陳喜元，李 冰，王 忠，王艷龍，何 志

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 大連 116000）

0 引 言

閉環(huán)控制是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)電力自動(dòng)化控制技術(shù)，與非閉環(huán)供電方式相比，在設(shè)計(jì)方面難度較大，建造投資較高，一般只應(yīng)用于有較高供電技術(shù)要求或節(jié)能環(huán)保要求且對(duì)投資不太敏感的高技術(shù)海工產(chǎn)品上，尤其多應(yīng)用于帶動(dòng)力定位（Dynamic Positioning，DP）功能的半潛項(xiàng)目中。

目前國(guó)內(nèi)某半潛平臺(tái)的閉環(huán)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證已取得成功并獲得DNV-GL DYNPOS-AUTRO帶閉環(huán)操作證書。本文依托該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程，介紹閉環(huán)供電技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 閉環(huán)的定義及分析

閉環(huán)是指主配電盤通過母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)首尾相連形成一個(gè)整體的封閉環(huán)型，具有發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的供電方式，其核心是發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)和配電盤的全船短路保護(hù)能力。閉環(huán)構(gòu)成圖示見圖1[1]。

圖1 閉環(huán)構(gòu)成圖示

發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)包括發(fā)電機(jī)和配電盤在內(nèi)的整個(gè)電力系統(tǒng)提供90%左右的故障模式保護(hù)，整個(gè)閉環(huán)試驗(yàn)主要圍繞發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行[2]。

需指出，若僅將閉環(huán)看作是配電盤首尾相連形成的封閉環(huán)型，則無(wú)法體現(xiàn)出閉環(huán)的高技術(shù)水平和技術(shù)含量，離開保護(hù)就不能稱其為閉環(huán)。與閉環(huán)相對(duì)的叫開環(huán)或三段模式，是指3個(gè)配電盤之間的母聯(lián)開關(guān)全部打開，形成3段各自獨(dú)立的形式[2]（見圖2）。

圖2 配電盤開環(huán)模式

與開環(huán)模式相比，采用閉環(huán)供電模式的好處[3]有：

1) 降油耗，據(jù)測(cè)算，在閉環(huán)模式下可降低油耗10%以上，在節(jié)能降耗的同時(shí)，可有效降低NOx排放達(dá)30%以上，降低CO2排放達(dá)15%以上；

2) 減少發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間和發(fā)電機(jī)在線運(yùn)行臺(tái)數(shù)，發(fā)電機(jī)組平均運(yùn)行時(shí)間可減少25%以上；

3) 便于維修，可空出一個(gè)機(jī)艙或某臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行維修；

4) 提高供電的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)而提高平臺(tái)的定位性能、作業(yè)保障能力和安全性能。

當(dāng)然，閉環(huán)也有一定的不足，包括技術(shù)難度大、成本高、保護(hù)不好易造成全船停電等。因此，只要系統(tǒng)良好、操作得當(dāng)，除了獲取上述好處、避免上述不足以外，還可獲得更加可靠、穩(wěn)定的電源供給，提高平臺(tái)的供電安全性和運(yùn)行安全性。

對(duì)于船東來說，可直接提高平臺(tái)的租金，這也是其愿意高成本做閉環(huán)的原因和驅(qū)動(dòng)力之一。

對(duì)于非DP類項(xiàng)目來說，不存在滿足DP要求的問題（即可短時(shí)間內(nèi)失去電力系統(tǒng)，不存在影響定位或船位的情況），因此對(duì)閉環(huán)無(wú)過高要求。

綜上所述，為在最大故障情況下滿足DP3的要求，閉環(huán)控制在設(shè)計(jì)和建造方面有很多條件，會(huì)導(dǎo)致投資大和試驗(yàn)周期長(zhǎng)。因此，閉環(huán)一般只應(yīng)用在有較高供電技術(shù)要求或節(jié)能環(huán)保要求且對(duì)投資不太敏感的高技術(shù)海工產(chǎn)品上，尤其多應(yīng)用于有高動(dòng)力定位功能要求的半潛項(xiàng)目中。

2 發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的功能

發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是為閉環(huán)控制派生的系統(tǒng)（閉環(huán)的核心），是電源管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）的延伸，用于保護(hù)發(fā)電機(jī)和整個(gè)電網(wǎng)，使平臺(tái)不因電力系統(tǒng)執(zhí)行故障而失去定位能力，從而保障平臺(tái)的作業(yè)能力和提高平臺(tái)的安全性。

發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的2個(gè)主要功能[1]為：

1) 對(duì)速度控制系統(tǒng)GOVERNOR進(jìn)行控制，可直接控制；

2) 對(duì)電壓控制系統(tǒng)AVR進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能直接控制。

