盛偉群，鄧麗娟，劉麗紅（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

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船舶綜合電力系統(tǒng)規(guī)范與標準研究

盛偉群，鄧麗娟，劉麗紅
（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

摘 要：文章對國內外船舶綜合電力系統(tǒng)技術發(fā)展現(xiàn)狀進行了歸納，結合對主要船級社規(guī)范要求和國際現(xiàn)有適用標準的分析，列舉了我國現(xiàn)有適用的國家標準。并根據我國船舶綜合電力相關標準的現(xiàn)狀，提出了國內船舶綜合電力系統(tǒng)的標準化發(fā)展方向。

關鍵詞：船舶；綜合電力系統(tǒng)；規(guī)范；標準

0 引言

船舶綜合電力系統(tǒng)（圖1）是船舶動力的發(fā)展方向，是造船技術發(fā)展史上又一次革命性的跨越。它將傳統(tǒng)船舶相互獨立的機械推進系統(tǒng)和電力系統(tǒng)以電能的形式合二為一，通過電力網絡為船舶推進、通信導航、特種作業(yè)和日用設備等提供電能，從而實現(xiàn)全船能源的綜合利用［1，2］。

隨著先進探測設備、電子裝置的問世和實船應用，特別是船舶電力推進系統(tǒng)的推廣使用，傳統(tǒng)的低壓、小容量船舶電站已無法滿足大容量負載船舶的電能需求，這就要求船舶實現(xiàn)全船能源和資源的全面整合。船舶綜合電力系統(tǒng)正具有全船電力能源統(tǒng)籌設計、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一分配、優(yōu)化配置等特點。隨著研究的不斷深入，船舶綜合電力系統(tǒng)的應用得到快速發(fā)展。實踐證明，船舶應用綜合電力系統(tǒng)后，可節(jié)能約20%，其性能、可靠性大幅提高，大大降低了其建造、運行、維修維護的成本，減少了船舶廢氣的排放。普遍采用綜合電力系統(tǒng)已成為未來船舶動力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

圖1　船舶綜合電力系統(tǒng)示意圖

1 國內外技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國外技術發(fā)展現(xiàn)狀

西方國家早在20世紀80年代中期就開始了船舶綜合電力相關技術的研發(fā)，美、英等國海軍都先后制定了發(fā)展IPS、IFEP及AES的研發(fā)計劃和戰(zhàn)略規(guī)劃。經過30多年的發(fā)展，西方國家突破了一系列關鍵技術，并進入了船舶綜合電力系統(tǒng)全面推進應用階段。

美國自 1986年提出“海上革命”計劃，制訂專項“綜合電力系統(tǒng)”（IPS）計劃后，就組織海軍研究機構、大學“電力艦船研發(fā)聯(lián)盟”、通用電氣公司、洛克希德·馬丁等公司形成研發(fā)體系。在研究新一代大型船舶的過程中，美國不斷完善船舶綜合電力系統(tǒng)的組成模塊和特征需求，研制出了多種類型的大容量、高功率密度的船用發(fā)電模塊和高度智能的管理系統(tǒng)，并通過陸基試驗系統(tǒng)，驗證了各組成模塊的功能和系統(tǒng)集成技術［3］。

英國于 1994年正式開始船舶全電力系統(tǒng)的應用研究，并于1996年成立了電船計劃管理局，專門負責協(xié)調發(fā)展和采購未來海軍水面艦艇的綜合全電力推進系統(tǒng)。2000年11月1日，英國皇家海軍決定在45型驅逐艦上采用綜合電力系統(tǒng)，首艘45型驅逐艦“勇敢”號于2007年7月18日成功試航。當前，最引人注目的是英國 2艘在建的“伊麗莎白女王”號和“威爾士親王”號航母，按計劃均將采用綜合全電力推進系統(tǒng)（IFEP）。其中，“伊麗莎白女王”號航母采用兩臺單機功率36 MW級MT-30燃氣渦輪、兩臺單機功率11 MW級的柴油機以及兩臺單機功率9 MW級柴油機作為發(fā)電機動力來源，總輸出功率在108 MW以上。

