4 000 t起重船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 燁 曾國(guó)詠

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海200125）

引 言

隨著大型海上工程和海難救助事業(yè)的快速發(fā)展，大型起重船作為不可缺少的工程船舶之一在其中發(fā)揮著重要的作用。近日一艘由國(guó)內(nèi)造船廠為盧森堡船東Normalux Maritime SA負(fù)責(zé)建造的4 000 t“GULLIVER”號(hào)自航起重船頻繁出現(xiàn)在各海難救助與打撈現(xiàn)場(chǎng)，成為海上搶險(xiǎn)救援的明星。該船主要服務(wù)于歐洲市場(chǎng)的海上起重作業(yè)和風(fēng)電場(chǎng)的安裝、維護(hù)作業(yè)等，是一艘集起吊、運(yùn)輸和打撈于一體，具有自航能力的多功能起重船，入級(jí)英國(guó)勞氏船級(jí)社。“GULLIVER”號(hào)在主甲板上擁有2臺(tái)2 000 t起重機(jī)，起重機(jī)可以在船上的軌道間來(lái)回行走。配備了水下推進(jìn)器和主/輔錨泊定位系統(tǒng)，使其能夠在其他同類船舶無(wú)法到達(dá)的海域作業(yè)。作為該項(xiàng)目的參與人員，本文將對(duì)“GULLIVER”號(hào)的電力系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)作簡(jiǎn)要介紹，期望能對(duì)今后類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作起到一定的參考意義。

1 推進(jìn)系統(tǒng)及推進(jìn)電網(wǎng)的選擇

考慮到整船的定位效果和操縱性，“GULLIVER”號(hào)在首、尾各設(shè)置2臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)可調(diào)槳推進(jìn)器，每臺(tái)柴油機(jī)的自由端設(shè)有一臺(tái)推進(jìn)發(fā)電機(jī)。由于需滿足英國(guó)勞氏船級(jí)社DP（AA）［1］入級(jí)附加標(biāo)志的要求，發(fā)電機(jī)和推進(jìn)器需有冗余，4臺(tái)推進(jìn)器分別安裝在4個(gè)完全獨(dú)立的艙室內(nèi)，如圖1所示。

圖1 推進(jìn)器布置示意圖

每臺(tái)柴油-推進(jìn)系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)（如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)等）完全獨(dú)立。配電部分為了實(shí)現(xiàn)冗余的設(shè)計(jì)，在每個(gè)推進(jìn)器室設(shè)有各自的推進(jìn)配電板，分別連接到同一推進(jìn)器室內(nèi)的推進(jìn)發(fā)電機(jī)上，這樣每個(gè)推進(jìn)器室就構(gòu)成了一個(gè)完全獨(dú)立的配電網(wǎng)絡(luò)，只給各自推進(jìn)器室內(nèi)的輔助系統(tǒng)和推進(jìn)器相關(guān)設(shè)備供電，全船便形成了4個(gè)獨(dú)立的推進(jìn)電網(wǎng)，在DP模式下可與主電網(wǎng)完全隔離。這樣的設(shè)計(jì)能夠保證即使在發(fā)生最大單個(gè)故障的情況下，動(dòng)力定位操作還能持續(xù)進(jìn)行。該船的最大單點(diǎn)故障是單臺(tái)推進(jìn)器失效，在規(guī)定的環(huán)境條件下，剩下的3臺(tái)推進(jìn)器仍能有效定位。

2 電站及配電設(shè)備

“GULLIVER”號(hào)的電力系統(tǒng)的主要配置如下，主電力系統(tǒng)單線圖如下頁(yè)圖2所示。

2.1 發(fā)電機(jī)

2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組AC 690 V， 60 Hz， 1 500 kW；1臺(tái)輔助發(fā)電機(jī)組AC 440 V， 60 Hz， 800 kW；4臺(tái)推進(jìn)發(fā)電機(jī) AC 293～440 V， 40～66.7 Hz， 135 kW×600 r·min-1/ 270 kW×900 r·min-1及1臺(tái)應(yīng)急兼停泊發(fā)電機(jī)組AC 440 V，60 Hz，188 kVA。

