万吨级溢油回收船电力系统方案设计和仿真研究

邵 赟，胡 舜，李进科



万吨级溢油回收船电力系统方案设计和仿真研究

邵 赟，胡 舜，李进科

（武汉武船船舶设计有限公司，武汉 430060）

溢油回收船是应对海上溢油污染事故的专用船舶。近年来随着海上石油运输愈发频繁和潜在溢油隐患提高，溢油回收船成为人们关注和研究的热点。本文针对万吨级溢油回收船电力系统的方案设计，分别论证中、低压和直流三种方案，建议采用低压交流电力系统并建立仿真模型验证方案可行性。

溢油回收船 电力推进系统 方案设计

0 引言

随着工业的迅猛发展，世界各国对化石燃料石油的依赖越来越严重，海上石油运输、海上石油钻探也变得愈发频繁。目前，全球范围内每年货运油轮的总运输量已将近20亿吨，遍布全球100多个国家，然而一旦发生事故，潜在的石油污染范围和程度也日渐严重。因此，集海上溢油回收、消防、救生等功能的溢油回收船的研发和应用迫在眉睫，该船既能单独海上作业又能多船联合组成大型扫描系统以应对大面积海上溢油事故。现依据《国家发展改革委办公厅关于2015海洋工程装备研发及产业化项目的复函》相关内容开展“万吨级多功能溢油回收船设计建造技术研发及产业化”项目研究，论证溢油回收船电力推进系统的参数设计和可行性方案研究。

1 电力推进技术发展现状

自20世纪后期随着功率电子器件制造技术和自控技术的飞跃发展，电力推进系统随着有效功率等级的不断提高正逐渐应用于各类商用船舶。电力推进系统结构上从燃气轮机、柴油机或核动力等其他单机配置到多种原动机混合配置；功率等级从百千瓦级到数十兆瓦级；推进方式也多种多样，如游轮上多采用的吊舱式推进；另外，PWM和Cyclo以及Syncyclo等新控制技术的应用也提高了推进电机控制的精确度和可靠性。目前，世界各国船舶电力推进系统的发展趋势和研究重点正围绕综合全电力推进技术展开，包括发电、输电、配电、电能变换以及推进和电力拖动等内容，综合电力推进系统是船舶动力和船舶电力的有效综合，而非简单地组合。

电力推进系统的核心之一是船舶电站，其电压等级的选择会直接或间接地从各方面影响电力系统的结构和运行，如系统工作电流和短路电流，系统的建设和维护费用、电能质量以及输电能力等。在保证符合电网的各种技术条件的前提下，电压等级必须满足负荷要求并能使得输配电设备容量得到较高利用率。当前，国内外的船舶电力系统电压等级主要集中在中、低压，低压系统一般采用230 V、400 V /450V、690 V等，中压统一电制通常为3~6 kV或者11 kV。当电站容量设计大约在8~10 MW时，可以根据具体使用经验和习惯选用低压交流电力系统（690 V交流电力系统）或者中压交流电力系统（如3 kV或6 kV交流电力系统）；从经济性的角度讲可以优先考虑低压交流配电方案。此外，由于直流电网输送容量大、损耗小、谐波失真问题较少以及其他优点正逐渐成为研究热点之一。现针对该船的具体要求，从组成、经济性和关键技术等方面分析论证三种方案的可行性与最优方案。

2 电力推进系统方案

2.1 系统组成

溢油回收船电力推进系统实现全船的供电、推进、控制及监测报警功能，根据功能划分为7个分系统：供配电系统、主推进电力驱动系统、艏侧推电力驱动系统、消防泵驱动系统、推进器系统、自动化系统以及动力定位系统。供配电系统主要为全船提供电源，分配电能并为电站和用电负荷提供必要的保护，其主要包括：2600 kW主发电机组4台，400 kW停泊发电机组1台，150 kW应急发电机组1台，日用变压器2台，主配电板1套，400 V应急配电板1套。主推进系统为船舶航行提供主推进动力，其组成主要包括：主推进移相变压器2台、主推进变频器2套、主推进电动机2台及主推进控制系统1套（内含主推进遥控组件1套和就地控制箱2台）。艏侧推系统为船舶航行提供侧向推进动力，艏侧推系统和主推进系统配合可完成船舶的进出港、DP、航行等工况，其组成主要包括：艏侧推移相变压器2台、艏侧推变频器2套、艏侧推电动机2台及艏侧推控制系统1套（内含艏侧推遥控组件1套和就地控制箱2台）。消防泵驱动系统主要包括：消防泵变频器2台，消防泵电机2台。推进器系统主要包括：全回转舵桨2套，槽道式侧向推进器2套。自动化系统主要包括：电站功率管理系统（PMS）1套，机舱检测报警系统1套、UPS系统1套。电力推进系统构成示意图如图1所示。

图1 电力推进系统组成图

根据中、低压交流和低压直流系统的电压等级和性质不同，其具体系统组成设备及参数对比如表1所示。中压发电机组的额定输出电压为6.6 kV，另需配置接地电阻，直流和低压交流一致；配电板三者都不同：低、中压交流使用的变压器初次级电压不同，直流系统只需要保存配电变压器，与低压交流一样，取而代之的是直接采用逆变和整流柜连接发电机组和各负载设备，省去了移相变压器和变频器；三种系统采用的电机可以选用同种规格。