此外，瑞士的ABB、法國的阿爾斯通等公司在船舶電力推進領域均有較大突破。ABB集團精于吊艙式推進系統(tǒng)，電機安裝在船體底部可以自由旋轉的吊艙內，可以極大地提高船舶機動性；阿爾斯通集團精于固定螺旋槳模式下的大功率推進電機技術，美國“朱姆沃爾特”級驅逐艦和英國“伊麗莎白女王”號航母就采用了阿爾斯通的同步感應電機。

目前，西方發(fā)達國家對船舶綜合電力的研究主要集中在集成技術、模塊化和標準化、發(fā)電模塊、配電模塊以及智能管理系統(tǒng)的研究。

1.2國內技術發(fā)展現(xiàn)狀

我國在船舶電力系統(tǒng)研究及應用方面起步較晚。在“十五”期間，通過初期探索，形成了系統(tǒng)概念方案、主要設備和全系統(tǒng)的目標圖像，明確了綜合電力系統(tǒng)的技術發(fā)展路線。同時，在此期間，我國多家企業(yè)贏得了新型綜合電力推進船舶的首批制造訂單，開始建造電力推進船舶。如，2002年廣船國際股份有限公司為COSCO建造的18 000 t半潛船“泰安口”號是我國第一艘自行建造的海洋工程大型特種船舶，該船采用兩套SSP吊艙電力推進系統(tǒng)；2005年江南造船（集團）有限責任公司建造的“海監(jiān) 83”號采用了緊湊型吊艙裝置的全電力推進系統(tǒng)［4］。

“十一五”期間，我國構建了綜合電力系統(tǒng)的基礎理論體系，先后攻克了系統(tǒng)網絡結構、集成化發(fā)電、先進感應推進等數十項關鍵技術。在此期間我國持續(xù)推進綜合電力推進船舶的設計建造，如由天津新港船舶重工有限責任公司建造的煙大鐵路火車輪渡采用了第三代電力推進系統(tǒng)，此船是世界上第一艘采用電力推進系統(tǒng)的火車滾裝船。此外，天津新港船舶重工有限責任公司建造的火車滾裝船“中鐵渤海1號”也采用了全電力推進系統(tǒng)。但該階段船舶綜合電力推進系統(tǒng)的設計集成和裝船設備仍主要由 ABB、阿爾斯通和西門子等國外公司提供。

2010年以來，我國綜合電力系統(tǒng)技術水平又上了一個新臺階。海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室提出一二代混合的綜合電力系統(tǒng)技術方案，牽頭并聯(lián)合國內船電行業(yè)優(yōu)勢單位構建了中壓直流綜合電力系統(tǒng)，同時完成全系統(tǒng)聯(lián)調試驗。中船重工712研究所研制了以變頻器、推進電機、推進變壓器、功率管理系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)為核心的推進系統(tǒng)，實現(xiàn)了單軸推進功率20 MW以下船舶電力推進系統(tǒng)的全部國產化。中船重工704所在綜合電力系統(tǒng)集成產品領域屢有斬獲，先后順利地完成大型遠洋拖網漁船電站、1 500 t海監(jiān)科考船綜合電力系統(tǒng)集成、“世紀神話”號和“世紀傳奇”號兩艘五星級內河豪華游船綜合電力系統(tǒng)集成等多個項目。在此階段，船舶綜合電力系統(tǒng)在我國得到了越來越廣泛的應用，先后成功應用于海洋考察船、試驗船、打撈船、石油鉆井平臺、海監(jiān)船、化學品船、集裝箱船、起重船、成品油輪和液化天然氣船等船舶，如，30 000 t自航半潛船“華海龍”號、“海洋石油278”半潛式自航工程船、“海洋石油720”深水物探船等，均采用了全電力推進系統(tǒng)。

發(fā)達國家船舶綜合電力系統(tǒng)技術研究比我國先行20來年，無論在基礎理論還是工程實踐中都積累了較為豐富的經驗。我國起步較晚，與發(fā)達國家相比尚處于比較落后的狀態(tài)，尤其是在船用大功率永磁電機、高壓大容量電力集成、吊艙推進器、系統(tǒng)控制與調速技術等關鍵設備和技術領域。但不可否認，自“十五”以來我國在船舶綜合電力系統(tǒng)技術領域也取得了一系列成果和突破，這為我國船舶綜合電力系統(tǒng)技術的未來發(fā)展打下了堅實的基礎。

