萬噸級溢油回收船電力系統方案設計和仿真研究

邵 赟，胡 舜，李進科

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萬噸級溢油回收船電力系統方案設計和仿真研究

邵 赟，胡 舜，李進科

（武漢武船船舶設計有限公司，武漢 430060）

溢油回收船是應對海上溢油污染事故的專用船舶。近年來隨著海上石油運輸愈發頻繁和潛在溢油隱患提高，溢油回收船成為人們關注和研究的熱點。本文針對萬噸級溢油回收船電力系統的方案設計，分別論證中、低壓和直流三種方案，建議采用低壓交流電力系統并建立仿真模型驗證方案可行性。

溢油回收船 電力推進系統 方案設計

0 引言

隨著工業的迅猛發展，世界各國對化石燃料石油的依賴越來越嚴重，海上石油運輸、海上石油鉆探也變得愈發頻繁。目前，全球范圍內每年貨運油輪的總運輸量已將近20億噸，遍布全球100多個國家，然而一旦發生事故，潛在的石油污染范圍和程度也日漸嚴重。因此，集海上溢油回收、消防、救生等功能的溢油回收船的研發和應用迫在眉睫，該船既能單獨海上作業又能多船聯合組成大型掃描系統以應對大面積海上溢油事故。現依據《國家發展改革委辦公廳關于2015海洋工程裝備研發及產業化項目的復函》相關內容開展“萬噸級多功能溢油回收船設計建造技術研發及產業化”項目研究，論證溢油回收船電力推進系統的參數設計和可行性方案研究。

1 電力推進技術發展現狀

自20世紀后期隨著功率電子器件制造技術和自控技術的飛躍發展，電力推進系統隨著有效功率等級的不斷提高正逐漸應用于各類商用船舶。電力推進系統結構上從燃氣輪機、柴油機或核動力等其他單機配置到多種原動機混合配置；功率等級從百千瓦級到數十兆瓦級；推進方式也多種多樣，如游輪上多采用的吊艙式推進；另外，PWM和Cyclo以及Syncyclo等新控制技術的應用也提高了推進電機控制的精確度和可靠性。目前，世界各國船舶電力推進系統的發展趨勢和研究重點正圍繞綜合全電力推進技術展開，包括發電、輸電、配電、電能變換以及推進和電力拖動等內容，綜合電力推進系統是船舶動力和船舶電力的有效綜合，而非簡單地組合。

電力推進系統的核心之一是船舶電站，其電壓等級的選擇會直接或間接地從各方面影響電力系統的結構和運行，如系統工作電流和短路電流，系統的建設和維護費用、電能質量以及輸電能力等。在保證符合電網的各種技術條件的前提下，電壓等級必須滿足負荷要求并能使得輸配電設備容量得到較高利用率。當前，國內外的船舶電力系統電壓等級主要集中在中、低壓，低壓系統一般采用230 V、400 V /450V、690 V等，中壓統一電制通常為3~6 kV或者11 kV。當電站容量設計大約在8~10 MW時，可以根據具體使用經驗和習慣選用低壓交流電力系統（690 V交流電力系統）或者中壓交流電力系統（如3 kV或6 kV交流電力系統）；從經濟性的角度講可以優先考慮低壓交流配電方案。此外，由于直流電網輸送容量大、損耗小、諧波失真問題較少以及其他優點正逐漸成為研究熱點之一。現針對該船的具體要求，從組成、經濟性和關鍵技術等方面分析論證三種方案的可行性與最優方案。

2 電力推進系統方案

2.1 系統組成

溢油回收船電力推進系統實現全船的供電、推進、控制及監測報警功能，根據功能劃分為7個分系統：供配電系統、主推進電力驅動系統、艏側推電力驅動系統、消防泵驅動系統、推進器系統、自動化系統以及動力定位系統。供配電系統主要為全船提供電源，分配電能并為電站和用電負荷提供必要的保護，其主要包括：2600 kW主發電機組4臺，400 kW停泊發電機組1臺，150 kW應急發電機組1臺，日用變壓器2臺，主配電板1套，400 V應急配電板1套。主推進系統為船舶航行提供主推進動力，其組成主要包括：主推進移相變壓器2臺、主推進變頻器2套、主推進電動機2臺及主推進控制系統1套（內含主推進遙控組件1套和就地控制箱2臺）。艏側推系統為船舶航行提供側向推進動力，艏側推系統和主推進系統配合可完成船舶的進出港、DP、航行等工況，其組成主要包括：艏側推移相變壓器2臺、艏側推變頻器2套、艏側推電動機2臺及艏側推控制系統1套（內含艏側推遙控組件1套和就地控制箱2臺）。消防泵驅動系統主要包括：消防泵變頻器2臺，消防泵電機2臺。推進器系統主要包括：全回轉舵槳2套，槽道式側向推進器2套。自動化系統主要包括：電站功率管理系統（PMS）1套，機艙檢測報警系統1套、UPS系統1套。電力推進系統構成示意圖如圖1所示。

圖1 電力推進系統組成圖

根據中、低壓交流和低壓直流系統的電壓等級和性質不同，其具體系統組成設備及參數對比如表1所示。中壓發電機組的額定輸出電壓為6.6 kV，另需配置接地電阻，直流和低壓交流一致；配電板三者都不同：低、中壓交流使用的變壓器初次級電壓不同，直流系統只需要保存配電變壓器，與低壓交流一樣，取而代之的是直接采用逆變和整流柜連接發電機組和各負載設備，省去了移相變壓器和變頻器；三種系統采用的電機可以選用同種規格。

表1 系統組成對比表

2.2 電壓選擇和防護

2.2.1 電壓等級選擇

當電力系統中的各個元件上有電路流過時，由于期間的阻抗會導致電壓降落，進而影響負載端的電壓質量并造成功率損耗，其值可以通過下面的公式根據元件阻抗及潮流分析數據計算得出：

