海洋工程船舶电气系统和设备的现状及展望

吴斐文

（中国船舶工业集团公司第七○八研究所 上海200011）

0 引 言

我国海洋工程船舶（简称海工船）在过去10年中已形成了一个良好的开局，4 000 t全回转起重船“华天龙”号和30万吨浮式生产储油轮“海洋石油117”号的建造可视为一个新的起点。这既是用户对海洋工程市场寄以巨大期望而开发的具有现代高新技术的海工船，也是造船工业深化科技体制改革、加大自主创新能力投入产生的结果。

以开发海洋油气资源为主要目标任务的海洋工程装备，是我国船舶工业新的亮点，已列入国务院振兴船舶工业发展纲要的重点发展方向。加快海洋工程装备制造业的发展，是船舶工业结构调整的重要方向。在推进海洋工程装备制造业发展的同时，还要着力提高我国海洋工程装备的研发设计能力，总装集成能力和海工配套能力。这一系列政策措施已从中央到地方各级政府、企业、事业及民营单位的规划、计划工作中逐步得到体现。

海洋油气的开发是陆地石油开发的延续，经历了一个由浅水到深海、由简易到复杂的发展过程。1887年，在美国加利福尼亚海岸数米深的海域钻探了世界上第一口海上探井，我国则在上世纪60年代在渤海湾拉开了海洋石油勘探的序幕。

据介绍，海洋石油资源约占全球石油资源总量的34%，而探明率只占到其30%左右，还处于早期阶段。海洋油气资源主要分布在大陆架，约占全球海洋油气资源的60%，然后大陆坡的深水、超深水海域约占30%。水深小于500 m为浅水，大于500 m为深海，1 500 m以上为超深海。2000～2005年中，全球新增油气探明储量164亿吨油当量，其中深海占41%，浅海占31%，陆上占28%。可见，重点已在海上深海区。油气分布主要在波斯湾、墨西哥湾和几内亚湾的三湾；北海及南海的两海和黑海及马拉开波湖的两湖［1］。

根据各方面的信息，将目前现存的主要海洋工程船舶的数量列于表1中，提供大家一个宏观印象来了解整个海洋工程市场的面貌，作为我们今后工作方向的参考。

表1 全球及我国主要海洋工程船舶的数量

1 海工船类型及特点

海洋工程装备包括为海洋油气资源开发生产提供的装备和以海上工程作业及服务为使命的工程船舶及配套设备，范围很广，没有一个权威的归类。表2中列出了近10年中属于国内船东（个别除外）国内建造的主要海工船的实例，特别标明了其设计情况。其中，由国外公司做基本设计的有8项，占47%；合作设计的有2项，占12%；国内独立做的有7项，占41%。

其实，就船舶设计本身而言，并非说国内没有能力，水平也差不到那里去，主要是船东的观念及心理在起作用或在对作业性能无把握时的决定，一般可以理解。七○八所独立从基本设计尤其从概念设计做起的项目较多较突出，至今仍有项目在进行。从振兴纲要以及“十一五”期间安排的课题研究来看，我国对海洋工程装备的要求（不仅对海工船）是“提升海洋工程装备设计水平，为培育战略性新兴产业提供全面技术支撑；加大船用设备科技创新力度，大幅提升配套自主化率和本土化率等。”就是要提倡有自主知识产权的独立自主的开发和设计，逐步摆脱依赖国外公司的局面。这是研制模式的重大改变，对提高我国海洋工程装备的现代化具有重要意义。

从表2中还可看出，中压电站、电力推进、动力定位是当代海工船电气系统的主要特征，表2中的17项船型采用中压电站占到88%（15项），即使没有推进的7项中（其中1项是柴油机推进），中压电站也占到71%（5项）；采用电力推进为100%，10项需要推进的全是；采用动力定位的在电推中有7项，达70%；此外，这些海工船无一例外均为高度自动化的中央集中控制，往往通过网络通信形式构成全船自动化系统。对电气专业而言，中压电力系统、电力推进系统、动力定位系统和全船自动化系统这4大系统在海工船研制中具有了举足轻重的地位和责任。这是在常规船舶研制中很难出现的情况，也是历史发展所赋于我们的使命，需要我们全体从业人员的不懈努力才能实现。

