基于安全返港要求的大型客船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁 洋 李 凱 董良志

（中船郵輪科技發(fā)展有限公司 上海200137）

引 言

對(duì)于客船而言，游客和船員的生命安全是首先需要考慮的問題，歷來一直為世界海事業(yè)所重點(diǎn)關(guān)注。伴隨著海難事故的不斷發(fā)生，世界航運(yùn)發(fā)展的歷史也見證了國(guó)際海事組織（IMO）“國(guó)際海上人命安全公約（SOLAS公約）”的誕生。

隨著大型客船尺寸和人員的不斷增加，IMO更加關(guān)注郵輪的安全。安全返港理念是基于對(duì)近30年來因火災(zāi)和進(jìn)水事故導(dǎo)致的遠(yuǎn)洋客船動(dòng)力失效、棄船或沉沒事故的分析，發(fā)現(xiàn)若能將意外事件有效控制，并限制在有限范圍內(nèi)時(shí)，船舶自身是最好的“救生艇”。由此，2000年12月國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海上安全委員會(huì)（Maritime Safety Committee，MSC）召開第73次會(huì)議，正式提出“安全返港”提議；2006年12月，對(duì)應(yīng)的決議得到通過，并于4年后（2010年）的7月1日正式生效，成為強(qiáng)制性的法規(guī)要求。決議生效的同年6月，所通過的MSC.1/Circ.1369給了客船在發(fā)生進(jìn)水或失火事故后對(duì)系統(tǒng)能力評(píng)估的臨時(shí)解釋。該法規(guī)大致規(guī)定：船舶在一定邊界內(nèi)發(fā)生進(jìn)水或失火事故時(shí)，憑借自身的動(dòng)力安全返回港口，返港期間乘客應(yīng)能待在“安全區(qū)域”內(nèi)并保證自身安全，同時(shí)基本的生活需求能得到滿足；當(dāng)意外事件超出安全邊界時(shí)，相關(guān)重要系統(tǒng)有能力維持3 h正常工作以爭(zhēng)取逃生時(shí)間，并保證有序撤離。

國(guó)外船廠、船級(jí)社憑借其在大型客船領(lǐng)域的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。中國(guó)船廠在客船安全返港設(shè)計(jì)方面，雖有少許案例，但非常缺乏安全返港設(shè)計(jì)與應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于大型客船安全返港的設(shè)計(jì)技術(shù)的掌握基本仍屬空白，設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段方面也仍然停留在低效和低可靠性的人工分析評(píng)估階段，缺乏先進(jìn)的工具。如今，電力推進(jìn)系統(tǒng)在大型客船的應(yīng)用占比越來越高，這也將成為未來的趨勢(shì)，因此越來越受到船東重視。下文將以該系統(tǒng)為例，討論安全返港的設(shè)計(jì)思路和方法。

1 大型客船推進(jìn)系統(tǒng)安全返港設(shè)計(jì)要求

大型客船因其載客數(shù)量大且密集，安全問題（特別是2010年正式強(qiáng)制生效的“安全返港”，要求包括SOLAS Reg.II-1/8.1、Reg.II-2/21和Reg.II-2/22三部分內(nèi)容）一直是各方關(guān)注的焦點(diǎn)。從規(guī)范要求角度，大型客船安全返港設(shè)計(jì)要滿足“Safe Return to Port”的基本目標(biāo)，而船東則往往會(huì)在此基礎(chǔ)上提出更高要求，且安全返港的具體功能指標(biāo)需要船廠、船東、船級(jí)社和設(shè)計(jì)方協(xié)商一致后再開展工作。

大型客船主豎區(qū)多、功能艙室眾多、系統(tǒng)特別復(fù)雜，與傳統(tǒng)貨船相比，其系統(tǒng)配置和功能側(cè)重差別迥異。以某一大型客船為例，船上安全返港要求涉及的系統(tǒng)預(yù)計(jì)占全船系統(tǒng)的約90%以上，船上電纜長(zhǎng)度約2 800 km、管系長(zhǎng)度約600 km、火警探測(cè)點(diǎn)約6 000個(gè)、主防火門約1 300扇，如此體量龐大、布置安裝繁雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)均要滿足安全返港要求，其工作量和工程復(fù)雜程度可想而知。綜上所述，大型客船安全返港的設(shè)計(jì)難度非常大。

