极地重载甲板运输船失电恢复的解决方案

翁 爽 谢 珉 张孝奕

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

极地地区包括南极和北极是地球最寒冷区域，因常年冰雪覆盖、气候恶劣而沉寂。近年来，全球气候持续变暖，北极海冰覆盖范围逐渐缩小。因东北航道比传统的欧亚和亚美航线缩短40%航程，其航运利益备受关注。另一方面，北极地区蕴藏着丰富的油气及矿产资源，使其成为新能源供应的“黄金航道”。

亚马尔液化天然气（YAMAL LNG）项目位于俄罗斯的亚马尔（YAMAL）半岛，旨在将俄罗斯北极地区埋藏的天然气通过液化，运输供应给欧亚两洲。极地重载甲板运输船主要为该项目运送大型模块，模块设计重量为10000 t。该船可同时运输2个模块，模块可从船尾及船侧进行装卸。该船满足YAMAL半岛水域冬季作业要求，可在俄罗斯北部航道（NSR）全年候航行，冰区强度满足全年一年厚冰航行，具有破冰能力。该船入级挪威船级社（DNV），同时取得俄罗斯规范 （RMRS）的PC3和ARC7附加符号。

极地水域地理位置独特，环境条件恶劣，船舶在极地水域航行时，因海冰和寒冷气候，以及其他不可低估的条件，存在失电风险。电力系统的设计需保证安全可靠的供电。然而，在船舶运行和作业过程中，不可避免地会发生故障，如过载、电压波动、频率波动及短路等，破坏电力系统的稳定性。严重时，导致整个电网失电。电力系统失电后的恢复设计对避免其威胁船舶安全至关重要。

1 电力系统配置及特点

1.1 系统配置

极地模块运输船采用6600 V中压电力推进系统，总推进功率为24 MW，电站总容量达32.8 MW，推进系统采用24脉冲变频控制系统。电力系统构架可见图1。

图1 电力系统单线图

该船配置4台主柴油发电机组。1号和4号发电机容量为AC 6600 V/60 Hz、7000 kVA；2号和3号发电机容量为AC 6600 V/60 Hz、9400 kVA。在左、右机舱各设有1套中压配电板，每个中压配电板的主汇流排连接一大一小2台主柴油发电机组。每个中压配电板各向一台主推进电动机供电，每台主推进电动机的功率为12 MW，驱动1个螺旋桨。该船应急发电机兼做停泊发电机，在停泊工况下，应急发电机通过应急配电板向主配电板上的停泊设备供电。

1.2 大负载设备的供电

该船配有1台首侧推，功率为1000 kW，采用变频驱动控制。首侧推变频器的供电设计为可由左中压主配电板供电，也可由右中压主配电板供电，船长在操船过程中可根据实际情况进行切换。同时，首侧推的辅助设备也可相应由左或右低压配电板供电并切换。

作为该船重要的作业设备，首、尾各设置3台压载泵，每台压载泵的功率为291 kW，采用变频多驱控制。首压载泵组由左中压配电板经一三绕组变压器及多驱变频器供电，尾压载泵组由右中压配电板经一三绕组变压器及多驱变频器供电。首、尾变频器的直流母排之间设有连接。系统正常运行时，双侧直流母排为断开状态，独立运行；当一侧系统发生故障时，可通过直流母排的连接，从正常侧系统向故障侧供电，保证压载泵运行的可靠性。系统框架见图2。

图2 重要设备的供电系统框架

1.3 电力系统的特点

该船电力系统设计的特点是，全船电网按照冗余对称结构设计。常规日用负载、除冰的电加热负载及辅助负载等均由左、右AC 6600 V中压主配电板，通过左、右日用变压器降压后经左、右AC 440 V低压配电系统分区供电。作业负载及侧推可由左、右配电网络切换供电。在不同的作业工况下，左、右两侧电力系统网络可独立运行，也可通过闭合母联开关并联运行。

2 失电的定义及该船失电状态分析

2.1 失电（Blackout）的定义

DNV规范Pt.4 Ch.8 Sec.13第204条中明确定义：“失电状况是指主电源突然失去直至使用储备能源恢复主电源供电的过程。”值得注意的是，失电不同于瘫船（dead ship）。DNV规范Pt.4 Ch.1 Sec.3第313条对瘫船定义如下：“所有的机械设备及电力系统都不处于运行状态，且用于起动主推进的辅助设备（如压缩空气、蓄电池等）以及用于起动主电源的所有储备能源均不可用”。

