某大型搶險打撈起重船主電站設計

金輝

摘? ? 要：根據某大型搶險打撈起重船總體布置及設備配置情況，從技術角度闡述主電站的設計理念，包括主發電機組額定容量、數量及電壓的選擇。可為同類工程船的主電站設計提供參考。

關鍵詞：DP3;主電站設計

中圖分類號：U665.12 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Design of Main Power Plant of Large Salvage Ship

JIN Hui

（ Shanghai Salvage Ministry of Transport， Shanghai 200090 ）

Abstract： According to the general layout and equipment configuration of the large salvage ship， the design principles of the main power plant is expounded from technical point of view， including the selection of the main generator's rated capacity， quantity and voltage， which provide a reference for the design of the main power plant design of similar engineering vessels.

Key words： DP3; Design of main power plant

1? ? ?項目簡介

本項目是一艘大型自航搶險打撈船，無限航區航行、入級中國船級社。該船主要配置如下：DP3動力定位系統;8臺4 750 kW柴油發電機組;4個11 kV中壓配電板及4個440 V & 220 V低壓配電板;4臺ABB吊艙式全回轉推進器4 500 kWx2+4 000 kWx2、2臺可伸縮式全回轉推進器3 300 kW以及2臺管隧式側向推進器1 500 kW。為滿足DP3的要求，推進器及動力系統分為4個獨立的DP組，DP組之間均采用水密及A60級防火艙壁分割。其主單線圖，如圖1所示。

圖1? 主單線圖

2? ? 主發電機組額定容量及數量

本項目作為電力推進船舶，主發電機組為全船提供充足的航行及動力定位需求，同時為工程作業設備、機艙輔助設備、生活設備等提供電源。

主發電機的額定容量及數量，主要受以下四方面的影響：

（1）常規工況用電需求

主發電機組的配置需滿足常規工況用電需求。通過表1的估算，常規工況中的航行工況時負荷最大，該工況下四臺主推進器全功率運行，同時需留有至少一臺備用發電機組。

（2）電力推進船舶航速要求

中國船級社對于電力推進船舶的要求是：在1臺發電機組不工作時，剩余的發電機組應能向所有重要設備和船舶常用設備供電，同時應維持有效推進，即應保證船舶航速不小于7 kn或設計航速的一半，取兩者中之大者。本船設計航速為15 kn，因此在1臺發電機組不工作時，應能保證本船航速不小于7.5 kn，此時推進功率約為2 500 kW。

（3）DP3設計

該船入DP3附加標志，其要求是出現任一單點故障（包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失）時，船舶仍能自動保持船位和首向。對于電站配置的考核要求是失去任一發電機組所在的機艙或者主配電板所在的艙室時，動力定位仍有效。這就要求盡可能地將主發電機組布置在盡可能多的機艙內，通常DP3船舶一般為2個或3個機艙，考慮將故障范圍最小化，該船設計了4個機艙，每個機艙內的主發電機組均為2臺。

通過上述三個方面的初步分析，確定本船主發電機組的數量為8臺，平均分布在4個機艙內。初步的電力負荷估算，見表1。

表1? 常規電力負荷估算

考慮到整個電網的功率損失、主發電機組全壽命周期內的疲勞損失以及市面上驅動柴油機組的實際功率檔選型，將每臺主發電機組的功率確定在4 750 kW。

（4）安全返港

根據《特殊用途船規則》的要求，本船人數超過240人，需滿足36人以上客船的要求，即：需滿足海上人命安全公約 II-1章B-1部分8-1條、II-2章G部分21條事故界限、安全返港和安全區域的規則、22條失火事故后系統維持運行的設計衡準。其要求為在發生限界內的火災事故后，船舶在蒲福風級8級的天氣條件和相應的海況下航行時最小航速為6 kn的條件下安全返回港口。根據模型快速性試驗報告，在上述天氣條件及海況下，達到6 kn航速所需的推進功率約為6182 kW。安全返港工況下的電力負荷估算，見表2。

