深海采礦船電站及功率管理系統(tǒng)方案研究

福建省馬尾造船股份有限公司 翁康強(qiáng)

深海采礦船電站及功率管理系統(tǒng)方案研究

福建省馬尾造船股份有限公司 翁康強(qiáng)

該文通過分析深海采礦船的作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出基于環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、滿足多工況作業(yè)要求的電站，并結(jié)合智能化功率管理系統(tǒng)，對(duì)配電系統(tǒng)的安全性、可靠性進(jìn)行研究。

深海采礦船 動(dòng)力定位 環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò) 功率管理系統(tǒng)

0 引言

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，其種類之多、范圍之廣、儲(chǔ)量之大，遠(yuǎn)超陸地礦產(chǎn)資源。深海采礦船作為采礦作業(yè)的生產(chǎn)支持和存儲(chǔ)母船，是我國實(shí)現(xiàn)深海礦產(chǎn)資源開發(fā)的重要裝備。目前已知的最具商業(yè)開采價(jià)值的礦產(chǎn)資源均處于深海，深海采礦作業(yè)補(bǔ)給不便，作業(yè)成本較高，如何實(shí)現(xiàn)采礦系統(tǒng)的可靠、連續(xù)作業(yè)至關(guān)重要，這就對(duì)船舶電站的可靠性及安全性提出了較高要求。

深海采礦船作業(yè)的主要特點(diǎn)是需要在深海區(qū)域長時(shí)間作業(yè)，所有的補(bǔ)給工作均在深海區(qū)域完成，因此需要長年保持在動(dòng)力定位（簡稱DP）狀態(tài)下進(jìn)行采礦作業(yè)，至少需配備動(dòng)力定位2級(jí)以上的系統(tǒng)（簡稱DP-2），所以電站的設(shè)計(jì)需要滿足DP系統(tǒng)對(duì)冗余性的要求，并配置相應(yīng)的功率管理系統(tǒng)（簡稱PMS）；另外，本船采礦作業(yè)設(shè)備多，主要包括輔助礦物切割機(jī)、碎礦機(jī)、礦物收集機(jī)、揚(yáng)礦系統(tǒng)設(shè)備、礦物脫水系統(tǒng)設(shè)備、裝卸貨系統(tǒng)等，工況復(fù)雜，同時(shí)以上作業(yè)設(shè)備還需要維持連續(xù)采礦作業(yè)的特點(diǎn)，因此又要求船舶電站的設(shè)計(jì)除了需滿足冗余性要求外，還要兼顧可靠性及經(jīng)濟(jì)性的要求。

基于環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電站已經(jīng)在鉆井船、鉆井平臺(tái)上得到應(yīng)用，其可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)已經(jīng)在實(shí)船上得到驗(yàn)證，因此可以在深海采礦船上采用基于環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的船舶電站。本文通過分析國內(nèi)首艘在建深海采礦船的作業(yè)特點(diǎn)及負(fù)荷情況，對(duì)基于環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的船舶電站及其PMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

1 深海采礦船的主要?jiǎng)恿υO(shè)備及負(fù)載信息

深海采礦船的主要系統(tǒng)可以分為采礦系統(tǒng)及常規(guī)船用系統(tǒng)，特別是采礦系統(tǒng)設(shè)備多，負(fù)載功率大，深海采礦船的主要?jiǎng)恿ε渲眉霸O(shè)備相關(guān)負(fù)載信息見表1。

表 1 深海采礦船主要?jiǎng)恿υO(shè)備及負(fù)載

從表1 可以看出，本船的總裝機(jī)容量達(dá)到了31MW，因此需采用6.6kV的中壓系統(tǒng)，且采礦系統(tǒng)的總負(fù)荷占總裝機(jī)容量的60%以上。在峰值作業(yè)狀態(tài)下，采礦船需要在DP模式下完成采礦、接駁轉(zhuǎn)運(yùn)及定位的操作，輔助礦物切割機(jī)開采作業(yè)面，碎礦機(jī)完成碎礦作業(yè)，礦物收集機(jī)收集礦物后通過海底揚(yáng)礦系統(tǒng)設(shè)備將礦漿輸送至水面船舶，再通過礦物脫水系統(tǒng)設(shè)備完成脫水操作，裝卸貨系統(tǒng)設(shè)備將脫水完成的礦物輸入貨艙，同時(shí)又將貨艙內(nèi)的礦物轉(zhuǎn)運(yùn)至外部已經(jīng)靠綁的礦物輸送船上，此時(shí)采礦系統(tǒng)的總負(fù)荷占總裝機(jī)容量的50%左右。船舶電站既要滿足高負(fù)荷率的采礦作業(yè)設(shè)備的使用要求，又要保證DP系統(tǒng)需要的推進(jìn)器輸出功率以及船上其他居住用電、輔助用電功率。如何保證電站運(yùn)行的穩(wěn)定性，以及在采礦作業(yè)過程中根據(jù)不同作業(yè)及工況要求，合理調(diào)配發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)量及時(shí)間，是確保深海采礦船安全、可靠及經(jīng)濟(jì)運(yùn)營的重要條件。

