某大型原油船脱硫改装电力系统设计

孙宝龙 滕音文 张云平 侯玉乙 陈 熙

（大连船舶重工集团设计研究院有限公司 大连116021）

引 言

IMO（International Maritime Organization）第58届海洋环境保护委员会（MEPC）批准了MARPOL 73/78 公约附则VI 修正案，规定：2012 年1 月1日后，在非排放控制区航行的船舶，其燃油含硫量必须低于3.5%，2020 年1 月1 日后，全球区域燃油含硫量低于0.5%；但是在排放控制区域（ECA），2010 年7 月1 日后，燃油中的含硫量须低于1%，2015 年1 月1 日后，含硫量须低于0.1%。国际海事组织还规定，除使用低硫油外，船舶也可以采用经认可的废气洗涤系统或其他技术降低船舶动力装置排放的SOX，使之相当于对应含硫量燃油的排放。［1］

由IMO 公约可知，目前IMO 推荐的解决船舶排气中SOX含量超标问题的方法主要是使用低硫油和采用废气处理装置两种。选用低硫燃油是最直接最有效的方法，但是由于低硫油在炼制过程中需经过额外的脱硫过程，价格高于传统重油很多。这将很大程度上增加船舶的运营成本。相对于使用低硫油，洗涤脱硫装置的应用具有很多优势；虽然初期投入成本会增加，但是由于低硫油和传统重油较大的差价，使得船舶会在较短时间内收回成本。由此可见，对已运营船舶而言，增加洗涤脱硫装置是最为经济的形式。

本文以某大型原油船加装洗涤脱硫装置改造项目为背景，对船舶电力系统进行分析研究。

1 设计原理分析

1.1 脱硫系统简介

本船选用的是国内某公司生产的开式洗涤脱硫系统。处理能力满足MARPOL 公约附则VI 要求和MEPC259（68） Schem-B 要求，使含硫量为3.5%的燃油硫氧化物排放量等效于0.1%含硫量的燃油。洗涤脱硫系统的原理图如图1 所示。

1.2 设计参数

管路上能实现1 台主机+3 台发电机+1 台EGCS 发电机的废气进洗涤装置；

EGC 系统处理能力为满足1 台主机85%负荷+2 台发电机70%负荷工作需要。

1.3 脱硫系统主要用电设备

脱硫系统海水泵3 台，2 用1 备；（单台泵电机额定功率240 kW，设计使用功率192 kW）；密封风机两台，1 用1 备。（单台风机功率11 kW）。

脱硫系统满负荷运行状态下，系统用电功率按照400 kW 进行计算。

2 改装前电力系统配置

该船在改装前配1 050 kW 左右的主发电机3台，320 kW 左右应急发电机1 台；配电设备主要包括主配电盘1 个，应急电盘1 个以及组合启动器、分电若干。该船原设计各个工况运行电力负荷计算结果如下页表1 所示。

从计算结果来看，当船舶运行在航海工况时，单台发电机在网运行，发电机负荷率为83%，单台发电机功率余量为（0.9-0.83）×1 053 = 73.5 kW，显然无法满足脱硫系统对电功率的需求。为此，如不改变原发电机的额定功率，在船舶运行在海上航行工况时需要2 台发电机在网运行。此时发电机的负荷率仅为61.4%，这对发电机的燃油经济性是不利的。如增大发电机额定输出功率，则需要更换机型；更换机型不仅会引起轮机管系相关系统的大面积修改，而且配电系统也会引起颠覆性修改，尤其是当发电机容量增大后，相应配电系统的短路电流增加很大，致使原配电系统大部分开关的分断等级不能满足使用要求。所以增大发电机额定输出功率的方案有修改量大、周期长和修改费用高等缺点。

