某南极磷虾捕捞加工船配电系统设计

王彦朋

摘    要：本文通过对某南极磷虾捕捞加工船的复合动力系统配置和大功率负载进行分析，设计了一种适用于专业南极磷虾捕捞加工船的环形配电网络结构，详细阐述了基于环形配电网络的供电模式设计和PMS设计要点，对同类型船舶配电系统设计有一定指导意义。

关键词：极地远洋渔船；环形配电；船舶电站

中图分类号：S972.7+4                          文献标识码：A

Power Distribution System Design of the Antarctic

Krill Factory Trawler

Wang Yanpeng

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： This paper designs a ring power distribution network structure based on the complex and changeable working conditions of the Antarctic krill factory trawler through the configuration of the Antarctic krill factory trawlers hybrid power system and the analysis of high–power load， expounds in detail the key points of the power supply mode design and PMS design based on the ring power distribution network， which has certain guiding significance for the design of the power distribution system of the same type of ships.

Key words： Polar offshore fishing vessel;  Ring power distribution;Ship power station

1     前言

南极磷虾捕捞加工船是一种集南极磷虾高效捕捞、精深加工及多级冷藏储存为一体的高端极地远洋渔船，融合了多项现代船舶、渔业和水产品领域的先进技术。除常规船舶用电设备外，南极磷虾捕捞加工船还配置了专用的南极磷虾高效捕捞设备、磷虾多线精深加工流水作业线和货舱分级制冷系统、货物大包转运设备，以及极地大型防结冰、除冰系统，以满足南极区域全渔季全天候作业需求。南极磷虾捕捞加工船的捕捞作业方式、加工作业工艺以及储存转运技术特殊，作业工况复杂、多变，需要满足航行调遣、拖网捕捞作业、停泊转载（装有冻虾）、停泊卸货、停泊休息、应急等多种工况的电力负荷需求，而这些需求差异非常大，因此合适的配电网络设计及PMS功能设计至关重要，除确保供电连续性、安全可靠性以外，还要有充分的灵活性和匹配性，以满足各种复杂工况的电力需求，实现对全船能源的统一管理、综合利用、有效分配[1]。

2     船舶电站配置

考虑到复杂的工况及设备配置，某南极磷虾捕捞加工船采用了二进三出复合动力系统（见图1）：主推进系统为双机单调距桨双PTO型式，每臺主机在飞轮端经主高弹性联轴器与齿轮箱连接，齿轮箱主输出端通过中间轴、螺旋桨轴驱动调距桨，齿轮箱两个PTO输出端通过高弹性联轴器驱动轴带发电机。

本船设有3PH、AC400 V、50 Hz、2 500 kW轴带发电机组2台；3PH、AC400 V、50 Hz、1520 kW辅助发电机组2台；3PH、AC400 V、50 Hz、500 kW停泊兼应急发电机组1台。

3     船舶用电负荷分析

为确定主电站配置是否满足该船的各作业工况下的负荷需求，开展了船舶电力负荷估算工作。

（1）根据该船的作业需求，确定电力负荷计算工况：航行工况（15 kn，压载、货舱制冷）；航行工况（15 kn，磷虾冷冻）；拖网工况（40 t拖力1个拖网，冻虾/虾肉/虾粉加工）；拖网工况（50 t拖力2个拖网，冻虾/虾肉/虾粉加工）；停泊转载工况（装有冻虾）；停泊卸货工况；停泊休息工况；应急工况。

（2）除常规用电设备外，主要用电负荷为3台侧推、电伴热除冰/防冰系统、捕捞绞车液压泵站、货舱制冷压缩机、虾粉生产线等。

船舶用电设备及负荷，见表1、表2（A）（B）所示。

由表1、表2（A）（B）可以看出，主电站4台发电机组完全可以满足航行、连续捕捞加工等作业工况下的负荷需求，当发电机组发生故障时，备用发电机组可以及时起动并进行配电，确保连续捕捞加工作业。