2 電站主電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

為降低設(shè)備故障對(duì)于采礦作業(yè)的影響，同時(shí)滿足DP-2模式下的FMEA（故障與失效模式分析）要求，從電氣方面考慮，本船在發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，最惡劣的情況下只允許丟掉1臺(tái)發(fā)電機(jī)組及1臺(tái)推進(jìn)器，以保證在單點(diǎn)故障情況下最大的發(fā)電機(jī)組輸出功率以及定位能力。

DP-2要求船上電站及推進(jìn)系統(tǒng)要至少劃分為兩個(gè)冗余組，因此將本船6臺(tái)發(fā)電機(jī)組及7臺(tái)推進(jìn)器分為三個(gè)冗余組，每個(gè)冗余組包含2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，一臺(tái)艉部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器及一臺(tái)艏部伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器或者兩臺(tái)隧道式推進(jìn)器。本船破艙水線以下兼顧DP-3對(duì)于防火以及防水的物理分隔要求，因此6臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組布置在3個(gè)A60分隔以及滿足水密分隔要求的機(jī)艙內(nèi)，3臺(tái)艉部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和2臺(tái)艏部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器及2臺(tái)隧道式推進(jìn)器分別布置艉部及艏部的3個(gè)A0分隔及滿足水密分隔要求的推進(jìn)器間?；谌齻€(gè)冗余段要求的配電板，如6.6kV配電板、440V及230V輔助配電板，需分別布置在3個(gè)滿足分隔要求的配電板間內(nèi)。

環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是在DP操作模式下允許冗余段配電板之間母聯(lián)開關(guān)合閘，有別于常規(guī)的分閘狀態(tài)，因此其在實(shí)際操作過程中更加靈活，同時(shí)對(duì)于安全性及可靠性的要求也更高。船級(jí)社規(guī)范要求DP操作模式下如果冗余段之間的母聯(lián)開關(guān)處于合閘狀態(tài)，則需要考慮此母聯(lián)開關(guān)的隱性故障，防止在故障發(fā)生需要開關(guān)分閘時(shí)開關(guān)無法正常動(dòng)作，因此船級(jí)社規(guī)定在這種操作模式下冗余段之間需使用雙母聯(lián)開關(guān)。根據(jù)上述發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，最惡劣的情況只允許丟掉1臺(tái)發(fā)電機(jī)組及1臺(tái)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)要求，需將每個(gè)冗余段內(nèi)的1臺(tái)發(fā)電機(jī)與1臺(tái)推進(jìn)器分為一組，布置在同一母排分段上，而且發(fā)電機(jī)之間要增加母聯(lián)開關(guān)，也就是冗余段內(nèi)的母排也是按照分段母排方案來設(shè)計(jì)的。同時(shí)，同屬于一個(gè)冗余段內(nèi)的440V及230V的輔助配電板也應(yīng)該按照分段母排的方案來設(shè)計(jì)，以保證柴油發(fā)電機(jī)組的輔助供電的獨(dú)立性。而且，440V及230V輔助供電網(wǎng)無需同6.6kV主電網(wǎng)一樣，采用環(huán)形電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，只需按照冗余性要求提供一套獨(dú)立的分段母排設(shè)計(jì)的配電板。

推進(jìn)器的輔助供電通常有兩種設(shè)計(jì)方案，一種是和同組的發(fā)電機(jī)一樣，分別從同組的440V和230V輔助配電板上取電；另一種設(shè)計(jì)方案可以從推進(jìn)器的移相變壓器上取電，也就是采用四繞組變壓器，實(shí)現(xiàn)單個(gè)推進(jìn)器供電的“自治”概念，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了船舶電纜的敷設(shè)，推進(jìn)系統(tǒng)的獨(dú)立性更強(qiáng)。因此，在本船上采用“自治”概念的推進(jìn)器輔助供電設(shè)計(jì)方案。

