DP-3級動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的不間斷電源設(shè)計(jì)

李偉杰，洪 鍵，何 凡，李玉濤，許亮亮，楊冰昀

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

DP-3級動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的不間斷電源設(shè)計(jì)

李偉杰，洪 鍵，何 凡，李玉濤，許亮亮，楊冰昀

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

不間斷電源（uninterruptible power supply）是能為負(fù)載提供不間斷電源和清潔電源的供電系統(tǒng)。根據(jù)船級社規(guī)范的要求，不間斷電源對于動(dòng)力定位系統(tǒng)是必不可少的?，F(xiàn)以一艘實(shí)際深水鉆井船為例，從動(dòng)力定位系統(tǒng)（dynamic positioning system）的DP3級的角度闡述DP控制系統(tǒng)的不間斷電源設(shè)計(jì)。本文首先介紹了常用的兩種不間斷電源的類型，再從動(dòng)力定位系統(tǒng)的角度闡述了不間斷電源的負(fù)載分配，最后再具體說明了不間斷電源在設(shè)備布置時(shí)需要考慮的要點(diǎn)。

動(dòng)力定位；控制系統(tǒng)；不間斷電源

0 引言

隨著海洋石油資源得到了廣泛的關(guān)注，當(dāng)前海洋工程項(xiàng)目的開發(fā)及制造也越來越多。對于深水海洋工程項(xiàng)目，無論是鉆井船還是深水半潛平臺(tái)，其定位方式只能采用動(dòng)力定位的形式。作為DP-3級動(dòng)力定位的附加標(biāo)志，根據(jù)船級社[1,2]的相關(guān)要求，其動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制電源必須采用不間斷電源UPS。其中必須有一臺(tái)作為備用動(dòng)力定位系統(tǒng)，與主動(dòng)力定位系統(tǒng)有A-60的艙室分割。不間斷電源UPS[3,4]，它是一種含有儲(chǔ)能裝置、以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的電源設(shè)備。其主要作用是在當(dāng)主電源中斷時(shí)，及時(shí)向用電設(shè)備提供清潔的電能，并使設(shè)備仍能持續(xù)工作一段時(shí)間。

1 不間斷電源的類型

1.1 簡單的UPS

簡單的UPS是由整流器、蓄電池、逆變器組成，見圖1。在正常情況下，外部的交流電源經(jīng)過整流器變換成直流，整流器的輸出將直流電提供給逆變器的同時(shí)，并對蓄電池進(jìn)行浮充電。當(dāng)外部電源失效時(shí)，其中的蓄電池將通過逆變器將電源輸出給負(fù)載，維持供電的連續(xù)性。這種類型的UPS的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)主電源失效時(shí)，可以通過蓄電池向負(fù)載持續(xù)提供電源。缺點(diǎn)在于當(dāng)逆變器故障時(shí)，整套系統(tǒng)均無法工作。此外，人員在進(jìn)行元器件維護(hù)時(shí)，必須將整套系統(tǒng)停止方能進(jìn)行。

圖1 簡單的UPS

1.2 帶靜態(tài)開關(guān)的UPS

顧名思義，這種類型的UPS比簡單的UPS多了靜態(tài)開關(guān)的元器件，如圖2所示。在正常情況下，其工作原理和簡單的UPS一樣。當(dāng)逆變器發(fā)生故障或者發(fā)生負(fù)載超載、短路時(shí)，為了保證不中斷地對負(fù)載進(jìn)行供電，可以通過靜態(tài)開關(guān)的轉(zhuǎn)換，由主電源通過直接向負(fù)載供電。靜態(tài)開關(guān)，是將一組反向并聯(lián)的電力晶閘管連接起來的電子元器件，可以將切換的時(shí)間縮短到毫秒以下。當(dāng)操作人員需要對對元器件進(jìn)行維護(hù)工作時(shí)，可以通過旁路的維護(hù)開關(guān)進(jìn)行，保證了在更換維護(hù)元器件時(shí)，不影響設(shè)備的供電。

