DP3鉆井船UPS系統(tǒng)設(shè)計分析

郭 金, 邱 錦，曾國詠

（上海中遠船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

DP3鉆井船UPS系統(tǒng)設(shè)計分析

郭 金, 邱 錦，曾國詠

（上海中遠船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

針對DP3鉆井船對UPS系統(tǒng)的具體要求，依據(jù)相應(yīng)的規(guī)范和標準要求，從UPS的容量計算、DP3要求的布置、UPS蓄電池容量計算和UPS蓄電池氫氣釋放計算等方面進行了闡述，歸納總結(jié)了UPS系統(tǒng)設(shè)計的基本方法和特點，給出了一套針對DP3鉆井船UPS系統(tǒng)的設(shè)計方法。

DP3；鉆井船；UPS；蓄電池；氫氣釋放量

0 引言

不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）由變流器、開關(guān)和儲能裝置（如蓄電池）組合構(gòu)成。在輸入電源發(fā)生故障時，用以維持負載供連續(xù)性的電源設(shè)備。它能為鉆井船負載提供持續(xù)性的、不間斷的電源供給，保證鉆井船的部分重要負載能在全船失電后繼續(xù)工作，為鉆井船的安全帶來足夠的保障。其負載包括：IAS系統(tǒng)、F&G系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)、PAGA系統(tǒng)、鉆井系統(tǒng)、BOP系統(tǒng)和主電力系統(tǒng)的控制電源等。UPS是鉆井船電力系統(tǒng)中極其重要的一部分，因此針對UPS的設(shè)計必須嚴格遵守DP劃分和冗余原則進行系統(tǒng)設(shè)計。

1 DP3鉆井船UPS系統(tǒng)的基本要求

UPS通常分為后備式、互動式和在線式。主要由變壓器、整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)和蓄電池等組成。在目前海洋工程和船舶設(shè)計過程中，以后備式UPS設(shè)計為主，其正常運行時負載由旁路（未經(jīng)處理的主電源）供電，當(dāng)旁路供電發(fā)生故障或輸入電源超出預(yù)設(shè)限值時，負載轉(zhuǎn)移至由逆變器供電。

由于DP3鉆井船設(shè)計時需要考慮DP3的相關(guān)要求：在出現(xiàn)任一故障（包括一個艙室或幾個艙室的損失）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。所以DP3鉆井船的 UPS系統(tǒng)在保證為全船設(shè)備提供足夠容量的同時，也必須嚴格按照此要求進行設(shè)計與布局，UPS布置過程中須保證每一類型UPS安裝在A60分隔的房間中，以保證在出現(xiàn)單一故障情況下能夠

為主電力系統(tǒng)和重要控制設(shè)備提供足夠的電力支持。

2 DP3鉆井船UPS的系統(tǒng)設(shè)計

DP3鉆井船的推進器布局如圖1所示。總共六臺推進器，整個電力系統(tǒng)依推進器的配置分為三組。UPS的系統(tǒng)設(shè)計緊密依靠此三組電力系統(tǒng)分隔進行分散式設(shè)計。

圖1 DP3鉆井船的推進器布局

2.1 UPS設(shè)計方法

關(guān)于UPS設(shè)計方法，每種不同的船型存在多種體系，其中主要包括整合式設(shè)計和分散式設(shè)計。供電時間為30 min。

1）整合式設(shè)計是指將全船UPS整體分為兩套：UPS A系統(tǒng)和UPS B系統(tǒng)，兩套互為備用，全船所有需要UPS供電的負載按其主次關(guān)系分別接入A或B系統(tǒng)；

2）分散式設(shè)計是指在減小主UPS容量的基礎(chǔ)上，按全船UPS所工作的屬性不同進行分類，并將其分散至全船不同的服務(wù)處所。

兩者的優(yōu)缺點在于，整合式設(shè)計方便集中控制與操作，但不利于電纜走向和設(shè)備布置，一旦UPS A或UPS B系統(tǒng)出現(xiàn)問題，會導(dǎo)致全船大面積設(shè)備故障，從而增加FMEA分析[1,2]難度；分散式設(shè)計采用就近原則，將UPS直接或就近安裝在所服務(wù)的處所，利于電纜走線和設(shè)備布置，單個UPS故障不會影響其他設(shè)備，有利于FMEA分析。但因為其分散布置特性，不利于集中操作控制與操作。

2.2 DP3鉆井船UPS設(shè)計分類

DP3鉆井船UPS采用分散式設(shè)計，其UPS分類如下：

1）220 V主UPS A和UPS B，如表1所示。

其供電負載主要包括火氣系統(tǒng)、應(yīng)急切斷系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等需要在棄船后依然需要工作 30 min的設(shè)備。

