基于安全返港要求的大型客船电力推进系统设计

袁 洋 李 凯 董良志

（中船邮轮科技发展有限公司 上海200137）

引 言

对于客船而言，游客和船员的生命安全是首先需要考虑的问题，历来一直为世界海事业所重点关注。伴随着海难事故的不断发生，世界航运发展的历史也见证了国际海事组织（IMO）“国际海上人命安全公约（SOLAS公约）”的诞生。

随着大型客船尺寸和人员的不断增加，IMO更加关注邮轮的安全。安全返港理念是基于对近30年来因火灾和进水事故导致的远洋客船动力失效、弃船或沉没事故的分析，发现若能将意外事件有效控制，并限制在有限范围内时，船舶自身是最好的“救生艇”。由此，2000年12月国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）海上安全委员会（Maritime Safety Committee，MSC）召开第73次会议，正式提出“安全返港”提议；2006年12月，对应的决议得到通过，并于4年后（2010年）的7月1日正式生效，成为强制性的法规要求。决议生效的同年6月，所通过的MSC.1/Circ.1369给了客船在发生进水或失火事故后对系统能力评估的临时解释。该法规大致规定：船舶在一定边界内发生进水或失火事故时，凭借自身的动力安全返回港口，返港期间乘客应能待在“安全区域”内并保证自身安全，同时基本的生活需求能得到满足；当意外事件超出安全边界时，相关重要系统有能力维持3 h正常工作以争取逃生时间，并保证有序撤离。

国外船厂、船级社凭借其在大型客船领域的传统优势，积累了丰富经验。中国船厂在客船安全返港设计方面，虽有少许案例，但非常缺乏安全返港设计与应用的经验，对于大型客船安全返港的设计技术的掌握基本仍属空白，设计方法和技术手段方面也仍然停留在低效和低可靠性的人工分析评估阶段，缺乏先进的工具。如今，电力推进系统在大型客船的应用占比越来越高，这也将成为未来的趋势，因此越来越受到船东重视。下文将以该系统为例，讨论安全返港的设计思路和方法。

1 大型客船推进系统安全返港设计要求

大型客船因其载客数量大且密集，安全问题（特别是2010年正式强制生效的“安全返港”，要求包括SOLAS Reg.II-1/8.1、Reg.II-2/21和Reg.II-2/22三部分内容）一直是各方关注的焦点。从规范要求角度，大型客船安全返港设计要满足“Safe Return to Port”的基本目标，而船东则往往会在此基础上提出更高要求，且安全返港的具体功能指标需要船厂、船东、船级社和设计方协商一致后再开展工作。

大型客船主竖区多、功能舱室众多、系统特别复杂，与传统货船相比，其系统配置和功能侧重差别迥异。以某一大型客船为例，船上安全返港要求涉及的系统预计占全船系统的约90%以上，船上电缆长度约2 800 km、管系长度约600 km、火警探测点约6 000个、主防火门约1 300扇，如此体量庞大、布置安装繁杂的系统设计均要满足安全返港要求，其工作量和工程复杂程度可想而知。综上所述，大型客船安全返港的设计难度非常大。

综合电力推进系统关系到客船的动力和安全，是客船的心脏。安全返港对推进系统和配电系统要求如下：

（1）应至少设有2套独立的推进系统，相关推进机械应分舱远离布置；如不可避免布置在相邻的处所，则分隔仓壁应为A级分隔的水密舱壁。

（2）当其中一套推进系统因事故界限内的失火事故无法工作后，剩下的推进系统应考虑到预期营运区域的海况和风力条件能够安全返港；建议船舶在蒲氏风级 8 级的天气条件和相应的海况下以不小于6 n mile / h的航速返回港口。

（3）当2套推进系统所在处所为火源处所，且相邻布置时，则这些处所都应能由固定式灭火系统保护。

（4）若推进系统的遥控功能丧失，可接受就地手动控制，只要设置适当的通信和应急照明，并证明任何控制和监控系统的损失不阻止或损害对推进和发电系统（包括但可不限于发动机、电动机、燃料系统等）的这种手动/就地控制。以该方式操作时，应考虑设置机器报警装置。

