提高大型邮轮应急电网系统安全可靠性的设计分析

曹亚冬

（中船邮轮科技发展有限公司 上海200137）

0 引 言

邮轮作为海上旅行休闲的主流方式，一直备受乘客青睐。但海洋有美丽的风景，也暗藏危险，海难事故时有发生。因此国际海事组织（IMO）在国际海上人命安全公约（SOLAS）中对邮轮航行安全提出了更高的要求。邮轮发配电系统作为全船的关键系统，对全船用电设备进行电力供应，确保船舶设备系统安全运行。当正常供电系统出现故障时，应急电网系统便采用应急预案，保障紧急情况下，船上人员安全和通信畅通。

应急电网系统对船舶事故后的安全运行起着决定性的作用，而邮轮作为海上人员密集性客船，对安全性有着更高的要求。因此本文为满足应急情况下邮轮可靠供电，对应急电网系统进行优化设计。

1 应急电网系统功能和规范要求

在船舶航行中，导航设备、无线电通信设备、操舵系统和照明系统关系着船岸通信和船员乘客的安全有序撤离，因此至关重要。船上这些重要设备正常情况下由主电网供电，一旦主电网故障，应急配电系统就向这些重要设备进行供电。在应急工况下，应急配电系统作为主电网的代替。

SOLAS公约第42条和43条规定：货船应设有一个独立应急电源，且主配电板及其相关变换设备或任何A类机器所在处所发生火灾或其他事故时，应急配电系统仍能可靠运行［1］。电源功率至少应向重要设备应急可靠供电18 h；客船除以上一般要求，在电源功率上要求可靠供电36 h。

2 大型邮轮应急电网系统设计

2.1 应急电网系统设计原理

常规货船采用单个发电机组和单个主配电板设计方式［2］，一旦主电站电力全失，应急发电机启动失败或故障，应急配电系统将完全断电。同时单块主应急配电板设计方式下，应急配电板发生故障，应急配电系统也将完全损失。虽然规范对双故障没有要求，但邮轮对安全性、可靠性要求更高。从近几年国外建造的大型邮轮中可以看出，应急电力系统多采用2个应急电源，提高供电冗余性。目前，国内很多客滚船和内河游轮在应急配电系统设计中仍沿用常规散货船设计方式，存在很大安全隐患。

根据SOLAS公约要求，2010年7月1日之后建造船长≥120 m或3个主竖区及以上的客船，应满足安全返港的要求。为满足这一要求，目前的邮轮和客滚船电气设计中，电气系统均采用A、B子系统设计方式［3］。如果任何空间因火灾或进水而损坏，则只有该空间所属的子系统（“A”或“B”）会受到事故影响，而另一个子系统（“B”或“A”）将维持运行，即双电站设计方式。电站分为2个区域，一般会设计在艏艉2个主竖区内。全船会以某主竖区为界限，从该主竖区到船首划分为A子系统，主竖区到船尾则分为B子系统。各系统包含设备如下：

系统A：艏部主机/发电机，艏部中低压主配电板和相关辅助设备，左舷推进装置和相关辅助设备。

系统B：艉部主机/发电机，艉部中低压主配电板和相关辅助设备，右舷推进装置和相关辅助设备。

2块主配电板各自向A、B系统供电，最大程度保障了电气系统的安全运行。通过采用双系统、双电站和双配电板的设计思路，提高了系统的冗余性和稳定性［4］。应急配电系统也可以借鉴这种设计方式，采用双系统设计方式，提高系统冗余性，减小或消除事故发生后的影响。

2.2 应急电网系统网络架构

为满足邮轮安全可靠性要求，本文采用双套冗余的设计思路，构建新型应急配电系统网络架构。以常规的邮轮低压电制对应急配电系统进行说明，主应急配电板电压等级为690 V，分应急配电板电压等级为230 V。下页图1为应急电网系统网络架构。

如图1所示，应急配电系统采用2个应急发电机组和2块主应急配电板，每块主应急配电板上各有1个应急发电机组供电。进线断路器、应急发电机组断路器和母联断路器均为联锁，防止发电机组和主电网同时供电。690 V应急配电板1.1与主电网A相连，对左舷推进器的操舵驱动装置、变频器辅助用电等重要设备供电。690 V应急配电板1.2与主电网B相连，对右舷推进器的操舵驱动装置和变频器辅助用电等重要设备供电。230 V应急配电板2.1和2.2供电于UPS、升降机和远程控制阀等应急设备。此外，还配有蓄电池组（属于过渡电源），用于船舶主电网失电而应急电网还未提供电力的情况下，负责应急照明供电，应急照明设备集中在应急照明配电板上。

图1 应急电网系统网络架构

应急配电板2.1和2.2主要对乘客电梯、升降机和远程控制阀进行供电，负载的重要性相对较低，因此重点对主配电板的供电负载进行分析，主配电板的主要用电负载如表1所示。

表1 应急配电板主要负载分配

在新型应急配电系统设计中，将全船的重要用电设备划分为A、B两个子系统，由应急主配电板1.1和1.2分别供电，某一子系统故障不会影响另一子系统的正常运行，有效保障了重要用电设备和系统的可靠运行。该设计通过借鉴安全返港下的主电网设计方式，形成了新型应急配电系统的网络架构。

