賈穎暉, 韓朝珍

(上海佳豪船海工程研究設計有限公司,上海 201612)

0 引 言

以綜合電能系統(tǒng)技術為代表的新型船舶已逐步成為當今高技術動力系統(tǒng)船舶發(fā)展的主流趨勢。電力推進是船舶動力系統(tǒng)的一種特殊傳動形式,是在綜合利用能源的需求牽引下,將船舶動力系統(tǒng)與輔機電站系統(tǒng)合二為一的綜合性技術[1-3]。電力推進的綜合性船舶電站通過現(xiàn)代技術可實現(xiàn)能源最佳利用,延長原動機的使用壽命,并滿足綠色環(huán)保港口要求,在提高船舶操作靈活性和運行效率的同時,達到了降低能耗和減少廢氣排放的目標[4-6]。綜合電能系統(tǒng)的優(yōu)勢在配備有多個推進裝置的具有動力定位能力的船舶上體現(xiàn)得更加充分。

動力定位(Dynamic Positioning,DP)是指憑借自動和/或手動控制的水動力系統(tǒng),使船舶在其作業(yè)時能夠在規(guī)定的作業(yè)范圍和環(huán)境條件下保持其船位和首向[7-8]。DP3是指安裝有動力定位系統(tǒng)的船舶,在出現(xiàn)單個故障(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首向,是動力定位系統(tǒng)中最高等級。

1 項目概況

本文以煙臺打撈局5 000 t起重鋪管船為背景工程,對綜合電能系統(tǒng)的方案設計作具體分析。5 000 t起重鋪管船是具有動力定位和錨泊定位能力的自航全回轉起重鋪管船。5 000 t起重鋪管船效果圖如圖1所示。船尾設置了1臺具有5 000 t起重能力的大型海洋工程起重機。該船可用于水下沉船、沉物的搶險救助打撈作業(yè),具有應對突發(fā)事件、進行大噸位水下物體整體打撈、快速清障的能力。

綜合電能系統(tǒng)方案設計分為配電系統(tǒng)結構設計、電力負荷分析、接地方式選擇、電壓等級選擇、短路電流計算、諧波分析與抑制、電力系統(tǒng)潮流分析和電站管理系統(tǒng)功能等8個部分。

2 配電系統(tǒng)結構設計

根據(jù)全船負載情況及總體需求,確定系統(tǒng)的網絡結構是進行綜合電能系統(tǒng)設計的第一步。該船不僅有航速的要求,而且用電設備眾多,如大型全回轉起重機、主要作業(yè)設備、動力定位系統(tǒng)、錨泊定位系統(tǒng)、日常生活設施等都需要電力供應,作業(yè)時電能消耗十分巨大。鑒于航行時不作業(yè)、作業(yè)時不航行的特點,該船推進方式采用全電力驅動,以提高裝船動力裝置的利用率。

船舶安全系統(tǒng)按照36人以上客船要求設計,并且需要滿足《國際海上人命安全公約》中安全返港條款的要求,即當任何艙室遭受火災或浸水受損后,規(guī)范所要求的推進、通信、報警等系統(tǒng)仍能維持工作[6]。所以兩個主推進器、發(fā)電機組及配電設備需要作A60防火及水密分隔,以避免任何推進器艙及機艙損失后造成全船動力喪失及安全系統(tǒng)無法工作。

該船設置DP3動力定位系統(tǒng)。為了滿足動力定位最大單點故障及船舶定位能力要求,設置4個獨立的機艙,各機艙之間都具有A60防火及水密分隔。每個機艙內的發(fā)電機組、配電板及輔助系統(tǒng)可獨立運行。在DP3工況下,4塊配電板之間的聯(lián)絡開關全部閉合實行聯(lián)網運行,提升整個配電系統(tǒng)能量的合理應用,電力系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

當在航行模式下,各配電板之間的聯(lián)絡開關又可合閘,此時任意2臺發(fā)電機運行就可提供2個主推進器及日常生活所需要的電力供給,充分提高了船舶航行的經濟性。

