大型郵輪綜合電力推進系統開發設計

董良志，曹亞冬，方旻遐

（中船郵輪科技發展有限公司，上海 200137）

0 前 言

大型郵輪被譽為移動的海上城市，需滿足乘客安全性、舒適性和娛樂性的度假需求。 隨著綜合電力推進系統技術的發展，綜合電力推進系統已成為大型郵輪動力系統的主流形式。 隨著郵輪總噸的增大， 電力推進系統的電機和郵輪電站容量不斷增大，其電力系統供配電的控制、管理的復雜程度及自動化程度越來越高。 根據SOLAS 公約， 大型郵輪需滿足MSC.216（82）決議關于客船安全返港（safe return to port，簡寫為SRtP）要求，推進系統是船舶航行的動力來源，因此對于安全返港至關重要［1］。 由于我國在大型郵輪綜合電力推進設計技術方面經驗較少，對于這類船舶的電站設計、電網設計以及推進設備的配置方法都沒有形成成熟的體系，因此有必要對大型郵輪綜合電力推進系統關鍵技術進行研究。

1 電力負荷計算

大型郵輪電站除了保證電力推進系統的安全供電外，還需保證乘客用電負載的持續供電。 電力負荷計算的方法和結果直接影響整船的安全性、經濟性和操縱性。 大型郵輪系統復雜，設備繁多，需準確統計設備明細、臺數和額定功率，選擇合適的負荷系數，得出各負載的實際消耗功率。

1.1 推進功率計算

以某15 萬總噸級郵輪為目標船型進行分析，該郵輪主要技術參數如下：

部分12 萬總噸～16 萬總噸級大型郵輪推進功率統計見表1， 推進器功率約占柴油機裝機功率的50%～60%，所以主推進功率大小直接影響整船的電站容量。

表1 大型郵輪推進功率統計分析

船舶阻力計算是為了獲得船舶的有效功率，在進行機槳匹配時，船舶有效功率作為必要的輸入條件來確定柴油機和螺旋槳的相關參數。 使用海軍常數法估算目標船推進阻力， 速度-功率曲線見圖1，該郵輪在23.4 kn 航速時推進功率為40 894 kW。

圖1 目標船型推進系統速度-功率曲線

1.2 工況分析和負載分組

大型郵輪通?？蓜澐譃橄募竞叫?、 正常航行、冬季航行、進出港、停泊、應急、安全返港、緊急撤離等8 種工況。 與常規貨船相比，郵輪增加了安全返港和緊急撤離這兩種工況。 由于冬季航行和夏季航 行空調通風系統功率需求差異較大，所以也需進行單獨計算。

發電機的總裝機功率由以上8 種工況的最大值確定， 郵輪的最大用電需求為夏季航行工況，電站總功率應大于該工況下的功率需求并保留10%的冗余度。 同時需考慮其他工況下發電機的操作靈活性及經濟性，進而確定單臺發電機的功率和發電機的臺數。

郵輪電力負載分成11 組：A 為船體、 甲板、航行、安全系統負載；B 為推進及輔助系統；C 為主輔機系統；D 為船舶日用系統；E 為機艙通風系統；F 為空調系統；G 為廚房、冷藏、洗衣系統；H 為住艙服務系統；I 為照明及插座；J 為娛樂系統；K 為其他系統。

根據各類負載的負荷系數和同時使用系數，計算出各組負載在不同工況下的實際使用功率，根據最大功率需求確定電站容量，根據經濟航行、進出港和停泊工況確定發電機的臺數和單臺功率。 綜合以上分析和計算，結合水池試驗和設備廠家產品技術參數，通過對各組負載在不同工況下的使用功率進行計算匯總，可分析不同工況下整船所需的總功率， 在各工況下發電機的使用系統應不超過90%，目標船電力負荷計算如表2 所示。

2 綜合電網系統設計

大型郵輪綜合電網系統需滿足客船日用負載的用電需求和電力推進設備的用電需求，因此對發電和配電需進行統籌設計， 即綜合電網的設計理念，也稱為綜合電力系統。 綜合電網是指整船發電機的電能統一輸出至一套配電板予以分配，綜合電網最大的優勢在于可實現配電的經濟性和靈活性，最大的缺點是推進系統感性負載產生的諧波畸變會對常規負載產生影響。 即使如此，與傳統的推進系統相比變速電機的效率更高，綜合電網與電力推進系統仍然成為郵輪廣泛使用的推進方式。

大型郵輪綜合電網架構模型分為星型饋線式（輻射網）結構和環網型結構，這兩種架構模型在大型郵輪上都有應用，表3 為大型郵輪饋線式和環網式配電性能對比表。 饋線式配電是一種常規的配電方式，這種配電方式相對成熟，目前國內建造的集裝箱船、散貨船、油船等基本都采用饋線式配電。 環網式配電指的是將艏部配電板、區域配電板、尾部配電板組成一個環形，一處發生故障不會影響整個回路的供電，環網式配電在集裝箱船冷箱配電中也有應用。 圖2 為饋線式配電示意圖，所有設備負載直接從11 kV 主匯流排處饋電， 每路負載需要單獨的一個開關，一旦開關或電纜出現故障，該路負載將無法工作。 圖3 為環網式配電示意圖，各主豎區住艙區域分別配置一個中壓配電板，與其他主豎區的住艙11 kV 配電板和11 kV 主配電板組成環網結構， 每個配電板包含兩路輸入開關和一路輸出開關，輸入開關連入環網結構，輸出開關連接到各主豎區域變壓器向各主豎區的低壓配電板供電。