2 海工船的电气系统

2.1 中压电力系统

海工船无论是油气勘探或生产装置还是工程作业装置都具有大量作业设备，是除常规船舶的机器辅助设备、保船设备和日用设备之外，独有的不可或缺的特种设备。不仅用途各异，而且功率往往巨大，形成了一个重要的电力负荷群体。海工船的供电系统要满足他们的不同工况下的用电负荷，在电力负荷计算中作特别考虑。而且要特别考虑他们可能特有的不同工况下的配电要求，例如多路供电或转换供电的要求。表3列出了主要海工船特有的作业设备的规格，从中可见他们构成了一个大功率的电力系统的需求。

大功率用电负荷必须要有一个大功率电站来供电，这个大功率电站在超过10 MW以后，必然会采用中压发电机才能组成。中压发电机按系统短路容量估算后，一般可按所有发电机电流之和乘上8倍即可估得在不同电压等级下的短路容量，并按表4所列极限容量来决定断路器的分断能力。电压等级越高，系统功率也越大。原则上发电机单机功率尽可能大些，负荷率也可比常规低压有所提高，一般95%也可接受。中压发电机绝大多数采用中性点高电阻接地系统［10］。

表2 我国建造使用的主要海工船实例

大功率电力系统除了供电装置外，还有较复杂的配电系统和配电网络。配电系统包括配电板及汇流排的结构和型式，这个问题的进一步分析在具有DP-2/DP-3以上要求时可参阅参考文献［11］的论述。配电网络主要根据多路供电和转换供电要求进行分析，这在DP-2/DP-3以上要求时更有必要。

2.2 电力推进系统

电力推进是一个既古老又具有崭新活力的船舶推进型式。进入21世纪以来，基于对提高船舶操纵性能的需要以及对动力装置的综合应用的研究，船舶电力推进获得了广泛的关注和应用。这是由于当代船舶的使命已经从交通运输这一狭隘的用途扩展到了国民经济的诸多领域，海工船就是其中之一。

电力推进系统是集船舶总体布置、推进性能、机电设备配置总成的全船性的综合系统。由于包括柴油机发电系统，交流变频调速驱动系统和计算机自动化系统在内的船舶动力、驱动、控制设备的成熟发展，产品可选范围极大，也促进了适合各种需要的电力推进系统的开发。

表3 主要海工船作业设备及电站规格

表4 中压电网短路容量/MVA

电力推进系统的优点越来越得到充分的认识而被接受，海工船采用电力推进的主要理由在于需要优越的操纵性能（特别是长期低速，如表1中的“海油720”）甚至动力定位要求。在采用主推进加上首、尾侧向推进以及可伸缩全回转推力器的应用后，操纵性能获得全方位的保证；侧推及可伸缩推力器的驱动采用电动必定是最合理方便的，而此时主推进的驱动也只能采用电动才是一个具有相同机动性能的和谐的统一的系统。因此，现代的动力定位无一不是采用电力推进作为驱动装置的系统。同时，由于海工船具有大功率的电力系统，当不进行作业而需要作船舶移位时，推进装置完全可利用这个大功率电站作为动力。所以某些即使不需要动力定位要求的海工船，也往往配置电动主推进装置进行低速航行或移位，表1中“兰疆”号和“华天龙”号两艘起重船就是这种应用。表5列出了表1中采用电推的推进装置规格。

