海洋工程船舶電氣系統和設備的現狀及展望

吳斐文

（中國船舶工業集團公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

我國海洋工程船舶（簡稱海工船）在過去10年中已形成了一個良好的開局，4 000 t全回轉起重船“華天龍”號和30萬噸浮式生產儲油輪“海洋石油117”號的建造可視為一個新的起點。這既是用戶對海洋工程市場寄以巨大期望而開發的具有現代高新技術的海工船，也是造船工業深化科技體制改革、加大自主創新能力投入產生的結果。

以開發海洋油氣資源為主要目標任務的海洋工程裝備，是我國船舶工業新的亮點，已列入國務院振興船舶工業發展綱要的重點發展方向。加快海洋工程裝備制造業的發展，是船舶工業結構調整的重要方向。在推進海洋工程裝備制造業發展的同時，還要著力提高我國海洋工程裝備的研發設計能力，總裝集成能力和海工配套能力。這一系列政策措施已從中央到地方各級政府、企業、事業及民營單位的規劃、計劃工作中逐步得到體現。

海洋油氣的開發是陸地石油開發的延續，經歷了一個由淺水到深海、由簡易到復雜的發展過程。1887年，在美國加利福尼亞海岸數米深的海域鉆探了世界上第一口海上探井，我國則在上世紀60年代在渤海灣拉開了海洋石油勘探的序幕。

據介紹，海洋石油資源約占全球石油資源總量的34%，而探明率只占到其30%左右，還處于早期階段。海洋油氣資源主要分布在大陸架，約占全球海洋油氣資源的60%，然后大陸坡的深水、超深水海域約占30%。水深小于500 m為淺水，大于500 m為深海，1 500 m以上為超深海。2000～2005年中，全球新增油氣探明儲量164億噸油當量，其中深海占41%，淺海占31%，陸上占28%。可見，重點已在海上深海區。油氣分布主要在波斯灣、墨西哥灣和幾內亞灣的三灣；北海及南海的兩海和黑海及馬拉開波湖的兩湖［1］。

根據各方面的信息，將目前現存的主要海洋工程船舶的數量列于表1中，提供大家一個宏觀印象來了解整個海洋工程市場的面貌，作為我們今后工作方向的參考。

表1 全球及我國主要海洋工程船舶的數量

1 海工船類型及特點

海洋工程裝備包括為海洋油氣資源開發生產提供的裝備和以海上工程作業及服務為使命的工程船舶及配套設備，范圍很廣，沒有一個權威的歸類。表2中列出了近10年中屬于國內船東（個別除外）國內建造的主要海工船的實例，特別標明了其設計情況。其中，由國外公司做基本設計的有8項，占47%；合作設計的有2項，占12%；國內獨立做的有7項，占41%。

其實，就船舶設計本身而言，并非說國內沒有能力，水平也差不到那里去，主要是船東的觀念及心理在起作用或在對作業性能無把握時的決定，一般可以理解。七○八所獨立從基本設計尤其從概念設計做起的項目較多較突出，至今仍有項目在進行。從振興綱要以及“十一五”期間安排的課題研究來看，我國對海洋工程裝備的要求（不僅對海工船）是“提升海洋工程裝備設計水平，為培育戰略性新興產業提供全面技術支撐；加大船用設備科技創新力度，大幅提升配套自主化率和本土化率等。”就是要提倡有自主知識產權的獨立自主的開發和設計，逐步擺脫依賴國外公司的局面。這是研制模式的重大改變，對提高我國海洋工程裝備的現代化具有重要意義。

從表2中還可看出，中壓電站、電力推進、動力定位是當代海工船電氣系統的主要特征，表2中的17項船型采用中壓電站占到88%（15項），即使沒有推進的7項中（其中1項是柴油機推進），中壓電站也占到71%（5項）；采用電力推進為100%，10項需要推進的全是；采用動力定位的在電推中有7項，達70%；此外，這些海工船無一例外均為高度自動化的中央集中控制，往往通過網絡通信形式構成全船自動化系統。對電氣專業而言，中壓電力系統、電力推進系統、動力定位系統和全船自動化系統這4大系統在海工船研制中具有了舉足輕重的地位和責任。這是在常規船舶研制中很難出現的情況，也是歷史發展所賦于我們的使命，需要我們全體從業人員的不懈努力才能實現。

