大型郵輪綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

董良志，曹亞冬，方旻遐

（中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200137）

0 前 言

大型郵輪被譽(yù)為移動(dòng)的海上城市，需滿(mǎn)足乘客安全性、舒適性和娛樂(lè)性的度假需求。 隨著綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)已成為大型郵輪動(dòng)力系統(tǒng)的主流形式。 隨著郵輪總噸的增大， 電力推進(jìn)系統(tǒng)的電機(jī)和郵輪電站容量不斷增大，其電力系統(tǒng)供配電的控制、管理的復(fù)雜程度及自動(dòng)化程度越來(lái)越高。 根據(jù)SOLAS 公約， 大型郵輪需滿(mǎn)足MSC.216（82）決議關(guān)于客船安全返港（safe return to port，簡(jiǎn)寫(xiě)為SRtP）要求，推進(jìn)系統(tǒng)是船舶航行的動(dòng)力來(lái)源，因此對(duì)于安全返港至關(guān)重要［1］。 由于我國(guó)在大型郵輪綜合電力推進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)方面經(jīng)驗(yàn)較少，對(duì)于這類(lèi)船舶的電站設(shè)計(jì)、電網(wǎng)設(shè)計(jì)以及推進(jìn)設(shè)備的配置方法都沒(méi)有形成成熟的體系，因此有必要對(duì)大型郵輪綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 電力負(fù)荷計(jì)算

大型郵輪電站除了保證電力推進(jìn)系統(tǒng)的安全供電外，還需保證乘客用電負(fù)載的持續(xù)供電。 電力負(fù)荷計(jì)算的方法和結(jié)果直接影響整船的安全性、經(jīng)濟(jì)性和操縱性。 大型郵輪系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備繁多，需準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)設(shè)備明細(xì)、臺(tái)數(shù)和額定功率，選擇合適的負(fù)荷系數(shù)，得出各負(fù)載的實(shí)際消耗功率。

1.1 推進(jìn)功率計(jì)算

以某15 萬(wàn)總噸級(jí)郵輪為目標(biāo)船型進(jìn)行分析，該郵輪主要技術(shù)參數(shù)如下：

部分12 萬(wàn)總噸～16 萬(wàn)總噸級(jí)大型郵輪推進(jìn)功率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1， 推進(jìn)器功率約占柴油機(jī)裝機(jī)功率的50%～60%，所以主推進(jìn)功率大小直接影響整船的電站容量。

表1 大型郵輪推進(jìn)功率統(tǒng)計(jì)分析

船舶阻力計(jì)算是為了獲得船舶的有效功率，在進(jìn)行機(jī)槳匹配時(shí)，船舶有效功率作為必要的輸入條件來(lái)確定柴油機(jī)和螺旋槳的相關(guān)參數(shù)。 使用海軍常數(shù)法估算目標(biāo)船推進(jìn)阻力， 速度-功率曲線(xiàn)見(jiàn)圖1，該郵輪在23.4 kn 航速時(shí)推進(jìn)功率為40 894 kW。

圖1 目標(biāo)船型推進(jìn)系統(tǒng)速度-功率曲線(xiàn)

1.2 工況分析和負(fù)載分組

大型郵輪通?？蓜澐譃橄募竞叫?、 正常航行、冬季航行、進(jìn)出港、停泊、應(yīng)急、安全返港、緊急撤離等8 種工況。 與常規(guī)貨船相比，郵輪增加了安全返港和緊急撤離這兩種工況。 由于冬季航行和夏季航 行空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)功率需求差異較大，所以也需進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。

發(fā)電機(jī)的總裝機(jī)功率由以上8 種工況的最大值確定， 郵輪的最大用電需求為夏季航行工況，電站總功率應(yīng)大于該工況下的功率需求并保留10%的冗余度。 同時(shí)需考慮其他工況下發(fā)電機(jī)的操作靈活性及經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而確定單臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率和發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)。

郵輪電力負(fù)載分成11 組：A 為船體、 甲板、航行、安全系統(tǒng)負(fù)載；B 為推進(jìn)及輔助系統(tǒng)；C 為主輔機(jī)系統(tǒng)；D 為船舶日用系統(tǒng)；E 為機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)；F 為空調(diào)系統(tǒng)；G 為廚房、冷藏、洗衣系統(tǒng)；H 為住艙服務(wù)系統(tǒng)；I 為照明及插座；J 為娛樂(lè)系統(tǒng)；K 為其他系統(tǒng)。

