閉環電氣系統在大型工程船舶上的應用

趙建宇，唐 怡

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

隨著海洋工程不斷向深水領域發展，大型工程船舶不斷涌現，大功率電力系統在船舶中的應用也越來越普遍[1]。雖然大功率電力系統滿足了大型工程船的使用要求，但是其能源消耗也相當巨大。如何在保證系統可靠性的同時降低整船的能源消耗成為了擺在各船舶設計機構面前的一道難題。閉環電力系統的應用在船舶節能降耗方面展現出獨有的特點，取得了良好的效果。系統閉環運行是相對系統開環運行的一種提法，相對于常規的開環運行方式，閉環運行將所有主母排連成一個閉環，系統可以根據作業的實際需要投入和退出發電機數量，從而使發電機的利用達到最優程度，達到節能降耗的目的[2]。本文將結合范例，論述系統閉環運行與傳統方式的對比、優勢及注意事項。

1 船舶動力定位系統簡介

船舶電力系統擔負著為全船動力、控制、通信導航以及安全保證等設備提供電源的任務，是船舶動力和控制的重要組成部分。隨著海洋工程需求的不斷提高，船舶日趨大型化、電氣化、智能化。隨著深水作業的增加，船舶動力定位(DP)系統越來越成為深水海洋工程船舶的標準配置。該系統可以在風、浪、流的干擾情況下，不借助錨泊系統而利用自身的推進器，使船舶保持一定的位置和艏向，或者按預定運動軌跡運行[3]。DP系統根據定位需求與效果的不同，可分為DP1、DP2、DP3三個級別。DP3是國際海事組織(IMO)的最高動力定位級別，可依靠自身的自控系統和衛星定位，自動測定風向等海況，并且精準度最高，抗風險能力也最強，即使一個艙室發生火災或進水，仍不影響平臺的位置和艏向。

為了滿足船舶的DP要求，整船電力系統需要按照船級社的規范要求進行設計和配置。如DP3級別船舶，要求發電機艙室及配電間與其他發電機艙室應進行A60防火分隔，做到即使在火災情況下也不影響其他艙室[4]。

2 船舶電力系統運行模式分析

2.1 電氣系統范例

為了更加清楚地說明船舶電力系統運行情況，列舉一個范例進行說明。在范例中，假定目標船為具備DP3級別的動力定位工程船，具有海上吊裝及鋪管功能。為此，該船配備8臺主發電機及8臺推進器，其他主要用電設備包括吊機及鋪管設備。同時，為了滿足其DP3級別動力定位要求，電力系統也應隨之開展設計；主機及配電盤柜分4個艙室進行布置，各個配電室間設置母聯開關，但開關之間仍需物理分隔。詳細情況可參考圖1。

2.2 系統開環運行模式

在圖1中，如兩側的斷路器(CB No.1和CB No.2)均處于打開狀態，則系統處于開環運行狀態。如果其中一個母排出現故障，被從系統中切斷后，其他各個母排只能分開運行，正常母排運行的發電機就不能兼顧其他母排上的負載。此外，系統正常運行狀態時，在負荷較小的工況下，為了保持整船的正常運轉，每段母排上至少仍需運行1臺發電機，即整個系統至少需同時運行4臺發電機。

圖1 電力系統示意圖Fig.1 Power system diagram

2.3 系統閉環運行模式

在圖1系統中，如將所有母聯開關均閉合，系統則連成了一個閉環，處于閉環運行狀態。與開環運行模式相比，系統主要設備并未增加，只是改變了母聯開關的使用情況。最終狀態如圖2所示。

理論上講，在此運行狀態下，發電機的數量可以根據負荷的情況進行投入和退出，保證合理的使用率。在閉環運行狀態下，如果負荷需求不大，全船只運行2臺發電機即可滿足使用要求，而不需要像開環運行模式一樣每個母排均運行1臺發電機。

大型工程船舶根據使用要求，分多種使用工況，比如各種作業工況、航行工況、停泊工況、待機工況等。其中各種作業工況，系統電力負荷較大，處于全船的重載情況；而航行工況、停泊工況和待機工況，系統負荷則相對小得多，系統處于輕載情況。根據實際操船情況，除正常作業外，全年各種輕載工況的作業時間也占據較大比重。以上述系統為例，如在輕載工況下采用開環運行模式，系統中仍需投入至少4臺發電機；而采用閉環運行模式，則系統可以根據實際需要配置發電機，最少投入數量為2臺。因此，閉環運行模式較開環運行方式更適用于輕載工況，優勢明顯。

2.4 閉環電力系統的優勢

由上述分析可以發現，閉環運行模式在全船輕載工況下具有很大的優勢，具體分析有以下幾點。

圖2 閉環運行模式Fig.2 Closed-ring running model

(1) 形式靈活，提高系統可靠性。在閉環運行模式下，系統可以根據實際需要配置發電機數量。在發電機發生故障時，可以快速起動備用發電機，保證系統快速恢復，大大提高了系統的可靠性。

(2) 節約燃油，提高運行經濟性。由于采用閉環運行方式，減少了系統中主機的投入數量，因此使整船的燃油量大為減少，提高了全船總體運行經濟性。

(3) 減少污染，保護環境。燃油量的減少意味著發電機煙氣排放量也相應下降，減少了向空氣中排放的廢氣，在環保方面起到了積極作用。同時，在閉環運行模式下，系統可以使各個發電機在比較經濟的負荷率上運行，發揮了發電機的最大效能。據報道，已投入運營的海洋石油982采用了閉環電力系統，較常規系統，其氧化氮排放減少35%，二氧化碳排放減少20%。可見閉環電力系統在減少廢氣排放方面的效果相當明顯。

