50000dwt半潛船電氣系統設計

劉 以 社

（上海交通大學，上海 200030）

0 前 言

由廣船國際股份有限公司承接、上海船舶研究設計院詳細設計，黃埔船廠建造的中遠航運股份有限公司的2艘50000t半潛船，入CCS（中國船級社）和DNV（挪威船級社）雙船級，掛中國國旗，船級符號為：

1)CCS：Semi-submersible Vessel；

2)DNV：+ 1A1, Ice-C, DK(+), EO, RPS, BIS.

本船通過 6600V中壓供電給2臺電力推進馬達，經過變頻器驅動 2個定距槳來推進船舶；通過空壓機利用壓縮空氣進行打壓載和排壓載，控制船舶的下沉和上浮。由于裝載貨物的極其特殊性——大型鋼結構件、海上鉆井平臺、無動力艦艇以及可移動海上建筑等高附加值特種貨物，對于推進系統及相關配置的安全性尤為重要，因此增加挪威船級社“RPS（冗余推進和分割）”入級符號要求，以A-60水密艙壁分隔的冗余推進配置來有效解決這一問題。

1 電氣系統設計

由于本船采用電力推進系統，并入級RPS附加標志，因此在推進系統與操舵系統上需要考慮冗余設計。全船系統配置如圖1。

圖1 全船系統配置圖

1.1 配電系統

1.1.1 電制

本船采用AC 6600V，60Hz，3PH為主電源，另外還包括常規使用低壓的 AC450V，60Hz；AC230V，60Hz低壓電源和直流24V電源。

1.1.2 發電機

4 臺 4341kVA (3690kW)，AC6600V，60Hz，3PH中壓發電機組，作為主電源供電給電力推進馬達和大功率設備（包括2臺側推，4臺排壓載空壓機），且通過2 臺2200 kVA，6.6/0.45kV配電變壓器變壓后向輔助設備、安全以及船上其他用電設備正常供電。

1臺 1210 kVA (968kW)，AC450V，60Hz，3PH港口發電機，主要用于航行時供電給貨物使用，當船舶處于停泊狀態，4臺中壓發電機不運行時，港口發電機可以作為主電源通過450V匯流排供船舶生活用電。

1臺AC450V，60Hz，3PH應急發電機，額定功率為500kW，供船應急負荷使用。

1.1.3 配電板

根據船上使用的設備情況，本船共包括 2 段（20+2屏）中壓配電板（6600V）和2 段（23屏）低壓配電板（450V及230V）用于全船的供電。

另外廚房設備采用單獨的變壓器供電，使得廚房設備和整個電網隔離，以免廚房設備的低絕緣影響全船電網。

1.1.4 系統保護

1)在中壓部分，下列開關間做到了規范規定的完全選擇性保護，并給出保護協調曲線：

(1)主發電機開關-中壓配電板聯絡開關-供電變壓器開關；

(2)主發電機開關-中壓配電板聯絡開關-推進變壓器開關；

2)在低壓部分，下列開關間做到了規范規定的完全選擇性保護，并給出保護協調曲線：

(1)供電變壓器開關-主應聯絡開關；

(2)供電變壓器開關-主照明變壓器開關-下一級開關；

(3)主應聯絡開關-主照明變壓器開關-下一級開關；

(4)應急發電機開關-應急照明變壓器開關-下一級開關。

這些開關間的保護協調是靠短延時整定時間的不同?？梢钥闯鲈撓到y已做到完全協調地選擇性保護，符合船級社要求。

1.1.5 系統中點接地

由于采用中壓，降低了系統短路電流等級和配電板成本，節省了電纜，提高了系統安全可靠性。中壓系統對安全要求高，系統接地方式應仔細考慮，中點接地方式工藝簡單，但因弧光接地引起的過電壓可能很高。直接接地可將過電壓控制在安全水平，但過大的短路電流可能給系統安全帶來危害。中點經電阻接地，能減少電弧接地過電壓的危險性，接地電流較直接接地小，系統工作連續性好，對通信干擾也小。

