提高大型郵輪應急電網系統安全可靠性的設計分析

曹亞冬

（中船郵輪科技發展有限公司 上海200137）

0 引 言

郵輪作為海上旅行休閑的主流方式，一直備受乘客青睞。但海洋有美麗的風景，也暗藏危險，海難事故時有發生。因此國際海事組織（IMO）在國際海上人命安全公約（SOLAS）中對郵輪航行安全提出了更高的要求。郵輪發配電系統作為全船的關鍵系統，對全船用電設備進行電力供應，確保船舶設備系統安全運行。當正常供電系統出現故障時，應急電網系統便采用應急預案，保障緊急情況下，船上人員安全和通信暢通。

應急電網系統對船舶事故后的安全運行起著決定性的作用，而郵輪作為海上人員密集性客船，對安全性有著更高的要求。因此本文為滿足應急情況下郵輪可靠供電，對應急電網系統進行優化設計。

1 應急電網系統功能和規范要求

在船舶航行中，導航設備、無線電通信設備、操舵系統和照明系統關系著船岸通信和船員乘客的安全有序撤離，因此至關重要。船上這些重要設備正常情況下由主電網供電，一旦主電網故障，應急配電系統就向這些重要設備進行供電。在應急工況下，應急配電系統作為主電網的代替。

SOLAS公約第42條和43條規定：貨船應設有一個獨立應急電源，且主配電板及其相關變換設備或任何A類機器所在處所發生火災或其他事故時，應急配電系統仍能可靠運行［1］。電源功率至少應向重要設備應急可靠供電18 h；客船除以上一般要求，在電源功率上要求可靠供電36 h。

2 大型郵輪應急電網系統設計

2.1 應急電網系統設計原理

常規貨船采用單個發電機組和單個主配電板設計方式［2］，一旦主電站電力全失，應急發電機啟動失敗或故障，應急配電系統將完全斷電。同時單塊主應急配電板設計方式下，應急配電板發生故障，應急配電系統也將完全損失。雖然規范對雙故障沒有要求，但郵輪對安全性、可靠性要求更高。從近幾年國外建造的大型郵輪中可以看出，應急電力系統多采用2個應急電源，提高供電冗余性。目前，國內很多客滾船和內河游輪在應急配電系統設計中仍沿用常規散貨船設計方式，存在很大安全隱患。

根據SOLAS公約要求，2010年7月1日之后建造船長≥120 m或3個主豎區及以上的客船，應滿足安全返港的要求。為滿足這一要求，目前的郵輪和客滾船電氣設計中，電氣系統均采用A、B子系統設計方式［3］。如果任何空間因火災或進水而損壞，則只有該空間所屬的子系統（“A”或“B”）會受到事故影響，而另一個子系統（“B”或“A”）將維持運行，即雙電站設計方式。電站分為2個區域，一般會設計在艏艉2個主豎區內。全船會以某主豎區為界限，從該主豎區到船首劃分為A子系統，主豎區到船尾則分為B子系統。各系統包含設備如下：

系統A：艏部主機/發電機，艏部中低壓主配電板和相關輔助設備，左舷推進裝置和相關輔助設備。

系統B：艉部主機/發電機，艉部中低壓主配電板和相關輔助設備，右舷推進裝置和相關輔助設備。

2塊主配電板各自向A、B系統供電，最大程度保障了電氣系統的安全運行。通過采用雙系統、雙電站和雙配電板的設計思路，提高了系統的冗余性和穩定性［4］。應急配電系統也可以借鑒這種設計方式，采用雙系統設計方式，提高系統冗余性，減小或消除事故發生后的影響。

2.2 應急電網系統網絡架構

為滿足郵輪安全可靠性要求，本文采用雙套冗余的設計思路，構建新型應急配電系統網絡架構。以常規的郵輪低壓電制對應急配電系統進行說明，主應急配電板電壓等級為690 V，分應急配電板電壓等級為230 V。下頁圖1為應急電網系統網絡架構。

如圖1所示，應急配電系統采用2個應急發電機組和2塊主應急配電板，每塊主應急配電板上各有1個應急發電機組供電。進線斷路器、應急發電機組斷路器和母聯斷路器均為聯鎖，防止發電機組和主電網同時供電。690 V應急配電板1.1與主電網A相連，對左舷推進器的操舵驅動裝置、變頻器輔助用電等重要設備供電。690 V應急配電板1.2與主電網B相連，對右舷推進器的操舵驅動裝置和變頻器輔助用電等重要設備供電。230 V應急配電板2.1和2.2供電于UPS、升降機和遠程控制閥等應急設備。此外，還配有蓄電池組（屬于過渡電源），用于船舶主電網失電而應急電網還未提供電力的情況下，負責應急照明供電，應急照明設備集中在應急照明配電板上。

圖1 應急電網系統網絡架構

應急配電板2.1和2.2主要對乘客電梯、升降機和遠程控制閥進行供電，負載的重要性相對較低，因此重點對主配電板的供電負載進行分析，主配電板的主要用電負載如表1所示。

表1 應急配電板主要負載分配

在新型應急配電系統設計中，將全船的重要用電設備劃分為A、B兩個子系統，由應急主配電板1.1和1.2分別供電，某一子系統故障不會影響另一子系統的正常運行，有效保障了重要用電設備和系統的可靠運行。該設計通過借鑒安全返港下的主電網設計方式，形成了新型應急配電系統的網絡架構。