(4) 減少噪聲，創造良好的工作環境。對于圖1所示系統常規運行方式，每個母排上必須有一臺發電機運行，當一臺發電機需要維修時，同一艙室另一臺發電機仍要運行。維修時機器噪聲大，工作環境不舒適。而采用閉環運行方式，當一臺發電機需要維修時，可以關閉同一艙室的另一臺發電機，而運行其他艙室的發電機，仍可保持系統的正常運行。主機檢修期間，可真正實現主機間零噪音。

(5) 減少火災風險。閉環運行模式與常規模式比較，減少了發電機的投入數量，客觀上減少了發電機發生火災的風險，提高了整船的安全性。

(6) 減少主機維護成本。閉環系統可以靈活地調整投入運行的發電機，系統可以根據發電機的運行時間決定需要哪臺投入運行，平均了發電機的使用時間，可以使發電機最大限度地發揮效能，減少主機的維修成本。

2.5 閉環電力系統的缺點

相對于開環系統，閉環電力系統在許多方面均具有優勢，但也有其自身的一些缺點，具體如下。

(1) 閉環電力系統對繼電保護系統要求更高。由于閉環系統較開環系統結構更復雜，自動化程度更高，因此對繼電系統設備要求就更加嚴苛，以滿足各種工況下系統的正常運行。

(2) 在高負荷工況下，閉環電力系統優勢不明顯。閉環系統的優勢在于在低負荷工況時發電機利用率高，調配靈活，可以提高整個系統的效率。但當系統在高負荷工況時，發電機投入數量較多，閉環運行與開環運行差距較小，體現不出其優勢。

(3) 驗收程序嚴格。由于閉環電力系統是近年來逐漸投入使用的一種系統，因此各船級社對此系統的驗收均十分嚴格。例如，挪威船級社(DNV)要求，如采用閉環電力系統，需對整個電力系統進行短路試驗，以檢驗整個系統的可靠性[5]。雖然此舉很好地對電力系統的可靠性進行了驗證，但短路試驗可能會對電力系統設備使用壽命造成一定的影響。

3 閉環電力系統設計中需注意的部分問題

閉環電力系統較傳統系統在低負荷工況下有比較大的優勢，系統實現也相對簡單，但在實際設計過程中仍需注意以下問題。

(1) 注意系統短路電流和直流分量。當系統中同時投入的發電機較多時，系統在故障時的短路電流和直流分量會大幅增加，往往會超過現有斷路器產品的額定值。因此在系統設計時，需要準確計算其數值，并依此來選擇合適的斷路器產品。一般情況下，閉環運行方式在低負荷工況下優勢明顯，因此可以在系統閉環運行時，根據計算的結果來限定發電機的投入數量，保證系統的正常運行。

(2) 系統發生故障時系統應可以快速并有選擇性地斷開故障元件。系統中所有發電機的斷路器均有短路時瞬時斷開的功能。在閉環運行模式下，發生短路故障時，要求各母排之間的母聯開關應先于發電機斷路器斷開，否則故障電流將蔓延到其他母排上，引起其他發電機斷路器斷開，進而使推進器關停，DP系統將失去控制。因此，系統設計時必須要確保聯絡開關的短路脫扣時間短于發電機斷路器的脫扣時間，并且母聯開關要有能力分斷系統內最大短路電流。

4 結 語

閉環電力系統能優化發電機的控制系統，可有效減少主機運行和維護時間，提高主機操作靈活性，并已經過實踐檢驗，其優勢也得到了各方普遍的認可。但也因其自身的針對性，限制了其廣泛的使用。

因此，船舶電力系統應根據船舶的功能來設置：如低負荷工況占整個作業周期比重較大，宜采用閉環電力系統，以發揮其在低負荷工況下的優勢；如船舶大部分作業時間均處于高負荷工況，則宜選用常規的開環系統，以發揮其簡單、可靠的優點。

雖然閉環電力系統還存在著部分缺點有待攻克，但相信隨著電氣技術的不斷完善，新技術產品的不斷推出，閉環電力系統的缺陷將得到進一步改善，其在工程船舶領域的應用將更加廣泛。

[1] 徐丹錚，繆燕華，吳斐文.大功率電力系統船舶的電氣設計(上)[J].船舶，2009，20(5)：30.

Xu Dan-Zheng,Liao Yan-hua,Wu Fei-wen.Electric design for ship with high-power electric system (1)[J].Ship & Boat,2009，20(5)：30.

[2] 于亮，王校峰，張碩，等.船用中壓電力系統的發展[J].機電設備，2008，25(2)：1.

Yu Liang,Wang Xiao-feng,Zhang Shuo,et al.Development of marine MV power system [J].Mechanical and Electrical Equipment,2008,25(2)：1.

[3] 袁飛暉,熊勇,宋金揚.DP-3動力定位控制系統在鉆井平臺上的應用[J].上海造船,2010(1)：42.

Yuan Fei-hui,Xiong Yong,Song Jin-yang.Application of DP-3 dynamic positioning control system on drilling platforms [J].Shanghai Shipbuilding,2010(1)：42.

[4] 中國船級社.鋼質海船入級規范[S].2015.

China Classification Society.Rules for classification of sea-going steel ship [S].2015.

[5] DNV GL.DNVGL-OTG-10.DP-classed vessels with closed bus-tie(s) [S].2015.