小型LNG运输船电气设计概述

何金平，张 龙

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津300452)

0 引 言

随着市场对LNG运输船的需求增加，全球LNG运输船的建造迎来了一个新的快速增长期。小型LNG运输船主要担负 LNG的国内运输及短程国际间运输任务，船舶为无限航区，满足美国船级社 ABS及中国船级社CCS双船级标准。

船舶主要参数：总长 184.7m，垂线间长 175m，型宽 28.1m，型深 18.7m，设计吃水 7.4m。船舶有4个独立的C型双叶(bi-lobe)液货舱，货物围护系统设计温度为-164℃，液货舱舱顶设计压力为3.5barg(IMO)，属 2G型船。船舶配备双燃料电力推进系统，LNG蒸发气可以供双燃料主机作为燃料，由双燃料主机为原动机的主发电机组作为公共电站，向全船所有负载供电；船舶电力推进系统采用纯 24脉冲中压变频电力推进技术搭配全回转推进器。船舶采用先进的通信导航配置，以及高度集成自动化系统，解决全船监控及控制[1]。

1 电力系统

1.1 电站配置

该船主电网采用 AC6600V、50Hz三相三线绝缘系统，中性点不接地。电站由 3台双燃料发电机组(2台 I型 3890kW 和 1台 II型 2590kW)、1台330kW应急柴油发电机组组成。主汇流排分为3段，每台发电机对应一个分段。主配电板包括 3个主发电机屏、2个中压日用变压器屏、2个主推进馈电屏、1个侧推馈电屏、2个母联屏和2个母线提升屏。

该船电力系统主配电板单线图如图1所示。

1.2 电力负荷计算

该船为 LNG运输船，与常规船舶有很大不同，其电力负荷计算分为全速航行、单发故障有效航行、靠离码头、装货、卸货、锚地停泊、应急多种工况。根据船舶在各个工况下的负荷情况，计算船舶电力负荷如表1所示。

表1 各工况下的电力负荷计算Tab.1 Calculation of power load under various working conditions

图1 主配电板单线图Fig.1 Single chart of main distribution board

根据不同工况下的电力负荷计算，船舶电站配置2台I型双燃料发电机组(每台功率3890kW)和1台II型双燃料发电机组(每台功率2590kW)，应急机配置一台330kW柴油发电机组。该电站容量能够满足船舶各种工况下的电力负荷，同时具有较好的经济性。

1.3 双燃料电力推进系统

目前，双燃料电力推进技术各个设备都有很多选择性，可以集成出很多搭配。小型 LNG运输船采用双燃料电力推进系统，主要配置如表2所示。

表2 双燃料电力推进系统设备配置Tab.2 Equipment configuration for dual-fuel electric propulsion system

该船主机采用瓦锡兰双燃料主机，可以使用柴油或者货物系统蒸发气(BOG)作为主机燃料，在正常情况下燃烧货物蒸发气，一方面可以消耗货物系统蒸发气以减小货舱压力，减少柴油的使用，提高船舶的经济性；另一方面天然气作为燃料能够使得船舶清洁排放，达到绿色船舶标准。

对于采用电力推进的船舶，根据 CCS船级社规范要求，在一台发电机组不工作时，剩余的机组应能向所有重要设备和船舶常用设备供电，同时维持有效推进，即应保证船舶航速不小于 7km/h或设计航速的一半，两者中取大者[2]。本船电站的配置能力能够完全满足要求。另外，本船推进系统由两套独立的全回转推进器组成，设计航速 16.5km/h(15%SM)，任何一台推进器故障均不影响另一台推进器持续为船舶提供动力，以保证船舶的操纵性。

电力推进船舶由于其设备的特殊性，在设备本身实现功率控制及处理的同时，都不可避免地产生大量谐波。大多数电力系统都可以容忍一定程度的谐波产生，但是谐波在总电网中所占的比例较为明显时，会对电力系统及设备造成很大的影响，甚至造成系统瘫痪或设备损坏。所以，控制谐波的产生或有效减少谐波显得尤为重要。中国船级社钢质海船入级规范第8篇第15章第2节15.2.2.2明确规定“为电力推进供电的配电板，总的电压畸变应不超过 10%”[3]。为了有效抑制谐波的产生，本船电力推进系统采用纯24脉冲变频电力推进技术，根据软件仿真谐波分析计算，6600V主配电板最大谐波为2.84%，辅配电板最大谐波为4.79%。

