船舶臨時(shí)應(yīng)急電源的技改升級

王達(dá)吉

(中石化海洋石油工程有限公司，上海 200001)

0 引言

臨時(shí)應(yīng)急電源是船舶電源系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，在保護(hù)人命和船舶安全方面發(fā)揮著重要作用，因此有關(guān)船舶建造規(guī)范對其提出了要求。《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》要求除設(shè)有應(yīng)急發(fā)電機(jī)能自動向應(yīng)急配電板供電的貨船外，各類船舶即使有應(yīng)急發(fā)電機(jī)時(shí)，還應(yīng)設(shè)置一蓄電池組作為臨時(shí)應(yīng)急電源。同時(shí)，船舶建造規(guī)范規(guī)定“當(dāng)主電源或應(yīng)急電源的供電失效時(shí)，臨時(shí)應(yīng)急電源應(yīng)能立即自動向所規(guī)定的各項(xiàng)設(shè)備供電，且應(yīng)能在整個(gè)供電期間保持其電壓變化在額定電壓的±12%以內(nèi)而不必再充電”。

當(dāng)船舶處于緊急狀態(tài)時(shí)，由臨時(shí)應(yīng)急電源(或備用電源與不間斷電源)供電的各項(xiàng)設(shè)備，可視為船舶特種用電設(shè)備。近年來，隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，船舶通訊導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)艙控制系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)及重要設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，使船舶特種用電設(shè)備大幅增加，這對臨時(shí)應(yīng)急電源的安全可靠性提出了新要求。

1 臨時(shí)應(yīng)急電源的重要性

臨時(shí)應(yīng)急電源供電范圍通常如下：

《國際海上人命安全公約》(SOLAS公約)、《國際海上避碰規(guī)則》對臨時(shí)應(yīng)急電源作出了規(guī)定；船舶建造規(guī)范要求自動化水平較高的船舶的安全系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)以及正常供電失電時(shí)仍有必要使用的控制系統(tǒng)，應(yīng)能在正常供電失電時(shí)自動轉(zhuǎn)接到備用電源。該備用電源可以采用蓄電池組，其容量應(yīng)至少能維持 30 min 供電的需要。若上述系統(tǒng)可能因電源的中斷而受到有害影響時(shí)，則應(yīng)采用不中斷的方式轉(zhuǎn)換到備用電源。

上述供電范圍主要是針對海上人命與船舶安全。隨著船舶現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，臨時(shí)應(yīng)急電源已突破了原有的供電范圍。

正在興起的智能化船舶，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信導(dǎo)航技術(shù)、先進(jìn)傳感器技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代控制技術(shù)為支撐建立的智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺，所有這些技術(shù)與平臺的正常運(yùn)行，都必須有可靠的電源供電作為保障。在船舶失電或癱船狀態(tài)下，尤其是應(yīng)急發(fā)電機(jī)組也失效時(shí)，臨時(shí)應(yīng)急電源的重要性更加顯現(xiàn)。

在設(shè)置向船舶特種設(shè)備供電的電源時(shí)，應(yīng)遵循SOLAS公約和船舶規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合船舶智能化系統(tǒng)對保持連續(xù)供電需要，采用新能源、新技術(shù)，確保在主電源和應(yīng)急電源斷電后，臨時(shí)應(yīng)急電源應(yīng)能立即自動向船舶特種用電設(shè)備可靠供電。

2 公共直流配電網(wǎng)的技改方案

當(dāng)前，各類船舶的少數(shù)特種設(shè)備直流電源來自于專門配置的備用電源；大多數(shù)特種設(shè)備的直流電源來自于充放電板，即由蓄電池組供電的船舶公共直流配電網(wǎng)。

