張凌云，董 博

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

隨著油氣勘探從近海走向遠(yuǎn)海，海洋工程船舶得到快速發(fā)展，其中能在深水海域工作的動(dòng)力定位(Dynamic Positioning, DP)船舶的發(fā)展尤為迅速，為滿足多功能和高海況需求，其裝機(jī)功率越來(lái)越大。隨著航運(yùn)市場(chǎng)對(duì)環(huán)保的要求日趨嚴(yán)格，對(duì)船舶采取節(jié)能減排措施尤為重要。DP船舶通過(guò)閉合母排電力系統(tǒng)優(yōu)化電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，從而減少燃油消耗，在燃油經(jīng)濟(jì)性和供電連續(xù)性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受海工船市場(chǎng)的青睞。在上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“振華重工”)的海工船建造項(xiàng)目中，有多型船都采用閉合母排電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如某深水多功能飽和潛水支持船項(xiàng)目，采用的是DYNPOS-AUTRO和DYNPOS-ER雙重DP入籍符號(hào)，并采用閉合母排和推進(jìn)器雙路供電的技術(shù)方案。DNV GL為驗(yàn)證系統(tǒng)保護(hù)裝置的故障隔離能力，對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)試驗(yàn)、短路試驗(yàn)和失電順序恢復(fù)試驗(yàn)的方案提出了嚴(yán)格要求。

1 閉合母排電力系統(tǒng)

閉合母排電力系統(tǒng)主要是將配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成母聯(lián)開(kāi)關(guān)可閉合的形式，形成一個(gè)匯流排運(yùn)行的配電網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)生單一故障時(shí)，配電系統(tǒng)能預(yù)判并快速隔離故障設(shè)備或故障區(qū)間，同時(shí)不影響電網(wǎng)中設(shè)備的正常運(yùn)行。閉合母排電力系統(tǒng)在DP工況下可有效減少在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的數(shù)量，減少船舶燃油消耗，通過(guò)提高發(fā)電機(jī)組的負(fù)載率來(lái)減少有害氣體排放。

以往DNV GL從安全性的角度考慮，通常不接受DP3船舶采用閉合/閉環(huán)形式的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，防止因發(fā)生某些單點(diǎn)故障而導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)失電。與之相比，分段運(yùn)行的母排完全相互獨(dú)立，無(wú)論哪段母排發(fā)生故障，都不會(huì)引起全船失電。近年來(lái)，隨著技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，已能證明閉合/閉環(huán)母排可與分段母排一樣，具備相同水平的可靠性和完整性。為使船舶在運(yùn)行過(guò)程中具有更好的經(jīng)濟(jì)性和更靈活的操作性,船級(jí)社逐漸開(kāi)始接受這種閉合/閉環(huán)形式的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但要求其完整性能等效于分段運(yùn)行母排。圖1為閉合母排電力系統(tǒng)框圖。在閉合母排工況下，母聯(lián)開(kāi)關(guān)和通往推進(jìn)器的所有開(kāi)關(guān)均為常閉。

圖1 閉合母排電力系統(tǒng)框圖

2 閉合母排電力系統(tǒng)試驗(yàn)

根據(jù)DNV GL的要求，閉合母排DP船舶的電力系統(tǒng)試驗(yàn)除了包括常規(guī)電力系統(tǒng)試驗(yàn)以外，還包括增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)、實(shí)效短路試驗(yàn)和失電順序恢復(fù)試驗(yàn)。

2.1 增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)

增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)主要通過(guò)檢測(cè)，提前將故障發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)中隔離出來(lái)，使正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)不受影響，保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)作方式與設(shè)計(jì)是一致的。

在開(kāi)展增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)大綱設(shè)定的故障點(diǎn)和動(dòng)作，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)不同的狀態(tài)和故障，保護(hù)系統(tǒng)做出相應(yīng)的動(dòng)作。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：系統(tǒng)報(bào)警功能；PMS(Power Management System)啟動(dòng)備用機(jī)組，停止有問(wèn)題的發(fā)電機(jī)組；將系統(tǒng)調(diào)整到降速模式，停止PMS；硬線發(fā)生故障時(shí)，PMS啟動(dòng)備用機(jī)組；切斷故障母排。

