劉國(guó)貞，萬(wàn) 潔，李孝喜

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

0 引言

海上油氣田采用酸化、壓裂和增產(chǎn)增注等一系列增產(chǎn)措施，提高產(chǎn)量，一般采用一條作業(yè)支持船作為母船，搭載增產(chǎn)流程系統(tǒng)、作業(yè)用吊機(jī)，并裝載作業(yè)用原料，這樣的一艘工程船通常稱為油田增產(chǎn)船。

電力系統(tǒng)系油田增產(chǎn)船的核心裝備之一。作為電力推進(jìn)和動(dòng)力定位船，在設(shè)計(jì)時(shí)，通常考慮在滿足船舶海上航行時(shí)主推進(jìn)、進(jìn)出港時(shí)船舶機(jī)動(dòng)操縱、海上油田作業(yè)時(shí)保持位置、吊物等各工況下用電需求的同時(shí)，供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性、安全性和可靠性也是考核電站的重要指標(biāo)之一。增產(chǎn)船作業(yè)要求船的穩(wěn)定性好，動(dòng)力配置冗余度高，操作靈活，對(duì)定位精度要求極高，海上作業(yè)時(shí)，需要在井口平臺(tái)附近保持一定的相對(duì)位置，通過(guò)柔性管將工作液泵入井內(nèi)。該作業(yè)方式，使用動(dòng)力定位系統(tǒng)以保證作業(yè)安全，既可避免船離平臺(tái)太近造成碰擦井口設(shè)施，又可防止船離平臺(tái)太遠(yuǎn)甚至偏離預(yù)定位置，拉傷軟管或快速解脫中斷生產(chǎn)。

下文結(jié)合某大型多功能油田增產(chǎn)船的潛在客戶需求及研究開發(fā)成果，對(duì)電力系統(tǒng)總體配置及關(guān)鍵部件的選型進(jìn)行探討。

1 船型簡(jiǎn)述

為滿足預(yù)定作業(yè)海域及船東的要求，項(xiàng)目前期通過(guò)大量的調(diào)研和對(duì)推進(jìn)與定位系統(tǒng)配置方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，確定本船為電力推進(jìn)海工船型，四機(jī)雙舵槳，二級(jí)動(dòng)力定位，選擇船舶主尺度如下：

總長(zhǎng)Loa：103.8 m；垂線間長(zhǎng)Lpp：95.8 m；型寬B：22 m；型深D：8 m；吃水T：5.95 m。

2 適用的規(guī)范規(guī)則

適用的規(guī)范規(guī)則有：ABS《入級(jí)和建造規(guī)范》《海洋工程支持船建造和入級(jí)規(guī)范》；IMO《國(guó)際海上人命安全公約》《特種用途船舶安全規(guī)則》《國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》。動(dòng)力定位二級(jí)，符合國(guó)際海事組織設(shè)備2類的冗余要求，最終的失效模式和定位能力應(yīng)按照 DNV GL環(huán)境監(jiān)管號(hào)碼（ERN -Environment Regulatory Number ern a,b,c,d）評(píng)價(jià)。

3 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和性能指標(biāo)

該船主要操作在阿拉伯海、孟加拉灣和印度洋。環(huán)境溫度 0℃～45℃，海水溫度 5℃～32℃，設(shè)計(jì)壽命20年。海上航行主推進(jìn)電機(jī)85%額定負(fù)載輸出，在設(shè)計(jì)吃水時(shí)船速不低于10 kn。

海上作業(yè)采用動(dòng)力定位，船應(yīng)保持在離固定平臺(tái)大于5 m和小于10 m的范圍內(nèi)。3級(jí)海況下[1]，增產(chǎn)作業(yè)和吊機(jī)不工作，船舶可在360°各方向來(lái)風(fēng)保持位置穩(wěn)定和艏向不變；5級(jí)海況下[2]，增產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行但吊機(jī)不工作，船舶可在360°各方向來(lái)風(fēng)保持位置穩(wěn)定和艏向不變。

1）3級(jí)海況：有義波高1.5 m，平均波浪回轉(zhuǎn)周期5.6 s～6.5 s，1分鐘平均風(fēng)速20 kn，平均表面流速1.5 kn，平均海床流速0.5 kn，風(fēng)/浪向成一直線，流與風(fēng)/浪向成45°夾角。