工況2：主推進器T6艙或T8艙失火，將會引起主推進器T6和T8同時丟失。

工況3：1號高壓配電板間失火，將會引起1號機艙、1號和2號主發電機及1號電站丟失。

工況4：3號高壓配電板間失火，將會引起3號機艙、5號和6號主發電機及3號電站丟失。

本船4臺主推進器的布置可確保在發生限界內的火災事故后仍有2臺推進器共8 500 kW可用于船舶航行，滿足安全返港所需的至少6 182 kW功率;同時，8臺主發電機組的布置，可確保在發生限界內的火災事故后，仍有6臺可用。通過表2的計算可以得出，上述布置滿足安全返港的要求。

3? ? 主發電機組電壓等級

在主發電機組的數量及額定容量確定后，就需要進行電壓等級的選擇。通常交流電網主電源的電壓等級分為：400 V、450 V、690V、6 300 V、6 600 V及11000 V等，主要取決于電站容量的大小。對于大型（約10 MW以上）及超大型電站（約35 MW以上），提高電壓等級可以有效減少短路電流、電網損耗以及電纜敷設工程量，且有利于斷路器等電氣元器件的選型。

發電機組的最大對稱短路電流計算，通常有下列三種方法：

（1）直接估算法

式中：I''ac為發電機最大對稱短路電流;In為發電機額定電流;k為計算系數。

通過大量的工程項目統計，k值一般在6.5～8.5之間，可用于項目前期的短路電流估算。

（2）阻值估算法

式中：U為發電機額定電壓;X''d為發電機直軸超瞬態電抗。

（3）通過船級社或者設備商的計算軟件估算

本項目在設計前期因設備尚未訂貨，具體參數無法獲取，故采用第1種方法進行短路電流的估算，并分析主電網在11 kV與6.6 kV下的短路電流水平，以決定采用哪種電壓等級較為合適。前期僅考慮八臺主發電機貢獻的短路電流，推進器、主起重機及定位絞車等負載均采用DFE形式的變頻驅動，電動機不貢獻短路電流。具體估算結果，見表3。

由表1可以看出：如果電壓選擇6.6 kV，則高壓配電板匯流排的最大對稱短路電流在31.8 kA～41.6 kA之間，因還未考慮等效電動機等短路電流的疊加以及電力系統實際參數的不確定因素的影響，故在項目前期必須留有一定的余量。通過調研GE、ABB、Siemens等主流電氣設備商的高壓真空斷路器的額定運行短路電流分斷能力，在6.6 kV/11 kV等級基本做到31.5kA左右，因此本項目選用6.6 kV存在較大的技術風險;而采用11 kV則有很大的設計余量，可有效的將設計后期的各種不確定因素涵蓋進去。因此，本項目主發電機組的額定電壓選用11 kV。在后期詳細設計階段，由設備商提供的實際計算值為15.6 kA，進一步驗證前期電壓選擇的合理性。

在生產設計階段統計實際敷設的高壓電纜長度，進行11 kV與6.6 kV的不同電壓等級電纜的綜合比較分析，進一步驗證了前期階段選用11 kV是合理的，具體對比分析情況，見表4。

表4? 高壓電纜不同電壓等級的比較分析

通過上述實際項目的案例分析，結合以往項目的經驗。可以得出：400 V / 450 V主匯流排的短路電流，一般不超過85 kA～100 kA;690 V主匯流排的短路電流，一般控制在80 kA以下;6 600 V、11 000 V主匯流排的短路電流，一般控制在30 kA以下;每檔短路電流超過這個值就需要考慮提升一檔電壓等級，以降低短路電流。降低了發電機、推進器、主起重機等大型設備的額定電流，減少了電纜的數量與規格，對后期施工中的電纜敷設與接線均有明顯的好處。

4? ? ?結語

大型打撈起重工程船，目前在市場的需求越來越旺盛。該類型船舶的主電站設計，需考慮各種工況及各種規范規則的要求，同時需對電網的短路電流予以重點關注，以提高主電站的安全性;多機艙以及高電壓等級的電網設計，將成為未來大型工程船的發展方向。

本項目建成后，將主要用于水下沉船、沉物的搶險救助打撈作業，具有應對突發事件進行大噸位水下物體整體打撈（最大起重能力4 500 t）、快速清障能力，為我國的應急突發情況提供強有力的保障。

參考文獻

[1] 中國船級社.鋼質海船入級規范[S].2018.

[2] IMO.特種用途船舶安全規則[S].2008.

[3] IMO. 海上人命安全公約[S].2014.