圖2 “GULLIVER”號(hào)電力系統(tǒng)單線圖

2.2 電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組

為構(gòu)成清潔電網(wǎng)（Clean Net），在局部的電網(wǎng)中采用了電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組（Rotary Frequency Converter）的供電方式， 起到了完全的電氣隔離和諧波隔離的作用。該電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組由三相交流異步電機(jī)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)組成，整個(gè)機(jī)組集成在一個(gè)密封的機(jī)座內(nèi)，機(jī)座外殼只留有電氣接線和外部冷卻水管的接口，與外界幾乎完全隔離。

全船總共設(shè)2套電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組。主電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組為AC 690/440 V，電機(jī)參數(shù)：AC 660 V，60 Hz， 850 kW， 發(fā)電 機(jī)參 數(shù) ：AC 440 V， 60 Hz，800 kW； 輔助電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組為AC 440/690 V，電機(jī)參數(shù)：AC 440 V，60 Hz，170 kW，發(fā)電機(jī)參數(shù)：AC 690 V，60 Hz，152 kW。

2.3 930 V直流配電板（包含變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）

起重機(jī)、定位錨絞車和壓載系統(tǒng)是起重船的核心設(shè)備，總共包含了37臺(tái)交流變頻電機(jī)，如起重絞車、變幅絞車、系泊絞車、拖帶絞車和壓載泵等。變頻驅(qū)動(dòng)形式采用的是公共直流母線的方案，適用于各個(gè)設(shè)備之間動(dòng)作關(guān)聯(lián)程度高、變頻器集中應(yīng)用的場(chǎng)合。相對(duì)于傳統(tǒng)的單臺(tái)1對(duì)1變頻驅(qū)動(dòng)方式，達(dá)到減少元器件的數(shù)量、節(jié)省設(shè)備安裝空間及電纜布線和降低整體投資的目的［2］。

整個(gè)系統(tǒng)主要由交流發(fā)電機(jī)、整流模塊、直流母線、變頻逆變器、制動(dòng)斬波器和制動(dòng)電阻等幾個(gè)部分組成。

公共直流母線的運(yùn)用大大減少了整流模塊的數(shù)量。兩臺(tái)交流主發(fā)電機(jī)各自通過一個(gè)整流模塊向公共的直流母線供電，將發(fā)電機(jī)輸出的交流電整流成為直流電，從而組成了一個(gè)直流電網(wǎng)。區(qū)別于交流電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)同步需同時(shí)考慮頻率、電壓、相位相同等因素，直流電網(wǎng)中同步僅需滿足電壓相同這一個(gè)條件［3］，就可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。

逆變部分采用的則是1對(duì)1逆變器，全部的逆變器通過熔斷器掛接在同一組公共的直流母排上，從直流母線獲取電能，將直流電轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑調(diào)速的目的。

起重機(jī)和定位錨絞車在實(shí)際使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)同一系統(tǒng)中多臺(tái)電機(jī)處于電動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)）的情況，公共直流母線的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)從再生發(fā)電電機(jī)回收能量并將其補(bǔ)充其他逆變器所需的電動(dòng)能量，避免造成產(chǎn)生的能量通過制動(dòng)電阻器以熱能的形式全部消耗掉的情況，在省去大量的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)再生能源的合理利用［4］，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。為防止短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)電機(jī)在使用過程中出現(xiàn)急降速或緊急制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過多再生能源無(wú)法被吸收的情況，對(duì)直流母線造成影響，在每段母線側(cè)配置了公用的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻裝置。

直流母線被分成兩段，通過直流快速熔斷器相連，正常情況下母聯(lián)開關(guān)保持常閉狀態(tài)，當(dāng)任意一側(cè)母排發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，母聯(lián)開關(guān)才會(huì)斷開。

2.4 輔助配電板

正常情況下通過變頻器向主電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組供電，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)出AC 440 V交流電壓給輔助配電板供電。該配電板除了包含輔助發(fā)電機(jī)相關(guān)的控制和監(jiān)測(cè)的功能外，還具備以下這些功能：

（1）2臺(tái)主發(fā)電機(jī)的起/停控制、開關(guān)合分閘控制和相關(guān)監(jiān)測(cè)功能；

（2）主、輔電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的起?？刂?、開關(guān)合分閘控制和相關(guān)監(jiān)測(cè)功能；

