倪永亮
(大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司,遼寧大連 116113)
隨著造船技術(shù)的發(fā)展,各種大型船舶越來(lái)越多,當(dāng)船舶在海上遇險(xiǎn)后出現(xiàn)破損或沉船后,船上的貨物或燃油泄漏將對(duì)海洋環(huán)境造成影響。搶險(xiǎn)打撈工作必須通過合適的裝備才能完成,模塊以及大型結(jié)構(gòu)件也需要合適的船型來(lái)運(yùn)輸,抬浮力打撈工程船(見圖1)設(shè)計(jì)有寬敞平整的作業(yè)甲板,既能滿足打撈作業(yè)的要求,又能滿足對(duì)大型結(jié)構(gòu)物裝載及運(yùn)輸?shù)囊螅哂袕V泛的應(yīng)用前景[1]。

圖1 抬浮力打撈工程船
本文對(duì)某120 000 kN抬浮力打撈船的電氣系統(tǒng)進(jìn)行介紹,并結(jié)合打撈船的工作特點(diǎn),對(duì)該船的工作模式和電氣系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行說明。該船具備2級(jí)動(dòng)力定位能力(Dynamic Positioning 2,DP2),采用電力推進(jìn),具備快速調(diào)載功能,單邊抬浮力可達(dá)120 000 kN。
本船的電力系統(tǒng)主要包括4臺(tái)主發(fā)電機(jī)(額定電壓6.6 kV,額定功率4 200 kW)、1臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)(額定電壓400 V,額定功率375 kW)、1臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)(額定電壓400 V,額定功率760 kW)、1套6.6 kV中壓配電板、1套400 V/230 V低壓配電板、1套400 V/230 V應(yīng)急配電板組成。其中,6.6 kV中壓配電板主要為2個(gè)主推進(jìn)、2個(gè)艏側(cè)推進(jìn)器、2個(gè)艉側(cè)推進(jìn)器、2個(gè)日用變壓器、2個(gè)絞車變壓器和4臺(tái)壓載泵供電;400 V低壓配電板主要為船上的輔助設(shè)備供電;230 V低壓配電板主要為照明設(shè)備和較小功率的設(shè)備供電;400 V/230 V應(yīng)急配電板主要為應(yīng)急負(fù)載供電。電力系統(tǒng)框架見圖2。

圖2 電力系統(tǒng)框架
為保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行并滿足動(dòng)力定位DP2冗余性的要求,動(dòng)力定位工況下任何單點(diǎn)故障都不能導(dǎo)致全船失去定位能力,即單點(diǎn)故障不能失去多于3臺(tái)推進(jìn)器。全船共有2段6.6 kV中壓配電板,2段400 V低壓配電板和2段230 V低壓配電板,中壓板每段連接2臺(tái)主發(fā)電機(jī)和3臺(tái)推進(jìn)器。在進(jìn)行電站設(shè)計(jì)時(shí),要保證該電站既能在“合排”也能在“分排”情況下正常工作。在DP工況下,只允許電站“分排”工作,任何動(dòng)態(tài)單點(diǎn)故障最多導(dǎo)致失去一段中壓板,而不能導(dǎo)致全船失電,單點(diǎn)故障發(fā)生后,余下的電站系統(tǒng)應(yīng)能保證為動(dòng)力定位提供足夠的電力。不允許400 V低壓配電板向6.6 kV中壓配電板供電,應(yīng)急工況下,400 V應(yīng)急配電板不允許向400 V低壓電板倒供電。
本船主要考慮6種設(shè)計(jì)工況:航行工況、進(jìn)出港工況、DP工況、DP下潛定位工況、停泊工況、最大故障情況。
對(duì)于航行工況,4臺(tái)4 200 kW主發(fā)電機(jī)在網(wǎng),可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷減少發(fā)電機(jī)在網(wǎng)數(shù)量。2段中壓配電板合排連成一段,2段400 V低壓配電板和2段230 V低壓配電板連成一段,直流24 V充放電板連成一段。
