邵 赟，胡 舜，李進科

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萬噸級溢油回收船電力系統(tǒng)方案設(shè)計和仿真研究

邵 赟，胡 舜，李進科

（武漢武船船舶設(shè)計有限公司，武漢 430060）

溢油回收船是應(yīng)對海上溢油污染事故的專用船舶。近年來隨著海上石油運輸愈發(fā)頻繁和潛在溢油隱患提高，溢油回收船成為人們關(guān)注和研究的熱點。本文針對萬噸級溢油回收船電力系統(tǒng)的方案設(shè)計，分別論證中、低壓和直流三種方案，建議采用低壓交流電力系統(tǒng)并建立仿真模型驗證方案可行性。

溢油回收船 電力推進系統(tǒng) 方案設(shè)計

0 引言

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，世界各國對化石燃料石油的依賴越來越嚴重，海上石油運輸、海上石油鉆探也變得愈發(fā)頻繁。目前，全球范圍內(nèi)每年貨運油輪的總運輸量已將近20億噸，遍布全球100多個國家，然而一旦發(fā)生事故，潛在的石油污染范圍和程度也日漸嚴重。因此，集海上溢油回收、消防、救生等功能的溢油回收船的研發(fā)和應(yīng)用迫在眉睫，該船既能單獨海上作業(yè)又能多船聯(lián)合組成大型掃描系統(tǒng)以應(yīng)對大面積海上溢油事故。現(xiàn)依據(jù)《國家發(fā)展改革委辦公廳關(guān)于2015海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目的復(fù)函》相關(guān)內(nèi)容開展“萬噸級多功能溢油回收船設(shè)計建造技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項目研究，論證溢油回收船電力推進系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計和可行性方案研究。

1 電力推進技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)后期隨著功率電子器件制造技術(shù)和自控技術(shù)的飛躍發(fā)展，電力推進系統(tǒng)隨著有效功率等級的不斷提高正逐漸應(yīng)用于各類商用船舶。電力推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上從燃氣輪機、柴油機或核動力等其他單機配置到多種原動機混合配置；功率等級從百千瓦級到數(shù)十兆瓦級；推進方式也多種多樣，如游輪上多采用的吊艙式推進；另外，PWM和Cyclo以及Syncyclo等新控制技術(shù)的應(yīng)用也提高了推進電機控制的精確度和可靠性。目前，世界各國船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和研究重點正圍繞綜合全電力推進技術(shù)展開，包括發(fā)電、輸電、配電、電能變換以及推進和電力拖動等內(nèi)容，綜合電力推進系統(tǒng)是船舶動力和船舶電力的有效綜合，而非簡單地組合。

電力推進系統(tǒng)的核心之一是船舶電站，其電壓等級的選擇會直接或間接地從各方面影響電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行，如系統(tǒng)工作電流和短路電流，系統(tǒng)的建設(shè)和維護費用、電能質(zhì)量以及輸電能力等。在保證符合電網(wǎng)的各種技術(shù)條件的前提下，電壓等級必須滿足負荷要求并能使得輸配電設(shè)備容量得到較高利用率。當(dāng)前，國內(nèi)外的船舶電力系統(tǒng)電壓等級主要集中在中、低壓，低壓系統(tǒng)一般采用230 V、400 V /450V、690 V等，中壓統(tǒng)一電制通常為3~6 kV或者11 kV。當(dāng)電站容量設(shè)計大約在8~10 MW時，可以根據(jù)具體使用經(jīng)驗和習(xí)慣選用低壓交流電力系統(tǒng)（690 V交流電力系統(tǒng)）或者中壓交流電力系統(tǒng)（如3 kV或6 kV交流電力系統(tǒng)）；從經(jīng)濟性的角度講可以優(yōu)先考慮低壓交流配電方案。此外，由于直流電網(wǎng)輸送容量大、損耗小、諧波失真問題較少以及其他優(yōu)點正逐漸成為研究熱點之一?，F(xiàn)針對該船的具體要求，從組成、經(jīng)濟性和關(guān)鍵技術(shù)等方面分析論證三種方案的可行性與最優(yōu)方案。