从表5中可看到许多有趣的现象：

（1）所用推力器类型五花八门；

（2）大部分采用FPP，少数采用CPP；甚至个别如第10项主推CPP还用变频驱动；

（3）主推进器无论是否用于DP，采用常规尾轴式、Z推和POD的都有；

（4）最大单机功率≤5 500 kW；

（5）驱动型式多样化，以虚拟24P最多，个别用真实24P以及循环型，没有用6P或AFE；

（6）世界著名供应商都参与，ABB有5项，西门子3项，罗宾康与Converteam各1项；

（7）推进电动机（除 POD外）转速最低的为750 r/min;

（8）主推进兼DP作业的理论上应具有恒动率调速性能，但并非全有。

是否能从表5这10种应用中总结一种标准的最佳的驱动形式，现在看来还不具备条件。根据目前变频器发展来看，电压型变频应成主流，也有达到2～3万千瓦大功率规格产品推出。因此过去用SCR构成的电流型变频器或循环型变频器近来已不大见到应用了。但是，电压型变频器中真实24P或多重迭加型（完美无谐波）还很少见到应用，笔者认为未来一定会出现，应用在大功率的推进系统中。随着变频器价格的下降，AFE会出现在中功率应用中，而6P型在小功率应用中不会消失。

表5 主要电力推进海工船的推进装置规格

2.3 动力定位系统

动力定位（DP）技术诞生于上世纪60年代世界油气开发快速时期，首先就用于钻井船“尤勒卡”号。目前，其已成为一门成熟的技术，在海工船以及其他许多船上都有广泛应用。国际海事组织IMO在1994年出版一本DP系统船舶指南（113IMO/IMO MSC circ.645）,实际上这个指南的基本思想出自于国际海事承包商协会IMCA及其前身动力定位船舶船东协会DPVOA及海上潜水承包商协会AODC的一系列指导性文件中。1991年出版的103 DPVOA以及后来IMCA M103文件就是将有关DP船舶的规则、操作程序以及良好的实践融为了一体，并且定期审阅和更新，目前M103文件已有2007.12的修订版。这个文件的前言、目录、术语及缩写词汇编及第一章、第六章、第八章已有译文，发表在参考文献［12］中。IMCA组织是有关动力定位一切事宜的最权威的机构，其出版的一系列文件具有重要的指导作用和规范的意义，详见参考文献［13］。

DP船舶设计现在有一个误区，船东似乎很在乎DP的设备等级，往往为入级DP-1还是DP-2或DP-3而考虑再三，而且把考虑的重点放在了DP供应商上，好像DP供应商能包办一切。而对自己的DP船舶应适合怎样的环境条件和应该如何进行DP操作这之间的关系考虑较少，对不同的DP设备等级与船舶的环境条件、工作状态乃至船舶的动力配置、总体布置以至将来运行时DP操作员的能力和经验之间非常复杂的相互影响的关系了解较少。因此，提出一个恰当的DP设备等级必须非常慎重，在113IMO文件中的2.1节指出：对一特殊操作所要求的船舶的设备等级应由船东和客户 （一般指操作者-笔者）在位置丧失后果风险分析的基础上认可。另外，主管机关或沿岸国家可对该特殊操作决定这些设备的等级。IMCA M103文件中指出，作为基本决定，该风险分析必须在早期进行，并在工作的各个不同阶段中重作考虑。并且指出DP-2级设备和DP-3级设备的船舶之间的差别不像操作员的培训和经验、船上的程序、船舶的动力和推力冗余以及控制系统是那么重要。因此，笔者认为，DP船舶设计从一开始，船东必须就船舶的动力和推力冗余以及控制系统与船舶概念设计部门进行充分的沟通和分析，而不应该贸然先在设计任务书上定下某一设备等级要求更合理。

作为船舶总体设计者，在开发研制需要采用DP的新船型时，可参考图1所示的DP船舶设计程序来进行。这是经过了多型DP船舶的开发研究后，初步摸索总结出来的一套程序和原则。这个过程主要由总体专业和电气专业协调进行，是DP中电气系统设计的重点内容［14］。