（3）輔助發(fā)電機(jī)和主電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)并車和負(fù)載分配功能；

（4）應(yīng)急配電板的模式選擇及聯(lián)絡(luò)開關(guān)合分閘控制；

（5）應(yīng)急發(fā)電機(jī)的起/?？刂?、開關(guān)合分閘控制和相關(guān)監(jiān)測(cè)功能。

2.5 推進(jìn)配電板

推進(jìn)配電板的匯流排被分成了三段，每段匯流排之間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)。推進(jìn)配電板也通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)和輔助配電板相連。

推進(jìn)發(fā)電機(jī)由推進(jìn)柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，雖然配有CPP調(diào)距槳推進(jìn)器，但是為增強(qiáng)船舶的操控性能和定位能力，需要推進(jìn)器工作在聯(lián)合操控模式（combinatory mode）。所以即使在推進(jìn)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)供電的時(shí)候，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速仍然是不斷變化的，這導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的電壓和頻率會(huì)隨主機(jī)轉(zhuǎn)速而變化，無(wú)法直接給負(fù)載供電，所以考慮在發(fā)電機(jī)和配電板之間安裝變頻器。發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)變頻器整流并逆變后，形成電壓與頻率均基本恒定的交流電給電網(wǎng)供電。同時(shí)為了更大程度改善諧波電流對(duì)電網(wǎng)的干擾，采用LCL型濾波器也是一種能夠改善電網(wǎng)諧波干擾的有效手段，其能夠減小電流中的高次諧波成分［5］，改善電壓波形。

3 供電模式

如前文所述，由于船舶主電網(wǎng)和推進(jìn)電網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立，將分別對(duì)這兩種電網(wǎng)供電模式進(jìn)行說明。

3.1 主電網(wǎng)的供電模式

正常情況下，船上用電負(fù)荷比較低時(shí)，可以僅開1臺(tái)主發(fā)電機(jī)供全船用電。當(dāng)用電負(fù)荷較高（特別是在起重作業(yè)或者錨泊定位）時(shí)，則需要同時(shí)開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)，在個(gè)別極端工況下則需要開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)和1臺(tái)輔助發(fā)電機(jī)。

以下通過表1以及圖2中各斷路器的編號(hào)，結(jié)合不同的操作工況及各用電設(shè)備的情況，對(duì)4種主要的供電模式進(jìn)行說明。

供電模式一：適用于航行/拖拽工況或低負(fù)荷時(shí)的作業(yè)工況。由其中1臺(tái)主發(fā)電機(jī)給930 V直流配電板供電，閉合開關(guān)S5經(jīng)主電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組（M2A）給輔助配電板供電。在全船失電的情況下，輔助發(fā)電機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)會(huì)同時(shí)起動(dòng)，首先由輔助發(fā)電機(jī)給輔助配電板供電，當(dāng)20 s內(nèi)輔助發(fā)電機(jī)未能成功給輔助配電板供電，輔助發(fā)電機(jī)的開關(guān)S6將被閉鎖，2 s后應(yīng)急發(fā)電機(jī)連接到應(yīng)急配電板，由應(yīng)急發(fā)電機(jī)給應(yīng)急配電板供電。

供電模式二：適用于起重作業(yè)工況或錨泊定位。由2臺(tái)主發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行給930 V直流配電板供電，閉合開關(guān)S5經(jīng)主電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組（M2A）給輔助配電板供電。輔助發(fā)電機(jī)處于備用狀態(tài)。

供電模式三：適用于四點(diǎn)錨泊定位起重作業(yè)工況。此時(shí)需同時(shí)使用2臺(tái)起重機(jī)，用電負(fù)荷很高，2臺(tái)主發(fā)電機(jī)無(wú)法滿足全船用電量的需求，需同時(shí)開起輔助發(fā)電機(jī)。930 V直流配電板由2臺(tái)主發(fā)電機(jī)供電，輔助發(fā)電機(jī)和主電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組（M2A）同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行給輔助配電板供電。

供電模式四：適用于停泊工況。由輔助發(fā)電機(jī)給輔助配電板供電，閉合開關(guān)S4經(jīng)輔助電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組（A2M）給930 V直流配電板供電。

表1 各供電模式下斷路器的狀態(tài)

