某南極磷蝦捕撈加工船配電系統(tǒng)設計

王彥朋

摘 ? ?要：本文通過對某南極磷蝦捕撈加工船的復合動力系統(tǒng)配置和大功率負載進行分析，設計了一種適用于專業(yè)南極磷蝦捕撈加工船的環(huán)形配電網(wǎng)絡結構，詳細闡述了基于環(huán)形配電網(wǎng)絡的供電模式設計和PMS設計要點，對同類型船舶配電系統(tǒng)設計有一定指導意義。

關鍵詞：極地遠洋漁船；環(huán)形配電；船舶電站

中圖分類號：S972.7+4?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Power Distribution System Design of the Antarctic

Krill Factory Trawler

Wang Yanpeng

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： This paper designs a ring power distribution network structure based on the complex and changeable working conditions of the Antarctic krill factory trawler through the configuration of the Antarctic krill factory trawlers hybrid power system and the analysis of high–power load， expounds in detail the key points of the power supply mode design and PMS design based on the ring power distribution network， which has certain guiding significance for the design of the power distribution system of the same type of ships.

Key words： Polar offshore fishing vessel; ?Ring power distribution;Ship power station

1 ? ? 前言

南極磷蝦捕撈加工船是一種集南極磷蝦高效捕撈、精深加工及多級冷藏儲存為一體的高端極地遠洋漁船，融合了多項現(xiàn)代船舶、漁業(yè)和水產(chǎn)品領域的先進技術。除常規(guī)船舶用電設備外，南極磷蝦捕撈加工船還配置了專用的南極磷蝦高效捕撈設備、磷蝦多線精深加工流水作業(yè)線和貨艙分級制冷系統(tǒng)、貨物大包轉(zhuǎn)運設備，以及極地大型防結冰、除冰系統(tǒng)，以滿足南極區(qū)域全漁季全天候作業(yè)需求。南極磷蝦捕撈加工船的捕撈作業(yè)方式、加工作業(yè)工藝以及儲存轉(zhuǎn)運技術特殊，作業(yè)工況復雜、多變，需要滿足航行調(diào)遣、拖網(wǎng)捕撈作業(yè)、停泊轉(zhuǎn)載（裝有凍蝦）、停泊卸貨、停泊休息、應急等多種工況的電力負荷需求，而這些需求差異非常大，因此合適的配電網(wǎng)絡設計及PMS功能設計至關重要，除確保供電連續(xù)性、安全可靠性以外，還要有充分的靈活性和匹配性，以滿足各種復雜工況的電力需求，實現(xiàn)對全船能源的統(tǒng)一管理、綜合利用、有效分配[1]。

2 ? ? 船舶電站配置

考慮到復雜的工況及設備配置，某南極磷蝦捕撈加工船采用了二進三出復合動力系統(tǒng)（見圖1）：主推進系統(tǒng)為雙機單調(diào)距槳雙PTO型式，每臺主機在飛輪端經(jīng)主高彈性聯(lián)軸器與齒輪箱連接，齒輪箱主輸出端通過中間軸、螺旋槳軸驅(qū)動調(diào)距槳，齒輪箱兩個PTO輸出端通過高彈性聯(lián)軸器驅(qū)動軸帶發(fā)電機。

本船設有3PH、AC400 V、50 Hz、2 500 kW軸帶發(fā)電機組2臺；3PH、AC400 V、50 Hz、1520 kW輔助發(fā)電機組2臺；3PH、AC400 V、50 Hz、500 kW停泊兼應急發(fā)電機組1臺。

3 ? ? 船舶用電負荷分析

為確定主電站配置是否滿足該船的各作業(yè)工況下的負荷需求，開展了船舶電力負荷估算工作。

（1）根據(jù)該船的作業(yè)需求，確定電力負荷計算工況：航行工況（15 kn，壓載、貨艙制冷）；航行工況（15 kn，磷蝦冷凍）；拖網(wǎng)工況（40 t拖力1個拖網(wǎng)，凍蝦/蝦肉/蝦粉加工）；拖網(wǎng)工況（50 t拖力2個拖網(wǎng)，凍蝦/蝦肉/蝦粉加工）；停泊轉(zhuǎn)載工況（裝有凍蝦）；停泊卸貨工況；停泊休息工況；應急工況。

（2）除常規(guī)用電設備外，主要用電負荷為3臺側(cè)推、電伴熱除冰/防冰系統(tǒng)、捕撈絞車液壓泵站、貨艙制冷壓縮機、蝦粉生產(chǎn)線等。

船舶用電設備及負荷，見表1、表2（A）（B）所示。

由表1、表2（A）（B）可以看出，主電站4臺發(fā)電機組完全可以滿足航行、連續(xù)捕撈加工等作業(yè)工況下的負荷需求，當發(fā)電機組發(fā)生故障時，備用發(fā)電機組可以及時起動并進行配電，確保連續(xù)捕撈加工作業(yè)。