2.2.2 系統保護

系統保護主要體現在設備外圍的安全防護、設備本身的絕緣耐壓保護、短路電流保護和其他故障保護。其中，中高壓發電機需考慮較高的絕緣要求，成本控制、人員和設備安全等，船舶中高壓電力系統需要采用發電機中性點接地保護。接地方式的選擇必須綜合考慮供電的安全性、連續性和可靠性；配電網和線路結構；過電壓保護和絕緣保護；繼電保護構成和跳閘方式等等技術條件。

在短路電路保護中，低壓交流系統在電站容量較大的情況下所需要考慮的核心問題就是短路電路過大，對用于短路保護的斷路器提出較高要求。而中壓系統除了具備與低壓系統相同的短路、過載、欠壓等保護外，系統還需要添加縱差、零序、零序縱差等保護，大大增加了系統的復雜性。直流電網由于與交流電網的顯著區別，在船舶電網原理框架和設計也明顯不同，其中最主要的挑戰莫過于如何采用類似交流配電的方式，實現全選擇性和設備保護。從技術層面上分析，交流電流每半個周期跨越零點，因此較易切斷，而依據傳統理念，選擇性保護是經由各級斷路器的保護脫扣器相互協調配合來實現的。然而，對比交流斷路器，切斷直流面臨的滅弧問題需要的技術要求更加復雜。

2.2.3 技術成熟度和經濟風險

當船舶電力系統具有超大功率用電負荷時，采用不同的電壓等級將會極大的影響其經濟性。一般情況下，由于低壓系統的技術已很成熟且可選種類較多，價格成本較低廉，而國內船用中壓配電系統技術起步晚，早期因無成熟的產品，整個船用中壓配電設備市場被國外成套設備占領，如Schneider、ABB和SIEMENS等廠家，采用出口、獨資和合資形式占領中國市場。針對萬噸級溢油船設備國產化的要求，國內中壓設備制造商雖然能夠滿足配置需求，但由于市場開發較晚，中壓配電系統技術和設備制造技術較之不太成熟，缺乏經驗，這樣會加大建造和維護成本。直流電站系統目前國內更是處于試研階段，實際運用和維護階段可能面臨很多潛在問題，綜合考慮一次建造費用和需要考慮的風險費用可能較高。除此之外，還需考慮實際的操作人員的資質問題，中壓和直流系統由于應用普及較少且安全要求較高，需要單獨對操作人員進行培訓獲得操作資格。

3 仿真分析

3.1 短路電流和選擇性保護

考慮到本船實際最大工況下的電站容量小于10MW，從技術成熟度、經濟方面以及其他方面的考慮，優先選擇低壓交流電力系統?，F根據相關性能要求對全船建模仿真，驗證方案的可行性。該船低壓交流電力系統單線圖如圖2所示。

根據船舶電力系統過電流選擇性保護指南的要求，船舶電網需要滿足過載選擇性保護和斷路選擇性保護。其中，過載保護其上、下級的過電流脫扣器額定電流之比要大于1.6；短路電流保護需要根據時間原則實現各上下級間的選擇性，主要分為主發電機之間及其與以下各級，主匯流排與應急匯流排及其下一級，電力和照明變壓器初級與照明匯流排之間，主（或應急）照明匯流排與其下一級，應急發電機與其下一級等。

通過CCS的COMPASS-RULE2010軟件和相關設備參數計算得出在4臺機組在網時，各主要短路點的最大短路電流，并選擇合適的斷路器型號，其短路分段能力、接通能力和額定電流值均大于計算出的短路電流值，如表2所示。在Etap12.6中建模并對各級斷路器的參數進行設定和分級仿真，驗證能夠實現電流和時間的完全選擇性保護或部分選擇性保護原則。

表2 短路保護電流和斷路器選型表

3.2 諧波計算

根據設計院提供的工況數據，并且增加了單軸推進工況，在ETAP12.6中進行仿真算出結果如表3所示，在各個主要工況運行下，電力系統各級母線諧波含量均不大于國家標準規定的5%諧波含量。

表3 諧波含量表

4 結論

本文結合萬噸級溢油回收船實際需求，從技術、經濟和維護等多方面分析比較當前船舶應用中熱門的低、中壓交流和直流三種電力系統方案存在的優缺點，初步判定低壓交流方案較好。并建立本船的仿真模型，根據具體技術要求分析系統短路電流和選擇符合選擇性保護的斷路器，對多種工況下的諧波進行計算分析，均能滿足CCS要求，驗證了方案的可行性。

[1] 付立軍，劉魯鋒. 我國艦船中壓直流綜合電力系統研究進展[J]. 中國艦船研究, 2016, 11（1）: 72-79.

[2] 沈愛弟, 黃學武. 現代船舶電力推進中的幾項關鍵技術[J]. 航海技術, 2004, 1: 44-45.

[3] 張偉, 陳輝. 面試21世紀的船舶電力推進技術[J]. 交通科技, 2003, (2): 48-50.

[4] 肖楊婷, 趙躍平, 曹爽. 國內外綜合電力系統技術研究動態[J]. 2010, 32(8): 24-29.

[5] 馬偉明. 艦船動力發展的方向. 綜合電力系統[J]. 海軍工程大學學報, 2002, (12): 1-5.

Scheme and Simulation of Power System for Oil Spill Recovery Vessel

Shao Yun, Hu Shun, Li Jinke

（Wuhan Shipbuilding Design Co., Ltd, Wuhan 430060, China）

U664.91

1003-4862（2017）06-0073-04

2017-03-31

邵赟（1976-），女，工程師。研究方向：電氣工程。E-mail: su800gar@sina.com