70 m多用途动力定位船电力系统优化设计

王小林，秦 辉，李美玲

（1. 广新海事重工股份有限公司，中山 528437；2. 广州顺海造船有限公司，广州 511440）

1 引言

多用途海洋工程船，由于其工况特殊，主机马力通常配置比较大，远远超出正常航行所需要的功率，使得主机的使用率在正常航行中只有50%～60%，并且不能满足MARPOL对船舶CO2排放及IMO国际海事组织对船舶的排放要求。因此，为了降低油耗，根据负载的实际运行状况合理使用轴带发电机、提高电能的使用效率、设计出合理科学的电力系统，成为船舶设计中一个非常重要的任务。

在船舶实际运用中，轴带发电机和柴油发电机很难做到长时间的并联运行，目前大多数是短时并联运行。如果要做长时间的并联运行，必须加变频器作为频率的补偿，其价格比较昂贵，增加建造成本。本文以70 m多用途动力定位船为例，介绍采用优化的电力设计方法，在不增加变频器情况下，轴带发电机和柴油发电机长时间并联运行的电力系统。

2 电力系统单线图分析

由于海洋辅助工程船的船型主尺度普遍较小、功能块较多等特点，为实现项目的二级动力定位能力，我们研究了船型资料以及各功能系统设备，考虑到货物装载时航速低、主机使用功率小，主机在完成主推进时剩余输出功率完全可以满足轴带发电机带大负荷使用。以70 m多用途动力定位船为例，在动力定位中，为防止船舶因单点故障（主机故障或其它任意故障点）而失去定位能力，本船采用了以下负荷分区配电方案：（1）通过两台轴带发电机和三台主发电机来提供电力，分BUS A、B、C、D四段汇流排设计，轴带发电机与柴油发电机分开供电，保证在动力定位中，两台轴带发电机和三台主发电机都能长时间供电。为实现这一最低能耗的配置，我们研发出有效的电站方案，实现本产品的二级动力定位和冗余能力，获得了第三方ABS和FMEA的认证;（2） 按照其用途将电力负荷平均的分配在不同供电的汇流排上，将货物装载系统（泥浆，散料，钻进水等）和侧推器都放在轴带发电机供电的汇流排（C或D汇流排）供电;日常使用以及为主机服务的负载布置在发电机排（A或B汇流排）,负载都采用对称平衡式布置；（3） 在DP状态下，全部的汇流排联接开关(TB-ACB1、 TB-ACB2、 TBACB3、 TB-ACB4)都是打开的；（4）对外消防作业中，在DP状态下运行，利用主机带外消防炮和轴带发电机，可以实现定点消防。具体见图1电力系统单线图。

3 运行工况分析

由于本船多种工况都需要使用轴带发电机，操作相对复杂。为了使船员操作简便，我们在自动电站中设置了六种作业工况模式，可以在主配电板同步屏的触摸屏直接选择模式操作，也可以用人工手动操作。这六种工况是根据不同作业状态的最大可能电力负荷和发电机的使用率设置的。在自动电站中，柴油发电机和轴带发电机是采用谁先准备好谁就是第一备用，也可以在所有发电机运行状态前设置第一或第二备用等。六种作业工况设置表和各工况电力负荷使用率见表1和表2。

表1 电站作业工况设置表

表2 各工况电力负荷使用率

4 优化后电力系统设计的优点

与通常的特种船都会将货物装载系统由柴油发电机排（A或B汇流排）供电相比较，上述采用的分区配电方案有以下优点：

（1）传统的汇流排（A或B汇流排）出现故障时会导致部分日常用设备失电（如照明、供水等），甚至可能导致发电机和主机停车。但本案例出现汇流排故障时仅是某一段汇流排，比传统的汇流排更安全可靠；

（2）对DP的冗余度来说其要求左右主推进的可调螺距螺旋桨是互为备用的、左右全回转是互为备用的、两个首侧推是互为备用的。根据相关的规范要求，在DP模式时配电系统发生任一单点故障都不应影响其他设备的正常运作而导致无法定位。因此，本船的设计是在DP状态下全部的汇流排联接开关都是打开的，最大单点故障是某一主机故障导致停车，从而丢失这一主机带的可调螺距螺旋桨和一台轴带发电机供电，在这轴带发电机供电回流排失电（C排或D排）的单点故障下，会连带的丢失某一侧推，最终的结果是依靠剩下的一个全回转可调螺距推进器和一个首侧推保持定位，这时仅仅是定位能力下降，而船舶不会失去定位能力，符合DP及FMEA（故障模式分析）的要求；

（3） 由于货物系统、产品的功能性系统及日常用电负载都分别对称地分配在不同的汇流排上，本船在不同的作业状态下设置了不同的电站工况，如设置了DP+FiFi模式（用于消防）、DP定位和装卸货模式等6种模式使发电机在最优、最节能状态下运行；

（4）操作模式更灵活，可以根据不同的工况和负荷要求，通过主配电板上触摸屏操作汇流排开关和发电机开关自动分/合。

5 结束语

对于海洋平台辅助工程船，针对复杂的工况和模式的选择，只有通过电力系统的优化简化操作配电板程序，根据负荷的实际需求变化不断的调整发电机，对船舶动力、船舶负荷进行合理的分配和有效的管理，以此保证主机、发电机和船舶安全，并在各工况下保证负荷的平衡，提高使用效率和经济性。从该船的各工况负荷率可知，轴带发电机功率还是选大了，实际使用负荷率太低，值得今后加以改进。

本文对此类船舶电力系统的设计有一定的参考和借鉴价值。