對(duì)于進(jìn)出港工況,至少要保證3臺(tái)4 200 kW主發(fā)電機(jī)在網(wǎng),根據(jù)實(shí)際負(fù)荷可增加發(fā)電機(jī)數(shù)量。2段中壓配電板合排連成一段,2段400 V低壓配電板和2段230 V低壓配電板連成一段,直流24 V充放電板連成一段。
對(duì)于DP工況,船舶處于漂浮狀態(tài),正常吃水7.5~7.9 m。此工況下4臺(tái)4 200 kW主發(fā)電機(jī)在網(wǎng),2段中壓配電板分排分成2段,2段400 V低壓配電板、2段230 V低壓配電板和直流24 V充放電板均分別分為2段。
DP下潛定位工況是打撈船特有的工況,當(dāng)船舶下潛到21.4 m深時(shí),4臺(tái)4 200 kW主發(fā)電機(jī)在網(wǎng),2段中壓配電板分成2段,2段400 V低壓配電板、2段230V低壓配電板和直流24 V充放電板均分別分為2段。
對(duì)于停泊工況,1臺(tái)760 kW停泊發(fā)電機(jī)連接到400 V低壓配電板上,中壓配電板退出工作,2段400 V低壓配電板連成1段、2段230 V低壓配電板連成1段,直流24 V充放電板連成一段。
在DP工況下,整個(gè)電站系統(tǒng)可視為2個(gè)冗余組系統(tǒng),最大單點(diǎn)故障僅限于失去一段母線。一段母線上有2臺(tái)主發(fā)電機(jī)和3個(gè)推進(jìn)器。除此之外,冗余組還包括相關(guān)輔機(jī)和控制系統(tǒng),DP模式下的最大故障情況包括所有設(shè)備故障、短路故障、斷線故障、軟件故障等。假設(shè)最大故障工況發(fā)生在1號(hào)中壓配電板,1號(hào)配電板及其冗余組退出運(yùn)行,2號(hào)冗余組設(shè)備將繼續(xù)運(yùn)行。
在退出DP2模式、進(jìn)入DP2模式或切換變壓器工況時(shí)會(huì)涉及到2臺(tái)配電變壓器的短時(shí)并聯(lián)。
在DP2模式時(shí),2段6.6 kV中壓配電板分排工作,2臺(tái)日用變壓器單獨(dú)運(yùn)行。當(dāng)退出DP2模式時(shí),由于2段6.6 kV配電板要合排運(yùn)行,此時(shí)的2臺(tái)變壓器工作安排如下:1臺(tái)變壓器為400 V配電板供電,另一臺(tái)變壓器停機(jī)備用。由于該轉(zhuǎn)換過程要保證不能斷電,配電板的短路耐受和峰值很大,需要通過功率管理系統(tǒng)(Power Management System,PMS)對(duì)發(fā)電機(jī)數(shù)量進(jìn)行限制,最大允許在網(wǎng)數(shù)量為1臺(tái)。
低壓配電板包括本地和遙控等2種模式,在本地模式下,手動(dòng)操作分合閘;在遙控模式下,通過PMS控制分合閘。本地和遙控模式切換旋鈕安裝在400 V低壓配電板上。
當(dāng)由雙變壓器運(yùn)行轉(zhuǎn)為單變壓器運(yùn)行時(shí),首先要判斷在網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量,當(dāng)發(fā)電機(jī)數(shù)量不少于2臺(tái)時(shí),禁止400 V配電板母聯(lián)開關(guān)合閘;當(dāng)發(fā)電機(jī)數(shù)量為1臺(tái)時(shí),允許400 V配電板母聯(lián)開關(guān)合閘。當(dāng)400 V母聯(lián)開關(guān)閉合后,在5 s內(nèi)分閘其中1臺(tái)變壓器2次側(cè)400 V配電板進(jìn)線開關(guān)。當(dāng)2臺(tái)變壓器短時(shí)并聯(lián)超過5 s后,400 V配電板自動(dòng)分閘母聯(lián)開關(guān)。
當(dāng)1臺(tái)中壓發(fā)電機(jī)在網(wǎng)時(shí),主電模式和停泊模式間可實(shí)現(xiàn)不間斷切換。單臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)即可與主變壓器并車以進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移。
