)水造成的一個(gè)艙室的完全損失，實(shí)際上涉及多個(gè)設(shè)備同時(shí)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(dòng)力定位工程船進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還需要特別關(guān)注電力負(fù)荷估算、機(jī)艙數(shù)量對(duì)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(gè)方面。

1　電力負(fù)荷估算

DP-3船舶在確定電站配置時(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)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(jì)的船舶，發(fā)電機(jī)組的設(shè)置應(yīng)考慮冗余，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)一般采用增加發(fā)電機(jī)組的數(shù)量和功率來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余，保證在缺少任意一臺(tái)發(fā)電機(jī)組或損失任一艙室時(shí)，余下的發(fā)電機(jī)組總功率仍能滿足DP-3動(dòng)力定位的要求。

對(duì)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(shí)對(duì)應(yīng)工況下的負(fù)荷。此時(shí)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(shí)動(dòng)力定位能力分析的結(jié)果確定在此時(shí)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(lái)確定電站的總功率及發(fā)電機(jī)組的功率、臺(tái)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(dòng)力定位負(fù)荷67177kW，最大單故障動(dòng)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(tái)數(shù)時(shí)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(duì)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(gè)機(jī)艙失效）時(shí)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?yàn)閱喂收习l(fā)生時(shí)，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(shí)的總負(fù)荷72863kW，考慮單臺(tái)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(gè)機(jī)艙的故障條件下的工況。

方案一：全船設(shè)4個(gè)機(jī)艙，單臺(tái)機(jī)組功率為7000kW，在單故障發(fā)生時(shí)其余3個(gè)機(jī)艙發(fā)電機(jī)組的數(shù)量應(yīng)為10.4臺(tái)，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(tái)，初選3個(gè)機(jī)艙共12臺(tái)，每個(gè)機(jī)艙應(yīng)布置4臺(tái)機(jī)組，加上失效的機(jī)艙4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)數(shù)量達(dá)到16臺(tái)機(jī)組。若以3個(gè)機(jī)艙布置9臺(tái)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(tái)。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(gè)，每個(gè)機(jī)艙布置2臺(tái)，共12臺(tái)發(fā)電機(jī)組，在單故障發(fā)生時(shí)，其余5個(gè)機(jī)艙10臺(tái)機(jī)組，此時(shí)每臺(tái)機(jī)組所需的功率為8096kW，全船電站總功率為97142kW，比上述4個(gè)機(jī)艙12 臺(tái)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(gè)機(jī)艙布置12臺(tái)≈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(tái)發(fā)電機(jī)組分成兩個(gè)獨(dú)立的電網(wǎng)，此時(shí)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(gè)獨(dú)立電網(wǎng)有6臺(tái)發(fā)電機(jī)組，正常工況使用5臺(tái)機(jī)組，另1臺(tái)機(jī)組備用，全船共使用10臺(tái)機(jī)組。

在確定采用兩個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)分區(qū)供電后，對(duì)每個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)匯流排進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。在電網(wǎng)分區(qū)或配電板分段較多的情況下，應(yīng)對(duì)單故障的每個(gè)獨(dú)立匯流排作負(fù)荷分析，這可能是相當(dāng)繁瑣的計(jì)算工作，但可采用獨(dú)立形式的計(jì)算表格來(lái)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(jì)算書(shū)中即可。

綜上所述，16000t深水鋪管起重船的電站設(shè)置為：6個(gè)以A60級(jí)分隔的獨(dú)立機(jī)艙，每個(gè)機(jī)艙布置2臺(tái)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(gè)獨(dú)立的11kV中壓電網(wǎng)，每個(gè)11kV中壓電網(wǎng)由3個(gè)機(jī)艙的6臺(tái)發(fā)電機(jī)組和3段由聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)連接的配電板組成。為了簡(jiǎn)化功率管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）的控制模式，采用開(kāi)式環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證單故障時(shí)至少有2個(gè)配電板可以連接在一起，提高供電可靠性，并較易實(shí)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(tái)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(shí)能維持動(dòng)力定位正常作業(yè)，需對(duì)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(gè)配電板分段獨(dú)立工作時(shí)，其負(fù)荷是否合理可行，并提供 PMS能作出及時(shí)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(shí)，單側(cè)分區(qū)電站每個(gè)匯流排分段的獨(dú)立負(fù)荷率均沒(méi)有過(guò)載，所以不論哪個(gè)匯流排故障失電，不會(huì)引起繼續(xù)在線的殘剩發(fā)電機(jī)過(guò)載分閘。此時(shí)，PMS自動(dòng)啟動(dòng)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(tái)發(fā)電機(jī)工作，而正常側(cè)分區(qū)電站將有6臺(tái)發(fā)電機(jī)工作，原則上全船仍為10臺(tái)發(fā)電機(jī)供電，能保證在正常動(dòng)力定位時(shí)一樣最大負(fù)荷作業(yè)。不過(guò)，為保證故障側(cè)分區(qū)電站不會(huì)因減少兩臺(tái)發(fā)電機(jī)供電而發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象，必須對(duì)該側(cè)的部分供電負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同時(shí)應(yīng)確定轉(zhuǎn)移的負(fù)荷由哪個(gè)匯流排供電更合理，因此，必須對(duì)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(jì)算，并校核每個(gè)獨(dú)立分段工作不會(huì)產(chǎn)生過(guò)載。

在對(duì)該船單機(jī)聯(lián)動(dòng)工況進(jìn)行單故障分析時(shí)，由于是單臺(tái)起重機(jī)作業(yè)，此時(shí)起重機(jī)的2路供電如果從兩個(gè)分區(qū)配電板獲得，可能因2個(gè)分區(qū)獨(dú)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(duì)單臺(tái)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(jì)算時(shí)應(yīng)按此原則進(jìn)行調(diào)整。這樣，配電設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)大功率的工作機(jī)械負(fù)荷和船舶運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜，以及為了提供動(dòng)力定位供電的高可靠性，防止過(guò)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?yàn)槟硞€(gè)設(shè)備的故障或失效造成整個(gè)電網(wǎng)的過(guò)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(dòng)、同步、卸載、負(fù)荷平衡、停車(chē)等功能外，還需具有對(duì)大功率電力系統(tǒng)特有的多段匯流排的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行有效控制，對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)在線儲(chǔ)備功率的計(jì)算等功能，為避免電網(wǎng)的過(guò)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(dòng)起動(dòng)和停止發(fā)電機(jī)、重載啟動(dòng)閉鎖、電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)重新啟動(dòng)、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(gè)斷路器的控制及保護(hù)等。此外，PMS也對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行控制，包括自動(dòng)啟動(dòng)和停車(chē)、柴油機(jī)的預(yù)潤(rùn)滑、柴油機(jī)（冷卻水）的預(yù)熱、柴油機(jī)的報(bào)警和檢測(cè)等。

5　結(jié)語(yǔ)

動(dòng)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(lái)越廣泛，隨著海洋資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用，動(dòng)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(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)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(jì)（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(jì)（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(jì)要點(diǎn)［J］. 上海造船，2008 （4）: 59-63

［5］ 吳斐文. 動(dòng)力定位船舶的設(shè)計(jì)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(guó)家科技重大專項(xiàng)（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(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事船電設(shè)計(jì)工作。