閉合母排電力系統(tǒng)船舶試驗分析

張凌云，董 博

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

隨著油氣勘探從近海走向遠海，海洋工程船舶得到快速發(fā)展，其中能在深水海域工作的動力定位(Dynamic Positioning, DP)船舶的發(fā)展尤為迅速，為滿足多功能和高海況需求，其裝機功率越來越大。隨著航運市場對環(huán)保的要求日趨嚴格，對船舶采取節(jié)能減排措施尤為重要。DP船舶通過閉合母排電力系統(tǒng)優(yōu)化電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，從而減少燃油消耗，在燃油經(jīng)濟性和供電連續(xù)性方面具有一定的優(yōu)勢，越來越受海工船市場的青睞。在上海振華重工(集團)股份有限公司(以下簡稱“振華重工”)的海工船建造項目中，有多型船都采用閉合母排電力系統(tǒng)設(shè)計，如某深水多功能飽和潛水支持船項目，采用的是DYNPOS-AUTRO和DYNPOS-ER雙重DP入籍符號，并采用閉合母排和推進器雙路供電的技術(shù)方案。DNV GL為驗證系統(tǒng)保護裝置的故障隔離能力，對發(fā)電機保護試驗、短路試驗和失電順序恢復(fù)試驗的方案提出了嚴格要求。

1 閉合母排電力系統(tǒng)

閉合母排電力系統(tǒng)主要是將配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成母聯(lián)開關(guān)可閉合的形式，形成一個匯流排運行的配電網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)生單一故障時，配電系統(tǒng)能預(yù)判并快速隔離故障設(shè)備或故障區(qū)間，同時不影響電網(wǎng)中設(shè)備的正常運行。閉合母排電力系統(tǒng)在DP工況下可有效減少在網(wǎng)發(fā)電機的數(shù)量，減少船舶燃油消耗，通過提高發(fā)電機組的負載率來減少有害氣體排放。

以往DNV GL從安全性的角度考慮，通常不接受DP3船舶采用閉合/閉環(huán)形式的電力系統(tǒng)設(shè)計，防止因發(fā)生某些單點故障而導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)失電。與之相比，分段運行的母排完全相互獨立，無論哪段母排發(fā)生故障，都不會引起全船失電。近年來，隨著技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，已能證明閉合/閉環(huán)母排可與分段母排一樣，具備相同水平的可靠性和完整性。為使船舶在運行過程中具有更好的經(jīng)濟性和更靈活的操作性,船級社逐漸開始接受這種閉合/閉環(huán)形式的電力系統(tǒng)設(shè)計，但要求其完整性能等效于分段運行母排。圖1為閉合母排電力系統(tǒng)框圖。在閉合母排工況下，母聯(lián)開關(guān)和通往推進器的所有開關(guān)均為常閉。

圖1 閉合母排電力系統(tǒng)框圖

2 閉合母排電力系統(tǒng)試驗

根據(jù)DNV GL的要求，閉合母排DP船舶的電力系統(tǒng)試驗除了包括常規(guī)電力系統(tǒng)試驗以外，還包括增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)試驗、實效短路試驗和失電順序恢復(fù)試驗。

2.1 增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)試驗

增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)主要通過檢測，提前將故障發(fā)電機從系統(tǒng)中隔離出來，使正常運行的發(fā)電機不受影響，保證系統(tǒng)安全可靠地運行，并通過試驗來驗證系統(tǒng)的實際動作方式與設(shè)計是一致的。

在開展增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)試驗時，應(yīng)根據(jù)試驗大綱設(shè)定的故障點和動作，通過檢測系統(tǒng)不同的狀態(tài)和故障，保護系統(tǒng)做出相應(yīng)的動作。試驗內(nèi)容主要包括：系統(tǒng)報警功能；PMS(Power Management System)啟動備用機組，停止有問題的發(fā)電機組；將系統(tǒng)調(diào)整到降速模式，停止PMS；硬線發(fā)生故障時，PMS啟動備用機組；切斷故障母排。

