基于ABS DPS-3和EHS-P的電力系統(tǒng)閉環(huán)運行的解決方案

呂孝銘， 何吉飛

(挪威埃捷力海洋工程集團, 上海 201206)

基于ABS DPS-3和EHS-P的電力系統(tǒng)閉環(huán)運行的解決方案

呂孝銘， 何吉飛

(挪威埃捷力海洋工程集團, 上海 201206)

該文介紹了美國船級社發(fā)布的最新的動力定位系統(tǒng)指南中新增的船級符號EHS-P的相關(guān)內(nèi)容，及基于EHS-P的電力系統(tǒng)在DPS-3模式下閉環(huán)運行的概念及其相應(yīng)的優(yōu)勢。簡述了閉環(huán)模式下的電力系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)在設(shè)計時的要點及故障模式影響分析中存在的問題。

動力定位；閉環(huán)運行；故障模式影響分析

0 引言

根據(jù)IMO MSC/Circ.645的規(guī)定，所有DP船舶的設(shè)備等級被分為3級：Class 1，Class 2和Class 3。ABS與之對應(yīng)的船級符號為DPS-1,DPS-2和DPS-3。對于傳統(tǒng)的配置3級DP系統(tǒng)的船只，IMO的要求是電力系統(tǒng)在DP運行時，主配電板必須處于開環(huán)狀態(tài)，即所有的母聯(lián)開關(guān)全部處于打開位置，除非閉環(huán)運行可以實現(xiàn)與開環(huán)相同的故障安全完整性保護。

隨著海洋油氣開發(fā)成本的提高和對環(huán)保排放要求的日趨嚴(yán)格，近來越來越多的船東希望電力系統(tǒng)可以在DP的操作模式下閉環(huán)運行。閉環(huán)運行不僅可以降低燃油消耗支出，減少因機組維護而停工的時間，也使得系統(tǒng)操作更加靈活方便，同時減少排放，更加環(huán)保。

DP系統(tǒng)的保護功能不斷完善，這促使閉環(huán)運行成為可能。因為絕大部分的深水半潛式鉆井平臺和鉆井船都采用的是3級的動力定位系統(tǒng)，該文將著重圍繞DPS-3加EHS-P配置來展開討論，就這一新概念提出切實的設(shè)計方案。

1 閉環(huán)系統(tǒng)的運行介紹

EHS-P的一個重要的變化，在于它允許在滿足一系列的條件后，電網(wǎng)可以在DP模式下閉環(huán)運行。 閉環(huán)運行是一種操作模式，在這種模式下，所有的或大部分匯流排分段和所有的或大部分配電板是連接在一起的，也就是說，配電板之間的母聯(lián)開關(guān)是閉合的(如圖1所示)，與閉環(huán)相對應(yīng)的是傳統(tǒng)的“開環(huán)”運行模式(如圖2所示)。

圖1 閉環(huán)運行 圖2 開環(huán)運行

由于閉環(huán)運行時，在網(wǎng)的發(fā)電機全部聯(lián)接在一起，如果單一故障發(fā)生時不能快速響應(yīng)和及時處理就有可能引起電網(wǎng)的共模故障最終導(dǎo)致全網(wǎng)失電，這會導(dǎo)致平臺和鉆井船定位能力的丟失，帶來災(zāi)難性的后果。雖然MSC/Circ.645同時提出允許閉環(huán)運行，前提條件是需要系統(tǒng)設(shè)計成具有和開環(huán)運行相同的故障安全完整性，各船級社也都在規(guī)范里面引用這一點。但由于可以導(dǎo)致電網(wǎng)共模故障的原因多種多樣，保護功能很難面面俱到。所以到目前為止，閉環(huán)操作模式在3級DP系統(tǒng)(DPS-3)上被批準(zhǔn)的項目不多。

2 DPS-3， EHS-P閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計要點

對于DPS-3系統(tǒng)而言，單一故障，包括單艙失火或進水，在正常的海況下，不會造成平臺的位置和艏向嚴(yán)重偏移。EHS-P針對閉環(huán)運行，為避免由于單一故障導(dǎo)致的全網(wǎng)失電，額外增加了一些增強系統(tǒng)可靠性的設(shè)計規(guī)定，新規(guī)定涉及電力系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和故障模式影響分析等方面。

2.1 電力系統(tǒng)

針對電力系統(tǒng),EHS-P提出了獨立自主的系統(tǒng)設(shè)計和區(qū)域保護的概念。

獨立自主的系統(tǒng)設(shè)計指每臺發(fā)電機組的保護裝置應(yīng)獨立。不僅獨立于其它的發(fā)電機組，還要獨立于功率管理系統(tǒng)(PMS)，這使得保護裝置可以不依靠PMS獨立對發(fā)電機組進行保護。這種設(shè)計好處在于PMS系統(tǒng)和其它發(fā)電機組控制系統(tǒng)的故障不會對發(fā)電機組的保護造成影響。