2）5級(jí)海況：有義波高4 m，平均波浪回轉(zhuǎn)周期8.9 s～9.7 s，1分鐘平均風(fēng)速30 kn，平均表面流速3 kn，平均海床流速1 kn，風(fēng)/浪向成一直線，流與風(fēng)/浪向成45°夾角。

4 電力系統(tǒng)配置

該船配4臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)AC 690 V，3Ph，60 Hz，2 800 ekW；2臺(tái)輔助/停泊發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)AC 450 V，3 Ph，60 Hz，800 ekW；1臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，AC 450 V，3 Ph，60 Hz，150 ekW；2臺(tái)日用變壓器，每臺(tái)690 V/450 V，1 000 kVA。艉部配備2臺(tái)全回轉(zhuǎn)方位角推進(jìn)器帶調(diào)距槳由恒速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)AC 690 V，3 Ph，60 Hz，2 200 kW，單臺(tái)可提供350 kN推力，航行時(shí)作為主推進(jìn)動(dòng)力；3臺(tái)艏部隧道式側(cè)向推進(jìn)器，其中2臺(tái)帶調(diào)距槳由定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)AC 690 V，3 Ph，60 Hz，1 500 kW，1 200 r/min，單臺(tái)提供250 kN推力、1臺(tái)帶定距槳由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)AC 690 V，3 Ph，1 500 kW，調(diào)速范圍0 Hz～60 Hz，0 r/min ～1 200 r/min，可提供250 kN推力。主吊機(jī)約650 kW，由690 V主配電板的2段匯流排雙路供電，一路電源故障時(shí)自動(dòng)切換至另一路供電；對(duì)外消防泵2臺(tái)，每臺(tái)AC 690 V，3 Ph，60 Hz，700 kW，1 200 r/min。電力系統(tǒng)的配置，可根據(jù)工況和負(fù)荷情況靈活選擇發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)，使主機(jī)時(shí)常處于最佳工況下工作。航行期間，2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行；海上作業(yè)工況，主配電板匯流排母聯(lián)開關(guān)處于分閘狀態(tài)，AC 690 V主配電板的母聯(lián)系統(tǒng)將被分成兩段，各段獨(dú)立運(yùn)行。4臺(tái)主發(fā)電機(jī)可以同時(shí)運(yùn)行，每段匯流排1臺(tái)發(fā)電機(jī)分列運(yùn)行、或兩-兩一組并聯(lián)運(yùn)行。電力系統(tǒng)總單線圖如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)總單線圖

5 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

在船的主尺度、總體布置、線型和動(dòng)力裝置型式基本確定的情況下，根據(jù)船東對(duì)船的航速、作業(yè)能力和作業(yè)安全保障技術(shù)性能的要求，鎖定本課題的技術(shù)難點(diǎn)，即：增產(chǎn)作業(yè)特點(diǎn)所要求的，在較嚴(yán)苛海況下定位精度和船東對(duì)經(jīng)濟(jì)性的要求，電力系統(tǒng)配置方案經(jīng)多次系統(tǒng)性能分析、動(dòng)力定位能力分析，不斷優(yōu)化、修正和完善，最終選定一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對(duì)優(yōu)越的方案。方案論證中，通過(guò)初步的船速校核，得知達(dá)到本船所要求的10 kn速度所需電力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于作業(yè)時(shí)船定位所需電力，故設(shè)計(jì)圍繞保證船的動(dòng)力定位能力來(lái)確定主電站容量和電力系統(tǒng)配置[3-7]。

5.1 電力負(fù)荷平衡計(jì)算

這里分析的負(fù)荷主要是為船的航行、定位和日用所需的負(fù)荷。增產(chǎn)作業(yè)由專用發(fā)電機(jī)供電，這里不贅述。

電力負(fù)荷估算如表1所示。

表1 電力負(fù)荷估算表

表1中，3級(jí)和5級(jí)海況中最嚴(yán)重故障工況，系指690 V主匯流排B由于短路故障等失去供電能力，由繼電保護(hù)從系統(tǒng)中切除，艏部冗余供電的艏側(cè)推負(fù)荷轉(zhuǎn)移至由主匯流排A供電，1臺(tái)主發(fā)電機(jī)或2臺(tái)主發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，其負(fù)荷率較高達(dá)到95%左右，如出現(xiàn)發(fā)電機(jī)過(guò)載，應(yīng)將全部的輔助負(fù)荷約500 kW轉(zhuǎn)移至由輔助發(fā)電機(jī)供電，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5.2 動(dòng)力定位能力

