船舶綜合電力系統規范與標準研究

盛偉群，鄧麗娟，劉麗紅（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

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船舶綜合電力系統規范與標準研究

盛偉群，鄧麗娟，劉麗紅
（中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

摘 要：文章對國內外船舶綜合電力系統技術發展現狀進行了歸納，結合對主要船級社規范要求和國際現有適用標準的分析，列舉了我國現有適用的國家標準。并根據我國船舶綜合電力相關標準的現狀，提出了國內船舶綜合電力系統的標準化發展方向。

關鍵詞：船舶；綜合電力系統；規范；標準

0 引言

船舶綜合電力系統（圖1）是船舶動力的發展方向，是造船技術發展史上又一次革命性的跨越。它將傳統船舶相互獨立的機械推進系統和電力系統以電能的形式合二為一，通過電力網絡為船舶推進、通信導航、特種作業和日用設備等提供電能，從而實現全船能源的綜合利用［1，2］。

隨著先進探測設備、電子裝置的問世和實船應用，特別是船舶電力推進系統的推廣使用，傳統的低壓、小容量船舶電站已無法滿足大容量負載船舶的電能需求，這就要求船舶實現全船能源和資源的全面整合。船舶綜合電力系統正具有全船電力能源統籌設計、統一管理、統一分配、優化配置等特點。隨著研究的不斷深入，船舶綜合電力系統的應用得到快速發展。實踐證明，船舶應用綜合電力系統后，可節能約20%，其性能、可靠性大幅提高，大大降低了其建造、運行、維修維護的成本，減少了船舶廢氣的排放。普遍采用綜合電力系統已成為未來船舶動力系統發展的趨勢。

圖1　船舶綜合電力系統示意圖

1 國內外技術發展現狀

1.1國外技術發展現狀

西方國家早在20世紀80年代中期就開始了船舶綜合電力相關技術的研發，美、英等國海軍都先后制定了發展IPS、IFEP及AES的研發計劃和戰略規劃。經過30多年的發展，西方國家突破了一系列關鍵技術，并進入了船舶綜合電力系統全面推進應用階段。

美國自 1986年提出“海上革命”計劃，制訂專項“綜合電力系統”（IPS）計劃后，就組織海軍研究機構、大學“電力艦船研發聯盟”、通用電氣公司、洛克希德·馬丁等公司形成研發體系。在研究新一代大型船舶的過程中，美國不斷完善船舶綜合電力系統的組成模塊和特征需求，研制出了多種類型的大容量、高功率密度的船用發電模塊和高度智能的管理系統，并通過陸基試驗系統，驗證了各組成模塊的功能和系統集成技術［3］。

英國于 1994年正式開始船舶全電力系統的應用研究，并于1996年成立了電船計劃管理局，專門負責協調發展和采購未來海軍水面艦艇的綜合全電力推進系統。2000年11月1日，英國皇家海軍決定在45型驅逐艦上采用綜合電力系統，首艘45型驅逐艦“勇敢”號于2007年7月18日成功試航。當前，最引人注目的是英國 2艘在建的“伊麗莎白女王”號和“威爾士親王”號航母，按計劃均將采用綜合全電力推進系統（IFEP）。其中，“伊麗莎白女王”號航母采用兩臺單機功率36 MW級MT-30燃氣渦輪、兩臺單機功率11 MW級的柴油機以及兩臺單機功率9 MW級柴油機作為發電機動力來源，總輸出功率在108 MW以上。

此外，瑞士的ABB、法國的阿爾斯通等公司在船舶電力推進領域均有較大突破。ABB集團精于吊艙式推進系統，電機安裝在船體底部可以自由旋轉的吊艙內，可以極大地提高船舶機動性；阿爾斯通集團精于固定螺旋槳模式下的大功率推進電機技術，美國“朱姆沃爾特”級驅逐艦和英國“伊麗莎白女王”號航母就采用了阿爾斯通的同步感應電機。

目前，西方發達國家對船舶綜合電力的研究主要集中在集成技術、模塊化和標準化、發電模塊、配電模塊以及智能管理系統的研究。

1.2國內技術發展現狀

我國在船舶電力系統研究及應用方面起步較晚。在“十五”期間，通過初期探索，形成了系統概念方案、主要設備和全系統的目標圖像，明確了綜合電力系統的技術發展路線。同時，在此期間，我國多家企業贏得了新型綜合電力推進船舶的首批制造訂單，開始建造電力推進船舶。如，2002年廣船國際股份有限公司為COSCO建造的18 000 t半潛船“泰安口”號是我國第一艘自行建造的海洋工程大型特種船舶，該船采用兩套SSP吊艙電力推進系統；2005年江南造船（集團）有限責任公司建造的“海監 83”號采用了緊湊型吊艙裝置的全電力推進系統［4］。