（5）配电系统作为对支持船舶安全返港能力有至关重要影响的辅助系统，其设置应确保火灾或进水事故未超过事故界限时，SOLAS II-2 章21.4 条要求的有电力供应的系统仍能运行。

（6）应至少设有 2 套主配电板，并分别布置在不同的A 级分隔和水密分隔的处所内。

根据安全返港要求，为便于区分和检查，供电、推进系统及其辅助系统的编号分为P系统（蓝色）和S系统（红色）。下文将以某大型客船为案例，讨论满足安全返港要求的电力推进系统的系统设计、配置设计和布置设计。

2 大型客船电力推进系统设计

2.1 大型客船综合电网系统总体设计

大型客船尺度大、设计航速高，多以电力推进为主要推进方式，推进功耗高达30～50 MW；除大功率的推进系统外，为满足众多乘客、服务人员和船员需求，客船配置的空调、餐饮以及生活配套等设施所带来的电力需求也非常大。

大型客船相当于移动的小型社区，其所搭载的系统多样、负载繁多，针对不同的系统和负载，其所需要的电源各有不同，工况也比较复杂。电力推进系统、机舱辅助系统、中央空调系统、照明系统、内部通讯报警系统、船舶通信导航系统、本地娱乐系统、船员生活系统等，这些配电分配在不同主竖区的系统运行的电压等级也不相同。

大型客船电网系统除需满足客船常规负载的用电需求外，还需满足电力推进设备的用电需求，因此对发电和配电需统筹设计，提出了综合电网的设计理念，即著名的综合电力集成系统（Integrated Power System， IPS）。综合电网是指所有装载发电机的电能统一输出至1套配电板予以分配，其最大的优势在于可实现配电的经济性和灵活性，最大的缺点是推进系统感性负载产生的谐波畸变会对常规负载产生影响。

电力推进与综合动力系统已成为最有效的推进装置之一。与传统的推进系统相比，变速电机的效率更高，可节省大量燃料。传统内燃机在额定工况下的推进效率在85%～90%，在低负载操作区域内推进效率显著降低；而电力推进可以不受负载大小限制，灵活地分配给各个发动机，使其工作在最佳燃油经济区域内获得最大的燃油效率。

根据船舶总体信息和各专业数据设计电力负荷计算书和电力系统单线图，根据客船总布置和主尺度，结合水池试验数据，确定推进系统所需功率大小；结合日用负载计算电站容量，结合安全返港、操纵经济性要求，确定发电机台数和单台容量；考虑安全返港冗余要求和客船航速要求，结合厂家设备选型手册，确定推进器的容量和台数。

2.2 基于安全返港要求的综合电力推进系统设计

图1为某大型客船综合电力系统单线图。

图1 电力系统单线图

下文将以该船为例展开讨论。该船综合电网拓扑模型采用星型（辐射网）结构，各区域主配电板、分配电板和重要负载分别由主配电板获得供电，系统简单，技术成熟，便于操作和集中控制。该船高压配电板由两段组成，分别布置于前后机舱内，之间通过联络开关连接。正常情况下，两段配电板之间的开关是闭合的，假如一段配电板所在区域发生进水或火灾事故，联络开关自动断开，另外一段配电板可承担起为常规负载和推进系统供电的任务。该船配置了5台发电机组，前机舱布置3台14 400 kW的发电机，后机舱布置2台16 800 kW的发电机，分别给前后机舱的配电板供电。

推进系统是安全返港规范中的重要系统，该船配置2套推进系统，分别布置于左右机舱内，确保一套推进系统所在区域发生进水或火灾事故后，另外一套推进系统可正常工作。每套推进系统由以下设备组成：2套推进变压器，2套变频器，1套全回转推进器，推进控制系统。该船电力推进系统参见图2。

