50000dwt半潛船電氣系統(tǒng)設(shè)計

劉 以 社

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

0 前 言

由廣船國際股份有限公司承接、上海船舶研究設(shè)計院詳細(xì)設(shè)計，黃埔船廠建造的中遠(yuǎn)航運股份有限公司的2艘50000t半潛船，入CCS（中國船級社）和DNV（挪威船級社）雙船級，掛中國國旗，船級符號為：

1)CCS：Semi-submersible Vessel；

2)DNV：+ 1A1, Ice-C, DK(+), EO, RPS, BIS.

本船通過 6600V中壓供電給2臺電力推進(jìn)馬達(dá)，經(jīng)過變頻器驅(qū)動 2個定距槳來推進(jìn)船舶；通過空壓機利用壓縮空氣進(jìn)行打壓載和排壓載，控制船舶的下沉和上浮。由于裝載貨物的極其特殊性——大型鋼結(jié)構(gòu)件、海上鉆井平臺、無動力艦艇以及可移動海上建筑等高附加值特種貨物，對于推進(jìn)系統(tǒng)及相關(guān)配置的安全性尤為重要，因此增加挪威船級社“RPS（冗余推進(jìn)和分割）”入級符號要求，以A-60水密艙壁分隔的冗余推進(jìn)配置來有效解決這一問題。

1 電氣系統(tǒng)設(shè)計

由于本船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，并入級RPS附加標(biāo)志，因此在推進(jìn)系統(tǒng)與操舵系統(tǒng)上需要考慮冗余設(shè)計。全船系統(tǒng)配置如圖1。

圖1 全船系統(tǒng)配置圖

1.1 配電系統(tǒng)

1.1.1 電制

本船采用AC 6600V，60Hz，3PH為主電源，另外還包括常規(guī)使用低壓的 AC450V，60Hz；AC230V，60Hz低壓電源和直流24V電源。

1.1.2 發(fā)電機

4 臺 4341kVA (3690kW)，AC6600V，60Hz，3PH中壓發(fā)電機組，作為主電源供電給電力推進(jìn)馬達(dá)和大功率設(shè)備（包括2臺側(cè)推，4臺排壓載空壓機），且通過2 臺2200 kVA，6.6/0.45kV配電變壓器變壓后向輔助設(shè)備、安全以及船上其他用電設(shè)備正常供電。

1臺 1210 kVA (968kW)，AC450V，60Hz，3PH港口發(fā)電機，主要用于航行時供電給貨物使用，當(dāng)船舶處于停泊狀態(tài)，4臺中壓發(fā)電機不運行時，港口發(fā)電機可以作為主電源通過450V匯流排供船舶生活用電。

1臺AC450V，60Hz，3PH應(yīng)急發(fā)電機，額定功率為500kW，供船應(yīng)急負(fù)荷使用。

1.1.3 配電板

根據(jù)船上使用的設(shè)備情況，本船共包括 2 段（20+2屏）中壓配電板（6600V）和2 段（23屏）低壓配電板（450V及230V）用于全船的供電。

另外廚房設(shè)備采用單獨的變壓器供電，使得廚房設(shè)備和整個電網(wǎng)隔離，以免廚房設(shè)備的低絕緣影響全船電網(wǎng)。

1.1.4 系統(tǒng)保護(hù)

1)在中壓部分，下列開關(guān)間做到了規(guī)范規(guī)定的完全選擇性保護(hù)，并給出保護(hù)協(xié)調(diào)曲線：

(1)主發(fā)電機開關(guān)-中壓配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)-供電變壓器開關(guān)；

(2)主發(fā)電機開關(guān)-中壓配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)-推進(jìn)變壓器開關(guān)；