4    环形配电网络设计

4.1   环形配电网络构成

南极磷虾捕捞加工船工况复杂多变，为满足各种工况下电力需求，结合本船动力配置，配电网络采用环形配电网络结构：AC380 V主汇流排分为4段汇流排（A/B/C/D排），每段汇流排分别接一台辅发电机或一台轴带发电机；汇流排之间均配有断路器，A排和D排通过2个断路器以及动力电缆或铜排可以相连，从而形成环形配电网，实现分区供电，如图2所示。

4.2    环形配电结构联络开关控制逻辑设计

为实现上述环形配电网络，通常有以下两种方式：

（1）通过联络开关以及铜排，实现主汇流排首、末端相连，形成环形汇流排；

（2）通过联络开关以及动力电缆，实现主汇流排首、末端相连，形成环形配电网络。

如果采用第（1）种方式，将导致配电板柜体加大，使船舶空间更加紧张，建造成本增加，因此本船选用第（2）种方式，理论上通过1只联络开关以及动力电缆即可满足设计和使用要求；但动力电缆一端将与母排直接相连，导致电缆长期处于带电状态，存在一定安全隐患，因此从设备使用维护及电缆保护角度考虑，配置2只联络开关（BT4、BT5），将首端联络开关BT4设为主联络开关，将末端联络开关BT5设为从联络开关，2只联络开关控制逻辑如下：

（1）BT4合闸前，必须先合闸BT5;

（2）BT5合闸后，在3 s内未对BT4做同步操作，则BT4立即分闸；

（3）BT4先分闸，BT5延时3 s后分闸；

（4）BT5先分闸，则BT4立即分闸。

通过上述环形配电结构设计，在不同工况下灵活分段不同联络开关，满足不同负载需求；当环形配电网上某区段或某台发电机组发生故障时，利用联络开关或发电机主开关及时切断隔离后，其它区段上的负载仍然可以正常工作，提高船舶供电连续性和可靠性。

5    PMS同步功能设计

为提供电站配置的灵活性，功率管理系统需通过硬件配置及软件设计，分别对4个发电机组主开关以及4个联络开关进行自动并车、自动负荷分配、自动卸载解列等功能的自动操作，以实现4段汇流排的多种组合配电模式，提高配电效率和配电安全可靠性。

为了提高功率管理系统运算速度和安全可靠性，功率管理系统采用分布式控制[2]，针对自动同步功能、自动负荷分配、自动卸载解列等控制要求比较高的功能，采用专用同步模块实现。

功率管理系统配置一套控制系统、4个PPU并车和保护模块和4个FAS-113DG同步器，为提供系统安全、可靠性，控制系统采用双CPU配置，互为冗余，当单个CPU故障，设备仍能可靠运行。

（1）一套控制系统，负责全船电站综合管理及监控，实现电站信号采集、状态监控、发电机控制管理以及重载问询功能、优先脱扣等功能；

（2）PPU并车和保护模块作为PLC的下一级模块，安装在各发电机屏，负责发电机三相电压、电流等信号的采集处理，具有发电机保护（过电流、逆功率、短路）和自动并车功能，并能通过Profibus现场总线将采集和处理的电压、电流、功率等数字信息输入到上一级PLC，且能接受PLC通过Profibus总线发出的指令，实现输入、输出共享，从而提高电力系统的可靠性，实现分布式控制；

（3）FAS-113DG同步器，作为PLC的下一级模块，安装在各联络开关屏，负责实现汇流排联络开关自动同步控制。通过对比联络开关两侧电压、频率，同步器输出调速指令到PLC系统，PLC系统完成发电机转速调整，直至并车成功。联络开关控制、自动负载转移以及自动卸载解列等功能，均由PLC系统负责完成，从而提高电力系统的可靠性，实现分布式控制。