圖2為某潛水支持船增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)框圖。由圖2可知，增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)采集發(fā)電機(jī)組調(diào)壓信號(hào)、柴油機(jī)組調(diào)速信號(hào)、PMS中的關(guān)鍵參數(shù)和其他發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策，發(fā)出相應(yīng)的指令，從而在故障擴(kuò)散之前切斷故障發(fā)電機(jī)，最小化故障對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊，抑制停電風(fēng)險(xiǎn)和可能出現(xiàn)的位置丟失問(wèn)題。

圖2 某潛水支持船增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)框圖

通過(guò)調(diào)試和試驗(yàn)，修復(fù)與設(shè)計(jì)結(jié)果不一致的地方，并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和系統(tǒng)修改，完善增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)功能，確定保護(hù)功能與需求設(shè)計(jì)的一致性，使其完全匹配項(xiàng)目要求，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。

2.2 實(shí)效短路試驗(yàn)

單段母排的短路故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的電壓快速下降，故障階段的電網(wǎng)電壓幾乎為零，該過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)脫扣、推進(jìn)器退出DP系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)停止運(yùn)行等一系列問(wèn)題。因此，通過(guò)實(shí)效短路試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證整個(gè)電力系統(tǒng)的完整性非常重要，其主要目的包括：

1)驗(yàn)證電力系統(tǒng)的選擇性與設(shè)計(jì)一致，故障點(diǎn)能快速隔離，而其他部分能保持正常運(yùn)行；

2)驗(yàn)證發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)、推進(jìn)器和相關(guān)輔助系統(tǒng)的故障穿越能力；

3)驗(yàn)證短路故障對(duì)相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的影響。

以振華重工建造的某深水多功能飽和潛水支持船為例，為驗(yàn)證其電力系統(tǒng)的可靠性和短路故障穿越能力，DNV GL要求對(duì)DYNPOS-AUTRO閉合母排或推進(jìn)器雙路供電的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)效短路試驗(yàn)。實(shí)效短路試驗(yàn)是DP3閉合母排電力系統(tǒng)試驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于具有一定的危險(xiǎn)性，需在試驗(yàn)之前對(duì)系統(tǒng)、設(shè)備和安全保障等進(jìn)行全面分析，精心策劃，明確分工。另外，需考慮意外事件應(yīng)急方案，最大程度地保證安全。

試驗(yàn)之前需完成系統(tǒng)仿真分析和試驗(yàn)程序送審工作，并與船級(jí)社和船舶所有人確認(rèn)試驗(yàn)的相關(guān)事項(xiàng)，包括：

1)試驗(yàn)時(shí)需記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，比如短路電流值、電壓值、開(kāi)關(guān)脫扣時(shí)間、短路時(shí)間和設(shè)備運(yùn)行狀況等;

2)短路點(diǎn)的選擇，不同項(xiàng)目會(huì)有所差別，一般需有專門(mén)用來(lái)開(kāi)展實(shí)效短路試驗(yàn)的試驗(yàn)屏；

3)試驗(yàn)時(shí)的狀態(tài)，比如推進(jìn)器的功率，船級(jí)社一般要求其值盡量小，以使推進(jìn)變頻器能在最差的工作狀況下實(shí)現(xiàn)故障穿越；

4)輔助系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，不必要的設(shè)備應(yīng)盡量隔離開(kāi)，以免受影響。

試驗(yàn)時(shí)，選取中壓配電板試驗(yàn)屏的母排進(jìn)行短路銅排(匯流排)連接，并在駕駛室或集控室內(nèi)遠(yuǎn)程合閘遙控。同時(shí)，檢查發(fā)電機(jī)組、中壓配電板、變頻器和推進(jìn)器的運(yùn)行狀態(tài)，核定各系統(tǒng)保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)定是否正確。試驗(yàn)過(guò)程中采用工控機(jī)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的電壓、電流、頻率和動(dòng)作時(shí)間等主要參數(shù)進(jìn)行記錄，用于分析和判斷，并形成最終的短路故障穿越試驗(yàn)報(bào)告。圖3為某飽和潛水支持船實(shí)效短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集框圖。

通過(guò)開(kāi)展實(shí)效短路試驗(yàn)，確定電力系統(tǒng)的選擇性保護(hù)功能、關(guān)鍵設(shè)備的故障穿越能力和故障對(duì)設(shè)備的影響。

2.3 失電順序恢復(fù)試驗(yàn)

