閉環供電技術在海工產品上的應用

陳喜元，李 冰，王 忠，王艷龍，何 志

（大連船舶重工集團設計研究院，遼寧 大連 116000）

0 引 言

閉環控制是近年發展起來的一項電力自動化控制技術，與非閉環供電方式相比，在設計方面難度較大，建造投資較高，一般只應用于有較高供電技術要求或節能環保要求且對投資不太敏感的高技術海工產品上，尤其多應用于帶動力定位（Dynamic Positioning，DP）功能的半潛項目中。

目前國內某半潛平臺的閉環設計和試驗驗證已取得成功并獲得DNV-GL DYNPOS-AUTRO帶閉環操作證書。本文依托該項目的設計過程，介紹閉環供電技術設計和應用經驗。

1 閉環的定義及分析

閉環是指主配電盤通過母排聯絡開關首尾相連形成一個整體的封閉環型，具有發電機保護系統的供電方式，其核心是發電機保護系統和配電盤的全船短路保護能力。閉環構成圖示見圖1[1]。

圖1 閉環構成圖示

發電機保護系統對包括發電機和配電盤在內的整個電力系統提供90%左右的故障模式保護，整個閉環試驗主要圍繞發電機保護系統進行[2]。

需指出，若僅將閉環看作是配電盤首尾相連形成的封閉環型，則無法體現出閉環的高技術水平和技術含量，離開保護就不能稱其為閉環。與閉環相對的叫開環或三段模式，是指3個配電盤之間的母聯開關全部打開，形成3段各自獨立的形式[2]（見圖2）。

圖2 配電盤開環模式

與開環模式相比，采用閉環供電模式的好處[3]有：

1) 降油耗，據測算，在閉環模式下可降低油耗10%以上，在節能降耗的同時，可有效降低NOx排放達30%以上，降低CO2排放達15%以上；

2) 減少發電機的運行時間和發電機在線運行臺數，發電機組平均運行時間可減少25%以上；

3) 便于維修，可空出一個機艙或某臺發電機進行維修；

4) 提高供電的安全性、可靠性和穩定性，進而提高平臺的定位性能、作業保障能力和安全性能。

當然，閉環也有一定的不足，包括技術難度大、成本高、保護不好易造成全船停電等。因此，只要系統良好、操作得當，除了獲取上述好處、避免上述不足以外，還可獲得更加可靠、穩定的電源供給，提高平臺的供電安全性和運行安全性。

對于船東來說，可直接提高平臺的租金，這也是其愿意高成本做閉環的原因和驅動力之一。

對于非DP類項目來說，不存在滿足DP要求的問題（即可短時間內失去電力系統，不存在影響定位或船位的情況），因此對閉環無過高要求。

綜上所述，為在最大故障情況下滿足DP3的要求，閉環控制在設計和建造方面有很多條件，會導致投資大和試驗周期長。因此，閉環一般只應用在有較高供電技術要求或節能環保要求且對投資不太敏感的高技術海工產品上，尤其多應用于有高動力定位功能要求的半潛項目中。

2 發電機保護系統的功能

發電機保護系統是為閉環控制派生的系統（閉環的核心），是電源管理系統（Power Management System，PMS）的延伸，用于保護發電機和整個電網，使平臺不因電力系統執行故障而失去定位能力，從而保障平臺的作業能力和提高平臺的安全性。

發電機保護系統的2個主要功能[1]為：

1) 對速度控制系統GOVERNOR進行控制，可直接控制；

2) 對電壓控制系統AVR進行監測，不能直接控制。

發電機保護系統主要是對2個主要參數進行保護，即：頻率/有功/油門，由GOVERNOR調節器執行；電壓/無功/勵磁，由AVR電壓調節器執行。該系統對欠頻、過頻、欠壓或過壓等故障及故障發生的速率做出相應的保護。

此外，發電機保護系統還有2個輔助功能[1]，即配電盤低頻時的母聯開關脫扣和勵磁電流監測。

由于發電機保護系統的重要性，考慮到反應速度和有效性問題，在設計上要做大量協調工作，與參與各方進行大量的溝通，在盡可能減少改動的情況下，最終達成一致并取得理想的試驗結果。

3 DNV-GL對閉環的要求

某半潛平臺項目入CCS DP-3和DNV-GL DYNPOS- AUTRO船級。根據DNV-GL的要求，對于入DPS 2或DPS 3的項目，必須有失效模式與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA），分為開環和閉環2部分[4]。

DNV-GL規范大多通過失效模式分析對閉環進行驗證，由于這樣的項目一般都帶DP功能，因此通常將該驗證過程稱為DP FMEA。分析和研究的主要內容是DP系統如何在滿足規范的要求下滿足硬件上的物理分隔和軟件/系統上的功能要求。閉環試驗的主要內容是發電機保護系統。

此外，DNV-GL對閉環還有2個“特殊”要求，即：

1) 根據DNV-GL的要求，需對入級DPS 3閉環的項目進行失電后啟動 Blackout Restart的試驗（見圖3），驗證PMS在極端情況下恢復供電的能力，確保平臺安全；

圖3 Blackout Restart的試驗成功Trend

2) 根據DNV-GL的要求，需對入級DPS 3閉環的項目進行現場短路（Live Short Circuit）試驗。目前只有DNV-GL有此要求。

做現場短路試驗的目的是驗證配電盤的故障隔離保護能力和DP設備/系統的故障穿越能力。故障穿越能力是指設備短時間失電的能力，主要對DP設備有此要求，對非DP設備/系統不適用。若現場短路試驗失敗，即配電盤不能在設定時間內隔離故障、阻止其曼延并切斷故障，面臨的風險有：燒毀與故障盤直接連接的發電機、引起整個電力系統失電、推進器因失電而停止工作，以及由此導致的平臺失去定位能力。

現場短路試驗最大的危險性是保護不力或出現特殊情況，如機械故障導致保護開關沒有脫開，引起短路電流急劇增大而引發火災或觸電事故等。因此，需做好試驗現場的安全防護工作，包括需專業人員操作、看護、消防和救生等。

為做好短路試驗，由專業技術人員提前對有關參數進行認真分析、仔細檢查和嚴格確認。由于前期工作到位、準備充分，短路試驗一次性成功（見圖4）[5]。

圖4 短路試驗

4 結 語

本文介紹的半潛平臺項目閉環試驗是2臺發電機在線運行的模式，已達到發電機閉環在線運行臺數最少的極限，在技術上是一次創新和突破。

本文所述半潛平臺發電機閉環試驗已取得DNV-GL的認可和DNV-GL DP3帶閉環操作認證，體現了先進的電力自動化控制技術在船舶上的應用，給出了節能降耗的新途徑和技術發展的新方向。該項突破為我國造船業和海洋工程裝備制造業的發展打下了堅實的基礎，對推動我國海工關鍵技術和項目的發展具有重大意義。