孫寶龍 滕音文 張云平 侯玉乙 陳 熙

（大連船舶重工集團設計研究院有限公司 大連116021）

引 言

IMO（International Maritime Organization）第58屆海洋環(huán)境保護委員會（MEPC）批準了MARPOL 73/78 公約附則VI 修正案，規(guī)定：2012 年1 月1日后，在非排放控制區(qū)航行的船舶，其燃油含硫量必須低于3.5%，2020 年1 月1 日后，全球區(qū)域燃油含硫量低于0.5%；但是在排放控制區(qū)域（ECA），2010 年7 月1 日后，燃油中的含硫量須低于1%，2015 年1 月1 日后，含硫量須低于0.1%。國際海事組織還規(guī)定，除使用低硫油外，船舶也可以采用經認可的廢氣洗滌系統(tǒng)或其他技術降低船舶動力裝置排放的SOX，使之相當于對應含硫量燃油的排放。［1］

由IMO 公約可知，目前IMO 推薦的解決船舶排氣中SOX含量超標問題的方法主要是使用低硫油和采用廢氣處理裝置兩種。選用低硫燃油是最直接最有效的方法，但是由于低硫油在煉制過程中需經過額外的脫硫過程，價格高于傳統(tǒng)重油很多。這將很大程度上增加船舶的運營成本。相對于使用低硫油，洗滌脫硫裝置的應用具有很多優(yōu)勢；雖然初期投入成本會增加，但是由于低硫油和傳統(tǒng)重油較大的差價，使得船舶會在較短時間內收回成本。由此可見，對已運營船舶而言，增加洗滌脫硫裝置是最為經濟的形式。

本文以某大型原油船加裝洗滌脫硫裝置改造項目為背景，對船舶電力系統(tǒng)進行分析研究。

1 設計原理分析

1.1 脫硫系統(tǒng)簡介

本船選用的是國內某公司生產的開式洗滌脫硫系統(tǒng)。處理能力滿足MARPOL 公約附則VI 要求和MEPC259（68） Schem-B 要求，使含硫量為3.5%的燃油硫氧化物排放量等效于0.1%含硫量的燃油。洗滌脫硫系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示。

1.2 設計參數(shù)

管路上能實現(xiàn)1 臺主機+3 臺發(fā)電機+1 臺EGCS 發(fā)電機的廢氣進洗滌裝置；

EGC 系統(tǒng)處理能力為滿足1 臺主機85%負荷+2 臺發(fā)電機70%負荷工作需要。

1.3 脫硫系統(tǒng)主要用電設備

脫硫系統(tǒng)海水泵3 臺，2 用1 備；（單臺泵電機額定功率240 kW，設計使用功率192 kW）；密封風機兩臺，1 用1 備。（單臺風機功率11 kW）。

脫硫系統(tǒng)滿負荷運行狀態(tài)下，系統(tǒng)用電功率按照400 kW 進行計算。

2 改裝前電力系統(tǒng)配置

該船在改裝前配1 050 kW 左右的主發(fā)電機3臺，320 kW 左右應急發(fā)電機1 臺；配電設備主要包括主配電盤1 個，應急電盤1 個以及組合啟動器、分電若干。該船原設計各個工況運行電力負荷計算結果如下頁表1 所示。

從計算結果來看，當船舶運行在航海工況時，單臺發(fā)電機在網運行，發(fā)電機負荷率為83%，單臺發(fā)電機功率余量為（0.9-0.83）×1 053 = 73.5 kW，顯然無法滿足脫硫系統(tǒng)對電功率的需求。為此，如不改變原發(fā)電機的額定功率，在船舶運行在海上航行工況時需要2 臺發(fā)電機在網運行。此時發(fā)電機的負荷率僅為61.4%，這對發(fā)電機的燃油經濟性是不利的。如增大發(fā)電機額定輸出功率，則需要更換機型；更換機型不僅會引起輪機管系相關系統(tǒng)的大面積修改，而且配電系統(tǒng)也會引起顛覆性修改，尤其是當發(fā)電機容量增大后，相應配電系統(tǒng)的短路電流增加很大，致使原配電系統(tǒng)大部分開關的分斷等級不能滿足使用要求。所以增大發(fā)電機額定輸出功率的方案有修改量大、周期長和修改費用高等缺點。

3 加裝脫硫系統(tǒng)后電力系統(tǒng)分析

3.1 電力系統(tǒng)方案確定

根據(jù)第2 章對加裝脫硫系統(tǒng)前電力系統(tǒng)的分析，如使用原電力系統(tǒng)配置，船舶在航海工況時在網運行的兩臺發(fā)電機的負荷率較低、燃油經濟性差。另外，脫硫系統(tǒng)的供電開關均增加在主配電盤上，增大主配電盤的外形尺寸進而影響主配電盤的進線位置，這會導致主配電盤和電纜進線孔大面積修改。所以，為保證船舶運行的燃油經濟性和改造方便，同時盡量保證原電力系統(tǒng)中主配電盤完整性。本項目最終確定單獨加裝1 臺脫硫發(fā)電機（選用瓦錫蘭生產的630 kW 柴油發(fā)電機組）和1 套脫硫配系統(tǒng)電盤的方案，由脫硫發(fā)電機給脫硫系統(tǒng)單獨供電。