3 船級社規(guī)范和標準現(xiàn)狀

3.1國內外船級社規(guī)范現(xiàn)狀

為了保證入級船舶電力推進裝置在運行中的性能指標滿足特定要求，國內外各大船級社對電力推進系統(tǒng)和設備均提出了相關技術要求，但各自的側重點有所不同。

3.1.1英國勞氏船級社（LR）規(guī)范［5］

LR規(guī)范《船舶入級檢驗規(guī)范（Rules and Regulations for the Classification of Ships）》（2014版）第六部分“控制、電氣、制冷與防火”第二章“電氣工程”中對“電力推進”列出了相關要求，包括總則、功率要求、推進控制、推進系統(tǒng)的保護和儀表。LR規(guī)范在供電和配電中沒有將高壓內容另外列出，電力推進的中低壓、高壓供電和配電系統(tǒng)的技術要求均分布在第二章相應各節(jié)中。

對于吊艙式推進裝置，LR規(guī)范第五部分第九章也予以規(guī)定，該部分內容適用于推進、動力定位或獨立操舵用以電力推進電動機作為動力的吊艙式推進裝置。

3.1.2美國船級社（ABS）規(guī)范［6］

ABS規(guī)范《鋼質海船建造與入級規(guī)范（Rules for Building and Classing Steel Vessels）》（2015版）第八章“電氣系統(tǒng)”第五節(jié)“專用系統(tǒng)”中的“高壓系統(tǒng)”對標稱電壓（線電壓）超過1 kV的交流系統(tǒng)提出了技術要求，該節(jié)對電力推進系統(tǒng)相關設計、電源、電路保護、推進控制、儀表和設備等也明確了相關規(guī)定。

3.1.3德國勞氏船級社（GL）規(guī)范［7］

GL規(guī)范《船舶技術入級與建造規(guī)范（Rules for Classification and Construction Ship Technology）》（2014版）第三分冊“電氣裝置”第二部分“電氣設備的安裝”對主電源供應、蓄電池、電力變壓器、電子器件、低壓配電盤和額定線電壓大于1 kV和不大于17.5 kV額定頻率為50 Hz或60 Hz的電網等設備列出了相關要求。該分冊第十三部分“電力推進裝置的補充規(guī)則”規(guī)定了驅動裝置、靜變止流器、控制站、船舶主干線控制和調節(jié)、裝置的保護、測量指示和監(jiān)測設備、電纜和電纜安裝，建造、試驗和試航時的監(jiān)督以及帶有冗余推進系統(tǒng)的船舶的附加規(guī)則等的要求。

3.1.4挪威船級社（DNV）規(guī)范［8］

DNV 規(guī)范《船舶入級規(guī)范（Rules for Classification of Ships）》（2014版）第四部分“機械和系統(tǒng)設備及操作”第八章“電氣裝置”中的第十二節(jié)“電力推進”對船舶電力推進系統(tǒng)的設計、容量、電源、保護和控制系統(tǒng)提出了明確要求，“電力推進”的要求是對第八章“電氣裝置”第二節(jié)至第十二節(jié)要求的補充，“電力推進”中對儀表和自動化的相關規(guī)定是對第九章“控制與監(jiān)控系統(tǒng)”的補充。DNV規(guī)范對“高壓系統(tǒng)”的要求未進行專門說明。

3.1.5中國船級社（CCS）規(guī)范［9］

CCS規(guī)范《鋼質海船入級規(guī)范（Rules for Classification of Sea-going Steel Ships）》（2014年綜合文體）第八篇“其他補充規(guī)定”中的第十五章“電力推進船舶補充規(guī)定”對船舶電力推進系統(tǒng)的動力裝置、公共電站、配電板、功率管理裝置、驅動裝置、控制裝置和吊艙推進器等裝置和設備等提出了相關技術要求。

3.2國內外標準現(xiàn)狀

3.2.1國際標準

目前國際上發(fā)布船舶綜合電力系統(tǒng)相關標準的機構主要為國際電工委員會船舶及移動式和固定式近海裝置電氣設備技術委員會（IEC/TC18）。另外，美國電氣和電子工程師學會（IEEE）發(fā)布的部分標準也適用于船用綜合電力系統(tǒng)。

