70 m多用途動(dòng)力定位船電力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王小林，秦 輝，李美玲

（1. 廣新海事重工股份有限公司，中山 528437；2. 廣州順海造船有限公司，廣州 511440）

1 引言

多用途海洋工程船，由于其工況特殊，主機(jī)馬力通常配置比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常航行所需要的功率，使得主機(jī)的使用率在正常航行中只有50%～60%，并且不能滿足MARPOL對(duì)船舶CO2排放及IMO國(guó)際海事組織對(duì)船舶的排放要求。因此，為了降低油耗，根據(jù)負(fù)載的實(shí)際運(yùn)行狀況合理使用軸帶發(fā)電機(jī)、提高電能的使用效率、設(shè)計(jì)出合理科學(xué)的電力系統(tǒng)，成為船舶設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的任務(wù)。

在船舶實(shí)際運(yùn)用中，軸帶發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)很難做到長(zhǎng)時(shí)間的并聯(lián)運(yùn)行，目前大多數(shù)是短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行。如果要做長(zhǎng)時(shí)間的并聯(lián)運(yùn)行，必須加變頻器作為頻率的補(bǔ)償，其價(jià)格比較昂貴，增加建造成本。本文以70 m多用途動(dòng)力定位船為例，介紹采用優(yōu)化的電力設(shè)計(jì)方法，在不增加變頻器情況下，軸帶發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間并聯(lián)運(yùn)行的電力系統(tǒng)。

2 電力系統(tǒng)單線圖分析

由于海洋輔助工程船的船型主尺度普遍較小、功能塊較多等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的二級(jí)動(dòng)力定位能力，我們研究了船型資料以及各功能系統(tǒng)設(shè)備，考慮到貨物裝載時(shí)航速低、主機(jī)使用功率小，主機(jī)在完成主推進(jìn)時(shí)剩余輸出功率完全可以滿足軸帶發(fā)電機(jī)帶大負(fù)荷使用。以70 m多用途動(dòng)力定位船為例，在動(dòng)力定位中，為防止船舶因單點(diǎn)故障（主機(jī)故障或其它任意故障點(diǎn)）而失去定位能力，本船采用了以下負(fù)荷分區(qū)配電方案：（1）通過(guò)兩臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)和三臺(tái)主發(fā)電機(jī)來(lái)提供電力，分BUS A、B、C、D四段匯流排設(shè)計(jì)，軸帶發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)分開(kāi)供電，保證在動(dòng)力定位中，兩臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)和三臺(tái)主發(fā)電機(jī)都能長(zhǎng)時(shí)間供電。為實(shí)現(xiàn)這一最低能耗的配置，我們研發(fā)出有效的電站方案，實(shí)現(xiàn)本產(chǎn)品的二級(jí)動(dòng)力定位和冗余能力，獲得了第三方ABS和FMEA的認(rèn)證;（2） 按照其用途將電力負(fù)荷平均的分配在不同供電的匯流排上，將貨物裝載系統(tǒng)（泥漿，散料，鉆進(jìn)水等）和側(cè)推器都放在軸帶發(fā)電機(jī)供電的匯流排（C或D匯流排）供電;日常使用以及為主機(jī)服務(wù)的負(fù)載布置在發(fā)電機(jī)排（A或B匯流排）,負(fù)載都采用對(duì)稱平衡式布置；（3） 在DP狀態(tài)下，全部的匯流排聯(lián)接開(kāi)關(guān)(TB-ACB1、 TB-ACB2、 TBACB3、 TB-ACB4)都是打開(kāi)的；（4）對(duì)外消防作業(yè)中，在DP狀態(tài)下運(yùn)行，利用主機(jī)帶外消防炮和軸帶發(fā)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)消防。具體見(jiàn)圖1電力系統(tǒng)單線圖。

