李偉杰，洪 鍵，何 凡，李玉濤，許亮亮，楊冰昀

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

DP-3級動力定位控制系統(tǒng)的不間斷電源設計

李偉杰，洪 鍵，何 凡，李玉濤，許亮亮，楊冰昀

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

不間斷電源（uninterruptible power supply）是能為負載提供不間斷電源和清潔電源的供電系統(tǒng)。根據(jù)船級社規(guī)范的要求，不間斷電源對于動力定位系統(tǒng)是必不可少的。現(xiàn)以一艘實際深水鉆井船為例，從動力定位系統(tǒng)（dynamic positioning system）的DP3級的角度闡述DP控制系統(tǒng)的不間斷電源設計。本文首先介紹了常用的兩種不間斷電源的類型，再從動力定位系統(tǒng)的角度闡述了不間斷電源的負載分配，最后再具體說明了不間斷電源在設備布置時需要考慮的要點。

動力定位；控制系統(tǒng)；不間斷電源

0 引言

隨著海洋石油資源得到了廣泛的關注，當前海洋工程項目的開發(fā)及制造也越來越多。對于深水海洋工程項目，無論是鉆井船還是深水半潛平臺，其定位方式只能采用動力定位的形式。作為DP-3級動力定位的附加標志，根據(jù)船級社[1,2]的相關要求，其動力定位系統(tǒng)的控制電源必須采用不間斷電源UPS。其中必須有一臺作為備用動力定位系統(tǒng)，與主動力定位系統(tǒng)有A-60的艙室分割。不間斷電源UPS[3,4]，它是一種含有儲能裝置、以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的電源設備。其主要作用是在當主電源中斷時，及時向用電設備提供清潔的電能，并使設備仍能持續(xù)工作一段時間。

1 不間斷電源的類型

1.1 簡單的UPS

簡單的UPS是由整流器、蓄電池、逆變器組成，見圖1。在正常情況下，外部的交流電源經(jīng)過整流器變換成直流，整流器的輸出將直流電提供給逆變器的同時，并對蓄電池進行浮充電。當外部電源失效時，其中的蓄電池將通過逆變器將電源輸出給負載，維持供電的連續(xù)性。這種類型的UPS的優(yōu)點在于當主電源失效時，可以通過蓄電池向負載持續(xù)提供電源。缺點在于當逆變器故障時，整套系統(tǒng)均無法工作。此外，人員在進行元器件維護時，必須將整套系統(tǒng)停止方能進行。

圖1 簡單的UPS

1.2 帶靜態(tài)開關的UPS

顧名思義，這種類型的UPS比簡單的UPS多了靜態(tài)開關的元器件，如圖2所示。在正常情況下，其工作原理和簡單的UPS一樣。當逆變器發(fā)生故障或者發(fā)生負載超載、短路時，為了保證不中斷地對負載進行供電，可以通過靜態(tài)開關的轉換，由主電源通過直接向負載供電。靜態(tài)開關，是將一組反向并聯(lián)的電力晶閘管連接起來的電子元器件，可以將切換的時間縮短到毫秒以下。當操作人員需要對對元器件進行維護工作時，可以通過旁路的維護開關進行，保證了在更換維護元器件時，不影響設備的供電。

圖2 帶靜態(tài)開關的UPS

本項目采用的即為此類型的在線式UPS[5]。UPS的輸出電壓穩(wěn)定度達到了±1%V，端頻率穩(wěn)定度可達±0.1%Hz，電壓的畸變度小于2%，為負載提供了穩(wěn)定的清潔的高品質電源。整套系統(tǒng)將整流器、靜態(tài)開關、逆變器、維護開關做成一個UPS柜中，見圖3。將蓄電池組單獨做在另一個箱柜中。整個蓄電池的標稱電壓為±96V，容量為50Ah/10h。通過16個12V 50Ah/10h的蓄電池串聯(lián)組成，如圖4所示。

圖3 UPS柜

圖4 蓄電池柜

2 不間斷電源的負載分配

UPS系統(tǒng)中的蓄電池容量應給動力定位系統(tǒng)設備提供不少于30分鐘的持續(xù)電源[6]。UPS作為DP-3級動力定位控制系統(tǒng)的控制電源，在進行負載分配時，需要先理清動力定位系統(tǒng)具體的負載如DP操作臺，傳感器系統(tǒng)、位置測量系統(tǒng)等，并將這些分為主動力定位系統(tǒng)和備用動力定位系統(tǒng)后，結合各自的位置，設計合理的電源分配模式[7,8]。

根據(jù)ABS船級社DP-3級附加標志的要求，需要至少配置三臺UPS，兩臺給主動力定位系統(tǒng)負載供電，一臺給備用動力定位系統(tǒng)的負載供電。主備系統(tǒng)間的負載不能混合供電。此外，每一個DP UPS僅僅只能供電給動力定位系統(tǒng)的負載，與動力定位系統(tǒng)無關的負載不能從DP UPS供電，需從其余的UPS取得電源。本項目在充分地考慮以上部分的要求后進行負載的分配，具體見表1。

