王彥朋

摘 ? ?要：本文通過(guò)對(duì)某南極磷蝦捕撈加工船的復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)配置和大功率負(fù)載進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種適用于專業(yè)南極磷蝦捕撈加工船的環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了基于環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)的供電模式設(shè)計(jì)和PMS設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)同類型船舶配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：極地遠(yuǎn)洋漁船；環(huán)形配電；船舶電站

中圖分類號(hào)：S972.7+4?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Power Distribution System Design of the Antarctic

Krill Factory Trawler

Wang Yanpeng

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： This paper designs a ring power distribution network structure based on the complex and changeable working conditions of the Antarctic krill factory trawler through the configuration of the Antarctic krill factory trawlers hybrid power system and the analysis of high–power load， expounds in detail the key points of the power supply mode design and PMS design based on the ring power distribution network， which has certain guiding significance for the design of the power distribution system of the same type of ships.

Key words： Polar offshore fishing vessel; ?Ring power distribution;Ship power station

1 ? ? 前言

南極磷蝦捕撈加工船是一種集南極磷蝦高效捕撈、精深加工及多級(jí)冷藏儲(chǔ)存為一體的高端極地遠(yuǎn)洋漁船，融合了多項(xiàng)現(xiàn)代船舶、漁業(yè)和水產(chǎn)品領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。除常規(guī)船舶用電設(shè)備外，南極磷蝦捕撈加工船還配置了專用的南極磷蝦高效捕撈設(shè)備、磷蝦多線精深加工流水作業(yè)線和貨艙分級(jí)制冷系統(tǒng)、貨物大包轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，以及極地大型防結(jié)冰、除冰系統(tǒng)，以滿足南極區(qū)域全漁季全天候作業(yè)需求。南極磷蝦捕撈加工船的捕撈作業(yè)方式、加工作業(yè)工藝以及儲(chǔ)存轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)特殊，作業(yè)工況復(fù)雜、多變，需要滿足航行調(diào)遣、拖網(wǎng)捕撈作業(yè)、停泊轉(zhuǎn)載（裝有凍蝦）、停泊卸貨、停泊休息、應(yīng)急等多種工況的電力負(fù)荷需求，而這些需求差異非常大，因此合適的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及PMS功能設(shè)計(jì)至關(guān)重要，除確保供電連續(xù)性、安全可靠性以外，還要有充分的靈活性和匹配性，以滿足各種復(fù)雜工況的電力需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)全船能源的統(tǒng)一管理、綜合利用、有效分配[1]。

2 ? ? 船舶電站配置

考慮到復(fù)雜的工況及設(shè)備配置，某南極磷蝦捕撈加工船采用了二進(jìn)三出復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）：主推進(jìn)系統(tǒng)為雙機(jī)單調(diào)距槳雙PTO型式，每臺(tái)主機(jī)在飛輪端經(jīng)主高彈性聯(lián)軸器與齒輪箱連接，齒輪箱主輸出端通過(guò)中間軸、螺旋槳軸驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳，齒輪箱兩個(gè)PTO輸出端通過(guò)高彈性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)。

本船設(shè)有3PH、AC400 V、50 Hz、2 500 kW軸帶發(fā)電機(jī)組2臺(tái)；3PH、AC400 V、50 Hz、1520 kW輔助發(fā)電機(jī)組2臺(tái)；3PH、AC400 V、50 Hz、500 kW停泊兼應(yīng)急發(fā)電機(jī)組1臺(tái)。

3 ? ? 船舶用電負(fù)荷分析

為確定主電站配置是否滿足該船的各作業(yè)工況下的負(fù)荷需求，開(kāi)展了船舶電力負(fù)荷估算工作。

（1）根據(jù)該船的作業(yè)需求，確定電力負(fù)荷計(jì)算工況：航行工況（15 kn，壓載、貨艙制冷）；航行工況（15 kn，磷蝦冷凍）；拖網(wǎng)工況（40 t拖力1個(gè)拖網(wǎng)，凍蝦/蝦肉/蝦粉加工）；拖網(wǎng)工況（50 t拖力2個(gè)拖網(wǎng)，凍蝦/蝦肉/蝦粉加工）；停泊轉(zhuǎn)載工況（裝有凍蝦）；停泊卸貨工況；停泊休息工況；應(yīng)急工況。

（2）除常規(guī)用電設(shè)備外，主要用電負(fù)荷為3臺(tái)側(cè)推、電伴熱除冰/防冰系統(tǒng)、捕撈絞車液壓泵站、貨艙制冷壓縮機(jī)、蝦粉生產(chǎn)線等。

船舶用電設(shè)備及負(fù)荷，見(jiàn)表1、表2（A）（B）所示。

由表1、表2（A）（B）可以看出，主電站4臺(tái)發(fā)電機(jī)組完全可以滿足航行、連續(xù)捕撈加工等作業(yè)工況下的負(fù)荷需求，當(dāng)發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，備用發(fā)電機(jī)組可以及時(shí)起動(dòng)并進(jìn)行配電，確保連續(xù)捕撈加工作業(yè)。