图2 电力推进系统布置图

每套推进系统的2台推进变压器由同一段配电板供电，功能上兼顾变压和移相的作用。推进变压器的原边电压为11 000 V，副边电压为1 680 V，由于推进变压器启动电流过大，对电网造成巨大冲击，引起电压压降过大。因此推进变压器配置1台预充磁变压器。为了实现电网虚拟24脉冲的目标，2台推进变压器原边相位移角为15°。

推进变频器采用ABB的ACS 6 000电压型系列产品，每套推进系统配置2套中压变频器，2套变频器共同实现推进电机的变频供电。高压变频器的输入电压为3 300 V，输出电压为2 850 V，可实现推进电机0～137 r/min速度变化。变频器是电网产生谐波的最主要设备，因为船舶电推系统采用变频进行调速，而谐波频率又随频率变化，这样直接影响船舶电网的电源质量。为有效抑制谐波，保证电网谐波在规范允许范围内，该船采用虚拟24脉冲的方法予以实现。

全回转推进器主要由滑环单元、舵机模块、推进模块、接口单元、就地控制箱、冷却单元、通风单元等组成。推进电机为无刷励磁型同步电机，功率为20.5 MW，输入电压为2 850 V，电机内包含双套绕组单元。

根据安全返港的要求，配电系统和推进系统需满足冗余设计要求。从布置上分析，发电机、配电板和分别布置在前后机舱内，推进系统布置在左右舷机舱内。当一个机舱发生不超过事故界限的进水或失火事故时，不会影响另外一个机舱的正常运行，推进系统仍然以一半的功率将船舶推进到最近的港口。从冗余配置上分析，当部分发电机发生故障时，其余正常工作发电机可将电能输送到配电板，综合电网根据负载优先级别确定哪些负载优先工作，哪些负载首先脱扣。推进电机采用双绕组、双变频器、双变压器配置，当一路推进变压器输入侧开关到电机绕组任何一处发生故障时，另外一路可正常工作，推进电机仍可凭一半的功率运行。安全返港需考虑在最严重情况下推进系统如何实现返港要求，假设左舷推进系统的配电系统发生故障，右舷推进系统能够正常工作，右舷推进系统的辅助系统及常规负载也需正常工作。

推进控制系统可在驾驶室、桥楼两翼、集控室、推进器间（就地控制箱）等处所实现推进系统的控制，以上任何一处位置发生进水或火灾事故时，不影响其他区域推进控制的实现。推进控制系统独立于自动化综合控制监测系统。

推进系统的电缆走向应遵循远离失火区域和易产生机械损耗的区域，服务于2套不同推进系统的电力电缆从发电机到配电间、变压器、变频器直至推进器，应分开布置于不同的防火安全区。当机舱区域的布局为前后机舱，可借过上下层甲板的方式解决电缆路径无法避开同一防火安全区的问题。如图中系统A的电缆在水平经过系统B所处的后机舱区域时，可向上至上层甲板的安全A区通过。左右布局的推进器间等区域，可增设缓冲间并以A0级别的防火舱壁作物理隔离保护。类似的，推进系统的控制电缆也需要参照电力电缆的走向原则进行布置，确保服务系统A的电缆只经过安全区域A，服务系统B的电缆只经过安全区域B。实际的电缆托架应在水平和垂直两个纬度上尽量远离，电力电缆和控制电缆不走同一电缆托架，最终确保推进系统的冗余设计。

图3为该船电力推进系统电力电缆走向布置图。

图3 电力推进系统电力电缆走向布置图

3 结 语

大型客船安全返港设计是客船的一项关键的核心设计要求，目前欧洲国家对该关键设计的理解依然远高于国内设计人员。安全返港法规是基于目标要求制定的，需要设计人员具备丰富的设计经验。通过对综合电力推进系统安全返港设计技术的研究，解决了综合电力推进系统系统设计、配置冗余和布置冗余的问题，为客船安全返港其他系统的设计提供参考。