某大型抢险打捞起重船主电站设计

金辉

摘    要：根据某大型抢险打捞起重船总体布置及设备配置情况，从技术角度阐述主电站的设计理念，包括主发电机组额定容量、数量及电压的选择。可为同类工程船的主电站设计提供参考。

关键词：DP3;主电站设计

中图分类号：U665.12                              文献标识码：A

Design of Main Power Plant of Large Salvage Ship

JIN Hui

（ Shanghai Salvage Ministry of Transport， Shanghai 200090 ）

Abstract： According to the general layout and equipment configuration of the large salvage ship， the design principles of the main power plant is expounded from technical point of view， including the selection of the main generator's rated capacity， quantity and voltage， which provide a reference for the design of the main power plant design of similar engineering vessels.

Key words： DP3; Design of main power plant

1     項目简介

本项目是一艘大型自航抢险打捞船，无限航区航行、入级中国船级社。该船主要配置如下：DP3动力定位系统;8台4 750 kW柴油发电机组;4个11 kV中压配电板及4个440 V & 220 V低压配电板;4台ABB吊舱式全回转推进器4 500 kWx2+4 000 kWx2、2台可伸缩式全回转推进器3 300 kW以及2台管隧式侧向推进器1 500 kW。为满足DP3的要求，推进器及动力系统分为4个独立的DP组，DP组之间均采用水密及A60级防火舱壁分割。其主单线图，如图1所示。

图1  主单线图

2    主发电机组额定容量及数量

本项目作为电力推进船舶，主发电机组为全船提供充足的航行及动力定位需求，同时为工程作业设备、机舱辅助设备、生活设备等提供电源。

主发电机的额定容量及数量，主要受以下四方面的影响：

（1）常规工况用电需求

主发电机组的配置需满足常规工况用电需求。通过表1的估算，常规工况中的航行工况时负荷最大，该工况下四台主推进器全功率运行，同时需留有至少一台备用发电机组。

（2）电力推进船舶航速要求

中国船级社对于电力推进船舶的要求是：在1台发电机组不工作时，剩余的发电机组应能向所有重要设备和船舶常用设备供电，同时应维持有效推进，即应保证船舶航速不小于7 kn或设计航速的一半，取两者中之大者。本船设计航速为15 kn，因此在1台发电机组不工作时，应能保证本船航速不小于7.5 kn，此时推进功率约为2 500 kW。

（3）DP3设计

该船入DP3附加标志，其要求是出现任一单点故障（包括由于失火或进水造成一个舱室的完全损失）时，船舶仍能自动保持船位和首向。对于电站配置的考核要求是失去任一发电机组所在的机舱或者主配电板所在的舱室时，动力定位仍有效。这就要求尽可能地将主发电机组布置在尽可能多的机舱内，通常DP3船舶一般为2个或3个机舱，考虑将故障范围最小化，该船设计了4个机舱，每个机舱内的主发电机组均为2台。

通过上述三个方面的初步分析，确定本船主发电机组的数量为8台，平均分布在4个机舱内。初步的电力负荷估算，见表1。

表1  常规电力负荷估算

考虑到整个电网的功率损失、主发电机组全寿命周期内的疲劳损失以及市面上驱动柴油机组的实际功率档选型，将每台主发电机组的功率确定在4 750 kW。

（4）安全返港

根据《特殊用途船规则》的要求，本船人数超过240人，需满足36人以上客船的要求，即：需满足海上人命安全公约 II-1章B-1部分8-1条、II-2章G部分21条事故界限、安全返港和安全区域的规则、22条失火事故后系统维持运行的设计衡准。其要求为在发生限界内的火灾事故后，船舶在蒲福风级8级的天气条件和相应的海况下航行时最小航速为6 kn的条件下安全返回港口。根据模型快速性试验报告，在上述天气条件及海况下，达到6 kn航速所需的推进功率约为6182 kW。安全返港工况下的电力负荷估算，见表2。

