大型邮轮综合电力推进系统开发设计

2022-03-30董良志曹亚冬方旻遐

船舶设计通讯 2022年2期

董良志，曹亚冬，方旻遐

（中船邮轮科技发展有限公司，上海 200137）

0 前言

大型邮轮被誉为移动的海上城市，需满足乘客安全性、舒适性和娱乐性的度假需求。随着综合电力推进系统技术的发展，综合电力推进系统已成为大型邮轮动力系统的主流形式。随着邮轮总吨的增大，电力推进系统的电机和邮轮电站容量不断增大，其电力系统供配电的控制、管理的复杂程度及自动化程度越来越高。根据SOLAS 公约，大型邮轮需满足MSC.216（82）决议关于客船安全返港（safe return to port，简写为SRtP）要求，推进系统是船舶航行的动力来源，因此对于安全返港至关重要［1］。由于我国在大型邮轮综合电力推进设计技术方面经验较少，对于这类船舶的电站设计、电网设计以及推进设备的配置方法都没有形成成熟的体系，因此有必要对大型邮轮综合电力推进系统关键技术进行研究。

1 电力负荷计算

大型邮轮电站除了保证电力推进系统的安全供电外，还需保证乘客用电负载的持续供电。电力负荷计算的方法和结果直接影响整船的安全性、经济性和操纵性。大型邮轮系统复杂，设备繁多，需准确统计设备明细、台数和额定功率，选择合适的负荷系数，得出各负载的实际消耗功率。

1.1 推进功率计算

以某15 万总吨级邮轮为目标船型进行分析，该邮轮主要技术参数如下：

部分12 万总吨～16 万总吨级大型邮轮推进功率统计见表1，推进器功率约占柴油机装机功率的50%～60%，所以主推进功率大小直接影响整船的电站容量。

表1 大型邮轮推进功率统计分析

船舶阻力计算是为了获得船舶的有效功率，在进行机桨匹配时，船舶有效功率作为必要的输入条件来确定柴油机和螺旋桨的相关参数。使用海军常数法估算目标船推进阻力，速度-功率曲线见图1，该邮轮在23.4 kn 航速时推进功率为40 894 kW。

图1 目标船型推进系统速度-功率曲线

1.2 工况分析和负载分组

大型邮轮通常可划分为夏季航行、正常航行、冬季航行、进出港、停泊、应急、安全返港、紧急撤离等8 种工况。与常规货船相比，邮轮增加了安全返港和紧急撤离这两种工况。由于冬季航行和夏季航行空调通风系统功率需求差异较大，所以也需进行单独计算。

发电机的总装机功率由以上8 种工况的最大值确定，邮轮的最大用电需求为夏季航行工况，电站总功率应大于该工况下的功率需求并保留10%的冗余度。同时需考虑其他工况下发电机的操作灵活性及经济性，进而确定单台发电机的功率和发电机的台数。

邮轮电力负载分成11 组：A 为船体、甲板、航行、安全系统负载；B 为推进及辅助系统；C 为主辅机系统；D 为船舶日用系统；E 为机舱通风系统；F 为空调系统；G 为厨房、冷藏、洗衣系统；H 为住舱服务系统；I 为照明及插座；J 为娱乐系统；K 为其他系统。

根据各类负载的负荷系数和同时使用系数，计算出各组负载在不同工况下的实际使用功率，根据最大功率需求确定电站容量，根据经济航行、进出港和停泊工况确定发电机的台数和单台功率。综合以上分析和计算，结合水池试验和设备厂家产品技术参数，通过对各组负载在不同工况下的使用功率进行计算汇总，可分析不同工况下整船所需的总功率，在各工况下发电机的使用系统应不超过90%，目标船电力负荷计算如表2 所示。

2 综合电网系统设计

大型邮轮综合电网系统需满足客船日用负载的用电需求和电力推进设备的用电需求，因此对发电和配电需进行统筹设计，即综合电网的设计理念，也称为综合电力系统。综合电网是指整船发电机的电能统一输出至一套配电板予以分配，综合电网最大的优势在于可实现配电的经济性和灵活性，最大的缺点是推进系统感性负载产生的谐波畸变会对常规负载产生影响。即使如此，与传统的推进系统相比变速电机的效率更高，综合电网与电力推进系统仍然成为邮轮广泛使用的推进方式。

