海洋工程DP-3船舶电气设计的关键技术

祝世奇，缪燕华

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

电气与自动化

海洋工程DP-3船舶电气设计的关键技术

祝世奇，缪燕华

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

阐述了海洋工程DP-3船舶在电气设计过程中的关键技术。包括：电力负荷计算时作业设备的分类、工况的确定和作业设备的工作情况分析；正常运行和单故障状态的电力负荷计算，根据各正常和单故障负荷分析的结果确定装机总容量；分析机舱数量对电站总容量和发电机组数量的影响，确定合适的机舱数量、机组数量和单机功率；在电站配置确定后综合考虑电力系统的架构、汇流排的短路容量、电压等级、环网形式等，确定电网的组成，并进一步校核正常工况和单故障时配电板单段汇流排负荷率；在电力系统设计中考虑推进负载在单故障工况时的冗余供电；大功率作业负载的转换供电、辅助动力设备在DP-3船上的冗余设计；全电力推进船舶功率管理系统的配置、功能和必要性。

DP-3附加标志；单故障；电力负荷计算；电站配置；分区供电；功率管理

0　引言

随着海洋油气开发工程的飞速发展和对在深海、恶劣环境中定位工作的更高要求，越来越多的海洋工程船配置了先进的动力定位系统，出现了大批具有DP（Dynamic Positioning）-3附加标志的海洋工程船舶。中国船级社（China Classification Society，CCS）规定，具有DP-3附加标志的船舶在出现任一故障（包括由于失火或进水造成一个舱室的完全损失）后，可在规定的环境条件下，在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向［1］。因此DP-3附加标志的船舶设计除了满足冗余要求外，还要求舱室分开布置，以应对由于失火或进水造成的一个舱室的完全损失，实际上涉及多个设备同时失效的情况。其中海洋工程DP-3船舶电气系统除了需按照常规动力定位工程船进行设计外，还需要特别关注电力负荷估算、机舱数量对总装机容量的影响、配电板汇流排负荷校核、功率管理功能等几个方面。

1　电力负荷估算

DP-3船舶在确定电站配置时，首先需要根据船舶作业特性进行工况分类及作业设备分类，然后确定在各工况下作业设备的负荷状态和负荷系数［2，3］。在对全船的用电负荷进行初步估算后即可初步确定发电机组的数量和功率，在此基础上，对发电机组在不同工况下的负荷率进行估算，并综合各工况下的负荷率对发电机组的功率和数量进行优化，原则是既要保证在各种工况下的负荷率合理，又要使备用发电机组的功率和数量合理。

按DP-3附加标志设计的船舶，发电机组的设置应考虑冗余，实际设计时一般采用增加发电机组的数量和功率来实现冗余，保证在缺少任意一台发电机组或损失任一舱室时，余下的发电机组总功率仍能满足DP-3动力定位的要求。

对DP-3船舶电力负荷在按正常状态下进行各工况的估算后，还需分析在发生单故障时对应工况下的负荷。此时不仅考虑推进器及辅助设备的故障，还需考虑发电机组和配电板单段汇流排的损失，按照单故障时动力定位能力分析的结果确定在此时剩余的正常工作推进器的负荷以及为它们服务的辅助设备的用电情况。在得出正常状态和单故障状态的负荷分析结果后，按照最大的负荷来确定电站的总功率及发电机组的功率、台数。

表1为16000t深水铺管起重船的电力负荷估算结果，正常动力定位负荷67177kW，最大单故障动力定位负荷72863kW。确定电站的总功率及发电机组的功率、台数时将以最大单故障的负荷作为依据。

表1　16000t深水铺管起重船的电力负荷估算　单位：kW

2　机舱数量对总装机容量的影响

在全船电站总负荷基本确定后，需确定发电机容量和数量。具有DP-3附加标志的船舶要求在单故障（即一个机舱失效）时必须保持船舶的姿态，这必然影响机舱数量的确定，因为单故障发生时，发生故障的机舱内的发电机组将全部失效，造成电站容量的下降，从而影响负荷的使用。

