DP3鉆井船UPS系統設計分析

郭 金, 邱 錦，曾國詠

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

DP3鉆井船UPS系統設計分析

郭 金, 邱 錦，曾國詠

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

針對DP3鉆井船對UPS系統的具體要求，依據相應的規范和標準要求，從UPS的容量計算、DP3要求的布置、UPS蓄電池容量計算和UPS蓄電池氫氣釋放計算等方面進行了闡述，歸納總結了UPS系統設計的基本方法和特點，給出了一套針對DP3鉆井船UPS系統的設計方法。

DP3；鉆井船；UPS；蓄電池；氫氣釋放量

0 引言

不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）由變流器、開關和儲能裝置（如蓄電池）組合構成。在輸入電源發生故障時，用以維持負載供連續性的電源設備。它能為鉆井船負載提供持續性的、不間斷的電源供給，保證鉆井船的部分重要負載能在全船失電后繼續工作，為鉆井船的安全帶來足夠的保障。其負載包括：IAS系統、F&G系統、ESD系統、PAGA系統、鉆井系統、BOP系統和主電力系統的控制電源等。UPS是鉆井船電力系統中極其重要的一部分，因此針對UPS的設計必須嚴格遵守DP劃分和冗余原則進行系統設計。

1 DP3鉆井船UPS系統的基本要求

UPS通常分為后備式、互動式和在線式。主要由變壓器、整流器、逆變器、靜態開關和蓄電池等組成。在目前海洋工程和船舶設計過程中，以后備式UPS設計為主，其正常運行時負載由旁路（未經處理的主電源）供電，當旁路供電發生故障或輸入電源超出預設限值時，負載轉移至由逆變器供電。

由于DP3鉆井船設計時需要考慮DP3的相關要求：在出現任一故障（包括一個艙室或幾個艙室的損失）后，可在規定的環境條件下，在規定的作業范圍內自動保持船舶的位置和艏向。所以DP3鉆井船的 UPS系統在保證為全船設備提供足夠容量的同時，也必須嚴格按照此要求進行設計與布局，UPS布置過程中須保證每一類型UPS安裝在A60分隔的房間中，以保證在出現單一故障情況下能夠

為主電力系統和重要控制設備提供足夠的電力支持。

2 DP3鉆井船UPS的系統設計

DP3鉆井船的推進器布局如圖1所示。總共六臺推進器，整個電力系統依推進器的配置分為三組。UPS的系統設計緊密依靠此三組電力系統分隔進行分散式設計。

圖1 DP3鉆井船的推進器布局

2.1 UPS設計方法

關于UPS設計方法，每種不同的船型存在多種體系，其中主要包括整合式設計和分散式設計。供電時間為30 min。

1）整合式設計是指將全船UPS整體分為兩套：UPS A系統和UPS B系統，兩套互為備用，全船所有需要UPS供電的負載按其主次關系分別接入A或B系統；

2）分散式設計是指在減小主UPS容量的基礎上，按全船UPS所工作的屬性不同進行分類，并將其分散至全船不同的服務處所。

兩者的優缺點在于，整合式設計方便集中控制與操作，但不利于電纜走向和設備布置，一旦UPS A或UPS B系統出現問題，會導致全船大面積設備故障，從而增加FMEA分析[1,2]難度；分散式設計采用就近原則，將UPS直接或就近安裝在所服務的處所，利于電纜走線和設備布置，單個UPS故障不會影響其他設備，有利于FMEA分析。但因為其分散布置特性，不利于集中操作控制與操作。

