闭环供电技术在海工产品上的应用

2018-11-14陈喜元王艳龙

船舶与海洋工程 2018年5期

陈喜元，李冰，王忠，王艳龙，何志

（大连船舶重工集团设计研究院，辽宁大连 116000）

0 引言

闭环控制是近年发展起来的一项电力自动化控制技术，与非闭环供电方式相比，在设计方面难度较大，建造投资较高，一般只应用于有较高供电技术要求或节能环保要求且对投资不太敏感的高技术海工产品上，尤其多应用于带动力定位（Dynamic Positioning，DP）功能的半潜项目中。

目前国内某半潜平台的闭环设计和试验验证已取得成功并获得DNV-GL DYNPOS-AUTRO带闭环操作证书。本文依托该项目的设计过程，介绍闭环供电技术设计和应用经验。

1 闭环的定义及分析

闭环是指主配电盘通过母排联络开关首尾相连形成一个整体的封闭环型，具有发电机保护系统的供电方式，其核心是发电机保护系统和配电盘的全船短路保护能力。闭环构成图示见图1[1]。

图1 闭环构成图示

发电机保护系统对包括发电机和配电盘在内的整个电力系统提供90%左右的故障模式保护，整个闭环试验主要围绕发电机保护系统进行[2]。

需指出，若仅将闭环看作是配电盘首尾相连形成的封闭环型，则无法体现出闭环的高技术水平和技术含量，离开保护就不能称其为闭环。与闭环相对的叫开环或三段模式，是指3个配电盘之间的母联开关全部打开，形成3段各自独立的形式[2]（见图2）。

图2 配电盘开环模式

与开环模式相比，采用闭环供电模式的好处[3]有：

1) 降油耗，据测算，在闭环模式下可降低油耗10%以上，在节能降耗的同时，可有效降低NOx排放达30%以上，降低CO2排放达15%以上；

2) 减少发电机的运行时间和发电机在线运行台数，发电机组平均运行时间可减少25%以上；

3) 便于维修，可空出一个机舱或某台发电机进行维修；

4) 提高供电的安全性、可靠性和稳定性，进而提高平台的定位性能、作业保障能力和安全性能。

当然，闭环也有一定的不足，包括技术难度大、成本高、保护不好易造成全船停电等。因此，只要系统良好、操作得当，除了获取上述好处、避免上述不足以外，还可获得更加可靠、稳定的电源供给，提高平台的供电安全性和运行安全性。

对于船东来说，可直接提高平台的租金，这也是其愿意高成本做闭环的原因和驱动力之一。

对于非DP类项目来说，不存在满足DP要求的问题（即可短时间内失去电力系统，不存在影响定位或船位的情况），因此对闭环无过高要求。

综上所述，为在最大故障情况下满足DP3的要求，闭环控制在设计和建造方面有很多条件，会导致投资大和试验周期长。因此，闭环一般只应用在有较高供电技术要求或节能环保要求且对投资不太敏感的高技术海工产品上，尤其多应用于有高动力定位功能要求的半潜项目中。

2 发电机保护系统的功能

发电机保护系统是为闭环控制派生的系统（闭环的核心），是电源管理系统（Power Management System，PMS）的延伸，用于保护发电机和整个电网，使平台不因电力系统执行故障而失去定位能力，从而保障平台的作业能力和提高平台的安全性。

发电机保护系统的2个主要功能[1]为：

1) 对速度控制系统GOVERNOR进行控制，可直接控制；

2) 对电压控制系统AVR进行监测，不能直接控制。

发电机保护系统主要是对2个主要参数进行保护，即：频率/有功/油门，由GOVERNOR调节器执行；电压/无功/励磁，由AVR电压调节器执行。该系统对欠频、过频、欠压或过压等故障及故障发生的速率做出相应的保护。

此外，发电机保护系统还有2个辅助功能[1]，即配电盘低频时的母联开关脱扣和励磁电流监测。

由于发电机保护系统的重要性，考虑到反应速度和有效性问题，在设计上要做大量协调工作，与参与各方进行大量的沟通，在尽可能减少改动的情况下，最终达成一致并取得理想的试验结果。

3 DNV-GL对闭环的要求

某半潜平台项目入CCS DP-3和DNV-GL DYNPOS- AUTRO船级。根据DNV-GL的要求，对于入DPS 2或DPS 3的项目，必须有失效模式与影响分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA），分为开环和闭环2部分[4]。

DNV-GL规范大多通过失效模式分析对闭环进行验证，由于这样的项目一般都带DP功能，因此通常将该验证过程称为DP FMEA。分析和研究的主要内容是DP系统如何在满足规范的要求下满足硬件上的物理分隔和软件/系统上的功能要求。闭环试验的主要内容是发电机保护系统。

此外，DNV-GL对闭环还有2个“特殊”要求，即：

1) 根据DNV-GL的要求，需对入级DPS 3闭环的项目进行失电后启动 Blackout Restart的试验（见图3），验证PMS在极端情况下恢复供电的能力，确保平台安全；

图3 Blackout Restart的试验成功Trend

2) 根据DNV-GL的要求，需对入级DPS 3闭环的项目进行现场短路（Live Short Circuit）试验。目前只有DNV-GL有此要求。

做现场短路试验的目的是验证配电盘的故障隔离保护能力和DP设备/系统的故障穿越能力。故障穿越能力是指设备短时间失电的能力，主要对DP设备有此要求，对非DP设备/系统不适用。若现场短路试验失败，即配电盘不能在设定时间内隔离故障、阻止其曼延并切断故障，面临的风险有：烧毁与故障盘直接连接的发电机、引起整个电力系统失电、推进器因失电而停止工作，以及由此导致的平台失去定位能力。

现场短路试验最大的危险性是保护不力或出现特殊情况，如机械故障导致保护开关没有脱开，引起短路电流急剧增大而引发火灾或触电事故等。因此，需做好试验现场的安全防护工作，包括需专业人员操作、看护、消防和救生等。

为做好短路试验，由专业技术人员提前对有关参数进行认真分析、仔细检查和严格确认。由于前期工作到位、准备充分，短路试验一次性成功（见图4）[5]。