大功率电力系统船舶的设计

大功率电力系统船舶的设计徐丹铮缪燕华吴斐文关键词：大功率电力系统；中压电力系统；船舶设计摘要：本文针对具有大功率电力系统的船舶，提出了一些富有新意的船舶电气设计思想和设计原则。诸如怎样进行多工况的电力负荷计算；如何按短路容量选择系统电压等级；为何中压电力系统采用中性点高阻接地系统；发电机组如何实现冗余；怎样控制系统谐波电压和电压跌落指标等。最后，介绍了中压电力系统主要设备特有的性能或结构，包括发电机、中压配电板、中性点接地电阻箱、中压电缆等。虽然，本文以大型海洋工程船，特别是起重船为主要例子作为依托，但这些设计思想和原则应具有普遍意义，可引伸应用于具有大功率电力系统的其他船舶的开发研究和工程设计中去。2009年7月21.概述以大型海洋工程船为代表的具有大功率电力系统的一系列船舶的出现，正在创造着许多富有新意的船舶电气设计思想。自从4000t起重/打捞工程船设计建造运行以来，对于具有大功率中压电力系统的一些船舶设计理念，正在陆续不断地体现在一些新颖的船舶设计中。正如笔者在接受中国船舶报记者采访中所说的“我国自主成功开发船舶中压电力系统具有十分积极的意义。……使我国在船舶总体设计领域能为国内企业提供更多、更好、更便捷的船电配套解决方案。……为我国造船界进一步开发高技术、高附加值船舶和海工装备奠定了基础”（见2009.4.15第27期第6版）。大功率电力系统，目前常称为中压电力系统，与常规船舶的低压电力系统有着天壤之别。“中压”按照国际电工委员会（IEC）标准而言，是指1kV~15kV。约十余年前，最高电压还在11kV；若干年后，是否再会升高，笔者抱着看好的态度。毕竟，在陆用上中压概念可以到52kV。大功率是一个没有上限的概念。然而，电器设备包括电机、变压器、开关、电缆等在某个电压等级范畴内的容量是有限的，这是由其技术经济性能所决定的。当容量超过了这个限度后，就只能靠电压等级的升高来扩大容量。目前，常用的电压等级为6kV，3kV已基本不用了，而在研制2×8000t起重船（半潜式）时，已升级到11kV了。本文所要讨论的是，在面临大功率电力系统时，船舶设计应具有的原则。这些，可能在低压电力系统中是没有的，或者无论在质和量的方面有较大的不同。虽然，船级社的规范中都有一节“高压电力系统”的要求，但它主要局限于对设备本身的要求，而对船舶设计中的各种具体问题较少涉及，这就是本文研究的初衷。2.大功率电力系统负荷分析及计算2.1.负荷类型2.1.1.工作机械负荷在各种海洋工程船上有着各种不同的工作机械，表1列出了大型起重船的3相关参数。表1大型起重船工作机械负荷参数船型工作机械主要参数驱动形式同时使用总功率4000t起重/打捞船（华天龙）起重机主钩4×850kW，副钩4×850kW，变幅2×850kW，回转8×400kW等交流变频调速4900kW2×8000t起重/铺管船起重机铺管系统主钩4×1600kW，副钩2×1600kW，变幅2×2100kW，回转12×550kW等/每台张紧器3×1500kW，收/放绞车1×4500kW等交流变频调速交流变频调速17800kW~7000kW2×7500t起重/铺管船（HMC）起重机铺管系统不详不详交流变频调速交流变频调速17200kW11800kW1200t起重/铺管船（海洋石油“202”）起重机铺管系统主钩2×600kW，副钩2×600kW，变幅2×500kW，回转6×165kW小钩2×400kW等张紧器2×640kW，收/放绞车2×630kW等交流变频调速交流变频调速2200kW2034kW4400t起重/铺管船（伊朗）起重机铺管系统主钩4×850kW，副钩2×850kW，变幅2×850kW，回转8×280kW等张紧器6×320kW，收/放绞车3×445kW，托管架1×400kW，理管系统2×600kW+3×80kW等交流变频调速交流变频调速3900kW~2500kW每种船型都有其特有的机械，可根据具体船型分析，例如，钻井船的钻机、泥桨泵等，铺管船的张紧器、收/放绞车、电焊机、理管机等，打捞船的高压水泵、空压机等，物探船的空压机、电缆绞车等，布缆船的履带机、埋设犁等，挖泥船的泥泵等。