120 000 kN抬浮力打撈船電氣系統設計

倪永亮

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

隨著造船技術的發展，各種大型船舶越來越多，當船舶在海上遇險后出現破損或沉船后，船上的貨物或燃油泄漏將對海洋環境造成影響。搶險打撈工作必須通過合適的裝備才能完成，模塊以及大型結構件也需要合適的船型來運輸，抬浮力打撈工程船（見圖1）設計有寬敞平整的作業甲板，既能滿足打撈作業的要求，又能滿足對大型結構物裝載及運輸的要求，具有廣泛的應用前景[1]。

圖1 抬浮力打撈工程船

本文對某120 000 kN抬浮力打撈船的電氣系統進行介紹，并結合打撈船的工作特點，對該船的工作模式和電氣系統的主要功能進行說明。該船具備2級動力定位能力（Dynamic Positioning 2，DP2），采用電力推進，具備快速調載功能，單邊抬浮力可達120 000 kN。

1 電力系統介紹

本船的電力系統主要包括4臺主發電機（額定電壓6.6 kV，額定功率4 200 kW）、1臺應急發電機（額定電壓400 V，額定功率375 kW）、1臺停泊發電機（額定電壓400 V，額定功率760 kW）、1套6.6 kV中壓配電板、1套400 V/230 V低壓配電板、1套400 V/230 V應急配電板組成。其中，6.6 kV中壓配電板主要為2個主推進、2個艏側推進器、2個艉側推進器、2個日用變壓器、2個絞車變壓器和4臺壓載泵供電；400 V低壓配電板主要為船上的輔助設備供電；230 V低壓配電板主要為照明設備和較小功率的設備供電；400 V/230 V應急配電板主要為應急負載供電。電力系統框架見圖2。

圖2 電力系統框架

為保證電力系統安全可靠運行并滿足動力定位DP2冗余性的要求，動力定位工況下任何單點故障都不能導致全船失去定位能力，即單點故障不能失去多于3臺推進器。全船共有2段6.6 kV中壓配電板，2段400 V低壓配電板和2段230 V低壓配電板，中壓板每段連接2臺主發電機和3臺推進器。在進行電站設計時，要保證該電站既能在“合排”也能在“分排”情況下正常工作。在DP工況下，只允許電站“分排”工作，任何動態單點故障最多導致失去一段中壓板，而不能導致全船失電，單點故障發生后，余下的電站系統應能保證為動力定位提供足夠的電力。不允許400 V低壓配電板向6.6 kV中壓配電板供電，應急工況下，400 V應急配電板不允許向400 V低壓電板倒供電。

2 主要設計工況

本船主要考慮6種設計工況：航行工況、進出港工況、DP工況、DP下潛定位工況、停泊工況、最大故障情況。

2.1 航行工況

對于航行工況，4臺4 200 kW主發電機在網，可根據實際負荷減少發電機在網數量。2段中壓配電板合排連成一段，2段400 V低壓配電板和2段230 V低壓配電板連成一段，直流24 V充放電板連成一段。

2.2 進出港工況

對于進出港工況，至少要保證3臺4 200 kW主發電機在網，根據實際負荷可增加發電機數量。2段中壓配電板合排連成一段，2段400 V低壓配電板和2段230 V低壓配電板連成一段，直流24 V充放電板連成一段。

2.3 DP工況

對于DP工況，船舶處于漂浮狀態，正常吃水7.5～7.9 m。此工況下4臺4 200 kW主發電機在網，2段中壓配電板分排分成2段，2段400 V低壓配電板、2段230 V低壓配電板和直流24 V充放電板均分別分為2段。

2.4 DP下潛定位工況

DP下潛定位工況是打撈船特有的工況，當船舶下潛到21.4 m深時，4臺4 200 kW主發電機在網，2段中壓配電板分成2段，2段400 V低壓配電板、2段230V低壓配電板和直流24 V充放電板均分別分為2段。

2.5 停泊工況

對于停泊工況，1臺760 kW停泊發電機連接到400 V低壓配電板上，中壓配電板退出工作，2段400 V低壓配電板連成1段、2段230 V低壓配電板連成1段，直流24 V充放電板連成一段。