發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要是對(duì)2個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行保護(hù)，即：頻率/有功/油門，由GOVERNOR調(diào)節(jié)器執(zhí)行；電壓/無(wú)功/勵(lì)磁，由AVR電壓調(diào)節(jié)器執(zhí)行。該系統(tǒng)對(duì)欠頻、過頻、欠壓或過壓等故障及故障發(fā)生的速率做出相應(yīng)的保護(hù)。

此外，發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)還有2個(gè)輔助功能[1]，即配電盤低頻時(shí)的母聯(lián)開關(guān)脫扣和勵(lì)磁電流監(jiān)測(cè)。

由于發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的重要性，考慮到反應(yīng)速度和有效性問題，在設(shè)計(jì)上要做大量協(xié)調(diào)工作，與參與各方進(jìn)行大量的溝通，在盡可能減少改動(dòng)的情況下，最終達(dá)成一致并取得理想的試驗(yàn)結(jié)果。

3 DNV-GL對(duì)閉環(huán)的要求

某半潛平臺(tái)項(xiàng)目入CCS DP-3和DNV-GL DYNPOS- AUTRO船級(jí)。根據(jù)DNV-GL的要求，對(duì)于入DPS 2或DPS 3的項(xiàng)目，必須有失效模式與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA），分為開環(huán)和閉環(huán)2部分[4]。

DNV-GL規(guī)范大多通過失效模式分析對(duì)閉環(huán)進(jìn)行驗(yàn)證，由于這樣的項(xiàng)目一般都帶DP功能，因此通常將該驗(yàn)證過程稱為DP FMEA。分析和研究的主要內(nèi)容是DP系統(tǒng)如何在滿足規(guī)范的要求下滿足硬件上的物理分隔和軟件/系統(tǒng)上的功能要求。閉環(huán)試驗(yàn)的主要內(nèi)容是發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。

此外，DNV-GL對(duì)閉環(huán)還有2個(gè)“特殊”要求，即：

1) 根據(jù)DNV-GL的要求，需對(duì)入級(jí)DPS 3閉環(huán)的項(xiàng)目進(jìn)行失電后啟動(dòng) Blackout Restart的試驗(yàn)（見圖3），驗(yàn)證PMS在極端情況下恢復(fù)供電的能力，確保平臺(tái)安全；

圖3 Blackout Restart的試驗(yàn)成功Trend

2) 根據(jù)DNV-GL的要求，需對(duì)入級(jí)DPS 3閉環(huán)的項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)短路（Live Short Circuit）試驗(yàn)。目前只有DNV-GL有此要求。

做現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證配電盤的故障隔離保護(hù)能力和DP設(shè)備/系統(tǒng)的故障穿越能力。故障穿越能力是指設(shè)備短時(shí)間失電的能力，主要對(duì)DP設(shè)備有此要求，對(duì)非DP設(shè)備/系統(tǒng)不適用。若現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)失敗，即配電盤不能在設(shè)定時(shí)間內(nèi)隔離故障、阻止其曼延并切斷故障，面臨的風(fēng)險(xiǎn)有：燒毀與故障盤直接連接的發(fā)電機(jī)、引起整個(gè)電力系統(tǒng)失電、推進(jìn)器因失電而停止工作，以及由此導(dǎo)致的平臺(tái)失去定位能力。

現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)最大的危險(xiǎn)性是保護(hù)不力或出現(xiàn)特殊情況，如機(jī)械故障導(dǎo)致保護(hù)開關(guān)沒有脫開，引起短路電流急劇增大而引發(fā)火災(zāi)或觸電事故等。因此，需做好試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的安全防護(hù)工作，包括需專業(yè)人員操作、看護(hù)、消防和救生等。

為做好短路試驗(yàn)，由專業(yè)技術(shù)人員提前對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行認(rèn)真分析、仔細(xì)檢查和嚴(yán)格確認(rèn)。由于前期工作到位、準(zhǔn)備充分，短路試驗(yàn)一次性成功（見圖4）[5]。

圖4 短路試驗(yàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的半潛平臺(tái)項(xiàng)目閉環(huán)試驗(yàn)是2臺(tái)發(fā)電機(jī)在線運(yùn)行的模式，已達(dá)到發(fā)電機(jī)閉環(huán)在線運(yùn)行臺(tái)數(shù)最少的極限，在技術(shù)上是一次創(chuàng)新和突破。

本文所述半潛平臺(tái)發(fā)電機(jī)閉環(huán)試驗(yàn)已取得DNV-GL的認(rèn)可和DNV-GL DP3帶閉環(huán)操作認(rèn)證，體現(xiàn)了先進(jìn)的電力自動(dòng)化控制技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，給出了節(jié)能降耗的新途徑和技術(shù)發(fā)展的新方向。該項(xiàng)突破為我國(guó)造船業(yè)和海洋工程裝備制造業(yè)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)海工關(guān)鍵技術(shù)和項(xiàng)目的發(fā)展具有重大意義。