某大型原油船脫硫改裝電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫寶龍 滕音文 張?jiān)破?侯玉乙 陳 熙

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司 大連116021）

引 言

IMO（International Maritime Organization）第58屆海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）批準(zhǔn)了MARPOL 73/78 公約附則VI 修正案，規(guī)定：2012 年1 月1日后，在非排放控制區(qū)航行的船舶，其燃油含硫量必須低于3.5%，2020 年1 月1 日后，全球區(qū)域燃油含硫量低于0.5%；但是在排放控制區(qū)域（ECA），2010 年7 月1 日后，燃油中的含硫量須低于1%，2015 年1 月1 日后，含硫量須低于0.1%。國(guó)際海事組織還規(guī)定，除使用低硫油外，船舶也可以采用經(jīng)認(rèn)可的廢氣洗滌系統(tǒng)或其他技術(shù)降低船舶動(dòng)力裝置排放的SOX，使之相當(dāng)于對(duì)應(yīng)含硫量燃油的排放。［1］

由IMO 公約可知，目前IMO 推薦的解決船舶排氣中SOX含量超標(biāo)問(wèn)題的方法主要是使用低硫油和采用廢氣處理裝置兩種。選用低硫燃油是最直接最有效的方法，但是由于低硫油在煉制過(guò)程中需經(jīng)過(guò)額外的脫硫過(guò)程，價(jià)格高于傳統(tǒng)重油很多。這將很大程度上增加船舶的運(yùn)營(yíng)成本。相對(duì)于使用低硫油，洗滌脫硫裝置的應(yīng)用具有很多優(yōu)勢(shì)；雖然初期投入成本會(huì)增加，但是由于低硫油和傳統(tǒng)重油較大的差價(jià)，使得船舶會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)收回成本。由此可見(jiàn)，對(duì)已運(yùn)營(yíng)船舶而言，增加洗滌脫硫裝置是最為經(jīng)濟(jì)的形式。

本文以某大型原油船加裝洗滌脫硫裝置改造項(xiàng)目為背景，對(duì)船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

1 設(shè)計(jì)原理分析

1.1 脫硫系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本船選用的是國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的開(kāi)式洗滌脫硫系統(tǒng)。處理能力滿足MARPOL 公約附則VI 要求和MEPC259（68） Schem-B 要求，使含硫量為3.5%的燃油硫氧化物排放量等效于0.1%含硫量的燃油。洗滌脫硫系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

管路上能實(shí)現(xiàn)1 臺(tái)主機(jī)+3 臺(tái)發(fā)電機(jī)+1 臺(tái)EGCS 發(fā)電機(jī)的廢氣進(jìn)洗滌裝置；

EGC 系統(tǒng)處理能力為滿足1 臺(tái)主機(jī)85%負(fù)荷+2 臺(tái)發(fā)電機(jī)70%負(fù)荷工作需要。

1.3 脫硫系統(tǒng)主要用電設(shè)備

脫硫系統(tǒng)海水泵3 臺(tái)，2 用1 備；（單臺(tái)泵電機(jī)額定功率240 kW，設(shè)計(jì)使用功率192 kW）；密封風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，1 用1 備。（單臺(tái)風(fēng)機(jī)功率11 kW）。

脫硫系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)用電功率按照400 kW 進(jìn)行計(jì)算。

2 改裝前電力系統(tǒng)配置

該船在改裝前配1 050 kW 左右的主發(fā)電機(jī)3臺(tái)，320 kW 左右應(yīng)急發(fā)電機(jī)1 臺(tái)；配電設(shè)備主要包括主配電盤(pán)1 個(gè)，應(yīng)急電盤(pán)1 個(gè)以及組合啟動(dòng)器、分電若干。該船原設(shè)計(jì)各個(gè)工況運(yùn)行電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)表1 所示。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，當(dāng)船舶運(yùn)行在航海工況時(shí)，單臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為83%，單臺(tái)發(fā)電機(jī)功率余量為（0.9-0.83）×1 053 = 73.5 kW，顯然無(wú)法滿足脫硫系統(tǒng)對(duì)電功率的需求。為此，如不改變?cè)l(fā)電機(jī)的額定功率，在船舶運(yùn)行在海上航行工況時(shí)需要2 臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行。此時(shí)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率僅為61.4%，這對(duì)發(fā)電機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性是不利的。如增大發(fā)電機(jī)額定輸出功率，則需要更換機(jī)型；更換機(jī)型不僅會(huì)引起輪機(jī)管系相關(guān)系統(tǒng)的大面積修改，而且配電系統(tǒng)也會(huì)引起顛覆性修改，尤其是當(dāng)發(fā)電機(jī)容量增大后，相應(yīng)配電系統(tǒng)的短路電流增加很大，致使原配電系統(tǒng)大部分開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嗟燃?jí)不能滿足使用要求。所以增大發(fā)電機(jī)額定輸出功率的方案有修改量大、周期長(zhǎng)和修改費(fèi)用高等缺點(diǎn)。