工况2：主推进器T6舱或T8舱失火，将会引起主推进器T6和T8同时丢失。

工况3：1号高压配电板间失火，将会引起1号机舱、1号和2号主发电机及1号电站丢失。

工况4：3号高压配电板间失火，将会引起3号机舱、5号和6号主发电机及3号电站丢失。

本船4台主推进器的布置可确保在发生限界内的火灾事故后仍有2台推进器共8 500 kW可用于船舶航行，满足安全返港所需的至少6 182 kW功率;同时，8台主发电机组的布置，可确保在发生限界内的火灾事故后，仍有6台可用。通过表2的计算可以得出，上述布置满足安全返港的要求。

3    主发电机组电压等级

在主发电机组的数量及额定容量确定后，就需要进行电压等级的选择。通常交流电网主电源的电压等级分为：400 V、450 V、690V、6 300 V、6 600 V及11000 V等，主要取决于电站容量的大小。对于大型（约10 MW以上）及超大型电站（约35 MW以上），提高电压等级可以有效减少短路电流、电网损耗以及电缆敷设工程量，且有利于断路器等电气元器件的选型。

发电机组的最大对称短路电流计算，通常有下列三种方法：

（1）直接估算法

式中：I''ac为发电机最大对称短路电流;In为发电机额定电流;k为计算系数。

通过大量的工程项目统计，k值一般在6.5～8.5之间，可用于项目前期的短路电流估算。

（2）阻值估算法

式中：U为发电机额定电压;X''d为发电机直轴超瞬态电抗。

（3）通過船级社或者设备商的计算软件估算

本项目在设计前期因设备尚未订货，具体参数无法获取，故采用第1种方法进行短路电流的估算，并分析主电网在11 kV与6.6 kV下的短路电流水平，以决定采用哪种电压等级较为合适。前期仅考虑八台主发电机贡献的短路电流，推进器、主起重机及定位绞车等负载均采用DFE形式的变频驱动，电动机不贡献短路电流。具体估算结果，见表3。

由表1可以看出：如果电压选择6.6 kV，则高压配电板汇流排的最大对称短路电流在31.8 kA～41.6 kA之间，因还未考虑等效电动机等短路电流的叠加以及电力系统实际参数的不确定因素的影响，故在项目前期必须留有一定的余量。通过调研GE、ABB、Siemens等主流电气设备商的高压真空断路器的额定运行短路电流分断能力，在6.6 kV/11 kV等级基本做到31.5kA左右，因此本项目选用6.6 kV存在较大的技术风险;而采用11 kV则有很大的设计余量，可有效的将设计后期的各种不确定因素涵盖进去。因此，本项目主发电机组的额定电压选用11 kV。在后期详细设计阶段，由设备商提供的实际计算值为15.6 kA，进一步验证前期电压选择的合理性。

在生产设计阶段统计实际敷设的高压电缆长度，进行11 kV与6.6 kV的不同电压等级电缆的综合比较分析，进一步验证了前期阶段选用11 kV是合理的，具体对比分析情况，见表4。

表4  高压电缆不同电压等级的比较分析

通过上述实际项目的案例分析，结合以往项目的经验。可以得出：400 V / 450 V主汇流排的短路电流，一般不超过85 kA～100 kA;690 V主汇流排的短路电流，一般控制在80 kA以下;6 600 V、11 000 V主汇流排的短路电流，一般控制在30 kA以下;每档短路电流超过这个值就需要考虑提升一档电压等级，以降低短路电流。降低了发电机、推进器、主起重机等大型设备的额定电流，减少了电缆的数量与规格，对后期施工中的电缆敷设与接线均有明显的好处。

4     结语

大型打捞起重工程船，目前在市场的需求越来越旺盛。该类型船舶的主电站设计，需考虑各种工况及各种规范规则的要求，同时需对电网的短路电流予以重点关注，以提高主电站的安全性;多机舱以及高电压等级的电网设计，将成为未来大型工程船的发展方向。

本项目建成后，将主要用于水下沉船、沉物的抢险救助打捞作业，具有应对突发事件进行大吨位水下物体整体打捞（最大起重能力4 500 t）、快速清障能力，为我国的应急突发情况提供强有力的保障。

参考文献

[1] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].2018.

[2] IMO.特种用途船舶安全规则[S].2008.

[3] IMO. 海上人命安全公约[S].2014.