3 綜合電能系統(tǒng)關聯(lián)設計

3.1 電力負荷分析設計

船舶電力負荷計算是根據(jù)全船用電設備的數(shù)量、負載和使用情況進行的,計算結果可作為選擇發(fā)電機容量和臺數(shù)的依據(jù)。因此,電力負荷計算的結果直接影響發(fā)電機容量及臺數(shù)的選擇,也將直接影響全船用電設備的運行、船舶航行安全及人命安全。電力負荷計算的基本構思是計算船舶各工況下用電設備所需的功率。目前常用的電力負荷計算方法有:需要系數(shù)法、三類負載法、日夜負載法、概率分析計算法、算式計算法、以某項特重負載為基數(shù)的計算方法等[1]。目前應用較多的是需要系數(shù)法,只要需要系數(shù)、同時系數(shù)選取恰當,就能夠得到較準確的計算結果,所以電力負荷計算采用需要系數(shù)法進行計算。

電力負荷分為正常航行工況、進出港工況、海上停泊住宿工況、港口停泊工況、錨泊起重工況、DP3起重工況,其中DP3起重工況又可分為推進器全在線工況及最嚴重故障模式工況。通過對各工況進行電力負荷計算,最終確定電站組成方案為6臺額定功率為6 680 kW的主發(fā)電機組、1臺額定功率為1 500 kW的停泊發(fā)電機組及1臺額定功率為640 kW的應急發(fā)電機組,以確保在各工況下電站始終運行在最經濟及安全的負荷率。電力負荷計算結果如表1所示。

表1 電力負荷計算結果

3.2 接地方式選擇

電力系統(tǒng)采用的是三相三線中性點經接地電阻接地的系統(tǒng)。中性點是否接地及接地方式是一個涉及電力系統(tǒng)多方面的綜合性問題。在選擇中性點接地方式時,需要考慮供電可靠性、電力系統(tǒng)的過電壓與絕緣配合、繼電器保護要求和電氣安全性等。中性點接地形式優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 中性點接地形式優(yōu)缺點對比

對于船舶電力系統(tǒng)來說,安全性是第一要考慮的因素。船舶不同于陸上裝置,一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者人員受到傷害都可能是致命的。從經濟性來考慮,不接地方式是較為理想的一種方案,在船舶上確實得到廣泛應用。但當全船高壓系統(tǒng)對地電容電流的值達到一定高的程度時,不接地系統(tǒng)呈現(xiàn)過電壓會比較突出,而單相接地故障時會對設備絕緣造成傷害,所以選擇三相絕緣和中性點經高阻接地系統(tǒng),最大程度地保障船舶的安全性。

3.3 電壓等級選擇

合理的電壓等級選擇必須要保證船舶電網在符合各種技術約束的前提下滿足負荷需求,并使得輸配電設備容量得到充分利用。同時,選擇更高電壓等級時也必須考慮船舶設備科技水平的支持。對電力系統(tǒng)電壓等級的選擇,必須綜合考慮系統(tǒng)容量、負荷水平、系統(tǒng)結構和設備性能,過高或過低都不合理。

在大型船舶上如果使用低壓供電系統(tǒng),由于其電纜線路較長,將會存在損耗和電壓降過大的問題。因此,無論從供電能力、供電距離還是線路損耗,低壓配電已經難以適應負荷發(fā)展的要求,從而影響船舶電力系統(tǒng)的正常運行。理論上低壓交流系統(tǒng)(如AC 400/450/690 V)匯流排短路電流半周期有效值Iac的極限為135 kA,當短路電流Iac超過135 kA時必須選用高壓交流電力系統(tǒng)。根據(jù)實際使用經驗來看,100 kA已經是標準低壓配電設備的上限。由此可見,一定的電壓等級是由一定的電網容量和供電負荷的大小決定的,當電力系統(tǒng)容量達到一定數(shù)值以后,采用高壓交流電力系統(tǒng)(3.3/6.6/11 kV)是一個合理的選擇。

根據(jù)電力負荷計算的結果,該船配置有6臺額定功率6 680 kW發(fā)電機組可并聯(lián)運行,所有推進器采用變頻驅動。若采用3.3 kV,系統(tǒng)的短路電流約為60 kA,超過了主流配電設備短路電流容量的限制。如果采用大容量非標準的高壓交流配電板,既不經濟,也不安全。若采用6.6 kV,系統(tǒng)的短路電流約為30 kA,尚未超過主流配電設備短路電流容量的限制,可以采用31.5 kA的標準產品。如果電站容量進一步增大,則可以考慮選用11 kV或更高的電壓等級。

