基于安全返港要求的大型客船電力推進系統設計

袁 洋 李 凱 董良志

（中船郵輪科技發展有限公司 上海200137）

引 言

對于客船而言，游客和船員的生命安全是首先需要考慮的問題，歷來一直為世界海事業所重點關注。伴隨著海難事故的不斷發生，世界航運發展的歷史也見證了國際海事組織（IMO）“國際海上人命安全公約（SOLAS公約）”的誕生。

隨著大型客船尺寸和人員的不斷增加，IMO更加關注郵輪的安全。安全返港理念是基于對近30年來因火災和進水事故導致的遠洋客船動力失效、棄船或沉沒事故的分析，發現若能將意外事件有效控制，并限制在有限范圍內時，船舶自身是最好的“救生艇”。由此，2000年12月國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海上安全委員會（Maritime Safety Committee，MSC）召開第73次會議，正式提出“安全返港”提議；2006年12月，對應的決議得到通過，并于4年后（2010年）的7月1日正式生效，成為強制性的法規要求。決議生效的同年6月，所通過的MSC.1/Circ.1369給了客船在發生進水或失火事故后對系統能力評估的臨時解釋。該法規大致規定：船舶在一定邊界內發生進水或失火事故時，憑借自身的動力安全返回港口，返港期間乘客應能待在“安全區域”內并保證自身安全，同時基本的生活需求能得到滿足；當意外事件超出安全邊界時，相關重要系統有能力維持3 h正常工作以爭取逃生時間，并保證有序撤離。

國外船廠、船級社憑借其在大型客船領域的傳統優勢，積累了豐富經驗。中國船廠在客船安全返港設計方面，雖有少許案例，但非常缺乏安全返港設計與應用的經驗，對于大型客船安全返港的設計技術的掌握基本仍屬空白，設計方法和技術手段方面也仍然停留在低效和低可靠性的人工分析評估階段，缺乏先進的工具。如今，電力推進系統在大型客船的應用占比越來越高，這也將成為未來的趨勢，因此越來越受到船東重視。下文將以該系統為例，討論安全返港的設計思路和方法。

1 大型客船推進系統安全返港設計要求

大型客船因其載客數量大且密集，安全問題（特別是2010年正式強制生效的“安全返港”，要求包括SOLAS Reg.II-1/8.1、Reg.II-2/21和Reg.II-2/22三部分內容）一直是各方關注的焦點。從規范要求角度，大型客船安全返港設計要滿足“Safe Return to Port”的基本目標，而船東則往往會在此基礎上提出更高要求，且安全返港的具體功能指標需要船廠、船東、船級社和設計方協商一致后再開展工作。

大型客船主豎區多、功能艙室眾多、系統特別復雜，與傳統貨船相比，其系統配置和功能側重差別迥異。以某一大型客船為例，船上安全返港要求涉及的系統預計占全船系統的約90%以上，船上電纜長度約2 800 km、管系長度約600 km、火警探測點約6 000個、主防火門約1 300扇，如此體量龐大、布置安裝繁雜的系統設計均要滿足安全返港要求，其工作量和工程復雜程度可想而知。綜上所述，大型客船安全返港的設計難度非常大。

綜合電力推進系統關系到客船的動力和安全，是客船的心臟。安全返港對推進系統和配電系統要求如下：

（1）應至少設有2套獨立的推進系統，相關推進機械應分艙遠離布置；如不可避免布置在相鄰的處所，則分隔倉壁應為A級分隔的水密艙壁。

（2）當其中一套推進系統因事故界限內的失火事故無法工作后，剩下的推進系統應考慮到預期營運區域的海況和風力條件能夠安全返港；建議船舶在蒲氏風級 8 級的天氣條件和相應的海況下以不小于6 n mile / h的航速返回港口。

（3）當2套推進系統所在處所為火源處所，且相鄰布置時，則這些處所都應能由固定式滅火系統保護。

（4）若推進系統的遙控功能喪失，可接受就地手動控制，只要設置適當的通信和應急照明，并證明任何控制和監控系統的損失不阻止或損害對推進和發電系統（包括但可不限于發動機、電動機、燃料系統等）的這種手動/就地控制。以該方式操作時，應考慮設置機器報警裝置。

