大型客船失電和癱船動力恢復分析

周康寧,李國榮,曹大友

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

大型客滾船因其電站裝機容量大,主要負載與發電機電壓不同,分屬不同的配電板,需要經歷多重轉換,電站管理系統還需適應并網運行和分區供電等多種工況,控制及邏輯關系復雜。同時,為給乘客提供較好的旅途體驗,避免瞬間電壓波動對AC230V系統的影響,通過配置清潔電源單元以獲得穩定電壓和頻率的交流電源。然而,在全船失電后,配電系統需要完成到一系列自動啟動和系統恢復,涉及發電機啟動、變壓器預充磁、清潔電源開機、各開關合閘和并網等流程,電站管理系統難以在45 s內完成對所有負載恢復供電。此外,關于癱船試驗,鮮有關于主發電機控制電源配置的相關論述和系統分析報道。因主發電機控制系統所需不間斷電源由充放電板提供,絕大多數船舶癱船啟動試驗時未斷開充放電板的蓄電池,在系統設計時,未考慮斷開蓄電池后的影響。充放電板的蓄電池被斷開后,其交流電源切換將導致其輸出電源短時失電,中斷發電機運行。如果船舶長期失電,充放電板的蓄電池虧電,此時,這種不能為發電機控制系統提供連續電源的缺陷的系統將無法完成癱船啟動。因此,考慮通過改進電站管理系統設計,縮短客船在失電后系統恢復供電的時間,尋求一種主發電機控制電源不依賴于蓄電池的癱船啟動方案。

1 系統配置

為應對安全返港[1]要求,某客滾船設計雙機艙,用于布置主配電板、直流配電板、主變壓器和清潔電源等設備。上建區域布置應急發電機室,用于布置應急發電機、應急配電板等,電力系統為雙套設計,單線圖見圖1。

圖1 電力系統單線圖

1.1 具體配置和布置

4臺主發電機、雙套AC690 V主配電板、AC400 V主配電板、AC230 V主配電板、主變壓器(AC690 V/400 V/400 V)、主變壓器(AC400 V/230 V)、清潔電源布置于兩側機艙、配電板室和變壓器室內。雙套配電板之間設置聯絡開關。應急配電板分別由應急發電機和左、右兩側AC400 V主配電板供電。

設置三線圈變壓器[2]MT1/MT2分別供左、右兩側AC400 V主配電板和AC230 V主配電板,三線圈變壓器MT1/MT2與AC230 V主配電板之間通過清潔電源和MT3/MT4降壓變壓器連接。由于經歷清潔電源的整流和逆變處理,AC230 V主電網不受外部大功率負載突加和突卸的影響,電網電壓和頻率穩定。

通過三線圈變壓器MT1/MT2的設置,AC230 V的配電板不再像傳統方式經由AC400 V配電板中轉,降低了AC400 V配電板的容量及聯絡電纜的數量,MT1/MT2兼作了清潔電源的隔離變壓器,節省了隔離變壓器的配置,系統可靠性提高、建造成本降低。

1.2 主要工作模式

航行時,有以下兩種最基本工作模式。

1)分區運行,在安全返港工況下,如一側機艙失去后,所有左、右機艙的配電板聯絡開關分閘,剩余機艙的配電板獨立運行。

2)并網運行,正常航行工況下,所有聯絡開關合閘,兩側配電系統并機運行。

2 全船失電及恢復供電分析

2.1 電站管理系統邏輯控制及系統設計

該客滾船主發電機從啟動到電壓建立約需20 s,清潔電源開機約需12 s,再考慮到各變壓器預充磁時間、各階段的命令執行時間,無法實現所有設備在45 s內完成恢復供電。這需要從配電系統設計和電站管理控制邏輯兩方面加以應對。

2.1.1 電站管理控制邏輯

1)縮短各部件執行時間,如將變壓器預充磁時間控制在3 s以內;副邊開關在原邊開關合閘反饋后,其延時合閘延時時間控制在1 s以內。

2)清潔電源有旁通運行和正常運行兩種模式,旁通模式啟動時間相對較短,設置旁通模式為默認啟動方式。

3)與主變壓器MT1/MT2的2個副邊相連AC400 V和AC230 V主配電板,主變壓器原邊開關合閘后,同步執行下一級的恢復流程,最后執行并網操作,重要設備在第一時間恢復供電。

2.1.2 關鍵系統設計的關注點

AC230 V主配電系統恢復供電時經歷了清潔電源、降壓變壓器以及若干個開關,無法在45 s內恢復完成供電。因此,重要設備的電源應避免接自AC230 V配電系統。

2.2 發電機啟動及開關合閘控制

失電后,AC690 V主配電板檢測到AC690 V匯流排失電后,第一備用主發電機優先啟動。同時,應急配電板檢測AC400 V匯流排失電后,應急發電機立即啟動。

主發電機電壓建立后,需要立即執行合閘動作,AC690 V主配電板得電后,再執行變壓器MT1/MT2的預充磁、AC400 V主配電板的開關合閘操作。

應急發電機啟動后,應急發電機開關合閘的時機主要有以下兩種方案。

方案一:立即合閘,AC400 V應急配電板首先由應急發電機恢復供電,待AC400 V主配電板恢復供電后,AC400 V應急配電板再轉換為主配電板供電,應急發電機自動延時停機。

方案二:延時合閘,檢測主AC400 V電源是否在規定時間內完成恢復供電,如已完成,則應急發電機開關無需執行合閘的操作;如未完成,則應急發電機開關再合閘,但必須在45 s內完成應急電源恢復供電。