圖3 環網式配電示意圖

表3 大型郵輪饋線式和環網式主要性能對比

圖2 饋線式配電示意圖

通過對比分析饋線式和環網式電網架構設計方案，綜合考慮設計復雜程度、經濟性和操作靈活性等因素，目標船型確定饋線式配電方案，高壓配電板前后機艙分開布置，滿足冗余設計要求。

3 滿足安全返港要求的推進系統設計

根據SOLAS 規定， 對2010 年7 月1 日以后建造、船長在120 m 或以上、有3 個或以上主豎區的客船應滿足安全返港要求。 安全返港要求是指：當船舶發生火災或浸水時，事故未超過事故界限，船舶能依靠自身動力安全返回港口。 為達到安全返港目的，發生事故界限內的事故時，船舶的14 個重要系統應保持運轉。 電力推進系統就是14 個重要系統之一。

3.1 安全返港要求

綜合電力推進系統關系到郵輪的動力和安全，是郵輪的“心臟”。 安全返港對配電系統和推進系統要求如下：

1） 應至少設有2 套推進系統，配置上應有所冗余，其推進機械應分艙布置。 如布置在相鄰處所，則相鄰艙壁應為A 級防火分隔的水密艙壁。

2）當其中一套推進系統因事故界限內的火災事故無法運行后，剩余的推進系統應考慮到預期營運區域的海況和風力條件能夠安全返港，建議船舶在蒲氏風級8 級的天氣條件和相應的海況下以不小于6 kn 的航速返回港口。

3） 如推進系統的遙控功能喪失，可實現就地手動控制。

4）配電系統作為船舶安全返港至關影響的輔助系統，其設置應確?；馂幕蜻M水事故未超過事故界限時，SOLAS 第II-2 章21.4 條要求的由電力供應的系統仍能運行。

5） 應至少設有2 套主配電板，并分別布置在不同的A 級防火分隔和水密分隔的處所內。

3.2 綜合電力推進系統配置和布置

目標船中壓配電板電壓為11 kV，頻率為60 Hz，由布置在前、后機艙內的兩段配電板組成，之間通過母聯開關連接。 在正常情況下，兩段配電板之間的開關是閉合的，假如一段配電板所在區域發生進水或火災事故，母聯開關自動斷開，另外一段配電板可承擔起為常規負載和推進系統供電的任務。 電站配置5 臺發電機組，前機艙布置3 臺，后機艙布置2 臺，分別給前后機艙高壓配電板供電。

推進系統是安全返港要求的重要系統，該船配置2 套推進系統，分別布置在左右機艙內，確保一套推進系統所在區域發生進水或火災事故后，另外一套推進系統可正常工作。 每套推進系統由以下設備組成：2 套推進變壓器，2 套變頻器，1 套全回轉推進器、推進控制系統。

每套推進系統的2 臺推進變壓器由同一段配電板供電，功能上兼顧變壓和移相的作用。 推進變壓器的原邊電壓為11 000 V， 副邊電壓為1 680 V。為防止電網起動電流過大，推進變壓器配置1 臺預充磁變壓器。 為了實現虛擬24 脈沖，2 臺推進變壓器原邊相位移角為15°。

每套推進系統配置2 套中壓變頻器，2 套變頻器共同實現推進電機的變頻供電。 中壓變頻器的輸入電壓為3 300 V，輸出電壓為2 850 V，可實現推進電機0～137 r/min 調速。變頻器是電網產生諧波的最主要設備，因為電推系統采用變頻進行調速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣直接影響船舶電網的電源質量。 為了有效抑制諧波，采用虛擬24 脈沖以保證電網諧波在規范允許范圍內。

安全返港考慮在最嚴重情況下推進系統如何實現返港要求， 假設左舷推進系統的配電系統發生故障，右舷推進系統能夠正常工作，右舷推進系統的輔助系統及常規負載也應正常工作。 從布置上分析，如圖4 所示， 發電機和配電板分別布置在前后機艙內，推進系統布置在艉部的左右舷推進器艙。該船前后機艙以及艉部的左右舷推進器艙均采用A 級防火分隔。當一個機艙發生不超過事故界限的進水或失火事故時，不會影響另外一個機艙的正常運行，推進系統仍有一半的功率將船舶推進到最近的港口。推進電機采用雙繞組、雙變頻器、雙變壓器配置，當一路推進變壓器輸入側開關到電機繞組任何一處發生故障時，另外一路可正常工作，保證推進電機以半功率運行。

圖4 電力推進系統布置圖

可在駕駛室、橋樓兩翼、集控室、推進器間（就地控制箱）處操控推進系統，以上任何一處位置發生進水或火災事故時，不影響其他區域推進控制的實現。

4 結 語

結合目標船滿足安全返港要求的電力推進系統和配電系統設計，重點圍繞推進功率和電力負荷計算， 分析比較星型饋線式和環網型電網架構性能，確定電站容量、綜合電網系統和推進系統雙冗余配置技術方案，為后續大型郵輪綜合電力推進系統設計提供參考。