3.2 改造后電力系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)單線圖

增加一個脫硫系統(tǒng)專用配電盤（脫硫系統(tǒng)配電盤），用來控制脫硫發(fā)電機，為脫硫系統(tǒng)相關設備供電，以及與主配電盤連接（當脫硫發(fā)電機故障時使用主電網電源為脫硫系統(tǒng)配電盤供電）。具體配置見脫硫配電系統(tǒng)單線圖，如圖2 所示。

圖2 脫硫配電系統(tǒng)單線圖

脫硫系統(tǒng)發(fā)電機不能和主發(fā)電機并聯(lián)運行。當主配電盤為脫硫配電盤供電時，需要確保兩臺主發(fā)電機在線，防止過載。

3.2.2 脫硫系統(tǒng)配電盤描述

配電盤上配備必要的儀表及開關［2］：

（1）脫硫系統(tǒng)配電盤發(fā)電機屏：控制脫硫系統(tǒng)發(fā)電機。

（2）AC 440 V 饋電屏：為脫硫系統(tǒng)設備供電。包括一個發(fā)電機淡水泵起動器。

（3）母聯(lián)屏：通過母聯(lián)開關與主配電盤開關連接，當脫硫系統(tǒng)發(fā)電機故障時使用主電網電源為脫硫系統(tǒng)配電盤供電。正常情況下，兩個母聯(lián)開關是打開狀態(tài)，只有當脫硫系統(tǒng)發(fā)電機故障情況時，自動閉合兩個母聯(lián)開關，通過主配電盤對脫硫系統(tǒng)配電盤供電。

（4）連鎖：脫硫系統(tǒng)配電盤中，脫硫發(fā)電機進線開關與母聯(lián)開關之間為電氣連鎖，保證當脫硫系統(tǒng)發(fā)電機開關合閘供電時，主配電盤無法為脫硫系統(tǒng)配電盤供電。只有當脫硫發(fā)電機故障情況，才能通過母聯(lián)開關讓主配電盤為脫硫系統(tǒng)配電盤供電。［3］

（5）目前增加的脫硫系統(tǒng)配電盤安裝在脫硫系統(tǒng)發(fā)電機旁，由于本項目船舶為AUT-0 符號，此方案需要在集控室增加脫硫系統(tǒng)配電盤復示板，以滿足規(guī)范要求。［4］

3.3 加裝脫硫系統(tǒng)后負荷計算

對于加裝脫硫系統(tǒng)后電力系統(tǒng)的電力負荷計算分為兩個部分。一是當脫硫發(fā)電機正常運行給脫硫配電盤供電來滿足脫硫系統(tǒng)電能需求；二是當脫硫發(fā)電機故障，需要從主配電盤給脫硫配電盤供電。

當脫硫發(fā)電機正常工作時，主配電盤和脫硫系統(tǒng)配電盤是完全獨立的，互不影響。船舶在各個工況下運行時對于主發(fā)電機的負荷率與改造前的結果一致。脫硫發(fā)電機供電系統(tǒng)在航海工況和洗艙工況的負荷率為66.8%，其他工況的負荷率為46.8%。

當脫硫系統(tǒng)發(fā)電機故障時，需要閉合主配電盤給脫硫系統(tǒng)配電盤供電開關。由主配電盤給脫硫系統(tǒng)供電。電力負荷計算結果如表2。由計算結果可以看出當船舶在航海工況時需要兩臺發(fā)電機同時運行，負荷率為61.4%；在卸貨工況下，電功率需求最大，需要3 臺發(fā)電機同時運行，負荷率為76.6%。

表2 脫硫發(fā)電機故障時負荷計算結果

3.4 短路電流計算和選擇性分析

當脫硫系統(tǒng)發(fā)電機正常工作單獨給脫硫系統(tǒng)供電時，脫硫系統(tǒng)配電盤與主配電盤之間沒有任何聯(lián)系，對應原電力系統(tǒng)的短路電流和選擇性沒有影響。所以本節(jié)僅對脫硫系統(tǒng)發(fā)電機故障，由主配電盤給脫硫系統(tǒng)供電情況下的短路電流進行計算和選擇性分析。

3.4.1 電力系統(tǒng)圖搭建

短路電流計算選用COMPASS 軟件，本程序根據(jù)中國船級社《鋼質海船入級規(guī)范》（2009） 第4篇附錄1 “電力系統(tǒng)的短路計算”進行計算，適用于船舶交流50 Hz 或60 Hz 非網格形，且中性點通過阻抗接地或中性點絕緣的低壓和高壓三相電力系統(tǒng)。搭建的電力系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 COMPASS搭建電力系統(tǒng)圖

