船舶综合电力系统规范与标准研究

盛伟群，邓丽娟，刘丽红（中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，上海 200031）



船舶综合电力系统规范与标准研究

盛伟群，邓丽娟，刘丽红
（中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，上海 200031）

摘 要：文章对国内外船舶综合电力系统技术发展现状进行了归纳，结合对主要船级社规范要求和国际现有适用标准的分析，列举了我国现有适用的国家标准。并根据我国船舶综合电力相关标准的现状，提出了国内船舶综合电力系统的标准化发展方向。

关键词：船舶；综合电力系统；规范；标准

0 引言

船舶综合电力系统（图1）是船舶动力的发展方向，是造船技术发展史上又一次革命性的跨越。它将传统船舶相互独立的机械推进系统和电力系统以电能的形式合二为一，通过电力网络为船舶推进、通信导航、特种作业和日用设备等提供电能，从而实现全船能源的综合利用［1，2］。

随着先进探测设备、电子装置的问世和实船应用，特别是船舶电力推进系统的推广使用，传统的低压、小容量船舶电站已无法满足大容量负载船舶的电能需求，这就要求船舶实现全船能源和资源的全面整合。船舶综合电力系统正具有全船电力能源统筹设计、统一管理、统一分配、优化配置等特点。随着研究的不断深入，船舶综合电力系统的应用得到快速发展。实践证明，船舶应用综合电力系统后，可节能约20%，其性能、可靠性大幅提高，大大降低了其建造、运行、维修维护的成本，减少了船舶废气的排放。普遍采用综合电力系统已成为未来船舶动力系统发展的趋势。

图1　船舶综合电力系统示意图

1 国内外技术发展现状

1.1国外技术发展现状

西方国家早在20世纪80年代中期就开始了船舶综合电力相关技术的研发，美、英等国海军都先后制定了发展IPS、IFEP及AES的研发计划和战略规划。经过30多年的发展，西方国家突破了一系列关键技术，并进入了船舶综合电力系统全面推进应用阶段。

美国自 1986年提出“海上革命”计划，制订专项“综合电力系统”（IPS）计划后，就组织海军研究机构、大学“电力舰船研发联盟”、通用电气公司、洛克希德·马丁等公司形成研发体系。在研究新一代大型船舶的过程中，美国不断完善船舶综合电力系统的组成模块和特征需求，研制出了多种类型的大容量、高功率密度的船用发电模块和高度智能的管理系统，并通过陆基试验系统，验证了各组成模块的功能和系统集成技术［3］。

英国于 1994年正式开始船舶全电力系统的应用研究，并于1996年成立了电船计划管理局，专门负责协调发展和采购未来海军水面舰艇的综合全电力推进系统。2000年11月1日，英国皇家海军决定在45型驱逐舰上采用综合电力系统，首艘45型驱逐舰“勇敢”号于2007年7月18日成功试航。当前，最引人注目的是英国 2艘在建的“伊丽莎白女王”号和“威尔士亲王”号航母，按计划均将采用综合全电力推进系统（IFEP）。其中，“伊丽莎白女王”号航母采用两台单机功率36 MW级MT-30燃气涡轮、两台单机功率11 MW级的柴油机以及两台单机功率9 MW级柴油机作为发电机动力来源，总输出功率在108 MW以上。

此外，瑞士的ABB、法国的阿尔斯通等公司在船舶电力推进领域均有较大突破。ABB集团精于吊舱式推进系统，电机安装在船体底部可以自由旋转的吊舱内，可以极大地提高船舶机动性；阿尔斯通集团精于固定螺旋桨模式下的大功率推进电机技术，美国“朱姆沃尔特”级驱逐舰和英国“伊丽莎白女王”号航母就采用了阿尔斯通的同步感应电机。

目前，西方发达国家对船舶综合电力的研究主要集中在集成技术、模块化和标准化、发电模块、配电模块以及智能管理系统的研究。

1.2国内技术发展现状

我国在船舶电力系统研究及应用方面起步较晚。在“十五”期间，通过初期探索，形成了系统概念方案、主要设备和全系统的目标图像，明确了综合电力系统的技术发展路线。同时，在此期间，我国多家企业赢得了新型综合电力推进船舶的首批制造订单，开始建造电力推进船舶。如，2002年广船国际股份有限公司为COSCO建造的18 000 t半潜船“泰安口”号是我国第一艘自行建造的海洋工程大型特种船舶，该船采用两套SSP吊舱电力推进系统；2005年江南造船（集团）有限责任公司建造的“海监 83”号采用了紧凑型吊舱装置的全电力推进系统［4］。