2 海工船的電氣系統

2.1 中壓電力系統

海工船無論是油氣勘探或生產裝置還是工程作業裝置都具有大量作業設備，是除常規船舶的機器輔助設備、保船設備和日用設備之外，獨有的不可或缺的特種設備。不僅用途各異，而且功率往往巨大，形成了一個重要的電力負荷群體。海工船的供電系統要滿足他們的不同工況下的用電負荷，在電力負荷計算中作特別考慮。而且要特別考慮他們可能特有的不同工況下的配電要求，例如多路供電或轉換供電的要求。表3列出了主要海工船特有的作業設備的規格，從中可見他們構成了一個大功率的電力系統的需求。

大功率用電負荷必須要有一個大功率電站來供電，這個大功率電站在超過10 MW以后，必然會采用中壓發電機才能組成。中壓發電機按系統短路容量估算后，一般可按所有發電機電流之和乘上8倍即可估得在不同電壓等級下的短路容量，并按表4所列極限容量來決定斷路器的分斷能力。電壓等級越高，系統功率也越大。原則上發電機單機功率盡可能大些，負荷率也可比常規低壓有所提高，一般95%也可接受。中壓發電機絕大多數采用中性點高電阻接地系統［10］。

表2 我國建造使用的主要海工船實例

大功率電力系統除了供電裝置外，還有較復雜的配電系統和配電網絡。配電系統包括配電板及匯流排的結構和型式，這個問題的進一步分析在具有DP-2/DP-3以上要求時可參閱參考文獻［11］的論述。配電網絡主要根據多路供電和轉換供電要求進行分析，這在DP-2/DP-3以上要求時更有必要。

2.2 電力推進系統

電力推進是一個既古老又具有嶄新活力的船舶推進型式。進入21世紀以來，基于對提高船舶操縱性能的需要以及對動力裝置的綜合應用的研究，船舶電力推進獲得了廣泛的關注和應用。這是由于當代船舶的使命已經從交通運輸這一狹隘的用途擴展到了國民經濟的諸多領域，海工船就是其中之一。

電力推進系統是集船舶總體布置、推進性能、機電設備配置總成的全船性的綜合系統。由于包括柴油機發電系統，交流變頻調速驅動系統和計算機自動化系統在內的船舶動力、驅動、控制設備的成熟發展，產品可選范圍極大，也促進了適合各種需要的電力推進系統的開發。

表3 主要海工船作業設備及電站規格

表4 中壓電網短路容量/MVA

電力推進系統的優點越來越得到充分的認識而被接受，海工船采用電力推進的主要理由在于需要優越的操縱性能（特別是長期低速，如表1中的“海油720”）甚至動力定位要求。在采用主推進加上首、尾側向推進以及可伸縮全回轉推力器的應用后，操縱性能獲得全方位的保證；側推及可伸縮推力器的驅動采用電動必定是最合理方便的，而此時主推進的驅動也只能采用電動才是一個具有相同機動性能的和諧的統一的系統。因此，現代的動力定位無一不是采用電力推進作為驅動裝置的系統。同時，由于海工船具有大功率的電力系統，當不進行作業而需要作船舶移位時，推進裝置完全可利用這個大功率電站作為動力。所以某些即使不需要動力定位要求的海工船，也往往配置電動主推進裝置進行低速航行或移位，表1中“蘭疆”號和“華天龍”號兩艘起重船就是這種應用。表5列出了表1中采用電推的推進裝置規格。