2.3 应急发电机组容量设计

不同种类和吨位的船舶由应急发电机供电的用电设备数量和种类也各不相同，应急发电机组的容量必须满足应急电力系统各重要负载的容量需求。在应急状态下，邮轮的转向电机、应急舱底泵等拖动型负载，以及应急照明系统、无线电通信设备等重要设备都需要由应急发电机供电。邮轮电气设备相对复杂，除上述重要设备外，应急工况还需考虑上建的空调和酒店用电负载。邮轮应急发电机的容量依据应急状态下的负载功率需求来确定，以电力负载计算书为基准，并考虑足够的储备裕量。以某邮轮为例，其应急工况的电力负荷计算如表2所示。

表2 应急工况电力负荷计算表

从表中分析可得，在应急工况下，并不考虑推进动力，只保留相关的转舵能力，因此推进系统的功率负载较低，厨房设备则完全不考虑。占比最大的是安全设备，如无线电通信、导航和固定式灭火系统等，事关乘客和船员的生命安全。在完成应急工况电力负荷计算后，根据所需的负载功率选取应急发电机组的功率，考虑一定的效率和储备余量。在该邮轮应急电站设计中，单台应急发电机组就能满足应急工况的设备使用，且邮轮对乘客舒适性有着更高的要求，设计过程中应考虑全断电情况下应急系统的反向供电能力，因此该船最终选取2台2 010 kW的发电机组作为应急电源。

2.4 应急电站布置分析

在常规设计中，应急电站一般布置于上层甲板，邮轮也不例外。邮轮布置复杂，设备布置应考虑功能区划分，尤其邮轮上建是乘客娱乐和酒店区域。若双应急电站采用不同主竖区的布置方式，势必会占用大量空间，不仅增加设计难度，还减少了运营空间。兼顾成本和安全性要求，以某邮轮为例，双应急电站布置方式如图2所示。

图2 冗余应急电站布置图

该邮轮的2台应急发电机组布置于第16层甲板第6主竖区，分别位于左右舷，并采用固定式灭火系统，以A级防火分隔。根据安全返港要求，对于有固定灭火系统的保护处所，发生在A级界限面以内的火灾，属于事故界限以内，否则为超出界限。因此一个应急电站发生火灾事故，另一应急电站仍认为可靠运行。若火灾蔓延至另一应急电站，火灾已超过事故界限，应立即执行有序撤离。

2.5 应急电网系统可靠性分析

邮轮主电力系统采用A，B系统设计方式，考虑到故障形式，一般有3种运行方式，分别为正常运行、主电网半侧停电和主电网全断电。以下对各运行状态，应急配电系统的配电方式进行详细分析，验证应急配电系统可靠性。

（1）正常运行时，应急配电板由主电网供电，应急发电机组不启动，母联断路器Q1和Q2断开（见下页图3）。

图3 正常运行工况

（2）主电网半侧停电。以主电网A断电为例，如图4所示，此时进线断路器1断开，母联断路器Q1和Q2断开，应急发电机组A启动，向应急配电板1.1和2.1供电。若应急发电机启动失败或故障，母联断路器Q1自动闭合，应急设备仍能可靠运行。

图4 主电网半侧停电

（3）主电网全停电，如下页图5所示。此时母联断路器Q1和Q2断开，应急发电机组A、B启动。若其中一个应急发电机组故障或启动失败，母联断路器Q1闭合，由一个应急发电机组对整个应急配电系统供电，应急设备得电可靠运行。在设计发电机组容量时，单台应急发电机组就能满足整个应急工况的需求。而邮轮用电需求有其特殊性，不仅安全可靠性要求较高，还需考虑到乘客的舒适性。因此，在2个应急发电机组全部开启的情况下，闭合断路器1和断路器4，电机容量足以对主电网的重要设备进行反向供电，以满足乘客舒适性要求。

图5 主电网全断电

（4）正常运行情况下，应急照明配电板由应急配电板2.2供电，断路器11和断路器12联锁。若主电网和2台应急发电机组完全失能，电池组则向应急照明配电板供电。电池组由应急配电板1.1和1.2进行充电，保持电量，进线断路器6和8联锁，避免同时闭合充电。按照规范，蓄电池组容量应满足全船应急照明持续运行至少0.5 h［5］。

通过以上分析，与传统应急配电系统相比，新型应急电网系统在应急情况下，单个应急发电机组故障或启动失败，应急配电设备仍能可靠供电；而传统设计下的单个应急发电机组一旦故障或启动失败，整个应急配电设备都将断电。此外，在传统设计下，若主配电板故障，整个应急配电系统损失；而新型应急配电系统采用双主配电板设计方式，单块主应急配电板故障时，只损失故障配电板供电的设备，其余主配电板和分配电板均可使用，最大程度保障了运行可靠性和冗余性。

对于某些重要设备，双应急主配电板设计方式可以在使其保留一定的工作能力，这对邮轮系统可靠性和安全返港有深远影响。以推进变频器单元为例，左右舷的变频器辅助用电分别由应急配电板1.1和应急配电板1.2供电。若应急配电板1.1故障，右舷变频器辅助设备仍可靠应急配电板1.2得电，右舷推进器正常运行，邮轮以一半的推进动力返回港口。

3 结 语

综上所述，邮轮不同于常规船型，其电力系统更复杂、安全要求也更高。常规船型的应急配电系统设计虽能满足邮轮设计规范要求，但渐渐落后于国外设计趋势。因此，本文设计了一种新型应急电网系统，采用双应急发电机组、双应急主配电板，形成了应急电网的A、B系统结构，并采用安全联锁冗余设计，解决了大型邮轮应急电网持续供电问题，能够最大程度地提高邮轮安全冗余性，满足邮轮安全返港要求。