海底管道巡检船电力推进系统概述

孙 建，王永兴

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300451)

0 引言

我国海底油气管道建设逐渐进入高峰期，中国石油、中国海油、中国石化等公司仅在渤海湾的海底管道就已达数百千米[1]。海底管道是投资高、风险大的海洋工程，对海上油田的开发、生产等有着至关重要的作用。然而海洋环境复杂多变，风浪、洋流、风暴潮等自然因素和采砂、锚害等人为因素对海底管道的安全性造成了很大隐患。海底管道一旦发生泄漏，不仅造成巨大的修复费用，同时也将会导致油田停产，污染海洋环境，造成生态灾害，甚至会引起爆炸或波及下游用户设施安全，对企业和国家造成重大的经济损失和环境破坏。

在管道运行期间，应重视海底管道路由的稳定性，并建立有效的海底管道巡检技术能力。现有的管道管理手段及方法已经越来越难以适应管理要求，需要更为专业的海底管道巡检船，用来实现对海底管道外部状态及损伤腐蚀的定期检测，以便及时发现海底管道的失效问题，并采取相应的维护措施，保障海底管道长期安全运营[2]。

1 船舶概述

本船为一艘海底管道巡检船，主要用于：海底管道工程阶段路由调查；海底管道定期路由调查和日常巡查；海底管道油气泄漏探测及泄漏点查找；海底管道潜水作业及ROV检测支持。

本船采用电力推进，为变频电动机驱动的全回转的固定螺距舵桨、带导流罩推进，DP2动力定位系统及综合导航定位系统的钢质海管巡检专用船舶。

本船电力推进系统及设备设计与制造符合CCS最新规范和修改通函，设计图纸经船级社审核批准。

2 系统方案

本船电力推进系统主要包括供电系统、主推进系统、主推遥控系统三部分。

电力推进系统单线图见图1。

图1 海底管道巡检船单线图

2.1 供电系统

2.1.1 主柴油发电机组

相对于690 V电制的电网，采用400 V电制可减少两台690 V/400 V变压器，同时减少了配电板上的变压器开关，降低了成本，减少了使用和维护的工作量。结合以上分析，本船配电系统采用400 V电网形式。

本船采用自动化电站，设置800 kW的主柴油发电机组4台，4台发电机组可并车运行或互为备用。主柴油机选用镇柴的船用四冲程、直列式中速柴油机（MAN）。柴油机由固定部件、运动部件、配气部件和辅助部件等组成，配备了曲轴箱透气装置、Woodward电子调速器（含恒频控制模块）、安全保护装置及盘车装置等附件。发电机为船用无刷三相交流同步发电机。机组的额定转速为1000 rpm，额定电压为400 V，额定频率为50 Hz。

主发电机的励磁系统包括装在发电机内部的励磁机，励磁控制单元、自动电压调整器（DECS-100）等。主发电机采用滚动轴承（SKF）。

主柴油发电机组的设计和制造满足船舶电力推进系统对电站动态响应的要求，并能承受本船电网中的谐波电压和谐波电流。

主柴油发电机组满足IMO关于NOx的排放要求（TierⅡ），并提供IMO-EIAPP有效证书。

2.1.2 主配电板

主配电板采用自然冷却方式，为直立落地式安装，底部进线，前后带铰链门的框架结构，冷轧板钣金制造，板厚不小于2 mm，基座采用槽钢（配有减震橡皮）。板前操作，前后维修，地面铺耐油绝缘橡皮垫，后面和侧面设封板，配电屏由金属外板制成全封隔结构，空气绝缘，每屏前后配备绝缘扶手，设有板前照明，配电板内部设置照明插座。顶部设有固定吊耳，配电板的结构部件能够有效地防止人员接触到带电的部分。

图2 400 V负载屏、侧推及主推进屏

发电机主开关、母联开关、主推进开关、侧推开关选用空气断路器，空气断路器配有过电流脱扣器、电动储能装置、储能电机、分励脱扣器等装置，机械和电气合闸，耐振动型，并具有过载长延时、过电流短延时和短路瞬时三段保护。开关分断能力的选择以短路电流计算书为依据，满足船级社规范要求。

主配电板设置有模拟单线图，安装有满足船级社规范的各种测量仪表。主配电板外形图见图2~图 4。

图3 发电机屏及母联屏

图4 400 V/230 V负载屏、侧推及主推进屏

2.1.3 电站管理系统

本船设有采用热冗余设计电站管理装置（PMS），其不仅具有对船舶电站监视、控制、保护的功能，还将实现主推进变频器、船舶电站、DP系统之间的协调运行。

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本船电站管理装置监控对象为4台800 kW主发电机组、1台280 kW应急/停泊发电机组、主配电板、应急配电板等，并具有报警和保护功能。

