6500立方米乙烯運輸船配電設計研究

黃芳

摘 要：文章對6 500立方米乙烯運輸船的配電系統進行了分析，根據相關規范的要求，對貨物系統的主要設備技術參數進行了闡述，列舉了貨物系統的各種工況及負荷要求，并對全船電力負荷進行了分析及計算，總結了該船配電系統設計要點及特點，希望能對這種船型的配電系統設計起到一定的借鑒作用。

關鍵詞：工況;電力負荷;配電系統設計

中圖分類號：U674.133.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.039

1 概述

6 500立方米乙烯運輸船是國內當前首個入中國船級社的雙耳罐液化氣船，有關貨物系統的負荷及整船的配電設計有其特殊性。該船全長113米，型寬18米，設置兩個半冷半壓式單壁雙聯C型獨立液貨罐，貨罐容積6 500立方米。該船貨物系統設有兩套液相接岸總管和兩套氣相接岸總管，接岸總管布置在船舯處，系統能同時進行兩種不同貨品的裝載或卸載，每個貯運罐各設兩臺電動多級深井泵，可同時卸貨，并可在背壓5 kg/cm2環境條件下10小時內完成貨物的卸載。

根據《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》10.2.6的要求，發電和配電系統及相關控制系統應設計成單個故障不會導致7.8.1要求的液貨艙壓力，和4.19.1.6要求的船體結構溫度保持在正常營運限制內的能力喪失[1]。配電系統的設計為滿足此要求做了特別處理，2號發電機設置了兩個開關，分別向主配電板的左、右屏供電，實現了配電系統的雙向冗余。

2 主要工況及電力負荷分析

2.1 主要工況下發電機使用情況

本船三臺主柴油發電機和一臺應急發電機提供船上電源，發電機使用情況如表1所示。在航行和裝卸貨過程中，最大負荷下只能用滿兩臺發電機，要有一臺發電機組作為備用，使發電機出現故障時仍能正常工作。

2.2 貨物系統的主要設備及供電需求

液貨罐：2個;甲板罐：1個;再液化裝置：2套;液貨泵：105 kW×4臺;貨物壓縮機：350 kW×2臺;制冷壓縮機：280 kW×2臺;貨物壓縮機滑油系統;貨物裝卸及處理系統;貨物設備冷卻水系統;貨物閥門;閥門遙控系統;應急切斷系統;貨物監測、控制及報警系統;可燃氣體探測系統;控制空氣系統;貨艙處所艙底水系統;貨艙處所通風系統;液貨艙壓力釋放系統;貨物取樣及泄放系統;惰氣系統;乙二醇/水加熱/冷卻系統（含2臺循環泵等）。主要供電要求如圖1所示。

貨物系統主要負荷有以下情況：

第一，在最大吸入壓力下，使用兩個負載貨物壓縮機裝載/冷卻單一等級的乙烯貨物（869 kW）;

第二，大氣壓下單級乙烯貨物的保壓（394 kW）;

第三，使用所有貨泵排放滿載的氯乙烷（391 kW）;

第四，使用所有再液貨裝置，以最大吸力裝載/冷卻單級丙烯貨物（639 kW）;

第五，常壓下單級丙烯的保壓（158 kW）;

第六，用貨泵排放氨氣&增壓泵和貨物加熱器（304 kW）;

第七，惰化（303 kW）;

第八，用貨泵、增壓泵和乙烯蒸發器排放乙烯（227 kW）。

2.3 主要工況

根據船舶電力負荷計算書如表2所示，全船電力負荷系統包括七個方面：輪機設備、甲板設備、空調及制冷設備、廚房設備、照明設備、航行&通信設備、貨物系統。全船電力負荷工況包括四個主要工況，其中，設計液貨系統操作主要為五個工況（以乙烯貨品為考核設計）：海上航行工況（乙烯儲罐維持在常壓狀態）、海上航行工況（乙烯貨物冷卻）、進出港工況（乙烯儲罐維持在常壓狀態）、進出港工況（乙烯貨物冷卻）、貨物裝載（乙烯貨物冷卻）。

2.4 電力負荷分析

本船可同時儲運、裝卸和處理貨品清單中的任意一種或兩種貨品。系統配有兩套再液化系統，再液化系統包括再液化裝置、貨物壓縮機組、制冷壓縮機組、相關熱交換器以及處理容器等。按規范要求，再液化裝置的制冷能力應能保持液貨艙內的壓力低于安全閥的最大允許調定值（MARVS）;在正常航行時，兩套再液化裝置冗余設計，可確保液貨艙及甲板罐有恒定的壓力和溫度。

船舶涉及的工況較為復雜，具體由七種船舶工況和八種貨物系統操作工況組合而成。船舶液貨系統及輔助設備的最大電力消耗，按裝載單一乙烯貨品時的最大工況值，大致可分為：航行過程中的乙烯冷卻或壓力維持、裝卸貨過程中的乙烯貨物冷卻、進出港過程中的乙烯貨物冷卻或壓力維持、乙烯裝卸貨。

其中，對于各種船舶工況下，乙烯冷卻或壓力維持所需的電力負荷，基本可由兩臺發電機組提供電力供應，一臺發電機組作為備用。只有一種工況（進出港帶側推）需要三臺發電機供電，為保證貨物系統的安全，本船設計了側推優先脫扣，若一臺發電機出現故障，首先將側推脫扣，保證兩臺發電機在網，滿足船舶的正常工作需求。