3 加装脱硫系统后电力系统分析

3.1 电力系统方案确定

根据第2 章对加装脱硫系统前电力系统的分析，如使用原电力系统配置，船舶在航海工况时在网运行的两台发电机的负荷率较低、燃油经济性差。另外，脱硫系统的供电开关均增加在主配电盘上，增大主配电盘的外形尺寸进而影响主配电盘的进线位置，这会导致主配电盘和电缆进线孔大面积修改。所以，为保证船舶运行的燃油经济性和改造方便，同时尽量保证原电力系统中主配电盘完整性。本项目最终确定单独加装1 台脱硫发电机（选用瓦锡兰生产的630 kW 柴油发电机组）和1 套脱硫配系统电盘的方案，由脱硫发电机给脱硫系统单独供电。

3.2 改造后电力系统

3.2.1 系统单线图

增加一个脱硫系统专用配电盘（脱硫系统配电盘），用来控制脱硫发电机，为脱硫系统相关设备供电，以及与主配电盘连接（当脱硫发电机故障时使用主电网电源为脱硫系统配电盘供电）。具体配置见脱硫配电系统单线图，如图2 所示。

图2 脱硫配电系统单线图

脱硫系统发电机不能和主发电机并联运行。当主配电盘为脱硫配电盘供电时，需要确保两台主发电机在线，防止过载。

3.2.2 脱硫系统配电盘描述

配电盘上配备必要的仪表及开关［2］：

（1）脱硫系统配电盘发电机屏：控制脱硫系统发电机。

（2）AC 440 V 馈电屏：为脱硫系统设备供电。包括一个发电机淡水泵起动器。

（3）母联屏：通过母联开关与主配电盘开关连接，当脱硫系统发电机故障时使用主电网电源为脱硫系统配电盘供电。正常情况下，两个母联开关是打开状态，只有当脱硫系统发电机故障情况时，自动闭合两个母联开关，通过主配电盘对脱硫系统配电盘供电。

（4）连锁：脱硫系统配电盘中，脱硫发电机进线开关与母联开关之间为电气连锁，保证当脱硫系统发电机开关合闸供电时，主配电盘无法为脱硫系统配电盘供电。只有当脱硫发电机故障情况，才能通过母联开关让主配电盘为脱硫系统配电盘供电。［3］

（5）目前增加的脱硫系统配电盘安装在脱硫系统发电机旁，由于本项目船舶为AUT-0 符号，此方案需要在集控室增加脱硫系统配电盘复示板，以满足规范要求。［4］

3.3 加装脱硫系统后负荷计算

对于加装脱硫系统后电力系统的电力负荷计算分为两个部分。一是当脱硫发电机正常运行给脱硫配电盘供电来满足脱硫系统电能需求；二是当脱硫发电机故障，需要从主配电盘给脱硫配电盘供电。

当脱硫发电机正常工作时，主配电盘和脱硫系统配电盘是完全独立的，互不影响。船舶在各个工况下运行时对于主发电机的负荷率与改造前的结果一致。脱硫发电机供电系统在航海工况和洗舱工况的负荷率为66.8%，其他工况的负荷率为46.8%。

当脱硫系统发电机故障时，需要闭合主配电盘给脱硫系统配电盘供电开关。由主配电盘给脱硫系统供电。电力负荷计算结果如表2。由计算结果可以看出当船舶在航海工况时需要两台发电机同时运行，负荷率为61.4%；在卸货工况下，电功率需求最大，需要3 台发电机同时运行，负荷率为76.6%。

表2 脱硫发电机故障时负荷计算结果

3.4 短路电流计算和选择性分析

当脱硫系统发电机正常工作单独给脱硫系统供电时，脱硫系统配电盘与主配电盘之间没有任何联系，对应原电力系统的短路电流和选择性没有影响。所以本节仅对脱硫系统发电机故障，由主配电盘给脱硫系统供电情况下的短路电流进行计算和选择性分析。

3.4.1 电力系统图搭建

短路电流计算选用COMPASS 软件，本程序根据中国船级社《钢质海船入级规范》（2009） 第4篇附录1 “电力系统的短路计算”进行计算，适用于船舶交流50 Hz 或60 Hz 非网格形，且中性点通过阻抗接地或中性点绝缘的低压和高压三相电力系统。搭建的电力系统如图3 所示。