2)在低壓部分，下列開關(guān)間做到了規(guī)范規(guī)定的完全選擇性保護(hù)，并給出保護(hù)協(xié)調(diào)曲線：

(1)供電變壓器開關(guān)-主應(yīng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)；

(2)供電變壓器開關(guān)-主照明變壓器開關(guān)-下一級開關(guān)；

(3)主應(yīng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)-主照明變壓器開關(guān)-下一級開關(guān)；

(4)應(yīng)急發(fā)電機開關(guān)-應(yīng)急照明變壓器開關(guān)-下一級開關(guān)。

這些開關(guān)間的保護(hù)協(xié)調(diào)是靠短延時整定時間的不同。可以看出該系統(tǒng)已做到完全協(xié)調(diào)地選擇性保護(hù)，符合船級社要求。

1.1.5 系統(tǒng)中點接地

由于采用中壓，降低了系統(tǒng)短路電流等級和配電板成本，節(jié)省了電纜，提高了系統(tǒng)安全可靠性。中壓系統(tǒng)對安全要求高，系統(tǒng)接地方式應(yīng)仔細(xì)考慮，中點接地方式工藝簡單，但因弧光接地引起的過電壓可能很高。直接接地可將過電壓控制在安全水平，但過大的短路電流可能給系統(tǒng)安全帶來危害。中點經(jīng)電阻接地，能減少電弧接地過電壓的危險性，接地電流較直接接地小，系統(tǒng)工作連續(xù)性好，對通信干擾也小。

1.2 RPS附加標(biāo)志的電氣設(shè)計

RPS是DNV的一個附加標(biāo)志入級符號，指水密艙壁分隔的冗余推進(jìn)船舶。主要對推進(jìn)系統(tǒng)和操舵系統(tǒng)提出了系統(tǒng)備份的要求。即當(dāng)出現(xiàn)任何故障導(dǎo)致船舶一側(cè)設(shè)備不能運行時，要保證全船仍能操舵運行，并且至少有50%推進(jìn)功率保留。這實際上就要求至少配置2套獨立的推進(jìn)和操舵系統(tǒng)，其控制功能也應(yīng)該冗余設(shè)計，且雙套系統(tǒng)之間應(yīng)有可靠的分割。

1.2.1 配電系統(tǒng)設(shè)計

本船要求至少有雙套獨立推進(jìn)系統(tǒng)和雙套操舵系統(tǒng)，且2套功能之間有可靠的分隔。因此與推進(jìn)系統(tǒng)、操舵系統(tǒng)相關(guān)的電氣設(shè)備，包括中壓配電板、推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)馬達(dá)、450V/ 230V低壓主配電板、主發(fā)電機、推進(jìn)馬達(dá)服務(wù)的輔助設(shè)備，都為左右獨立配置。配電系統(tǒng)如圖2。

可以看出，以虛線為中心線，左、右側(cè)機艙的設(shè)備分別由左、右側(cè)的配電板供電，左右配電板間則由A-60級防火水密壁進(jìn)行物理分隔，以確保推進(jìn)系統(tǒng)、操舵系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備供電均冗余，完全獨立。無論哪個設(shè)備出了故障，導(dǎo)致一側(cè)無法運行，另一側(cè)都不會受影響，而且至少可以保證50%的推進(jìn)功率。

左右配電板通過對母聯(lián)開關(guān)的選擇性保護(hù)和短路保護(hù)設(shè)計，以保證在單邊機艙發(fā)生失火或進(jìn)水以及單邊推進(jìn)系統(tǒng)、舵機系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，能瞬時自動斷開左右配電板間的母聯(lián)開關(guān)，而不影響另外一側(cè)機艙的正常工作。同時左右配電板間聯(lián)接的通信和控制電纜，在一側(cè)的電纜發(fā)生故障時，不影響到另一側(cè)配電板的正常工作。

全船的AC450V和AC230V供電，主要通過左右2個2200kVA，6.6/0.45kV配電變壓器分別連接至對應(yīng)的450V主配電板。這2個變壓器互為備用，所以設(shè)計中考慮每個變壓器的容量都能滿足450V和230V負(fù)載要求。