低壓配電板包括本地手動(dòng)、本地自動(dòng)和遙控自動(dòng)等3種模式。在本地手動(dòng)模式下,負(fù)載轉(zhuǎn)移在低壓板板前手動(dòng)操作;在本地自動(dòng)模式下,負(fù)載分配、轉(zhuǎn)移,以及同步合閘由配電板自動(dòng)完成;在遙控自動(dòng)模式下,負(fù)載轉(zhuǎn)移由PMS自動(dòng)執(zhí)行。本地手動(dòng)、本地自動(dòng)和遙控自動(dòng)模式切換旋鈕安裝在400 V配電板的同步屏上。
當(dāng)由6.6 kV配電板供電模式轉(zhuǎn)為停泊發(fā)電機(jī)供電模式時(shí),初始狀態(tài)為1臺(tái)6 600 V發(fā)電機(jī)在網(wǎng)及母聯(lián)開關(guān)閉合,1臺(tái)配電變壓器在網(wǎng)工作,400 V配電板母排開關(guān)合閘。此時(shí)啟動(dòng)停泊發(fā)電機(jī),PMS發(fā)送合閘指令給400 V配電板停泊發(fā)電機(jī)開關(guān),400 V配電板同步并合閘開關(guān),PMS調(diào)節(jié)停泊發(fā)電機(jī)的速度加速把負(fù)荷轉(zhuǎn)移到停泊發(fā)電機(jī)。PMS在變壓器開關(guān)上電流小于100 A時(shí)分閘變壓器開關(guān)。
當(dāng)由停泊發(fā)電機(jī)模式轉(zhuǎn)為6.6 kV配電板供電模式時(shí),初始狀態(tài)為停泊發(fā)電機(jī)在網(wǎng),6.6 kV配電板母排開關(guān)合閘,配電變壓器二次側(cè)開關(guān)分閘,400 V配電板母排開關(guān)合閘。此時(shí)啟動(dòng)1臺(tái)主發(fā)電機(jī)并將發(fā)電機(jī)主開關(guān)合閘,PMS發(fā)送閉合配電變壓器開關(guān)閉合命令至400 V配電板6 600 V/400 V變壓器2次側(cè)開關(guān),400 V配電配電板同步和并車合閘,PMS調(diào)節(jié)停泊發(fā)電機(jī)速度減速將負(fù)荷轉(zhuǎn)給6 600 V/400 V配電變壓器。當(dāng)停泊發(fā)電機(jī)負(fù)荷低于10%以下時(shí)PMS分閘停泊發(fā)電機(jī)開關(guān)。
在上述2種切換模式中,PMS同步超時(shí)設(shè)定為45 s,PMS負(fù)載轉(zhuǎn)移超時(shí)設(shè)置為15 s(可調(diào)節(jié)),發(fā)送同步超時(shí)或負(fù)載轉(zhuǎn)移超時(shí)失敗報(bào)警,并記錄在報(bào)警列表里。
3.3.1 完全失電及恢復(fù)
當(dāng)6.6 kV中壓配電板和400 V低壓配電板的電壓為0時(shí),認(rèn)為完全失電。
在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需要預(yù)防DP模式下的失電事故。在非DP模式下,主要由PMS負(fù)責(zé)系統(tǒng)失電后的恢復(fù)工作。
當(dāng)失電發(fā)生時(shí),主發(fā)電機(jī)開關(guān),所有中壓開關(guān),主配電變壓器一次側(cè)、二次側(cè)開關(guān)欠壓脫扣。400 V配電板母聯(lián)開關(guān)、400 V應(yīng)急配電板跨接開關(guān)欠壓脫扣。400 V/230 V照明變壓器原副邊和230 V配電板母聯(lián)開關(guān)欠壓脫扣。
船舶完全失電后的恢復(fù)順序:
1)400 V應(yīng)急配電板失電后,應(yīng)急配電板自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī),應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)自動(dòng)閉合。
