DP3钻井船UPS系统设计分析

郭 金, 邱 锦，曾国咏

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

DP3钻井船UPS系统设计分析

郭 金, 邱 锦，曾国咏

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

针对DP3钻井船对UPS系统的具体要求，依据相应的规范和标准要求，从UPS的容量计算、DP3要求的布置、UPS蓄电池容量计算和UPS蓄电池氢气释放计算等方面进行了阐述，归纳总结了UPS系统设计的基本方法和特点，给出了一套针对DP3钻井船UPS系统的设计方法。

DP3；钻井船；UPS；蓄电池；氢气释放量

0 引言

不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）由变流器、开关和储能装置（如蓄电池）组合构成。在输入电源发生故障时，用以维持负载供连续性的电源设备。它能为钻井船负载提供持续性的、不间断的电源供给，保证钻井船的部分重要负载能在全船失电后继续工作，为钻井船的安全带来足够的保障。其负载包括：IAS系统、F&G系统、ESD系统、PAGA系统、钻井系统、BOP系统和主电力系统的控制电源等。UPS是钻井船电力系统中极其重要的一部分，因此针对UPS的设计必须严格遵守DP划分和冗余原则进行系统设计。

1 DP3钻井船UPS系统的基本要求

UPS通常分为后备式、互动式和在线式。主要由变压器、整流器、逆变器、静态开关和蓄电池等组成。在目前海洋工程和船舶设计过程中，以后备式UPS设计为主，其正常运行时负载由旁路（未经处理的主电源）供电，当旁路供电发生故障或输入电源超出预设限值时，负载转移至由逆变器供电。

由于DP3钻井船设计时需要考虑DP3的相关要求：在出现任一故障（包括一个舱室或几个舱室的损失）后，可在规定的环境条件下，在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向。所以DP3钻井船的 UPS系统在保证为全船设备提供足够容量的同时，也必须严格按照此要求进行设计与布局，UPS布置过程中须保证每一类型UPS安装在A60分隔的房间中，以保证在出现单一故障情况下能够

为主电力系统和重要控制设备提供足够的电力支持。

2 DP3钻井船UPS的系统设计

DP3钻井船的推进器布局如图1所示。总共六台推进器，整个电力系统依推进器的配置分为三组。UPS的系统设计紧密依靠此三组电力系统分隔进行分散式设计。

图1 DP3钻井船的推进器布局

2.1 UPS设计方法

关于UPS设计方法，每种不同的船型存在多种体系，其中主要包括整合式设计和分散式设计。供电时间为30 min。

1）整合式设计是指将全船UPS整体分为两套：UPS A系统和UPS B系统，两套互为备用，全船所有需要UPS供电的负载按其主次关系分别接入A或B系统；

2）分散式设计是指在减小主UPS容量的基础上，按全船UPS所工作的属性不同进行分类，并将其分散至全船不同的服务处所。

两者的优缺点在于，整合式设计方便集中控制与操作，但不利于电缆走向和设备布置，一旦UPS A或UPS B系统出现问题，会导致全船大面积设备故障，从而增加FMEA分析[1,2]难度；分散式设计采用就近原则，将UPS直接或就近安装在所服务的处所，利于电缆走线和设备布置，单个UPS故障不会影响其他设备，有利于FMEA分析。但因为其分散布置特性，不利于集中操作控制与操作。

2.2 DP3钻井船UPS设计分类

DP3钻井船UPS采用分散式设计，其UPS分类如下：

1）220 V主UPS A和UPS B，如表1所示。

其供电负载主要包括火气系统、应急切断系统和消防系统等需要在弃船后依然需要工作 30 min的设备。

表1 220 V主UPS A和UPS B

2）220 V推进器UPS，如表2所示。其供电负载主要包括推进器VFD的控制电源、推进器VFD变压器的绕组指示、推进器就地仪表箱和推进器控制单元等。

表2 220 V推进器UPS

3）220 V机舱UPS，如表3所示。其供电负载主要包括主机控制单元、PMS的就地仪表箱、辅助变压器的绕组指示和艉部的网络开关供电等。

表3 220 V机舱UPS

4）220 V DP（动力定位）UPS和VMS（中央控制系统）UPS，如表4所示。DP UPS和VMS UPS供电负载主要包括DP和VMS系统的相关设备。

表4 220 V DP（动力定位）UPS和VMS（中央控制系统）UPS

5）DC 110 V/DC 24 V UPS，如表5所示。

其供电负载主要包括11 kV高压配电板的真空开关控制、相关保护继电器和主机控制单元辅助电源、主机自动调压装置等。

表5 DC 110 V/DC 24 V UPS

整个DP3钻井船UPS还包括其他钻井UPS、BOP UPS、PAGA UPS，其设计与布局和上述UPS类似，只是各自供电负载和放电时间不一样，如BOP UPS要求保证2小时放电。

3 DP3钻井船UPS和蓄电池容量的计算

3.1 UPS容量计算

UPS容量计算是依据UPS系统的负荷计算书，对UPS容量进行分工况下的估算。在UPS系统的负荷计算书中，按不同工况下的负荷系统数，计算UPS供电设备的消耗功率，最后将需要UPS系统供电的用电设备的额定功率进行求和，最终依据求和的结果选择合适容量的UPS。设计过程中必须将用电负载梳理全面，UPS容量不能过大，否则运行不经济。

3.2 UPS蓄电池容量计算

UPS蓄电池容量计算是对UPS供电容量校核的重要指标。UPS蓄电池在选型时通常使用其额定容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。