DP技术应用已有50余年历史了，而形成一个市场一种规范也有近20年了，直至近期，DP也还是一个新兴的产业。DP供应商主要负责控制系统及基准系统（传感器），著名的有挪威KONGSBERG，法国 Converteam （前身 Alatom）.美国 L-3（前身Nautronix）,我国都有采用，另外芬兰Navis也有采用。新加坡MT及加拿大AUTONAN也有推介。

图1 动力定位船舶设计程序

目前，国内刚开始起步应用DP，对DP试验、操作人员的培训，钻井领班、起重机司机、ROV操作员都需要有关DP工作的能力和限制的基本操作须知，船舶设计、验船、管理部门都需要对IMCA的相关文件进行了解掌握，这些工作有待得到进一步的加强落实。

2.4 全船自动化系统

海工船具有工程作业的特点，并且控制采用以中央集成的形式，所以海工船的自动化系统比较完整和强大。无论是钻井作业、油气处理、桩腿升降、升沉作业、调载平衡、铺管作业、布缆作业、多点锚泊定位以及动力定位所含的对所有推力器的各种操作都是全船性各种设备的综合遥控。海工船的自动化系统远比常规船的主机遥控复杂得多，船舶自动化进入到了一个更广泛的领域和层次。

海工船的全船自动化系统不仅包含传统的监测报警系统，还包括功率管理系统、压载系统检测控制、液位（压力、温度、流量）检测控制、辅助机器设备控制，甚至装载和稳性计算系统。并且和DP控制系统一起集成为一个无缝连接的自动化系统。在系统内各种信息自由流通，各种控制系统协调运行，提供各种次级系统按船舶操纵要求的功能集成的最佳方案。因此，可获得一个自动化程度最高、技术通用，备件最少和较少培训的运行系统，并且安全可靠。

一般要求全船自动化系统在所有层面上，包括操作站、通信链、处理器、I/O模块和供电单元上均有冗余，并有内置的自诊断模块（包括所有系统部件和内部通信的监测、现场电路延伸监测、独立的I/O模块、接地故障检测等），在系统或现场故障事件中，用预设系统响应来达到故障安全运行。所有应用软件可在线编辑，控制系统在安装和运行时可能发生的新的要求容易进行调整。

自动化系统包括操作站、现场站（含系统接口，包括硬线I/O信号和串行I/O信号）、网络分配单元（交换机）、延伸报警系统、打印机、UPS电源。自动化系统应含有趋势分析、报告系统和历史数据库，用图形显示和过程视图作为监测手段。

自动化系统通信一般采用屏蔽对绞电缆（STP）7类网络线或光缆连接控制站和过程站，STP电缆一般不大于100 m,常用双星形或环形通信组成冗余网络［15］。

3 海工船的电气设备

根据海工船电气系统分析来看，海工船的电气设备所不同于常规船舶的主要特点在于中压电气设备及变频器的应用。IEC标准及各国造船规范都对中压电气设备有所专门的规定，IEC已出版了新的高于1 kV直至15 kV电压等级的交流供电系统的专辑 IEC60092-503：2007，CCS2009 版规范对高压电气装置的特殊要求同2006版的一样，没有跟上IEC的变化。另外，IEC也出版了新的电力推进装置专辑 IEC60092-501：2007，CCS2009 版规范已有类似新要求的修订。

中压发电机除了同低压一样的要求外，特别强调重视内部短路和接地故障的保护，中压发电机必须设灭磁保护。中压发电机功率大，其AVR装置也大，一般散件供应，中压配电板内也放不下，只能独立安装或安装在集控台内。如果中压电网中变频器负载比例较大时，电网功率因数可能较高，发电机额定功率因数也可提高到0.85或0.9，有可能减少发电机的kVA容量，缩小机座号。中压发电机常用风一水冷却方式。目前，国内有引进生产的西门子1FJ4系列和利莱森玛LS系列，上海电机厂可供应自主研制的大中型中压发电机及中压电动机。