2.2 DP3鉆井船UPS設計分類

DP3鉆井船UPS采用分散式設計，其UPS分類如下：

1）220 V主UPS A和UPS B，如表1所示。

其供電負載主要包括火氣系統、應急切斷系統和消防系統等需要在棄船后依然需要工作 30 min的設備。

表1 220 V主UPS A和UPS B

2）220 V推進器UPS，如表2所示。其供電負載主要包括推進器VFD的控制電源、推進器VFD變壓器的繞組指示、推進器就地儀表箱和推進器控制單元等。

表2 220 V推進器UPS

3）220 V機艙UPS，如表3所示。其供電負載主要包括主機控制單元、PMS的就地儀表箱、輔助變壓器的繞組指示和艉部的網絡開關供電等。

表3 220 V機艙UPS

4）220 V DP（動力定位）UPS和VMS（中央控制系統）UPS，如表4所示。DP UPS和VMS UPS供電負載主要包括DP和VMS系統的相關設備。

表4 220 V DP（動力定位）UPS和VMS（中央控制系統）UPS

5）DC 110 V/DC 24 V UPS，如表5所示。

其供電負載主要包括11 kV高壓配電板的真空開關控制、相關保護繼電器和主機控制單元輔助電源、主機自動調壓裝置等。

表5 DC 110 V/DC 24 V UPS

整個DP3鉆井船UPS還包括其他鉆井UPS、BOP UPS、PAGA UPS，其設計與布局和上述UPS類似，只是各自供電負載和放電時間不一樣，如BOP UPS要求保證2小時放電。

3 DP3鉆井船UPS和蓄電池容量的計算

3.1 UPS容量計算

UPS容量計算是依據UPS系統的負荷計算書，對UPS容量進行分工況下的估算。在UPS系統的負荷計算書中，按不同工況下的負荷系統數，計算UPS供電設備的消耗功率，最后將需要UPS系統供電的用電設備的額定功率進行求和，最終依據求和的結果選擇合適容量的UPS。設計過程中必須將用電負載梳理全面，UPS容量不能過大，否則運行不經濟。

3.2 UPS蓄電池容量計算

UPS蓄電池容量計算是對UPS供電容量校核的重要指標。UPS蓄電池在選型時通常使用其額定容量，是按國家或有關部門頒布的標準，保證蓄電池在一定的放電條件下應該放出的最低限度的容量。

計算過程中依據IEEE 485-1997[3]：

1）蓄電池單極數量：

2）蓄電池最小電壓：

3）電流公式：

式中，I為放電電流；Sout為輸出功率；FPout為功率因素；η為效率；Vmin為蓄電池最小電壓。

4）蓄電池容量公式：

式中，C10為蓄電池在環境溫度25℃時，V/cell的額定安時容量；K為蓄電池容量系數（見圖2）；I為放電電流；Fe為蓄電池壽命系數，為25%。

圖2 蓄電池容量系數K

蓄電池容量計算舉例：以某DP3鉆井船60 kVA UPS，放電時間為30 min為例。

系統負載最小電壓為±210 V，電池為1.75 V/cell，計算出蓄電池單極數量為120 cell，將數值代入公式，得到蓄電池最小電壓為420 VDC；

功率因素為 0.8，效率為 95.5%，輸出功率Sout=60 kVA，代入電流公式計算得I=119.7 A。

故按10 h放電率標準選用蓄電池時，由圖2可知，K=1。代入蓄電池容量公式得：C10=119.7 Ah。

故該DP3鉆井船選用155 Ah/10h蓄電池，包含20組155 Ah蓄電池給正極和中性點，以及20組155 Ah蓄電池給負極和中性點。

4 DP3鉆井船UPS蓄電池的氫氣釋放量計算

UPS蓄電池氫氣釋放量計算是依據 ABS MODU規范4-3-3/3.7.2的相關章節[4]要求，對UPS蓄電池的布置要求進行相關驗證的重要理論依據。

目前海洋工程和船舶均采用閥控型鉛酸蓄電池

或密封型鉛酸蓄電池，與傳統的鉛酸型蓄電池相比，這兩者都屬于低氫釋放型蓄電池，即在使用過程中可以免維護，不用添加電解液，充電過程中只會產生極少量的氫氣到環境中，不會影響到其他電氣設備或人員的安全。

在ABS MODU規范的定義中，低氫釋放型蓄電池的充電機功率達到大型（充電功率大于2 kW）或中型（充電功率在0.2 kW～2 kW之間）的蓄電池可作為中型或小型蓄電池的要求進行布置和安裝[4]。