雖然該項目的用電負荷較多,但除了推進電機、吊機、錨泊定位裝置外,其他電氣設備的功率通常不超過1 MW,假如統(tǒng)一采用較高的電壓等級,則很不經濟。因此,主電源與大型電氣設備以采用不同的電壓等級為宜。由于采用了降壓變壓器,更有利于降低短路電流水平,進一步提高了經濟性和安全性。

綜上,電力系統(tǒng)采用多級電網分配。AC 6 600 V:供應電站電源設備、推進系統(tǒng)主設備;AC 690 V:供應工程作業(yè)設備等。

3.4 短路電流計算

由于短路發(fā)生后系統(tǒng)總阻抗減小,船舶電力系統(tǒng)中的短路電流值可達額定電流的數(shù)倍,甚至數(shù)十倍。計算短路電流是為了解決以下問題:選擇校驗電氣設備、選擇和整定繼電保護裝置以及選擇供電系統(tǒng)的接線和運行方式,從而使供電系統(tǒng)安全、可靠運行,減小短路所帶來的損失和影響。

該船故障電流計算按照IEC 61363 標準并基于一些設備參數(shù),包括發(fā)電機額定電壓、發(fā)電機視在功率、系統(tǒng)頻率、發(fā)電機數(shù)量、發(fā)電機功率因數(shù)、直軸超瞬態(tài)電抗(飽和)、直軸瞬態(tài)電抗、變壓器容量、變壓器數(shù)量(最大低壓電機負荷)、變壓器總負荷、假定所有負荷占變壓器容量的百分比及假定在故障發(fā)生時運行的低壓電機負載比例等,并基于起重機、定位錨、推進器由變頻器驅動故不產生故障電流(無再生發(fā)電能力)條件下,通過短路電流計算,可獲得該船最大3相故障電流。最大3 相對稱故障電流(包括主電機和低壓電機故障作用):28.6 kA;最大3 相非對稱尖峰故障電流(包括主電機和低壓電機故障作用):77.8 kA。

3.5 諧波分析與抑制

該船采用變頻器調速推進系統(tǒng),在具有優(yōu)異調速性能的同時也給系統(tǒng)帶來了大量的諧波,對電力系統(tǒng)的運行帶來極大的危害。對諧波進行有效治理的前提是,確定諧波源并準確計算各次諧波的含量,并在此基礎上提出有效的治理方案,確保將系統(tǒng)的諧波含量控制在規(guī)范及系統(tǒng)允許的范圍內。

該船電力系統(tǒng)的諧波源主要為驅動各作業(yè)設備的變頻器。這些電力電子器件均為非線性負載,在不同運行工況下,運行設備產生的諧波源數(shù)量及種類不同,所產生的諧波畸變率也不同。根據(jù)該船的不同運行工況及負載特性,分析諧波源產生原理,確定合適的諧波分析方法,并采用工程化的諧波估算手段對電網諧波進行分析計算,最終采用12脈形式的單臺變頻器裝置,系統(tǒng)構成虛擬24脈形式解決電網諧波。虛擬24脈整流+逆變器如圖3所示。

3.6 電力系統(tǒng)潮流分析

電力系統(tǒng)潮流計算是電力系統(tǒng)分析中的一種最基本的計算,是對復雜電力系統(tǒng)正常和故障條件下穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)的計算。潮流計算的目標是求取電力系統(tǒng)在給定運行狀態(tài)的計算。節(jié)點電壓和功率分布,用以檢查系統(tǒng)各元件是否過負荷、各點電壓是否滿足要求,功率的分布和分配是否合理以及功率損耗等。對現(xiàn)有電力系統(tǒng)的運行和擴建,對新的電力系統(tǒng)進行規(guī)劃設計以及對電力系統(tǒng)進行靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定分析都是以潮流計算為基礎的。

DP3起重模式下,電力系統(tǒng)投入運行的設備包括以下設備。

(1) 發(fā)電機組:1～6號發(fā)電機組。

(2) 配電變壓器:1～4號變壓器。

(3) 推進器:7號推進器,8號推進器,20%額定功率輸出;1號推進器,2號推進器,50%額定功率輸出;5號推進器,6號推進器,20%額定功率輸出;3號推進器,4號推進器,40%額定功率輸出(推進器功率輸出率根據(jù)動力定位能力報告所得)。

