閉環(huán)電氣系統(tǒng)在大型工程船舶上的應(yīng)用

趙建宇，唐 怡

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

隨著海洋工程不斷向深水領(lǐng)域發(fā)展，大型工程船舶不斷涌現(xiàn)，大功率電力系統(tǒng)在船舶中的應(yīng)用也越來越普遍[1]。雖然大功率電力系統(tǒng)滿足了大型工程船的使用要求，但是其能源消耗也相當(dāng)巨大。如何在保證系統(tǒng)可靠性的同時降低整船的能源消耗成為了擺在各船舶設(shè)計機(jī)構(gòu)面前的一道難題。閉環(huán)電力系統(tǒng)的應(yīng)用在船舶節(jié)能降耗方面展現(xiàn)出獨(dú)有的特點(diǎn)，取得了良好的效果。系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行是相對系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行的一種提法，相對于常規(guī)的開環(huán)運(yùn)行方式，閉環(huán)運(yùn)行將所有主母排連成一個閉環(huán)，系統(tǒng)可以根據(jù)作業(yè)的實際需要投入和退出發(fā)電機(jī)數(shù)量，從而使發(fā)電機(jī)的利用達(dá)到最優(yōu)程度，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[2]。本文將結(jié)合范例，論述系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行與傳統(tǒng)方式的對比、優(yōu)勢及注意事項。

1 船舶動力定位系統(tǒng)簡介

船舶電力系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著為全船動力、控制、通信導(dǎo)航以及安全保證等設(shè)備提供電源的任務(wù)，是船舶動力和控制的重要組成部分。隨著海洋工程需求的不斷提高，船舶日趨大型化、電氣化、智能化。隨著深水作業(yè)的增加，船舶動力定位(DP)系統(tǒng)越來越成為深水海洋工程船舶的標(biāo)準(zhǔn)配置。該系統(tǒng)可以在風(fēng)、浪、流的干擾情況下，不借助錨泊系統(tǒng)而利用自身的推進(jìn)器，使船舶保持一定的位置和艏向，或者按預(yù)定運(yùn)動軌跡運(yùn)行[3]。DP系統(tǒng)根據(jù)定位需求與效果的不同，可分為DP1、DP2、DP3三個級別。DP3是國際海事組織(IMO)的最高動力定位級別，可依靠自身的自控系統(tǒng)和衛(wèi)星定位，自動測定風(fēng)向等海況，并且精準(zhǔn)度最高，抗風(fēng)險能力也最強(qiáng)，即使一個艙室發(fā)生火災(zāi)或進(jìn)水，仍不影響平臺的位置和艏向。

為了滿足船舶的DP要求，整船電力系統(tǒng)需要按照船級社的規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計和配置。如DP3級別船舶，要求發(fā)電機(jī)艙室及配電間與其他發(fā)電機(jī)艙室應(yīng)進(jìn)行A60防火分隔，做到即使在火災(zāi)情況下也不影響其他艙室[4]。

2 船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行模式分析

2.1 電氣系統(tǒng)范例

為了更加清楚地說明船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行情況，列舉一個范例進(jìn)行說明。在范例中，假定目標(biāo)船為具備DP3級別的動力定位工程船，具有海上吊裝及鋪管功能。為此，該船配備8臺主發(fā)電機(jī)及8臺推進(jìn)器，其他主要用電設(shè)備包括吊機(jī)及鋪管設(shè)備。同時，為了滿足其DP3級別動力定位要求，電力系統(tǒng)也應(yīng)隨之開展設(shè)計；主機(jī)及配電盤柜分4個艙室進(jìn)行布置，各個配電室間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)，但開關(guān)之間仍需物理分隔。詳細(xì)情況可參考圖1。

2.2 系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行模式

在圖1中，如兩側(cè)的斷路器(CB No.1和CB No.2)均處于打開狀態(tài)，則系統(tǒng)處于開環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。如果其中一個母排出現(xiàn)故障，被從系統(tǒng)中切斷后，其他各個母排只能分開運(yùn)行，正常母排運(yùn)行的發(fā)電機(jī)就不能兼顧其他母排上的負(fù)載。此外，系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)時，在負(fù)荷較小的工況下，為了保持整船的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，每段母排上至少仍需運(yùn)行1臺發(fā)電機(jī)，即整個系統(tǒng)至少需同時運(yùn)行4臺發(fā)電機(jī)。

圖1 電力系統(tǒng)示意圖Fig.1 Power system diagram

2.3 系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行模式

在圖1系統(tǒng)中，如將所有母聯(lián)開關(guān)均閉合，系統(tǒng)則連成了一個閉環(huán)，處于閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。與開環(huán)運(yùn)行模式相比，系統(tǒng)主要設(shè)備并未增加，只是改變了母聯(lián)開關(guān)的使用情況。最終狀態(tài)如圖2所示。