以16000t深水铺管起重船为例，最大单故障时的总负荷72863kW，考虑单台发电机组功率的可选范围在5800～8700kW之间，以及DP-3要求该最大负荷是在失去一个机舱的故障条件下的工况。

方案一：全船设4个机舱，单台机组功率为7000kW，在单故障发生时其余3个机舱发电机组的数量应为10.4台，考虑发电机组负荷率90%，则需机组数量为11.6台，初选3个机舱共12台，每个机舱应布置4台机组，加上失效的机舱4台机组，总装机数量达到16台机组。若以3个机舱布置9台机组，则单机功率应达到8995kW，总装机数量为12台。前者总功率为112000kW，后者为107940kW，显然后者更经济合理。

方案二：总机舱数量为6个，每个机舱布置2台，共12台发电机组，在单故障发生时，其余5个机舱10台机组，此时每台机组所需的功率为8096kW，全船电站总功率为97142kW，比上述4个机舱12 台8995kW的总功率107940kW还要小很多，经济性更好。因此，最终决定采用6个机舱布置12台≈8096kW的柴油发电机组方案。

发电机组功率和数量确定后，估算全船电网的短路容量，以使配电板的电压和断路器分断能力的选型能符合该短路容量的限额要求。基于该船DP-3的要求，为提高系统的可靠性和保证设备能力有较大的裕度，并具有较好的经济性，电网电压确定为11kV，并将12台发电机组分成两个独立的电网，此时短路容量可降低一半，断路器分断能力也可采用较低的档次；每个独立电网有6台发电机组，正常工况使用5台机组，另1台机组备用，全船共使用10台机组。

在确定采用两个独立电网分区供电后，对每个独立电网汇流排进行负荷计算。在电网分区或配电板分段较多的情况下，应对单故障的每个独立汇流排作负荷分析，这可能是相当繁琐的计算工作，但可采用独立形式的计算表格来进行，最后将其中最大单故障工况的结果列入总的电力负荷计算书中即可。

综上所述，16000t深水铺管起重船的电站设置为：6个以A60级分隔的独立机舱，每个机舱布置2台11kV、50Hz、7760kW的柴油发电机组。电网结构设置为：左、右两个独立的11kV中压电网，每个11kV中压电网由3个机舱的6台发电机组和3段由联络开关连接的配电板组成。为了简化功率管理系统（Power Management System，PMS）的控制模式，采用开式环网结构，保证单故障时至少有2个配电板可以连接在一起，提高供电可靠性，并较易实现负荷平衡和调整。图1为16000t深水铺管起重船的中压电力系统单线图［4，5］。

图1　16000t深水铺管起重船的中压电力系统单线布置

3　配电板汇流排负荷校核

在确定了单台发电机组的容量、数量以及机舱数量后，为了保证DP-3单故障时能维持动力定位正常作业，需对配电板分区供电的汇流排进行负荷校核，不仅需校核最大负荷正常工况下的机组负荷率，还需校核发生单故障后可能发生的各个配电板分段独立工作时，其负荷是否合理可行，并提供 PMS能作出及时调整控制的预案程序要求。

以16000t深水铺管起重船为例，在双机起重工况正常DP作业时，单侧分区电站每个汇流排分段的独立负荷率均没有过载，所以不论哪个汇流排故障失电，不会引起继续在线的残剩发电机过载分闸。此时，PMS自动启动备用发电机并投入电网。这样，在故障侧分区电站仍有4台发电机工作，而正常侧分区电站将有6台发电机工作，原则上全船仍为10台发电机供电，能保证在正常动力定位时一样最大负荷作业。不过，为保证故障侧分区电站不会因减少两台发电机供电而发生过载现象，必须对该侧的部分供电负荷进行转换。同时应确定转移的负荷由哪个汇流排供电更合理，因此，必须对单故障工况进行配电板调整供电后的负荷进行计算，并校核每个独立分段工作不会产生过载。