3 加裝脫硫系統(tǒng)后電力系統(tǒng)分析

3.1 電力系統(tǒng)方案確定

根據(jù)第2 章對(duì)加裝脫硫系統(tǒng)前電力系統(tǒng)的分析，如使用原電力系統(tǒng)配置，船舶在航海工況時(shí)在網(wǎng)運(yùn)行的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率較低、燃油經(jīng)濟(jì)性差。另外，脫硫系統(tǒng)的供電開(kāi)關(guān)均增加在主配電盤(pán)上，增大主配電盤(pán)的外形尺寸進(jìn)而影響主配電盤(pán)的進(jìn)線位置，這會(huì)導(dǎo)致主配電盤(pán)和電纜進(jìn)線孔大面積修改。所以，為保證船舶運(yùn)行的燃油經(jīng)濟(jì)性和改造方便，同時(shí)盡量保證原電力系統(tǒng)中主配電盤(pán)完整性。本項(xiàng)目最終確定單獨(dú)加裝1 臺(tái)脫硫發(fā)電機(jī)（選用瓦錫蘭生產(chǎn)的630 kW 柴油發(fā)電機(jī)組）和1 套脫硫配系統(tǒng)電盤(pán)的方案，由脫硫發(fā)電機(jī)給脫硫系統(tǒng)單獨(dú)供電。

3.2 改造后電力系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)單線圖

增加一個(gè)脫硫系統(tǒng)專用配電盤(pán)（脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)），用來(lái)控制脫硫發(fā)電機(jī)，為脫硫系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備供電，以及與主配電盤(pán)連接（當(dāng)脫硫發(fā)電機(jī)故障時(shí)使用主電網(wǎng)電源為脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)供電）。具體配置見(jiàn)脫硫配電系統(tǒng)單線圖，如圖2 所示。

圖2 脫硫配電系統(tǒng)單線圖

脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)不能和主發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)主配電盤(pán)為脫硫配電盤(pán)供電時(shí)，需要確保兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)在線，防止過(guò)載。

3.2.2 脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)描述

配電盤(pán)上配備必要的儀表及開(kāi)關(guān)［2］：

（1）脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)發(fā)電機(jī)屏：控制脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)。

（2）AC 440 V 饋電屏：為脫硫系統(tǒng)設(shè)備供電。包括一個(gè)發(fā)電機(jī)淡水泵起動(dòng)器。

（3）母聯(lián)屏：通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)與主配電盤(pán)開(kāi)關(guān)連接，當(dāng)脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)故障時(shí)使用主電網(wǎng)電源為脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)供電。正常情況下，兩個(gè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)是打開(kāi)狀態(tài)，只有當(dāng)脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)故障情況時(shí)，自動(dòng)閉合兩個(gè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)，通過(guò)主配電盤(pán)對(duì)脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)供電。

（4）連鎖：脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)中，脫硫發(fā)電機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)與母聯(lián)開(kāi)關(guān)之間為電氣連鎖，保證當(dāng)脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)合閘供電時(shí)，主配電盤(pán)無(wú)法為脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)供電。只有當(dāng)脫硫發(fā)電機(jī)故障情況，才能通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)讓主配電盤(pán)為脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)供電。［3］

（5）目前增加的脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)安裝在脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)旁，由于本項(xiàng)目船舶為AUT-0 符號(hào)，此方案需要在集控室增加脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)復(fù)示板，以滿足規(guī)范要求。［4］