長期以來，充放電板采用鉛酸蓄電池提供電源，其容量按滿足該船特種設(shè)備功率需要配置；充放電板上裝有充電器，能將蓄電池組從完全放電狀態(tài)開始在不超過10 h的時(shí)間內(nèi)充至額定容量；充放電板的交流電源分別從主配電板和應(yīng)急配電板直接供電，充放電板的監(jiān)控保護(hù)都比較簡單。當(dāng)船舶交流電網(wǎng)失電時(shí)，充放電板自動向必須繼續(xù)維持工作的特種用電設(shè)備供電。在此基礎(chǔ)上，采用新設(shè)備、新技術(shù)對公共直流配電系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造升級，是發(fā)展趨勢。

近年來，電化學(xué)蓄電池有了快速的發(fā)展，鋰離子電池已進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模實(shí)用階段。在現(xiàn)有的電化學(xué)蓄電池中，鋰離子電池能量密度和功率密度最高，循環(huán)壽命、充電速度、自放電率、溫度適應(yīng)性等方面的性能都明顯優(yōu)于鉛酸蓄電池。鋰離子電池屬于一種新型的動力電池，按正極材料不同可分為多種類別，其中磷酸鐵鋰電池應(yīng)用較廣泛，用來取代鉛酸蓄電池，是臨時(shí)應(yīng)急電源的理想選擇。

船舶建造規(guī)范制定了磷酸鐵鋰電池在船舶布置與安裝、控制與保護(hù)等方面規(guī)則，要求配備電池管理系統(tǒng)(BMS)和蓄電池的保護(hù)及充放電裝置組合使用，并由BMS進(jìn)行管理與控制。BMS的功能要求見表1。表中，√表示BMS具有該功能。

表1 BMS功能要求一覽表

可提高電源容量和能效，采用鋰離子電池取代鉛酸蓄電池，可減小體積與重量，增加循環(huán)壽命，有利于環(huán)境保護(hù)；由BMS對蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測與控制保護(hù)，進(jìn)一步提高了臨時(shí)應(yīng)急電源的可靠性。

3 不間斷電源的現(xiàn)狀

船舶建造規(guī)范允許由不間斷電源(UPS)用作替代電源或臨時(shí)電源，以滿足供電的連續(xù)性。UPS主要由蓄電池、充電器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)及控制電路所組成，其中蓄電池是重要組成部分，在UPS中占有很大的價(jià)值比重。蓄電池儲存能量的大小，決定了UPS的供電容量與持續(xù)時(shí)間。當(dāng)UPS容量較大、供電時(shí)間較長時(shí)，內(nèi)置電池的容量與充電裝置需相應(yīng)加大，這將增大UPS的體積。

在實(shí)踐中，UPS的內(nèi)置電池往往被忽視。當(dāng)較長時(shí)間后需要用UPS供電時(shí)，內(nèi)置電池容量已與時(shí)俱減，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期的供電效果；為防止充放電所造成的污染，船舶的非專門艙室不允許裝設(shè)大容量的蓄電池；有些處所因位置有限，不具備安裝大容量UPS的條件。

4 取代UPS的直流電源裝置

4.1 直流電源裝置概況

船舶的智能自動化程度越來越高，各系統(tǒng)的特種設(shè)備越多，功率越大，且十分依賴于供電的連續(xù)性，如果在工作中途發(fā)生短暫斷電，將可能造成嚴(yán)重后果。當(dāng)不適合采用UPS的情況下，為確保特種設(shè)備所需直流電源的供電連續(xù)性，可采用一種直流電源裝置取代UPS，其框圖如圖1所示。

圖1 直流電源裝置框圖

圖1中的兩路交流電源分別由主配電板和應(yīng)急配電板供電，互為備用。當(dāng)電源1、電源2均失效時(shí)，自動切換到由充放電板供電。該直流電源裝置實(shí)際上是無內(nèi)置蓄電池的UPS，原理如圖2所示。

4.2 元器件的選配

⑴ 三相整流變壓器1T的接線組別為△/Y，初級側(cè)額定電壓U1和船電主電源額定電壓相同，次級側(cè)額定線電壓U2按式(1)計(jì)算：

U2=UdiK1

(1)

