120 000 kN抬浮力打捞船电气系统设计

倪永亮

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

随着造船技术的发展，各种大型船舶越来越多，当船舶在海上遇险后出现破损或沉船后，船上的货物或燃油泄漏将对海洋环境造成影响。抢险打捞工作必须通过合适的装备才能完成，模块以及大型结构件也需要合适的船型来运输，抬浮力打捞工程船（见图1）设计有宽敞平整的作业甲板，既能满足打捞作业的要求，又能满足对大型结构物装载及运输的要求，具有广泛的应用前景[1]。

图1 抬浮力打捞工程船

本文对某120 000 kN抬浮力打捞船的电气系统进行介绍，并结合打捞船的工作特点，对该船的工作模式和电气系统的主要功能进行说明。该船具备2级动力定位能力（Dynamic Positioning 2，DP2），采用电力推进，具备快速调载功能，单边抬浮力可达120 000 kN。

1 电力系统介绍

本船的电力系统主要包括4台主发电机（额定电压6.6 kV，额定功率4 200 kW）、1台应急发电机（额定电压400 V，额定功率375 kW）、1台停泊发电机（额定电压400 V，额定功率760 kW）、1套6.6 kV中压配电板、1套400 V/230 V低压配电板、1套400 V/230 V应急配电板组成。其中，6.6 kV中压配电板主要为2个主推进、2个艏侧推进器、2个艉侧推进器、2个日用变压器、2个绞车变压器和4台压载泵供电；400 V低压配电板主要为船上的辅助设备供电；230 V低压配电板主要为照明设备和较小功率的设备供电；400 V/230 V应急配电板主要为应急负载供电。电力系统框架见图2。

图2 电力系统框架

为保证电力系统安全可靠运行并满足动力定位DP2冗余性的要求，动力定位工况下任何单点故障都不能导致全船失去定位能力，即单点故障不能失去多于3台推进器。全船共有2段6.6 kV中压配电板，2段400 V低压配电板和2段230 V低压配电板，中压板每段连接2台主发电机和3台推进器。在进行电站设计时，要保证该电站既能在“合排”也能在“分排”情况下正常工作。在DP工况下，只允许电站“分排”工作，任何动态单点故障最多导致失去一段中压板，而不能导致全船失电，单点故障发生后，余下的电站系统应能保证为动力定位提供足够的电力。不允许400 V低压配电板向6.6 kV中压配电板供电，应急工况下，400 V应急配电板不允许向400 V低压电板倒供电。

2 主要设计工况

本船主要考虑6种设计工况：航行工况、进出港工况、DP工况、DP下潜定位工况、停泊工况、最大故障情况。

2.1 航行工况

对于航行工况，4台4 200 kW主发电机在网，可根据实际负荷减少发电机在网数量。2段中压配电板合排连成一段，2段400 V低压配电板和2段230 V低压配电板连成一段，直流24 V充放电板连成一段。

2.2 进出港工况

对于进出港工况，至少要保证3台4 200 kW主发电机在网，根据实际负荷可增加发电机数量。2段中压配电板合排连成一段，2段400 V低压配电板和2段230 V低压配电板连成一段，直流24 V充放电板连成一段。

2.3 DP工况

对于DP工况，船舶处于漂浮状态，正常吃水7.5～7.9 m。此工况下4台4 200 kW主发电机在网，2段中压配电板分排分成2段，2段400 V低压配电板、2段230 V低压配电板和直流24 V充放电板均分别分为2段。

2.4 DP下潜定位工况

DP下潜定位工况是打捞船特有的工况，当船舶下潜到21.4 m深时，4台4 200 kW主发电机在网，2段中压配电板分成2段，2段400 V低压配电板、2段230V低压配电板和直流24 V充放电板均分别分为2段。

2.5 停泊工况

对于停泊工况，1台760 kW停泊发电机连接到400 V低压配电板上，中压配电板退出工作，2段400 V低压配电板连成1段、2段230 V低压配电板连成1段，直流24 V充放电板连成一段。