1）IEC 60092-501：2013《船舶電氣設施 第501部分：特性 電氣推進裝置》

IEC 60092-501：2013規(guī)定了全電力推進裝置的要求，并給出了規(guī)格書、系統(tǒng)設計、安裝和試驗等要求，包括發(fā)電機及其原動機、開關板、變壓器/電抗器、半導體變流器、推進電動機、勵磁系統(tǒng)、控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)以及電纜、母線等設備要求。

與2007年的第四版相比，該版本增加了系統(tǒng)責任、電磁兼容（EMC）、諧波畸變和濾波的要求、帶有推進電動機吊艙驅動船以及電力管理系統(tǒng)的特殊要求。

2）IEC 60092-503：2007《船舶電氣裝置 第503部分 特性 電壓＞1 kV且≤15 kV的交流供電系統(tǒng)》

IEC 60092-503：2007對電壓1 kV以上至不大于15 kV的交流供電系統(tǒng)的電壓、配電系統(tǒng)、電氣保護、交流發(fā)電機、變壓器以及開關和控制設備等進行了規(guī)定。

與1975年的第一版相比，該版本將系統(tǒng)上限電壓從1 kV改變到15 kV，且引入關于報警指示、通訊裝置、未絕緣導體的電氣間隙和爬電距離以及接地等的一般要求。

3）IEC 60146-1-1：2009《半導體變流器 一般要求和電網換相變流器》

IEC 60146-1-1：2009對所有采用可控和/或非可控半導體開關器件的電力變流器和電子開關的性能提出了要求。且規(guī)定了將交流電力變?yōu)橹绷骰蛳喾吹木€路換向變流器的要求，這些要求部分也適用于其他型式的電力變流器。值得指出的是，這一標準已被ABS軍艦規(guī)范和ABS鋼質船舶規(guī)范認可，被用于規(guī)范半導體變流器的設計、制造和試驗。

4）IEEE發(fā)布的船舶綜合電力相關國際標準

IEEE Std 45-2002《船用電氣裝置的推薦實施規(guī)范》中“電力推進和操縱系統(tǒng)”提出的建議涉及電力推進系統(tǒng)的一般規(guī)格、試驗、安裝、運行和保養(yǎng)。

IEEE Std 1662-2008《船舶電力系統(tǒng)中電力電子的設計和應用指南》適用于船舶及類似用途的電力電子部件和系統(tǒng)。該標準船用綜合電力系統(tǒng)的框架出發(fā)，歸納了目前在船上應用電力電子設備的電氣工程方法和實踐，介紹了分析法，優(yōu)先參數和性能特性。

3.2.2國內標準

按照我國《船舶工業(yè)標準體系表（2012年版）》的專業(yè)領域劃分，船舶綜合電力系統(tǒng)標準歸在DC船舶電氣系統(tǒng)及設備下。目前國內可以直接應用到船舶綜合電力系統(tǒng)的國家標準主要有三項，涉及電力推進系統(tǒng)主要機械和設備、交流供電系統(tǒng)。

1）GB/T 13030-2009《船舶電力推進系統(tǒng)技術條件》

該標準適用于推進系統(tǒng)主要機械和設備的設計、制造和試驗，主要規(guī)定了船舶電力推進系統(tǒng)的分類、技術和試驗要求。

2）GB/T 22190-2008《船舶電氣設備 專輯電力推進系統(tǒng)》

該標準適用于電力推進機械和裝置，主要規(guī)定了推進電動機、推進發(fā)電機及其原動機、電磁離合器、相關聯(lián)的半導體變流器、勵磁系統(tǒng)、監(jiān)控、測量儀表、保護設備和系統(tǒng)以及接線和電纜的技術條件、安裝和試驗。

3）GB/T 29484-2013《船舶電氣設備 第503部分：專輯 電壓1 kV以上至不大于15 kV的交流供電系統(tǒng)》

該標準等同采用IEC 60092-503：2007，主要對電壓1 kV以上至不大于15 kV的交流供電系統(tǒng)的電壓、配電系統(tǒng)、電氣保護、交流發(fā)電機、變壓器以及開關和控制設備等進行了規(guī)定。

3.2.3國內外標準對比分析

目前，國內和國際標準化機構均在加快制定船舶綜合電力系統(tǒng)相關標準的步伐。但相比于國際標準，我國現(xiàn)有船舶綜合電力相關標準存在以下問題。

1）標準內容不夠完整。如GB/T 13030-2009未突出系統(tǒng)總體設計的要求，且未提及電磁兼容性、諧波畸變、濾波和電力管理系統(tǒng)等的要求；