式中：Udi為三相整流器1VC的直流空載電壓；K1為1VC的閥側(cè)電壓變換系數(shù)，其理論值為0.74。

1T的額定容量按式(2)計(jì)算：

SN=1.05UNIN

(2)

式中：UN為負(fù)載額定直流電壓；IN為負(fù)載額定直流電流。

⑵ 單相整流變壓器2T的初級側(cè)額定電壓U11和船電主電源額定電壓相同，次級側(cè)額定電壓U21可按式(3)計(jì)算：

1F～10F—熔斷器；1KM、2KM、11KM、12KM—交流接觸器；FR、1FR—熱繼電器；1H～3H、11H～13H—指示燈；RC、1RC—阻容保護(hù)裝置；

U21=Udi1K2

(3)

式中：Udi1為單相整流器2VC的直流空載電壓；K2為2VC的閥側(cè)電壓變換系數(shù)，其理論值為1.11。

2T的額定容量SN1可按式(4)計(jì)算：

SN1=1.23UN1IN1

(4)

式中：UN1為負(fù)載額定直流電壓；IN1為負(fù)載額定直流電流。

⑶ 交流接觸器1KM(11KM)、2KM(12KM)的額定電壓及線圈電壓和電源額定電壓相同，其額定電流大于或等于整流變壓器初級側(cè)額定電流選配。

⑷ 熱繼電器FR(1FR)的整定值可按整流變壓器初級側(cè)額定電流I1(I11)進(jìn)行設(shè)定。

⑸ 三相整流橋模塊1VC的臂電流方均根理論值為0.58IN，其反向工作峰值電壓理論值為直流輸出額定電壓Udn的1.05倍。

⑹ 單相整流橋模塊2VC的臂電流方均根理論值為0.785IN1，其反向工作峰值電壓理論值為1.57Udn1。

⑺ 直流裝置的二極管1V、2V的電流方均根理論值為IN(IN1)，其反向工作峰值電壓理論值為1.05Udn(Udi1)。

⑻ 熔斷器1F～6F(11F～14F)的額定電流IA≥2I1(I11)，其熔芯電流IB≥1.4I1(I11)。

⑼ 熔斷器7F～10F(15F～18F)的額定電流IC≥2IN(IN1)，其熔芯電流ID≥1.2IN(IN1)。

⑽ 指示燈1H(11H)、2H(12H)、3H(13H)的電壓與相應(yīng)位置的電源電壓相同。

⑾ 整流器交流側(cè)用以抑制操作過電壓的阻容保護(hù)電路RC(1RC)中的線繞電阻通常為5 W、30 Ω，交流電容器的額定電壓應(yīng)按不小于2.5U2(2.5U21)選取,電容量通常為6～10 uf。

⑿ 整流器直流側(cè)濾波電路的參數(shù)，應(yīng)按對直流輸出紋波的要求及直流輸出電壓與負(fù)載額定電流選配；限流電阻器Rz(Rz1)通常選用金屬膜或被釉線繞電阻，功率一般大于5 W，阻值大于5 Ω；濾波電容器Cz(Cz1)的電容通常選用電解電容器或鉭電容，額定電壓UA≥3Udn(Udn1)，電容量一般大于10 uf。

4.3 元器件的參數(shù)調(diào)整

在實(shí)際應(yīng)用中，對上述各理論值需作適當(dāng)調(diào)整。選擇元器件及計(jì)算參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮電網(wǎng)的電壓波動，并顧及到電壓降、損耗等因素，可作如下調(diào)整：

⑴ 整流變壓器1T的U2、2T的U21按上述理論值公式求出后，應(yīng)再增加1.05～1.07倍；1T的額定容量SN≥1.25PN，2T的額定容量SN1≥1.4PN1，其中：三相直流負(fù)載功率PN=UNIN，單相直流負(fù)載功率PN1=UN1IN1。