表1 220 V主UPS A和UPS B

2）220 V推進器UPS，如表2所示。其供電負載主要包括推進器VFD的控制電源、推進器VFD變壓器的繞組指示、推進器就地儀表箱和推進器控制單元等。

表2 220 V推進器UPS

3）220 V機艙UPS，如表3所示。其供電負載主要包括主機控制單元、PMS的就地儀表箱、輔助變壓器的繞組指示和艉部的網(wǎng)絡(luò)開關(guān)供電等。

表3 220 V機艙UPS

4）220 V DP（動力定位）UPS和VMS（中央控制系統(tǒng)）UPS，如表4所示。DP UPS和VMS UPS供電負載主要包括DP和VMS系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。

表4 220 V DP（動力定位）UPS和VMS（中央控制系統(tǒng)）UPS

5）DC 110 V/DC 24 V UPS，如表5所示。

其供電負載主要包括11 kV高壓配電板的真空開關(guān)控制、相關(guān)保護繼電器和主機控制單元輔助電源、主機自動調(diào)壓裝置等。

表5 DC 110 V/DC 24 V UPS

整個DP3鉆井船UPS還包括其他鉆井UPS、BOP UPS、PAGA UPS，其設(shè)計與布局和上述UPS類似，只是各自供電負載和放電時間不一樣，如BOP UPS要求保證2小時放電。

3 DP3鉆井船UPS和蓄電池容量的計算

3.1 UPS容量計算

UPS容量計算是依據(jù)UPS系統(tǒng)的負荷計算書，對UPS容量進行分工況下的估算。在UPS系統(tǒng)的負荷計算書中，按不同工況下的負荷系統(tǒng)數(shù)，計算UPS供電設(shè)備的消耗功率，最后將需要UPS系統(tǒng)供電的用電設(shè)備的額定功率進行求和，最終依據(jù)求和的結(jié)果選擇合適容量的UPS。設(shè)計過程中必須將用電負載梳理全面，UPS容量不能過大，否則運行不經(jīng)濟。

3.2 UPS蓄電池容量計算

UPS蓄電池容量計算是對UPS供電容量校核的重要指標。UPS蓄電池在選型時通常使用其額定容量，是按國家或有關(guān)部門頒布的標準，保證蓄電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。

計算過程中依據(jù)IEEE 485-1997[3]：

1）蓄電池單極數(shù)量：

2）蓄電池最小電壓：

3）電流公式：

式中，I為放電電流；Sout為輸出功率；FPout為功率因素；η為效率；Vmin為蓄電池最小電壓。

4）蓄電池容量公式：

式中，C10為蓄電池在環(huán)境溫度25℃時，V/cell的額定安時容量；K為蓄電池容量系數(shù)（見圖2）；I為放電電流；Fe為蓄電池壽命系數(shù)，為25%。

圖2 蓄電池容量系數(shù)K

蓄電池容量計算舉例：以某DP3鉆井船60 kVA UPS，放電時間為30 min為例。

系統(tǒng)負載最小電壓為±210 V，電池為1.75 V/cell，計算出蓄電池單極數(shù)量為120 cell，將數(shù)值代入公式，得到蓄電池最小電壓為420 VDC；

功率因素為 0.8，效率為 95.5%，輸出功率Sout=60 kVA，代入電流公式計算得I=119.7 A。

故按10 h放電率標準選用蓄電池時，由圖2可知，K=1。代入蓄電池容量公式得：C10=119.7 Ah。

故該DP3鉆井船選用155 Ah/10h蓄電池，包含20組155 Ah蓄電池給正極和中性點，以及20組155 Ah蓄電池給負極和中性點。

4 DP3鉆井船UPS蓄電池的氫氣釋放量計算

UPS蓄電池氫氣釋放量計算是依據(jù) ABS MODU規(guī)范4-3-3/3.7.2的相關(guān)章節(jié)[4]要求，對UPS蓄電池的布置要求進行相關(guān)驗證的重要理論依據(jù)。

目前海洋工程和船舶均采用閥控型鉛酸蓄電池

或密封型鉛酸蓄電池，與傳統(tǒng)的鉛酸型蓄電池相比，這兩者都屬于低氫釋放型蓄電池，即在使用過程中可以免維護，不用添加電解液，充電過程中只會產(chǎn)生極少量的氫氣到環(huán)境中，不會影響到其他電氣設(shè)備或人員的安全。

在ABS MODU規(guī)范的定義中，低氫釋放型蓄電池的充電機功率達到大型（充電功率大于2 kW）或中型（充電功率在0.2 kW～2 kW之間）的蓄電池可作為中型或小型蓄電池的要求進行布置和安裝[4]。