3.3 加裝脫硫系統(tǒng)后負(fù)荷計(jì)算

對(duì)于加裝脫硫系統(tǒng)后電力系統(tǒng)的電力負(fù)荷計(jì)算分為兩個(gè)部分。一是當(dāng)脫硫發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行給脫硫配電盤(pán)供電來(lái)滿足脫硫系統(tǒng)電能需求；二是當(dāng)脫硫發(fā)電機(jī)故障，需要從主配電盤(pán)給脫硫配電盤(pán)供電。

當(dāng)脫硫發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，主配電盤(pán)和脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)是完全獨(dú)立的，互不影響。船舶在各個(gè)工況下運(yùn)行時(shí)對(duì)于主發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率與改造前的結(jié)果一致。脫硫發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)在航海工況和洗艙工況的負(fù)荷率為66.8%，其他工況的負(fù)荷率為46.8%。

當(dāng)脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)故障時(shí)，需要閉合主配電盤(pán)給脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)供電開(kāi)關(guān)。由主配電盤(pán)給脫硫系統(tǒng)供電。電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表2。由計(jì)算結(jié)果可以看出當(dāng)船舶在航海工況時(shí)需要兩臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，負(fù)荷率為61.4%；在卸貨工況下，電功率需求最大，需要3 臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，負(fù)荷率為76.6%。

表2 脫硫發(fā)電機(jī)故障時(shí)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

3.4 短路電流計(jì)算和選擇性分析

當(dāng)脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)正常工作單獨(dú)給脫硫系統(tǒng)供電時(shí)，脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)與主配電盤(pán)之間沒(méi)有任何聯(lián)系，對(duì)應(yīng)原電力系統(tǒng)的短路電流和選擇性沒(méi)有影響。所以本節(jié)僅對(duì)脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)故障，由主配電盤(pán)給脫硫系統(tǒng)供電情況下的短路電流進(jìn)行計(jì)算和選擇性分析。

3.4.1 電力系統(tǒng)圖搭建

短路電流計(jì)算選用COMPASS 軟件，本程序根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2009） 第4篇附錄1 “電力系統(tǒng)的短路計(jì)算”進(jìn)行計(jì)算，適用于船舶交流50 Hz 或60 Hz 非網(wǎng)格形，且中性點(diǎn)通過(guò)阻抗接地或中性點(diǎn)絕緣的低壓和高壓三相電力系統(tǒng)。搭建的電力系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 COMPASS搭建電力系統(tǒng)圖

與加裝脫硫系統(tǒng)前的電力系統(tǒng)相比有兩處變化：

（1）脫硫系統(tǒng)海水泵為變頻控制，所以搭建系統(tǒng)時(shí)可考慮為等效電機(jī)［5］，整個(gè)電力系統(tǒng)對(duì)應(yīng)等效電機(jī)EM1 功率增加；

（2）增加脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)和給脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)的饋電線路。

3.4.2 短路電流計(jì)算結(jié)果

短路電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表3。圖中選用0.5T時(shí)間各個(gè)節(jié)點(diǎn)短路電流的匯總（本項(xiàng)電網(wǎng)頻率為60 Hz，所以T= 1/60 s），對(duì)比加裝脫硫系統(tǒng)和未增加脫硫系統(tǒng)前的短路電流計(jì)算。加裝脫硫系統(tǒng)由于主配電盤(pán)需給脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)供電，各個(gè)設(shè)備和計(jì)算節(jié)點(diǎn)的短路電流均有所增加，但增加值不大。其中SCP-EGCS SWBD 為脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)，SCP-L24為給脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)饋電電纜。

3.4.3 開(kāi)關(guān)性能分析

根據(jù)3.4.2 短路電流計(jì)算結(jié)果和配電系統(tǒng)各型號(hào)開(kāi)關(guān)的使用分?jǐn)嗄芰σ约伴]合容量的匯總表如表4。根據(jù)匯總結(jié)果，各型號(hào)的開(kāi)關(guān)的使用分?jǐn)嗄芰笥谒性O(shè)備短路電流的有效值；閉合容量也均大于所有設(shè)備短路電流的峰值?？梢则?yàn)證所有開(kāi)關(guān)型號(hào)的選擇滿足電路保護(hù)的使用要求。除因增加脫硫系統(tǒng)而增加的設(shè)備和開(kāi)關(guān)，其他開(kāi)關(guān)型號(hào)均與改造前一致，因此增加單獨(dú)脫硫系統(tǒng)發(fā)電機(jī)和脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)的方案，在主配電盤(pán)上的所有開(kāi)關(guān)均不要更換型號(hào)。配電盤(pán)的改造修改量最少。