SOLAS没有专门对失电作出定义。除在SOLAS II-1章D部分第42条和第43条中，针对客船和货船的应急电源提到：“1998年7月1日或以后建造的船舶，如果电源对恢复推进是必需的，其功率应能在全船失电后30 min内，使之连同其他机器（如适合）一起从瘫船状态恢复至船舶的推进。”此外，没有针对船舶电力系统失电的详细要求。

由此可见，失电与瘫船有着本质的区别。在瘫船状态下，所有用于恢复主电源所需的储备能源均处于非运行状态，而失电状态下，恢复主电源所需的储备能源应被认为是可用的。

2.2 该船失电状态分析

极地重载甲板运输船的主要运行工况分为5个，各工况下发电机的运行状态以及中压电力系统汇流排母联开关的开闭状态可见表1。在破冰工况下，汇流排母联开关为“断开”状态，左、右两侧电网独立运行，无论哪一侧电网出现故障均不会导致全船失电。在开敞水域航行工况、冰区航行工况和进出港工况下，汇流排母联开关为“闭合”状态，设备短路或其他原因可能导致整个电力系统失电。此外，由于装卸货工况仅运行1台发电机，也需考虑该工况下的全船失电问题。因此，该船的失电恢复是针对中压电力系统母联开关处于“闭合”状态，左、右中压配电板并联运行的工况以及仅1台发电机运行工况设计的。在开敞水域航行、冰区航行、进出港和装卸货工况下，1号主发电机或4号主发电机均可作为备用发电机。

表1 发电机运行工况及母联开关状态

3 DNV规范的要求及响应分析

DNV规范Pt.4 Ch.8 Sec.2针对船舶电源系统的设置提出了失电恢复的详细要求。其中，有些要求是不同于其他船级社的特殊要求，需在设计中特殊考虑。

3.1 应急电源

根据DNV规范C101 h）的要求，“应急电源可作为船舶失电恢复的方式之一”。

3.2 主电源的起动

在B201条中，DNV规范提出，“至少应设置2台连接于不同汇流排的主发电机可用于实现失电恢复。允许仅有1台发电机处于备用状态”。

结合该船，在中压电力系统汇流排母联开关闭合的3个工况下，作为备用的发电机为1号或4号主发电机，因此这2台发电机设置为用于失电恢复的发电机，且满足它们连接于不同汇流排的要求。

3.3 主电源的起动能源

根据DNV规范B202 c）的要求，“作为备用发电机的主柴油发电机组，其原动机如在失电状态下需依赖于辅助机械恢复运行，则这些辅助机械至少需要两路独立的能量来源，且至少其中一路应来自位于机舱内部的储备能源。上述电源的容量应满足要求的起动尝试次数，和/或至少持续30 min。”

同时B202 d）要求，“作为备用发电机的主柴油发电机组，其原动机如在失电状态下需依赖于辅助机械恢复运行，则至少1台发电机的辅助机械，其供电应来自于主配电板。”

上述要求中所提到的“辅助机械”通常是指用于柴油发电机组的柴油机起动的燃油供给泵、滑油泵、滑油预供泵和缸套水预热器等。这条规范要求的关键在于至少一路储备能源需来自于机舱内部。同时，在实船失电恢复试验时，对于这部分内容的试验，是需要切断应急电源以及机舱外部其他电源（如蓄电池）来完成的。

3.3.1 常规船型的设计

常规柴油机的自动预润滑控制一般有周期性预润滑和一次性注入式预润滑两种方式［1］。自动周期性预润滑方式，是在柴油机机带滑油泵之外，另设1台电动预供滑油泵。该泵能实现自动控制，当柴油机停机后，每隔一定时间（如4 h）接通预润滑泵电源工作一段时间（如10 min），周期性地实现预润滑，以待随时启动柴油机。在预供滑油泵停止运行30 min内，无需建立滑油压力，当自动电站检测到电力系统失电时，处于备用状态下的柴油机接收到blackout命令和起动命令后，可自行起动，完成失电恢复的功能。当柴油机投入运行后，预供滑油泵断开，由柴油机机带滑油泵润滑。一次性注入式预润滑方式，是在柴油机润滑系统中，接入一个柱塞式滑油泵，其中储满滑油，当柴油机接到起动指令时，压缩空气先作用到柱塞式滑油泵，推动活塞将所贮滑油通过滑油管系，注入到机器的各润滑部位，然后才开始起动柴油机。