2)在應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)的同時(shí),下列順序由PMS自動(dòng)完成:
(1)同時(shí)啟動(dòng)所有具備啟動(dòng)條件的主發(fā)電機(jī)。
(2)閉合已經(jīng)工作的發(fā)電機(jī)開關(guān)向每段中壓配電板供電,中壓母聯(lián)開關(guān)保持打開狀態(tài),中壓板分成2段分區(qū)供電。
(3)閉合2臺(tái)配電變壓器開關(guān)并向400 V主配電板供電,400 V主配電板母聯(lián)保持打開狀態(tài)。
(4)閉合照明變壓器開關(guān)并向230 V主配電板供電,230 V主配電板母聯(lián)保持打開狀態(tài)。
3)當(dāng)400V主配電板供電恢復(fù)后,應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)會(huì)被應(yīng)急配電板自動(dòng)分閘。
4)應(yīng)急配電板自動(dòng)閉合默認(rèn)的應(yīng)急配電板跨接開關(guān)。
5)應(yīng)急發(fā)電機(jī)延時(shí)后自動(dòng)停機(jī)。
6)根據(jù)故障排除情況,船員可以通過PMS觸摸屏手動(dòng)遙控或者配電板本地手動(dòng)恢復(fù)各母聯(lián)開關(guān)在失電前的狀態(tài)。
7)400 V配電板監(jiān)測(cè)到供電恢復(fù)后,按預(yù)設(shè)的程序起動(dòng)重要負(fù)載。
3.3.2 部分失電恢復(fù)
當(dāng)主配電板分成2段時(shí),沒有匯流排接地故障以及短路故障時(shí),部分失電啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī),恢復(fù)程序參考完全失電工況執(zhí)行。
3.3.3 癱船啟動(dòng)模式
癱船模式定義如下:電站長(zhǎng)時(shí)間完全失電,不間斷電源(Uninterrupted Power Supply, UPS)沒電,主發(fā)電機(jī)的氣瓶沒氣。
電站操作順序如下:
1)通過應(yīng)急啟動(dòng)空壓機(jī)和應(yīng)急空氣瓶啟動(dòng)應(yīng)急發(fā)電機(jī),并向400 V應(yīng)急配電板供電。
2)啟動(dòng)主空壓機(jī)。
3)每段配電板啟動(dòng)1臺(tái)主發(fā)電機(jī)并向6.6 kV中壓配電板供電。
4)閉合主配電變壓器開關(guān),向400 V主配電板供電。
5)斷開應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)。
6)閉合400 V 應(yīng)急配電板跨接開關(guān)。
7)關(guān)閉應(yīng)急發(fā)電機(jī)。
本船入級(jí)中國(guó)船級(jí)社(China Classification Society, CCS),入級(jí)符號(hào)DP2,即在出現(xiàn)單個(gè)故障(不包括一個(gè)或幾個(gè)艙室的損失)后,可在規(guī)定的環(huán)境條件下,在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持平臺(tái)的位置和艏向[2]。
冗余組需要滿足DP的相關(guān)要求,單個(gè)冗余組包括2臺(tái)發(fā)電機(jī)、3臺(tái)推進(jìn)器和相連接的配電變壓器。電站包含2個(gè)冗余組,當(dāng)單個(gè)冗余組故障時(shí),其余冗余組能繼續(xù)輸出電力來(lái)維持動(dòng)力定位能力。通過配電板之間相互隔離和選擇性保護(hù),最大故障情況下最多會(huì)失去一段中壓配電板。
多段母線電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:
1)柴油發(fā)電機(jī):
輔機(jī)及其啟動(dòng)器供電和控制電需滿足自治系統(tǒng)的要求,即能夠獨(dú)立運(yùn)行并獨(dú)立控制。
