50000dwt半潜船电气系统设计

刘 以 社

（上海交通大学，上海 200030）

0 前 言

由广船国际股份有限公司承接、上海船舶研究设计院详细设计，黄埔船厂建造的中远航运股份有限公司的2艘50000t半潜船，入CCS（中国船级社）和DNV（挪威船级社）双船级，挂中国国旗，船级符号为：

1)CCS：Semi-submersible Vessel；

2)DNV：+ 1A1, Ice-C, DK(+), EO, RPS, BIS.

本船通过 6600V中压供电给2台电力推进马达，经过变频器驱动 2个定距桨来推进船舶；通过空压机利用压缩空气进行打压载和排压载，控制船舶的下沉和上浮。由于装载货物的极其特殊性——大型钢结构件、海上钻井平台、无动力舰艇以及可移动海上建筑等高附加值特种货物，对于推进系统及相关配置的安全性尤为重要，因此增加挪威船级社“RPS（冗余推进和分割）”入级符号要求，以A-60水密舱壁分隔的冗余推进配置来有效解决这一问题。

1 电气系统设计

由于本船采用电力推进系统，并入级RPS附加标志，因此在推进系统与操舵系统上需要考虑冗余设计。全船系统配置如图1。

图1 全船系统配置图

1.1 配电系统

1.1.1 电制

本船采用AC 6600V，60Hz，3PH为主电源，另外还包括常规使用低压的 AC450V，60Hz；AC230V，60Hz低压电源和直流24V电源。

1.1.2 发电机

4 台 4341kVA (3690kW)，AC6600V，60Hz，3PH中压发电机组，作为主电源供电给电力推进马达和大功率设备（包括2台侧推，4台排压载空压机），且通过2 台2200 kVA，6.6/0.45kV配电变压器变压后向辅助设备、安全以及船上其他用电设备正常供电。

1台 1210 kVA (968kW)，AC450V，60Hz，3PH港口发电机，主要用于航行时供电给货物使用，当船舶处于停泊状态，4台中压发电机不运行时，港口发电机可以作为主电源通过450V汇流排供船舶生活用电。

1台AC450V，60Hz，3PH应急发电机，额定功率为500kW，供船应急负荷使用。

1.1.3 配电板

根据船上使用的设备情况，本船共包括 2 段（20+2屏）中压配电板（6600V）和2 段（23屏）低压配电板（450V及230V）用于全船的供电。

另外厨房设备采用单独的变压器供电，使得厨房设备和整个电网隔离，以免厨房设备的低绝缘影响全船电网。

1.1.4 系统保护

1)在中压部分，下列开关间做到了规范规定的完全选择性保护，并给出保护协调曲线：

(1)主发电机开关-中压配电板联络开关-供电变压器开关；

(2)主发电机开关-中压配电板联络开关-推进变压器开关；

2)在低压部分，下列开关间做到了规范规定的完全选择性保护，并给出保护协调曲线：

(1)供电变压器开关-主应联络开关；

(2)供电变压器开关-主照明变压器开关-下一级开关；

(3)主应联络开关-主照明变压器开关-下一级开关；

(4)应急发电机开关-应急照明变压器开关-下一级开关。

这些开关间的保护协调是靠短延时整定时间的不同。可以看出该系统已做到完全协调地选择性保护，符合船级社要求。

1.1.5 系统中点接地

由于采用中压，降低了系统短路电流等级和配电板成本，节省了电缆，提高了系统安全可靠性。中压系统对安全要求高，系统接地方式应仔细考虑，中点接地方式工艺简单，但因弧光接地引起的过电压可能很高。直接接地可将过电压控制在安全水平，但过大的短路电流可能给系统安全带来危害。中点经电阻接地，能减少电弧接地过电压的危险性，接地电流较直接接地小，系统工作连续性好，对通信干扰也小。

1.2 RPS附加标志的电气设计

RPS是DNV的一个附加标志入级符号，指水密舱壁分隔的冗余推进船舶。主要对推进系统和操舵系统提出了系统备份的要求。即当出现任何故障导致船舶一侧设备不能运行时，要保证全船仍能操舵运行，并且至少有50%推进功率保留。这实际上就要求至少配置2套独立的推进和操舵系统，其控制功能也应该冗余设计，且双套系统之间应有可靠的分割。

1.2.1 配电系统设计

本船要求至少有双套独立推进系统和双套操舵系统，且2套功能之间有可靠的分隔。因此与推进系统、操舵系统相关的电气设备，包括中压配电板、推进变压器、推进变频器、推进马达、450V/ 230V低压主配电板、主发电机、推进马达服务的辅助设备，都为左右独立配置。配电系统如图2。

可以看出，以虚线为中心线，左、右侧机舱的设备分别由左、右侧的配电板供电，左右配电板间则由A-60级防火水密壁进行物理分隔，以确保推进系统、操舵系统相关设备供电均冗余，完全独立。无论哪个设备出了故障，导致一侧无法运行，另一侧都不会受影响，而且至少可以保证50%的推进功率。

左右配电板通过对母联开关的选择性保护和短路保护设计，以保证在单边机舱发生失火或进水以及单边推进系统、舵机系统发生故障情况下，能瞬时自动断开左右配电板间的母联开关，而不影响另外一侧机舱的正常工作。同时左右配电板间联接的通信和控制电缆，在一侧的电缆发生故障时，不影响到另一侧配电板的正常工作。

全船的AC450V和AC230V供电，主要通过左右2个2200kVA，6.6/0.45kV配电变压器分别连接至对应的450V主配电板。这2个变压器互为备用，所以设计中考虑每个变压器的容量都能满足450V和230V负载要求。