根據(jù)各類(lèi)負(fù)載的負(fù)荷系數(shù)和同時(shí)使用系數(shù)，計(jì)算出各組負(fù)載在不同工況下的實(shí)際使用功率，根據(jù)最大功率需求確定電站容量，根據(jù)經(jīng)濟(jì)航行、進(jìn)出港和停泊工況確定發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)和單臺(tái)功率。 綜合以上分析和計(jì)算，結(jié)合水池試驗(yàn)和設(shè)備廠家產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，通過(guò)對(duì)各組負(fù)載在不同工況下的使用功率進(jìn)行計(jì)算匯總，可分析不同工況下整船所需的總功率， 在各工況下發(fā)電機(jī)的使用系統(tǒng)應(yīng)不超過(guò)90%，目標(biāo)船電力負(fù)荷計(jì)算如表2 所示。

2 綜合電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型郵輪綜合電網(wǎng)系統(tǒng)需滿(mǎn)足客船日用負(fù)載的用電需求和電力推進(jìn)設(shè)備的用電需求，因此對(duì)發(fā)電和配電需進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)， 即綜合電網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念，也稱(chēng)為綜合電力系統(tǒng)。 綜合電網(wǎng)是指整船發(fā)電機(jī)的電能統(tǒng)一輸出至一套配電板予以分配，綜合電網(wǎng)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。 即使如此，與傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)相比變速電機(jī)的效率更高，綜合電網(wǎng)與電力推進(jìn)系統(tǒng)仍然成為郵輪廣泛使用的推進(jìn)方式。

大型郵輪綜合電網(wǎng)架構(gòu)模型分為星型饋線(xiàn)式（輻射網(wǎng)）結(jié)構(gòu)和環(huán)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，這兩種架構(gòu)模型在大型郵輪上都有應(yīng)用，表3 為大型郵輪饋線(xiàn)式和環(huán)網(wǎng)式配電性能對(duì)比表。 饋線(xiàn)式配電是一種常規(guī)的配電方式，這種配電方式相對(duì)成熟，目前國(guó)內(nèi)建造的集裝箱船、散貨船、油船等基本都采用饋線(xiàn)式配電。 環(huán)網(wǎng)式配電指的是將艏部配電板、區(qū)域配電板、尾部配電板組成一個(gè)環(huán)形，一處發(fā)生故障不會(huì)影響整個(gè)回路的供電，環(huán)網(wǎng)式配電在集裝箱船冷箱配電中也有應(yīng)用。 圖2 為饋線(xiàn)式配電示意圖，所有設(shè)備負(fù)載直接從11 kV 主匯流排處饋電， 每路負(fù)載需要單獨(dú)的一個(gè)開(kāi)關(guān)，一旦開(kāi)關(guān)或電纜出現(xiàn)故障，該路負(fù)載將無(wú)法工作。 圖3 為環(huán)網(wǎng)式配電示意圖，各主豎區(qū)住艙區(qū)域分別配置一個(gè)中壓配電板，與其他主豎區(qū)的住艙11 kV 配電板和11 kV 主配電板組成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 每個(gè)配電板包含兩路輸入開(kāi)關(guān)和一路輸出開(kāi)關(guān)，輸入開(kāi)關(guān)連入環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，輸出開(kāi)關(guān)連接到各主豎區(qū)域變壓器向各主豎區(qū)的低壓配電板供電。

圖3 環(huán)網(wǎng)式配電示意圖

表3 大型郵輪饋線(xiàn)式和環(huán)網(wǎng)式主要性能對(duì)比

圖2 饋線(xiàn)式配電示意圖

通過(guò)對(duì)比分析饋線(xiàn)式和環(huán)網(wǎng)式電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，綜合考慮設(shè)計(jì)復(fù)雜程度、經(jīng)濟(jì)性和操作靈活性等因素，目標(biāo)船型確定饋線(xiàn)式配電方案，高壓配電板前后機(jī)艙分開(kāi)布置，滿(mǎn)足冗余設(shè)計(jì)要求。