自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器(Automatic Voltage Regulation,AVR)有2條供電線路,一路來(lái)自發(fā)電機(jī),另一路來(lái)自110 V UPS。
2)中壓配電板
中壓配電板帶有具有監(jiān)視和診斷功能的繼電保護(hù)器。電站系統(tǒng)能在“一段母線”和“多段母線”工況下工作。中壓配電板具有燃弧保護(hù),各冗余組由單獨(dú)的110 V UPS提供控制電。
3)主配電變壓器
預(yù)勵(lì)磁裝置直接由6.6 kV中壓配電板供電。
4)低壓配電板
柴油機(jī)組、推進(jìn)鏈、舵漿系統(tǒng)、變壓器、中央冷卻系統(tǒng)的輔機(jī)供電需要滿足自治要求。
5)主推進(jìn)變頻系統(tǒng)
主推進(jìn)變頻系統(tǒng)具有快速減載功能,變頻器由獨(dú)立的230 V UPS供電,推進(jìn)變壓器具有預(yù)勵(lì)磁裝置。
根據(jù)冗余組分區(qū)要求,單個(gè)推進(jìn)變頻鏈及其輔助系統(tǒng)自成一套自治系統(tǒng)。主電和輔助供電均來(lái)自該冗余組。另外,推進(jìn)變頻鏈輔機(jī)由推進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元控制啟停。
典型的推進(jìn)鏈輔機(jī)包括如下5部分:
1)齒輪箱和軸系滑油泵等輔助設(shè)備。
2)中央冷卻泵 。
3)變頻器內(nèi)部水冷泵和加熱器。
4)推進(jìn)變壓器冷卻風(fēng)機(jī)和加熱器。
5)推進(jìn)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)和加熱器。
推進(jìn)變頻鏈有2種控制方式:本地控制和遠(yuǎn)程控制。本地控制設(shè)置于機(jī)旁控制面板上,本地控制具有最優(yōu)先的控制權(quán)。遠(yuǎn)程控制來(lái)自于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),變頻鏈輔機(jī)受變頻器驅(qū)動(dòng)單元控制。
在電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)、發(fā)電機(jī)過載、故障發(fā)電機(jī)跳閘退出的情況下,變頻器根據(jù)來(lái)自PMS的可用功率信號(hào)來(lái)執(zhí)行快速減載功能,可有效避免電站瞬間過載。
本船機(jī)艙設(shè)有由4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的公共電站,通過PMS可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電站功能,以滿足各種工況下的需要。
電站功率管理系統(tǒng)在配電板中遙控或自動(dòng)模式下啟動(dòng)。PMS具有全面的管理功能,包括:
1)PMS將合閘指令傳送至中壓配電板,中壓配電板安裝有同步并車模塊用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并合閘開關(guān)。
2)PMS將分閘指令傳送至中壓配電板,開關(guān)分閘,停止發(fā)電機(jī)組。
3)需要時(shí)斷開或閉合(包括同步)母聯(lián)開關(guān)。
4)在操作站或就地手動(dòng)改變工作模式。
5)提供機(jī)組間的負(fù)載分配功能。
6)延時(shí)啟動(dòng)大負(fù)載,直到備用發(fā)電機(jī)組能承擔(dān)足夠的功率。
7)斷電后按程序恢復(fù)供電功能。
8)PMS發(fā)出啟動(dòng)指令至各獨(dú)立的柴油機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng),并由其執(zhí)行具體功能。
9)斷電后PMS起動(dòng)并連接發(fā)電機(jī)組到主配電板。可任意選擇機(jī)組啟動(dòng)順序。
10)當(dāng)電站剩余功率不足時(shí),PMS禁止大負(fù)載啟動(dòng),同時(shí)啟動(dòng)后備機(jī)組并同步并入電網(wǎng),再啟動(dòng)大負(fù)載。