（5）配電系統作為對支持船舶安全返港能力有至關重要影響的輔助系統，其設置應確保火災或進水事故未超過事故界限時，SOLAS II-2 章21.4 條要求的有電力供應的系統仍能運行。

（6）應至少設有 2 套主配電板，并分別布置在不同的A 級分隔和水密分隔的處所內。

根據安全返港要求，為便于區分和檢查，供電、推進系統及其輔助系統的編號分為P系統（藍色）和S系統（紅色）。下文將以某大型客船為案例，討論滿足安全返港要求的電力推進系統的系統設計、配置設計和布置設計。

2 大型客船電力推進系統設計

2.1 大型客船綜合電網系統總體設計

大型客船尺度大、設計航速高，多以電力推進為主要推進方式，推進功耗高達30～50 MW；除大功率的推進系統外，為滿足眾多乘客、服務人員和船員需求，客船配置的空調、餐飲以及生活配套等設施所帶來的電力需求也非常大。

大型客船相當于移動的小型社區，其所搭載的系統多樣、負載繁多，針對不同的系統和負載，其所需要的電源各有不同，工況也比較復雜。電力推進系統、機艙輔助系統、中央空調系統、照明系統、內部通訊報警系統、船舶通信導航系統、本地娛樂系統、船員生活系統等，這些配電分配在不同主豎區的系統運行的電壓等級也不相同。

大型客船電網系統除需滿足客船常規負載的用電需求外，還需滿足電力推進設備的用電需求，因此對發電和配電需統籌設計，提出了綜合電網的設計理念，即著名的綜合電力集成系統（Integrated Power System， IPS）。綜合電網是指所有裝載發電機的電能統一輸出至1套配電板予以分配，其最大的優勢在于可實現配電的經濟性和靈活性，最大的缺點是推進系統感性負載產生的諧波畸變會對常規負載產生影響。

電力推進與綜合動力系統已成為最有效的推進裝置之一。與傳統的推進系統相比，變速電機的效率更高，可節省大量燃料。傳統內燃機在額定工況下的推進效率在85%～90%，在低負載操作區域內推進效率顯著降低；而電力推進可以不受負載大小限制，靈活地分配給各個發動機，使其工作在最佳燃油經濟區域內獲得最大的燃油效率。

根據船舶總體信息和各專業數據設計電力負荷計算書和電力系統單線圖，根據客船總布置和主尺度，結合水池試驗數據，確定推進系統所需功率大小；結合日用負載計算電站容量，結合安全返港、操縱經濟性要求，確定發電機臺數和單臺容量；考慮安全返港冗余要求和客船航速要求，結合廠家設備選型手冊，確定推進器的容量和臺數。

2.2 基于安全返港要求的綜合電力推進系統設計

圖1為某大型客船綜合電力系統單線圖。

圖1 電力系統單線圖

下文將以該船為例展開討論。該船綜合電網拓撲模型采用星型（輻射網）結構，各區域主配電板、分配電板和重要負載分別由主配電板獲得供電，系統簡單，技術成熟，便于操作和集中控制。該船高壓配電板由兩段組成，分別布置于前后機艙內，之間通過聯絡開關連接。正常情況下，兩段配電板之間的開關是閉合的，假如一段配電板所在區域發生進水或火災事故，聯絡開關自動斷開，另外一段配電板可承擔起為常規負載和推進系統供電的任務。該船配置了5臺發電機組，前機艙布置3臺14 400 kW的發電機，后機艙布置2臺16 800 kW的發電機，分別給前后機艙的配電板供電。

推進系統是安全返港規范中的重要系統，該船配置2套推進系統，分別布置于左右機艙內，確保一套推進系統所在區域發生進水或火災事故后，另外一套推進系統可正常工作。每套推進系統由以下設備組成：2套推進變壓器，2套變頻器，1套全回轉推進器，推進控制系統。該船電力推進系統參見圖2。

