祝世奇，繆燕華

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

電氣與自動化

海洋工程DP-3船舶電氣設計的關鍵技術

祝世奇，繆燕華

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

闡述了海洋工程DP-3船舶在電氣設計過程中的關鍵技術。包括：電力負荷計算時作業(yè)設備的分類、工況的確定和作業(yè)設備的工作情況分析；正常運行和單故障狀態(tài)的電力負荷計算，根據(jù)各正常和單故障負荷分析的結果確定裝機總容量；分析機艙數(shù)量對電站總容量和發(fā)電機組數(shù)量的影響，確定合適的機艙數(shù)量、機組數(shù)量和單機功率；在電站配置確定后綜合考慮電力系統(tǒng)的架構、匯流排的短路容量、電壓等級、環(huán)網形式等，確定電網的組成，并進一步校核正常工況和單故障時配電板單段匯流排負荷率；在電力系統(tǒng)設計中考慮推進負載在單故障工況時的冗余供電；大功率作業(yè)負載的轉換供電、輔助動力設備在DP-3船上的冗余設計；全電力推進船舶功率管理系統(tǒng)的配置、功能和必要性。

DP-3附加標志；單故障；電力負荷計算；電站配置；分區(qū)供電；功率管理

0　引言

隨著海洋油氣開發(fā)工程的飛速發(fā)展和對在深海、惡劣環(huán)境中定位工作的更高要求，越來越多的海洋工程船配置了先進的動力定位系統(tǒng)，出現(xiàn)了大批具有DP（Dynamic Positioning）-3附加標志的海洋工程船舶。中國船級社（China Classification Society，CCS）規(guī)定，具有DP-3附加標志的船舶在出現(xiàn)任一故障（包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失）后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內自動保持船舶的位置和艏向［1］。因此DP-3附加標志的船舶設計除了滿足冗余要求外，還要求艙室分開布置，以應對由于失火或進水造成的一個艙室的完全損失，實際上涉及多個設備同時失效的情況。其中海洋工程DP-3船舶電氣系統(tǒng)除了需按照常規(guī)動力定位工程船進行設計外，還需要特別關注電力負荷估算、機艙數(shù)量對總裝機容量的影響、配電板匯流排負荷校核、功率管理功能等幾個方面。

1　電力負荷估算

DP-3船舶在確定電站配置時，首先需要根據(jù)船舶作業(yè)特性進行工況分類及作業(yè)設備分類，然后確定在各工況下作業(yè)設備的負荷狀態(tài)和負荷系數(shù)［2，3］。在對全船的用電負荷進行初步估算后即可初步確定發(fā)電機組的數(shù)量和功率，在此基礎上，對發(fā)電機組在不同工況下的負荷率進行估算，并綜合各工況下的負荷率對發(fā)電機組的功率和數(shù)量進行優(yōu)化，原則是既要保證在各種工況下的負荷率合理，又要使備用發(fā)電機組的功率和數(shù)量合理。

按DP-3附加標志設計的船舶，發(fā)電機組的設置應考慮冗余，實際設計時一般采用增加發(fā)電機組的數(shù)量和功率來實現(xiàn)冗余，保證在缺少任意一臺發(fā)電機組或損失任一艙室時，余下的發(fā)電機組總功率仍能滿足DP-3動力定位的要求。

對DP-3船舶電力負荷在按正常狀態(tài)下進行各工況的估算后，還需分析在發(fā)生單故障時對應工況下的負荷。此時不僅考慮推進器及輔助設備的故障，還需考慮發(fā)電機組和配電板單段匯流排的損失，按照單故障時動力定位能力分析的結果確定在此時剩余的正常工作推進器的負荷以及為它們服務的輔助設備的用電情況。在得出正常狀態(tài)和單故障狀態(tài)的負荷分析結果后，按照最大的負荷來確定電站的總功率及發(fā)電機組的功率、臺數(shù)。

表1為16000t深水鋪管起重船的電力負荷估算結果，正常動力定位負荷67177kW，最大單故障動力定位負荷72863kW。確定電站的總功率及發(fā)電機組的功率、臺數(shù)時將以最大單故障的負荷作為依據(jù)。

表1　16000t深水鋪管起重船的電力負荷估算　單位：kW

2　機艙數(shù)量對總裝機容量的影響

在全船電站總負荷基本確定后，需確定發(fā)電機容量和數(shù)量。具有DP-3附加標志的船舶要求在單故障（即一個機艙失效）時必須保持船舶的姿態(tài)，這必然影響機艙數(shù)量的確定，因為單故障發(fā)生時，發(fā)生故障的機艙內的發(fā)電機組將全部失效，造成電站容量的下降，從而影響負荷的使用。

