小型LNG運輸船電氣設計概述

何金平，張 龍

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司 天津300452)

0 引 言

隨著市場對LNG運輸船的需求增加，全球LNG運輸船的建造迎來了一個新的快速增長期。小型LNG運輸船主要擔負 LNG的國內(nèi)運輸及短程國際間運輸任務，船舶為無限航區(qū)，滿足美國船級社 ABS及中國船級社CCS雙船級標準。

船舶主要參數(shù)：總長 184.7m，垂線間長 175m，型寬 28.1m，型深 18.7m，設計吃水 7.4m。船舶有4個獨立的C型雙葉(bi-lobe)液貨艙，貨物圍護系統(tǒng)設計溫度為-164℃，液貨艙艙頂設計壓力為3.5barg(IMO)，屬 2G型船。船舶配備雙燃料電力推進系統(tǒng)，LNG蒸發(fā)氣可以供雙燃料主機作為燃料，由雙燃料主機為原動機的主發(fā)電機組作為公共電站，向全船所有負載供電；船舶電力推進系統(tǒng)采用純 24脈沖中壓變頻電力推進技術(shù)搭配全回轉(zhuǎn)推進器。船舶采用先進的通信導航配置，以及高度集成自動化系統(tǒng)，解決全船監(jiān)控及控制[1]。

1 電力系統(tǒng)

1.1 電站配置

該船主電網(wǎng)采用 AC6600V、50Hz三相三線絕緣系統(tǒng)，中性點不接地。電站由 3臺雙燃料發(fā)電機組(2臺 I型 3890kW 和 1臺 II型 2590kW)、1臺330kW應急柴油發(fā)電機組組成。主匯流排分為3段，每臺發(fā)電機對應一個分段。主配電板包括 3個主發(fā)電機屏、2個中壓日用變壓器屏、2個主推進饋電屏、1個側(cè)推饋電屏、2個母聯(lián)屏和2個母線提升屏。

該船電力系統(tǒng)主配電板單線圖如圖1所示。

1.2 電力負荷計算

該船為 LNG運輸船，與常規(guī)船舶有很大不同，其電力負荷計算分為全速航行、單發(fā)故障有效航行、靠離碼頭、裝貨、卸貨、錨地停泊、應急多種工況。根據(jù)船舶在各個工況下的負荷情況，計算船舶電力負荷如表1所示。

表1 各工況下的電力負荷計算Tab.1 Calculation of power load under various working conditions

圖1 主配電板單線圖Fig.1 Single chart of main distribution board

根據(jù)不同工況下的電力負荷計算，船舶電站配置2臺I型雙燃料發(fā)電機組(每臺功率3890kW)和1臺II型雙燃料發(fā)電機組(每臺功率2590kW)，應急機配置一臺330kW柴油發(fā)電機組。該電站容量能夠滿足船舶各種工況下的電力負荷，同時具有較好的經(jīng)濟性。

1.3 雙燃料電力推進系統(tǒng)

目前，雙燃料電力推進技術(shù)各個設備都有很多選擇性，可以集成出很多搭配。小型 LNG運輸船采用雙燃料電力推進系統(tǒng)，主要配置如表2所示。

表2 雙燃料電力推進系統(tǒng)設備配置Tab.2 Equipment configuration for dual-fuel electric propulsion system

該船主機采用瓦錫蘭雙燃料主機，可以使用柴油或者貨物系統(tǒng)蒸發(fā)氣(BOG)作為主機燃料，在正常情況下燃燒貨物蒸發(fā)氣，一方面可以消耗貨物系統(tǒng)蒸發(fā)氣以減小貨艙壓力，減少柴油的使用，提高船舶的經(jīng)濟性；另一方面天然氣作為燃料能夠使得船舶清潔排放，達到綠色船舶標準。

對于采用電力推進的船舶，根據(jù) CCS船級社規(guī)范要求，在一臺發(fā)電機組不工作時，剩余的機組應能向所有重要設備和船舶常用設備供電，同時維持有效推進，即應保證船舶航速不小于 7km/h或設計航速的一半，兩者中取大者[2]。本船電站的配置能力能夠完全滿足要求。另外，本船推進系統(tǒng)由兩套獨立的全回轉(zhuǎn)推進器組成，設計航速 16.5km/h(15%SM)，任何一臺推進器故障均不影響另一臺推進器持續(xù)為船舶提供動力，以保證船舶的操縱性。

電力推進船舶由于其設備的特殊性，在設備本身實現(xiàn)功率控制及處理的同時，都不可避免地產(chǎn)生大量諧波。大多數(shù)電力系統(tǒng)都可以容忍一定程度的諧波產(chǎn)生，但是諧波在總電網(wǎng)中所占的比例較為明顯時，會對電力系統(tǒng)及設備造成很大的影響，甚至造成系統(tǒng)癱瘓或設備損壞。所以，控制諧波的產(chǎn)生或有效減少諧波顯得尤為重要。中國船級社鋼質(zhì)海船入級規(guī)范第8篇第15章第2節(jié)15.2.2.2明確規(guī)定“為電力推進供電的配電板，總的電壓畸變應不超過 10%”[3]。為了有效抑制諧波的產(chǎn)生，本船電力推進系統(tǒng)采用純24脈沖變頻電力推進技術(shù)，根據(jù)軟件仿真諧波分析計算，6600V主配電板最大諧波為2.84%，輔配電板最大諧波為4.79%。