4 ? ?環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

4.1 ? 環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

南極磷蝦捕撈加工船工況復(fù)雜多變，為滿足各種工況下電力需求，結(jié)合本船動(dòng)力配置，配電網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：AC380 V主匯流排分為4段匯流排（A/B/C/D排），每段匯流排分別接一臺(tái)輔發(fā)電機(jī)或一臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)；匯流排之間均配有斷路器，A排和D排通過(guò)2個(gè)斷路器以及動(dòng)力電纜或銅排可以相連，從而形成環(huán)形配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)供電，如圖2所示。

4.2 ? ?環(huán)形配電結(jié)構(gòu)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)控制邏輯設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)，通常有以下兩種方式：

（1）通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)以及銅排，實(shí)現(xiàn)主匯流排首、末端相連，形成環(huán)形匯流排；

（2）通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)以及動(dòng)力電纜，實(shí)現(xiàn)主匯流排首、末端相連，形成環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)。

如果采用第（1）種方式，將導(dǎo)致配電板柜體加大，使船舶空間更加緊張，建造成本增加，因此本船選用第（2）種方式，理論上通過(guò)1只聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)以及動(dòng)力電纜即可滿足設(shè)計(jì)和使用要求；但動(dòng)力電纜一端將與母排直接相連，導(dǎo)致電纜長(zhǎng)期處于帶電狀態(tài)，存在一定安全隱患，因此從設(shè)備使用維護(hù)及電纜保護(hù)角度考慮，配置2只聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)（BT4、BT5），將首端聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)BT4設(shè)為主聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，將末端聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)BT5設(shè)為從聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，2只聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)控制邏輯如下：

（1）BT4合閘前，必須先合閘BT5;

（2）BT5合閘后，在3 s內(nèi)未對(duì)BT4做同步操作，則BT4立即分閘；

（3）BT4先分閘，BT5延時(shí)3 s后分閘；

（4）BT5先分閘，則BT4立即分閘。

通過(guò)上述環(huán)形配電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不同工況下靈活分段不同聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，滿足不同負(fù)載需求；當(dāng)環(huán)形配電網(wǎng)上某區(qū)段或某臺(tái)發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，利用聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)或發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)及時(shí)切斷隔離后，其它區(qū)段上的負(fù)載仍然可以正常工作，提高船舶供電連續(xù)性和可靠性。

5 ? ?PMS同步功能設(shè)計(jì)

為提供電站配置的靈活性，功率管理系統(tǒng)需通過(guò)硬件配置及軟件設(shè)計(jì)，分別對(duì)4個(gè)發(fā)電機(jī)組主開(kāi)關(guān)以及4個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)并車、自動(dòng)負(fù)荷分配、自動(dòng)卸載解列等功能的自動(dòng)操作，以實(shí)現(xiàn)4段匯流排的多種組合配電模式，提高配電效率和配電安全可靠性。

為了提高功率管理系統(tǒng)運(yùn)算速度和安全可靠性，功率管理系統(tǒng)采用分布式控制[2]，針對(duì)自動(dòng)同步功能、自動(dòng)負(fù)荷分配、自動(dòng)卸載解列等控制要求比較高的功能，采用專用同步模塊實(shí)現(xiàn)。

功率管理系統(tǒng)配置一套控制系統(tǒng)、4個(gè)PPU并車和保護(hù)模塊和4個(gè)FAS-113DG同步器，為提供系統(tǒng)安全、可靠性，控制系統(tǒng)采用雙CPU配置，互為冗余，當(dāng)單個(gè)CPU故障，設(shè)備仍能可靠運(yùn)行。

（1）一套控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)全船電站綜合管理及監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)電站信號(hào)采集、狀態(tài)監(jiān)控、發(fā)電機(jī)控制管理以及重載問(wèn)詢功能、優(yōu)先脫扣等功能；

（2）PPU并車和保護(hù)模塊作為PLC的下一級(jí)模塊，安裝在各發(fā)電機(jī)屏，負(fù)責(zé)發(fā)電機(jī)三相電壓、電流等信號(hào)的采集處理，具有發(fā)電機(jī)保護(hù)（過(guò)電流、逆功率、短路）和自動(dòng)并車功能，并能通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線將采集和處理的電壓、電流、功率等數(shù)字信息輸入到上一級(jí)PLC，且能接受PLC通過(guò)Profibus總線發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)輸入、輸出共享，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)分布式控制；

（3）FAS-113DG同步器，作為PLC的下一級(jí)模塊，安裝在各聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)屏，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)匯流排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)自動(dòng)同步控制。通過(guò)對(duì)比聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓、頻率，同步器輸出調(diào)速指令到PLC系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)完成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整，直至并車成功。聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)控制、自動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)移以及自動(dòng)卸載解列等功能，均由PLC系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)分布式控制。

6 ? ?PMS供電模式設(shè)計(jì)

基于上述船舶電站配置以及環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本船在各工況下存在多種供電模式：

（1）航行模式（15 kn，帶壓載、貨艙制冷）

側(cè)推、捕撈設(shè)備、漁業(yè)加工設(shè)備不工作，電網(wǎng)容量不大，主推進(jìn)功率也不大。此時(shí)船舶電網(wǎng)采用主要由2臺(tái)軸發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成2段排的設(shè)計(jì)方案。