2.6 最大故障工况

在DP工况下，整个电站系统可视为2个冗余组系统，最大单点故障仅限于失去一段母线。一段母线上有2台主发电机和3个推进器。除此之外，冗余组还包括相关辅机和控制系统，DP模式下的最大故障情况包括所有设备故障、短路故障、断线故障、软件故障等。假设最大故障工况发生在1号中压配电板，1号配电板及其冗余组退出运行，2号冗余组设备将继续运行。

3 电力系统工作模式

3.1 配电变压器短时并联模式

在退出DP2模式、进入DP2模式或切换变压器工况时会涉及到2台配电变压器的短时并联。

在DP2模式时，2段6.6 kV中压配电板分排工作，2台日用变压器单独运行。当退出DP2模式时，由于2段6.6 kV配电板要合排运行，此时的2台变压器工作安排如下：1台变压器为400 V配电板供电，另一台变压器停机备用。由于该转换过程要保证不能断电，配电板的短路耐受和峰值很大，需要通过功率管理系统（Power Management System,PMS）对发电机数量进行限制，最大允许在网数量为1台。

低压配电板包括本地和遥控等2种模式，在本地模式下，手动操作分合闸；在遥控模式下，通过PMS控制分合闸。本地和遥控模式切换旋钮安装在400 V低压配电板上。

当由双变压器运行转为单变压器运行时，首先要判断在网发电机数量，当发电机数量不少于2台时，禁止400 V配电板母联开关合闸；当发电机数量为1台时，允许400 V配电板母联开关合闸。当400 V母联开关闭合后，在5 s内分闸其中1台变压器2次侧400 V配电板进线开关。当2台变压器短时并联超过5 s后，400 V配电板自动分闸母联开关。

3.2 配电变压器和停泊发电机并联

当1台中压发电机在网时，主电模式和停泊模式间可实现不间断切换。单台停泊发电机即可与主变压器并车以进行负荷转移。

低压配电板包括本地手动、本地自动和遥控自动等3种模式。在本地手动模式下，负载转移在低压板板前手动操作；在本地自动模式下，负载分配、转移，以及同步合闸由配电板自动完成；在遥控自动模式下，负载转移由PMS自动执行。本地手动、本地自动和遥控自动模式切换旋钮安装在400 V配电板的同步屏上。

当由6.6 kV配电板供电模式转为停泊发电机供电模式时，初始状态为1台6 600 V发电机在网及母联开关闭合，1台配电变压器在网工作，400 V配电板母排开关合闸。此时启动停泊发电机，PMS发送合闸指令给400 V配电板停泊发电机开关，400 V配电板同步并合闸开关，PMS调节停泊发电机的速度加速把负荷转移到停泊发电机。PMS在变压器开关上电流小于100 A时分闸变压器开关。

当由停泊发电机模式转为6.6 kV配电板供电模式时，初始状态为停泊发电机在网，6.6 kV配电板母排开关合闸，配电变压器二次侧开关分闸，400 V配电板母排开关合闸。此时启动1台主发电机并将发电机主开关合闸，PMS发送闭合配电变压器开关闭合命令至400 V配电板6 600 V/400 V变压器2次侧开关，400 V配电配电板同步和并车合闸，PMS调节停泊发电机速度减速将负荷转给6 600 V/400 V配电变压器。当停泊发电机负荷低于10%以下时PMS分闸停泊发电机开关。

在上述2种切换模式中，PMS同步超时设定为45 s，PMS负载转移超时设置为15 s（可调节），发送同步超时或负载转移超时失败报警，并记录在报警列表里。

3.3 故障和应急模式

3.3.1 完全失电及恢复

当6.6 kV中压配电板和400 V低压配电板的电压为0时，认为完全失电。

在进行系统设计时，需要预防DP模式下的失电事故。在非DP模式下，主要由PMS负责系统失电后的恢复工作。

当失电发生时，主发电机开关，所有中压开关，主配电变压器一次侧、二次侧开关欠压脱扣。400 V配电板母联开关、400 V应急配电板跨接开关欠压脱扣。400 V/230 V照明变压器原副边和230 V配电板母联开关欠压脱扣。