大型邮轮综合电网架构模型分为星型馈线式（辐射网）结构和环网型结构，这两种架构模型在大型邮轮上都有应用，表3 为大型邮轮馈线式和环网式配电性能对比表。馈线式配电是一种常规的配电方式，这种配电方式相对成熟，目前国内建造的集装箱船、散货船、油船等基本都采用馈线式配电。环网式配电指的是将艏部配电板、区域配电板、尾部配电板组成一个环形，一处发生故障不会影响整个回路的供电，环网式配电在集装箱船冷箱配电中也有应用。图2 为馈线式配电示意图，所有设备负载直接从11 kV 主汇流排处馈电，每路负载需要单独的一个开关，一旦开关或电缆出现故障，该路负载将无法工作。图3 为环网式配电示意图，各主竖区住舱区域分别配置一个中压配电板，与其他主竖区的住舱11 kV 配电板和11 kV 主配电板组成环网结构，每个配电板包含两路输入开关和一路输出开关，输入开关连入环网结构，输出开关连接到各主竖区域变压器向各主竖区的低压配电板供电。

图3 环网式配电示意图

表3 大型邮轮馈线式和环网式主要性能对比

图2 馈线式配电示意图

通过对比分析馈线式和环网式电网架构设计方案，综合考虑设计复杂程度、经济性和操作灵活性等因素，目标船型确定馈线式配电方案，高压配电板前后机舱分开布置，满足冗余设计要求。

3 满足安全返港要求的推进系统设计

根据SOLAS 规定，对2010 年7 月1 日以后建造、船长在120 m 或以上、有3 个或以上主竖区的客船应满足安全返港要求。安全返港要求是指：当船舶发生火灾或浸水时，事故未超过事故界限，船舶能依靠自身动力安全返回港口。为达到安全返港目的，发生事故界限内的事故时，船舶的14 个重要系统应保持运转。电力推进系统就是14 个重要系统之一。

3.1 安全返港要求

综合电力推进系统关系到邮轮的动力和安全，是邮轮的“心脏”。安全返港对配电系统和推进系统要求如下：

1）应至少设有2 套推进系统，配置上应有所冗余，其推进机械应分舱布置。如布置在相邻处所，则相邻舱壁应为A 级防火分隔的水密舱壁。

2）当其中一套推进系统因事故界限内的火灾事故无法运行后，剩余的推进系统应考虑到预期营运区域的海况和风力条件能够安全返港，建议船舶在蒲氏风级8 级的天气条件和相应的海况下以不小于6 kn 的航速返回港口。

3）如推进系统的遥控功能丧失，可实现就地手动控制。

4）配电系统作为船舶安全返港至关影响的辅助系统，其设置应确保火灾或进水事故未超过事故界限时，SOLAS 第II-2 章21.4 条要求的由电力供应的系统仍能运行。

5）应至少设有2 套主配电板，并分别布置在不同的A 级防火分隔和水密分隔的处所内。

3.2 综合电力推进系统配置和布置

目标船中压配电板电压为11 kV，频率为60 Hz，由布置在前、后机舱内的两段配电板组成，之间通过母联开关连接。在正常情况下，两段配电板之间的开关是闭合的，假如一段配电板所在区域发生进水或火灾事故，母联开关自动断开，另外一段配电板可承担起为常规负载和推进系统供电的任务。电站配置5 台发电机组，前机舱布置3 台，后机舱布置2 台，分别给前后机舱高压配电板供电。

推进系统是安全返港要求的重要系统，该船配置2 套推进系统，分别布置在左右机舱内，确保一套推进系统所在区域发生进水或火灾事故后，另外一套推进系统可正常工作。每套推进系统由以下设备组成：2 套推进变压器，2 套变频器，1 套全回转推进器、推进控制系统。

每套推进系统的2 台推进变压器由同一段配电板供电，功能上兼顾变压和移相的作用。推进变压器的原边电压为11 000 V，副边电压为1 680 V。为防止电网起动电流过大，推进变压器配置1 台预充磁变压器。为了实现虚拟24 脉冲，2 台推进变压器原边相位移角为15°。

每套推进系统配置2 套中压变频器，2 套变频器共同实现推进电机的变频供电。中压变频器的输入电压为3 300 V，输出电压为2 850 V，可实现推进电机0～137 r/min 调速。变频器是电网产生谐波的最主要设备，因为电推系统采用变频进行调速，而谐波频率又随频率变化，这样直接影响船舶电网的电源质量。为了有效抑制谐波，采用虚拟24 脉冲以保证电网谐波在规范允许范围内。

安全返港考虑在最严重情况下推进系统如何实现返港要求，假设左舷推进系统的配电系统发生故障，右舷推进系统能够正常工作，右舷推进系统的辅助系统及常规负载也应正常工作。从布置上分析，如图4 所示，发电机和配电板分别布置在前后机舱内，推进系统布置在艉部的左右舷推进器舱。该船前后机舱以及艉部的左右舷推进器舱均采用A 级防火分隔。当一个机舱发生不超过事故界限的进水或失火事故时，不会影响另外一个机舱的正常运行，推进系统仍有一半的功率将船舶推进到最近的港口。推进电机采用双绕组、双变频器、双变压器配置，当一路推进变压器输入侧开关到电机绕组任何一处发生故障时，另外一路可正常工作，保证推进电机以半功率运行。