2）標準較為缺乏，涵蓋的技術領域較為有限。目前適用的國家標準除了船舶電力推進系統(tǒng)技術條件之外，只涉及電壓1 kV以上至不大于15 kV交流供電系統(tǒng)，在船用大功率永磁電機、高壓大容量電力電子器件、吊艙推進器等設計制造以及系統(tǒng)集成設計等領域尚無相關標準；

3）對研究技術成果和船級社技術要求的更新反應不夠及時。隨著電力推進系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展以及采用電力推進船舶數量的不斷增加，船舶電力推進相關國際標準不斷地新增和更新，而我國相應標準的研制推進得較為緩慢，對技術成果和船級社規(guī)范要求向標準的轉化不夠及時。

4 我國船舶綜合電力系統(tǒng)標準化發(fā)展方向

近年來，我國逐漸意識到船舶綜合電力技術的重要性，全面開展了一系列研究與探索，取得一系列成果，船舶綜合電力系統(tǒng)的應用也越來越廣泛。隨著研究工作的進一步深入，綜合電力系統(tǒng)技術逐漸發(fā)展成熟，傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)與采用交流電制的綜合電力系統(tǒng)在發(fā)電機、配電系統(tǒng)、電力管理和監(jiān)控、推進電動機和變頻器等領域存在的技術差異越來越明顯，原有的有關或適用于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的標準、規(guī)范都已經不能滿足綜合電力系統(tǒng)和設備的設計需要。

為了將現(xiàn)有的先進技術通過標準作為技術媒介更好地指導船舶綜合電力系統(tǒng)和設備的設計、制造和試驗，目前中船重工704所正在根據2013年質監(jiān)總局公益性項目《船舶綜合電力系統(tǒng)關鍵技術標準研究》的要求主導開展《船舶中壓直流電力系統(tǒng)通用要求》等9項國家標準的編制，對中壓直流電力系統(tǒng)、混合軸帶發(fā)電系統(tǒng)、機械/電力混合推進系統(tǒng)、電力推進變頻器、推進電動機、諧波濾波器、交流中壓柴油發(fā)電機組及控制系統(tǒng)等進行統(tǒng)一要求。該系列國家標準將為我國綜合電力系統(tǒng)各分系統(tǒng)、設備的研制工作提供進一步的指導，為我國船舶綜合電力系統(tǒng)的技術發(fā)展提供強有力的支撐。

船舶綜合電力系統(tǒng)標準化工作任重而道遠，為了完善我國船舶綜合電力系統(tǒng)標準體系，全面提升船舶綜合電力整體技術水平，根據我國現(xiàn)有船舶綜合電力相關標準存在的不足，建議從以下三個方面推進船舶綜合電力標準化工作。

1）對現(xiàn)有不完整標準進行補充和完善，使之更全面完整地指導船舶綜合電力系統(tǒng)的研發(fā)、設計和制造；

2）推進船舶綜合電力系統(tǒng)重點技術和設備亟需標準的研制，在吊艙推進器、大功率永磁電機、高壓大容量電力集成等領域研制一批先進技術標準，為相應領域的技術發(fā)展提供支撐；

3）對我國船舶綜合電力系統(tǒng)研究成果和產業(yè)現(xiàn)狀及時跟蹤，加快現(xiàn)有研究技術成果向標準的轉化。同時，根據船級社不斷新增和更新的要求及時對現(xiàn)有標準進行修訂。

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中圖分類號：U662.1

文獻標志碼：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.001

作者簡介：盛偉群（1979—），男，高級工程師，研究方向：船舶行業(yè)標準化研究和管理。

Study on Rules and Standards of Ship Integrated Power System

Sheng Wei-qun， Deng Li-juan， Liu Li-hong
（Shanghai Marine Equipment Research Institute， Shanghai 200031， China）

Abstract：The paper summarizes the technological development status of ship integrated power system at home and abroad. The relevant national standards of China are listed after the analysis of the main classification society rules and international standards. The national standardization developing direction of ship integrated is proposed in accordance with the status of national standards.

Key words：ship； integrated power system； rule； standard