如上描述的常规柴油机，在失电30 min内，可由自身提供能源进行起动，从而完成失电恢复。满足DNV规范所要求的起动辅助机械需有一路能源来自于机舱内部；而另一路可由应急电源提供。由此，即可满足DNV规范对失电恢复的起动能源的要求。

3.3.2 该船的特殊设计

该船用于失电恢复的1号和4号主柴油发电机组选用瓦锡兰12V32型柴油机。该柴油机为强制润滑，即在主滑油泵不运行的情况下，滑油压力低于0.03 MPa时，柴油机无法起动；而主滑油泵为电动泵非机带泵，在失电时，主滑油泵无法运行。如按照常规船设计，则在应急电源未投入运行时，该船无法完成失电恢复，即不能满足DNV规范所提出的需有一路起动能源来自于机舱内部的要求。

而造成这一现状的原因，主要是该船基本设计的机舱布置及发电机的选型问题。基于基本设计的机舱布置，发电机与燃油循环舱相对位置太远，主发电机组布置在机舱平台上，柴油机采用干式油底壳布置，滑油泵采用电动滑油泵，布置在底层滑油循环舱上方。当该船发生失电时，电动滑油泵失电，无法维持0.03 MPa的滑油压力，柴油机无法起动。要解决失电恢复的问题，首先需解决在失电模式下滑油泵的运行问题。

1）解决方案一。解决上述问题，最彻底的办法是调整机舱布置，更换柴油机选型，采用湿式油底壳的柴油机，滑油泵通过皮带直接驱动，使滑油泵在失电的情况下可由机带运行，从而建立滑油压力。然而本项目时间紧、任务重。从详细设计开始，到计划交船日期，仅有18个月，改变机舱布置、更换柴油机是重大改动，甚至影响整个船体的布置，将严重影响设计及建造周期，因此，考虑到项目的实际情况，此方案不可行。

2）解决方案二。要建立滑油压力，也可使用压缩空气驱动主柴油机的主滑油泵。当电力系统发生失电时，电站管理系统（PMS）发送指令至备用柴油机的滑油泵压缩空气驱动管路上的电磁阀（该电磁阀由不间断电源供电），将电磁阀打开，主柴油机即可在压缩空气的驱动下运行，柴油机可起动。但由于该船柴油机容量较大，主柴油泵容量较大，经计算，所需压缩空气量大大超过了该船现有为起动配置的空气瓶容量。如果增加如此大容量的空气瓶，该船是无法实现的。

3）解决方案三。从机械和系统的角度考虑解决该船失电恢复问题均不能满足项目实际需求，而从电气的角度来说，在失电状态下，解决用电设备的供电问题，可使用不间断电源（UPS），且该UPS应布置于机舱内。该UPS需能够输出AC 440 V/60 Hz电源，并满足主滑油泵的运行及起动。柴油机的厂家也同时提出，从保护机器的角度考虑，在失电模式下，燃油循环泵尽可能也由UPS供电。

3.4 失电恢复的时间

根据DNV规范B203的要求，“从系统失电到使用备用发电机恢复供电的时间不得超过45 s”。也就是说，从电站管理系统检测到系统失电，到发送失电恢复命令，到备用发电机的辅助机械起动，到柴油机运行，到发电机运行，再到最终主开关合闸，恢复主电源供电，整个过程的时间均不能超过45 s。