本船配備了1套先進(jìn)高效的酸化壓裂生產(chǎn)流程系統(tǒng)，要求船依靠動(dòng)力定位系統(tǒng)始終與生產(chǎn)平臺(tái)保持一定的安全距離，從而保障施工作業(yè)的順利進(jìn)行。本船動(dòng)力定位系統(tǒng)按DP-2級(jí)要求配置，配備了足夠的動(dòng)力和推進(jìn)器系統(tǒng)，為船提供足夠的電力和有效的機(jī)動(dòng)性、操縱性和安全性。

按第3部分定義的在3級(jí)和5級(jí)海況時(shí)，完整推進(jìn)器和最嚴(yán)重單點(diǎn)故障情形，動(dòng)力定位能力如圖2～圖5所示。

圖2 3級(jí)海況完整推進(jìn)器定位能力

圖3 3級(jí)海況最嚴(yán)重故障定位能力

圖4 5級(jí)海況完整推進(jìn)器定位能力

圖5 5級(jí)海況最嚴(yán)重故障定位能力

圖2為3級(jí)海況完整推進(jìn)器工況的動(dòng)力定位能力，風(fēng)速達(dá)到64.1 kn、浪高14.2 m時(shí)360°風(fēng)向均能滿足動(dòng)力定位的要求；圖3為3級(jí)海況最嚴(yán)重單點(diǎn)故障，即690 V主配電板匯流排B短路同時(shí)失去1臺(tái)主推進(jìn)器和1臺(tái)艏部側(cè)推時(shí)的動(dòng)力定位能力，風(fēng)速達(dá)到46.7 kn、浪高9.2 m時(shí)360°風(fēng)向均能滿足動(dòng)力定位的要求；圖4為5級(jí)海況完整推進(jìn)器時(shí)的動(dòng)力定位能力，風(fēng)速達(dá)到51.8 kn、浪高10.6 m時(shí)360°風(fēng)向均能滿足動(dòng)力定位的要求；圖5為5級(jí)海況最嚴(yán)重單點(diǎn)故障，即690 V主配電板匯流排B短路同時(shí)失去1臺(tái)主推進(jìn)器和1臺(tái)艏部側(cè)推時(shí)的動(dòng)力定位能力，風(fēng)速達(dá)到24.1 kn、浪高4.0 m時(shí)360°風(fēng)向均能滿足動(dòng)力定位的要求。

5.3 匯流排額定和短路能力

應(yīng)用電力系統(tǒng)分析軟件建模，按電力負(fù)荷分析的工況進(jìn)行潮流和短路分析。匯流排的額定載流容量為4 000 A。在航行工況母聯(lián)處于合閘狀態(tài)，AC 690 V主配電板上最多2臺(tái)主發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。在DP工況，690 V主配電板每段匯流排最多2臺(tái)主發(fā)電機(jī)同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，690 V匯流排出線端，預(yù)期的短路電流將達(dá)到62 kA/170 kA（均方根值/峰值）；航行工況，2臺(tái)主發(fā)電機(jī)同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，1臺(tái)日用變壓器運(yùn)行，690 V匯流排出線端，預(yù)期的短路電流將達(dá)到66 kA/176 kA（均方根值/峰值）。但是按照船級(jí)社的有關(guān)規(guī)定：在計(jì)算最大短路電流時(shí)，應(yīng)考慮最惡劣情況，即應(yīng)計(jì)及對(duì)應(yīng)于船舶或海上設(shè)施電站的最大負(fù)載工況，所有可能并聯(lián)連接于主匯流排的發(fā)電機(jī)（包括短時(shí)轉(zhuǎn)移負(fù)載的發(fā)電機(jī)在內(nèi)）所饋送的短路電流。3臺(tái)主發(fā)電機(jī)同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，690 V匯流排出線端，預(yù)期的短路電流將達(dá)到75 kA/196 kA（均方根值/峰值）。根據(jù)以上分析結(jié)果，690 V匯流排的短路定額應(yīng)為100 kA/220 kA，相應(yīng)的保護(hù)電器均按此選取。