表3 短路電流計(jì)算結(jié)果kA

表4 電力系統(tǒng)開(kāi)關(guān)選擇匯總

續(xù)表4

3.4.4 選擇性保護(hù)分析

由于本項(xiàng)目改造增加了EGCS 配電盤(pán)，對(duì)于主發(fā)電機(jī)和主配電盤(pán)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于增加了一個(gè)較大負(fù)載。所以本節(jié)選擇性保護(hù)分析僅對(duì)發(fā)電機(jī)、EGCS配電盤(pán)饋電開(kāi)關(guān)和脫硫系統(tǒng)海水泵組合啟動(dòng)器（脫硫配電盤(pán)主要負(fù)載）進(jìn)行選擇性保護(hù)分析。［6］

本項(xiàng)目配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)品牌為施耐德，所以模擬開(kāi)關(guān)選擇性保護(hù)曲線的軟件選用施耐德的CURVE DIRECT 3.4.1 模擬軟件。發(fā)電機(jī)空氣開(kāi)關(guān)、主配電盤(pán)給脫硫系統(tǒng)配電盤(pán)的饋電開(kāi)關(guān)以及脫硫海水泵的供電開(kāi)關(guān)信息以及保護(hù)設(shè)定值見(jiàn)下頁(yè)表5。

表5 各開(kāi)關(guān)信息參數(shù)表

根據(jù)表5 信息在CURVE DIRECT 3.4.1 中進(jìn)行選擇性曲線模擬仿真運(yùn)行，得到選擇性曲線見(jiàn)圖4。

圖4 選擇性曲線圖

主發(fā)電機(jī)饋送的最大峰值短路電流Ip=28.116 6 kA，主發(fā)電機(jī)空氣開(kāi)關(guān)Inst 設(shè)定為24 kA，等于發(fā)電機(jī)短路電流（Ip÷1.414）的1.21 倍，因此主配電盤(pán)處發(fā)生短路。主發(fā)電機(jī)空氣開(kāi)關(guān)瞬動(dòng)不會(huì)在200 ms 動(dòng)作，因此這兩級(jí)開(kāi)關(guān)按時(shí)間原則實(shí)現(xiàn)完全選擇性。當(dāng)給脫硫配電盤(pán)饋電的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)下口短路時(shí)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)由STD（Short Time Delay）實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，Isnt 關(guān)閉不動(dòng)作，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)最大可退回時(shí)間為140 ms，下級(jí)開(kāi)關(guān)全分?jǐn)鄷r(shí)間為80 ms，小于前級(jí)的可退回時(shí)間，因此這兩級(jí)開(kāi)關(guān)按時(shí)間原則實(shí)現(xiàn)完全選擇性。

4 結(jié) 語(yǔ)

MARPOL 73/78 公約附則VI 修正案生效后，公約要求在2020 年1 月1 日后，全球區(qū)域燃油含硫量低于0.5%。為滿足公約的要求，很多從2018 年開(kāi)始建造的新船都開(kāi)始加裝脫硫塔，同時(shí)舊船加裝脫硫塔的改造項(xiàng)目也呈現(xiàn)火熱態(tài)勢(shì)。本文以某大型原油船某加裝脫硫塔改造為背景，對(duì)全新的配電方案進(jìn)行分析，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行研究。其解決方案和相關(guān)圖紙均已得到船檢和船東的認(rèn)可。通過(guò)分析和研究，證明本改造項(xiàng)目的方案是可行的；同時(shí)兼顧船舶運(yùn)行時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性，并最大限度保證原配電系統(tǒng)的完整性，對(duì)原配電盤(pán)的改造工作量少等優(yōu)點(diǎn)。目前，本船脫硫改造已經(jīng)成功交付，電力系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。