理論上講，在此運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)的數(shù)量可以根據(jù)負(fù)荷的情況進(jìn)行投入和退出，保證合理的使用率。在閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下，如果負(fù)荷需求不大，全船只運(yùn)行2臺發(fā)電機(jī)即可滿足使用要求，而不需要像開環(huán)運(yùn)行模式一樣每個母排均運(yùn)行1臺發(fā)電機(jī)。

大型工程船舶根據(jù)使用要求，分多種使用工況，比如各種作業(yè)工況、航行工況、停泊工況、待機(jī)工況等。其中各種作業(yè)工況，系統(tǒng)電力負(fù)荷較大，處于全船的重載情況；而航行工況、停泊工況和待機(jī)工況，系統(tǒng)負(fù)荷則相對小得多，系統(tǒng)處于輕載情況。根據(jù)實際操船情況，除正常作業(yè)外，全年各種輕載工況的作業(yè)時間也占據(jù)較大比重。以上述系統(tǒng)為例，如在輕載工況下采用開環(huán)運(yùn)行模式，系統(tǒng)中仍需投入至少4臺發(fā)電機(jī)；而采用閉環(huán)運(yùn)行模式，則系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要配置發(fā)電機(jī)，最少投入數(shù)量為2臺。因此，閉環(huán)運(yùn)行模式較開環(huán)運(yùn)行方式更適用于輕載工況，優(yōu)勢明顯。

2.4 閉環(huán)電力系統(tǒng)的優(yōu)勢

由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，閉環(huán)運(yùn)行模式在全船輕載工況下具有很大的優(yōu)勢，具體分析有以下幾點(diǎn)。

圖2 閉環(huán)運(yùn)行模式Fig.2 Closed-ring running model

(1) 形式靈活，提高系統(tǒng)可靠性。在閉環(huán)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要配置發(fā)電機(jī)數(shù)量。在發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時，可以快速起動備用發(fā)電機(jī)，保證系統(tǒng)快速恢復(fù)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

(2) 節(jié)約燃油，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。由于采用閉環(huán)運(yùn)行方式，減少了系統(tǒng)中主機(jī)的投入數(shù)量，因此使整船的燃油量大為減少，提高了全船總體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

(3) 減少污染，保護(hù)環(huán)境。燃油量的減少意味著發(fā)電機(jī)煙氣排放量也相應(yīng)下降，減少了向空氣中排放的廢氣，在環(huán)保方面起到了積極作用。同時，在閉環(huán)運(yùn)行模式下，系統(tǒng)可以使各個發(fā)電機(jī)在比較經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷率上運(yùn)行，發(fā)揮了發(fā)電機(jī)的最大效能。據(jù)報道，已投入運(yùn)營的海洋石油982采用了閉環(huán)電力系統(tǒng)，較常規(guī)系統(tǒng)，其氧化氮排放減少35%，二氧化碳排放減少20%?？梢婇]環(huán)電力系統(tǒng)在減少廢氣排放方面的效果相當(dāng)明顯。

(4) 減少噪聲，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境。對于圖1所示系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行方式，每個母排上必須有一臺發(fā)電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)一臺發(fā)電機(jī)需要維修時，同一艙室另一臺發(fā)電機(jī)仍要運(yùn)行。維修時機(jī)器噪聲大，工作環(huán)境不舒適。而采用閉環(huán)運(yùn)行方式，當(dāng)一臺發(fā)電機(jī)需要維修時，可以關(guān)閉同一艙室的另一臺發(fā)電機(jī)，而運(yùn)行其他艙室的發(fā)電機(jī)，仍可保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。主機(jī)檢修期間，可真正實現(xiàn)主機(jī)間零噪音。

(5) 減少火災(zāi)風(fēng)險。閉環(huán)運(yùn)行模式與常規(guī)模式比較，減少了發(fā)電機(jī)的投入數(shù)量，客觀上減少了發(fā)電機(jī)發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險，提高了整船的安全性。

(6) 減少主機(jī)維護(hù)成本。閉環(huán)系統(tǒng)可以靈活地調(diào)整投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時間決定需要哪臺投入運(yùn)行，平均了發(fā)電機(jī)的使用時間，可以使發(fā)電機(jī)最大限度地發(fā)揮效能，減少主機(jī)的維修成本。

2.5 閉環(huán)電力系統(tǒng)的缺點(diǎn)

相對于開環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)電力系統(tǒng)在許多方面均具有優(yōu)勢，但也有其自身的一些缺點(diǎn)，具體如下。

(1) 閉環(huán)電力系統(tǒng)對繼電保護(hù)系統(tǒng)要求更高。由于閉環(huán)系統(tǒng)較開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，自動化程度更高，因此對繼電系統(tǒng)設(shè)備要求就更加嚴(yán)苛，以滿足各種工況下系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(2) 在高負(fù)荷工況下，閉環(huán)電力系統(tǒng)優(yōu)勢不明顯。閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于在低負(fù)荷工況時發(fā)電機(jī)利用率高，調(diào)配靈活，可以提高整個系統(tǒng)的效率。但當(dāng)系統(tǒng)在高負(fù)荷工況時，發(fā)電機(jī)投入數(shù)量較多，閉環(huán)運(yùn)行與開環(huán)運(yùn)行差距較小，體現(xiàn)不出其優(yōu)勢。