1.2 RPS附加標志的電氣設計

RPS是DNV的一個附加標志入級符號，指水密艙壁分隔的冗余推進船舶。主要對推進系統和操舵系統提出了系統備份的要求。即當出現任何故障導致船舶一側設備不能運行時，要保證全船仍能操舵運行，并且至少有50%推進功率保留。這實際上就要求至少配置2套獨立的推進和操舵系統，其控制功能也應該冗余設計，且雙套系統之間應有可靠的分割。

1.2.1 配電系統設計

本船要求至少有雙套獨立推進系統和雙套操舵系統，且2套功能之間有可靠的分隔。因此與推進系統、操舵系統相關的電氣設備，包括中壓配電板、推進變壓器、推進變頻器、推進馬達、450V/ 230V低壓主配電板、主發電機、推進馬達服務的輔助設備，都為左右獨立配置。配電系統如圖2。

可以看出，以虛線為中心線，左、右側機艙的設備分別由左、右側的配電板供電，左右配電板間則由A-60級防火水密壁進行物理分隔，以確保推進系統、操舵系統相關設備供電均冗余，完全獨立。無論哪個設備出了故障，導致一側無法運行，另一側都不會受影響，而且至少可以保證50%的推進功率。

左右配電板通過對母聯開關的選擇性保護和短路保護設計，以保證在單邊機艙發生失火或進水以及單邊推進系統、舵機系統發生故障情況下，能瞬時自動斷開左右配電板間的母聯開關，而不影響另外一側機艙的正常工作。同時左右配電板間聯接的通信和控制電纜，在一側的電纜發生故障時，不影響到另一側配電板的正常工作。

全船的AC450V和AC230V供電，主要通過左右2個2200kVA，6.6/0.45kV配電變壓器分別連接至對應的450V主配電板。這2個變壓器互為備用，所以設計中考慮每個變壓器的容量都能滿足450V和230V負載要求。

1.2.2 推進控制系統設計

RPS除了對推進系統和操舵系統的設備配置有冗余要求外，還對其控制功能也有冗余要求。推進控制系統如圖3。

圖2 配電系統圖

圖3 推進控制系統

推進設備包括：2 臺5250kW推進電機，4臺3300kVA推進變壓器，2臺7000kVA ACS6000變頻器，2臺PCU推進控制裝置，2臺剎車電阻器。其控制分為左、右推進器控制。本船在橋樓前主控制臺、橋樓后貨控臺、兩翼控制臺分別設有推進控制操作站。每個推進操作站各自獨立，可以分別進行左、右推進器控制，也可以左、右同步控制。而且對左、右推進控制信號的采集，以及相關電纜/光纖都是分別從船舶的左右2舷走向控制點，最大程度上保證了2邊控制的獨立性。

除了遙控推進操作站，在推進機艙內的變頻器控制器上也可以對推進馬達進行應急本地控制。操舵控制也一樣，雖然自動舵只有1臺，但是通過命令的轉換，卻可以實現對左、右舵機的聯調和分別控制，左、右舵機艙內也分別設有對各自舵機的應急控制。

1.2.3 故障模式影響分析報告（FMEA）

根據RPS入級要求，需要對本船所有相關系統提出故障模式影響分析報告，通過分析系統中所有部件出現單點故障所造成的后果和影響，來判斷系統的配置和保護是否能滿足RPS的要求。確保找出任何可能影響系統可用性和可靠性的因素，并通過合理設計加以規避。

1.3 甲板貨物供電

由于本船裝載貨物的特殊性——為大型鋼結構件、海上鉆井平臺、無動力艦艇以及可移動海上建筑等高價值特種貨物，而且有的貨物，其本身價值就可能超過了半潛船的價格，因此在保證船舶航行的安全可靠性的同時，給貨物提供電力保障也是必要的。

為此，本船專門設置了 1臺 1210kVA（968kW），AC450V，60Hz，3PH發電機為貨物供電。這臺發電機通過設在低壓配電板的貨物饋電屏專門為貨物供電，這是一條獨立的供電線路，與半潛船的主電網是脫開的，沒有任何聯系，不會互相影響。