4 ? ?環(huán)形配電網(wǎng)絡設計

4.1 ? 環(huán)形配電網(wǎng)絡構成

南極磷蝦捕撈加工船工況復雜多變，為滿足各種工況下電力需求，結合本船動力配置，配電網(wǎng)絡采用環(huán)形配電網(wǎng)絡結構：AC380 V主匯流排分為4段匯流排（A/B/C/D排），每段匯流排分別接一臺輔發(fā)電機或一臺軸帶發(fā)電機；匯流排之間均配有斷路器，A排和D排通過2個斷路器以及動力電纜或銅排可以相連，從而形成環(huán)形配電網(wǎng)，實現(xiàn)分區(qū)供電，如圖2所示。

4.2 ? ?環(huán)形配電結構聯(lián)絡開關控制邏輯設計

為實現(xiàn)上述環(huán)形配電網(wǎng)絡，通常有以下兩種方式：

（1）通過聯(lián)絡開關以及銅排，實現(xiàn)主匯流排首、末端相連，形成環(huán)形匯流排；

（2）通過聯(lián)絡開關以及動力電纜，實現(xiàn)主匯流排首、末端相連，形成環(huán)形配電網(wǎng)絡。

如果采用第（1）種方式，將導致配電板柜體加大，使船舶空間更加緊張，建造成本增加，因此本船選用第（2）種方式，理論上通過1只聯(lián)絡開關以及動力電纜即可滿足設計和使用要求；但動力電纜一端將與母排直接相連，導致電纜長期處于帶電狀態(tài)，存在一定安全隱患，因此從設備使用維護及電纜保護角度考慮，配置2只聯(lián)絡開關（BT4、BT5），將首端聯(lián)絡開關BT4設為主聯(lián)絡開關，將末端聯(lián)絡開關BT5設為從聯(lián)絡開關，2只聯(lián)絡開關控制邏輯如下：

（1）BT4合閘前，必須先合閘BT5;

（2）BT5合閘后，在3 s內(nèi)未對BT4做同步操作，則BT4立即分閘；

（3）BT4先分閘，BT5延時3 s后分閘；

（4）BT5先分閘，則BT4立即分閘。

通過上述環(huán)形配電結構設計，在不同工況下靈活分段不同聯(lián)絡開關，滿足不同負載需求；當環(huán)形配電網(wǎng)上某區(qū)段或某臺發(fā)電機組發(fā)生故障時，利用聯(lián)絡開關或發(fā)電機主開關及時切斷隔離后，其它區(qū)段上的負載仍然可以正常工作，提高船舶供電連續(xù)性和可靠性。

5 ? ?PMS同步功能設計

為提供電站配置的靈活性，功率管理系統(tǒng)需通過硬件配置及軟件設計，分別對4個發(fā)電機組主開關以及4個聯(lián)絡開關進行自動并車、自動負荷分配、自動卸載解列等功能的自動操作，以實現(xiàn)4段匯流排的多種組合配電模式，提高配電效率和配電安全可靠性。

為了提高功率管理系統(tǒng)運算速度和安全可靠性，功率管理系統(tǒng)采用分布式控制[2]，針對自動同步功能、自動負荷分配、自動卸載解列等控制要求比較高的功能，采用專用同步模塊實現(xiàn)。

功率管理系統(tǒng)配置一套控制系統(tǒng)、4個PPU并車和保護模塊和4個FAS-113DG同步器，為提供系統(tǒng)安全、可靠性，控制系統(tǒng)采用雙CPU配置，互為冗余，當單個CPU故障，設備仍能可靠運行。

（1）一套控制系統(tǒng)，負責全船電站綜合管理及監(jiān)控，實現(xiàn)電站信號采集、狀態(tài)監(jiān)控、發(fā)電機控制管理以及重載問詢功能、優(yōu)先脫扣等功能；

（2）PPU并車和保護模塊作為PLC的下一級模塊，安裝在各發(fā)電機屏，負責發(fā)電機三相電壓、電流等信號的采集處理，具有發(fā)電機保護（過電流、逆功率、短路）和自動并車功能，并能通過Profibus現(xiàn)場總線將采集和處理的電壓、電流、功率等數(shù)字信息輸入到上一級PLC，且能接受PLC通過Profibus總線發(fā)出的指令，實現(xiàn)輸入、輸出共享，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)分布式控制；