(3) 驗收程序嚴(yán)格。由于閉環(huán)電力系統(tǒng)是近年來逐漸投入使用的一種系統(tǒng)，因此各船級社對此系統(tǒng)的驗收均十分嚴(yán)格。例如，挪威船級社(DNV)要求，如采用閉環(huán)電力系統(tǒng)，需對整個電力系統(tǒng)進(jìn)行短路試驗，以檢驗整個系統(tǒng)的可靠性[5]。雖然此舉很好地對電力系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了驗證，但短路試驗可能會對電力系統(tǒng)設(shè)備使用壽命造成一定的影響。

3 閉環(huán)電力系統(tǒng)設(shè)計中需注意的部分問題

閉環(huán)電力系統(tǒng)較傳統(tǒng)系統(tǒng)在低負(fù)荷工況下有比較大的優(yōu)勢，系統(tǒng)實現(xiàn)也相對簡單，但在實際設(shè)計過程中仍需注意以下問題。

(1) 注意系統(tǒng)短路電流和直流分量。當(dāng)系統(tǒng)中同時投入的發(fā)電機(jī)較多時，系統(tǒng)在故障時的短路電流和直流分量會大幅增加，往往會超過現(xiàn)有斷路器產(chǎn)品的額定值。因此在系統(tǒng)設(shè)計時，需要準(zhǔn)確計算其數(shù)值，并依此來選擇合適的斷路器產(chǎn)品。一般情況下，閉環(huán)運(yùn)行方式在低負(fù)荷工況下優(yōu)勢明顯，因此可以在系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行時，根據(jù)計算的結(jié)果來限定發(fā)電機(jī)的投入數(shù)量，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(2) 系統(tǒng)發(fā)生故障時系統(tǒng)應(yīng)可以快速并有選擇性地斷開故障元件。系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的斷路器均有短路時瞬時斷開的功能。在閉環(huán)運(yùn)行模式下，發(fā)生短路故障時，要求各母排之間的母聯(lián)開關(guān)應(yīng)先于發(fā)電機(jī)斷路器斷開，否則故障電流將蔓延到其他母排上，引起其他發(fā)電機(jī)斷路器斷開，進(jìn)而使推進(jìn)器關(guān)停，DP系統(tǒng)將失去控制。因此，系統(tǒng)設(shè)計時必須要確保聯(lián)絡(luò)開關(guān)的短路脫扣時間短于發(fā)電機(jī)斷路器的脫扣時間，并且母聯(lián)開關(guān)要有能力分?jǐn)嘞到y(tǒng)內(nèi)最大短路電流。

4 結(jié) 語

閉環(huán)電力系統(tǒng)能優(yōu)化發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，可有效減少主機(jī)運(yùn)行和維護(hù)時間，提高主機(jī)操作靈活性，并已經(jīng)過實踐檢驗，其優(yōu)勢也得到了各方普遍的認(rèn)可。但也因其自身的針對性，限制了其廣泛的使用。

因此，船舶電力系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)船舶的功能來設(shè)置：如低負(fù)荷工況占整個作業(yè)周期比重較大，宜采用閉環(huán)電力系統(tǒng)，以發(fā)揮其在低負(fù)荷工況下的優(yōu)勢；如船舶大部分作業(yè)時間均處于高負(fù)荷工況，則宜選用常規(guī)的開環(huán)系統(tǒng)，以發(fā)揮其簡單、可靠的優(yōu)點(diǎn)。

雖然閉環(huán)電力系統(tǒng)還存在著部分缺點(diǎn)有待攻克，但相信隨著電氣技術(shù)的不斷完善，新技術(shù)產(chǎn)品的不斷推出，閉環(huán)電力系統(tǒng)的缺陷將得到進(jìn)一步改善，其在工程船舶領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。

[1] 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，2009，20(5)：30.

Xu Dan-Zheng,Liao Yan-hua,Wu Fei-wen.Electric design for ship with high-power electric system (1)[J].Ship & Boat,2009，20(5)：30.

[2] 于亮，王校峰，張碩，等.船用中壓電力系統(tǒng)的發(fā)展[J].機(jī)電設(shè)備，2008，25(2)：1.

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[3] 袁飛暉,熊勇,宋金揚(yáng).DP-3動力定位控制系統(tǒng)在鉆井平臺上的應(yīng)用[J].上海造船,2010(1)：42.

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[5] DNV GL.DNVGL-OTG-10.DP-classed vessels with closed bus-tie(s) [S].2015.