配電板的分區(qū)保護是將主配電板分成若干區(qū)域(一般與DP系統(tǒng)分隔相符)，每一個區(qū)域都有獨立的保護裝置來保護發(fā)電機組和匯流排，通過快速切斷功能限制電弧損害，使分區(qū)內(nèi)的故障不會波及到分區(qū)外。

2.2 增強的發(fā)電機保護

增強的發(fā)電機保護要求：

(1) 對發(fā)電機的電壓和頻率進行監(jiān)測以作為故障指示的基礎(chǔ)。監(jiān)測的內(nèi)容包括：發(fā)電機過/欠頻、發(fā)電機過/欠壓、柴油機油量過剩和油量不足、發(fā)電機不穩(wěn)定運行、失去勵磁、有功和無功負(fù)載分配不均等等。

(2) 對其他控制設(shè)備的監(jiān)測，包括：電子調(diào)速器故障、自動調(diào)壓裝置(AVR)故障、PMS故障、發(fā)電機保護裝置故障、斷路器異常。

(3) 對隱藏故障進行監(jiān)測和定期測試將故障發(fā)生概率降到最低。包括：斷線故障、斷路器合閘線圈、脫扣線圈故障等等。

(4) 完整的后備保護。每個保護裝置均要有后備保護，以便于當(dāng)該保護裝置無法動作時，后備保護可以及時地動作，以避免較大的故障傷害。

(5) 起動沖擊電流的保護。主配電板上容量大的高壓變壓器的空載合閘會產(chǎn)生很大的沖擊電流，導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時壓降，有可能引起保護裝置的脫扣。為此增強的發(fā)電機保護要求為所有的高壓變壓器和變頻器均配備預(yù)充磁裝置。

2.2.1 快速故障恢復(fù)

快速故障恢復(fù)功能要求電網(wǎng)在失電時，能快速起動發(fā)電機組和并網(wǎng)發(fā)電，推進器應(yīng)能盡快起動，恢復(fù)DP的定位能力。EHS-P對PMS系統(tǒng)的斷電恢復(fù)要求是在60 s內(nèi)不借助任何人為干預(yù)而恢復(fù)DP的定位能力。

閉環(huán)運行當(dāng)主匯流排斷電時，主配電板上的所有的母聯(lián)開關(guān)應(yīng)自動斷開，此時電網(wǎng)會被分隔成若干獨立的DP區(qū)域，這就要求在設(shè)計時，要保證每個區(qū)域里面均要有快速恢復(fù)的能力。

2.2.2 故障穿越

故障穿越是指在短路故障發(fā)生時，設(shè)備應(yīng)能承受一段時間的欠壓而不失效，從而允許保護裝置有時間切斷故障。與DP系統(tǒng)有關(guān)的所有重要設(shè)備，例如發(fā)電機、主配電板、推進裝置，都應(yīng)具有故障穿越能力，以使短路導(dǎo)致的瞬時壓降不會導(dǎo)致重要設(shè)備失效而對定位能力造成影響。通常故障穿越的時間即是保護裝置動作的時間，大約是數(shù)百毫秒。通常建議對系統(tǒng)的要求是能夠承受1 s的瞬時壓降不失效。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)備用和起動備用

發(fā)電機組的備用方式可分為兩種，旋轉(zhuǎn)備用和起動備用，兩者是相對的概念。旋轉(zhuǎn)備用是指發(fā)電機組的冗余方式是在網(wǎng)運行；起動備用是指發(fā)電機組的冗余方式可以當(dāng)在網(wǎng)發(fā)電機組發(fā)生故障時，再起動并網(wǎng)。對發(fā)電機組的備用方式，EHS-P的規(guī)定是“在發(fā)生最嚴(yán)重的故障后，旋轉(zhuǎn)備用機組的容量需要至少能夠補償50%的由于故障所失去容量，其它50%可以由起動備用機組來提供”。

以起動備用作為冗余方式需要具有以下條件：

(1) 針對DPS-3，單點故障不能引起整個電網(wǎng)的失電。這就要求電網(wǎng)無論何種情況都至少有兩臺機組在網(wǎng)，而且兩臺機組不能在同一A-60級防火分隔內(nèi)。