從表5中可看到許多有趣的現象：

（1）所用推力器類型五花八門；

（2）大部分采用FPP，少數采用CPP；甚至個別如第10項主推CPP還用變頻驅動；

（3）主推進器無論是否用于DP，采用常規尾軸式、Z推和POD的都有；

（4）最大單機功率≤5 500 kW；

（5）驅動型式多樣化，以虛擬24P最多，個別用真實24P以及循環型，沒有用6P或AFE；

（6）世界著名供應商都參與，ABB有5項，西門子3項，羅賓康與Converteam各1項；

（7）推進電動機（除 POD外）轉速最低的為750 r/min;

（8）主推進兼DP作業的理論上應具有恒動率調速性能，但并非全有。

是否能從表5這10種應用中總結一種標準的最佳的驅動形式，現在看來還不具備條件。根據目前變頻器發展來看，電壓型變頻應成主流，也有達到2～3萬千瓦大功率規格產品推出。因此過去用SCR構成的電流型變頻器或循環型變頻器近來已不大見到應用了。但是，電壓型變頻器中真實24P或多重迭加型（完美無諧波）還很少見到應用，筆者認為未來一定會出現，應用在大功率的推進系統中。隨著變頻器價格的下降，AFE會出現在中功率應用中，而6P型在小功率應用中不會消失。

表5 主要電力推進海工船的推進裝置規格

2.3 動力定位系統

動力定位（DP）技術誕生于上世紀60年代世界油氣開發快速時期，首先就用于鉆井船“尤勒卡”號。目前，其已成為一門成熟的技術，在海工船以及其他許多船上都有廣泛應用。國際海事組織IMO在1994年出版一本DP系統船舶指南（113IMO/IMO MSC circ.645）,實際上這個指南的基本思想出自于國際海事承包商協會IMCA及其前身動力定位船舶船東協會DPVOA及海上潛水承包商協會AODC的一系列指導性文件中。1991年出版的103 DPVOA以及后來IMCA M103文件就是將有關DP船舶的規則、操作程序以及良好的實踐融為了一體，并且定期審閱和更新，目前M103文件已有2007.12的修訂版。這個文件的前言、目錄、術語及縮寫詞匯編及第一章、第六章、第八章已有譯文，發表在參考文獻［12］中。IMCA組織是有關動力定位一切事宜的最權威的機構，其出版的一系列文件具有重要的指導作用和規范的意義，詳見參考文獻［13］。

DP船舶設計現在有一個誤區，船東似乎很在乎DP的設備等級，往往為入級DP-1還是DP-2或DP-3而考慮再三，而且把考慮的重點放在了DP供應商上，好像DP供應商能包辦一切。而對自己的DP船舶應適合怎樣的環境條件和應該如何進行DP操作這之間的關系考慮較少，對不同的DP設備等級與船舶的環境條件、工作狀態乃至船舶的動力配置、總體布置以至將來運行時DP操作員的能力和經驗之間非常復雜的相互影響的關系了解較少。因此，提出一個恰當的DP設備等級必須非常慎重，在113IMO文件中的2.1節指出：對一特殊操作所要求的船舶的設備等級應由船東和客戶 （一般指操作者-筆者）在位置喪失后果風險分析的基礎上認可。另外，主管機關或沿岸國家可對該特殊操作決定這些設備的等級。IMCA M103文件中指出，作為基本決定，該風險分析必須在早期進行，并在工作的各個不同階段中重作考慮。并且指出DP-2級設備和DP-3級設備的船舶之間的差別不像操作員的培訓和經驗、船上的程序、船舶的動力和推力冗余以及控制系統是那么重要。因此，筆者認為，DP船舶設計從一開始，船東必須就船舶的動力和推力冗余以及控制系統與船舶概念設計部門進行充分的溝通和分析，而不應該貿然先在設計任務書上定下某一設備等級要求更合理。

作為船舶總體設計者，在開發研制需要采用DP的新船型時，可參考圖1所示的DP船舶設計程序來進行。這是經過了多型DP船舶的開發研究后，初步摸索總結出來的一套程序和原則。這個過程主要由總體專業和電氣專業協調進行，是DP中電氣系統設計的重點內容［14］。