2 電力推進系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

溢油回收船電力推進系統(tǒng)實現(xiàn)全船的供電、推進、控制及監(jiān)測報警功能，根據(jù)功能劃分為7個分系統(tǒng)：供配電系統(tǒng)、主推進電力驅(qū)動系統(tǒng)、艏側(cè)推電力驅(qū)動系統(tǒng)、消防泵驅(qū)動系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)以及動力定位系統(tǒng)。供配電系統(tǒng)主要為全船提供電源，分配電能并為電站和用電負荷提供必要的保護，其主要包括：2600 kW主發(fā)電機組4臺，400 kW停泊發(fā)電機組1臺，150 kW應(yīng)急發(fā)電機組1臺，日用變壓器2臺，主配電板1套，400 V應(yīng)急配電板1套。主推進系統(tǒng)為船舶航行提供主推進動力，其組成主要包括：主推進移相變壓器2臺、主推進變頻器2套、主推進電動機2臺及主推進控制系統(tǒng)1套（內(nèi)含主推進遙控組件1套和就地控制箱2臺）。艏側(cè)推系統(tǒng)為船舶航行提供側(cè)向推進動力，艏側(cè)推系統(tǒng)和主推進系統(tǒng)配合可完成船舶的進出港、DP、航行等工況，其組成主要包括：艏側(cè)推移相變壓器2臺、艏側(cè)推變頻器2套、艏側(cè)推電動機2臺及艏側(cè)推控制系統(tǒng)1套（內(nèi)含艏側(cè)推遙控組件1套和就地控制箱2臺）。消防泵驅(qū)動系統(tǒng)主要包括：消防泵變頻器2臺，消防泵電機2臺。推進器系統(tǒng)主要包括：全回轉(zhuǎn)舵槳2套，槽道式側(cè)向推進器2套。自動化系統(tǒng)主要包括：電站功率管理系統(tǒng)（PMS）1套，機艙檢測報警系統(tǒng)1套、UPS系統(tǒng)1套。電力推進系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1 電力推進系統(tǒng)組成圖

根據(jù)中、低壓交流和低壓直流系統(tǒng)的電壓等級和性質(zhì)不同，其具體系統(tǒng)組成設(shè)備及參數(shù)對比如表1所示。中壓發(fā)電機組的額定輸出電壓為6.6 kV，另需配置接地電阻，直流和低壓交流一致；配電板三者都不同：低、中壓交流使用的變壓器初次級電壓不同，直流系統(tǒng)只需要保存配電變壓器，與低壓交流一樣，取而代之的是直接采用逆變和整流柜連接發(fā)電機組和各負載設(shè)備，省去了移相變壓器和變頻器；三種系統(tǒng)采用的電機可以選用同種規(guī)格。

表1 系統(tǒng)組成對比表

2.2 電壓選擇和防護

2.2.1 電壓等級選擇

當(dāng)電力系統(tǒng)中的各個元件上有電路流過時，由于期間的阻抗會導(dǎo)致電壓降落，進而影響負載端的電壓質(zhì)量并造成功率損耗，其值可以通過下面的公式根據(jù)元件阻抗及潮流分析數(shù)據(jù)計算得出：

2.2.2 系統(tǒng)保護

系統(tǒng)保護主要體現(xiàn)在設(shè)備外圍的安全防護、設(shè)備本身的絕緣耐壓保護、短路電流保護和其他故障保護。其中，中高壓發(fā)電機需考慮較高的絕緣要求，成本控制、人員和設(shè)備安全等，船舶中高壓電力系統(tǒng)需要采用發(fā)電機中性點接地保護。接地方式的選擇必須綜合考慮供電的安全性、連續(xù)性和可靠性；配電網(wǎng)和線路結(jié)構(gòu)；過電壓保護和絕緣保護；繼電保護構(gòu)成和跳閘方式等等技術(shù)條件。

在短路電路保護中，低壓交流系統(tǒng)在電站容量較大的情況下所需要考慮的核心問題就是短路電路過大，對用于短路保護的斷路器提出較高要求。而中壓系統(tǒng)除了具備與低壓系統(tǒng)相同的短路、過載、欠壓等保護外，系統(tǒng)還需要添加縱差、零序、零序縱差等保護，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。直流電網(wǎng)由于與交流電網(wǎng)的顯著區(qū)別，在船舶電網(wǎng)原理框架和設(shè)計也明顯不同，其中最主要的挑戰(zhàn)莫過于如何采用類似交流配電的方式，實現(xiàn)全選擇性和設(shè)備保護。從技術(shù)層面上分析，交流電流每半個周期跨越零點，因此較易切斷，而依據(jù)傳統(tǒng)理念，選擇性保護是經(jīng)由各級斷路器的保護脫扣器相互協(xié)調(diào)配合來實現(xiàn)的。然而，對比交流斷路器，切斷直流面臨的滅弧問題需要的技術(shù)要求更加復(fù)雜。