小型 LNG運輸船設置全船公共電站，擔負全船的所有用電負荷。為了滿足船舶電力負荷有效分配，保證船舶的安全可靠運行，本船設置電站功率管理系統(tǒng) PMS，控制和管理電網(wǎng)中的發(fā)電設備，確保船舶不間斷供電，為船舶負載提供足夠的電源。功率管理系統(tǒng)主要保護全船電網(wǎng)和進行電功率的匹配。當電網(wǎng)出現(xiàn)應急情況(如某臺發(fā)電機組跳閘)時，電站保護系統(tǒng)將在其他運行發(fā)電機組過載跳閘之前迅速將主推進功率降低，不致于使全船電網(wǎng)斷電。自動電站包括手動、半自動、自動3種操作模式。另外，自動電站具有自動起動、停止備用發(fā)電機、自動同步、自動調(diào)頻調(diào)載、自動進行負載分配、自動卸載等功能，以保證電網(wǎng)供電的連續(xù)性和經(jīng)濟性。自動電站還具有故障排除后的重要負載按原順序重新自起動、重載問詢及自檢等功能[4]。

2 貨物系統(tǒng)

LNG運輸船較常規(guī)船舶具有很大的特殊性，主要是貨物系統(tǒng)設備是全船電力負荷的重要部分，船舶貨物系統(tǒng)在各個工況下的操作直接與電站的電力負荷息息相關(guān)。只有了解其功能及使用工況，才能準確地進行電力負荷的計算，從而保證貨物系統(tǒng)的正常操作及安全。

本船配 1套貨物配電板，安裝于貨物控制室，接收來自輔配電板 2路三相 400V/50Hz饋電(每一路電源可滿足貨物配電板所有負載)，給貨物系統(tǒng)各設備供電。貨物配電板分為A、B 2段，貨物系統(tǒng)用電設備對稱分布于2段母排上，正常情況下2段母排分段運行；應急情況下，亦可 2段母排進行連接運行(對在線設備及符合有所限制)，保證了貨物系統(tǒng)設備用電的冗余度和可靠性[5]。貨物系統(tǒng)為獨立系統(tǒng)，具有設備多、負荷大的特點，電力負荷僅次于推進負荷，其主要電氣設備及功率參數(shù)如表3所示。

表3 貨物系統(tǒng)主要電力設備Tab.3 Main electrical equipment for cargo systems

貨物系統(tǒng)設備電力負荷的使用在各個工況下有很大不同，小型 LNG運輸船貨物系統(tǒng)主要有干燥、惰化、預冷、裝載、載貨航線、卸載、燃氣供給與蒸發(fā)氣BOG處理等工況。

3 全船集成自動化控制系統(tǒng)

全船集成自動化控制系統(tǒng)，是將全船的各個監(jiān)控及設備控制系統(tǒng)集成到一個大的自動化系統(tǒng)，組成全船高度集中的自動化控制系統(tǒng)，以提高船舶的自動化程度。

本船配 1套基于 PLC(進口)和冗余功能(電源、CPU、I/O 總線)的全船自動化系統(tǒng) IAS，能夠滿足規(guī)范要求，實現(xiàn)對本船各設備或系統(tǒng)的監(jiān)視、報警、控制等。自動化系統(tǒng)集成了機艙監(jiān)測報警、電站功率管理監(jiān)測報警、推進系統(tǒng)監(jiān)測報警、風機/泵的遙控、閥門遙控、液位顯示等功能，另外 IAS系統(tǒng)通過與液貨監(jiān)控系統(tǒng)的接口顯示貨物系統(tǒng)的參數(shù)(圖2)。

圖2 集成自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of integrated automation systems

自動化系統(tǒng)根據(jù)設計任務要求，滿足 CCS對周期無人值班機器處所自動化附加“AUT-0”標志的要求[6]。自動化系統(tǒng)主要項目有：主推進系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測和故障報警顯示；艏側(cè)推系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測和故障報警顯示；雙燃料發(fā)電機組參數(shù)監(jiān)測和故障報警顯示；艙液位顯示；閥門遙控；火警探測系統(tǒng)報警信號顯示；氣體探測系統(tǒng)參數(shù)顯示及報警；功率管理系統(tǒng)(自動電站)參數(shù)監(jiān)測和故障報警顯示；貨物系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測和故障報警顯示；密閉傳輸系統(tǒng)CTS的顯示；振動監(jiān)測系統(tǒng)報警顯示。

4 結(jié) 語

本文通過對采用雙燃料電力推進技術(shù)的LNG船電力系統(tǒng)進行分析，對于該類型船舶的電氣系統(tǒng)，主要涉及船舶電站設計、電力負荷計算、推進系統(tǒng)、貨物系統(tǒng)及全船集成自動化系統(tǒng)等進行了詳細闡述。中小型 LNG運輸船具有很大的行業(yè)優(yōu)勢，而且中小型 LNG運輸船采用電力推進備受行業(yè)青睞，通過對該類型電力推進船舶的特點進行分析和設計初探，為中小型 LNG運輸船船舶的電氣設計提供參考，在船舶設計建造工程中具有借鑒作用。