1.2.2 推进控制系统设计

RPS除了对推进系统和操舵系统的设备配置有冗余要求外，还对其控制功能也有冗余要求。推进控制系统如图3。

图2 配电系统图

图3 推进控制系统

推进设备包括：2 台5250kW推进电机，4台3300kVA推进变压器，2台7000kVA ACS6000变频器，2台PCU推进控制装置，2台刹车电阻器。其控制分为左、右推进器控制。本船在桥楼前主控制台、桥楼后货控台、两翼控制台分别设有推进控制操作站。每个推进操作站各自独立，可以分别进行左、右推进器控制，也可以左、右同步控制。而且对左、右推进控制信号的采集，以及相关电缆/光纤都是分别从船舶的左右2舷走向控制点，最大程度上保证了2边控制的独立性。

除了遥控推进操作站，在推进机舱内的变频器控制器上也可以对推进马达进行应急本地控制。操舵控制也一样，虽然自动舵只有1台，但是通过命令的转换，却可以实现对左、右舵机的联调和分别控制，左、右舵机舱内也分别设有对各自舵机的应急控制。

1.2.3 故障模式影响分析报告（FMEA）

根据RPS入级要求，需要对本船所有相关系统提出故障模式影响分析报告，通过分析系统中所有部件出现单点故障所造成的后果和影响，来判断系统的配置和保护是否能满足RPS的要求。确保找出任何可能影响系统可用性和可靠性的因素，并通过合理设计加以规避。

1.3 甲板货物供电

由于本船装载货物的特殊性——为大型钢结构件、海上钻井平台、无动力舰艇以及可移动海上建筑等高价值特种货物，而且有的货物，其本身价值就可能超过了半潜船的价格，因此在保证船舶航行的安全可靠性的同时，给货物提供电力保障也是必要的。

为此，本船专门设置了 1台 1210kVA（968kW），AC450V，60Hz，3PH发电机为货物供电。这台发电机通过设在低压配电板的货物馈电屏专门为货物供电，这是一条独立的供电线路，与半潜船的主电网是脱开的，没有任何联系，不会互相影响。

另外，从经济方面考虑，对全船的电力负荷进行平衡。根据配置2台2200kVA，6.6/0.45kV配电变压器使用情况，在正常航行工况下，如果货物需要的功率在 600kW 以下，则可以通过主电网变压来的AC450V配电板提供货物必须的电源。在货物需要的功率大于600kW时，使用968kW发电机单独向货物供电，以节约柴油消耗。

在停泊工况时，由于中压发电机不运行，可将968kW的发电机用作停泊发电机，向船舶的450V配电板供电，提供船舶停泊时的正常供电。而此时也可以利用450V配电板上专门的货物供电开关向货物供电，但考虑发电机容量，此时限制货物功率在300kW以内。

另外，货物、船舶450V配电板、货物/停泊发电机之间的几个开关设有连锁功能，以保证各个供电主开关间的正常使用，以及对货物供电和操作人员的安全。

1.4 综合监测报警控制系统

综合监测报警控制系统（IACMS）见图4。采集报警和控制点近5000个，40幅MIMIC图（系统模拟图），包括电力推进设备控制与报警、362个遥控阀的控制、338点液位显示及设备的报警信号。采用KONGSBERG的K-Chief 700系统，光纤连接，以提高数据传输的可靠性。

图4 综合监测报警控制系统

另外设有自动电站管理装置，按负荷大小能自动起动解列发电机组，自动并车和负载分配。在航行工况中，当电站并联机组发生故障时，该装置能卸下次要负载，以确保航行设备安全用电，提高了电网供电可靠性。

全船共配置7个自动化操作站（桥楼主控台1个，货控台2个，集控室2个，低压配电间2个），所有的数据都通过全船（推进机舱、配电间、机舱和左右通道内）的信号采集箱收集并处理后，在所有的操作站终端 MIMIC图上通过点击鼠标，实现诸如电站自动化，机舱监测报警，液位监测和装卸货下潜上浮期间的排压载这些控制和监测功能。而上述7个操作站都能根据各自的权限，实现上面的所有功能，真正实现了数据共享，数据备份，控制功能备份。

另外还配置15个局域网计算机接口，进行全船自动化管理。该网络实现了全船的网络化、数据化。

此外，全船还配有轮机员安全报警系统和延伸报警系统。

1.5 其他系统

1.5.1 航行灯

特种工作船从中部到尾部都是开敞的平坦甲板，根据1972年海上防碰撞规则附件I第3a条，对桅顶灯的纵向距离的要求难以满足；另外尾灯布置在浮箱上，不能满足船中线布置要求，这都需要申请挂旗国的豁免。

1.5.2 通信导航系统

内部通信系统设备按照常规货船进行配置，导航设备配置较常规货船要高，共配置了2套电罗经，2套GPS（全球定位系统）卫星导航仪，2套电子海图（1套作为计划站，1套作为综合信息显示系统），2套卫通C站，2套卫通F站，3套回转速率指示器。

1.5.3 闭路监视系统

配置了15台摄像机和1台可移动摄像机，可以在货控台和集控台对全船情况进行监控。

1.5.4 水密门指示系统

由于本船将下潜26m，整个主甲板在下潜时都将淹没在水中，这样对于全船的水密门的开关状态需要严格监控，全船共配有 15个水密门，均可以在就地和驾驶室进行控制和操作。

2 结 语

由于 50000t半潜船面对的是高端货物市场，DNV的RPS附加标志使船舶的航行安全上有了跨越性的提高，同时也对各相关系统在设计广度与深度上提出了更高的要求，并积累了这类船舶的宝贵设计经验，能为今后承接同类型的高附加值船舶设计提供参考。

[1] 中国船级社.钢质海船入级规范2006[S].

[2] Det Norske Veritas.Rules for Classification of Ships[S].