70 m多用途動力定位船電力系統優化設計

王小林，秦 輝，李美玲

（1. 廣新海事重工股份有限公司，中山 528437；2. 廣州順海造船有限公司，廣州 511440）

1 引言

多用途海洋工程船，由于其工況特殊，主機馬力通常配置比較大，遠遠超出正常航行所需要的功率，使得主機的使用率在正常航行中只有50%～60%，并且不能滿足MARPOL對船舶CO2排放及IMO國際海事組織對船舶的排放要求。因此，為了降低油耗，根據負載的實際運行狀況合理使用軸帶發電機、提高電能的使用效率、設計出合理科學的電力系統，成為船舶設計中一個非常重要的任務。

在船舶實際運用中，軸帶發電機和柴油發電機很難做到長時間的并聯運行，目前大多數是短時并聯運行。如果要做長時間的并聯運行，必須加變頻器作為頻率的補償，其價格比較昂貴，增加建造成本。本文以70 m多用途動力定位船為例，介紹采用優化的電力設計方法，在不增加變頻器情況下，軸帶發電機和柴油發電機長時間并聯運行的電力系統。

2 電力系統單線圖分析

由于海洋輔助工程船的船型主尺度普遍較小、功能塊較多等特點，為實現項目的二級動力定位能力，我們研究了船型資料以及各功能系統設備，考慮到貨物裝載時航速低、主機使用功率小，主機在完成主推進時剩余輸出功率完全可以滿足軸帶發電機帶大負荷使用。以70 m多用途動力定位船為例，在動力定位中，為防止船舶因單點故障（主機故障或其它任意故障點）而失去定位能力，本船采用了以下負荷分區配電方案：（1）通過兩臺軸帶發電機和三臺主發電機來提供電力，分BUS A、B、C、D四段匯流排設計，軸帶發電機與柴油發電機分開供電，保證在動力定位中，兩臺軸帶發電機和三臺主發電機都能長時間供電。為實現這一最低能耗的配置，我們研發出有效的電站方案，實現本產品的二級動力定位和冗余能力，獲得了第三方ABS和FMEA的認證;（2） 按照其用途將電力負荷平均的分配在不同供電的匯流排上，將貨物裝載系統（泥漿，散料，鉆進水等）和側推器都放在軸帶發電機供電的匯流排（C或D匯流排）供電;日常使用以及為主機服務的負載布置在發電機排（A或B匯流排）,負載都采用對稱平衡式布置；（3） 在DP狀態下，全部的匯流排聯接開關(TB-ACB1、 TB-ACB2、 TBACB3、 TB-ACB4)都是打開的；（4）對外消防作業中，在DP狀態下運行，利用主機帶外消防炮和軸帶發電機，可以實現定點消防。具體見圖1電力系統單線圖。

3 運行工況分析

由于本船多種工況都需要使用軸帶發電機，操作相對復雜。為了使船員操作簡便，我們在自動電站中設置了六種作業工況模式，可以在主配電板同步屏的觸摸屏直接選擇模式操作，也可以用人工手動操作。這六種工況是根據不同作業狀態的最大可能電力負荷和發電機的使用率設置的。在自動電站中，柴油發電機和軸帶發電機是采用誰先準備好誰就是第一備用，也可以在所有發電機運行狀態前設置第一或第二備用等。六種作業工況設置表和各工況電力負荷使用率見表1和表2。

表1 電站作業工況設置表

表2 各工況電力負荷使用率

4 優化后電力系統設計的優點

與通常的特種船都會將貨物裝載系統由柴油發電機排（A或B匯流排）供電相比較，上述采用的分區配電方案有以下優點：

（1）傳統的匯流排（A或B匯流排）出現故障時會導致部分日常用設備失電（如照明、供水等），甚至可能導致發電機和主機停車。但本案例出現匯流排故障時僅是某一段匯流排，比傳統的匯流排更安全可靠；

（2）對DP的冗余度來說其要求左右主推進的可調螺距螺旋槳是互為備用的、左右全回轉是互為備用的、兩個首側推是互為備用的。根據相關的規范要求，在DP模式時配電系統發生任一單點故障都不應影響其他設備的正常運作而導致無法定位。因此，本船的設計是在DP狀態下全部的匯流排聯接開關都是打開的，最大單點故障是某一主機故障導致停車，從而丟失這一主機帶的可調螺距螺旋槳和一臺軸帶發電機供電，在這軸帶發電機供電回流排失電（C排或D排）的單點故障下，會連帶的丟失某一側推，最終的結果是依靠剩下的一個全回轉可調螺距推進器和一個首側推保持定位，這時僅僅是定位能力下降，而船舶不會失去定位能力，符合DP及FMEA（故障模式分析）的要求；

（3） 由于貨物系統、產品的功能性系統及日常用電負載都分別對稱地分配在不同的匯流排上，本船在不同的作業狀態下設置了不同的電站工況，如設置了DP+FiFi模式（用于消防）、DP定位和裝卸貨模式等6種模式使發電機在最優、最節能狀態下運行；

（4）操作模式更靈活，可以根據不同的工況和負荷要求，通過主配電板上觸摸屏操作匯流排開關和發電機開關自動分/合。

5 結束語

對于海洋平臺輔助工程船，針對復雜的工況和模式的選擇，只有通過電力系統的優化簡化操作配電板程序，根據負荷的實際需求變化不斷的調整發電機，對船舶動力、船舶負荷進行合理的分配和有效的管理，以此保證主機、發電機和船舶安全，并在各工況下保證負荷的平衡，提高使用效率和經濟性。從該船的各工況負荷率可知，軸帶發電機功率還是選大了，實際使用負荷率太低，值得今后加以改進。

本文對此類船舶電力系統的設計有一定的參考和借鑒價值。