图3 COMPASS搭建电力系统图

与加装脱硫系统前的电力系统相比有两处变化：

（1）脱硫系统海水泵为变频控制，所以搭建系统时可考虑为等效电机［5］，整个电力系统对应等效电机EM1 功率增加；

（2）增加脱硫系统配电盘和给脱硫系统配电盘的馈电线路。

3.4.2 短路电流计算结果

短路电流计算结果见下页表3。图中选用0.5T时间各个节点短路电流的汇总（本项电网频率为60 Hz，所以T= 1/60 s），对比加装脱硫系统和未增加脱硫系统前的短路电流计算。加装脱硫系统由于主配电盘需给脱硫系统配电盘供电，各个设备和计算节点的短路电流均有所增加，但增加值不大。其中SCP-EGCS SWBD 为脱硫系统配电盘，SCP-L24为给脱硫系统配电盘馈电电缆。

3.4.3 开关性能分析

根据3.4.2 短路电流计算结果和配电系统各型号开关的使用分断能力以及闭合容量的汇总表如表4。根据汇总结果，各型号的开关的使用分断能力均大于所有设备短路电流的有效值；闭合容量也均大于所有设备短路电流的峰值。可以验证所有开关型号的选择满足电路保护的使用要求。除因增加脱硫系统而增加的设备和开关，其他开关型号均与改造前一致，因此增加单独脱硫系统发电机和脱硫系统配电盘的方案，在主配电盘上的所有开关均不要更换型号。配电盘的改造修改量最少。

表3 短路电流计算结果kA

表4 电力系统开关选择汇总

续表4

3.4.4 选择性保护分析

由于本项目改造增加了EGCS 配电盘，对于主发电机和主配电盘来说相当于增加了一个较大负载。所以本节选择性保护分析仅对发电机、EGCS配电盘馈电开关和脱硫系统海水泵组合启动器（脱硫配电盘主要负载）进行选择性保护分析。［6］

本项目配电系统开关品牌为施耐德，所以模拟开关选择性保护曲线的软件选用施耐德的CURVE DIRECT 3.4.1 模拟软件。发电机空气开关、主配电盘给脱硫系统配电盘的馈电开关以及脱硫海水泵的供电开关信息以及保护设定值见下页表5。

表5 各开关信息参数表

根据表5 信息在CURVE DIRECT 3.4.1 中进行选择性曲线模拟仿真运行，得到选择性曲线见图4。

图4 选择性曲线图

主发电机馈送的最大峰值短路电流Ip=28.116 6 kA，主发电机空气开关Inst 设定为24 kA，等于发电机短路电流（Ip÷1.414）的1.21 倍，因此主配电盘处发生短路。主发电机空气开关瞬动不会在200 ms 动作，因此这两级开关按时间原则实现完全选择性。当给脱硫配电盘馈电的联络开关下口短路时，联络开关由STD（Short Time Delay）实现短路保护，Isnt 关闭不动作，联络开关最大可退回时间为140 ms，下级开关全分断时间为80 ms，小于前级的可退回时间，因此这两级开关按时间原则实现完全选择性。

4 结 语

MARPOL 73/78 公约附则VI 修正案生效后，公约要求在2020 年1 月1 日后，全球区域燃油含硫量低于0.5%。为满足公约的要求，很多从2018 年开始建造的新船都开始加装脱硫塔，同时旧船加装脱硫塔的改造项目也呈现火热态势。本文以某大型原油船某加装脱硫塔改造为背景，对全新的配电方案进行分析，对电力系统进行研究。其解决方案和相关图纸均已得到船检和船东的认可。通过分析和研究，证明本改造项目的方案是可行的；同时兼顾船舶运行时的燃油经济性，并最大限度保证原配电系统的完整性，对原配电盘的改造工作量少等优点。目前，本船脱硫改造已经成功交付，电力系统运行情况良好。