DP技術應用已有50余年歷史了，而形成一個市場一種規范也有近20年了，直至近期，DP也還是一個新興的產業。DP供應商主要負責控制系統及基準系統（傳感器），著名的有挪威KONGSBERG，法國 Converteam （前身 Alatom）.美國 L-3（前身Nautronix）,我國都有采用，另外芬蘭Navis也有采用。新加坡MT及加拿大AUTONAN也有推介。

圖1 動力定位船舶設計程序

目前，國內剛開始起步應用DP，對DP試驗、操作人員的培訓，鉆井領班、起重機司機、ROV操作員都需要有關DP工作的能力和限制的基本操作須知，船舶設計、驗船、管理部門都需要對IMCA的相關文件進行了解掌握，這些工作有待得到進一步的加強落實。

2.4 全船自動化系統

海工船具有工程作業的特點，并且控制采用以中央集成的形式，所以海工船的自動化系統比較完整和強大。無論是鉆井作業、油氣處理、樁腿升降、升沉作業、調載平衡、鋪管作業、布纜作業、多點錨泊定位以及動力定位所含的對所有推力器的各種操作都是全船性各種設備的綜合遙控。海工船的自動化系統遠比常規船的主機遙控復雜得多，船舶自動化進入到了一個更廣泛的領域和層次。

海工船的全船自動化系統不僅包含傳統的監測報警系統，還包括功率管理系統、壓載系統檢測控制、液位（壓力、溫度、流量）檢測控制、輔助機器設備控制，甚至裝載和穩性計算系統。并且和DP控制系統一起集成為一個無縫連接的自動化系統。在系統內各種信息自由流通，各種控制系統協調運行，提供各種次級系統按船舶操縱要求的功能集成的最佳方案。因此，可獲得一個自動化程度最高、技術通用，備件最少和較少培訓的運行系統，并且安全可靠。

一般要求全船自動化系統在所有層面上，包括操作站、通信鏈、處理器、I/O模塊和供電單元上均有冗余，并有內置的自診斷模塊（包括所有系統部件和內部通信的監測、現場電路延伸監測、獨立的I/O模塊、接地故障檢測等），在系統或現場故障事件中，用預設系統響應來達到故障安全運行。所有應用軟件可在線編輯，控制系統在安裝和運行時可能發生的新的要求容易進行調整。

自動化系統包括操作站、現場站（含系統接口，包括硬線I/O信號和串行I/O信號）、網絡分配單元（交換機）、延伸報警系統、打印機、UPS電源。自動化系統應含有趨勢分析、報告系統和歷史數據庫，用圖形顯示和過程視圖作為監測手段。

自動化系統通信一般采用屏蔽對絞電纜（STP）7類網絡線或光纜連接控制站和過程站，STP電纜一般不大于100 m,常用雙星形或環形通信組成冗余網絡［15］。

3 海工船的電氣設備

根據海工船電氣系統分析來看，海工船的電氣設備所不同于常規船舶的主要特點在于中壓電氣設備及變頻器的應用。IEC標準及各國造船規范都對中壓電氣設備有所專門的規定，IEC已出版了新的高于1 kV直至15 kV電壓等級的交流供電系統的專輯 IEC60092-503：2007，CCS2009 版規范對高壓電氣裝置的特殊要求同2006版的一樣，沒有跟上IEC的變化。另外，IEC也出版了新的電力推進裝置專輯 IEC60092-501：2007，CCS2009 版規范已有類似新要求的修訂。

中壓發電機除了同低壓一樣的要求外，特別強調重視內部短路和接地故障的保護，中壓發電機必須設滅磁保護。中壓發電機功率大，其AVR裝置也大，一般散件供應，中壓配電板內也放不下，只能獨立安裝或安裝在集控臺內。如果中壓電網中變頻器負載比例較大時，電網功率因數可能較高，發電機額定功率因數也可提高到0.85或0.9，有可能減少發電機的kVA容量，縮小機座號。中壓發電機常用風一水冷卻方式。目前，國內有引進生產的西門子1FJ4系列和利萊森瑪LS系列，上海電機廠可供應自主研制的大中型中壓發電機及中壓電動機。