綜上所述，環(huán)形主電網(wǎng)配電系統(tǒng)單線圖如圖1所示，虛線框表示不同的冗余段。

圖 1 環(huán)形主電網(wǎng)配電系統(tǒng)單線圖

基于環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的母排分段主配電板，其運(yùn)行模式靈活多樣，應(yīng)能按照不同的需求進(jìn)入不同的操作模式，主配電板的具體操作模式可以分為以下3種：

（1）環(huán)形操作模式

環(huán)形模式是本船配電板采用的主要模式，環(huán)形模式下最小允許在網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量為2臺(tái)，每一個(gè)冗余段的任一臺(tái)發(fā)電機(jī)組都可以設(shè)置為自動(dòng)備機(jī)狀態(tài)或者處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，這種模式適用于任何運(yùn)行模式及作業(yè)工況，如航行工況、DP工況、DP狀態(tài)采礦工況、停泊工況等，特別是在深海作業(yè)休整工況下最為經(jīng)濟(jì)，因?yàn)镈P-2要求至少不同冗余段的兩個(gè)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，在海況平靜、無采礦作業(yè)的低負(fù)荷休整工況下，可以保證2臺(tái)發(fā)電機(jī)組安全并網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)可以根據(jù)不同的海況下推進(jìn)器的定位輸出功率要求，自動(dòng)起停發(fā)電機(jī)組，調(diào)整并網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量，使船舶運(yùn)行在“綠色DP”（Green DP Mode）狀態(tài)下。環(huán)形操作模式下，配電板的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 環(huán)形操作模式配電板結(jié)構(gòu)圖

（2）三分段結(jié)構(gòu)操作模式

三分段操作模式下，配電板按照三個(gè)冗余段的設(shè)計(jì)完全分隔成三段，每個(gè)冗余段之間的母聯(lián)開關(guān)處于分閘狀態(tài)，這

種模式可以用于航行工況或者DP工況，這種配電板操作模式下，每個(gè)冗余段的配電板都要求至少一臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)。按照三分段操作模式設(shè)計(jì)的配電板結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖 3 三分段結(jié)構(gòu)操作模式配電板結(jié)構(gòu)圖

（3）兩分段結(jié)構(gòu)操作模式

兩分段操作模式下，配電板分隔成左右兩段，母聯(lián)開關(guān)1、6、7、14處于分閘狀態(tài)，這種模式也可以用于航行工況或者DP工況，這種配電板操作模式下，左右兩段配電板至少要求兩臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，以保證運(yùn)行安全性。按照兩分端結(jié)構(gòu)操作模式設(shè)計(jì)的配電板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4 兩分段結(jié)構(gòu)操作模式配電板結(jié)構(gòu)圖

3 采礦系統(tǒng)供電方案

由于采礦設(shè)備負(fù)荷高，因此采礦系統(tǒng)的供電也要采用中壓系統(tǒng)，不同作業(yè)模式下各設(shè)備的運(yùn)行情況如表2所示。

表 2 不同作業(yè)模式下設(shè)備運(yùn)行情況

由表2可見，不同作業(yè)模式下，設(shè)備的運(yùn)行是不同的，因此負(fù)荷存在較大差異。在采礦模式下，峰值作業(yè)時(shí)，如果采礦系統(tǒng)部分的供電發(fā)生故障或者主電網(wǎng)發(fā)生故障，應(yīng)能最大程度的保證船舶的定位要求及剩余采礦設(shè)備的正常供電，以確保采礦作業(yè)的安全性及連續(xù)性，因此采礦系統(tǒng)的供電系統(tǒng)也可以采用6.6kV分段母排設(shè)計(jì)的配電板。