2.6 最大故障工況

在DP工況下，整個電站系統可視為2個冗余組系統，最大單點故障僅限于失去一段母線。一段母線上有2臺主發電機和3個推進器。除此之外，冗余組還包括相關輔機和控制系統，DP模式下的最大故障情況包括所有設備故障、短路故障、斷線故障、軟件故障等。假設最大故障工況發生在1號中壓配電板，1號配電板及其冗余組退出運行，2號冗余組設備將繼續運行。

3 電力系統工作模式

3.1 配電變壓器短時并聯模式

在退出DP2模式、進入DP2模式或切換變壓器工況時會涉及到2臺配電變壓器的短時并聯。

在DP2模式時，2段6.6 kV中壓配電板分排工作，2臺日用變壓器單獨運行。當退出DP2模式時，由于2段6.6 kV配電板要合排運行，此時的2臺變壓器工作安排如下：1臺變壓器為400 V配電板供電，另一臺變壓器停機備用。由于該轉換過程要保證不能斷電，配電板的短路耐受和峰值很大，需要通過功率管理系統（Power Management System,PMS）對發電機數量進行限制，最大允許在網數量為1臺。

低壓配電板包括本地和遙控等2種模式，在本地模式下，手動操作分合閘；在遙控模式下，通過PMS控制分合閘。本地和遙控模式切換旋鈕安裝在400 V低壓配電板上。

當由雙變壓器運行轉為單變壓器運行時，首先要判斷在網發電機數量，當發電機數量不少于2臺時，禁止400 V配電板母聯開關合閘；當發電機數量為1臺時，允許400 V配電板母聯開關合閘。當400 V母聯開關閉合后，在5 s內分閘其中1臺變壓器2次側400 V配電板進線開關。當2臺變壓器短時并聯超過5 s后，400 V配電板自動分閘母聯開關。

3.2 配電變壓器和停泊發電機并聯

當1臺中壓發電機在網時，主電模式和停泊模式間可實現不間斷切換。單臺停泊發電機即可與主變壓器并車以進行負荷轉移。

低壓配電板包括本地手動、本地自動和遙控自動等3種模式。在本地手動模式下，負載轉移在低壓板板前手動操作；在本地自動模式下，負載分配、轉移，以及同步合閘由配電板自動完成；在遙控自動模式下，負載轉移由PMS自動執行。本地手動、本地自動和遙控自動模式切換旋鈕安裝在400 V配電板的同步屏上。

當由6.6 kV配電板供電模式轉為停泊發電機供電模式時，初始狀態為1臺6 600 V發電機在網及母聯開關閉合，1臺配電變壓器在網工作，400 V配電板母排開關合閘。此時啟動停泊發電機，PMS發送合閘指令給400 V配電板停泊發電機開關，400 V配電板同步并合閘開關，PMS調節停泊發電機的速度加速把負荷轉移到停泊發電機。PMS在變壓器開關上電流小于100 A時分閘變壓器開關。

當由停泊發電機模式轉為6.6 kV配電板供電模式時，初始狀態為停泊發電機在網，6.6 kV配電板母排開關合閘，配電變壓器二次側開關分閘，400 V配電板母排開關合閘。此時啟動1臺主發電機并將發電機主開關合閘，PMS發送閉合配電變壓器開關閉合命令至400 V配電板6 600 V/400 V變壓器2次側開關，400 V配電配電板同步和并車合閘，PMS調節停泊發電機速度減速將負荷轉給6 600 V/400 V配電變壓器。當停泊發電機負荷低于10%以下時PMS分閘停泊發電機開關。

在上述2種切換模式中，PMS同步超時設定為45 s，PMS負載轉移超時設置為15 s（可調節），發送同步超時或負載轉移超時失敗報警，并記錄在報警列表里。

3.3 故障和應急模式

3.3.1 完全失電及恢復

當6.6 kV中壓配電板和400 V低壓配電板的電壓為0時，認為完全失電。

在進行系統設計時，需要預防DP模式下的失電事故。在非DP模式下，主要由PMS負責系統失電后的恢復工作。

當失電發生時，主發電機開關，所有中壓開關，主配電變壓器一次側、二次側開關欠壓脫扣。400 V配電板母聯開關、400 V應急配電板跨接開關欠壓脫扣。400 V/230 V照明變壓器原副邊和230 V配電板母聯開關欠壓脫扣。