“十一五”期間，我國構建了綜合電力系統的基礎理論體系，先后攻克了系統網絡結構、集成化發電、先進感應推進等數十項關鍵技術。在此期間我國持續推進綜合電力推進船舶的設計建造，如由天津新港船舶重工有限責任公司建造的煙大鐵路火車輪渡采用了第三代電力推進系統，此船是世界上第一艘采用電力推進系統的火車滾裝船。此外，天津新港船舶重工有限責任公司建造的火車滾裝船“中鐵渤海1號”也采用了全電力推進系統。但該階段船舶綜合電力推進系統的設計集成和裝船設備仍主要由 ABB、阿爾斯通和西門子等國外公司提供。

2010年以來，我國綜合電力系統技術水平又上了一個新臺階。海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室提出一二代混合的綜合電力系統技術方案，牽頭并聯合國內船電行業優勢單位構建了中壓直流綜合電力系統，同時完成全系統聯調試驗。中船重工712研究所研制了以變頻器、推進電機、推進變壓器、功率管理系統、操縱控制系統為核心的推進系統，實現了單軸推進功率20 MW以下船舶電力推進系統的全部國產化。中船重工704所在綜合電力系統集成產品領域屢有斬獲，先后順利地完成大型遠洋拖網漁船電站、1 500 t海監科考船綜合電力系統集成、“世紀神話”號和“世紀傳奇”號兩艘五星級內河豪華游船綜合電力系統集成等多個項目。在此階段，船舶綜合電力系統在我國得到了越來越廣泛的應用，先后成功應用于海洋考察船、試驗船、打撈船、石油鉆井平臺、海監船、化學品船、集裝箱船、起重船、成品油輪和液化天然氣船等船舶，如，30 000 t自航半潛船“華海龍”號、“海洋石油278”半潛式自航工程船、“海洋石油720”深水物探船等，均采用了全電力推進系統。

發達國家船舶綜合電力系統技術研究比我國先行20來年，無論在基礎理論還是工程實踐中都積累了較為豐富的經驗。我國起步較晚，與發達國家相比尚處于比較落后的狀態，尤其是在船用大功率永磁電機、高壓大容量電力集成、吊艙推進器、系統控制與調速技術等關鍵設備和技術領域。但不可否認，自“十五”以來我國在船舶綜合電力系統技術領域也取得了一系列成果和突破，這為我國船舶綜合電力系統技術的未來發展打下了堅實的基礎。

3 船級社規范和標準現狀

3.1國內外船級社規范現狀

為了保證入級船舶電力推進裝置在運行中的性能指標滿足特定要求，國內外各大船級社對電力推進系統和設備均提出了相關技術要求，但各自的側重點有所不同。

3.1.1英國勞氏船級社（LR）規范［5］

LR規范《船舶入級檢驗規范（Rules and Regulations for the Classification of Ships）》（2014版）第六部分“控制、電氣、制冷與防火”第二章“電氣工程”中對“電力推進”列出了相關要求，包括總則、功率要求、推進控制、推進系統的保護和儀表。LR規范在供電和配電中沒有將高壓內容另外列出，電力推進的中低壓、高壓供電和配電系統的技術要求均分布在第二章相應各節中。

對于吊艙式推進裝置，LR規范第五部分第九章也予以規定，該部分內容適用于推進、動力定位或獨立操舵用以電力推進電動機作為動力的吊艙式推進裝置。

3.1.2美國船級社（ABS）規范［6］

ABS規范《鋼質海船建造與入級規范（Rules for Building and Classing Steel Vessels）》（2015版）第八章“電氣系統”第五節“專用系統”中的“高壓系統”對標稱電壓（線電壓）超過1 kV的交流系統提出了技術要求，該節對電力推進系統相關設計、電源、電路保護、推進控制、儀表和設備等也明確了相關規定。

3.1.3德國勞氏船級社（GL）規范［7］

GL規范《船舶技術入級與建造規范（Rules for Classification and Construction Ship Technology）》（2014版）第三分冊“電氣裝置”第二部分“電氣設備的安裝”對主電源供應、蓄電池、電力變壓器、電子器件、低壓配電盤和額定線電壓大于1 kV和不大于17.5 kV額定頻率為50 Hz或60 Hz的電網等設備列出了相關要求。該分冊第十三部分“電力推進裝置的補充規則”規定了驅動裝置、靜變止流器、控制站、船舶主干線控制和調節、裝置的保護、測量指示和監測設備、電纜和電纜安裝，建造、試驗和試航時的監督以及帶有冗余推進系統的船舶的附加規則等的要求。