在分段母排配電板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮各個(gè)采礦設(shè)備之間的關(guān)系，比如礦物收集機(jī)必須是在揚(yáng)礦系統(tǒng)工作時(shí)才可以進(jìn)行采礦作業(yè)；脫水系統(tǒng)可以在揚(yáng)礦系統(tǒng)工作時(shí)進(jìn)行脫水工作，也可以在揚(yáng)礦系統(tǒng)故障暫停工作時(shí)保持脫水作業(yè)，將已經(jīng)輸送至各個(gè)脫水模塊的礦漿進(jìn)行脫水；裝卸貨系統(tǒng)在脫水系統(tǒng)工作時(shí)可以往貨艙內(nèi)輸送礦物，也可以在脫水系統(tǒng)停止且靠綁接駁時(shí)往貨船上輸送貨物；因此，各個(gè)采礦設(shè)備的供電應(yīng)按照其作業(yè)時(shí)序及關(guān)聯(lián)性布置在不同母排分段的配電板上，且一些設(shè)備需考慮雙路供電，以保證系統(tǒng)的可靠性。

采礦作業(yè)系統(tǒng)的供電應(yīng)為主電網(wǎng)的一部分，因此其按照母排分段方案設(shè)計(jì)的配電板也應(yīng)從不同冗余段的主電網(wǎng)取電，同時(shí)需根據(jù)電網(wǎng)的潮流分析選擇合適的主電網(wǎng)母排?；谏鲜鰞?nèi)容設(shè)計(jì)的采礦系統(tǒng)中壓配電板單線圖如圖5所示。

圖 5 采礦設(shè)備配電系統(tǒng)單線圖

從圖5可以看出,在采礦配電板母排1發(fā)生最惡劣的短路故障時(shí)，輔助礦物切割機(jī)及碎礦機(jī)將會(huì)停止工作，由于揚(yáng)礦系統(tǒng)、立管布放回收系統(tǒng)、裝卸貨系統(tǒng)、脫水采用雙回路供電，其供電仍可從母排2獲得，因此采礦作業(yè)不會(huì)因此中斷；當(dāng)母排2 發(fā)生短路故障時(shí)，也僅僅是礦物收集機(jī)停止工作，水下的輔助礦物切割機(jī)及碎礦機(jī)仍將繼續(xù)礦物開采面的建立工作。另外，由于主電網(wǎng)采用母排分段的環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，只有當(dāng)給采礦配電板供電的主配電板分段發(fā)生短路時(shí)，才會(huì)影響采礦作業(yè)設(shè)備的使用。因此基于上述方案設(shè)計(jì)的采礦系統(tǒng)供電方案，可以有效保證采礦作業(yè)的連續(xù)性及可靠性。

4 電站功率管理系統(tǒng)方案

PMS接口對(duì)象主要包括柴油發(fā)電機(jī)組、配電板、重載設(shè)備、DP設(shè)備等，根據(jù)電網(wǎng)功率的實(shí)際需求，對(duì)各臺(tái)柴油機(jī)組進(jìn)行功率分配并協(xié)調(diào)各個(gè)柴油機(jī)組之間的工作，同時(shí)對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行控制，故障報(bào)警與處理，為船舶提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源[1]。深海采礦船采礦設(shè)備多，負(fù)載大，作業(yè)工況復(fù)雜，相關(guān)的重載設(shè)備功率信息均要送至PMS進(jìn)行監(jiān)測與控制，深海采礦船PMS應(yīng)包含以下主要功能：