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)系到客船的動(dòng)力和安全，是客船的心臟。安全返港對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)和配電系統(tǒng)要求如下：

（1）應(yīng)至少設(shè)有2套獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)，相關(guān)推進(jìn)機(jī)械應(yīng)分艙遠(yuǎn)離布置；如不可避免布置在相鄰的處所，則分隔倉(cāng)壁應(yīng)為A級(jí)分隔的水密艙壁。

（2）當(dāng)其中一套推進(jìn)系統(tǒng)因事故界限內(nèi)的失火事故無法工作后，剩下的推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)考慮到預(yù)期營(yíng)運(yùn)區(qū)域的海況和風(fēng)力條件能夠安全返港；建議船舶在蒲氏風(fēng)級(jí) 8 級(jí)的天氣條件和相應(yīng)的海況下以不小于6 n mile / h的航速返回港口。

（3）當(dāng)2套推進(jìn)系統(tǒng)所在處所為火源處所，且相鄰布置時(shí)，則這些處所都應(yīng)能由固定式滅火系統(tǒng)保護(hù)。

（4）若推進(jìn)系統(tǒng)的遙控功能喪失，可接受就地手動(dòng)控制，只要設(shè)置適當(dāng)?shù)耐ㄐ藕蛻?yīng)急照明，并證明任何控制和監(jiān)控系統(tǒng)的損失不阻止或損害對(duì)推進(jìn)和發(fā)電系統(tǒng)（包括但可不限于發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、燃料系統(tǒng)等）的這種手動(dòng)/就地控制。以該方式操作時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置機(jī)器報(bào)警裝置。

（5）配電系統(tǒng)作為對(duì)支持船舶安全返港能力有至關(guān)重要影響的輔助系統(tǒng)，其設(shè)置應(yīng)確?；馂?zāi)或進(jìn)水事故未超過事故界限時(shí)，SOLAS II-2 章21.4 條要求的有電力供應(yīng)的系統(tǒng)仍能運(yùn)行。

（6）應(yīng)至少設(shè)有 2 套主配電板，并分別布置在不同的A 級(jí)分隔和水密分隔的處所內(nèi)。

根據(jù)安全返港要求，為便于區(qū)分和檢查，供電、推進(jìn)系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)的編號(hào)分為P系統(tǒng)（藍(lán)色）和S系統(tǒng)（紅色）。下文將以某大型客船為案例，討論滿足安全返港要求的電力推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配置設(shè)計(jì)和布置設(shè)計(jì)。

2 大型客船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 大型客船綜合電網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

大型客船尺度大、設(shè)計(jì)航速高，多以電力推進(jìn)為主要推進(jìn)方式，推進(jìn)功耗高達(dá)30～50 MW；除大功率的推進(jìn)系統(tǒng)外，為滿足眾多乘客、服務(wù)人員和船員需求，客船配置的空調(diào)、餐飲以及生活配套等設(shè)施所帶來的電力需求也非常大。

大型客船相當(dāng)于移動(dòng)的小型社區(qū)，其所搭載的系統(tǒng)多樣、負(fù)載繁多，針對(duì)不同的系統(tǒng)和負(fù)載，其所需要的電源各有不同，工況也比較復(fù)雜。電力推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)艙輔助系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、內(nèi)部通訊報(bào)警系統(tǒng)、船舶通信導(dǎo)航系統(tǒng)、本地娛樂系統(tǒng)、船員生活系統(tǒng)等，這些配電分配在不同主豎區(qū)的系統(tǒng)運(yùn)行的電壓等級(jí)也不相同。

大型客船電網(wǎng)系統(tǒng)除需滿足客船常規(guī)負(fù)載的用電需求外，還需滿足電力推進(jìn)設(shè)備的用電需求，因此對(duì)發(fā)電和配電需統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，提出了綜合電網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念，即著名的綜合電力集成系統(tǒng)（Integrated Power System， IPS）。綜合電網(wǎng)是指所有裝載發(fā)電機(jī)的電能統(tǒng)一輸出至1套配電板予以分配，其最大的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)配電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，最大的缺點(diǎn)是推進(jìn)系統(tǒng)感性負(fù)載產(chǎn)生的諧波畸變會(huì)對(duì)常規(guī)負(fù)載產(chǎn)生影響。