圖2為某潛水支持船增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)框圖。由圖2可知，增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)通過采集發(fā)電機組調(diào)壓信號、柴油機組調(diào)速信號、PMS中的關(guān)鍵參數(shù)和其他發(fā)電機組的運行參數(shù)等，進行數(shù)據(jù)處理分析，根據(jù)設(shè)備的運行狀態(tài)對系統(tǒng)進行輔助決策，發(fā)出相應(yīng)的指令，從而在故障擴散之前切斷故障發(fā)電機，最小化故障對電力系統(tǒng)的沖擊，抑制停電風(fēng)險和可能出現(xiàn)的位置丟失問題。

圖2 某潛水支持船增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)框圖

通過調(diào)試和試驗，修復(fù)與設(shè)計結(jié)果不一致的地方，并進行參數(shù)調(diào)整和系統(tǒng)修改，完善增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)的保護功能，確定保護功能與需求設(shè)計的一致性，使其完全匹配項目要求，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。

2.2 實效短路試驗

單段母排的短路故障會導(dǎo)致整個電網(wǎng)的電壓快速下降，故障階段的電網(wǎng)電壓幾乎為零，該過程中可能會導(dǎo)致發(fā)電機脫扣、推進器退出DP系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)停止運行等一系列問題。因此，通過實效短路試驗來驗證整個電力系統(tǒng)的完整性非常重要，其主要目的包括：

1)驗證電力系統(tǒng)的選擇性與設(shè)計一致，故障點能快速隔離，而其他部分能保持正常運行；

2)驗證發(fā)電機、配電系統(tǒng)、推進器和相關(guān)輔助系統(tǒng)的故障穿越能力；

3)驗證短路故障對相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的影響。

以振華重工建造的某深水多功能飽和潛水支持船為例，為驗證其電力系統(tǒng)的可靠性和短路故障穿越能力，DNV GL要求對DYNPOS-AUTRO閉合母排或推進器雙路供電的設(shè)計方案進行實效短路試驗。實效短路試驗是DP3閉合母排電力系統(tǒng)試驗的重點和難點，由于具有一定的危險性，需在試驗之前對系統(tǒng)、設(shè)備和安全保障等進行全面分析，精心策劃，明確分工。另外，需考慮意外事件應(yīng)急方案，最大程度地保證安全。

試驗之前需完成系統(tǒng)仿真分析和試驗程序送審工作，并與船級社和船舶所有人確認試驗的相關(guān)事項，包括：

1)試驗時需記錄的試驗數(shù)據(jù)，比如短路電流值、電壓值、開關(guān)脫扣時間、短路時間和設(shè)備運行狀況等;

2)短路點的選擇，不同項目會有所差別，一般需有專門用來開展實效短路試驗的試驗屏；

3)試驗時的狀態(tài)，比如推進器的功率，船級社一般要求其值盡量小，以使推進變頻器能在最差的工作狀況下實現(xiàn)故障穿越；

4)輔助系統(tǒng)的運行狀態(tài)，不必要的設(shè)備應(yīng)盡量隔離開，以免受影響。

試驗時，選取中壓配電板試驗屏的母排進行短路銅排(匯流排)連接，并在駕駛室或集控室內(nèi)遠程合閘遙控。同時，檢查發(fā)電機組、中壓配電板、變頻器和推進器的運行狀態(tài)，核定各系統(tǒng)保護裝置的參數(shù)設(shè)定是否正確。試驗過程中采用工控機對整個電網(wǎng)的電壓、電流、頻率和動作時間等主要參數(shù)進行記錄，用于分析和判斷，并形成最終的短路故障穿越試驗報告。圖3為某飽和潛水支持船實效短路試驗數(shù)據(jù)采集框圖。