2.2 主推进系统

本船设有2套1100 kW，输入转速为1000 r/min的全回转舵桨。如图6所示，每套主推进器由1台主推进电动机驱动，主推进电动机再由一个独立的主推进变频器供电和控制，每台主推进变频器通过1台主推进变压器连接到船舶电网。主推进电动机（2台）、主推进变频器（2台）、主推进变压器（2台）构成了本船的2条主推进支路。

单条推进支路对400 V电网来说为12脉动整流，两套推进支路同时运行时构成虚拟24脉动整流。在发电机参数满足要求的前提下，可保证在不带任何滤波器的情况下，电网的总电压谐波畸变（THD）满足CCS规范的要求。

图5 电站管理装置结构图

图6 主推进系统结构图

2.2.1 主推进变压器

主推进移相变压器容量为1500 kVA，为三绕组整流变压器，环氧树脂浇注，金属外壳，冷却方式为闭式风水冷却。两台移相变压器原边有15°相角差，当两台变压器同时工作时，对于400 V交流电网相当于虚拟24脉动整流，可有效降低电网的谐波。

为避免在变压器投入时出现大冲击电流，配置预充磁装置。预充磁装置包括预充磁接触器和预充磁变压器。

2.2.2 主推进变频器

主推进变频器是主推进系统的控制核心，对不同工况下的推进负载变化进行最佳的动态控制和保护，从而保证推进系统的最佳性能和安全运行。主推进变频器具有过电压、过电流、低电压、过负载，超温、绝缘监测等保护功能；转速控制/功率控制功能；功率限制功能；紧急停车功能等；变频器过载能力要求具备20%的长期持续功率冗余。

主推进变频器将对推进电机进行转速控制，使系统根据指令，连续调节推进电机的速度，驱动螺旋桨，使船舶平稳航行。

主推进变频器采用优化的脉宽调制方式，整流单元采用二极管，逆变单元采用IGBT。

2.2.3 主推进电动机

主推电动机采用船用鼠笼型变频调速交流异步电动机，由主推进变频器供电和调速，可在额定转速范围内连续调节，在转速范围内均能长期运行。主推进电动机符合全回转舵桨扭矩和转速特性曲线，配合全回转定距桨作为推进动力并满足主推进系统对机械装置和电气设备的特殊要求。各相绕组和轴承上都设置了温度传感器，可以连接到监测报警系统。

2.2.4 主推进器

主推进器为全回转导管式舵桨，采用Schottel型号为SRP340FP产品。主推进器采用定距桨，由推进电动机变频驱动。

2.3 主推遥控系统

主推遥控系统具备两部分主要功能，推进器遥控操作及监测报警功能[3]。

主推遥控系统能够监测主推进装置内所有设备（包括主推进变压器、主推变频器、主推电机、主推进器）的运行状态，并进行相应的保护动作，确保主推系统的安全运行，并且将主推系统运行信息通过人机界面（中英文）反馈至操作人员与综合监测报警系统。当主推遥控系统监测参数超限时，发出相应的声光报警。

主推遥控系统具备与动力定位（DP-2）、机舱监测报警系统、功率管理（PMS）等系统的电气接口。主推遥控系统可以实现对主推变频驱动系统设备（包括主推移相变压器、主推变频器、主推电机、主推进器）的操控功能。依靠主推遥控系统，操作人员能够在远程（前驾驶室、后驾驶室、集控室）和就地（推进器舱）实现对主推进装置操作功能。

3 结束语

电力推进船舶已成为未来船舶的发展趋势，越来越多的船舶已采用电力推进方式。海底管道事故的突发性和不确定性会造成巨大的经济损失和严重的社会影响，因此需要定期对海底管道进行巡检，及时发现故障失效问题。本船提供了一种新型的海底管道巡检船电力推进系统解决方案，方案经济性更强、设备布置和使用维护更加方便，极大的降低全船装机功率，节约系统成本。

参考文献：

[1] 梁浩,李海川,郝兴国,葛彤.海底管道失效原因和基于ROV的海底管道巡检技术[J].油气储运,2015,34(4):439-441.

[2] 张国立,曲兆源.海底管道巡检船的设计和功能配置[J].船海工程,2016,45(5):118-119.

[3] 王海军.500方挖泥船综合电力推进系统概述[J].船电技术,2013,33(7):19-20.