⑵ 整流橋模塊與二極管的選配需要考慮到直流負(fù)載功率PN或PN1，以及負(fù)載要求過載的倍數(shù)或工作制、環(huán)境溫度、冷卻方式、需要的可靠性程度等因素，1VC、2VC的臂電流方均根值可按不小于IN(IN1)選取。

⑶如果對直流輸出紋波的限制有較高的要求，濾波電容器的電容量宜加大；為了保證電容器有足夠大的放電時(shí)間常數(shù)，直流負(fù)載電流越大，濾波電容器選取得也越大。

4.4 開關(guān)電源的應(yīng)用

圖1中的電壓變換裝置和整流器可采用開關(guān)電源取代，通過高頻化實(shí)現(xiàn)裝置小型化，框圖見圖3。

圖3 采用開關(guān)電源的直流電源裝置框圖

利用電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展起來的開關(guān)電源，與線性穩(wěn)壓電源相比，具有效率高、體積小和重量輕等特點(diǎn)，將其應(yīng)用在直流裝置中，具體優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)工作頻率高頻化(可大于10 MHz)，不僅可進(jìn)一步縮小體積、減輕重量，而且可改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)。

(2) 控制電路集成化，例如采用PWM控制芯片，輔以極少的分立元件構(gòu)成閉環(huán)控制電路，使比較復(fù)雜的電路變得十分簡單，而且可增加保護(hù)等功能，提高可靠性。

(3) 采用CAA和CAD技術(shù)設(shè)計(jì)最新變換拓補(bǔ)和最佳參數(shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況，可引入微機(jī)檢測和控制，構(gòu)成多功能的監(jiān)控系統(tǒng)，對異常情況自動報(bào)警、顯示與記錄。

4.5 直流電源無縫切換

主電源與應(yīng)急電源的發(fā)電機(jī)都具備自動調(diào)壓裝置，在正常情況下電壓能保持在額定值；船舶充放電板上的充電裝置具備自動調(diào)壓功能，當(dāng)蓄電池充足電之后處在恒壓充電階段時(shí)，其電壓基本上為蓄電池組的額定電壓，但向直流負(fù)載供電的線路末端，由于電壓降的存在，電壓值會低于充放電板的額定輸出電壓值。

由于在直流電源裝置的整流器直流輸出側(cè)設(shè)有濾波電路，使其直流空載電壓U≥1.4U2(U21)，更高于來自充放電板的直流電壓。直流電源裝置整流器輸出的直流電源經(jīng)1V(11V)與來自充放電板的直流電流源經(jīng)2V(12V)共負(fù)極，在主電源或應(yīng)急電源供電時(shí)，1V(11V)的陰極電位勢必高于2V(12V)的陰極電位，尤其是在空載時(shí)，1V(11V)的陰極電位會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2V(12V)的陰極電位，此時(shí)1V(11V)導(dǎo)通、2V(12V)截止；在主電源與應(yīng)急電源切換的過程中，或當(dāng)主電源和應(yīng)急電源都失電以及輸出的直流電壓過低時(shí)，使2V(12V)的陰極電位高于1V(11V)的陰極電位，此時(shí)2V(12V)導(dǎo)通、1V(11V)截止。因此，三路電源的直流側(cè)可實(shí)現(xiàn)無縫切換。

5 結(jié)語

臨時(shí)直流應(yīng)急電源關(guān)系到海上人命和船舶安全，現(xiàn)代化船舶對連續(xù)供電的要求很高，應(yīng)當(dāng)像重視主電源和應(yīng)急電源那樣重視臨時(shí)直流應(yīng)急電源；性能優(yōu)越的鋰離子電池已逐漸呈現(xiàn)出取代鉛酸電池的趨勢，BMS系統(tǒng)對電池系統(tǒng)的管理可使電池性能最大化，促成了公共直流配電網(wǎng)的換代升級；為克服UPS內(nèi)置蓄電池在實(shí)際使用中的缺陷，采用了一種無內(nèi)置蓄電池的直流電源裝置取代UPS，可提高對船舶特種設(shè)備不間斷供電的安全可靠性。