2.3 應急發電機組容量設計

不同種類和噸位的船舶由應急發電機供電的用電設備數量和種類也各不相同，應急發電機組的容量必須滿足應急電力系統各重要負載的容量需求。在應急狀態下，郵輪的轉向電機、應急艙底泵等拖動型負載，以及應急照明系統、無線電通信設備等重要設備都需要由應急發電機供電。郵輪電氣設備相對復雜，除上述重要設備外，應急工況還需考慮上建的空調和酒店用電負載。郵輪應急發電機的容量依據應急狀態下的負載功率需求來確定，以電力負載計算書為基準，并考慮足夠的儲備裕量。以某郵輪為例，其應急工況的電力負荷計算如表2所示。

表2 應急工況電力負荷計算表

從表中分析可得，在應急工況下，并不考慮推進動力，只保留相關的轉舵能力，因此推進系統的功率負載較低，廚房設備則完全不考慮。占比最大的是安全設備，如無線電通信、導航和固定式滅火系統等，事關乘客和船員的生命安全。在完成應急工況電力負荷計算后，根據所需的負載功率選取應急發電機組的功率，考慮一定的效率和儲備余量。在該郵輪應急電站設計中，單臺應急發電機組就能滿足應急工況的設備使用，且郵輪對乘客舒適性有著更高的要求，設計過程中應考慮全斷電情況下應急系統的反向供電能力，因此該船最終選取2臺2 010 kW的發電機組作為應急電源。

2.4 應急電站布置分析

在常規設計中，應急電站一般布置于上層甲板，郵輪也不例外。郵輪布置復雜，設備布置應考慮功能區劃分，尤其郵輪上建是乘客娛樂和酒店區域。若雙應急電站采用不同主豎區的布置方式，勢必會占用大量空間，不僅增加設計難度，還減少了運營空間。兼顧成本和安全性要求，以某郵輪為例，雙應急電站布置方式如圖2所示。

圖2 冗余應急電站布置圖

該郵輪的2臺應急發電機組布置于第16層甲板第6主豎區，分別位于左右舷，并采用固定式滅火系統，以A級防火分隔。根據安全返港要求，對于有固定滅火系統的保護處所，發生在A級界限面以內的火災，屬于事故界限以內，否則為超出界限。因此一個應急電站發生火災事故，另一應急電站仍認為可靠運行。若火災蔓延至另一應急電站，火災已超過事故界限，應立即執行有序撤離。

2.5 應急電網系統可靠性分析

郵輪主電力系統采用A，B系統設計方式，考慮到故障形式，一般有3種運行方式，分別為正常運行、主電網半側停電和主電網全斷電。以下對各運行狀態，應急配電系統的配電方式進行詳細分析，驗證應急配電系統可靠性。

（1）正常運行時，應急配電板由主電網供電，應急發電機組不啟動，母聯斷路器Q1和Q2斷開（見下頁圖3）。

圖3 正常運行工況

（2）主電網半側停電。以主電網A斷電為例，如圖4所示，此時進線斷路器1斷開，母聯斷路器Q1和Q2斷開，應急發電機組A啟動，向應急配電板1.1和2.1供電。若應急發電機啟動失敗或故障，母聯斷路器Q1自動閉合，應急設備仍能可靠運行。

圖4 主電網半側停電

（3）主電網全停電，如下頁圖5所示。此時母聯斷路器Q1和Q2斷開，應急發電機組A、B啟動。若其中一個應急發電機組故障或啟動失敗，母聯斷路器Q1閉合，由一個應急發電機組對整個應急配電系統供電，應急設備得電可靠運行。在設計發電機組容量時，單臺應急發電機組就能滿足整個應急工況的需求。而郵輪用電需求有其特殊性，不僅安全可靠性要求較高，還需考慮到乘客的舒適性。因此，在2個應急發電機組全部開啟的情況下，閉合斷路器1和斷路器4，電機容量足以對主電網的重要設備進行反向供電，以滿足乘客舒適性要求。

圖5 主電網全斷電

（4）正常運行情況下，應急照明配電板由應急配電板2.2供電，斷路器11和斷路器12聯鎖。若主電網和2臺應急發電機組完全失能，電池組則向應急照明配電板供電。電池組由應急配電板1.1和1.2進行充電，保持電量，進線斷路器6和8聯鎖，避免同時閉合充電。按照規范，蓄電池組容量應滿足全船應急照明持續運行至少0.5 h［5］。

通過以上分析，與傳統應急配電系統相比，新型應急電網系統在應急情況下，單個應急發電機組故障或啟動失敗，應急配電設備仍能可靠供電；而傳統設計下的單個應急發電機組一旦故障或啟動失敗，整個應急配電設備都將斷電。此外，在傳統設計下，若主配電板故障，整個應急配電系統損失；而新型應急配電系統采用雙主配電板設計方式，單塊主應急配電板故障時，只損失故障配電板供電的設備，其余主配電板和分配電板均可使用，最大程度保障了運行可靠性和冗余性。

對于某些重要設備，雙應急主配電板設計方式可以在使其保留一定的工作能力，這對郵輪系統可靠性和安全返港有深遠影響。以推進變頻器單元為例，左右舷的變頻器輔助用電分別由應急配電板1.1和應急配電板1.2供電。若應急配電板1.1故障，右舷變頻器輔助設備仍可靠應急配電板1.2得電，右舷推進器正常運行，郵輪以一半的推進動力返回港口。

3 結 語

綜上所述，郵輪不同于常規船型，其電力系統更復雜、安全要求也更高。常規船型的應急配電系統設計雖能滿足郵輪設計規范要求，但漸漸落后于國外設計趨勢。因此，本文設計了一種新型應急電網系統，采用雙應急發電機組、雙應急主配電板，形成了應急電網的A、B系統結構，并采用安全聯鎖冗余設計，解決了大型郵輪應急電網持續供電問題，能夠最大程度地提高郵輪安全冗余性，滿足郵輪安全返港要求。