11)PMS根據(jù)電站負(fù)荷,自動(dòng)增機(jī)和減機(jī)。
12)PMS預(yù)防斷電功能。
13)在剩余功率不足或手動(dòng)指令無(wú)法完成時(shí),PMS應(yīng)有報(bào)警功能。
14)每臺(tái)柴油機(jī)設(shè)獨(dú)立的就地/遙控開關(guān)。
15)PMS具有均頻模式和下垂模式。
16)PMS具有順序自動(dòng)起動(dòng)功能。當(dāng)船舶失電后恢復(fù)供電時(shí),海水冷卻泵、低溫淡水冷卻泵、空壓機(jī)、機(jī)艙風(fēng)機(jī)等重要輔機(jī)能按程序順序自動(dòng)起動(dòng)。
17)PMS具有次要負(fù)載自動(dòng)卸載功能。
18)非重要負(fù)載卸載分為2級(jí),當(dāng)PMS檢測(cè)到電站負(fù)荷大于100%時(shí),此時(shí)如果沒有可用的備用發(fā)電機(jī)組,則延時(shí)15 s后發(fā)出第一級(jí)優(yōu)先脫扣信號(hào)至400 V配電板,配電板收到命令后卸載一級(jí)次要負(fù)載。若此時(shí)當(dāng)電站負(fù)荷仍然大于100%,延時(shí)15 s后再次發(fā)出第二級(jí)優(yōu)先脫扣至400 V配電板,由配電板卸載二級(jí)次要負(fù)載。
19)當(dāng)主發(fā)電機(jī)故障,需要強(qiáng)制停機(jī)后,PMS自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。
船舶電力設(shè)備的可靠性和安全性至關(guān)重要。整個(gè)系統(tǒng)及其部件的設(shè)計(jì)宗旨是在任何航行條件下盡可能保證電力供應(yīng)和操作穩(wěn)定性。保護(hù)系統(tǒng)可確保在出現(xiàn)過載、短路、接地故障等電路故障時(shí)進(jìn)行選擇性跳閘。但某些類型的故障如AVR和調(diào)速器故障,光靠監(jiān)視故障機(jī)本身是辨別不出來(lái)的。這些故障會(huì)引起在網(wǎng)的健康發(fā)電機(jī)為保持電網(wǎng)電壓或頻率產(chǎn)生錯(cuò)誤反應(yīng),從而使健康發(fā)電機(jī)脫扣而只剩下故障發(fā)電機(jī)在網(wǎng)。沒有了健康的發(fā)電機(jī)維持電壓和頻率,這些故障可能會(huì)引起全船失電,發(fā)電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以很好地解決這些問題[3]。
發(fā)電機(jī)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集柴油機(jī)油門刻度快速變送器信號(hào)、發(fā)電機(jī)電壓快速變送器信號(hào)、發(fā)電機(jī)電流快速變送器信號(hào)、發(fā)電機(jī)頻率快速變送器信號(hào)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流快速變送器信號(hào)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓快速變送器信號(hào)、推進(jìn)器功率和電流快速變送器信號(hào)、AVR故障信號(hào)等信號(hào),根據(jù)專用軟件來(lái)提前判別在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的故障,預(yù)先脫離故障發(fā)電機(jī)的主開關(guān),保證其他發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
本文介紹了某120 000 kN抬浮力打撈船電氣系統(tǒng)的情況,并結(jié)合打撈船的工作特點(diǎn),說明了該船的工作模式和電氣系統(tǒng)的主要功能。隨著國(guó)家交通運(yùn)輸部的規(guī)劃,加快發(fā)展救助打撈裝備研發(fā),打撈船舶的建造將有更加廣闊的空間。