“十一五”期间，我国构建了综合电力系统的基础理论体系，先后攻克了系统网络结构、集成化发电、先进感应推进等数十项关键技术。在此期间我国持续推进综合电力推进船舶的设计建造，如由天津新港船舶重工有限责任公司建造的烟大铁路火车轮渡采用了第三代电力推进系统，此船是世界上第一艘采用电力推进系统的火车滚装船。此外，天津新港船舶重工有限责任公司建造的火车滚装船“中铁渤海1号”也采用了全电力推进系统。但该阶段船舶综合电力推进系统的设计集成和装船设备仍主要由 ABB、阿尔斯通和西门子等国外公司提供。

2010年以来，我国综合电力系统技术水平又上了一个新台阶。海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室提出一二代混合的综合电力系统技术方案，牵头并联合国内船电行业优势单位构建了中压直流综合电力系统，同时完成全系统联调试验。中船重工712研究所研制了以变频器、推进电机、推进变压器、功率管理系统、操纵控制系统为核心的推进系统，实现了单轴推进功率20 MW以下船舶电力推进系统的全部国产化。中船重工704所在综合电力系统集成产品领域屡有斩获，先后顺利地完成大型远洋拖网渔船电站、1 500 t海监科考船综合电力系统集成、“世纪神话”号和“世纪传奇”号两艘五星级内河豪华游船综合电力系统集成等多个项目。在此阶段，船舶综合电力系统在我国得到了越来越广泛的应用，先后成功应用于海洋考察船、试验船、打捞船、石油钻井平台、海监船、化学品船、集装箱船、起重船、成品油轮和液化天然气船等船舶，如，30 000 t自航半潜船“华海龙”号、“海洋石油278”半潜式自航工程船、“海洋石油720”深水物探船等，均采用了全电力推进系统。

发达国家船舶综合电力系统技术研究比我国先行20来年，无论在基础理论还是工程实践中都积累了较为丰富的经验。我国起步较晚，与发达国家相比尚处于比较落后的状态，尤其是在船用大功率永磁电机、高压大容量电力集成、吊舱推进器、系统控制与调速技术等关键设备和技术领域。但不可否认，自“十五”以来我国在船舶综合电力系统技术领域也取得了一系列成果和突破，这为我国船舶综合电力系统技术的未来发展打下了坚实的基础。

3 船级社规范和标准现状

3.1国内外船级社规范现状

为了保证入级船舶电力推进装置在运行中的性能指标满足特定要求，国内外各大船级社对电力推进系统和设备均提出了相关技术要求，但各自的侧重点有所不同。

3.1.1英国劳氏船级社（LR）规范［5］

LR规范《船舶入级检验规范（Rules and Regulations for the Classification of Ships）》（2014版）第六部分“控制、电气、制冷与防火”第二章“电气工程”中对“电力推进”列出了相关要求，包括总则、功率要求、推进控制、推进系统的保护和仪表。LR规范在供电和配电中没有将高压内容另外列出，电力推进的中低压、高压供电和配电系统的技术要求均分布在第二章相应各节中。

对于吊舱式推进装置，LR规范第五部分第九章也予以规定，该部分内容适用于推进、动力定位或独立操舵用以电力推进电动机作为动力的吊舱式推进装置。

3.1.2美国船级社（ABS）规范［6］

ABS规范《钢质海船建造与入级规范（Rules for Building and Classing Steel Vessels）》（2015版）第八章“电气系统”第五节“专用系统”中的“高压系统”对标称电压（线电压）超过1 kV的交流系统提出了技术要求，该节对电力推进系统相关设计、电源、电路保护、推进控制、仪表和设备等也明确了相关规定。

3.1.3德国劳氏船级社（GL）规范［7］

GL规范《船舶技术入级与建造规范（Rules for Classification and Construction Ship Technology）》（2014版）第三分册“电气装置”第二部分“电气设备的安装”对主电源供应、蓄电池、电力变压器、电子器件、低压配电盘和额定线电压大于1 kV和不大于17.5 kV额定频率为50 Hz或60 Hz的电网等设备列出了相关要求。该分册第十三部分“电力推进装置的补充规则”规定了驱动装置、静变止流器、控制站、船舶主干线控制和调节、装置的保护、测量指示和监测设备、电缆和电缆安装，建造、试验和试航时的监督以及带有冗余推进系统的船舶的附加规则等的要求。