2.2.3 技術(shù)成熟度和經(jīng)濟風(fēng)險

當(dāng)船舶電力系統(tǒng)具有超大功率用電負荷時，采用不同的電壓等級將會極大的影響其經(jīng)濟性。一般情況下，由于低壓系統(tǒng)的技術(shù)已很成熟且可選種類較多，價格成本較低廉，而國內(nèi)船用中壓配電系統(tǒng)技術(shù)起步晚，早期因無成熟的產(chǎn)品，整個船用中壓配電設(shè)備市場被國外成套設(shè)備占領(lǐng)，如Schneider、ABB和SIEMENS等廠家，采用出口、獨資和合資形式占領(lǐng)中國市場。針對萬噸級溢油船設(shè)備國產(chǎn)化的要求，國內(nèi)中壓設(shè)備制造商雖然能夠滿足配置需求，但由于市場開發(fā)較晚，中壓配電系統(tǒng)技術(shù)和設(shè)備制造技術(shù)較之不太成熟，缺乏經(jīng)驗，這樣會加大建造和維護成本。直流電站系統(tǒng)目前國內(nèi)更是處于試研階段，實際運用和維護階段可能面臨很多潛在問題，綜合考慮一次建造費用和需要考慮的風(fēng)險費用可能較高。除此之外，還需考慮實際的操作人員的資質(zhì)問題，中壓和直流系統(tǒng)由于應(yīng)用普及較少且安全要求較高，需要單獨對操作人員進行培訓(xùn)獲得操作資格。

3 仿真分析

3.1 短路電流和選擇性保護

考慮到本船實際最大工況下的電站容量小于10MW，從技術(shù)成熟度、經(jīng)濟方面以及其他方面的考慮，優(yōu)先選擇低壓交流電力系統(tǒng)?，F(xiàn)根據(jù)相關(guān)性能要求對全船建模仿真，驗證方案的可行性。該船低壓交流電力系統(tǒng)單線圖如圖2所示。

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護指南的要求，船舶電網(wǎng)需要滿足過載選擇性保護和斷路選擇性保護。其中，過載保護其上、下級的過電流脫扣器額定電流之比要大于1.6；短路電流保護需要根據(jù)時間原則實現(xiàn)各上下級間的選擇性，主要分為主發(fā)電機之間及其與以下各級，主匯流排與應(yīng)急匯流排及其下一級，電力和照明變壓器初級與照明匯流排之間，主（或應(yīng)急）照明匯流排與其下一級，應(yīng)急發(fā)電機與其下一級等。

通過CCS的COMPASS-RULE2010軟件和相關(guān)設(shè)備參數(shù)計算得出在4臺機組在網(wǎng)時，各主要短路點的最大短路電流，并選擇合適的斷路器型號，其短路分段能力、接通能力和額定電流值均大于計算出的短路電流值，如表2所示。在Etap12.6中建模并對各級斷路器的參數(shù)進行設(shè)定和分級仿真，驗證能夠?qū)崿F(xiàn)電流和時間的完全選擇性保護或部分選擇性保護原則。

表2 短路保護電流和斷路器選型表

3.2 諧波計算

根據(jù)設(shè)計院提供的工況數(shù)據(jù)，并且增加了單軸推進工況，在ETAP12.6中進行仿真算出結(jié)果如表3所示，在各個主要工況運行下，電力系統(tǒng)各級母線諧波含量均不大于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%諧波含量。

表3 諧波含量表

4 結(jié)論

本文結(jié)合萬噸級溢油回收船實際需求，從技術(shù)、經(jīng)濟和維護等多方面分析比較當(dāng)前船舶應(yīng)用中熱門的低、中壓交流和直流三種電力系統(tǒng)方案存在的優(yōu)缺點，初步判定低壓交流方案較好。并建立本船的仿真模型，根據(jù)具體技術(shù)要求分析系統(tǒng)短路電流和選擇符合選擇性保護的斷路器，對多種工況下的諧波進行計算分析，均能滿足CCS要求，驗證了方案的可行性。

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Scheme and Simulation of Power System for Oil Spill Recovery Vessel

Shao Yun, Hu Shun, Li Jinke

（Wuhan Shipbuilding Design Co., Ltd, Wuhan 430060, China）

U664.91

1003-4862（2017）06-0073-04

2017-03-31

邵赟（1976-），女，工程師。研究方向：電氣工程。E-mail: su800gar@sina.com