中壓變壓器在海工船上大量應用，甚至中壓配電板的每條饋電電路都連接一臺中壓變壓器，包括推進移相變壓器、作業機械移相或降壓變壓器、日用負載降壓變壓器等。其中有些變壓器的容量可能很大，甚至接近或超過單臺發電機的容量。因此，大容量變壓器接通時的沖擊電流會造成發電機過流脫扣或過大的電壓跌落，一般用預充磁的方式來降低其沖擊電流。低壓預充磁變壓器可設置在中壓變壓器箱內集成一體。變頻用移相變壓器一般為三繞組形式，常用△/△+Y接線。日用負載降壓變壓器有時容量也較大，低壓側電流將很大，一般采用△/△接線，則低壓繞組制造較方便。降壓變壓器不能用Y/Y接成，在發生接地故障時會有三次諧波電流流過影響溫升。中壓變壓器也常用風一水冷卻方式。目前，國內泰州海田和江蘇中電都能供應風一水冷中壓變壓器，與ABB、西門子供應進口的TRASFOR相當。

中壓配電板與低壓配電板有著天壤之別，它是以分割封閉的結構組成斷路器室、母線室、電纜室和低壓室而構成標準的每屏結構。每屏只裝一臺斷路器饋電一個用戶，常用真空斷路器，另有SF6斷路器，小功率饋電也有真空接觸器+熔斷器式。斷路器和接觸器都不帶保護裝置，另配多功能保護繼電器進行保護脫扣。中壓配電板的控制及操作均為直流電源，需另配24 V或110 V UPS。中壓配電板對安全要求特別高，靠部件的結構本身及相互的聯鎖來保證，不會讓人接觸到高電壓部件。中壓配電板按電壓等級有7.2 kV、12 kV、17.5 kV等幾種最高使用電壓規格，按電流等級有 630 A、1 250 A、2 500 A、4 000 A等幾種，分斷能力有 25 kA、31.5 kA、40 kA、50 kA 等幾種。工頻耐壓標準在我國執行兩種標準，一種是IEC71.1-1993，另一種是GB311.1-1997，后者比前者高，以 6 kV等級為例，IEC為 20 kV，GB為 30 kV；10 kV等級，IEC為28 kV，GB為42 kV。目前，國內有引進生產的西門子NXAIR系列和ABBZS1系列中壓配電板。

控制設備主要采用變頻器及軟起動器。變頻器目前均采用交-直-交電壓型結構的形式，以二極管整流+逆變器構成。而以有源前端AFE+逆變器具有無諧波及功率因數可達1的變頻器因價格較高而應用較少，但前景似可看好。另外以大功率二極管整流+多臺逆變器構成的多傳動變頻器因適用于同類型非同時工作的設備而獲得較多應用，如起重機、定位錨絞車等。二極管整流是一種非線性元件，因此輸入電流中會產生諧波電流，引起電源（發電機）內阻抗生成相應的諧波電壓，惡化電網電能質量。為了改善電網質量，需采用多脈波整流，一般有12脈波、24脈波等，增設移相變壓器來實現。目前，國內有引進生產的ABB的ACS800系列，西門子的S120系列，偉肯的NX系列，均為低壓風冷，而現在船上常用的低壓水冷均需進口。另外，船上也常用的中壓水冷的如ABB的ACS6000系列，西門子的GM150系列，Converteam的MV7000系列 （另有低壓MV3000系列）則需進口。軟起動器是以晶閘管組成的無觸點交流起動器，一般以升壓法、恒壓法、限流法來控制電動機的最大起動電流并自動進行加速，起動結束可用接觸器短接或不短接。目前，國內有引進生產的施耐德的ATS48系列，西門子的3RW34系列等，均為低壓。另外，在中壓等級上船上常用進口的以色列SOLCON的HRVS-DN系列。