小型 LNG运输船设置全船公共电站，担负全船的所有用电负荷。为了满足船舶电力负荷有效分配，保证船舶的安全可靠运行，本船设置电站功率管理系统 PMS，控制和管理电网中的发电设备，确保船舶不间断供电，为船舶负载提供足够的电源。功率管理系统主要保护全船电网和进行电功率的匹配。当电网出现应急情况(如某台发电机组跳闸)时，电站保护系统将在其他运行发电机组过载跳闸之前迅速将主推进功率降低，不致于使全船电网断电。自动电站包括手动、半自动、自动3种操作模式。另外，自动电站具有自动起动、停止备用发电机、自动同步、自动调频调载、自动进行负载分配、自动卸载等功能，以保证电网供电的连续性和经济性。自动电站还具有故障排除后的重要负载按原顺序重新自起动、重载问询及自检等功能[4]。

2 货物系统

LNG运输船较常规船舶具有很大的特殊性，主要是货物系统设备是全船电力负荷的重要部分，船舶货物系统在各个工况下的操作直接与电站的电力负荷息息相关。只有了解其功能及使用工况，才能准确地进行电力负荷的计算，从而保证货物系统的正常操作及安全。

本船配 1套货物配电板，安装于货物控制室，接收来自辅配电板 2路三相 400V/50Hz馈电(每一路电源可满足货物配电板所有负载)，给货物系统各设备供电。货物配电板分为A、B 2段，货物系统用电设备对称分布于2段母排上，正常情况下2段母排分段运行；应急情况下，亦可 2段母排进行连接运行(对在线设备及符合有所限制)，保证了货物系统设备用电的冗余度和可靠性[5]。货物系统为独立系统，具有设备多、负荷大的特点，电力负荷仅次于推进负荷，其主要电气设备及功率参数如表3所示。

表3 货物系统主要电力设备Tab.3 Main electrical equipment for cargo systems

货物系统设备电力负荷的使用在各个工况下有很大不同，小型 LNG运输船货物系统主要有干燥、惰化、预冷、装载、载货航线、卸载、燃气供给与蒸发气BOG处理等工况。

3 全船集成自动化控制系统

全船集成自动化控制系统，是将全船的各个监控及设备控制系统集成到一个大的自动化系统，组成全船高度集中的自动化控制系统，以提高船舶的自动化程度。

本船配 1套基于 PLC(进口)和冗余功能(电源、CPU、I/O 总线)的全船自动化系统 IAS，能够满足规范要求，实现对本船各设备或系统的监视、报警、控制等。自动化系统集成了机舱监测报警、电站功率管理监测报警、推进系统监测报警、风机/泵的遥控、阀门遥控、液位显示等功能，另外 IAS系统通过与液货监控系统的接口显示货物系统的参数(图2)。

图2 集成自动化系统结构图Fig.2 Structure of integrated automation systems

自动化系统根据设计任务要求，满足 CCS对周期无人值班机器处所自动化附加“AUT-0”标志的要求[6]。自动化系统主要项目有：主推进系统参数监测和故障报警显示；艏侧推系统参数监测和故障报警显示；双燃料发电机组参数监测和故障报警显示；舱液位显示；阀门遥控；火警探测系统报警信号显示；气体探测系统参数显示及报警；功率管理系统(自动电站)参数监测和故障报警显示；货物系统参数监测和故障报警显示；密闭传输系统CTS的显示；振动监测系统报警显示。

4 结 语

本文通过对采用双燃料电力推进技术的LNG船电力系统进行分析，对于该类型船舶的电气系统，主要涉及船舶电站设计、电力负荷计算、推进系统、货物系统及全船集成自动化系统等进行了详细阐述。中小型 LNG运输船具有很大的行业优势，而且中小型 LNG运输船采用电力推进备受行业青睐，通过对该类型电力推进船舶的特点进行分析和设计初探，为中小型 LNG运输船船舶的电气设计提供参考，在船舶设计建造工程中具有借鉴作用。