表1 系统组成对比表

2.2 电压选择和防护

2.2.1 电压等级选择

当电力系统中的各个元件上有电路流过时，由于期间的阻抗会导致电压降落，进而影响负载端的电压质量并造成功率损耗，其值可以通过下面的公式根据元件阻抗及潮流分析数据计算得出：

2.2.2 系统保护

系统保护主要体现在设备外围的安全防护、设备本身的绝缘耐压保护、短路电流保护和其他故障保护。其中，中高压发电机需考虑较高的绝缘要求，成本控制、人员和设备安全等，船舶中高压电力系统需要采用发电机中性点接地保护。接地方式的选择必须综合考虑供电的安全性、连续性和可靠性；配电网和线路结构；过电压保护和绝缘保护；继电保护构成和跳闸方式等等技术条件。

在短路电路保护中，低压交流系统在电站容量较大的情况下所需要考虑的核心问题就是短路电路过大，对用于短路保护的断路器提出较高要求。而中压系统除了具备与低压系统相同的短路、过载、欠压等保护外，系统还需要添加纵差、零序、零序纵差等保护，大大增加了系统的复杂性。直流电网由于与交流电网的显著区别，在船舶电网原理框架和设计也明显不同，其中最主要的挑战莫过于如何采用类似交流配电的方式，实现全选择性和设备保护。从技术层面上分析，交流电流每半个周期跨越零点，因此较易切断，而依据传统理念，选择性保护是经由各级断路器的保护脱扣器相互协调配合来实现的。然而，对比交流断路器，切断直流面临的灭弧问题需要的技术要求更加复杂。

2.2.3 技术成熟度和经济风险

当船舶电力系统具有超大功率用电负荷时，采用不同的电压等级将会极大的影响其经济性。一般情况下，由于低压系统的技术已很成熟且可选种类较多，价格成本较低廉，而国内船用中压配电系统技术起步晚，早期因无成熟的产品，整个船用中压配电设备市场被国外成套设备占领，如Schneider、ABB和SIEMENS等厂家，采用出口、独资和合资形式占领中国市场。针对万吨级溢油船设备国产化的要求，国内中压设备制造商虽然能够满足配置需求，但由于市场开发较晚，中压配电系统技术和设备制造技术较之不太成熟，缺乏经验，这样会加大建造和维护成本。直流电站系统目前国内更是处于试研阶段，实际运用和维护阶段可能面临很多潜在问题，综合考虑一次建造费用和需要考虑的风险费用可能较高。除此之外，还需考虑实际的操作人员的资质问题，中压和直流系统由于应用普及较少且安全要求较高，需要单独对操作人员进行培训获得操作资格。

3 仿真分析

3.1 短路电流和选择性保护

考虑到本船实际最大工况下的电站容量小于10MW，从技术成熟度、经济方面以及其他方面的考虑，优先选择低压交流电力系统。现根据相关性能要求对全船建模仿真，验证方案的可行性。该船低压交流电力系统单线图如图2所示。

根据船舶电力系统过电流选择性保护指南的要求，船舶电网需要满足过载选择性保护和断路选择性保护。其中，过载保护其上、下级的过电流脱扣器额定电流之比要大于1.6；短路电流保护需要根据时间原则实现各上下级间的选择性，主要分为主发电机之间及其与以下各级，主汇流排与应急汇流排及其下一级，电力和照明变压器初级与照明汇流排之间，主（或应急）照明汇流排与其下一级，应急发电机与其下一级等。

通过CCS的COMPASS-RULE2010软件和相关设备参数计算得出在4台机组在网时，各主要短路点的最大短路电流，并选择合适的断路器型号，其短路分段能力、接通能力和额定电流值均大于计算出的短路电流值，如表2所示。在Etap12.6中建模并对各级断路器的参数进行设定和分级仿真，验证能够实现电流和时间的完全选择性保护或部分选择性保护原则。

表2 短路保护电流和断路器选型表

3.2 谐波计算

根据设计院提供的工况数据，并且增加了单轴推进工况，在ETAP12.6中进行仿真算出结果如表3所示，在各个主要工况运行下，电力系统各级母线谐波含量均不大于国家标准规定的5%谐波含量。

表3 谐波含量表

4 结论

本文结合万吨级溢油回收船实际需求，从技术、经济和维护等多方面分析比较当前船舶应用中热门的低、中压交流和直流三种电力系统方案存在的优缺点，初步判定低压交流方案较好。并建立本船的仿真模型，根据具体技术要求分析系统短路电流和选择符合选择性保护的断路器，对多种工况下的谐波进行计算分析，均能满足CCS要求，验证了方案的可行性。

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Scheme and Simulation of Power System for Oil Spill Recovery Vessel

Shao Yun, Hu Shun, Li Jinke

（Wuhan Shipbuilding Design Co., Ltd, Wuhan 430060, China）

U664.91

1003-4862（2017）06-0073-04

2017-03-31

邵赟（1976-），女，工程师。研究方向：电气工程。E-mail: su800gar@sina.com