6    PMS供电模式设计

基于上述船舶电站配置以及环形配电网络结构，本船在各工况下存在多种供电模式：

（1）航行模式（15 kn，带压载、货舱制冷）

侧推、捕捞设备、渔业加工设备不工作，电网容量不大，主推进功率也不大。此时船舶电网采用主要由2台轴发分区供电、主配电板分成2段排的设计方案。

（2）航行模式（15 kn，磷虾冷冻）

侧推、捕捞设备、渔业加工设备不工作，电网容量不大，主推进功率比较大。此时船舶电网采用主要由1台或2台辅发供电、主配电板合成一段排的设计方案。

（3）传统拖网模式

侧推、捕捞和渔业加工设备工作，推进功率不大。此时全船电力负荷较大，船舶电网采用主要由2台轴发分区供电、主配电板分成2段排的设计方案。

（4）连续泵吸拖网模式

侧推、捕捞和渔业加工设备工作，推进功率不大。此时全船电力负荷较大，船舶电网采用主要由2台轴发和1/2台辅发分区供电、主配电板分成3段排的设计方案。

（5）特定回转捕捞模式

三台侧推工作，捕捞和渔业加工设备也工作，推进功率不大。此时全船电力负荷最大，船舶电网采用主要由2台轴发和1/2台辅发分区供电、主配电板分成3段排的设计方案。

（6）海上转运模式

推进器工作，推进功率不大。此时全船电力负荷较小，船舶电网采用主要由2台轴发分区供电、主配电板分成2段排的设计方案。

（7）靠港卸货模式

主机停机。此时全船电力负荷非常小，船舶电网采用主要由1台辅发供电、主配电板合成一段排的设计方案。

（8）停泊/应急模式

全船由应急/停泊发电机供电，与主发电机不断电切换，船舶电网采用配电板手动控制模式操作的设计方案。

综上所述，本船电网设计方案如表3所示。

通过上述电网设计，可以在联络开关的灵活组合下，兼容12种供电模式。

为了提高配电效率和配电安全可靠性，PMS将供电设置为自动和手动模式：

（1）自动模式

①  1段排：A+B+C+D

1台或2台柴发对A、B、C、D排供电；联络开关BT1、BT2、BT3合闸，BT4、BT5分闸；

②  2段排：A+B，C+D

SG1对A&B排供电，SG2对C&D排供电；联络开关BT1、BT3合闸， BT2、BT4、BT5分闸；

③  3段排：A+D，B，C

SG1对B排供电，SG2对C排供电，1台或2台柴发对A&D排供电；联络开关BT4、BT5合闸， BT1、BT2、BT3分閘。

（2）手动模式

操作人员通过手动或半自动操作，实现所有供电模式。

根据上述船舶各工况下配电模式的研究，配电板提供手动和PMS 两种控制模式，可通过配电板模式选择开关来选择；配电板触摸屏中设置了半自动和自动模式选择按钮，在PMS管理模式下有三种自动模式。

7     结语

南极磷虾捕捞加工船是一型兼航行调遣和连续捕捞、多线加工、多级储存作业的极地远洋渔船，犹如一座大型的海上移动工厂，其优异的配电设计能有效降低燃油的消耗，节约成本，提高效益，达到环境友好绿色理念。本文进行的配电网络设计和PMS功能设计研究，针对基于南极磷虾捕捞加工船复杂多变的工况特点，在保障船舶运营的连续性、安全可靠性时，充分考虑了环境友好、高效安全、快速响应的国际法规趋势，实现了船舶的高效运营、安全可靠和环保节能的综合能力，为国家制订专业化、现代化远洋渔船的发展规划做出技术支撑。

参考文献

[1]窦晓峰，刘文达. 船舶环形配电网电流保护研究[J].  船电技术，2015（8）.

[2]易捷，闭应洲，蓝晨华，许家坤，梁云凌. 分布式控制系统关键技术研

究[J].广西师范学院学报（自然科学版），2009（12）.