3 配電系統設計方案

3.1 配電系統單線圖

本船配電系統單線圖如圖2所示。

3.2 配電系統概述

本船設有主配電板，應急配電板，并有必要的區配電板和分電箱。電力系統為放射性，三線三相中線絕緣系統。電動機由主配電板，應急配電板或電力分電箱通過組合起動器或單個起動器供電。

本船在適當位置設置電力分電箱和照明分電箱，用于電能的分配，分電箱內設置塑殼式斷路器，用于配電線路的過載保護和短路保護，并考慮適當的備用斷路器或熔斷器，備用量不少于10%。對于非重要負荷，當斷路器的分斷能力小于其安裝點的最大短路電流，將采用具有足夠分斷路能力的斷路器作為其后備保護。

主發電機、應急發電機和岸電三者之間有效聯鎖。主發電機的空氣斷路器與主配電板上的饋電開關之間、主配電板至應急配電板的饋電開關和應急配電板上負載開關之間具有選擇性保護，主/應急變壓器原邊的饋電開關和副邊220 V饋電屏上的負載開關之間也應具有選擇性保護。配電設備內部接線采用船用阻燃電線。

本船液貨系統及設備配置均按滿載乙烯貨品設計，系統設計可適裝貨品表中的其他貨品。液貨系統及輔助設備的最大電力消耗按裝載乙烯貨品時的最大工況值，當其他貨品在某些特殊工況下（如裝載高溫高壓丙烯貨品，并利用船上再液化裝置冷卻降溫時）的液貨系統設備的電力消耗值大于裝載乙烯貨品時，為遵循船舶電站剩余多少電力用多少電力的原則。

液貨泵及增壓泵電機按照適裝清單中比重最大的貨品設計。

3.3 主發電機

本船在機艙裝置三臺柴油發電機組450 V/900 kW。當空載運行的發電機突加60%額定電流（功率因數0.4）時，其瞬態電壓降不超過額定電壓的15%，且在1.5秒內恢復到其最后穩定值的97%以內。在額定功率因數下，穩態下其電壓調節率應維持在±2.5%以內。

3.4 應急發電機

本船在應急發電機室設置散熱器冷卻型應急柴油發電機組一套450 V/100 kW。應急發電機不能與主發電機并聯運行，也不能對主配電板饋電。應急發電機可在就地手動操作或在應急配電板失電壓時自動起動。

3.5 主配電板

主配電板一塊安裝在機艙集控室。主配電板有三屏發電機屏、同步屏、440 V饋電屏、組合起動屏和220 V饋電屏。主配電板為自立、鋼板框架結構（緊固螺絲采用壓入式螺帽），前蔽式，防護等級不低于防滴IP21。

發電機由三極空氣斷路器保護，饋電電路由三極MCCB保護。發電機控制屏布置在440 V饋電屏之間，以使重要電動機在一個饋電屏損壞后也可供電。

3.6 應急配電板一塊安裝在應急發電機室

在主柴油發電機正常工作時，應急配電板由主配電板供電，一旦應急配電板匯流排失壓時，應急配電板將由應急發電機供電。

3.7 二號發電機切換說明

左匯流排單邊故障，手動斷開匯流排聯絡開關，二號發電機ACB手動連接到右匯流排，二號、三號發電機并聯供電。

右匯流排單邊故障，手動斷開匯流排聯絡開關，二號發電機ACB手動連接到左匯流排，一號、二號發電機并聯供電。

3.8 液貨配電板（MCC）說明

液貨配電板分為兩段，能分別獨立工作，正常狀態下兩段配電板不連接。兩段液貨配電板分別從主配電板左右匯流排供電，每個進線開關均能接受來自主配電板的100%液貨系統所需負荷。主配電板任一單邊供電故障，均可手動將兩段液貨配電板中間連接片連接，通過另一邊供電，滿足用電需求。

3.9 發電和配電系統及相關控制系統故障模式和影響分析（FMEA）

本船根據《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》10.2.6要求開展6 500立方米液化氣運輸船項目相關的發電和配電系統及相關控制系統的故障模式和影響分析。

FMEA是一種主要針對設備系統、子系統、部件多個層次的風險分析技術，其目標是證實由于單一故障不會導致系統失效，確保采取適合的安全防護措施，從而改善設計和提高系統可靠性。

通過對6 500立方米液化氣運輸船發電和配電系統及相關控制系統進行系統地FMEA審查，認為6 500立方米液化氣運輸船發電和配電系統及相關控制系統設計功能，考慮了“單個故障不會導致7.8.1要求的液貨艙壓力和4.19.1.6要求的船體結構溫度保持在正常營運限制內的能力喪失”，如系統發配電及控制系統的關鍵設備、部件及功能等采取備份冗余設置，符合國家及船級社有關標準和規范的要求。

4 結語

在設計院船東船檢船廠的共同努力下，本船已于2019年9月完工交付，從船東提供的運行數據來看，本船各項性能指標均滿足要求，電站及液貨系統運行正常。

參考文獻

[1] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范[M].北京：中國船級社，2018.