通過開展實效短路試驗，確定電力系統(tǒng)的選擇性保護功能、關(guān)鍵設(shè)備的故障穿越能力和故障對設(shè)備的影響。

2.3 失電順序恢復(fù)試驗

雖然在設(shè)計閉合母排電力系統(tǒng)時已考慮發(fā)生故障時采取的各種隔離保護措施，但在船舶實際運行過程中，仍會遇到一些未知的故障。按照船級社規(guī)范的要求，只有完成全船失電恢復(fù)試驗，才能驗證采用閉合母排電力系統(tǒng)的DP船舶在全船突然失電的情況下，能迅速恢復(fù)供電，維持定位能力。

圖3 某飽和潛水支持船實效短路試驗數(shù)據(jù)采集框圖

振華重工建造的某深水多功能飽和潛水支持船需滿足DYNPOS-ER入籍符號的要求，在順序啟動試驗中，從電網(wǎng)失電到DP控制系統(tǒng)接收到推進器的準備信號的過程需在45 s內(nèi)完成。此項試驗需要應(yīng)急發(fā)電機在不啟動的條件下恢復(fù)全船供電，因此主發(fā)電機組啟動所需的油泵和水泵需采用機帶泵，即主發(fā)電機組在接收到失電啟動信號之后能自動啟動。在項目設(shè)計階段，需分析電力系統(tǒng)和DP相關(guān)設(shè)備啟動所需時間、啟動順序和啟動條件，并在試驗之前對各階段時間進行準確的計算復(fù)核。

在失電順序恢復(fù)試驗中，可利用全船監(jiān)測系統(tǒng)制作狀態(tài)圖，協(xié)助試驗人員直觀地了解各設(shè)備的運行和恢復(fù)狀態(tài)，按船舶恢復(fù)供電的順序確定相應(yīng)的恢復(fù)流程。例如，當(dāng)電力系統(tǒng)檢測到失電信號時，啟動備用主發(fā)電機組，恢復(fù)中壓配電板、低壓配電板和變頻器，啟動推進器電機并最終送出READY信號，這些設(shè)備的狀態(tài)均可在狀態(tài)圖中予以顯示。圖4為飽和潛水支持船失電啟動狀態(tài)圖，取2套主配電板、2套440 V配電板、6臺推進器的運行信號(用1表示)和停止信號(用0表示)為縱軸，時間為橫軸，根據(jù)信號的變化量得到各系統(tǒng)恢復(fù)運行的時間。此外，試驗之前需重點關(guān)注電力系統(tǒng)和DP系統(tǒng)中的一些連鎖信號，如柴油機滑油壓力低時無法啟動發(fā)電機，推進變頻器冷卻水系統(tǒng)無壓力時無法啟動變頻器等。在這種情況下，需進行連鎖信號抑制，否則會導(dǎo)致試驗失敗。

圖4 飽和潛水支持船失電啟動狀態(tài)圖(恢復(fù)時間為40 s)

通過開展失電順序恢復(fù)試驗，不斷對系統(tǒng)進行優(yōu)化和測試，使其能以最快的速度和最安全的方式恢復(fù)到失電之前的狀態(tài)。該項目最終在42 s內(nèi)完成了從發(fā)電機啟動到推進器給出準備信號的過程。

3 結(jié) 語

DP3閉合母排電力系統(tǒng)試驗中的增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)試驗、實效短路試驗和失電順序恢復(fù)試驗是檢驗船舶電力系統(tǒng)有效性的重要方式，該系統(tǒng)的設(shè)計、建造和試驗是船舶行業(yè)的難點。本文結(jié)合振華重工建造的某飽和潛水支持船，分析了其DP加強型(DYNPOS-ER)閉合母排電站增強型發(fā)電機監(jiān)測保護系統(tǒng)試驗、實效短路試驗和失電順序恢復(fù)試驗的要求，積累了豐富的經(jīng)驗，能為國內(nèi)建造閉合母排提供一定的借鑒。