5.4 混合起動(dòng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

如圖1所示，690 V主配電系統(tǒng)中，艉部2臺(tái)全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器和艏部2臺(tái)管道式推進(jìn)器為調(diào)距槳、恒速馬達(dá)，采用變速起動(dòng)；艏部雙冗余供電的管道式推進(jìn)器為定距槳、調(diào)速馬達(dá)，采用變頻驅(qū)動(dòng)；對(duì)外消防泵為恒速馬達(dá)，采用軟起動(dòng)。

變頻器用于起動(dòng)，通過(guò)改變電網(wǎng)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，電壓也隨頻率變化，由于電機(jī)為無(wú)機(jī)調(diào)速，起動(dòng)過(guò)程相對(duì)于傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)更加平穩(wěn)，當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，變頻起動(dòng)器將被旁路，電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行。推進(jìn)器配調(diào)距槳采用變頻起動(dòng)經(jīng)濟(jì)性好，用于啟動(dòng)的變頻器可選擇較低定額的變頻器，當(dāng)螺距置零時(shí)，用于變頻起動(dòng)的變頻器容量可降低至用于變頻驅(qū)動(dòng)的容量的35%～50%，可與推進(jìn)器安裝于同一處所，風(fēng)冷，不需要專門的房間和空調(diào)，節(jié)約初投資成本，可以減少變頻器的運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)使用壽命。

根據(jù)推進(jìn)器動(dòng)力定位能力分析，如艏部丟失 2臺(tái)側(cè)向推進(jìn)器，動(dòng)力定位能力不能滿足要求，故應(yīng)將其中1臺(tái)艏側(cè)推設(shè)計(jì)成雙路供電，設(shè)計(jì)成雙路有源前端（AFE）或無(wú)源前端（DFE）驅(qū)動(dòng)來(lái)滿足不斷電轉(zhuǎn)換的要求。圖6和圖7分別是雙冗余供電回路的2種形式。

圖6 雙路有源前端回路

圖7 雙路無(wú)源前端回路

雙冗余供電的特點(diǎn)：通常情況下，每套整流器的供電分別從各自的母排，由兩個(gè)變頻器各自負(fù)擔(dān)一部分負(fù)荷，一旦690 V主配電板上一個(gè)匯流排失電，可不間斷將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到有電的匯流排承擔(dān)供電，實(shí)現(xiàn)真正的不斷電切換負(fù)載，所選擇的雙冗余供電單元有船級(jí)社型式認(rèn)證。

5.5 總諧波干擾

總諧波干擾與整個(gè)系統(tǒng)配置有關(guān)。主推進(jìn)和主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用有源前端（AFE）作為起動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)器，艏部雙冗余供電的側(cè)推采用變頻器包括一套12脈沖整流器并通過(guò)變壓器連接到船舶主電站；為節(jié)約空間，也可采用有源前端（AFE）搭建雙冗余回路。發(fā)電機(jī)的超瞬態(tài)電抗可依照諧波計(jì)算結(jié)果定制，目前各船級(jí)社規(guī)范還沒有出臺(tái)考核電動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間的短時(shí)諧波標(biāo)準(zhǔn)，因此相對(duì)于全變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，混合起動(dòng)和驅(qū)動(dòng)模式，正常運(yùn)行時(shí)總諧波標(biāo)準(zhǔn)更容易限制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

5.6 功率管理系統(tǒng)