3.1.4挪威船级社（DNV）规范［8］

DNV 规范《船舶入级规范（Rules for Classification of Ships）》（2014版）第四部分“机械和系统设备及操作”第八章“电气装置”中的第十二节“电力推进”对船舶电力推进系统的设计、容量、电源、保护和控制系统提出了明确要求，“电力推进”的要求是对第八章“电气装置”第二节至第十二节要求的补充，“电力推进”中对仪表和自动化的相关规定是对第九章“控制与监控系统”的补充。DNV规范对“高压系统”的要求未进行专门说明。

3.1.5中国船级社（CCS）规范［9］

CCS规范《钢质海船入级规范（Rules for Classification of Sea-going Steel Ships）》（2014年综合文体）第八篇“其他补充规定”中的第十五章“电力推进船舶补充规定”对船舶电力推进系统的动力装置、公共电站、配电板、功率管理装置、驱动装置、控制装置和吊舱推进器等装置和设备等提出了相关技术要求。

3.2国内外标准现状

3.2.1国际标准

目前国际上发布船舶综合电力系统相关标准的机构主要为国际电工委员会船舶及移动式和固定式近海装置电气设备技术委员会（IEC/TC18）。另外，美国电气和电子工程师学会（IEEE）发布的部分标准也适用于船用综合电力系统。

1）IEC 60092-501：2013《船舶电气设施 第501部分：特性 电气推进装置》

IEC 60092-501：2013规定了全电力推进装置的要求，并给出了规格书、系统设计、安装和试验等要求，包括发电机及其原动机、开关板、变压器/电抗器、半导体变流器、推进电动机、励磁系统、控制、监测和安全系统以及电缆、母线等设备要求。

与2007年的第四版相比，该版本增加了系统责任、电磁兼容（EMC）、谐波畸变和滤波的要求、带有推进电动机吊舱驱动船以及电力管理系统的特殊要求。

2）IEC 60092-503：2007《船舶电气装置 第503部分 特性 电压＞1 kV且≤15 kV的交流供电系统》

IEC 60092-503：2007对电压1 kV以上至不大于15 kV的交流供电系统的电压、配电系统、电气保护、交流发电机、变压器以及开关和控制设备等进行了规定。

与1975年的第一版相比，该版本将系统上限电压从1 kV改变到15 kV，且引入关于报警指示、通讯装置、未绝缘导体的电气间隙和爬电距离以及接地等的一般要求。

3）IEC 60146-1-1：2009《半导体变流器 一般要求和电网换相变流器》

IEC 60146-1-1：2009对所有采用可控和/或非可控半导体开关器件的电力变流器和电子开关的性能提出了要求。且规定了将交流电力变为直流或相反的线路换向变流器的要求，这些要求部分也适用于其他型式的电力变流器。值得指出的是，这一标准已被ABS军舰规范和ABS钢质船舶规范认可，被用于规范半导体变流器的设计、制造和试验。

4）IEEE发布的船舶综合电力相关国际标准

IEEE Std 45-2002《船用电气装置的推荐实施规范》中“电力推进和操纵系统”提出的建议涉及电力推进系统的一般规格、试验、安装、运行和保养。

IEEE Std 1662-2008《船舶电力系统中电力电子的设计和应用指南》适用于船舶及类似用途的电力电子部件和系统。该标准船用综合电力系统的框架出发，归纳了目前在船上应用电力电子设备的电气工程方法和实践，介绍了分析法，优先参数和性能特性。

3.2.2国内标准

按照我国《船舶工业标准体系表（2012年版）》的专业领域划分，船舶综合电力系统标准归在DC船舶电气系统及设备下。目前国内可以直接应用到船舶综合电力系统的国家标准主要有三项，涉及电力推进系统主要机械和设备、交流供电系统。

1）GB/T 13030-2009《船舶电力推进系统技术条件》

该标准适用于推进系统主要机械和设备的设计、制造和试验，主要规定了船舶电力推进系统的分类、技术和试验要求。

2）GB/T 22190-2008《船舶电气设备 专辑电力推进系统》

该标准适用于电力推进机械和装置，主要规定了推进电动机、推进发电机及其原动机、电磁离合器、相关联的半导体变流器、励磁系统、监控、测量仪表、保护设备和系统以及接线和电缆的技术条件、安装和试验。

3）GB/T 29484-2013《船舶电气设备 第503部分：专辑 电压1 kV以上至不大于15 kV的交流供电系统》

该标准等同采用IEC 60092-503：2007，主要对电压1 kV以上至不大于15 kV的交流供电系统的电压、配电系统、电气保护、交流发电机、变压器以及开关和控制设备等进行了规定。