3.1.4挪威船級社（DNV）規范［8］

DNV 規范《船舶入級規范（Rules for Classification of Ships）》（2014版）第四部分“機械和系統設備及操作”第八章“電氣裝置”中的第十二節“電力推進”對船舶電力推進系統的設計、容量、電源、保護和控制系統提出了明確要求，“電力推進”的要求是對第八章“電氣裝置”第二節至第十二節要求的補充，“電力推進”中對儀表和自動化的相關規定是對第九章“控制與監控系統”的補充。DNV規范對“高壓系統”的要求未進行專門說明。

3.1.5中國船級社（CCS）規范［9］

CCS規范《鋼質海船入級規范（Rules for Classification of Sea-going Steel Ships）》（2014年綜合文體）第八篇“其他補充規定”中的第十五章“電力推進船舶補充規定”對船舶電力推進系統的動力裝置、公共電站、配電板、功率管理裝置、驅動裝置、控制裝置和吊艙推進器等裝置和設備等提出了相關技術要求。

3.2國內外標準現狀

3.2.1國際標準

目前國際上發布船舶綜合電力系統相關標準的機構主要為國際電工委員會船舶及移動式和固定式近海裝置電氣設備技術委員會（IEC/TC18）。另外，美國電氣和電子工程師學會（IEEE）發布的部分標準也適用于船用綜合電力系統。

1）IEC 60092-501：2013《船舶電氣設施 第501部分：特性 電氣推進裝置》

IEC 60092-501：2013規定了全電力推進裝置的要求，并給出了規格書、系統設計、安裝和試驗等要求，包括發電機及其原動機、開關板、變壓器/電抗器、半導體變流器、推進電動機、勵磁系統、控制、監測和安全系統以及電纜、母線等設備要求。

與2007年的第四版相比，該版本增加了系統責任、電磁兼容（EMC）、諧波畸變和濾波的要求、帶有推進電動機吊艙驅動船以及電力管理系統的特殊要求。

2）IEC 60092-503：2007《船舶電氣裝置 第503部分 特性 電壓＞1 kV且≤15 kV的交流供電系統》

IEC 60092-503：2007對電壓1 kV以上至不大于15 kV的交流供電系統的電壓、配電系統、電氣保護、交流發電機、變壓器以及開關和控制設備等進行了規定。

與1975年的第一版相比，該版本將系統上限電壓從1 kV改變到15 kV，且引入關于報警指示、通訊裝置、未絕緣導體的電氣間隙和爬電距離以及接地等的一般要求。

3）IEC 60146-1-1：2009《半導體變流器 一般要求和電網換相變流器》

IEC 60146-1-1：2009對所有采用可控和/或非可控半導體開關器件的電力變流器和電子開關的性能提出了要求。且規定了將交流電力變為直流或相反的線路換向變流器的要求，這些要求部分也適用于其他型式的電力變流器。值得指出的是，這一標準已被ABS軍艦規范和ABS鋼質船舶規范認可，被用于規范半導體變流器的設計、制造和試驗。

4）IEEE發布的船舶綜合電力相關國際標準

IEEE Std 45-2002《船用電氣裝置的推薦實施規范》中“電力推進和操縱系統”提出的建議涉及電力推進系統的一般規格、試驗、安裝、運行和保養。

IEEE Std 1662-2008《船舶電力系統中電力電子的設計和應用指南》適用于船舶及類似用途的電力電子部件和系統。該標準船用綜合電力系統的框架出發，歸納了目前在船上應用電力電子設備的電氣工程方法和實踐，介紹了分析法，優先參數和性能特性。

3.2.2國內標準

按照我國《船舶工業標準體系表（2012年版）》的專業領域劃分，船舶綜合電力系統標準歸在DC船舶電氣系統及設備下。目前國內可以直接應用到船舶綜合電力系統的國家標準主要有三項，涉及電力推進系統主要機械和設備、交流供電系統。

1）GB/T 13030-2009《船舶電力推進系統技術條件》

該標準適用于推進系統主要機械和設備的設計、制造和試驗，主要規定了船舶電力推進系統的分類、技術和試驗要求。

2）GB/T 22190-2008《船舶電氣設備 專輯電力推進系統》

該標準適用于電力推進機械和裝置，主要規定了推進電動機、推進發電機及其原動機、電磁離合器、相關聯的半導體變流器、勵磁系統、監控、測量儀表、保護設備和系統以及接線和電纜的技術條件、安裝和試驗。

3）GB/T 29484-2013《船舶電氣設備 第503部分：專輯 電壓1 kV以上至不大于15 kV的交流供電系統》

該標準等同采用IEC 60092-503：2007，主要對電壓1 kV以上至不大于15 kV的交流供電系統的電壓、配電系統、電氣保護、交流發電機、變壓器以及開關和控制設備等進行了規定。