電力推進(jìn)與綜合動(dòng)力系統(tǒng)已成為最有效的推進(jìn)裝置之一。與傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)相比，變速電機(jī)的效率更高，可節(jié)省大量燃料。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)在額定工況下的推進(jìn)效率在85%～90%，在低負(fù)載操作區(qū)域內(nèi)推進(jìn)效率顯著降低；而電力推進(jìn)可以不受負(fù)載大小限制，靈活地分配給各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，使其工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)獲得最大的燃油效率。

根據(jù)船舶總體信息和各專業(yè)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)電力負(fù)荷計(jì)算書和電力系統(tǒng)單線圖，根據(jù)客船總布置和主尺度，結(jié)合水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定推進(jìn)系統(tǒng)所需功率大??；結(jié)合日用負(fù)載計(jì)算電站容量，結(jié)合安全返港、操縱經(jīng)濟(jì)性要求，確定發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)和單臺(tái)容量；考慮安全返港冗余要求和客船航速要求，結(jié)合廠家設(shè)備選型手冊(cè)，確定推進(jìn)器的容量和臺(tái)數(shù)。

2.2 基于安全返港要求的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為某大型客船綜合電力系統(tǒng)單線圖。

圖1 電力系統(tǒng)單線圖

下文將以該船為例展開討論。該船綜合電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ筒捎眯切停ㄝ椛渚W(wǎng)）結(jié)構(gòu)，各區(qū)域主配電板、分配電板和重要負(fù)載分別由主配電板獲得供電，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，便于操作和集中控制。該船高壓配電板由兩段組成，分別布置于前后機(jī)艙內(nèi)，之間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接。正常情況下，兩段配電板之間的開關(guān)是閉合的，假如一段配電板所在區(qū)域發(fā)生進(jìn)水或火災(zāi)事故，聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)斷開，另外一段配電板可承擔(dān)起為常規(guī)負(fù)載和推進(jìn)系統(tǒng)供電的任務(wù)。該船配置了5臺(tái)發(fā)電機(jī)組，前機(jī)艙布置3臺(tái)14 400 kW的發(fā)電機(jī)，后機(jī)艙布置2臺(tái)16 800 kW的發(fā)電機(jī)，分別給前后機(jī)艙的配電板供電。

推進(jìn)系統(tǒng)是安全返港規(guī)范中的重要系統(tǒng)，該船配置2套推進(jìn)系統(tǒng)，分別布置于左右機(jī)艙內(nèi)，確保一套推進(jìn)系統(tǒng)所在區(qū)域發(fā)生進(jìn)水或火災(zāi)事故后，另外一套推進(jìn)系統(tǒng)可正常工作。每套推進(jìn)系統(tǒng)由以下設(shè)備組成：2套推進(jìn)變壓器，2套變頻器，1套全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，推進(jìn)控制系統(tǒng)。該船電力推進(jìn)系統(tǒng)參見圖2。

圖2 電力推進(jìn)系統(tǒng)布置圖

每套推進(jìn)系統(tǒng)的2臺(tái)推進(jìn)變壓器由同一段配電板供電，功能上兼顧變壓和移相的作用。推進(jìn)變壓器的原邊電壓為11 000 V，副邊電壓為1 680 V，由于推進(jìn)變壓器啟動(dòng)電流過大，對(duì)電網(wǎng)造成巨大沖擊，引起電壓壓降過大。因此推進(jìn)變壓器配置1臺(tái)預(yù)充磁變壓器。為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)虛擬24脈沖的目標(biāo)，2臺(tái)推進(jìn)變壓器原邊相位移角為15°。

推進(jìn)變頻器采用ABB的ACS 6 000電壓型系列產(chǎn)品，每套推進(jìn)系統(tǒng)配置2套中壓變頻器，2套變頻器共同實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)的變頻供電。高壓變頻器的輸入電壓為3 300 V，輸出電壓為2 850 V，可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)0～137 r/min速度變化。變頻器是電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的最主要設(shè)備，因?yàn)榇半娡葡到y(tǒng)采用變頻進(jìn)行調(diào)速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣直接影響船舶電網(wǎng)的電源質(zhì)量。為有效抑制諧波，保證電網(wǎng)諧波在規(guī)范允許范圍內(nèi)，該船采用虛擬24脈沖的方法予以實(shí)現(xiàn)。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器主要由滑環(huán)單元、舵機(jī)模塊、推進(jìn)模塊、接口單元、就地控制箱、冷卻單元、通風(fēng)單元等組成。推進(jìn)電機(jī)為無刷勵(lì)磁型同步電機(jī)，功率為20.5 MW，輸入電壓為2 850 V，電機(jī)內(nèi)包含雙套繞組單元。