计算过程中依据IEEE 485-1997[3]：

1）蓄电池单极数量：

2）蓄电池最小电压：

3）电流公式：

式中，I为放电电流；Sout为输出功率；FPout为功率因素；η为效率；Vmin为蓄电池最小电压。

4）蓄电池容量公式：

式中，C10为蓄电池在环境温度25℃时，V/cell的额定安时容量；K为蓄电池容量系数（见图2）；I为放电电流；Fe为蓄电池寿命系数，为25%。

图2 蓄电池容量系数K

蓄电池容量计算举例：以某DP3钻井船60 kVA UPS，放电时间为30 min为例。

系统负载最小电压为±210 V，电池为1.75 V/cell，计算出蓄电池单极数量为120 cell，将数值代入公式，得到蓄电池最小电压为420 VDC；

功率因素为 0.8，效率为 95.5%，输出功率Sout=60 kVA，代入电流公式计算得I=119.7 A。

故按10 h放电率标准选用蓄电池时，由图2可知，K=1。代入蓄电池容量公式得：C10=119.7 Ah。

故该DP3钻井船选用155 Ah/10h蓄电池，包含20组155 Ah蓄电池给正极和中性点，以及20组155 Ah蓄电池给负极和中性点。

4 DP3钻井船UPS蓄电池的氢气释放量计算

UPS蓄电池氢气释放量计算是依据 ABS MODU规范4-3-3/3.7.2的相关章节[4]要求，对UPS蓄电池的布置要求进行相关验证的重要理论依据。

目前海洋工程和船舶均采用阀控型铅酸蓄电池

或密封型铅酸蓄电池，与传统的铅酸型蓄电池相比，这两者都属于低氢释放型蓄电池，即在使用过程中可以免维护，不用添加电解液，充电过程中只会产生极少量的氢气到环境中，不会影响到其他电气设备或人员的安全。

在ABS MODU规范的定义中，低氢释放型蓄电池的充电机功率达到大型（充电功率大于2 kW）或中型（充电功率在0.2 kW～2 kW之间）的蓄电池可作为中型或小型蓄电池的要求进行布置和安装[4]。

氢气释放量计算依据是以充电功率0.2 kW的普通铅酸蓄电池每天的氢气释放量为标准，与阀控型或密封型蓄电池正常充电时氢气释放量进行对比，其氢气释放量数值必须小于0.2 kW普通铅酸蓄电池的释放量。

4.1 氢气释放量计算公式

氢气释放量=0.25(ml)×天×蓄电池容量(Ah)×蓄电池总数量

4.2 氢气释放量计算举例

以某DP3钻井船7 kVA UPS，蓄电池容量为50 Ah，蓄电池总数量为96个的阀控铅酸蓄电池为例。

氢气释放量=0.25(ml)×1×50(Ah)×96=1 200 ml/d，或1.2 l/d。而充电功率为0.2 kW的铅酸蓄电池=200 W/135 V=1.5 A/h。氢气释放量=0.458 (ml)×1×1.5×120 =82.44 L/h×24=1 978 L/d。

综上计算，可以对比得出阀控铅酸型或密封型蓄电池氢气释放量比普通铅酸蓄电池低1 500倍多，证明其满足ABS规范相关技术要求，可以将此蓄电池布置在常规电气设备间的蓄电池柜中，而不需要进行隔离布置。

5 结论

本文通过对DP3钻井船UPS系统的研究分析，结合DP3的相关技术要求，对DP3类型钻井船的UPS设计进行汇总整理，内容涵盖了UPS设计方法、UPS设计分类、UPS容量计算、UPS蓄电池容量计算和UPS蓄电池氢气释放量计算，对DP3钻井船的UPS系统设计做了全面剖析和设计说明，为同类型海洋工程项目UPS系统设计提供了参考依据。

[1]IMO.IMO Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning[S].1994.

[2]IMCA M178 FMEA Management Guide[S].2005.

[3]IEEE Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stationary Applications[S].2003.

[4]ABS.ABS Rules For Building And Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].2014.

[5]ABS.ABS Rules For Building And Classing Steel Vessels[S].2014.

[6]中国船级社.钢质海船入级规范[S].2014.

[7]海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南 第三册 海洋石油工程电气、仪控、通信设计[M].北京: 石油工业出版社, 2007.

[8]中国船舶工业集团公司.船舶设计手实用手册 电气分册[M].北京: 国防工业出版社, 2013.

CCS发布《极地船舶指南》

极地水域地理位置独特，环境条件特殊，船舶在极地水域航行时，因冰和/或寒冷气候，以及其他不可低估的条件，存在附加风险，降低船舶的安全，比如船—冰碰撞影响船体结构强度，寒冷气候可能导致船舶稳性减弱、引起管路冰冻、航行设备失效和船员执行力下降等。

CCS已颁布了船舶冰区加强和船舶防寒的规范要求，构成完整的船舶规范体系。本次《极地船舶指南》旨在为实施CCS冰级规范和防寒规范、IMO《国际极地水域操作船舶规则》提供技术指导，保障极地航行船舶安全。主要内容包括：检验与发证；船体结构与设备；船舶稳性；机电设备；安全设备；极地水域操作。

CCS官网上该规范的参考内容，最终版本以CCS正式出版物为准。

（来源：中国船级社）

UPS System Design Analysis of DP3 Drilling Ship

Guo Jin, Qiu Jin, Zeng Guo-yong
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

For the specific requirements of the UPS system of DP3 drilling ship, according to the requirements of relevant rules and standards, the paper introduces the aspects of the UPS capacity calculation, DP3 required arrangement, UPS battery capacity calculation and UPS battery hydrogen release calculation and so on.It summarizes the basic design method and characteristics of the UPS system in order to give a set of design method of UPS system for DP3 drilling ship.

DP3 (dynamic positioning class 3); drilling ship; UPS; battery; hydrogen release volume

U665.12

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.014

郭金（1986—）男，助理工程师，研究方向：海洋工程电力系统设计与研究。