3 運(yùn)行工況分析

由于本船多種工況都需要使用軸帶發(fā)電機(jī)，操作相對(duì)復(fù)雜。為了使船員操作簡(jiǎn)便，我們?cè)谧詣?dòng)電站中設(shè)置了六種作業(yè)工況模式，可以在主配電板同步屏的觸摸屏直接選擇模式操作，也可以用人工手動(dòng)操作。這六種工況是根據(jù)不同作業(yè)狀態(tài)的最大可能電力負(fù)荷和發(fā)電機(jī)的使用率設(shè)置的。在自動(dòng)電站中，柴油發(fā)電機(jī)和軸帶發(fā)電機(jī)是采用誰(shuí)先準(zhǔn)備好誰(shuí)就是第一備用，也可以在所有發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)前設(shè)置第一或第二備用等。六種作業(yè)工況設(shè)置表和各工況電力負(fù)荷使用率見(jiàn)表1和表2。

表1 電站作業(yè)工況設(shè)置表

表2 各工況電力負(fù)荷使用率

4 優(yōu)化后電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

與通常的特種船都會(huì)將貨物裝載系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)排（A或B匯流排）供電相比較，上述采用的分區(qū)配電方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)的匯流排（A或B匯流排）出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致部分日常用設(shè)備失電（如照明、供水等），甚至可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)和主機(jī)停車。但本案例出現(xiàn)匯流排故障時(shí)僅是某一段匯流排，比傳統(tǒng)的匯流排更安全可靠；

（2）對(duì)DP的冗余度來(lái)說(shuō)其要求左右主推進(jìn)的可調(diào)螺距螺旋槳是互為備用的、左右全回轉(zhuǎn)是互為備用的、兩個(gè)首側(cè)推是互為備用的。根據(jù)相關(guān)的規(guī)范要求，在DP模式時(shí)配電系統(tǒng)發(fā)生任一單點(diǎn)故障都不應(yīng)影響其他設(shè)備的正常運(yùn)作而導(dǎo)致無(wú)法定位。因此，本船的設(shè)計(jì)是在DP狀態(tài)下全部的匯流排聯(lián)接開(kāi)關(guān)都是打開(kāi)的，最大單點(diǎn)故障是某一主機(jī)故障導(dǎo)致停車，從而丟失這一主機(jī)帶的可調(diào)螺距螺旋槳和一臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)供電，在這軸帶發(fā)電機(jī)供電回流排失電（C排或D排）的單點(diǎn)故障下，會(huì)連帶的丟失某一側(cè)推，最終的結(jié)果是依靠剩下的一個(gè)全回轉(zhuǎn)可調(diào)螺距推進(jìn)器和一個(gè)首側(cè)推保持定位，這時(shí)僅僅是定位能力下降，而船舶不會(huì)失去定位能力，符合DP及FMEA（故障模式分析）的要求；

（3） 由于貨物系統(tǒng)、產(chǎn)品的功能性系統(tǒng)及日常用電負(fù)載都分別對(duì)稱地分配在不同的匯流排上，本船在不同的作業(yè)狀態(tài)下設(shè)置了不同的電站工況，如設(shè)置了DP+FiFi模式（用于消防）、DP定位和裝卸貨模式等6種模式使發(fā)電機(jī)在最優(yōu)、最節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行；

（4）操作模式更靈活，可以根據(jù)不同的工況和負(fù)荷要求，通過(guò)主配電板上觸摸屏操作匯流排開(kāi)關(guān)和發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)自動(dòng)分/合。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于海洋平臺(tái)輔助工程船，針對(duì)復(fù)雜的工況和模式的選擇，只有通過(guò)電力系統(tǒng)的優(yōu)化簡(jiǎn)化操作配電板程序，根據(jù)負(fù)荷的實(shí)際需求變化不斷的調(diào)整發(fā)電機(jī)，對(duì)船舶動(dòng)力、船舶負(fù)荷進(jìn)行合理的分配和有效的管理，以此保證主機(jī)、發(fā)電機(jī)和船舶安全，并在各工況下保證負(fù)荷的平衡，提高使用效率和經(jīng)濟(jì)性。從該船的各工況負(fù)荷率可知，軸帶發(fā)電機(jī)功率還是選大了，實(shí)際使用負(fù)荷率太低，值得今后加以改進(jìn)。

本文對(duì)此類船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考和借鑒價(jià)值。