3.2.3國內外標準對比分析

目前，國內和國際標準化機構均在加快制定船舶綜合電力系統相關標準的步伐。但相比于國際標準，我國現有船舶綜合電力相關標準存在以下問題。

1）標準內容不夠完整。如GB/T 13030-2009未突出系統總體設計的要求，且未提及電磁兼容性、諧波畸變、濾波和電力管理系統等的要求；

2）標準較為缺乏，涵蓋的技術領域較為有限。目前適用的國家標準除了船舶電力推進系統技術條件之外，只涉及電壓1 kV以上至不大于15 kV交流供電系統，在船用大功率永磁電機、高壓大容量電力電子器件、吊艙推進器等設計制造以及系統集成設計等領域尚無相關標準；

3）對研究技術成果和船級社技術要求的更新反應不夠及時。隨著電力推進系統技術的不斷發展以及采用電力推進船舶數量的不斷增加，船舶電力推進相關國際標準不斷地新增和更新，而我國相應標準的研制推進得較為緩慢，對技術成果和船級社規范要求向標準的轉化不夠及時。

4 我國船舶綜合電力系統標準化發展方向

近年來，我國逐漸意識到船舶綜合電力技術的重要性，全面開展了一系列研究與探索，取得一系列成果，船舶綜合電力系統的應用也越來越廣泛。隨著研究工作的進一步深入，綜合電力系統技術逐漸發展成熟，傳統船舶電力系統與采用交流電制的綜合電力系統在發電機、配電系統、電力管理和監控、推進電動機和變頻器等領域存在的技術差異越來越明顯，原有的有關或適用于傳統電力系統的標準、規范都已經不能滿足綜合電力系統和設備的設計需要。

為了將現有的先進技術通過標準作為技術媒介更好地指導船舶綜合電力系統和設備的設計、制造和試驗，目前中船重工704所正在根據2013年質監總局公益性項目《船舶綜合電力系統關鍵技術標準研究》的要求主導開展《船舶中壓直流電力系統通用要求》等9項國家標準的編制，對中壓直流電力系統、混合軸帶發電系統、機械/電力混合推進系統、電力推進變頻器、推進電動機、諧波濾波器、交流中壓柴油發電機組及控制系統等進行統一要求。該系列國家標準將為我國綜合電力系統各分系統、設備的研制工作提供進一步的指導，為我國船舶綜合電力系統的技術發展提供強有力的支撐。

船舶綜合電力系統標準化工作任重而道遠，為了完善我國船舶綜合電力系統標準體系，全面提升船舶綜合電力整體技術水平，根據我國現有船舶綜合電力相關標準存在的不足，建議從以下三個方面推進船舶綜合電力標準化工作。

1）對現有不完整標準進行補充和完善，使之更全面完整地指導船舶綜合電力系統的研發、設計和制造；

2）推進船舶綜合電力系統重點技術和設備亟需標準的研制，在吊艙推進器、大功率永磁電機、高壓大容量電力集成等領域研制一批先進技術標準，為相應領域的技術發展提供支撐；

3）對我國船舶綜合電力系統研究成果和產業現狀及時跟蹤，加快現有研究技術成果向標準的轉化。同時，根據船級社不斷新增和更新的要求及時對現有標準進行修訂。

參考文獻：

［1］ 徐紹佐， 劉赟， 顧海宏. 船舶綜合電力推進系統［J］. 柴油機， 2003（2）： 17-20.

［2］ 陳次祥， 劉莉飛， 唐石青， 等. 船舶綜合電力系統仿真研究［J］. 上海造船， 2010（1）： 51-55.

［3］ 羅偉， 孫朝暉， 方斌. 船舶綜合電力系統研究的新進展［J］. 艦船科學技術， 2009（12）： 105-109.

［4］ 朱煒， 李暉暉. 艦船綜合電力推進技術的發展現狀研究［J］. 船舶， 2013（6）： 64-68.

［5］ LR. Rules and Regulations for the Classification of Ships［S］. 2014.

［6］ ABS. Rules for Building and Classing Steel Vessels［S］. 2015.

［7］ GL. Rules for Classification and Construction Ship Technology［S］. 2014.

［8］ DNV. Rules for Classification of Ships［S］. 2014.

［9］ CCS. 鋼質海船入級規范［S］. 2014.

中圖分類號：U662.1

文獻標志碼：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.001

作者簡介：盛偉群（1979—），男，高級工程師，研究方向：船舶行業標準化研究和管理。

Study on Rules and Standards of Ship Integrated Power System

Sheng Wei-qun， Deng Li-juan， Liu Li-hong
（Shanghai Marine Equipment Research Institute， Shanghai 200031， China）

Abstract：The paper summarizes the technological development status of ship integrated power system at home and abroad. The relevant national standards of China are listed after the analysis of the main classification society rules and international standards. The national standardization developing direction of ship integrated is proposed in accordance with the status of national standards.

Key words：ship； integrated power system； rule； standard