表1 DP UPS的負載分配

3 不間斷電源的布置

在DP-3的動力定位系統(tǒng)中，為了保證由于進水或失火造成的一個艙室的完全損失后，備用系統(tǒng)仍然可以維持正常工作的要求。主UPS系統(tǒng)的布置必須與備用UPS分開，之間應有A60的艙壁進行分割，這類的分開包括UPS所有部分，如控制單元、充電器、逆變器、蓄電池等。本項目中，兩臺主DP UPS布置在駕駛室中，一臺備用DP UPS布置在備用DP間。

在UPS的布置中還需要充分考慮其蓄電池的安裝位置，這是因為在蓄電池進行充電時會產(chǎn)生一定的氫氣。而氫氣本身是一種易燃易爆的氣體，當氫氣濃度大于一定值時易產(chǎn)生爆炸。所以ABS船級社對這方面進行了具體的規(guī)定，按照連接蓄電池的充電裝置的輸出功率（按可能產(chǎn)生的最大充電電流和蓄電池的標稱電壓計算），按表2的規(guī)定進行安裝。

需要補充的是，當UPS功率較大時，考慮到蓄電池組完全按照上述要求安裝，船上可能并沒有那么多的單獨艙室供蓄電池放置，因此船級社給了一個補充說明。當功率大于2kW時如果蓄電池的氫氣釋放量相似于蓄電池功率在0.2與2kW之間的氫氣釋放量，那功率大于2kW的蓄電池充電器的布置可以參考下一級的要求。充電器功率在0.2與2kW之間的蓄電池布置同功率大于2kW的蓄電池布置類似，當氫氣釋放量較低時，布置時可以作降級考慮。

表2 蓄電池組布置要求

本項目的DP UPS的容量為5kVA，充電器最大輸出功率為4kW。按照表2的規(guī)定，蓄電池組需要單獨布置在獨立的房間內。但通過計算其對應的氫氣釋放量后，發(fā)現(xiàn)其氫氣釋放量遠遠低于同等級蓄電池產(chǎn)生的氫氣量，因此蓄電池組與UPS一起，布置在同一艙室內?，F(xiàn)以DP UPS 3為例，見圖5。

此外，在蓄電池的布置時還應該要考慮艙室環(huán)境溫度對蓄電池容量的影響。因為當艙室的環(huán)境溫度高于蓄電池的工作溫度時，蓄電池的容量會相應的減小，無法對關鍵負載提供所需時間的電源。當房間環(huán)境溫度無法滿足蓄電池工作溫度的要求時，需要加裝額外的通風散熱保證蓄電池工作環(huán)境溫度或是增加蓄電池的容量。因此在選定蓄電池初期就需要與通風專業(yè)協(xié)商好，避免在項目的后期帶來不必要的改動。本項目的蓄電池工作溫度為25℃，而駕駛室和備用DP間的設計環(huán)境溫度為24℃，保證蓄電池能夠滿足外部電源故障后持續(xù)30分鐘的供電要求。

圖5 DP UPS在備用DP間的布置

4 結語

不間斷電源系統(tǒng)在海洋工程中得到了十分廣泛的運用，尤其是在帶有動力定位系統(tǒng)的鉆井船及半潛平臺中。在進行設計時，需要對負載進行系統(tǒng)的分類，確定UPS的容量。在設備布置時，需要充分考慮動力定位系統(tǒng)中冗余度的要求，并結合蓄電池產(chǎn)生的氫氣釋放量和艙室設計的環(huán)境溫度，確定其合適的安裝位置。本文以理論與實際項目相結合，對不間斷電源UPS系統(tǒng)中的要點做了詳細的說明，希望能為以后的工程項目設計提供一定的經(jīng)驗和參考。

[1] ABS Rules for mobile offshore drilling units[S]. 2012.

[2] ABS dynamic positioning system guide[S]. 2012.

[3] 陳可越. 船舶設計手冊[M]. 中國交通科技出版社.

[4] 周守為. 海洋石油工程設計指南[M]. 石油工業(yè)出版社.

[5] GE不間斷電源系統(tǒng)資料[R]. 2012.

[6] 鋼制海船入級規(guī)范[S]. 2006.

[7] 候鑫光. 動力定位系統(tǒng)綜述[J]. 2008.

[8] 吳斐文. 關于動力定位國際組織和標準綜述[J]. 2008.

Uninterruptible Power Supply Design in Dynamic Positioning Control System with Three Class Notation

Li Wei-jie, Hong Jian, He Fan, Li Yu-tao, Xu Liang-liang, Yang Bing-yun
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

Uninterruptible power supply provides uninterruptible and clean power to the crucial load. The power is required to be compulsive by class. Based on a real drilling ship for UPS power design with consideration on DP3 class notation of the dynamic positioning system, the article explains the uninterruptible power supply design of the DP control system. The article firstly introduces two different types of the uninterruptible power supply. Secondly, the load allocation is explained by the angle of the dynamic positioning system. Finally, the key points of UPS arrangement which should be considered are stated in detail.

dynamic positioning system; control system; uninterruptible power supply

U661.1

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.017

李偉杰（1985-），男，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程電氣專業(yè)設計。