與加裝脫硫系統(tǒng)前的電力系統(tǒng)相比有兩處變化：

（1）脫硫系統(tǒng)海水泵為變頻控制，所以搭建系統(tǒng)時可考慮為等效電機［5］，整個電力系統(tǒng)對應等效電機EM1 功率增加；

（2）增加脫硫系統(tǒng)配電盤和給脫硫系統(tǒng)配電盤的饋電線路。

3.4.2 短路電流計算結果

短路電流計算結果見下頁表3。圖中選用0.5T時間各個節(jié)點短路電流的匯總（本項電網頻率為60 Hz，所以T= 1/60 s），對比加裝脫硫系統(tǒng)和未增加脫硫系統(tǒng)前的短路電流計算。加裝脫硫系統(tǒng)由于主配電盤需給脫硫系統(tǒng)配電盤供電，各個設備和計算節(jié)點的短路電流均有所增加，但增加值不大。其中SCP-EGCS SWBD 為脫硫系統(tǒng)配電盤，SCP-L24為給脫硫系統(tǒng)配電盤饋電電纜。

3.4.3 開關性能分析

根據(jù)3.4.2 短路電流計算結果和配電系統(tǒng)各型號開關的使用分斷能力以及閉合容量的匯總表如表4。根據(jù)匯總結果，各型號的開關的使用分斷能力均大于所有設備短路電流的有效值；閉合容量也均大于所有設備短路電流的峰值?？梢则炞C所有開關型號的選擇滿足電路保護的使用要求。除因增加脫硫系統(tǒng)而增加的設備和開關，其他開關型號均與改造前一致，因此增加單獨脫硫系統(tǒng)發(fā)電機和脫硫系統(tǒng)配電盤的方案，在主配電盤上的所有開關均不要更換型號。配電盤的改造修改量最少。

表3 短路電流計算結果kA

表4 電力系統(tǒng)開關選擇匯總

續(xù)表4

3.4.4 選擇性保護分析

由于本項目改造增加了EGCS 配電盤，對于主發(fā)電機和主配電盤來說相當于增加了一個較大負載。所以本節(jié)選擇性保護分析僅對發(fā)電機、EGCS配電盤饋電開關和脫硫系統(tǒng)海水泵組合啟動器（脫硫配電盤主要負載）進行選擇性保護分析。［6］

本項目配電系統(tǒng)開關品牌為施耐德，所以模擬開關選擇性保護曲線的軟件選用施耐德的CURVE DIRECT 3.4.1 模擬軟件。發(fā)電機空氣開關、主配電盤給脫硫系統(tǒng)配電盤的饋電開關以及脫硫海水泵的供電開關信息以及保護設定值見下頁表5。

表5 各開關信息參數(shù)表

根據(jù)表5 信息在CURVE DIRECT 3.4.1 中進行選擇性曲線模擬仿真運行，得到選擇性曲線見圖4。

圖4 選擇性曲線圖

主發(fā)電機饋送的最大峰值短路電流Ip=28.116 6 kA，主發(fā)電機空氣開關Inst 設定為24 kA，等于發(fā)電機短路電流（Ip÷1.414）的1.21 倍，因此主配電盤處發(fā)生短路。主發(fā)電機空氣開關瞬動不會在200 ms 動作，因此這兩級開關按時間原則實現(xiàn)完全選擇性。當給脫硫配電盤饋電的聯(lián)絡開關下口短路時，聯(lián)絡開關由STD（Short Time Delay）實現(xiàn)短路保護，Isnt 關閉不動作，聯(lián)絡開關最大可退回時間為140 ms，下級開關全分斷時間為80 ms，小于前級的可退回時間，因此這兩級開關按時間原則實現(xiàn)完全選擇性。

4 結 語

MARPOL 73/78 公約附則VI 修正案生效后，公約要求在2020 年1 月1 日后，全球區(qū)域燃油含硫量低于0.5%。為滿足公約的要求，很多從2018 年開始建造的新船都開始加裝脫硫塔，同時舊船加裝脫硫塔的改造項目也呈現(xiàn)火熱態(tài)勢。本文以某大型原油船某加裝脫硫塔改造為背景，對全新的配電方案進行分析，對電力系統(tǒng)進行研究。其解決方案和相關圖紙均已得到船檢和船東的認可。通過分析和研究，證明本改造項目的方案是可行的；同時兼顧船舶運行時的燃油經濟性，并最大限度保證原配電系統(tǒng)的完整性，對原配電盤的改造工作量少等優(yōu)點。目前，本船脫硫改造已經成功交付，電力系統(tǒng)運行情況良好。