一套冗余的電站功率管理系統(tǒng)安裝在AC 690 V主配電板內(nèi)，控制器為雙套熱備冗余，控制站之間通過(guò)光纖通訊；總站與分站之間通過(guò)Profibus總線通訊。相對(duì)于常規(guī)船，系統(tǒng)控制邏輯稍復(fù)雜，除了常規(guī)的發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)功能、功率管理功能外，同時(shí)配備了發(fā)電機(jī)功率適配系統(tǒng)和多功能電站保護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載功率需求匹配在網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量；電站保護(hù)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組實(shí)時(shí)檢測(cè)，分析柴油發(fā)電機(jī)組的異常運(yùn)行狀態(tài)，檢測(cè)到功率分配不平衡、頻率異常等作用于保護(hù)裝置執(zhí)行選擇性脫扣保護(hù)，將故障發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)中剝離。在動(dòng)力定位最嚴(yán)重單點(diǎn)故障下，由于將艏部雙冗余供電的推進(jìn)器的全部負(fù)載轉(zhuǎn)移至由一段匯流排供電，根據(jù)動(dòng)力定位能力分析結(jié)果，用電負(fù)荷有所增加，該段匯流排的負(fù)擔(dān)加大，按初步的負(fù)荷分析，負(fù)荷率達(dá)到95%，為防止主發(fā)電機(jī)過(guò)載，在功率管理系統(tǒng)中設(shè)置了如發(fā)電機(jī)有過(guò)載趨勢(shì)，自動(dòng)起動(dòng)其中1臺(tái)輔助發(fā)電機(jī)，與主發(fā)電機(jī)自動(dòng)短時(shí)并車轉(zhuǎn)移負(fù)載，將約 500 kW的輔助負(fù)荷轉(zhuǎn)移至由輔助發(fā)電機(jī)供電，負(fù)載轉(zhuǎn)移后日用變壓器開關(guān)分閘，主電網(wǎng)與輔助電網(wǎng)解列，主、輔發(fā)電機(jī)分列運(yùn)行。反向的負(fù)載轉(zhuǎn)移亦然。

電站功率管理系統(tǒng)是一套完全獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)通信直接與全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

5.7 失電后恢復(fù)的順序起動(dòng)

首先起動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)，給輔助發(fā)電機(jī)黑起動(dòng)負(fù)載空壓機(jī)、預(yù)潤(rùn)滑油泵供電，然后起動(dòng)1臺(tái)輔助發(fā)電機(jī)，給主發(fā)電機(jī)黑起動(dòng)負(fù)載供電，當(dāng)1臺(tái)主發(fā)電機(jī)起動(dòng)投入電網(wǎng)，與輔助發(fā)電機(jī)短時(shí)并車，將輔助負(fù)載轉(zhuǎn)移至由主發(fā)電機(jī)供電，再按順序起動(dòng)其他發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行。主輔配電板上設(shè)定失電后按時(shí)間順序自動(dòng)起動(dòng)的重要負(fù)載有：照明、通訊、舵槳、滑油泵、淡水冷卻泵、海水冷卻泵，機(jī)艙風(fēng)機(jī)、主推進(jìn)器、艏側(cè)推等。

5.8 失火或可燃及有毒氣體泄漏后的應(yīng)急切斷

油田增產(chǎn)船作業(yè)時(shí)，所服務(wù)的平臺(tái)有油氣發(fā)散，加上它本身所運(yùn)載的酸液等危險(xiǎn)品，其危險(xiǎn)區(qū)域輻射范圍較大，一旦發(fā)生著火或可燃有毒氣體泄漏事故，應(yīng)執(zhí)行嚴(yán)格的切斷邏輯。風(fēng)油切斷按照住艙、機(jī)艙和酸罐艙分區(qū)切斷，切斷按鈕位于機(jī)艙入口、駕駛室和消防控制站等處所，一般采用分勵(lì)脫扣切斷油泵或風(fēng)機(jī)的供電開關(guān)實(shí)現(xiàn)，用于脫扣的電源由專用的UPS供電。

6 結(jié)論

本文初步探討了大型油田增產(chǎn)船電力系統(tǒng)配置。由于該船布置緊湊、作業(yè)時(shí)對(duì)動(dòng)力定位要求較高，電力消耗對(duì)于690 V低壓等級(jí)已經(jīng)是極限級(jí)，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，保障船的定位安全和作業(yè)安全是最重要的研究課題。本文將傳統(tǒng)動(dòng)力定位配電模式與混合起動(dòng)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新開發(fā)出一套較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的混合型低壓配電系統(tǒng)方案，供船舶電氣同行在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型時(shí)參考。對(duì)于以成本為目標(biāo)的客戶不失為一個(gè)好的選擇方案。