4 最终方案的实施

综上所述，该船的失电恢复方案最终选用配置UPS为1号和4号柴油机主滑油泵供电。同时，上述泵还应由应急配电板供电，至少其中1台需有主配电板供电。在左、右机舱各设1个UPS专门用于失电恢复系统，同时为1号和4号柴油机各设1个供电箱为1号和4号主滑油泵和燃油循环泵供电，并完成各路电源的自动转换。在电力系统正常运行的工况下，供电箱由主电源供电，在应急工况下，供电箱可由应急电源供电，在失电模式下，供电箱由UPS供电。综合考虑了机舱的整体布置后，确定将新增UPS分别设于左、右高压配电板间。需要注意的是，DNV要求电力系统失电恢复设计原则需作为送审图纸供审查批准，示意图详见图3。

该方案不仅需考虑UPS的容量配置、选型，柴油机主滑油泵的控制逻辑等问题，尚需解决的还有蓄电池在机舱内的布置、大电机起动、柴油机的起动准备以及如何满足45 s的起动时间要求等一系列问题。

4.1 蓄电池的布置

1号和4号主柴油发电机组的1号和4号主滑油泵为AC 440 V/60 Hz，53 kW，同时考虑1号和4号燃油循环泵为AC 440 V/60 Hz，4.7 kW。根据计算，UPS所需容量为80 kVA，由34个12 V/160 Ah的蓄电池并联，充电电压采用AC 440 V/400 V变压器，输出电压采用AC 400 V/440 V变压器，获得AC 440 V电压。由于DNV规范要求，如蓄电池充电功率大于100kVAh，需布置于带有机械通风的独立舱室。经计算，该UPS的充电功率为65.28 kVAh。由于配电及推进系统的UPS也设置于中压配电板间，且该UPS的充电功率为38.5 kVAh。总的充电功率超过了100 kVAh，因此需考虑将失电恢复的UPS的部分蓄电池移出UPS柜，设置于其他处所。经计算，移出2个12 V/160 Ah的蓄电池即可满足规范要求，左舷两组蓄电池设于机器储藏室，右舷两组蓄电池设于机器工作间。

4.2 大电机起动

对于80 kVA的UPS容量，主滑油泵需考虑作为大电机的起动问题，UPS无法承受主滑油泵直接起动的5～7倍额定电流，因此不能选择直接起动的起动方式。星-三角起动方式降压幅度有限，也不能满足起动要求。最初方案采用软起动的方式，但试验中常常出现主滑油泵起动失败的问题。分析原因主要是由软起动器的特性及工作原理引起的。在起动电机时，改变了输出电压，大大降低了电机的起动转矩，与该船主滑油泵的特性不匹配。因此，最终方案主滑油泵选用变频起动。

图3 电力系统失电恢复设计原则

4.3 柴油机的起动条件（ready for start）

根据设备资料，1号和4号柴油机起动锁定的状态有以下5种：

1）柴油机未预润滑；

2）转向齿轮啮合；

3）停车操纵手柄位于停车位置；

4）控制位置选择开关处于“就地”位置；

5）来自电站管理系统的指令。

在失电模式下，除预润滑外，其他柴油机的起动锁定是可以被越控的。正常的失电恢复程序是，当PMS检测到系统失电，将发送起动信号给备用柴油发电机组，柴油机备车完毕发出ready for start信号给PMS，PMS起动备用柴油发电机组，完成失电恢复。然而，在主滑油泵未起动完成，滑油压力未建立至0.03 MPa之前，柴油机无法输出ready for start信号，则PMS将输出失电恢复失败报警。由于UPS起动电动滑油泵需要一定的时间，滑油压力建立也需要一定的时间，因此在柴油机输出ready for start的信号需设有一定的延时。

4.4 滑油初始油压的建立

为达到45 s内起动备用发电机完成失电恢复的要求，需考虑尽量缩短主柴油机的起动时间，也就是滑油压力建立的时间。因此，项目加设了高置滑油柜，用于滑油初始油压的建立。

5 结语

船舶电力系统的失电恢复设计对于船舶运行安全至关重要，并与主柴油发电机组的选型、机舱布置甚至船型的总体设计密切相关。SOLAS仅要求船舶失电后的45 s内，备用发电机或应急发电机投入运行即可，而DNV规范则严格要求备用发电机能够不依赖于机舱外部能源完成电力系统的失电恢复。因此，对船级社规范的准确把握，是设计的关键。特别是在船型研发及设计初期，仍需对关键细节问题进行全面考虑，以免造成后期的重大修改。

［1］王文义.船舶电站［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.