以16000t深水鋪管起重船為例，最大單故障時的總負荷72863kW，考慮單臺發(fā)電機組功率的可選范圍在5800～8700kW之間，以及DP-3要求該最大負荷是在失去一個機艙的故障條件下的工況。

方案一：全船設4個機艙，單臺機組功率為7000kW，在單故障發(fā)生時其余3個機艙發(fā)電機組的數(shù)量應為10.4臺，考慮發(fā)電機組負荷率90%，則需機組數(shù)量為11.6臺，初選3個機艙共12臺，每個機艙應布置4臺機組，加上失效的機艙4臺機組，總裝機數(shù)量達到16臺機組。若以3個機艙布置9臺機組，則單機功率應達到8995kW，總裝機數(shù)量為12臺。前者總功率為112000kW，后者為107940kW，顯然后者更經濟合理。

方案二：總機艙數(shù)量為6個，每個機艙布置2臺，共12臺發(fā)電機組，在單故障發(fā)生時，其余5個機艙10臺機組，此時每臺機組所需的功率為8096kW，全船電站總功率為97142kW，比上述4個機艙12 臺8995kW的總功率107940kW還要小很多，經濟性更好。因此，最終決定采用6個機艙布置12臺≈8096kW的柴油發(fā)電機組方案。

發(fā)電機組功率和數(shù)量確定后，估算全船電網的短路容量，以使配電板的電壓和斷路器分斷能力的選型能符合該短路容量的限額要求。基于該船DP-3的要求，為提高系統(tǒng)的可靠性和保證設備能力有較大的裕度，并具有較好的經濟性，電網電壓確定為11kV，并將12臺發(fā)電機組分成兩個獨立的電網，此時短路容量可降低一半，斷路器分斷能力也可采用較低的檔次；每個獨立電網有6臺發(fā)電機組，正常工況使用5臺機組，另1臺機組備用，全船共使用10臺機組。

在確定采用兩個獨立電網分區(qū)供電后，對每個獨立電網匯流排進行負荷計算。在電網分區(qū)或配電板分段較多的情況下，應對單故障的每個獨立匯流排作負荷分析，這可能是相當繁瑣的計算工作，但可采用獨立形式的計算表格來進行，最后將其中最大單故障工況的結果列入總的電力負荷計算書中即可。

綜上所述，16000t深水鋪管起重船的電站設置為：6個以A60級分隔的獨立機艙，每個機艙布置2臺11kV、50Hz、7760kW的柴油發(fā)電機組。電網結構設置為：左、右兩個獨立的11kV中壓電網，每個11kV中壓電網由3個機艙的6臺發(fā)電機組和3段由聯(lián)絡開關連接的配電板組成。為了簡化功率管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）的控制模式，采用開式環(huán)網結構，保證單故障時至少有2個配電板可以連接在一起，提高供電可靠性，并較易實現(xiàn)負荷平衡和調整。圖1為16000t深水鋪管起重船的中壓電力系統(tǒng)單線圖［4，5］。

圖1　16000t深水鋪管起重船的中壓電力系統(tǒng)單線布置

3　配電板匯流排負荷校核

在確定了單臺發(fā)電機組的容量、數(shù)量以及機艙數(shù)量后，為了保證DP-3單故障時能維持動力定位正常作業(yè)，需對配電板分區(qū)供電的匯流排進行負荷校核，不僅需校核最大負荷正常工況下的機組負荷率，還需校核發(fā)生單故障后可能發(fā)生的各個配電板分段獨立工作時，其負荷是否合理可行，并提供 PMS能作出及時調整控制的預案程序要求。

以16000t深水鋪管起重船為例，在雙機起重工況正常DP作業(yè)時，單側分區(qū)電站每個匯流排分段的獨立負荷率均沒有過載，所以不論哪個匯流排故障失電，不會引起繼續(xù)在線的殘剩發(fā)電機過載分閘。此時，PMS自動啟動備用發(fā)電機并投入電網。這樣，在故障側分區(qū)電站仍有4臺發(fā)電機工作，而正常側分區(qū)電站將有6臺發(fā)電機工作，原則上全船仍為10臺發(fā)電機供電，能保證在正常動力定位時一樣最大負荷作業(yè)。不過，為保證故障側分區(qū)電站不會因減少兩臺發(fā)電機供電而發(fā)生過載現(xiàn)象，必須對該側的部分供電負荷進行轉換。同時應確定轉移的負荷由哪個匯流排供電更合理，因此，必須對單故障工況進行配電板調整供電后的負荷進行計算，并校核每個獨立分段工作不會產生過載。