考慮到客船配置了臨時應急照明和附加應急照明,不需要應發電機在第一時間內為照明系統提供電源,因此建議采用方案二,可減少不必要的操作和損耗。

2.3 配電板恢復供電流程

根據圖1的電力系統單線圖并依照2.1所述的原則和控制邏輯,分析主電機及應急發電機啟動后的電力系統失電后的雙機艙配電系統恢復邏輯,見圖2。

3 癱船恢復供電分析

3.1 癱船的定義及設備配置

DNV規范 Pt.4 Ch.1 Sec.3 第2.3.14 條對癱船定義為“所有機械設備和電力系統都處于非運行狀態,且用于起動主推進的以及用于主電源恢復的所有輔助設備,如壓縮空氣、蓄電池等均不可用。”癱船是指輔助設備處于停止運轉狀態,而非不能運轉[3]。

該客滾船主要電力設備的特殊性如下。

1)雙燃料發電機,每臺發電機控制系統所需功率約為600 W。

2)發電機控制系統為雙路電源輸入,一路主電源和一路應急電源,交流電源整流后在DC24 V側并聯,可實現不間斷切換。主電源取自AC230 V主配電板,應急電源取自充放電板。

3)左、右機艙分別布置2臺主發電機,每側機艙布置一臺充放電板供兩臺主發電機和其他DC24 V備用電源使用,每臺發電機未配置獨立的UPS。

4)配置清潔電源單元,其啟動時間長約12 s。

3.2 癱船后恢復流程

某客滾船癱船后電力系統恢復流程見圖3。圖中①表示AC400 V主配電板得電后,將立即為充放電板提供AC400 V主電源;②表示AC400 V主配電板得電后,可將原由應急發電機供電的應急配電板切換為主配電板供電;③表示AC230 V主配電板得電后,將立即為主發電機控制系統提供AC230 V電源。因清潔電源啟動時間較長,AC230 V主配電板恢復供電時間T2長于AC400 V主配電板恢復供電時間T1。

圖3 癱船后電力系統恢復流程

3.3 充放電板的設計和選型

3.3.1 常規設計方案

推薦的充放電板[4]內配置一個整理流器和一個充電器,整流器接自AC400 V主配電板,供充放電板負載使用;充電器接自AC400 V應急配電板,供蓄電池充電用,充放電板正常運行時,整流器為全船負載提供DC24 V電源,充電機用于蓄電池的充電。整流器故障后,蓄電池仍可為負載提供30 min電源;充電機故障,整流器仍可為負載提供電源并為蓄電池應急充電。參見圖4。

圖4 常規充放電板單線圖

對于200 AH的蓄電池,鉛酸電池的充電電流需要限制在16 A,鎳鎘電池的充電電流限制在32 A,充電機可配置在40 A,依據蓄電池類型調整其輸出電流。如按常規0.5 h放電需要計算,整流器容量需要配置至100 A,充電機的容量遠小于整流器的容量。

癱船試驗時,模擬充放電板蓄電池不可用,只有應急電源在網時,充電器與全部負載直接接通,充放電器容量較小,不足以承受全部負載的負荷。

3.3.2 改進方案

基于3.3.1所述,考慮設置充放電板主、應急兩路AC400 V電源自動切換,雙路電源切換后,同時并接至充電器和整流器的輸入端,即只有應急電源在網的工況下,整流器仍然可用。

但由于AC400 V和AC230 V主配電板分別從MT1和MT2主變壓器的兩個獨立線圈供電,與AC400 V主配電板相比,AC230 V主配電板需要額外經歷主清潔電源啟動、MT3和MT4主變壓器預充磁等環節,AC230 V主電源的恢復時間明顯晚于AC400 V,定義相差時間為T。如充放電板AC400 V主電源恢復供電時,立即由AC400 V應急電源切換至AC400 V主電源,充放電板存在短時斷電,其輸出至主發電機控制系統的應急電源也隨之斷電,而由于AC230 V主電源尚未恢復供電,進而導致發電機控制系統斷電,主發電機停車,失電恢復過程中斷。

此外,應急配電板在檢測到AC400 V主電源恢復供電后,需要從應急發電機電源轉換為主配電板電源供電,應急配電板的電源的轉換也會導致充放電板的AC400 V應急電源短暫失電。

上述問題可通過以下方法進行改進。

1)充放電板電源切換。在AC400 V主電源恢復供電后,將原先由AC400 V應急電源立即切換至AC400 V主電源的方案改為延時切換,切換時間設置在主AC230 V主配電板電源恢復供電之后,即AC400 V主電源恢復供電后,可延時T+2 s后再進行主電源切換。

2)應急配電板的供電電源切換。AC400 V主電源恢復供電后,同樣延長換電時間,可延時T+4 s將應急發電機主開關分閘,切換自AC400 V主配電板電源供電。

以上設置可以確保主發電機控制系統的主AC230 V電源投入后,充放電板和應急配電板再進行電源的切換,主發電機控制系統將不再斷電,參見圖5。

圖5 改進充放電板單線圖

4 結論

大型客船可通過配置清潔電源單元的方法使配電系統始終輸出穩定的電壓,AC230 V配電系統將不受電網中突加或突卸大型負荷的影響。

需綜合考慮電力系統中各大型設備的啟動時間對重要設備供電的影響。AC690 V主配電板的聯絡開關不設欠壓保護,任意1臺發電機啟動后,雙機艙下一級配電系統可同步進行失電恢復,最后并網,減少失電恢復時間。

關于癱船后的動力恢復,在斷開主發電機控制系統蓄電池的情況下,可通過增加充放電板主、應急電源切換的方式解決充電器的過載問題;同時需要考慮充放電板及應急配電板的電源切換所導致的短暫失電問題,通過設置延時切換方法予以應對。