4 展 望

前期有兩則海洋工程方面的重大新聞，一則是中國交通建設總公司出資1.25億美元收購美國的FRIEDE&GOLDMAN公司，F＆G是國際著名的海洋工程設計和項目管理公司，表2中有4艘平臺和船皆由他們作基本設計；另一則是大連中遠船務公司開工承建第一艘DP3鉆井船“大連開拓者”號，不過遺憾的是該船是出口的，而非中國船東。包括2010年3月，南通中遠船務公司交付了世界上首座圓筒型鉆探儲油平臺“Sevan Driller”號（SPAR）在內。這些新聞說明了海洋工程是如此之熱，把屬于交通部業務范疇的單位都吸引到了第一線，我們集團公司的人應該感到重大的壓力和責任而更加有所作為。

從“十一五”開始，工信部、科技部已就海洋工程方面立項很多課題研究，包括鉆井船、半潛平臺、自升平臺、物探船、半潛船、起重/鋪管船、動力定位、深水應急支持船及3萬方耙吸挖泥船等，目的在前面第1節中已經挑明了。目前，船舶總體設計各專業的系統設計工作沒有特別難點，僅個別特種設備或系統的設計或選型情況較復雜。有的可依靠國內相關工業和研究部門協助完成，如鉆井機械已可提供系統配置及設備；有的只能提供系統分析，設備則需進口，如鋪管張緊器；有的可能全需由國外公司提供系統配置及設備如J型鋪管系統；有的可能只能提供初級的系統和設備，高級的系統和設備則需進口，如DP系統。船舶建造能力方面情況更好些，上述3個事例已證明了這一點。而從使用方面，特別是DP－2還是DP－3船舶，必須達到IMCA所要求的操作以及管理水平，對我國海洋工程船舶船東及船員都是一個極大的考驗。

對于海工船電氣系統和電氣設備，前面第2，第3節已詳細分析了，有些系統還未設計過，有些設備只能進口。這需要我國的機電工業部門提供技術支撐，加大船用設備科技創新力度，大幅提升配套自主化率和本土化率，加強基礎技術和技術標準的研究，實施重大創新項目，共同為海洋工程裝備這個國家戰略新興產業的發展而努力。

［1］世界海洋工程資訊［Z］.2010年第16周.9.

［2］秦琦.世界鉆井船市場發展現狀［J］.船舶，2009（6）：8-12.

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［4］船舶與近海工程技術經濟信息快報［Z］.七○八研究所，2009年第10期.2.

［5］世界海洋工程資訊［Z］.上海蘭馬克海洋工程裝備股權投資基金，挪威戈朗海洋工程集團 （上海），2010年第30周.6-7.

［6］汪張棠，趙建亭.自升式鉆井平臺在我國海洋油氣勘探開發中的應用和發展［J］.船舶，2008（1）：10-15.

［7］船舶與近海工程技術經濟信息快報［Z］.七○八研究所，2009年第14期.1.

［8］我國浮式生產儲油裝置技術的發展現狀［J］.上海造船，2009（2）：48-52.

［9］大型起重鋪管船及工程船舶的研發.船型開發專集［C］.上海：七○八研究所.2010.

［10］徐丹錚，繆燕華，吳斐文.大功率電力系統船舶的電氣設計（上）［J］.船舶，2009（5）：31-37.

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［12］吳斐文譯.動力定位船舶的設計和操作指南（節譯）［C］.“大型起重/鋪管船及工程船舶的研制”船型開發專集.上海：七○八所，2010：490-511.

［13］吳斐文.關于動力定位國際組織和標準綜述［J］.上海造船，2010（2）:69-71.

［14］繆燕華，吳斐文.動力定位工程船設計技術研究［J］.上海造船，2010（1）：46－50.

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