氫氣釋放量計算依據是以充電功率0.2 kW的普通鉛酸蓄電池每天的氫氣釋放量為標準，與閥控型或密封型蓄電池正常充電時氫氣釋放量進行對比，其氫氣釋放量數值必須小于0.2 kW普通鉛酸蓄電池的釋放量。

4.1 氫氣釋放量計算公式

氫氣釋放量=0.25(ml)×天×蓄電池容量(Ah)×蓄電池總數量

4.2 氫氣釋放量計算舉例

以某DP3鉆井船7 kVA UPS，蓄電池容量為50 Ah，蓄電池總數量為96個的閥控鉛酸蓄電池為例。

氫氣釋放量=0.25(ml)×1×50(Ah)×96=1 200 ml/d，或1.2 l/d。而充電功率為0.2 kW的鉛酸蓄電池=200 W/135 V=1.5 A/h。氫氣釋放量=0.458 (ml)×1×1.5×120 =82.44 L/h×24=1 978 L/d。

綜上計算，可以對比得出閥控鉛酸型或密封型蓄電池氫氣釋放量比普通鉛酸蓄電池低1 500倍多，證明其滿足ABS規范相關技術要求，可以將此蓄電池布置在常規電氣設備間的蓄電池柜中，而不需要進行隔離布置。

5 結論

本文通過對DP3鉆井船UPS系統的研究分析，結合DP3的相關技術要求，對DP3類型鉆井船的UPS設計進行匯總整理，內容涵蓋了UPS設計方法、UPS設計分類、UPS容量計算、UPS蓄電池容量計算和UPS蓄電池氫氣釋放量計算，對DP3鉆井船的UPS系統設計做了全面剖析和設計說明，為同類型海洋工程項目UPS系統設計提供了參考依據。

[1]IMO.IMO Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning[S].1994.

[2]IMCA M178 FMEA Management Guide[S].2005.

[3]IEEE Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stationary Applications[S].2003.

[4]ABS.ABS Rules For Building And Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[5]ABS.ABS Rules For Building And Classing Steel Vessels[S].2014.

[6]中國船級社.鋼質海船入級規范[S].2014.

[7]海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計指南 第三冊 海洋石油工程電氣、儀控、通信設計[M].北京: 石油工業出版社, 2007.

[8]中國船舶工業集團公司.船舶設計手實用手冊 電氣分冊[M].北京: 國防工業出版社, 2013.

CCS發布《極地船舶指南》

極地水域地理位置獨特，環境條件特殊，船舶在極地水域航行時，因冰和/或寒冷氣候，以及其他不可低估的條件，存在附加風險，降低船舶的安全，比如船—冰碰撞影響船體結構強度，寒冷氣候可能導致船舶穩性減弱、引起管路冰凍、航行設備失效和船員執行力下降等。

CCS已頒布了船舶冰區加強和船舶防寒的規范要求，構成完整的船舶規范體系。本次《極地船舶指南》旨在為實施CCS冰級規范和防寒規范、IMO《國際極地水域操作船舶規則》提供技術指導，保障極地航行船舶安全。主要內容包括：檢驗與發證；船體結構與設備；船舶穩性；機電設備；安全設備；極地水域操作。

CCS官網上該規范的參考內容，最終版本以CCS正式出版物為準。

（來源：中國船級社）

UPS System Design Analysis of DP3 Drilling Ship

Guo Jin, Qiu Jin, Zeng Guo-yong
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

For the specific requirements of the UPS system of DP3 drilling ship, according to the requirements of relevant rules and standards, the paper introduces the aspects of the UPS capacity calculation, DP3 required arrangement, UPS battery capacity calculation and UPS battery hydrogen release calculation and so on.It summarizes the basic design method and characteristics of the UPS system in order to give a set of design method of UPS system for DP3 drilling ship.

DP3 (dynamic positioning class 3); drilling ship; UPS; battery; hydrogen release volume

U665.12

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.014

郭金（1986—）男，助理工程師，研究方向：海洋工程電力系統設計與研究。