（3）FAS-113DG同步器，作為PLC的下一級模塊，安裝在各聯(lián)絡開關屏，負責實現(xiàn)匯流排聯(lián)絡開關自動同步控制。通過對比聯(lián)絡開關兩側(cè)電壓、頻率，同步器輸出調(diào)速指令到PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)完成發(fā)電機轉(zhuǎn)速調(diào)整，直至并車成功。聯(lián)絡開關控制、自動負載轉(zhuǎn)移以及自動卸載解列等功能，均由PLC系統(tǒng)負責完成，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)分布式控制。

6 ? ?PMS供電模式設計

基于上述船舶電站配置以及環(huán)形配電網(wǎng)絡結構，本船在各工況下存在多種供電模式：

（1）航行模式（15 kn，帶壓載、貨艙制冷）

側(cè)推、捕撈設備、漁業(yè)加工設備不工作，電網(wǎng)容量不大，主推進功率也不大。此時船舶電網(wǎng)采用主要由2臺軸發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成2段排的設計方案。

（2）航行模式（15 kn，磷蝦冷凍）

側(cè)推、捕撈設備、漁業(yè)加工設備不工作，電網(wǎng)容量不大，主推進功率比較大。此時船舶電網(wǎng)采用主要由1臺或2臺輔發(fā)供電、主配電板合成一段排的設計方案。

（3）傳統(tǒng)拖網(wǎng)模式

側(cè)推、捕撈和漁業(yè)加工設備工作，推進功率不大。此時全船電力負荷較大，船舶電網(wǎng)采用主要由2臺軸發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成2段排的設計方案。

（4）連續(xù)泵吸拖網(wǎng)模式

側(cè)推、捕撈和漁業(yè)加工設備工作，推進功率不大。此時全船電力負荷較大，船舶電網(wǎng)采用主要由2臺軸發(fā)和1/2臺輔發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成3段排的設計方案。

（5）特定回轉(zhuǎn)捕撈模式

三臺側(cè)推工作，捕撈和漁業(yè)加工設備也工作，推進功率不大。此時全船電力負荷最大，船舶電網(wǎng)采用主要由2臺軸發(fā)和1/2臺輔發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成3段排的設計方案。

（6）海上轉(zhuǎn)運模式

推進器工作，推進功率不大。此時全船電力負荷較小，船舶電網(wǎng)采用主要由2臺軸發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成2段排的設計方案。

（7）靠港卸貨模式

主機停機。此時全船電力負荷非常小，船舶電網(wǎng)采用主要由1臺輔發(fā)供電、主配電板合成一段排的設計方案。

（8）停泊/應急模式

全船由應急/停泊發(fā)電機供電，與主發(fā)電機不斷電切換，船舶電網(wǎng)采用配電板手動控制模式操作的設計方案。

綜上所述，本船電網(wǎng)設計方案如表3所示。

通過上述電網(wǎng)設計，可以在聯(lián)絡開關的靈活組合下，兼容12種供電模式。

為了提高配電效率和配電安全可靠性，PMS將供電設置為自動和手動模式：

（1）自動模式

① ?1段排：A+B+C+D

1臺或2臺柴發(fā)對A、B、C、D排供電；聯(lián)絡開關BT1、BT2、BT3合閘，BT4、BT5分閘；

② ?2段排：A+B，C+D

SG1對A&B排供電，SG2對C&D排供電；聯(lián)絡開關BT1、BT3合閘， BT2、BT4、BT5分閘；

③ ?3段排：A+D，B，C

SG1對B排供電，SG2對C排供電，1臺或2臺柴發(fā)對A&D排供電；聯(lián)絡開關BT4、BT5合閘， BT1、BT2、BT3分閘。

（2）手動模式

操作人員通過手動或半自動操作，實現(xiàn)所有供電模式。

根據(jù)上述船舶各工況下配電模式的研究，配電板提供手動和PMS 兩種控制模式，可通過配電板模式選擇開關來選擇；配電板觸摸屏中設置了半自動和自動模式選擇按鈕，在PMS管理模式下有三種自動模式。

7 ? ? 結語

南極磷蝦捕撈加工船是一型兼航行調(diào)遣和連續(xù)捕撈、多線加工、多級儲存作業(yè)的極地遠洋漁船，猶如一座大型的海上移動工廠，其優(yōu)異的配電設計能有效降低燃油的消耗，節(jié)約成本，提高效益，達到環(huán)境友好綠色理念。本文進行的配電網(wǎng)絡設計和PMS功能設計研究，針對基于南極磷蝦捕撈加工船復雜多變的工況特點，在保障船舶運營的連續(xù)性、安全可靠性時，充分考慮了環(huán)境友好、高效安全、快速響應的國際法規(guī)趨勢，實現(xiàn)了船舶的高效運營、安全可靠和環(huán)保節(jié)能的綜合能力，為國家制訂專業(yè)化、現(xiàn)代化遠洋漁船的發(fā)展規(guī)劃做出技術支撐。

參考文獻

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