圖2 帶靜態(tài)開關(guān)的UPS

本項(xiàng)目采用的即為此類型的在線式UPS[5]。UPS的輸出電壓穩(wěn)定度達(dá)到了±1%V，端頻率穩(wěn)定度可達(dá)±0.1%Hz，電壓的畸變度小于2%，為負(fù)載提供了穩(wěn)定的清潔的高品質(zhì)電源。整套系統(tǒng)將整流器、靜態(tài)開關(guān)、逆變器、維護(hù)開關(guān)做成一個(gè)UPS柜中，見圖3。將蓄電池組單獨(dú)做在另一個(gè)箱柜中。整個(gè)蓄電池的標(biāo)稱電壓為±96V，容量為50Ah/10h。通過16個(gè)12V 50Ah/10h的蓄電池串聯(lián)組成，如圖4所示。

圖3 UPS柜

圖4 蓄電池柜

2 不間斷電源的負(fù)載分配

UPS系統(tǒng)中的蓄電池容量應(yīng)給動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)備提供不少于30分鐘的持續(xù)電源[6]。UPS作為DP-3級動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的控制電源，在進(jìn)行負(fù)載分配時(shí)，需要先理清動(dòng)力定位系統(tǒng)具體的負(fù)載如DP操作臺(tái)，傳感器系統(tǒng)、位置測量系統(tǒng)等，并將這些分為主動(dòng)力定位系統(tǒng)和備用動(dòng)力定位系統(tǒng)后，結(jié)合各自的位置，設(shè)計(jì)合理的電源分配模式[7,8]。

根據(jù)ABS船級社DP-3級附加標(biāo)志的要求，需要至少配置三臺(tái)UPS，兩臺(tái)給主動(dòng)力定位系統(tǒng)負(fù)載供電，一臺(tái)給備用動(dòng)力定位系統(tǒng)的負(fù)載供電。主備系統(tǒng)間的負(fù)載不能混合供電。此外，每一個(gè)DP UPS僅僅只能供電給動(dòng)力定位系統(tǒng)的負(fù)載，與動(dòng)力定位系統(tǒng)無關(guān)的負(fù)載不能從DP UPS供電，需從其余的UPS取得電源。本項(xiàng)目在充分地考慮以上部分的要求后進(jìn)行負(fù)載的分配，具體見表1。

表1 DP UPS的負(fù)載分配

3 不間斷電源的布置

在DP-3的動(dòng)力定位系統(tǒng)中，為了保證由于進(jìn)水或失火造成的一個(gè)艙室的完全損失后，備用系統(tǒng)仍然可以維持正常工作的要求。主UPS系統(tǒng)的布置必須與備用UPS分開，之間應(yīng)有A60的艙壁進(jìn)行分割，這類的分開包括UPS所有部分，如控制單元、充電器、逆變器、蓄電池等。本項(xiàng)目中，兩臺(tái)主DP UPS布置在駕駛室中，一臺(tái)備用DP UPS布置在備用DP間。

在UPS的布置中還需要充分考慮其蓄電池的安裝位置，這是因?yàn)樵谛铍姵剡M(jìn)行充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的氫氣。而氫氣本身是一種易燃易爆的氣體，當(dāng)氫氣濃度大于一定值時(shí)易產(chǎn)生爆炸。所以ABS船級社對這方面進(jìn)行了具體的規(guī)定，按照連接蓄電池的充電裝置的輸出功率（按可能產(chǎn)生的最大充電電流和蓄電池的標(biāo)稱電壓計(jì)算），按表2的規(guī)定進(jìn)行安裝。

需要補(bǔ)充的是，當(dāng)UPS功率較大時(shí)，考慮到蓄電池組完全按照上述要求安裝，船上可能并沒有那么多的單獨(dú)艙室供蓄電池放置，因此船級社給了一個(gè)補(bǔ)充說明。當(dāng)功率大于2kW時(shí)如果蓄電池的氫氣釋放量相似于蓄電池功率在0.2與2kW之間的氫氣釋放量，那功率大于2kW的蓄電池充電器的布置可以參考下一級的要求。充電器功率在0.2與2kW之間的蓄電池布置同功率大于2kW的蓄電池布置類似，當(dāng)氫氣釋放量較低時(shí)，布置時(shí)可以作降級考慮。