氫氣釋放量計算依據(jù)是以充電功率0.2 kW的普通鉛酸蓄電池每天的氫氣釋放量為標準，與閥控型或密封型蓄電池正常充電時氫氣釋放量進行對比，其氫氣釋放量數(shù)值必須小于0.2 kW普通鉛酸蓄電池的釋放量。

4.1 氫氣釋放量計算公式

氫氣釋放量=0.25(ml)×天×蓄電池容量(Ah)×蓄電池總數(shù)量

4.2 氫氣釋放量計算舉例

以某DP3鉆井船7 kVA UPS，蓄電池容量為50 Ah，蓄電池總數(shù)量為96個的閥控鉛酸蓄電池為例。

氫氣釋放量=0.25(ml)×1×50(Ah)×96=1 200 ml/d，或1.2 l/d。而充電功率為0.2 kW的鉛酸蓄電池=200 W/135 V=1.5 A/h。氫氣釋放量=0.458 (ml)×1×1.5×120 =82.44 L/h×24=1 978 L/d。

綜上計算，可以對比得出閥控鉛酸型或密封型蓄電池氫氣釋放量比普通鉛酸蓄電池低1 500倍多，證明其滿足ABS規(guī)范相關(guān)技術(shù)要求，可以將此蓄電池布置在常規(guī)電氣設(shè)備間的蓄電池柜中，而不需要進行隔離布置。

5 結(jié)論

本文通過對DP3鉆井船UPS系統(tǒng)的研究分析，結(jié)合DP3的相關(guān)技術(shù)要求，對DP3類型鉆井船的UPS設(shè)計進行匯總整理，內(nèi)容涵蓋了UPS設(shè)計方法、UPS設(shè)計分類、UPS容量計算、UPS蓄電池容量計算和UPS蓄電池氫氣釋放量計算，對DP3鉆井船的UPS系統(tǒng)設(shè)計做了全面剖析和設(shè)計說明，為同類型海洋工程項目UPS系統(tǒng)設(shè)計提供了參考依據(jù)。

[1]IMO.IMO Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning[S].1994.

[2]IMCA M178 FMEA Management Guide[S].2005.

[3]IEEE Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stationary Applications[S].2003.

[4]ABS.ABS Rules For Building And Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[5]ABS.ABS Rules For Building And Classing Steel Vessels[S].2014.

[6]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].2014.

[7]海洋石油工程設(shè)計指南編委會.海洋石油工程設(shè)計指南 第三冊 海洋石油工程電氣、儀控、通信設(shè)計[M].北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

[8]中國船舶工業(yè)集團公司.船舶設(shè)計手實用手冊 電氣分冊[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 2013.

CCS發(fā)布《極地船舶指南》

極地水域地理位置獨特，環(huán)境條件特殊，船舶在極地水域航行時，因冰和/或寒冷氣候，以及其他不可低估的條件，存在附加風(fēng)險，降低船舶的安全，比如船—冰碰撞影響船體結(jié)構(gòu)強度，寒冷氣候可能導(dǎo)致船舶穩(wěn)性減弱、引起管路冰凍、航行設(shè)備失效和船員執(zhí)行力下降等。

CCS已頒布了船舶冰區(qū)加強和船舶防寒的規(guī)范要求，構(gòu)成完整的船舶規(guī)范體系。本次《極地船舶指南》旨在為實施CCS冰級規(guī)范和防寒規(guī)范、IMO《國際極地水域操作船舶規(guī)則》提供技術(shù)指導(dǎo)，保障極地航行船舶安全。主要內(nèi)容包括：檢驗與發(fā)證；船體結(jié)構(gòu)與設(shè)備；船舶穩(wěn)性；機電設(shè)備；安全設(shè)備；極地水域操作。

CCS官網(wǎng)上該規(guī)范的參考內(nèi)容，最終版本以CCS正式出版物為準。

（來源：中國船級社）

UPS System Design Analysis of DP3 Drilling Ship

Guo Jin, Qiu Jin, Zeng Guo-yong
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

For the specific requirements of the UPS system of DP3 drilling ship, according to the requirements of relevant rules and standards, the paper introduces the aspects of the UPS capacity calculation, DP3 required arrangement, UPS battery capacity calculation and UPS battery hydrogen release calculation and so on.It summarizes the basic design method and characteristics of the UPS system in order to give a set of design method of UPS system for DP3 drilling ship.

DP3 (dynamic positioning class 3); drilling ship; UPS; battery; hydrogen release volume

U665.12

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.014

郭金（1986—）男，助理工程師，研究方向：海洋工程電力系統(tǒng)設(shè)計與研究。