船舶完全失電后的恢復順序：

1）400 V應急配電板失電后，應急配電板自動啟動應急發電機，應急發電機開關自動閉合。

2）在應急發電機啟動的同時，下列順序由PMS自動完成：

（1）同時啟動所有具備啟動條件的主發電機。

（2）閉合已經工作的發電機開關向每段中壓配電板供電，中壓母聯開關保持打開狀態，中壓板分成2段分區供電。

（3）閉合2臺配電變壓器開關并向400 V主配電板供電，400 V主配電板母聯保持打開狀態。

（4）閉合照明變壓器開關并向230 V主配電板供電，230 V主配電板母聯保持打開狀態。

3）當400V主配電板供電恢復后，應急發電機開關會被應急配電板自動分閘。

4）應急配電板自動閉合默認的應急配電板跨接開關。

5）應急發電機延時后自動停機。

6）根據故障排除情況，船員可以通過PMS觸摸屏手動遙控或者配電板本地手動恢復各母聯開關在失電前的狀態。

7）400 V配電板監測到供電恢復后，按預設的程序起動重要負載。

3.3.2 部分失電恢復

當主配電板分成2段時，沒有匯流排接地故障以及短路故障時，部分失電啟動備用發電機，恢復程序參考完全失電工況執行。

3.3.3 癱船啟動模式

癱船模式定義如下：電站長時間完全失電，不間斷電源（Uninterrupted Power Supply, UPS）沒電，主發電機的氣瓶沒氣。

電站操作順序如下：

1）通過應急啟動空壓機和應急空氣瓶啟動應急發電機，并向400 V應急配電板供電。

2）啟動主空壓機。

3）每段配電板啟動1臺主發電機并向6.6 kV中壓配電板供電。

4）閉合主配電變壓器開關，向400 V主配電板供電。

5）斷開應急發電機開關。

6）閉合400 V 應急配電板跨接開關。

7）關閉應急發電機。

4 DP2配置和設計要點

本船入級中國船級社（China Classification Society, CCS），入級符號DP2，即在出現單個故障（不包括一個或幾個艙室的損失）后，可在規定的環境條件下，在規定的作業范圍內自動保持平臺的位置和艏向[2]。

冗余組需要滿足DP的相關要求，單個冗余組包括2臺發電機、3臺推進器和相連接的配電變壓器。電站包含2個冗余組，當單個冗余組故障時，其余冗余組能繼續輸出電力來維持動力定位能力。通過配電板之間相互隔離和選擇性保護，最大故障情況下最多會失去一段中壓配電板。

多段母線電力推進系統設計要點如下：

1）柴油發電機:

輔機及其啟動器供電和控制電需滿足自治系統的要求，即能夠獨立運行并獨立控制。

自動電壓調節器（Automatic Voltage Regulation,AVR）有2條供電線路，一路來自發電機，另一路來自110 V UPS。

2）中壓配電板

中壓配電板帶有具有監視和診斷功能的繼電保護器。電站系統能在“一段母線”和“多段母線”工況下工作。中壓配電板具有燃弧保護，各冗余組由單獨的110 V UPS提供控制電。

3）主配電變壓器

預勵磁裝置直接由6.6 kV中壓配電板供電。

4）低壓配電板

柴油機組、推進鏈、舵漿系統、變壓器、中央冷卻系統的輔機供電需要滿足自治要求。

5）主推進變頻系統

主推進變頻系統具有快速減載功能，變頻器由獨立的230 V UPS供電，推進變壓器具有預勵磁裝置。

5 推進鏈主要系統功能

5.1 推進自治系統

根據冗余組分區要求，單個推進變頻鏈及其輔助系統自成一套自治系統。主電和輔助供電均來自該冗余組。另外，推進變頻鏈輔機由推進驅動單元控制啟停。

典型的推進鏈輔機包括如下5部分：

1）齒輪箱和軸系滑油泵等輔助設備。

2）中央冷卻泵 。

3）變頻器內部水冷泵和加熱器。

4）推進變壓器冷卻風機和加熱器。

5）推進電機冷卻風機和加熱器。

5.2 控制位置切換

推進變頻鏈有2種控制方式：本地控制和遠程控制。本地控制設置于機旁控制面板上，本地控制具有最優先的控制權。遠程控制來自于遠程控制系統，變頻鏈輔機受變頻器驅動單元控制。