3.2.3国内外标准对比分析

目前，国内和国际标准化机构均在加快制定船舶综合电力系统相关标准的步伐。但相比于国际标准，我国现有船舶综合电力相关标准存在以下问题。

1）标准内容不够完整。如GB/T 13030-2009未突出系统总体设计的要求，且未提及电磁兼容性、谐波畸变、滤波和电力管理系统等的要求；

2）标准较为缺乏，涵盖的技术领域较为有限。目前适用的国家标准除了船舶电力推进系统技术条件之外，只涉及电压1 kV以上至不大于15 kV交流供电系统，在船用大功率永磁电机、高压大容量电力电子器件、吊舱推进器等设计制造以及系统集成设计等领域尚无相关标准；

3）对研究技术成果和船级社技术要求的更新反应不够及时。随着电力推进系统技术的不断发展以及采用电力推进船舶数量的不断增加，船舶电力推进相关国际标准不断地新增和更新，而我国相应标准的研制推进得较为缓慢，对技术成果和船级社规范要求向标准的转化不够及时。

4 我国船舶综合电力系统标准化发展方向

近年来，我国逐渐意识到船舶综合电力技术的重要性，全面开展了一系列研究与探索，取得一系列成果，船舶综合电力系统的应用也越来越广泛。随着研究工作的进一步深入，综合电力系统技术逐渐发展成熟，传统船舶电力系统与采用交流电制的综合电力系统在发电机、配电系统、电力管理和监控、推进电动机和变频器等领域存在的技术差异越来越明显，原有的有关或适用于传统电力系统的标准、规范都已经不能满足综合电力系统和设备的设计需要。

为了将现有的先进技术通过标准作为技术媒介更好地指导船舶综合电力系统和设备的设计、制造和试验，目前中船重工704所正在根据2013年质监总局公益性项目《船舶综合电力系统关键技术标准研究》的要求主导开展《船舶中压直流电力系统通用要求》等9项国家标准的编制，对中压直流电力系统、混合轴带发电系统、机械/电力混合推进系统、电力推进变频器、推进电动机、谐波滤波器、交流中压柴油发电机组及控制系统等进行统一要求。该系列国家标准将为我国综合电力系统各分系统、设备的研制工作提供进一步的指导，为我国船舶综合电力系统的技术发展提供强有力的支撑。

船舶综合电力系统标准化工作任重而道远，为了完善我国船舶综合电力系统标准体系，全面提升船舶综合电力整体技术水平，根据我国现有船舶综合电力相关标准存在的不足，建议从以下三个方面推进船舶综合电力标准化工作。

1）对现有不完整标准进行补充和完善，使之更全面完整地指导船舶综合电力系统的研发、设计和制造；

2）推进船舶综合电力系统重点技术和设备亟需标准的研制，在吊舱推进器、大功率永磁电机、高压大容量电力集成等领域研制一批先进技术标准，为相应领域的技术发展提供支撑；

3）对我国船舶综合电力系统研究成果和产业现状及时跟踪，加快现有研究技术成果向标准的转化。同时，根据船级社不断新增和更新的要求及时对现有标准进行修订。

参考文献：

［1］ 徐绍佐， 刘赟， 顾海宏. 船舶综合电力推进系统［J］. 柴油机， 2003（2）： 17-20.

［2］ 陈次祥， 刘莉飞， 唐石青， 等. 船舶综合电力系统仿真研究［J］. 上海造船， 2010（1）： 51-55.

［3］ 罗伟， 孙朝晖， 方斌. 船舶综合电力系统研究的新进展［J］. 舰船科学技术， 2009（12）： 105-109.

［4］ 朱炜， 李晖晖. 舰船综合电力推进技术的发展现状研究［J］. 船舶， 2013（6）： 64-68.

［5］ LR. Rules and Regulations for the Classification of Ships［S］. 2014.

［6］ ABS. Rules for Building and Classing Steel Vessels［S］. 2015.

［7］ GL. Rules for Classification and Construction Ship Technology［S］. 2014.

［8］ DNV. Rules for Classification of Ships［S］. 2014.

［9］ CCS. 钢质海船入级规范［S］. 2014.

中图分类号：U662.1

文献标志码：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.001

作者简介：盛伟群（1979—），男，高级工程师，研究方向：船舶行业标准化研究和管理。

Study on Rules and Standards of Ship Integrated Power System

Sheng Wei-qun， Deng Li-juan， Liu Li-hong
（Shanghai Marine Equipment Research Institute， Shanghai 200031， China）

Abstract：The paper summarizes the technological development status of ship integrated power system at home and abroad. The relevant national standards of China are listed after the analysis of the main classification society rules and international standards. The national standardization developing direction of ship integrated is proposed in accordance with the status of national standards.

Key words：ship； integrated power system； rule； standard