4对于某些非自航船舶（上述1200t起重/铺管船）和航速较低电推自航船（上述4000t起重/打捞船）而言，其工作机械负荷是船舶电站的主要负荷。2.1.2.船舶运动负荷为了配合工作机械的作业，船舶需进行定位、移位、升沉等运动。包括各种推进器（主推进器、可伸缩全回转舵桨及隧道式侧向推进器），定位锚绞车、压载泵、升降机械等。表2列出了大型起重船的相关参数。表2大型起重船船舶运动负荷参数船型设备主要参数驱动形式同时使用总功率4000t起重/打捞船（华天龙）推进器压载泵定位锚绞车主推2×1500kW，侧推1×2000kW均为调距桨4×220kW12×400kW电动软起动电动软起动交流变频调速~3000kW880kW~3000kW2×8000t起重/铺管船推进器压载泵定位锚绞车主推4×5500kW，可伸缩8×3200kW，侧推2×2500kW4×1300kW12×1000kW交流变频调速电动软起动交流变频调速~35000kW5200kW~7800kW2×7500t起重/铺管船（HMC）推进器压载泵定位锚绞车可伸缩10×5500kW总功率7000kW—交流变频调速不详46200kW5600kW—1200t起重/铺管船（海洋石油“202”）压载泵定位锚绞车4×90kW12×1000kW电动软起动交流变频调速360kW~7800kW4400t起重/铺管船（伊朗）推进器压载泵定位锚绞车主推2×5500kW，可伸缩4×2200kW，侧推2×1935kW4×320kW10×450kW交流变频调速电动软起动交流变频调速~16300kW1280kW~3200kW大型船舶运动阻力很大，尤其在有动力定位要求时，其推进器功率有质的飞跃。如上述4000t起重/打捞船与4400t起重/铺管船尺度很近似，前者仅要求低速移位航行要求，后者为DP2动力定位要求，其推进器用电功率则差别有5倍多，具有非常重要的特征意义。而定位锚绞车的电功率则基本相似，从受力负荷分析能很容易理解。52.2.负荷工作状况大型海洋工程船有着多功能化的趋势。如2.1.节所列船型，起重船不是兼作打捞船就是兼作铺管船，而不论其是否自航或动力定位的运动功能。因此，在进行船舶负荷计算前，首先要确定电站具有几种工作状况。然后才能对每一种工作状态进行负荷计算。在低压电力系统中，通常具有标准的相同的电站工况，如航行、机动（进出港）、装卸货、停泊及应急。首先，大功率电力系统船舶应按船舶不同的功能类型分别进行负荷工作状态的分析，确定在某种工作状态中哪几种工作机械需同时工作，依次列出完整的工作状况数量。例如：起重工况、打捞工况、铺管工况等。其次，每种工况中可能有多种船舶运动方式的配合。因此，还要在这工况中细分几种不同的船舶运动条件。例如：DP起重工况、锚定位起重工况、DP铺管工况、锚定位铺管工况等。再次，对于DP-2/DP-3的船舶，应保证在各种单故障情况下，能使用独立的汇流排分段进行工作，因此，应对每个独立汇流排的负荷分析做好预案，以防止由于推进器过大负荷造成发电机过载而使汇流排断电。其应对措施就是合理调整转换其他用电负荷，使功率管理系统能按此预案进行控制。2.3.负荷计算大功率电力系统的总负荷是相当大的，电力负荷计算应按2.2.节的原则列出各种工况分别计算。对于DP-2/DP-3的船舶，应将最大单故障工况列入计算表内。在做方案设计或基本设计时，工作机械及船舶运动负荷基本已经决定，但船舶日用负荷此时一般还不能确定，但因其绝对值通常也不小，所以应估算列入。一种是参考同类船的资料；另一种可将日用负荷粗分成几类，按类型估算后累加得出，准确性更高。粗分类有：机舱辅机、推进器辅机、起重机辅机、空调、舱室风机、厨房设备、共用设备、照明等。负荷计算及发电机组功率和数量选择的原则基本同低压电力系统一样。