在对该船单机联动工况进行单故障分析时，由于是单台起重机作业，此时起重机的2路供电如果从两个分区配电板获得，可能因2个分区独立电网的电压和频率参数的不同造成起重机用电的困难，所以需对单台起重机的供电系统进行协调和调整，原则上全部转移到非故障区配电板供电较合理，作分段负荷计算时应按此原则进行调整。这样，配电设计时需在起重机的供电回路中增加转换供电的环节。图 2为符合DP-3要求的起重机供电原则单线图，图3为考虑供电转换环节的符合DP-3要求的起重机供电单线图。

图2　符合DP-3要求的起重机供电原则单线布置

图3　符合DP-3要求的起重机可转换供电的单线布置

4　PMS的功能

海洋工程DP-3船舶由于其复杂和冗余的发电配置，造成发电机组的功率大、数量多、配电复杂，同时大功率的工作机械负荷和船舶运动负荷的工况转换复杂，以及为了提供动力定位供电的高可靠性，防止过载和失电这种严重危及船舶安全的情况出现，必须设置有效、反应快速、可靠且功能强大的PMS，尽量避免因为某个设备的故障或失效造成整个电网的过载和全船性的失电。海洋工程DP-3船舶的PMS除了常规的发电机组的启动、同步、卸载、负荷平衡、停车等功能外，还需具有对大功率电力系统特有的多段汇流排的联络开关进行有效控制，对电力推进系统在线储备功率的计算等功能，为避免电网的过载还需具有限制功率的控制功能和调节推进器负载的功能［4，5］。因此，海洋工程DP-3船舶的PMS涉及两大块领域：① 配电板的控制；② 负荷的控制。具体包括频率控制、发电机负荷分配、随负荷变动起动和停止发电机、重载启动闭锁、电网恢复供电时重新启动、用电负荷的控制及限制、用电设备的供电转换、DP失电防止、反馈功率保护及各个断路器的控制及保护等。此外，PMS也对柴油机进行控制，包括自动启动和停车、柴油机的预润滑、柴油机（冷却水）的预热、柴油机的报警和检测等。

5　结语

动力定位系统作为一种新型的定位技术，在深水水域作业的海洋工程船舶中的使用越来越广泛，随着海洋资源的进一步开发和利用，动力定位技术和海洋工程船舶电力系统将相辅相成，获得更高更精的发展和应用。

［1］ 中国船级社. 钢质海船入级规范［S］. 2012.

［2］ 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

［3］ 徐丹铮，缪燕华，吴斐文. 大功率电力系统船舶的电气设计（下）［J］. 船舶，2009 （6）: 46-49

［4］ 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

［5］ 吴斐文. 动力定位船舶的设计和操作指南［C］//大型起重/铺管船及工程船舶的研发，2010. 490-511.

Key Technology for the Electrical Design of DP-3 Offshore Vessel

ZHU Shi-qi，MIAO Yan-hua
（Marine Design & Research Institute of China，Shanghai 200011）

This paper elaborates the key technology for the electrical design of DP-3 offshore vessel，including categorization of the operating equipment in electrical load calculation，determination of their working conditions and analysis of their performance； as well as electrical load calculation for normal operation and the operation under single fault. The total installed capacity is determined according to normal operation and the result of single fault load analysis；the influence of the number of engine room on both the total capacity of power station and the number of generator set is analyzed to determine the number of engine room，the number of generator set and the capacity of each generator. Then，composition of the power system，short circuit capacity of the bus-bar，voltage level，ring type，etc. are determined with comprehensive considerations. In addition to this，the load of each bus-bar on the switch board under both normal operating condition and single fault condition are checked； the redundant power supply for propulsion under single fault condition，the transitional power supply for high load operation and the redundant design of auxiliary power equipment on board DP-3 vessel are considered in the electrical system design. The configurations，functions and necessities of power management system for full electrical propulsion vessel is discussed.

DP-3 notation； single fault； electrical load calculation； electric power station configuration； subarea power supply； power management

U665.1

A

2095-4069 （2016） 03-0039-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.007

2015-07-29

国家科技重大专项（2011ZX05027-002）

祝世奇，男，助理工程师，1987年生。2010年毕业于上海电力学院自动化专业，现从事船电设计工作。