表2 蓄電池組布置要求

本項(xiàng)目的DP UPS的容量為5kVA，充電器最大輸出功率為4kW。按照表2的規(guī)定，蓄電池組需要單獨(dú)布置在獨(dú)立的房間內(nèi)。但通過計(jì)算其對應(yīng)的氫氣釋放量后，發(fā)現(xiàn)其氫氣釋放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同等級蓄電池產(chǎn)生的氫氣量，因此蓄電池組與UPS一起，布置在同一艙室內(nèi)。現(xiàn)以DP UPS 3為例，見圖5。

此外，在蓄電池的布置時(shí)還應(yīng)該要考慮艙室環(huán)境溫度對蓄電池容量的影響。因?yàn)楫?dāng)艙室的環(huán)境溫度高于蓄電池的工作溫度時(shí)，蓄電池的容量會(huì)相應(yīng)的減小，無法對關(guān)鍵負(fù)載提供所需時(shí)間的電源。當(dāng)房間環(huán)境溫度無法滿足蓄電池工作溫度的要求時(shí)，需要加裝額外的通風(fēng)散熱保證蓄電池工作環(huán)境溫度或是增加蓄電池的容量。因此在選定蓄電池初期就需要與通風(fēng)專業(yè)協(xié)商好，避免在項(xiàng)目的后期帶來不必要的改動(dòng)。本項(xiàng)目的蓄電池工作溫度為25℃，而駕駛室和備用DP間的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為24℃，保證蓄電池能夠滿足外部電源故障后持續(xù)30分鐘的供電要求。

圖5 DP UPS在備用DP間的布置

4 結(jié)語

不間斷電源系統(tǒng)在海洋工程中得到了十分廣泛的運(yùn)用，尤其是在帶有動(dòng)力定位系統(tǒng)的鉆井船及半潛平臺(tái)中。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對負(fù)載進(jìn)行系統(tǒng)的分類，確定UPS的容量。在設(shè)備布置時(shí)，需要充分考慮動(dòng)力定位系統(tǒng)中冗余度的要求，并結(jié)合蓄電池產(chǎn)生的氫氣釋放量和艙室設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度，確定其合適的安裝位置。本文以理論與實(shí)際項(xiàng)目相結(jié)合，對不間斷電源UPS系統(tǒng)中的要點(diǎn)做了詳細(xì)的說明，希望能為以后的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供一定的經(jīng)驗(yàn)和參考。

[1] ABS Rules for mobile offshore drilling units[S]. 2012.

[2] ABS dynamic positioning system guide[S]. 2012.

[3] 陳可越. 船舶設(shè)計(jì)手冊[M]. 中國交通科技出版社.

[4] 周守為. 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南[M]. 石油工業(yè)出版社.

[5] GE不間斷電源系統(tǒng)資料[R]. 2012.

[6] 鋼制海船入級規(guī)范[S]. 2006.

[7] 候鑫光. 動(dòng)力定位系統(tǒng)綜述[J]. 2008.

[8] 吳斐文. 關(guān)于動(dòng)力定位國際組織和標(biāo)準(zhǔn)綜述[J]. 2008.

Uninterruptible Power Supply Design in Dynamic Positioning Control System with Three Class Notation

Li Wei-jie, Hong Jian, He Fan, Li Yu-tao, Xu Liang-liang, Yang Bing-yun
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

Uninterruptible power supply provides uninterruptible and clean power to the crucial load. The power is required to be compulsive by class. Based on a real drilling ship for UPS power design with consideration on DP3 class notation of the dynamic positioning system, the article explains the uninterruptible power supply design of the DP control system. The article firstly introduces two different types of the uninterruptible power supply. Secondly, the load allocation is explained by the angle of the dynamic positioning system. Finally, the key points of UPS arrangement which should be considered are stated in detail.

dynamic positioning system; control system; uninterruptible power supply

U661.1

A

10.14141/j.31-1981.2015.03.017

李偉杰（1985-），男，助理工程師，研究方向：船舶與海洋工程電氣專業(yè)設(shè)計(jì)。