船舶完全失电后的恢复顺序：

1）400 V应急配电板失电后，应急配电板自动启动应急发电机，应急发电机开关自动闭合。

2）在应急发电机启动的同时，下列顺序由PMS自动完成：

（1）同时启动所有具备启动条件的主发电机。

（2）闭合已经工作的发电机开关向每段中压配电板供电，中压母联开关保持打开状态，中压板分成2段分区供电。

（3）闭合2台配电变压器开关并向400 V主配电板供电，400 V主配电板母联保持打开状态。

（4）闭合照明变压器开关并向230 V主配电板供电，230 V主配电板母联保持打开状态。

3）当400V主配电板供电恢复后，应急发电机开关会被应急配电板自动分闸。

4）应急配电板自动闭合默认的应急配电板跨接开关。

5）应急发电机延时后自动停机。

6）根据故障排除情况，船员可以通过PMS触摸屏手动遥控或者配电板本地手动恢复各母联开关在失电前的状态。

7）400 V配电板监测到供电恢复后，按预设的程序起动重要负载。

3.3.2 部分失电恢复

当主配电板分成2段时，没有汇流排接地故障以及短路故障时，部分失电启动备用发电机，恢复程序参考完全失电工况执行。

3.3.3 瘫船启动模式

瘫船模式定义如下：电站长时间完全失电，不间断电源（Uninterrupted Power Supply, UPS）没电，主发电机的气瓶没气。

电站操作顺序如下：

1）通过应急启动空压机和应急空气瓶启动应急发电机，并向400 V应急配电板供电。

2）启动主空压机。

3）每段配电板启动1台主发电机并向6.6 kV中压配电板供电。

4）闭合主配电变压器开关，向400 V主配电板供电。

5）断开应急发电机开关。

6）闭合400 V 应急配电板跨接开关。

7）关闭应急发电机。

4 DP2配置和设计要点

本船入级中国船级社（China Classification Society, CCS），入级符号DP2，即在出现单个故障（不包括一个或几个舱室的损失）后，可在规定的环境条件下，在规定的作业范围内自动保持平台的位置和艏向[2]。

冗余组需要满足DP的相关要求，单个冗余组包括2台发电机、3台推进器和相连接的配电变压器。电站包含2个冗余组，当单个冗余组故障时，其余冗余组能继续输出电力来维持动力定位能力。通过配电板之间相互隔离和选择性保护，最大故障情况下最多会失去一段中压配电板。

多段母线电力推进系统设计要点如下：

1）柴油发电机:

辅机及其启动器供电和控制电需满足自治系统的要求，即能够独立运行并独立控制。

自动电压调节器（Automatic Voltage Regulation,AVR）有2条供电线路，一路来自发电机，另一路来自110 V UPS。

2）中压配电板

中压配电板带有具有监视和诊断功能的继电保护器。电站系统能在“一段母线”和“多段母线”工况下工作。中压配电板具有燃弧保护，各冗余组由单独的110 V UPS提供控制电。

3）主配电变压器

预励磁装置直接由6.6 kV中压配电板供电。

4）低压配电板

柴油机组、推进链、舵浆系统、变压器、中央冷却系统的辅机供电需要满足自治要求。

5）主推进变频系统

主推进变频系统具有快速减载功能，变频器由独立的230 V UPS供电，推进变压器具有预励磁装置。

5 推进链主要系统功能

5.1 推进自治系统

根据冗余组分区要求，单个推进变频链及其辅助系统自成一套自治系统。主电和辅助供电均来自该冗余组。另外，推进变频链辅机由推进驱动单元控制启停。

典型的推进链辅机包括如下5部分：

1）齿轮箱和轴系滑油泵等辅助设备。

2）中央冷却泵 。

3）变频器内部水冷泵和加热器。

4）推进变压器冷却风机和加热器。

5）推进电机冷却风机和加热器。

5.2 控制位置切换

推进变频链有2种控制方式：本地控制和远程控制。本地控制设置于机旁控制面板上，本地控制具有最优先的控制权。远程控制来自于远程控制系统，变频链辅机受变频器驱动单元控制。