(1) 發(fā)電機(jī)組手動(dòng)/自動(dòng)遙控起停功能；

(2) 遙控及自動(dòng)控制配電板負(fù)載開關(guān)功能；

(3) 遙控及自動(dòng)控制各電壓等級(jí)配電板母聯(lián)開關(guān)功能；

(4) 遙控及自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)開關(guān)功能；

(5) 故障發(fā)電機(jī)與備用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換功能；

(6) 備用發(fā)電機(jī)失電自起停及并網(wǎng)功能；

(7) 備用發(fā)電機(jī)負(fù)荷判定自動(dòng)起停功能；

(8) 重載設(shè)備控制功能（起動(dòng)問詢及起動(dòng)抑制功能）；

(9) 臨界報(bào)警判定與處理功能；

(10) 全船失電預(yù)防功能（功率限制及自動(dòng)分級(jí)卸載）；

(11) 發(fā)電機(jī)自動(dòng)同步功能；

(12) 自動(dòng)負(fù)荷分配功能；

(13) 電站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測功能；

(14) 模式選擇功能。

如上述采礦船的作業(yè)工況特點(diǎn)及系統(tǒng)配置情況，在以上的PMS主要功能中，應(yīng)著重考慮全船失電預(yù)防功能。

配備DP-2系統(tǒng)的船，在DP-2運(yùn)行工況下是不允許全船失電的，特別是發(fā)電機(jī)過載跳閘而造成的失電。常規(guī)采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的海洋工程船的全船失電預(yù)防功能主要通過限制推進(jìn)器功率及自動(dòng)分級(jí)卸載次要負(fù)載功能來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電站容量不能滿足DP-2運(yùn)行工況負(fù)荷使用要求時(shí)，由于推進(jìn)器占電站的負(fù)荷最大，PMS會(huì)根據(jù)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率暫時(shí)限制推進(jìn)器的輸出功率，保證發(fā)電機(jī)組不過載，并分級(jí)卸載次要負(fù)載，如廚房洗衣設(shè)備，空調(diào)加熱通風(fēng)設(shè)備等，以降低電網(wǎng)負(fù)荷；再恢復(fù)推進(jìn)器的輸出功率，以保證船舶的定位要求。

深海采礦船與其他常規(guī)海工船相比，最大的特點(diǎn)是采礦作業(yè)設(shè)備占電站的負(fù)荷大，因此在保證定位能力及實(shí)現(xiàn)全船失電預(yù)防功能的前提下，應(yīng)該同時(shí)考慮對(duì)采礦設(shè)備進(jìn)行功率限制及自動(dòng)分級(jí)卸載，因?yàn)椴傻V船存在靠綁接駁轉(zhuǎn)運(yùn)工況，所以不宜限制推進(jìn)器的功率而造成船舶隱患。在對(duì)采礦設(shè)備進(jìn)行功率限制及自動(dòng)分級(jí)卸載時(shí)，應(yīng)考慮采礦作業(yè)的連續(xù)性，畢竟采礦船是以商業(yè)化開采為目的。

按照采礦船的負(fù)載分配情況及作業(yè)模式，可以采用采礦作業(yè)設(shè)備功率限制加雙級(jí)卸載的方案，分解卸載需要按照負(fù)荷情況分優(yōu)先等級(jí)卸載，具體方案如表3所示。.

表 3

在配電板負(fù)荷達(dá)到90%，PMS應(yīng)開始限制采礦設(shè)備的功率輸出，保證采礦作業(yè)持續(xù)進(jìn)行及定位作業(yè)的安全性，部分采礦設(shè)備的工作速率可以下降。水下三個(gè)礦機(jī)均采用變頻驅(qū)動(dòng)，因此可以很容易實(shí)現(xiàn)功率限制功能，具體參數(shù)設(shè)定如表4所示[2]。

表 4

在功率限制后，配電板負(fù)荷任上升到95%時(shí)，此時(shí)可將部分采礦設(shè)備卸載，但是仍要保證已經(jīng)建立完開采面的礦物能繼續(xù)開采，因此可以卸掉3個(gè)礦機(jī)的部分負(fù)載，具體參數(shù)設(shè)定如表5所示[2]。

表 5

一級(jí)卸載過程中，也應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷情況，按照優(yōu)先等級(jí)依次卸載。在功率限制及一級(jí)卸載完成后可以為電站提供5698kW余量。此時(shí)如果配電板的負(fù)荷仍然上升，且上升到100%，就將進(jìn)行二級(jí)卸載操作，二級(jí)卸載完成后，水下作業(yè)將全部暫停，具體參數(shù)設(shè)定如表6所示[2]。

表 6

二級(jí)卸載通常發(fā)生在極端惡劣情況下，比如海況十分惡劣，船舶需要推進(jìn)器輸出大推力以保證定位安全性，從而暫停水下采礦作業(yè)的情況。從表4～表6可以看出，通過限制功率到分級(jí)卸載操作三個(gè)操作過程，可以為電站留出12566kW的余量用于推進(jìn)器的定位功率輸出，而且在逐步操作中，可以保證采礦作業(yè)的連續(xù)性。

5 結(jié)語

針對(duì)深海采礦的作業(yè)特點(diǎn)，本文通過采礦作業(yè)流程、電站結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述，設(shè)計(jì)出基于環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、滿足多工況作業(yè)要求的電站及智能化功率管理系統(tǒng)，可以為我國后續(xù)深海采礦船的電站及PMS設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 張奇，金奎.基于S7-400H的功率管理系統(tǒng)在海洋平臺(tái)中的應(yīng)用[J].船電技術(shù)，2016,36（8）：15.

[2] Daal Jaffers. Seafloor Production Equipment Electrical Operational Philosophy. 2016