邵 赟，胡 舜，李進(jìn)科

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萬(wàn)噸級(jí)溢油回收船電力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和仿真研究

邵 赟，胡 舜，李進(jìn)科

（武漢武船船舶設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430060）

溢油回收船是應(yīng)對(duì)海上溢油污染事故的專用船舶。近年來(lái)隨著海上石油運(yùn)輸愈發(fā)頻繁和潛在溢油隱患提高，溢油回收船成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)萬(wàn)噸級(jí)溢油回收船電力系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，分別論證中、低壓和直流三種方案，建議采用低壓交流電力系統(tǒng)并建立仿真模型驗(yàn)證方案可行性。

溢油回收船 電力推進(jìn)系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì)

0 引言

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)化石燃料石油的依賴越來(lái)越嚴(yán)重，海上石油運(yùn)輸、海上石油鉆探也變得愈發(fā)頻繁。目前，全球范圍內(nèi)每年貨運(yùn)油輪的總運(yùn)輸量已將近20億噸，遍布全球100多個(gè)國(guó)家，然而一旦發(fā)生事故，潛在的石油污染范圍和程度也日漸嚴(yán)重。因此，集海上溢油回收、消防、救生等功能的溢油回收船的研發(fā)和應(yīng)用迫在眉睫，該船既能單獨(dú)海上作業(yè)又能多船聯(lián)合組成大型掃描系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)大面積海上溢油事故?，F(xiàn)依據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳關(guān)于2015海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的復(fù)函》相關(guān)內(nèi)容開展“萬(wàn)噸級(jí)多功能溢油回收船設(shè)計(jì)建造技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目研究，論證溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)和可行性方案研究。

1 電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)后期隨著功率電子器件制造技術(shù)和自控技術(shù)的飛躍發(fā)展，電力推進(jìn)系統(tǒng)隨著有效功率等級(jí)的不斷提高正逐漸應(yīng)用于各類商用船舶。電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上從燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)或核動(dòng)力等其他單機(jī)配置到多種原動(dòng)機(jī)混合配置；功率等級(jí)從百千瓦級(jí)到數(shù)十兆瓦級(jí)；推進(jìn)方式也多種多樣，如游輪上多采用的吊艙式推進(jìn)；另外，PWM和Cyclo以及Syncyclo等新控制技術(shù)的應(yīng)用也提高了推進(jìn)電機(jī)控制的精確度和可靠性。目前，世界各國(guó)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn)正圍繞綜合全電力推進(jìn)技術(shù)展開，包括發(fā)電、輸電、配電、電能變換以及推進(jìn)和電力拖動(dòng)等內(nèi)容，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是船舶動(dòng)力和船舶電力的有效綜合，而非簡(jiǎn)單地組合。

電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心之一是船舶電站，其電壓等級(jí)的選擇會(huì)直接或間接地從各方面影響電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行，如系統(tǒng)工作電流和短路電流，系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用、電能質(zhì)量以及輸電能力等。在保證符合電網(wǎng)的各種技術(shù)條件的前提下，電壓等級(jí)必須滿足負(fù)荷要求并能使得輸配電設(shè)備容量得到較高利用率。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的船舶電力系統(tǒng)電壓等級(jí)主要集中在中、低壓，低壓系統(tǒng)一般采用230 V、400 V /450V、690 V等，中壓統(tǒng)一電制通常為3~6 kV或者11 kV。當(dāng)電站容量設(shè)計(jì)大約在8~10 MW時(shí)，可以根據(jù)具體使用經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣選用低壓交流電力系統(tǒng)（690 V交流電力系統(tǒng)）或者中壓交流電力系統(tǒng)（如3 kV或6 kV交流電力系統(tǒng)）；從經(jīng)濟(jì)性的角度講可以優(yōu)先考慮低壓交流配電方案。此外，由于直流電網(wǎng)輸送容量大、損耗小、諧波失真問題較少以及其他優(yōu)點(diǎn)正逐漸成為研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)針對(duì)該船的具體要求，從組成、經(jīng)濟(jì)性和關(guān)鍵技術(shù)等方面分析論證三種方案的可行性與最優(yōu)方案。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全船的供電、推進(jìn)、控制及監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，根據(jù)功能劃分為7個(gè)分系統(tǒng)：供配電系統(tǒng)、主推進(jìn)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、艏側(cè)推電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、消防泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)以及動(dòng)力定位系統(tǒng)。供配電系統(tǒng)主要為全船提供電源，分配電能并為電站和用電負(fù)荷提供必要的保護(hù)，其主要包括：2600 kW主發(fā)電機(jī)組4臺(tái)，400 kW停泊發(fā)電機(jī)組1臺(tái)，150 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)組1臺(tái)，日用變壓器2臺(tái)，主配電板1套，400 V應(yīng)急配電板1套。主推進(jìn)系統(tǒng)為船舶航行提供主推進(jìn)動(dòng)力，其組成主要包括：主推進(jìn)移相變壓器2臺(tái)、主推進(jìn)變頻器2套、主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)2臺(tái)及主推進(jìn)控制系統(tǒng)1套（內(nèi)含主推進(jìn)遙控組件1套和就地控制箱2臺(tái)）。艏側(cè)推系統(tǒng)為船舶航行提供側(cè)向推進(jìn)動(dòng)力，艏側(cè)推系統(tǒng)和主推進(jìn)系統(tǒng)配合可完成船舶的進(jìn)出港、DP、航行等工況，其組成主要包括：艏側(cè)推移相變壓器2臺(tái)、艏側(cè)推變頻器2套、艏側(cè)推電動(dòng)機(jī)2臺(tái)及艏側(cè)推控制系統(tǒng)1套（內(nèi)含艏側(cè)推遙控組件1套和就地控制箱2臺(tái)）。消防泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括：消防泵變頻器2臺(tái)，消防泵電機(jī)2臺(tái)。推進(jìn)器系統(tǒng)主要包括：全回轉(zhuǎn)舵槳2套，槽道式側(cè)向推進(jìn)器2套。自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括：電站功率管理系統(tǒng)（PMS）1套，機(jī)艙檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)1套、UPS系統(tǒng)1套。電力推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)組成圖