(2) 一個冗余組里面的故障不能導(dǎo)致其他冗余組的失效。

(3) 起動負(fù)載轉(zhuǎn)換過程中和轉(zhuǎn)換后的冗余組出現(xiàn)的故障不能導(dǎo)致其他冗余組的失效。

(4) 至少要考慮一臺機組無法起動的情況。

(5) 針對需要立即獲得推力的工況，旋轉(zhuǎn)備用需至少等于最大的一臺在網(wǎng)發(fā)電機組的容量。

2.2.4 負(fù)載分配

負(fù)載分配包括有功負(fù)載分配和無功負(fù)載分配。有功功率的分配控制的是柴油機轉(zhuǎn)速，即發(fā)電機的頻率；無功功率分配針對的是發(fā)電機的端電壓。有功分配由電子調(diào)速器通過調(diào)整柴油機油門齒條來進行，而無功分配則是自動調(diào)壓裝置通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵磁電流來實現(xiàn)。兩種負(fù)載的分配都是獨立于PMS的，PMS僅作為后備。負(fù)載分配的控制模式有兩種：下降模式和恒頻模式。

EHS-P針對有功分配，如果電子調(diào)速器使用恒頻模式進行負(fù)載分配，那么當(dāng)恒頻模式發(fā)生故障時，應(yīng)能自動切換到下降模式進行負(fù)載分配。針對無功分配，則要求在自動調(diào)壓裝置間不需要進行通信的情況下，通過發(fā)電機的Droop曲線來進行負(fù)載分配。

閉環(huán)運行一般建議電子調(diào)速器和自動調(diào)壓裝置均運行在Droop模式下，因為機組間的負(fù)載分配線的失效容易導(dǎo)致機組的停機，甚至全船停電。

2.3 推進器系統(tǒng)

推進器系統(tǒng)的快速響應(yīng)是要求當(dāng)電網(wǎng)突然出現(xiàn)故障時，變頻控制系統(tǒng)可以暫時減少推進負(fù)荷的輸出來穩(wěn)定電網(wǎng)，防止由于發(fā)電機的過載脫扣而全網(wǎng)失電。此種保護要求響應(yīng)時間極短，通常是在毫秒級。

2.4 輔助系統(tǒng)

在DPS-3的基礎(chǔ)上，EHS-P對輔助系統(tǒng)有一些額外的要求，包括機組之間要求具有獨立的日用油柜，機組的淡水冷卻系統(tǒng)與推進器的淡水冷卻系統(tǒng)要獨立不能共用。表1中列出了DPS-3和DPS-3 + EHS-P的一些主要的區(qū)別。

表1 DPS-3與DPS-3 + EHS-P的主要區(qū)別

3 故障模式影響分析(FMEA)和測試

由于閉環(huán)模式更容易導(dǎo)致共模故障，為了滿足電網(wǎng)與開環(huán)運行具有相同的故障安全完整性，要特別注意對所有可能發(fā)生的故障模式進行分析。同時對相關(guān)模式應(yīng)進行實際測試，以確定保護功能可以在各種運行模式下正常工作?；贒PS-3的DP系統(tǒng)FMEA要求之上, EHS-P要求增加額外的內(nèi)容。包括：

(1) 短路情況下，保護裝置的動作；

(2) 閉環(huán)時，短路導(dǎo)致的瞬時壓降對電網(wǎng)的影響；

(3) 燃油系統(tǒng)故障(燃油過剩，燃油不足)；

(4) 過勵磁和欠勵磁；

(5) 電子調(diào)速器和自動調(diào)壓裝置故障；

(6) 備用起動和轉(zhuǎn)換的故障；

(7) PMS的故障，包括負(fù)載分配；

(8) 快速響應(yīng)和重載起動功能；

(9) 快速恢復(fù)功能。

4 結(jié)語

閉環(huán)運行具有的優(yōu)勢使越來越多的船東希望能夠把它應(yīng)用到海洋油氣開發(fā)當(dāng)中。但另一方面閉環(huán)運行的一些潛在風(fēng)險也引起了注意，海洋工程的相關(guān)設(shè)計方，設(shè)備供應(yīng)商，建造方和船級社都有責(zé)任使系統(tǒng)的設(shè)計更安全、更合理、更可靠。

Electrical System Closed Bus Design Features Based on ABS Notation DPS-3 and EHS-P

LV Xiao-ming, HE Ji-fei

(Agility Group, Shanghai 201206, China)

This paper has introduced new ABS class notation: EHS-P, which was released in the newest ABS guide for dynamic positioning systems edition. In addition it also presents the electrical system in “Closed bus” configuration under DPS-3 operation mode based on EHS-P notation and its advantages. Brief overview of the design features for the power system, thruster system and auxiliary system etc. has also been demonstrated as well as the additional requirement in the DP FMEA.

DP; closed bus; FMEA

2013-5-29

呂孝銘(1983-)，男，工程師。

1001-4500(2014)04-0014-04

TM76

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