在對該船單機聯(lián)動工況進行單故障分析時，由于是單臺起重機作業(yè)，此時起重機的2路供電如果從兩個分區(qū)配電板獲得，可能因2個分區(qū)獨立電網的電壓和頻率參數(shù)的不同造成起重機用電的困難，所以需對單臺起重機的供電系統(tǒng)進行協(xié)調和調整，原則上全部轉移到非故障區(qū)配電板供電較合理，作分段負荷計算時應按此原則進行調整。這樣，配電設計時需在起重機的供電回路中增加轉換供電的環(huán)節(jié)。圖 2為符合DP-3要求的起重機供電原則單線圖，圖3為考慮供電轉換環(huán)節(jié)的符合DP-3要求的起重機供電單線圖。

圖2　符合DP-3要求的起重機供電原則單線布置

圖3　符合DP-3要求的起重機可轉換供電的單線布置

4　PMS的功能

海洋工程DP-3船舶由于其復雜和冗余的發(fā)電配置，造成發(fā)電機組的功率大、數(shù)量多、配電復雜，同時大功率的工作機械負荷和船舶運動負荷的工況轉換復雜，以及為了提供動力定位供電的高可靠性，防止過載和失電這種嚴重危及船舶安全的情況出現(xiàn)，必須設置有效、反應快速、可靠且功能強大的PMS，盡量避免因為某個設備的故障或失效造成整個電網的過載和全船性的失電。海洋工程DP-3船舶的PMS除了常規(guī)的發(fā)電機組的啟動、同步、卸載、負荷平衡、停車等功能外，還需具有對大功率電力系統(tǒng)特有的多段匯流排的聯(lián)絡開關進行有效控制，對電力推進系統(tǒng)在線儲備功率的計算等功能，為避免電網的過載還需具有限制功率的控制功能和調節(jié)推進器負載的功能［4，5］。因此，海洋工程DP-3船舶的PMS涉及兩大塊領域：① 配電板的控制；② 負荷的控制。具體包括頻率控制、發(fā)電機負荷分配、隨負荷變動起動和停止發(fā)電機、重載啟動閉鎖、電網恢復供電時重新啟動、用電負荷的控制及限制、用電設備的供電轉換、DP失電防止、反饋功率保護及各個斷路器的控制及保護等。此外，PMS也對柴油機進行控制，包括自動啟動和停車、柴油機的預潤滑、柴油機（冷卻水）的預熱、柴油機的報警和檢測等。

5　結語

動力定位系統(tǒng)作為一種新型的定位技術，在深水水域作業(yè)的海洋工程船舶中的使用越來越廣泛，隨著海洋資源的進一步開發(fā)和利用，動力定位技術和海洋工程船舶電力系統(tǒng)將相輔相成，獲得更高更精的發(fā)展和應用。

［1］ 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范［S］. 2012.

［2］ 徐丹錚，繆燕華，吳斐文. 大功率電力系統(tǒng)船舶的電氣設計（上）［J］. 船舶，2009 （5）: 31-37

［3］ 徐丹錚，繆燕華，吳斐文. 大功率電力系統(tǒng)船舶的電氣設計（下）［J］. 船舶，2009 （6）: 46-49

［4］ 畢雨佳，吳斐文. DP-2/DP-3船舶電力系統(tǒng)設計要點［J］. 上海造船，2008 （4）: 59-63

［5］ 吳斐文. 動力定位船舶的設計和操作指南［C］//大型起重/鋪管船及工程船舶的研發(fā)，2010. 490-511.

Key Technology for the Electrical Design of DP-3 Offshore Vessel

ZHU Shi-qi，MIAO Yan-hua
（Marine Design & Research Institute of China，Shanghai 200011）

This paper elaborates the key technology for the electrical design of DP-3 offshore vessel，including categorization of the operating equipment in electrical load calculation，determination of their working conditions and analysis of their performance； as well as electrical load calculation for normal operation and the operation under single fault. The total installed capacity is determined according to normal operation and the result of single fault load analysis；the influence of the number of engine room on both the total capacity of power station and the number of generator set is analyzed to determine the number of engine room，the number of generator set and the capacity of each generator. Then，composition of the power system，short circuit capacity of the bus-bar，voltage level，ring type，etc. are determined with comprehensive considerations. In addition to this，the load of each bus-bar on the switch board under both normal operating condition and single fault condition are checked； the redundant power supply for propulsion under single fault condition，the transitional power supply for high load operation and the redundant design of auxiliary power equipment on board DP-3 vessel are considered in the electrical system design. The configurations，functions and necessities of power management system for full electrical propulsion vessel is discussed.

DP-3 notation； single fault； electrical load calculation； electric power station configuration； subarea power supply； power management

U665.1

A

2095-4069 （2016） 03-0039-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.007

2015-07-29

國家科技重大專項（2011ZX05027-002）

祝世奇，男，助理工程師，1987年生。2010年畢業(yè)于上海電力學院自動化專業(yè)，現(xiàn)從事船電設計工作。