5.3 快速減載功能

在電網出現波動、發電機過載、故障發電機跳閘退出的情況下，變頻器根據來自PMS的可用功率信號來執行快速減載功能，可有效避免電站瞬間過載。

6 功率管理系統功能設計

本船機艙設有由4臺主發電機組構成的公共電站，通過PMS可實現自動電站功能，以滿足各種工況下的需要。

電站功率管理系統在配電板中遙控或自動模式下啟動。PMS具有全面的管理功能，包括：

1）PMS將合閘指令傳送至中壓配電板，中壓配電板安裝有同步并車模塊用于調節轉速并合閘開關。

2）PMS將分閘指令傳送至中壓配電板，開關分閘，停止發電機組。

3）需要時斷開或閉合（包括同步）母聯開關。

4）在操作站或就地手動改變工作模式。

5）提供機組間的負載分配功能。

6）延時啟動大負載，直到備用發電機組能承擔足夠的功率。

7）斷電后按程序恢復供電功能。

8）PMS發出啟動指令至各獨立的柴油機自動控制系統，并由其執行具體功能。

9）斷電后PMS起動并連接發電機組到主配電板?？扇我膺x擇機組啟動順序。

10）當電站剩余功率不足時，PMS禁止大負載啟動，同時啟動后備機組并同步并入電網，再啟動大負載。

11）PMS根據電站負荷，自動增機和減機。

12）PMS預防斷電功能。

13）在剩余功率不足或手動指令無法完成時，PMS應有報警功能。

14）每臺柴油機設獨立的就地/遙控開關。

15）PMS具有均頻模式和下垂模式。

16）PMS具有順序自動起動功能。當船舶失電后恢復供電時，海水冷卻泵、低溫淡水冷卻泵、空壓機、機艙風機等重要輔機能按程序順序自動起動。

17）PMS具有次要負載自動卸載功能。

18）非重要負載卸載分為2級，當PMS檢測到電站負荷大于100%時，此時如果沒有可用的備用發電機組，則延時15 s后發出第一級優先脫扣信號至400 V配電板，配電板收到命令后卸載一級次要負載。若此時當電站負荷仍然大于100%，延時15 s后再次發出第二級優先脫扣至400 V配電板，由配電板卸載二級次要負載。

19）當主發電機故障，需要強制停機后，PMS自動啟動備用發電機并網運行。

7 發電機故障監測系統

船舶電力設備的可靠性和安全性至關重要。整個系統及其部件的設計宗旨是在任何航行條件下盡可能保證電力供應和操作穩定性。保護系統可確保在出現過載、短路、接地故障等電路故障時進行選擇性跳閘。但某些類型的故障如AVR和調速器故障，光靠監視故障機本身是辨別不出來的。這些故障會引起在網的健康發電機為保持電網電壓或頻率產生錯誤反應，從而使健康發電機脫扣而只剩下故障發電機在網。沒有了健康的發電機維持電壓和頻率，這些故障可能會引起全船失電，發電機故障監測系統可以很好地解決這些問題[3]。

發電機故障監測系統采集柴油機油門刻度快速變送器信號、發電機電壓快速變送器信號、發電機電流快速變送器信號、發電機頻率快速變送器信號、發電機勵磁電流快速變送器信號、發電機勵磁電壓快速變送器信號、推進器功率和電流快速變送器信號、AVR故障信號等信號，根據專用軟件來提前判別在網發電機的故障，預先脫離故障發電機的主開關，保證其他發電機的正常運轉。

8 結論

本文介紹了某120 000 kN抬浮力打撈船電氣系統的情況，并結合打撈船的工作特點，說明了該船的工作模式和電氣系統的主要功能。隨著國家交通運輸部的規劃，加快發展救助打撈裝備研發，打撈船舶的建造將有更加廣闊的空間。