另外，從經濟方面考慮，對全船的電力負荷進行平衡。根據配置2臺2200kVA，6.6/0.45kV配電變壓器使用情況，在正常航行工況下，如果貨物需要的功率在 600kW 以下，則可以通過主電網變壓來的AC450V配電板提供貨物必須的電源。在貨物需要的功率大于600kW時，使用968kW發電機單獨向貨物供電，以節約柴油消耗。

在停泊工況時，由于中壓發電機不運行，可將968kW的發電機用作停泊發電機，向船舶的450V配電板供電，提供船舶停泊時的正常供電。而此時也可以利用450V配電板上專門的貨物供電開關向貨物供電，但考慮發電機容量，此時限制貨物功率在300kW以內。

另外，貨物、船舶450V配電板、貨物/停泊發電機之間的幾個開關設有連鎖功能，以保證各個供電主開關間的正常使用，以及對貨物供電和操作人員的安全。

1.4 綜合監測報警控制系統

綜合監測報警控制系統（IACMS）見圖4。采集報警和控制點近5000個，40幅MIMIC圖（系統模擬圖），包括電力推進設備控制與報警、362個遙控閥的控制、338點液位顯示及設備的報警信號。采用KONGSBERG的K-Chief 700系統，光纖連接，以提高數據傳輸的可靠性。

圖4 綜合監測報警控制系統

另外設有自動電站管理裝置，按負荷大小能自動起動解列發電機組，自動并車和負載分配。在航行工況中，當電站并聯機組發生故障時，該裝置能卸下次要負載，以確保航行設備安全用電，提高了電網供電可靠性。

全船共配置7個自動化操作站（橋樓主控臺1個，貨控臺2個，集控室2個，低壓配電間2個），所有的數據都通過全船（推進機艙、配電間、機艙和左右通道內）的信號采集箱收集并處理后，在所有的操作站終端 MIMIC圖上通過點擊鼠標，實現諸如電站自動化，機艙監測報警，液位監測和裝卸貨下潛上浮期間的排壓載這些控制和監測功能。而上述7個操作站都能根據各自的權限，實現上面的所有功能，真正實現了數據共享，數據備份，控制功能備份。

另外還配置15個局域網計算機接口，進行全船自動化管理。該網絡實現了全船的網絡化、數據化。

此外，全船還配有輪機員安全報警系統和延伸報警系統。

1.5 其他系統

1.5.1 航行燈

特種工作船從中部到尾部都是開敞的平坦甲板，根據1972年海上防碰撞規則附件I第3a條，對桅頂燈的縱向距離的要求難以滿足；另外尾燈布置在浮箱上，不能滿足船中線布置要求，這都需要申請掛旗國的豁免。

1.5.2 通信導航系統

內部通信系統設備按照常規貨船進行配置，導航設備配置較常規貨船要高，共配置了2套電羅經，2套GPS（全球定位系統）衛星導航儀，2套電子海圖（1套作為計劃站，1套作為綜合信息顯示系統），2套衛通C站，2套衛通F站，3套回轉速率指示器。

1.5.3 閉路監視系統

配置了15臺攝像機和1臺可移動攝像機，可以在貨控臺和集控臺對全船情況進行監控。

1.5.4 水密門指示系統

由于本船將下潛26m，整個主甲板在下潛時都將淹沒在水中，這樣對于全船的水密門的開關狀態需要嚴格監控，全船共配有 15個水密門，均可以在就地和駕駛室進行控制和操作。

2 結 語

由于 50000t半潛船面對的是高端貨物市場，DNV的RPS附加標志使船舶的航行安全上有了跨越性的提高，同時也對各相關系統在設計廣度與深度上提出了更高的要求，并積累了這類船舶的寶貴設計經驗，能為今后承接同類型的高附加值船舶設計提供參考。

[1] 中國船級社.鋼質海船入級規范2006[S].

[2] Det Norske Veritas.Rules for Classification of Ships[S].