圖2 電力推進系統布置圖

每套推進系統的2臺推進變壓器由同一段配電板供電，功能上兼顧變壓和移相的作用。推進變壓器的原邊電壓為11 000 V，副邊電壓為1 680 V，由于推進變壓器啟動電流過大，對電網造成巨大沖擊，引起電壓壓降過大。因此推進變壓器配置1臺預充磁變壓器。為了實現電網虛擬24脈沖的目標，2臺推進變壓器原邊相位移角為15°。

推進變頻器采用ABB的ACS 6 000電壓型系列產品，每套推進系統配置2套中壓變頻器，2套變頻器共同實現推進電機的變頻供電。高壓變頻器的輸入電壓為3 300 V，輸出電壓為2 850 V，可實現推進電機0～137 r/min速度變化。變頻器是電網產生諧波的最主要設備，因為船舶電推系統采用變頻進行調速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣直接影響船舶電網的電源質量。為有效抑制諧波，保證電網諧波在規范允許范圍內，該船采用虛擬24脈沖的方法予以實現。

全回轉推進器主要由滑環單元、舵機模塊、推進模塊、接口單元、就地控制箱、冷卻單元、通風單元等組成。推進電機為無刷勵磁型同步電機，功率為20.5 MW，輸入電壓為2 850 V，電機內包含雙套繞組單元。

根據安全返港的要求，配電系統和推進系統需滿足冗余設計要求。從布置上分析，發電機、配電板和分別布置在前后機艙內，推進系統布置在左右舷機艙內。當一個機艙發生不超過事故界限的進水或失火事故時，不會影響另外一個機艙的正常運行，推進系統仍然以一半的功率將船舶推進到最近的港口。從冗余配置上分析，當部分發電機發生故障時，其余正常工作發電機可將電能輸送到配電板，綜合電網根據負載優先級別確定哪些負載優先工作，哪些負載首先脫扣。推進電機采用雙繞組、雙變頻器、雙變壓器配置，當一路推進變壓器輸入側開關到電機繞組任何一處發生故障時，另外一路可正常工作，推進電機仍可憑一半的功率運行。安全返港需考慮在最嚴重情況下推進系統如何實現返港要求，假設左舷推進系統的配電系統發生故障，右舷推進系統能夠正常工作，右舷推進系統的輔助系統及常規負載也需正常工作。

推進控制系統可在駕駛室、橋樓兩翼、集控室、推進器間（就地控制箱）等處所實現推進系統的控制，以上任何一處位置發生進水或火災事故時，不影響其他區域推進控制的實現。推進控制系統獨立于自動化綜合控制監測系統。

推進系統的電纜走向應遵循遠離失火區域和易產生機械損耗的區域，服務于2套不同推進系統的電力電纜從發電機到配電間、變壓器、變頻器直至推進器，應分開布置于不同的防火安全區。當機艙區域的布局為前后機艙，可借過上下層甲板的方式解決電纜路徑無法避開同一防火安全區的問題。如圖中系統A的電纜在水平經過系統B所處的后機艙區域時，可向上至上層甲板的安全A區通過。左右布局的推進器間等區域，可增設緩沖間并以A0級別的防火艙壁作物理隔離保護。類似的，推進系統的控制電纜也需要參照電力電纜的走向原則進行布置，確保服務系統A的電纜只經過安全區域A，服務系統B的電纜只經過安全區域B。實際的電纜托架應在水平和垂直兩個緯度上盡量遠離，電力電纜和控制電纜不走同一電纜托架，最終確保推進系統的冗余設計。

圖3為該船電力推進系統電力電纜走向布置圖。

圖3 電力推進系統電力電纜走向布置圖

3 結 語

大型客船安全返港設計是客船的一項關鍵的核心設計要求，目前歐洲國家對該關鍵設計的理解依然遠高于國內設計人員。安全返港法規是基于目標要求制定的，需要設計人員具備豐富的設計經驗。通過對綜合電力推進系統安全返港設計技術的研究，解決了綜合電力推進系統系統設計、配置冗余和布置冗余的問題，為客船安全返港其他系統的設計提供參考。