3 滿(mǎn)足安全返港要求的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)SOLAS 規(guī)定， 對(duì)2010 年7 月1 日以后建造、船長(zhǎng)在120 m 或以上、有3 個(gè)或以上主豎區(qū)的客船應(yīng)滿(mǎn)足安全返港要求。 安全返港要求是指：當(dāng)船舶發(fā)生火災(zāi)或浸水時(shí)，事故未超過(guò)事故界限，船舶能依靠自身動(dòng)力安全返回港口。 為達(dá)到安全返港目的，發(fā)生事故界限內(nèi)的事故時(shí)，船舶的14 個(gè)重要系統(tǒng)應(yīng)保持運(yùn)轉(zhuǎn)。 電力推進(jìn)系統(tǒng)就是14 個(gè)重要系統(tǒng)之一。

3.1 安全返港要求

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)系到郵輪的動(dòng)力和安全，是郵輪的“心臟”。 安全返港對(duì)配電系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)要求如下：

1） 應(yīng)至少設(shè)有2 套推進(jìn)系統(tǒng)，配置上應(yīng)有所冗余，其推進(jìn)機(jī)械應(yīng)分艙布置。 如布置在相鄰處所，則相鄰艙壁應(yīng)為A 級(jí)防火分隔的水密艙壁。

2）當(dāng)其中一套推進(jìn)系統(tǒng)因事故界限內(nèi)的火災(zāi)事故無(wú)法運(yùn)行后，剩余的推進(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 kn 的航速返回港口。

3） 如推進(jìn)系統(tǒng)的遙控功能喪失，可實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)控制。

4）配電系統(tǒng)作為船舶安全返港至關(guān)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(guò)事故界限時(shí)，SOLAS 第II-2 章21.4 條要求的由電力供應(yīng)的系統(tǒng)仍能運(yùn)行。

5） 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)防火分隔和水密分隔的處所內(nèi)。

3.2 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)配置和布置

目標(biāo)船中壓配電板電壓為11 kV，頻率為60 Hz，由布置在前、后機(jī)艙內(nèi)的兩段配電板組成，之間通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)連接。 在正常情況下，兩段配電板之間的開(kāi)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，母聯(lián)開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，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)。 電站配置5 臺(tái)發(fā)電機(jī)組，前機(jī)艙布置3 臺(tái)，后機(jī)艙布置2 臺(tái)，分別給前后機(jī)艙高壓配電板供電。

推進(jìn)系統(tǒng)是安全返港要求的重要系統(tǒng)，該船配置2 套推進(jìn)系統(tǒng)，分別布置在左右機(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)。

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。為防止電網(wǎng)起動(dòng)電流過(guò)大，推進(jìn)變壓器配置1 臺(tái)預(yù)充磁變壓器。 為了實(shí)現(xiàn)虛擬24 脈沖，2 臺(tái)推進(jìn)變壓器原邊相位移角為15°。

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。 中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 調(diào)速。變頻器是電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的最主要設(shè)備，因?yàn)殡娡葡到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。 為了有效抑制諧波，采用虛擬24 脈沖以保證電網(wǎng)諧波在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

安全返港考慮在最嚴(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)載也應(yīng)正常工作。 從布置上分析，如圖4 所示， 發(fā)電機(jī)和配電板分別布置在前后機(jī)艙內(nèi)，推進(jìn)系統(tǒng)布置在艉部的左右舷推進(jìn)器艙。該船前后機(jī)艙以及艉部的左右舷推進(jìn)器艙均采用A 級(jí)防火分隔。當(dāng)一個(gè)機(jī)艙發(fā)生不超過(guò)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)仍有一半的功率將船舶推進(jìn)到最近的港口。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(kāi)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，保證推進(jìn)電機(jī)以半功率運(yùn)行。

圖4 電力推進(jìn)系統(tǒng)布置圖

可在駕駛室、橋樓兩翼、集控室、推進(jìn)器間（就地控制箱）處操控推進(jìn)系統(tǒng)，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)。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合目標(biāo)船滿(mǎn)足安全返港要求的電力推進(jìn)系統(tǒng)和配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)圍繞推進(jìn)功率和電力負(fù)荷計(jì)算， 分析比較星型饋線(xiàn)式和環(huán)網(wǎng)型電網(wǎng)架構(gòu)性能，確定電站容量、綜合電網(wǎng)系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)雙冗余配置技術(shù)方案，為后續(xù)大型郵輪綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。