3.2 推進(jìn)電網(wǎng)的供電模式

推進(jìn)配電板的匯流排分成3段，把連接的負(fù)載按DP相關(guān)負(fù)載和非DP相關(guān)負(fù)載分成兩類，分別連接在BUS-B和BUS-C匯流排上。圖3為推進(jìn)電網(wǎng)示意圖以及在不同模式下的各斷路器狀態(tài)。

圖3 推進(jìn)電網(wǎng)示意圖及各斷路器的狀態(tài)

當(dāng)在DP模式下作業(yè)時(shí)，斷開B、C匯流排之間的母聯(lián)開關(guān)，閉合推進(jìn)發(fā)電機(jī)的主開關(guān)和A、B匯流排之間的母聯(lián)開關(guān)，形成B匯流排上的負(fù)載（DP相關(guān)負(fù)載）由推進(jìn)發(fā)電機(jī)供電，C匯流排上的負(fù)載（非DP相關(guān)負(fù)載）由主發(fā)電機(jī)供電，形成分區(qū)供電的模式。

在非DP模式下，此時(shí)斷開推進(jìn)發(fā)電機(jī)的主開關(guān)以及A、B匯流排之間的母聯(lián)開關(guān)，閉合B、C匯流排之間的母聯(lián)開關(guān)，同時(shí)閉合推進(jìn)配電板與輔助配電板之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，形成由主發(fā)電機(jī)經(jīng)輔助配電板對(duì)推進(jìn)配電板供電的模式。

4 功率管理系統(tǒng)

該船的主發(fā)電機(jī)數(shù)量少并且在主要作業(yè)工況下均需要2臺(tái)主發(fā)電機(jī)同時(shí)投入運(yùn)行，沒有常規(guī)自動(dòng)電站中備用機(jī)組的概念，所以根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載情況自動(dòng)增加和解列發(fā)電機(jī)的功能在本項(xiàng)目上并無(wú)太大意義。

“GULLIVER”號(hào)關(guān)鍵的施工作業(yè)設(shè)備都為變頻驅(qū)動(dòng)，提高電站供電的可靠性和持續(xù)性是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)、安全施工作業(yè)的關(guān)鍵。本船PMS的重點(diǎn)在于可靠、穩(wěn)定的功率分配，對(duì)全船的變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和管理。PMS功能除了具備常規(guī)船舶中自動(dòng)并車、負(fù)載轉(zhuǎn)移、重載問詢、分級(jí)卸載和斷電恢復(fù)等功能外，還需具有配合變頻控制系統(tǒng)完成設(shè)備的功率限制、速度限制及主配電板再生能源的監(jiān)測(cè)等功能。

為有效防止發(fā)電機(jī)過載而引起整個(gè)電站斷電，PMS會(huì)精確計(jì)算當(dāng)前實(shí)際用電量和電站可供電量的差距，根據(jù)電站的運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行判斷，通過向變頻控制系統(tǒng)發(fā)送最大功率信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率限制［6］，以便將電站負(fù)荷控制在合理的范圍內(nèi)；當(dāng)主配電板中產(chǎn)生的再生能源無(wú)法被利用或者被制動(dòng)電阻消耗掉時(shí)，PMS還會(huì)向變頻控制系統(tǒng)發(fā)送速度限制命令。

5 結(jié) 語(yǔ)

“GULLIVER”號(hào)已于去年成功交付，并逐漸在海上施工領(lǐng)域嶄露頭角。近日在對(duì)挪威最大軍艦的打撈過程中發(fā)揮了舉足輕重的作用，更是出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各大新聞媒體的報(bào)道中。

該船電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路具有某些特點(diǎn)，對(duì)日后海洋工程船舶的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有極重要的參考價(jià)值。

多項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用被證實(shí)是成功的，諸如公共直流母線的應(yīng)用很出色地滿足了起重機(jī)的控制要求；強(qiáng)大而快速的壓載系統(tǒng)能準(zhǔn)確跟蹤起重作業(yè)，使起重作業(yè)能夠快速、穩(wěn)定、連續(xù)完成，這都離不開該技術(shù)的應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組以及LCL濾波器的應(yīng)用，在構(gòu)建清潔電網(wǎng)、諧波抑制方面也取得了成功。