1.2.2 推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計

RPS除了對推進(jìn)系統(tǒng)和操舵系統(tǒng)的設(shè)備配置有冗余要求外，還對其控制功能也有冗余要求。推進(jìn)控制系統(tǒng)如圖3。

圖2 配電系統(tǒng)圖

圖3 推進(jìn)控制系統(tǒng)

推進(jìn)設(shè)備包括：2 臺5250kW推進(jìn)電機，4臺3300kVA推進(jìn)變壓器，2臺7000kVA ACS6000變頻器，2臺PCU推進(jìn)控制裝置，2臺剎車電阻器。其控制分為左、右推進(jìn)器控制。本船在橋樓前主控制臺、橋樓后貨控臺、兩翼控制臺分別設(shè)有推進(jìn)控制操作站。每個推進(jìn)操作站各自獨立，可以分別進(jìn)行左、右推進(jìn)器控制，也可以左、右同步控制。而且對左、右推進(jìn)控制信號的采集，以及相關(guān)電纜/光纖都是分別從船舶的左右2舷走向控制點，最大程度上保證了2邊控制的獨立性。

除了遙控推進(jìn)操作站，在推進(jìn)機艙內(nèi)的變頻器控制器上也可以對推進(jìn)馬達(dá)進(jìn)行應(yīng)急本地控制。操舵控制也一樣，雖然自動舵只有1臺，但是通過命令的轉(zhuǎn)換，卻可以實現(xiàn)對左、右舵機的聯(lián)調(diào)和分別控制，左、右舵機艙內(nèi)也分別設(shè)有對各自舵機的應(yīng)急控制。

1.2.3 故障模式影響分析報告（FMEA）

根據(jù)RPS入級要求，需要對本船所有相關(guān)系統(tǒng)提出故障模式影響分析報告，通過分析系統(tǒng)中所有部件出現(xiàn)單點故障所造成的后果和影響，來判斷系統(tǒng)的配置和保護(hù)是否能滿足RPS的要求。確保找出任何可能影響系統(tǒng)可用性和可靠性的因素，并通過合理設(shè)計加以規(guī)避。

1.3 甲板貨物供電

由于本船裝載貨物的特殊性——為大型鋼結(jié)構(gòu)件、海上鉆井平臺、無動力艦艇以及可移動海上建筑等高價值特種貨物，而且有的貨物，其本身價值就可能超過了半潛船的價格，因此在保證船舶航行的安全可靠性的同時，給貨物提供電力保障也是必要的。

為此，本船專門設(shè)置了 1臺 1210kVA（968kW），AC450V，60Hz，3PH發(fā)電機為貨物供電。這臺發(fā)電機通過設(shè)在低壓配電板的貨物饋電屏專門為貨物供電，這是一條獨立的供電線路，與半潛船的主電網(wǎng)是脫開的，沒有任何聯(lián)系，不會互相影響。

另外，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，對全船的電力負(fù)荷進(jìn)行平衡。根據(jù)配置2臺2200kVA，6.6/0.45kV配電變壓器使用情況，在正常航行工況下，如果貨物需要的功率在 600kW 以下，則可以通過主電網(wǎng)變壓來的AC450V配電板提供貨物必須的電源。在貨物需要的功率大于600kW時，使用968kW發(fā)電機單獨向貨物供電，以節(jié)約柴油消耗。

在停泊工況時，由于中壓發(fā)電機不運行，可將968kW的發(fā)電機用作停泊發(fā)電機，向船舶的450V配電板供電，提供船舶停泊時的正常供電。而此時也可以利用450V配電板上專門的貨物供電開關(guān)向貨物供電，但考慮發(fā)電機容量，此時限制貨物功率在300kW以內(nèi)。

另外，貨物、船舶450V配電板、貨物/停泊發(fā)電機之間的幾個開關(guān)設(shè)有連鎖功能，以保證各個供電主開關(guān)間的正常使用，以及對貨物供電和操作人員的安全。