根據(jù)安全返港的要求，配電系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)需滿足冗余設(shè)計(jì)要求。從布置上分析，發(fā)電機(jī)、配電板和分別布置在前后機(jī)艙內(nèi)，推進(jìn)系統(tǒng)布置在左右舷機(jī)艙內(nèi)。當(dāng)一個(gè)機(jī)艙發(fā)生不超過事故界限的進(jìn)水或失火事故時(shí)，不會(huì)影響另外一個(gè)機(jī)艙的正常運(yùn)行，推進(jìn)系統(tǒng)仍然以一半的功率將船舶推進(jìn)到最近的港口。從冗余配置上分析，當(dāng)部分發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，其余正常工作發(fā)電機(jī)可將電能輸送到配電板，綜合電網(wǎng)根據(jù)負(fù)載優(yōu)先級(jí)別確定哪些負(fù)載優(yōu)先工作，哪些負(fù)載首先脫扣。推進(jìn)電機(jī)采用雙繞組、雙變頻器、雙變壓器配置，當(dāng)一路推進(jìn)變壓器輸入側(cè)開關(guān)到電機(jī)繞組任何一處發(fā)生故障時(shí)，另外一路可正常工作，推進(jìn)電機(jī)仍可憑一半的功率運(yùn)行。安全返港需考慮在最嚴(yán)重情況下推進(jìn)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)返港要求，假設(shè)左舷推進(jìn)系統(tǒng)的配電系統(tǒng)發(fā)生故障，右舷推進(jìn)系統(tǒng)能夠正常工作，右舷推進(jìn)系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)及常規(guī)負(fù)載也需正常工作。

推進(jìn)控制系統(tǒng)可在駕駛室、橋樓兩翼、集控室、推進(jìn)器間（就地控制箱）等處所實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的控制，以上任何一處位置發(fā)生進(jìn)水或火災(zāi)事故時(shí)，不影響其他區(qū)域推進(jìn)控制的實(shí)現(xiàn)。推進(jìn)控制系統(tǒng)獨(dú)立于自動(dòng)化綜合控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

推進(jìn)系統(tǒng)的電纜走向應(yīng)遵循遠(yuǎn)離失火區(qū)域和易產(chǎn)生機(jī)械損耗的區(qū)域，服務(wù)于2套不同推進(jìn)系統(tǒng)的電力電纜從發(fā)電機(jī)到配電間、變壓器、變頻器直至推進(jìn)器，應(yīng)分開布置于不同的防火安全區(qū)。當(dāng)機(jī)艙區(qū)域的布局為前后機(jī)艙，可借過上下層甲板的方式解決電纜路徑無法避開同一防火安全區(qū)的問題。如圖中系統(tǒng)A的電纜在水平經(jīng)過系統(tǒng)B所處的后機(jī)艙區(qū)域時(shí)，可向上至上層甲板的安全A區(qū)通過。左右布局的推進(jìn)器間等區(qū)域，可增設(shè)緩沖間并以A0級(jí)別的防火艙壁作物理隔離保護(hù)。類似的，推進(jìn)系統(tǒng)的控制電纜也需要參照電力電纜的走向原則進(jìn)行布置，確保服務(wù)系統(tǒng)A的電纜只經(jīng)過安全區(qū)域A，服務(wù)系統(tǒng)B的電纜只經(jīng)過安全區(qū)域B。實(shí)際的電纜托架應(yīng)在水平和垂直兩個(gè)緯度上盡量遠(yuǎn)離，電力電纜和控制電纜不走同一電纜托架，最終確保推進(jìn)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。

圖3為該船電力推進(jìn)系統(tǒng)電力電纜走向布置圖。

圖3 電力推進(jìn)系統(tǒng)電力電纜走向布置圖

3 結(jié) 語

大型客船安全返港設(shè)計(jì)是客船的一項(xiàng)關(guān)鍵的核心設(shè)計(jì)要求，目前歐洲國(guó)家對(duì)該關(guān)鍵設(shè)計(jì)的理解依然遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)人員。安全返港法規(guī)是基于目標(biāo)要求制定的，需要設(shè)計(jì)人員具備豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)安全返港設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，解決了綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配置冗余和布置冗余的問題，為客船安全返港其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。