根據(jù)中、低壓交流和低壓直流系統(tǒng)的電壓等級(jí)和性質(zhì)不同，其具體系統(tǒng)組成設(shè)備及參數(shù)對(duì)比如表1所示。中壓發(fā)電機(jī)組的額定輸出電壓為6.6 kV，另需配置接地電阻，直流和低壓交流一致；配電板三者都不同：低、中壓交流使用的變壓器初次級(jí)電壓不同，直流系統(tǒng)只需要保存配電變壓器，與低壓交流一樣，取而代之的是直接采用逆變和整流柜連接發(fā)電機(jī)組和各負(fù)載設(shè)備，省去了移相變壓器和變頻器；三種系統(tǒng)采用的電機(jī)可以選用同種規(guī)格。

表1 系統(tǒng)組成對(duì)比表

2.2 電壓選擇和防護(hù)

2.2.1 電壓等級(jí)選擇

當(dāng)電力系統(tǒng)中的各個(gè)元件上有電路流過時(shí)，由于期間的阻抗會(huì)導(dǎo)致電壓降落，進(jìn)而影響負(fù)載端的電壓質(zhì)量并造成功率損耗，其值可以通過下面的公式根據(jù)元件阻抗及潮流分析數(shù)據(jù)計(jì)算得出：

2.2.2 系統(tǒng)保護(hù)

系統(tǒng)保護(hù)主要體現(xiàn)在設(shè)備外圍的安全防護(hù)、設(shè)備本身的絕緣耐壓保護(hù)、短路電流保護(hù)和其他故障保護(hù)。其中，中高壓發(fā)電機(jī)需考慮較高的絕緣要求，成本控制、人員和設(shè)備安全等，船舶中高壓電力系統(tǒng)需要采用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地保護(hù)。接地方式的選擇必須綜合考慮供電的安全性、連續(xù)性和可靠性；配電網(wǎng)和線路結(jié)構(gòu)；過電壓保護(hù)和絕緣保護(hù)；繼電保護(hù)構(gòu)成和跳閘方式等等技術(shù)條件。

在短路電路保護(hù)中，低壓交流系統(tǒng)在電站容量較大的情況下所需要考慮的核心問題就是短路電路過大，對(duì)用于短路保護(hù)的斷路器提出較高要求。而中壓系統(tǒng)除了具備與低壓系統(tǒng)相同的短路、過載、欠壓等保護(hù)外，系統(tǒng)還需要添加縱差、零序、零序縱差等保護(hù)，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。直流電網(wǎng)由于與交流電網(wǎng)的顯著區(qū)別，在船舶電網(wǎng)原理框架和設(shè)計(jì)也明顯不同，其中最主要的挑戰(zhàn)莫過于如何采用類似交流配電的方式，實(shí)現(xiàn)全選擇性和設(shè)備保護(hù)。從技術(shù)層面上分析，交流電流每半個(gè)周期跨越零點(diǎn)，因此較易切斷，而依據(jù)傳統(tǒng)理念，選擇性保護(hù)是經(jīng)由各級(jí)斷路器的保護(hù)脫扣器相互協(xié)調(diào)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，對(duì)比交流斷路器，切斷直流面臨的滅弧問題需要的技術(shù)要求更加復(fù)雜。