1.4 綜合監(jiān)測報警控制系統(tǒng)

綜合監(jiān)測報警控制系統(tǒng)（IACMS）見圖4。采集報警和控制點近5000個，40幅MIMIC圖（系統(tǒng)模擬圖），包括電力推進(jìn)設(shè)備控制與報警、362個遙控閥的控制、338點液位顯示及設(shè)備的報警信號。采用KONGSBERG的K-Chief 700系統(tǒng)，光纖連接，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖4 綜合監(jiān)測報警控制系統(tǒng)

另外設(shè)有自動電站管理裝置，按負(fù)荷大小能自動起動解列發(fā)電機組，自動并車和負(fù)載分配。在航行工況中，當(dāng)電站并聯(lián)機組發(fā)生故障時，該裝置能卸下次要負(fù)載，以確保航行設(shè)備安全用電，提高了電網(wǎng)供電可靠性。

全船共配置7個自動化操作站（橋樓主控臺1個，貨控臺2個，集控室2個，低壓配電間2個），所有的數(shù)據(jù)都通過全船（推進(jìn)機艙、配電間、機艙和左右通道內(nèi)）的信號采集箱收集并處理后，在所有的操作站終端 MIMIC圖上通過點擊鼠標(biāo)，實現(xiàn)諸如電站自動化，機艙監(jiān)測報警，液位監(jiān)測和裝卸貨下潛上浮期間的排壓載這些控制和監(jiān)測功能。而上述7個操作站都能根據(jù)各自的權(quán)限，實現(xiàn)上面的所有功能，真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)備份，控制功能備份。

另外還配置15個局域網(wǎng)計算機接口，進(jìn)行全船自動化管理。該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了全船的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化。

此外，全船還配有輪機員安全報警系統(tǒng)和延伸報警系統(tǒng)。

1.5 其他系統(tǒng)

1.5.1 航行燈

特種工作船從中部到尾部都是開敞的平坦甲板，根據(jù)1972年海上防碰撞規(guī)則附件I第3a條，對桅頂燈的縱向距離的要求難以滿足；另外尾燈布置在浮箱上，不能滿足船中線布置要求，這都需要申請掛旗國的豁免。

1.5.2 通信導(dǎo)航系統(tǒng)

內(nèi)部通信系統(tǒng)設(shè)備按照常規(guī)貨船進(jìn)行配置，導(dǎo)航設(shè)備配置較常規(guī)貨船要高，共配置了2套電羅經(jīng)，2套GPS（全球定位系統(tǒng)）衛(wèi)星導(dǎo)航儀，2套電子海圖（1套作為計劃站，1套作為綜合信息顯示系統(tǒng)），2套衛(wèi)通C站，2套衛(wèi)通F站，3套回轉(zhuǎn)速率指示器。

1.5.3 閉路監(jiān)視系統(tǒng)

配置了15臺攝像機和1臺可移動攝像機，可以在貨控臺和集控臺對全船情況進(jìn)行監(jiān)控。

1.5.4 水密門指示系統(tǒng)

由于本船將下潛26m，整個主甲板在下潛時都將淹沒在水中，這樣對于全船的水密門的開關(guān)狀態(tài)需要嚴(yán)格監(jiān)控，全船共配有 15個水密門，均可以在就地和駕駛室進(jìn)行控制和操作。

2 結(jié) 語

由于 50000t半潛船面對的是高端貨物市場，DNV的RPS附加標(biāo)志使船舶的航行安全上有了跨越性的提高，同時也對各相關(guān)系統(tǒng)在設(shè)計廣度與深度上提出了更高的要求，并積累了這類船舶的寶貴設(shè)計經(jīng)驗，能為今后承接同類型的高附加值船舶設(shè)計提供參考。

[1] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2006[S].

[2] Det Norske Veritas.Rules for Classification of Ships[S].