闭环电气系统在大型工程船舶上的应用

赵建宇，唐 怡

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

随着海洋工程不断向深水领域发展，大型工程船舶不断涌现，大功率电力系统在船舶中的应用也越来越普遍[1]。虽然大功率电力系统满足了大型工程船的使用要求，但是其能源消耗也相当巨大。如何在保证系统可靠性的同时降低整船的能源消耗成为了摆在各船舶设计机构面前的一道难题。闭环电力系统的应用在船舶节能降耗方面展现出独有的特点，取得了良好的效果。系统闭环运行是相对系统开环运行的一种提法，相对于常规的开环运行方式，闭环运行将所有主母排连成一个闭环，系统可以根据作业的实际需要投入和退出发电机数量，从而使发电机的利用达到最优程度，达到节能降耗的目的[2]。本文将结合范例，论述系统闭环运行与传统方式的对比、优势及注意事项。

1 船舶动力定位系统简介

船舶电力系统担负着为全船动力、控制、通信导航以及安全保证等设备提供电源的任务，是船舶动力和控制的重要组成部分。随着海洋工程需求的不断提高，船舶日趋大型化、电气化、智能化。随着深水作业的增加，船舶动力定位(DP)系统越来越成为深水海洋工程船舶的标准配置。该系统可以在风、浪、流的干扰情况下，不借助锚泊系统而利用自身的推进器，使船舶保持一定的位置和艏向，或者按预定运动轨迹运行[3]。DP系统根据定位需求与效果的不同，可分为DP1、DP2、DP3三个级别。DP3是国际海事组织(IMO)的最高动力定位级别，可依靠自身的自控系统和卫星定位，自动测定风向等海况，并且精准度最高，抗风险能力也最强，即使一个舱室发生火灾或进水，仍不影响平台的位置和艏向。

为了满足船舶的DP要求，整船电力系统需要按照船级社的规范要求进行设计和配置。如DP3级别船舶，要求发电机舱室及配电间与其他发电机舱室应进行A60防火分隔，做到即使在火灾情况下也不影响其他舱室[4]。

2 船舶电力系统运行模式分析

2.1 电气系统范例

为了更加清楚地说明船舶电力系统运行情况，列举一个范例进行说明。在范例中，假定目标船为具备DP3级别的动力定位工程船，具有海上吊装及铺管功能。为此，该船配备8台主发电机及8台推进器，其他主要用电设备包括吊机及铺管设备。同时，为了满足其DP3级别动力定位要求，电力系统也应随之开展设计；主机及配电盘柜分4个舱室进行布置，各个配电室间设置母联开关，但开关之间仍需物理分隔。详细情况可参考图1。

2.2 系统开环运行模式

在图1中，如两侧的断路器(CB No.1和CB No.2)均处于打开状态，则系统处于开环运行状态。如果其中一个母排出现故障，被从系统中切断后，其他各个母排只能分开运行，正常母排运行的发电机就不能兼顾其他母排上的负载。此外，系统正常运行状态时，在负荷较小的工况下，为了保持整船的正常运转，每段母排上至少仍需运行1台发电机，即整个系统至少需同时运行4台发电机。

图1 电力系统示意图Fig.1 Power system diagram

2.3 系统闭环运行模式

在图1系统中，如将所有母联开关均闭合，系统则连成了一个闭环，处于闭环运行状态。与开环运行模式相比，系统主要设备并未增加，只是改变了母联开关的使用情况。最终状态如图2所示。

理论上讲，在此运行状态下，发电机的数量可以根据负荷的情况进行投入和退出，保证合理的使用率。在闭环运行状态下，如果负荷需求不大，全船只运行2台发电机即可满足使用要求，而不需要像开环运行模式一样每个母排均运行1台发电机。

大型工程船舶根据使用要求，分多种使用工况，比如各种作业工况、航行工况、停泊工况、待机工况等。其中各种作业工况，系统电力负荷较大，处于全船的重载情况；而航行工况、停泊工况和待机工况，系统负荷则相对小得多，系统处于轻载情况。根据实际操船情况，除正常作业外，全年各种轻载工况的作业时间也占据较大比重。以上述系统为例，如在轻载工况下采用开环运行模式，系统中仍需投入至少4台发电机；而采用闭环运行模式，则系统可以根据实际需要配置发电机，最少投入数量为2台。因此，闭环运行模式较开环运行方式更适用于轻载工况，优势明显。

2.4 闭环电力系统的优势

由上述分析可以发现，闭环运行模式在全船轻载工况下具有很大的优势，具体分析有以下几点。

图2 闭环运行模式Fig.2 Closed-ring running model

(1) 形式灵活，提高系统可靠性。在闭环运行模式下，系统可以根据实际需要配置发电机数量。在发电机发生故障时，可以快速起动备用发电机，保证系统快速恢复，大大提高了系统的可靠性。

(2) 节约燃油，提高运行经济性。由于采用闭环运行方式，减少了系统中主机的投入数量，因此使整船的燃油量大为减少，提高了全船总体运行经济性。

(3) 减少污染，保护环境。燃油量的减少意味着发电机烟气排放量也相应下降，减少了向空气中排放的废气，在环保方面起到了积极作用。同时，在闭环运行模式下，系统可以使各个发电机在比较经济的负荷率上运行，发挥了发电机的最大效能。据报道，已投入运营的海洋石油982采用了闭环电力系统，较常规系统，其氧化氮排放减少35%，二氧化碳排放减少20%。可见闭环电力系统在减少废气排放方面的效果相当明显。