2.2.3 技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)船舶電力系統(tǒng)具有超大功率用電負(fù)荷時(shí)，采用不同的電壓等級(jí)將會(huì)極大的影響其經(jīng)濟(jì)性。一般情況下，由于低壓系統(tǒng)的技術(shù)已很成熟且可選種類較多，價(jià)格成本較低廉，而國(guó)內(nèi)船用中壓配電系統(tǒng)技術(shù)起步晚，早期因無(wú)成熟的產(chǎn)品，整個(gè)船用中壓配電設(shè)備市場(chǎng)被國(guó)外成套設(shè)備占領(lǐng)，如Schneider、ABB和SIEMENS等廠家，采用出口、獨(dú)資和合資形式占領(lǐng)中國(guó)市場(chǎng)。針對(duì)萬(wàn)噸級(jí)溢油船設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的要求，國(guó)內(nèi)中壓設(shè)備制造商雖然能夠滿足配置需求，但由于市場(chǎng)開發(fā)較晚，中壓配電系統(tǒng)技術(shù)和設(shè)備制造技術(shù)較之不太成熟，缺乏經(jīng)驗(yàn)，這樣會(huì)加大建造和維護(hù)成本。直流電站系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)更是處于試研階段，實(shí)際運(yùn)用和維護(hù)階段可能面臨很多潛在問題，綜合考慮一次建造費(fèi)用和需要考慮的風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用可能較高。除此之外，還需考慮實(shí)際的操作人員的資質(zhì)問題，中壓和直流系統(tǒng)由于應(yīng)用普及較少且安全要求較高，需要單獨(dú)對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)獲得操作資格。

3 仿真分析

3.1 短路電流和選擇性保護(hù)

考慮到本船實(shí)際最大工況下的電站容量小于10MW，從技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)方面以及其他方面的考慮，優(yōu)先選擇低壓交流電力系統(tǒng)?，F(xiàn)根據(jù)相關(guān)性能要求對(duì)全船建模仿真，驗(yàn)證方案的可行性。該船低壓交流電力系統(tǒng)單線圖如圖2所示。

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)過電流選擇性保護(hù)指南的要求，船舶電網(wǎng)需要滿足過載選擇性保護(hù)和斷路選擇性保護(hù)。其中，過載保護(hù)其上、下級(jí)的過電流脫扣器額定電流之比要大于1.6；短路電流保護(hù)需要根據(jù)時(shí)間原則實(shí)現(xiàn)各上下級(jí)間的選擇性，主要分為主發(fā)電機(jī)之間及其與以下各級(jí)，主匯流排與應(yīng)急匯流排及其下一級(jí)，電力和照明變壓器初級(jí)與照明匯流排之間，主（或應(yīng)急）照明匯流排與其下一級(jí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)與其下一級(jí)等。

通過CCS的COMPASS-RULE2010軟件和相關(guān)設(shè)備參數(shù)計(jì)算得出在4臺(tái)機(jī)組在網(wǎng)時(shí)，各主要短路點(diǎn)的最大短路電流，并選擇合適的斷路器型號(hào)，其短路分段能力、接通能力和額定電流值均大于計(jì)算出的短路電流值，如表2所示。在Etap12.6中建模并對(duì)各級(jí)斷路器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和分級(jí)仿真，驗(yàn)證能夠?qū)崿F(xiàn)電流和時(shí)間的完全選擇性保護(hù)或部分選擇性保護(hù)原則。

表2 短路保護(hù)電流和斷路器選型表

3.2 諧波計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的工況數(shù)據(jù)，并且增加了單軸推進(jìn)工況，在ETAP12.6中進(jìn)行仿真算出結(jié)果如表3所示，在各個(gè)主要工況運(yùn)行下，電力系統(tǒng)各級(jí)母線諧波含量均不大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%諧波含量。

表3 諧波含量表

4 結(jié)論

本文結(jié)合萬(wàn)噸級(jí)溢油回收船實(shí)際需求，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)等多方面分析比較當(dāng)前船舶應(yīng)用中熱門的低、中壓交流和直流三種電力系統(tǒng)方案存在的優(yōu)缺點(diǎn)，初步判定低壓交流方案較好。并建立本船的仿真模型，根據(jù)具體技術(shù)要求分析系統(tǒng)短路電流和選擇符合選擇性保護(hù)的斷路器，對(duì)多種工況下的諧波進(jìn)行計(jì)算分析，均能滿足CCS要求，驗(yàn)證了方案的可行性。

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Scheme and Simulation of Power System for Oil Spill Recovery Vessel

Shao Yun, Hu Shun, Li Jinke

（Wuhan Shipbuilding Design Co., Ltd, Wuhan 430060, China）

U664.91

1003-4862（2017）06-0073-04

2017-03-31

邵赟（1976-），女，工程師。研究方向：電氣工程。E-mail: su800gar@sina.com