(4) 高壓配電板:1～4號高壓配電板。

(5) 低壓配電板:1～4號低壓配電板。

DP3起重模式潮流計算結果如表3所示。

3.7 電站管理系統(tǒng)

功率管理系統(tǒng)(PMS)是電力系統(tǒng)中重要的組成部分。該PMS適用于海洋工程的高電壓系統(tǒng),實現(xiàn)對發(fā)電柴油機組電源、推進器系統(tǒng)、吊機系統(tǒng)、鋪管系統(tǒng)等大型設備系統(tǒng)的電能控制;同時功率管理系統(tǒng)能夠控制高壓匯流排及低壓匯流排聯(lián)網或分網運行結構。

表3 DP3起重模式潮流計算結果

功率管理系統(tǒng)包括以下主要功能。

(1) 柴油機控制:遙控起停,運行時間計算,備用/ 優(yōu)先級選擇,根據(jù)負荷起停,全船失電再啟動,基于柴油機模式的實時數(shù)值,同步(ISO)和下降(Droop)模式選擇,下降(Droop)模式下柴油機負載控制等。

(2)運行柴油機報警時備用啟動等。

(3)發(fā)電機控制:監(jiān)測發(fā)電機和匯流排參數(shù),遙控發(fā)電柴油機組同步,發(fā)電機負荷分配(平衡、不平衡、固定負荷),頻率控制,電網運行構架形式控制,同步(ISO)模式下發(fā)電機負載控制等。

(4)匯流排聯(lián)絡開關控制:監(jiān)測控制匯流排每邊的參數(shù),遙控匯流排母聯(lián)開關合閘/分閘。

(5)重載控制:重載設備的起動請求,負載卸除(非重要負載跳閘),發(fā)電機跳閘探測負荷卸載,母排跳閘探測負荷卸載,快速響應電力推進器的負荷限制等。

(6)高級發(fā)電機監(jiān)控:功率管理系統(tǒng)的延伸功能,通常稱為下降(Droop)模式/同步(ISO)模式,用于檢測柴油機轉速和發(fā)電機電壓故障的控制系統(tǒng)。當檢測到發(fā)電柴油機組發(fā)生故障時,將控制故障的發(fā)電機組開關脫扣,以避免故障進一步擴大導致全船失電情況發(fā)生。高級發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)會實時監(jiān)測機組動態(tài)運行參數(shù),通過精準的數(shù)學模型計算預測機組的運行狀態(tài)。當檢測到機組發(fā)生一級偏離時,將啟動1臺備用發(fā)電機組,同時產生報警。如果參數(shù)偏離仍在繼續(xù),故障發(fā)電機將脫扣。系統(tǒng)將從下降(Droop)模式轉換到同步(ISO)模式下運行。下降(Droop)模式/同步(ISO)模式兩大主要功能為:下降(Droop)模式是檢測柴油機速度控制系統(tǒng)(有功功率分配),同步(ISO)模式檢測發(fā)電機電壓控制系統(tǒng)(無功功率分配)。系統(tǒng)有功功率變化反映在柴油機調速器故障或燃油濾器阻塞;有可能是調速器反饋系統(tǒng)故障造成功率與油門位置不匹配;在下降速度控制系統(tǒng)中這些故障將會被檢測到。同步(ISO)模式反映的是發(fā)電機提供過多的功率,以下電壓控制系統(tǒng)中的故障將會被檢測到:過/欠勵磁,有可能是由丟失電壓反饋給AVR信號造成的;欠勵磁,AVR故障;AVR主報警,無勵磁。

4 結 語

該項目為典型的采用高壓綜合電能系統(tǒng)的海洋工程船,電力系統(tǒng)的設計既要滿足客船安全返港要求,又要滿足動力定位DP3要求,對現(xiàn)代海洋工程船來說具有一定的代表性。

本文主要分析了系統(tǒng)設計初期所需要確定的一些關鍵參數(shù),通過電壓等級選擇、接地方式選擇、電力負荷計算、系統(tǒng)短路電流計算、諧波分析等并結合船舶本身的運行工況及系統(tǒng)要求來確定綜合電能系統(tǒng)的構架,并為以后系統(tǒng)的集成實施提供了支持,也為同類型船舶的建造提供了可行的設計思路。