既要保证在各种工况下的负荷率合理，也要使备用发电机组的功率和数量合理。原则上发电机组单机功率尽可能大些，负荷率也可比低压电力系统有所提高，6一般95%也可接受。当初定发电机组功率和数量后，应估算电网的短路容量，使配电板的电压和断路器分断能力的选型能符合该短路容量的限额要求。目前，中压配电板主要常用两个电压等级系列，即7.2kV和12kV。前者用于6.6kV电网，后者可用于11kV电网。两个系列区别不大，都可采用。但若采用11kV时短路容量已接近限额，就应分析比较是提高电压到15kV而采用17.5kV配电板系列，还是将统一电网分成两个11kV电网以降低短路容量而能宽松地采用12kV系列。后一种方式已在不少工程实际中被采用。因为提高电压等级会带来电机、变压器、电缆也相应提高电压等级的选用，对经济性影响较大，应慎重考虑。如已确定了采用两个独立电网分区供电后，则应对每个独立电网进行负荷计算。在电网分区或配电板分段较多的情况中，如2.2.节所述应对单故障的每个独立汇流排作负荷分析，这时可能是相当繁琐的计算工作，可以采用独立形式的计算表格进行，最后将其中最大单故障工况的结果列入总的电力负荷计算书中即可。电力负荷计算书中最后应将由日用变压器供电的负荷和铺管变压器供电的负荷也各有一个独立的总负荷，并分别计算其各自的平均负荷率和平均功率因数。按上述负荷计算原则，2.1.节的5种船型配置的电站参数见表3所列。表3大型起重船电站参数船型电站参数DP总功率/kW负荷率/%正常DP最大故障起重铺管起重铺管4000t起重/打捞船（华天龙）4×2850kW6.3kV50Hz0.85p.f.无1140082———2×8000t起重/铺管船12×6769kW6.6kV60Hz0.8p.f.DP38122886.38096.982.52×7500t起重/铺管船（HMC）12×7275kWDP38730087841041011200t起重/铺管船（海洋石油“202”）4×2865kW6.3kV50Hz0.8p.f.无114608992——4400t起重/铺7×4345kW6.6kVDP25124091.874.691.883.87管船（伊朗）60Hz0.9p.f.3.大功率电力系统性能分析及对策3.1.参数大功率电力系统的参数主要指容量和电压，在2.3.节中已提到了两者之间的关系。表4为具有不同电压等级和不同分断能力时的短路容量。表4中压电网短路容量/MVA断路器分断能力Icu/kA3kV6.6kV11kV13.8kV15kV2513028647659865031.51643606007538194020845776295610395026057295311951299表4中的电网短路容量是指电网中该电压等级的断路器能分断该处的短路电流的能力。而短路电流的大小除了与电网容量（额定值）有关外，还与发电机的参数（如X’’d等），电缆长度以及电网中负载的控制方式都有关。按照短路电流的计算方法，电网负载向短路点馈送的短路电流一般以电网发电机总容量的0.6倍计入，也是一个不小的数值。但由于控制方式不同，如以当前已较普遍使用的交流变频控制而言，对于具有不可控整流器的变频装置就不会馈送出短路电流，与不使用变频控制的有较大的差别。表5列出了一些船舶的电站组成及短路电流值，可见即使电站容量相差不多，短路电流值也可能有较大的差别。综合来看，大致可得出电站额定容量与电压等级的极限范围可见表6所列。表5某些大功率电力系统船舶的电站参数及短路电流船型电站/kW电压/kVX’’dIac/kAΣIan/kAIac/ΣIanSsc/MVA4000t起重/打捞船（华天龙）4×28506.30.1612.41.2310.1135.34400t起重/铺管船（伊朗）7×43456.60.16218.82.986.3214.93000m半潜式钻井船8×5530110.14319.52.916.7371.52×2000t半潜多功9×6769110.13923.353.995.9444.98能海