中压变压器在海工船上大量应用，甚至中压配电板的每条馈电电路都连接一台中压变压器，包括推进移相变压器、作业机械移相或降压变压器、日用负载降压变压器等。其中有些变压器的容量可能很大，甚至接近或超过单台发电机的容量。因此，大容量变压器接通时的冲击电流会造成发电机过流脱扣或过大的电压跌落，一般用预充磁的方式来降低其冲击电流。低压预充磁变压器可设置在中压变压器箱内集成一体。变频用移相变压器一般为三绕组形式，常用△/△+Y接线。日用负载降压变压器有时容量也较大，低压侧电流将很大，一般采用△/△接线，则低压绕组制造较方便。降压变压器不能用Y/Y接成，在发生接地故障时会有三次谐波电流流过影响温升。中压变压器也常用风一水冷却方式。目前，国内泰州海田和江苏中电都能供应风一水冷中压变压器，与ABB、西门子供应进口的TRASFOR相当。

中压配电板与低压配电板有着天壤之别，它是以分割封闭的结构组成断路器室、母线室、电缆室和低压室而构成标准的每屏结构。每屏只装一台断路器馈电一个用户，常用真空断路器，另有SF6断路器，小功率馈电也有真空接触器+熔断器式。断路器和接触器都不带保护装置，另配多功能保护继电器进行保护脱扣。中压配电板的控制及操作均为直流电源，需另配24 V或110 V UPS。中压配电板对安全要求特别高，靠部件的结构本身及相互的联锁来保证，不会让人接触到高电压部件。中压配电板按电压等级有7.2 kV、12 kV、17.5 kV等几种最高使用电压规格，按电流等级有 630 A、1 250 A、2 500 A、4 000 A等几种，分断能力有 25 kA、31.5 kA、40 kA、50 kA 等几种。工频耐压标准在我国执行两种标准，一种是IEC71.1-1993，另一种是GB311.1-1997，后者比前者高，以 6 kV等级为例，IEC为 20 kV，GB为 30 kV；10 kV等级，IEC为28 kV，GB为42 kV。目前，国内有引进生产的西门子NXAIR系列和ABBZS1系列中压配电板。

控制设备主要采用变频器及软起动器。变频器目前均采用交-直-交电压型结构的形式，以二极管整流+逆变器构成。而以有源前端AFE+逆变器具有无谐波及功率因数可达1的变频器因价格较高而应用较少，但前景似可看好。另外以大功率二极管整流+多台逆变器构成的多传动变频器因适用于同类型非同时工作的设备而获得较多应用，如起重机、定位锚绞车等。二极管整流是一种非线性元件，因此输入电流中会产生谐波电流，引起电源（发电机）内阻抗生成相应的谐波电压，恶化电网电能质量。为了改善电网质量，需采用多脉波整流，一般有12脉波、24脉波等，增设移相变压器来实现。目前，国内有引进生产的ABB的ACS800系列，西门子的S120系列，伟肯的NX系列，均为低压风冷，而现在船上常用的低压水冷均需进口。另外，船上也常用的中压水冷的如ABB的ACS6000系列，西门子的GM150系列，Converteam的MV7000系列 （另有低压MV3000系列）则需进口。软起动器是以晶闸管组成的无触点交流起动器，一般以升压法、恒压法、限流法来控制电动机的最大起动电流并自动进行加速，起动结束可用接触器短接或不短接。目前，国内有引进生产的施耐德的ATS48系列，西门子的3RW34系列等，均为低压。另外，在中压等级上船上常用进口的以色列SOLCON的HRVS-DN系列。