（2）航行模式（15 kn，磷蝦冷凍）

側(cè)推、捕撈設(shè)備、漁業(yè)加工設(shè)備不工作，電網(wǎng)容量不大，主推進(jìn)功率比較大。此時(shí)船舶電網(wǎng)采用主要由1臺(tái)或2臺(tái)輔發(fā)供電、主配電板合成一段排的設(shè)計(jì)方案。

（3）傳統(tǒng)拖網(wǎng)模式

側(cè)推、捕撈和漁業(yè)加工設(shè)備工作，推進(jìn)功率不大。此時(shí)全船電力負(fù)荷較大，船舶電網(wǎng)采用主要由2臺(tái)軸發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成2段排的設(shè)計(jì)方案。

（4）連續(xù)泵吸拖網(wǎng)模式

側(cè)推、捕撈和漁業(yè)加工設(shè)備工作，推進(jìn)功率不大。此時(shí)全船電力負(fù)荷較大，船舶電網(wǎng)采用主要由2臺(tái)軸發(fā)和1/2臺(tái)輔發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成3段排的設(shè)計(jì)方案。

（5）特定回轉(zhuǎn)捕撈模式

三臺(tái)側(cè)推工作，捕撈和漁業(yè)加工設(shè)備也工作，推進(jìn)功率不大。此時(shí)全船電力負(fù)荷最大，船舶電網(wǎng)采用主要由2臺(tái)軸發(fā)和1/2臺(tái)輔發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成3段排的設(shè)計(jì)方案。

（6）海上轉(zhuǎn)運(yùn)模式

推進(jìn)器工作，推進(jìn)功率不大。此時(shí)全船電力負(fù)荷較小，船舶電網(wǎng)采用主要由2臺(tái)軸發(fā)分區(qū)供電、主配電板分成2段排的設(shè)計(jì)方案。

（7）靠港卸貨模式

主機(jī)停機(jī)。此時(shí)全船電力負(fù)荷非常小，船舶電網(wǎng)采用主要由1臺(tái)輔發(fā)供電、主配電板合成一段排的設(shè)計(jì)方案。

（8）停泊/應(yīng)急模式

全船由應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)供電，與主發(fā)電機(jī)不斷電切換，船舶電網(wǎng)采用配電板手動(dòng)控制模式操作的設(shè)計(jì)方案。

綜上所述，本船電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案如表3所示。

通過(guò)上述電網(wǎng)設(shè)計(jì)，可以在聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的靈活組合下，兼容12種供電模式。

為了提高配電效率和配電安全可靠性，PMS將供電設(shè)置為自動(dòng)和手動(dòng)模式：

（1）自動(dòng)模式

① ?1段排：A+B+C+D

1臺(tái)或2臺(tái)柴發(fā)對(duì)A、B、C、D排供電；聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)BT1、BT2、BT3合閘，BT4、BT5分閘；

② ?2段排：A+B，C+D

SG1對(duì)A&B排供電，SG2對(duì)C&D排供電；聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)BT1、BT3合閘， BT2、BT4、BT5分閘；

③ ?3段排：A+D，B，C

SG1對(duì)B排供電，SG2對(duì)C排供電，1臺(tái)或2臺(tái)柴發(fā)對(duì)A&D排供電；聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)BT4、BT5合閘， BT1、BT2、BT3分閘。

（2）手動(dòng)模式

操作人員通過(guò)手動(dòng)或半自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)所有供電模式。

根據(jù)上述船舶各工況下配電模式的研究，配電板提供手動(dòng)和PMS 兩種控制模式，可通過(guò)配電板模式選擇開(kāi)關(guān)來(lái)選擇；配電板觸摸屏中設(shè)置了半自動(dòng)和自動(dòng)模式選擇按鈕，在PMS管理模式下有三種自動(dòng)模式。

7 ? ? 結(jié)語(yǔ)

南極磷蝦捕撈加工船是一型兼航行調(diào)遣和連續(xù)捕撈、多線加工、多級(jí)儲(chǔ)存作業(yè)的極地遠(yuǎn)洋漁船，猶如一座大型的海上移動(dòng)工廠，其優(yōu)異的配電設(shè)計(jì)能有效降低燃油的消耗，節(jié)約成本，提高效益，達(dá)到環(huán)境友好綠色理念。本文進(jìn)行的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和PMS功能設(shè)計(jì)研究，針對(duì)基于南極磷蝦捕撈加工船復(fù)雜多變的工況特點(diǎn)，在保障船舶運(yùn)營(yíng)的連續(xù)性、安全可靠性時(shí)，充分考慮了環(huán)境友好、高效安全、快速響應(yīng)的國(guó)際法規(guī)趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了船舶的高效運(yùn)營(yíng)、安全可靠和環(huán)保節(jié)能的綜合能力，為國(guó)家制訂專業(yè)化、現(xiàn)代化遠(yuǎn)洋漁船的發(fā)展規(guī)劃做出技術(shù)支撐。

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