(4) 减少噪声，创造良好的工作环境。对于图1所示系统常规运行方式，每个母排上必须有一台发电机运行，当一台发电机需要维修时，同一舱室另一台发电机仍要运行。维修时机器噪声大，工作环境不舒适。而采用闭环运行方式，当一台发电机需要维修时，可以关闭同一舱室的另一台发电机，而运行其他舱室的发电机，仍可保持系统的正常运行。主机检修期间，可真正实现主机间零噪音。

(5) 减少火灾风险。闭环运行模式与常规模式比较，减少了发电机的投入数量，客观上减少了发电机发生火灾的风险，提高了整船的安全性。

(6) 减少主机维护成本。闭环系统可以灵活地调整投入运行的发电机，系统可以根据发电机的运行时间决定需要哪台投入运行，平均了发电机的使用时间，可以使发电机最大限度地发挥效能，减少主机的维修成本。

2.5 闭环电力系统的缺点

相对于开环系统，闭环电力系统在许多方面均具有优势，但也有其自身的一些缺点，具体如下。

(1) 闭环电力系统对继电保护系统要求更高。由于闭环系统较开环系统结构更复杂，自动化程度更高，因此对继电系统设备要求就更加严苛，以满足各种工况下系统的正常运行。

(2) 在高负荷工况下，闭环电力系统优势不明显。闭环系统的优势在于在低负荷工况时发电机利用率高，调配灵活，可以提高整个系统的效率。但当系统在高负荷工况时，发电机投入数量较多，闭环运行与开环运行差距较小，体现不出其优势。

(3) 验收程序严格。由于闭环电力系统是近年来逐渐投入使用的一种系统，因此各船级社对此系统的验收均十分严格。例如，挪威船级社(DNV)要求，如采用闭环电力系统，需对整个电力系统进行短路试验，以检验整个系统的可靠性[5]。虽然此举很好地对电力系统的可靠性进行了验证，但短路试验可能会对电力系统设备使用寿命造成一定的影响。

3 闭环电力系统设计中需注意的部分问题

闭环电力系统较传统系统在低负荷工况下有比较大的优势，系统实现也相对简单，但在实际设计过程中仍需注意以下问题。

(1) 注意系统短路电流和直流分量。当系统中同时投入的发电机较多时，系统在故障时的短路电流和直流分量会大幅增加，往往会超过现有断路器产品的额定值。因此在系统设计时，需要准确计算其数值，并依此来选择合适的断路器产品。一般情况下，闭环运行方式在低负荷工况下优势明显，因此可以在系统闭环运行时，根据计算的结果来限定发电机的投入数量，保证系统的正常运行。

(2) 系统发生故障时系统应可以快速并有选择性地断开故障元件。系统中所有发电机的断路器均有短路时瞬时断开的功能。在闭环运行模式下，发生短路故障时，要求各母排之间的母联开关应先于发电机断路器断开，否则故障电流将蔓延到其他母排上，引起其他发电机断路器断开，进而使推进器关停，DP系统将失去控制。因此，系统设计时必须要确保联络开关的短路脱扣时间短于发电机断路器的脱扣时间，并且母联开关要有能力分断系统内最大短路电流。

4 结 语

闭环电力系统能优化发电机的控制系统，可有效减少主机运行和维护时间，提高主机操作灵活性，并已经过实践检验，其优势也得到了各方普遍的认可。但也因其自身的针对性，限制了其广泛的使用。

因此，船舶电力系统应根据船舶的功能来设置：如低负荷工况占整个作业周期比重较大，宜采用闭环电力系统，以发挥其在低负荷工况下的优势；如船舶大部分作业时间均处于高负荷工况，则宜选用常规的开环系统，以发挥其简单、可靠的优点。

虽然闭环电力系统还存在着部分缺点有待攻克，但相信随着电气技术的不断完善，新技术产品的不断推出，闭环电力系统的缺陷将得到进一步改善，其在工程船舶领域的应用将更加广泛。

[1] 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，2009，20(5)：30.

Xu Dan-Zheng,Liao Yan-hua,Wu Fei-wen.Electric design for ship with high-power electric system (1)[J].Ship & Boat,2009，20(5)：30.

[2] 于亮，王校峰，张硕，等.船用中压电力系统的发展[J].机电设备，2008，25(2)：1.

Yu Liang,Wang Xiao-feng,Zhang Shuo,et al.Development of marine MV power system [J].Mechanical and Electrical Equipment,2008,25(2)：1.

[3] 袁飞晖,熊勇,宋金扬.DP-3动力定位控制系统在钻井平台上的应用[J].上海造船,2010(1)：42.

Yuan Fei-hui,Xiong Yong,Song Jin-yang.Application of DP-3 dynamic positioning control system on drilling platforms [J].Shanghai Shipbuilding,2010(1)：42.

[4] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].2015.

China Classification Society.Rules for classification of sea-going steel ship [S].2015.

[5] DNV GL.DNVGL-OTG-10.DP-classed vessels with closed bus-tie(s) [S].2015.