4 展 望

前期有两则海洋工程方面的重大新闻，一则是中国交通建设总公司出资1.25亿美元收购美国的FRIEDE&GOLDMAN公司，F＆G是国际著名的海洋工程设计和项目管理公司，表2中有4艘平台和船皆由他们作基本设计；另一则是大连中远船务公司开工承建第一艘DP3钻井船“大连开拓者”号，不过遗憾的是该船是出口的，而非中国船东。包括2010年3月，南通中远船务公司交付了世界上首座圆筒型钻探储油平台“Sevan Driller”号（SPAR）在内。这些新闻说明了海洋工程是如此之热，把属于交通部业务范畴的单位都吸引到了第一线，我们集团公司的人应该感到重大的压力和责任而更加有所作为。

从“十一五”开始，工信部、科技部已就海洋工程方面立项很多课题研究，包括钻井船、半潜平台、自升平台、物探船、半潜船、起重/铺管船、动力定位、深水应急支持船及3万方耙吸挖泥船等，目的在前面第1节中已经挑明了。目前，船舶总体设计各专业的系统设计工作没有特别难点，仅个别特种设备或系统的设计或选型情况较复杂。有的可依靠国内相关工业和研究部门协助完成，如钻井机械已可提供系统配置及设备；有的只能提供系统分析，设备则需进口，如铺管张紧器；有的可能全需由国外公司提供系统配置及设备如J型铺管系统；有的可能只能提供初级的系统和设备，高级的系统和设备则需进口，如DP系统。船舶建造能力方面情况更好些，上述3个事例已证明了这一点。而从使用方面，特别是DP－2还是DP－3船舶，必须达到IMCA所要求的操作以及管理水平，对我国海洋工程船舶船东及船员都是一个极大的考验。

对于海工船电气系统和电气设备，前面第2，第3节已详细分析了，有些系统还未设计过，有些设备只能进口。这需要我国的机电工业部门提供技术支撑，加大船用设备科技创新力度，大幅提升配套自主化率和本土化率，加强基础技术和技术标准的研究，实施重大创新项目，共同为海洋工程装备这个国家战略新兴产业的发展而努力。

［1］世界海洋工程资讯［Z］.2010年第16周.9.

［2］秦琦.世界钻井船市场发展现状［J］.船舶，2009（6）：8-12.

［3］船舶与近海工程技术经济信息快报［Z］.七○八研究所，2010年第2期.3.

［4］船舶与近海工程技术经济信息快报［Z］.七○八研究所，2009年第10期.2.

［5］世界海洋工程资讯［Z］.上海兰马克海洋工程装备股权投资基金，挪威戈朗海洋工程集团 （上海），2010年第30周.6-7.

［6］汪张棠，赵建亭.自升式钻井平台在我国海洋油气勘探开发中的应用和发展［J］.船舶，2008（1）：10-15.

［7］船舶与近海工程技术经济信息快报［Z］.七○八研究所，2009年第14期.1.

［8］我国浮式生产储油装置技术的发展现状［J］.上海造船，2009（2）：48-52.

［9］大型起重铺管船及工程船舶的研发.船型开发专集［C］.上海：七○八研究所.2010.

［10］徐丹铮，缪燕华，吴斐文.大功率电力系统船舶的电气设计（上）［J］.船舶，2009（5）：31-37.

［11］毕雨佳，吴斐文.DP-2/DP-3船舶电力系统设计要点［J］.上海造船，2008（4）：59-63.

［12］吴斐文译.动力定位船舶的设计和操作指南（节译）［C］.“大型起重/铺管船及工程船舶的研制”船型开发专集.上海：七○八所，2010：490-511.

［13］吴斐文.关于动力定位国际组织和标准综述［J］.上海造船，2010（2）:69-71.

［14］缪燕华，吴斐文.动力定位工程船设计技术研究［J］.上海造船，2010（1）：46－50.

［15］傅晓红，朱涤，张海荣，吴斐文.海洋工程船舶的自动化［J］.上海造船，2008（4）：39－44.