5.3 快速减载功能

在电网出现波动、发电机过载、故障发电机跳闸退出的情况下，变频器根据来自PMS的可用功率信号来执行快速减载功能，可有效避免电站瞬间过载。

6 功率管理系统功能设计

本船机舱设有由4台主发电机组构成的公共电站，通过PMS可实现自动电站功能，以满足各种工况下的需要。

电站功率管理系统在配电板中遥控或自动模式下启动。PMS具有全面的管理功能，包括：

1）PMS将合闸指令传送至中压配电板，中压配电板安装有同步并车模块用于调节转速并合闸开关。

2）PMS将分闸指令传送至中压配电板，开关分闸，停止发电机组。

3）需要时断开或闭合（包括同步）母联开关。

4）在操作站或就地手动改变工作模式。

5）提供机组间的负载分配功能。

6）延时启动大负载，直到备用发电机组能承担足够的功率。

7）断电后按程序恢复供电功能。

8）PMS发出启动指令至各独立的柴油机自动控制系统，并由其执行具体功能。

9）断电后PMS起动并连接发电机组到主配电板。可任意选择机组启动顺序。

10）当电站剩余功率不足时，PMS禁止大负载启动，同时启动后备机组并同步并入电网，再启动大负载。

11）PMS根据电站负荷，自动增机和减机。

12）PMS预防断电功能。

13）在剩余功率不足或手动指令无法完成时，PMS应有报警功能。

14）每台柴油机设独立的就地/遥控开关。

15）PMS具有均频模式和下垂模式。

16）PMS具有顺序自动起动功能。当船舶失电后恢复供电时，海水冷却泵、低温淡水冷却泵、空压机、机舱风机等重要辅机能按程序顺序自动起动。

17）PMS具有次要负载自动卸载功能。

18）非重要负载卸载分为2级，当PMS检测到电站负荷大于100%时，此时如果没有可用的备用发电机组，则延时15 s后发出第一级优先脱扣信号至400 V配电板，配电板收到命令后卸载一级次要负载。若此时当电站负荷仍然大于100%，延时15 s后再次发出第二级优先脱扣至400 V配电板，由配电板卸载二级次要负载。

19）当主发电机故障，需要强制停机后，PMS自动启动备用发电机并网运行。

7 发电机故障监测系统

船舶电力设备的可靠性和安全性至关重要。整个系统及其部件的设计宗旨是在任何航行条件下尽可能保证电力供应和操作稳定性。保护系统可确保在出现过载、短路、接地故障等电路故障时进行选择性跳闸。但某些类型的故障如AVR和调速器故障，光靠监视故障机本身是辨别不出来的。这些故障会引起在网的健康发电机为保持电网电压或频率产生错误反应，从而使健康发电机脱扣而只剩下故障发电机在网。没有了健康的发电机维持电压和频率，这些故障可能会引起全船失电，发电机故障监测系统可以很好地解决这些问题[3]。

发电机故障监测系统采集柴油机油门刻度快速变送器信号、发电机电压快速变送器信号、发电机电流快速变送器信号、发电机频率快速变送器信号、发电机励磁电流快速变送器信号、发电机励磁电压快速变送器信号、推进器功率和电流快速变送器信号、AVR故障信号等信号，根据专用软件来提前判别在网发电机的故障，预先脱离故障发电机的主开关，保证其他发电机的正常运转。

8 结论

本文介绍了某120 000 kN抬浮力打捞船电气系统的情况，并结合打捞船的工作特点，说明了该船的工作模式和电气系统的主要功能。随着国家交通运输部的规划，加快发展救助打捞装备研发，打捞船舶的建造将有更加广阔的空间。