雖然在設(shè)計(jì)閉合母排電力系統(tǒng)時(shí)已考慮發(fā)生故障時(shí)采取的各種隔離保護(hù)措施，但在船舶實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，仍會(huì)遇到一些未知的故障。按照船級(jí)社規(guī)范的要求，只有完成全船失電恢復(fù)試驗(yàn)，才能驗(yàn)證采用閉合母排電力系統(tǒng)的DP船舶在全船突然失電的情況下，能迅速恢復(fù)供電，維持定位能力。

圖3 某飽和潛水支持船實(shí)效短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集框圖

振華重工建造的某深水多功能飽和潛水支持船需滿足DYNPOS-ER入籍符號(hào)的要求，在順序啟動(dòng)試驗(yàn)中，從電網(wǎng)失電到DP控制系統(tǒng)接收到推進(jìn)器的準(zhǔn)備信號(hào)的過(guò)程需在45 s內(nèi)完成。此項(xiàng)試驗(yàn)需要應(yīng)急發(fā)電機(jī)在不啟動(dòng)的條件下恢復(fù)全船供電，因此主發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)所需的油泵和水泵需采用機(jī)帶泵，即主發(fā)電機(jī)組在接收到失電啟動(dòng)信號(hào)之后能自動(dòng)啟動(dòng)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，需分析電力系統(tǒng)和DP相關(guān)設(shè)備啟動(dòng)所需時(shí)間、啟動(dòng)順序和啟動(dòng)條件，并在試驗(yàn)之前對(duì)各階段時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算復(fù)核。

在失電順序恢復(fù)試驗(yàn)中，可利用全船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)制作狀態(tài)圖，協(xié)助試驗(yàn)人員直觀地了解各設(shè)備的運(yùn)行和恢復(fù)狀態(tài)，按船舶恢復(fù)供電的順序確定相應(yīng)的恢復(fù)流程。例如，當(dāng)電力系統(tǒng)檢測(cè)到失電信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)備用主發(fā)電機(jī)組，恢復(fù)中壓配電板、低壓配電板和變頻器，啟動(dòng)推進(jìn)器電機(jī)并最終送出READY信號(hào)，這些設(shè)備的狀態(tài)均可在狀態(tài)圖中予以顯示。圖4為飽和潛水支持船失電啟動(dòng)狀態(tài)圖，取2套主配電板、2套440 V配電板、6臺(tái)推進(jìn)器的運(yùn)行信號(hào)(用1表示)和停止信號(hào)(用0表示)為縱軸，時(shí)間為橫軸，根據(jù)信號(hào)的變化量得到各系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行的時(shí)間。此外，試驗(yàn)之前需重點(diǎn)關(guān)注電力系統(tǒng)和DP系統(tǒng)中的一些連鎖信號(hào)，如柴油機(jī)滑油壓力低時(shí)無(wú)法啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，推進(jìn)變頻器冷卻水系統(tǒng)無(wú)壓力時(shí)無(wú)法啟動(dòng)變頻器等。在這種情況下，需進(jìn)行連鎖信號(hào)抑制，否則會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

圖4 飽和潛水支持船失電啟動(dòng)狀態(tài)圖(恢復(fù)時(shí)間為40 s)

通過(guò)開(kāi)展失電順序恢復(fù)試驗(yàn)，不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和測(cè)試，使其能以最快的速度和最安全的方式恢復(fù)到失電之前的狀態(tài)。該項(xiàng)目最終在42 s內(nèi)完成了從發(fā)電機(jī)啟動(dòng)到推進(jìn)器給出準(zhǔn)備信號(hào)的過(guò)程。

3 結(jié) 語(yǔ)

DP3閉合母排電力系統(tǒng)試驗(yàn)中的增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)、實(shí)效短路試驗(yàn)和失電順序恢復(fù)試驗(yàn)是檢驗(yàn)船舶電力系統(tǒng)有效性的重要方式，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)是船舶行業(yè)的難點(diǎn)。本文結(jié)合振華重工建造的某飽和潛水支持船，分析了其DP加強(qiáng)型(DYNPOS-ER)閉合母排電站增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)、實(shí)效短路試驗(yàn)和失電順序恢復(fù)試驗(yàn)的要求，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，能為國(guó)內(nèi)建造閉合母排提供一定的借鑒。