6500立方米乙烯運(yùn)輸船配電設(shè)計(jì)研究

黃芳

摘 要：文章對6 500立方米乙烯運(yùn)輸船的配電系統(tǒng)進(jìn)行了分析，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，對貨物系統(tǒng)的主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了闡述，列舉了貨物系統(tǒng)的各種工況及負(fù)荷要求，并對全船電力負(fù)荷進(jìn)行了分析及計(jì)算，總結(jié)了該船配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及特點(diǎn)，希望能對這種船型的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：工況;電力負(fù)荷;配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：U674.133.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.039

1 概述

6 500立方米乙烯運(yùn)輸船是國內(nèi)當(dāng)前首個(gè)入中國船級社的雙耳罐液化氣船，有關(guān)貨物系統(tǒng)的負(fù)荷及整船的配電設(shè)計(jì)有其特殊性。該船全長113米，型寬18米，設(shè)置兩個(gè)半冷半壓式單壁雙聯(lián)C型獨(dú)立液貨罐，貨罐容積6 500立方米。該船貨物系統(tǒng)設(shè)有兩套液相接岸總管和兩套氣相接岸總管，接岸總管布置在船舯處，系統(tǒng)能同時(shí)進(jìn)行兩種不同貨品的裝載或卸載，每個(gè)貯運(yùn)罐各設(shè)兩臺電動多級深井泵，可同時(shí)卸貨，并可在背壓5 kg/cm2環(huán)境條件下10小時(shí)內(nèi)完成貨物的卸載。

根據(jù)《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》10.2.6的要求，發(fā)電和配電系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成單個(gè)故障不會導(dǎo)致7.8.1要求的液貨艙壓力，和4.19.1.6要求的船體結(jié)構(gòu)溫度保持在正常營運(yùn)限制內(nèi)的能力喪失[1]。配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為滿足此要求做了特別處理，2號發(fā)電機(jī)設(shè)置了兩個(gè)開關(guān)，分別向主配電板的左、右屏供電，實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)的雙向冗余。

2 主要工況及電力負(fù)荷分析

2.1 主要工況下發(fā)電機(jī)使用情況

本船三臺主柴油發(fā)電機(jī)和一臺應(yīng)急發(fā)電機(jī)提供船上電源，發(fā)電機(jī)使用情況如表1所示。在航行和裝卸貨過程中，最大負(fù)荷下只能用滿兩臺發(fā)電機(jī)，要有一臺發(fā)電機(jī)組作為備用，使發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)仍能正常工作。

2.2 貨物系統(tǒng)的主要設(shè)備及供電需求

液貨罐：2個(gè);甲板罐：1個(gè);再液化裝置：2套;液貨泵：105 kW×4臺;貨物壓縮機(jī)：350 kW×2臺;制冷壓縮機(jī)：280 kW×2臺;貨物壓縮機(jī)滑油系統(tǒng);貨物裝卸及處理系統(tǒng);貨物設(shè)備冷卻水系統(tǒng);貨物閥門;閥門遙控系統(tǒng);應(yīng)急切斷系統(tǒng);貨物監(jiān)測、控制及報(bào)警系統(tǒng);可燃?xì)怏w探測系統(tǒng);控制空氣系統(tǒng);貨艙處所艙底水系統(tǒng);貨艙處所通風(fēng)系統(tǒng);液貨艙壓力釋放系統(tǒng);貨物取樣及泄放系統(tǒng);惰氣系統(tǒng);乙二醇/水加熱/冷卻系統(tǒng)（含2臺循環(huán)泵等）。主要供電要求如圖1所示。

貨物系統(tǒng)主要負(fù)荷有以下情況：

第一，在最大吸入壓力下，使用兩個(gè)負(fù)載貨物壓縮機(jī)裝載/冷卻單一等級的乙烯貨物（869 kW）;

第二，大氣壓下單級乙烯貨物的保壓（394 kW）;

第三，使用所有貨泵排放滿載的氯乙烷（391 kW）;

第四，使用所有再液貨裝置，以最大吸力裝載/冷卻單級丙烯貨物（639 kW）;

第五，常壓下單級丙烯的保壓（158 kW）;

第六，用貨泵排放氨氣&增壓泵和貨物加熱器（304 kW）;

第七，惰化（303 kW）;

第八，用貨泵、增壓泵和乙烯蒸發(fā)器排放乙烯（227 kW）。

2.3 主要工況

根據(jù)船舶電力負(fù)荷計(jì)算書如表2所示，全船電力負(fù)荷系統(tǒng)包括七個(gè)方面：輪機(jī)設(shè)備、甲板設(shè)備、空調(diào)及制冷設(shè)備、廚房設(shè)備、照明設(shè)備、航行&通信設(shè)備、貨物系統(tǒng)。全船電力負(fù)荷工況包括四個(gè)主要工況，其中，設(shè)計(jì)液貨系統(tǒng)操作主要為五個(gè)工況（以乙烯貨品為考核設(shè)計(jì)）：海上航行工況（乙烯儲罐維持在常壓狀態(tài)）、海上航行工況（乙烯貨物冷卻）、進(jìn)出港工況（乙烯儲罐維持在常壓狀態(tài)）、進(jìn)出港工況（乙烯貨物冷卻）、貨物裝載（乙烯貨物冷卻）。

2.4 電力負(fù)荷分析

本船可同時(shí)儲運(yùn)、裝卸和處理貨品清單中的任意一種或兩種貨品。系統(tǒng)配有兩套再液化系統(tǒng)，再液化系統(tǒng)包括再液化裝置、貨物壓縮機(jī)組、制冷壓縮機(jī)組、相關(guān)熱交換器以及處理容器等。按規(guī)范要求，再液化裝置的制冷能力應(yīng)能保持液貨艙內(nèi)的壓力低于安全閥的最大允許調(diào)定值（MARVS）;在正常航行時(shí)，兩套再液化裝置冗余設(shè)計(jì)，可確保液貨艙及甲板罐有恒定的壓力和溫度。

船舶涉及的工況較為復(fù)雜，具體由七種船舶工況和八種貨物系統(tǒng)操作工況組合而成。船舶液貨系統(tǒng)及輔助設(shè)備的最大電力消耗，按裝載單一乙烯貨品時(shí)的最大工況值，大致可分為：航行過程中的乙烯冷卻或壓力維持、裝卸貨過程中的乙烯貨物冷卻、進(jìn)出港過程中的乙烯貨物冷卻或壓力維持、乙烯裝卸貨。

其中，對于各種船舶工況下，乙烯冷卻或壓力維持所需的電力負(fù)荷，基本可由兩臺發(fā)電機(jī)組提供電力供應(yīng)，一臺發(fā)電機(jī)組作為備用。只有一種工況（進(jìn)出港帶側(cè)推）需要三臺發(fā)電機(jī)供電，為保證貨物系統(tǒng)的安全，本船設(shè)計(jì)了側(cè)推優(yōu)先脫扣，若一臺發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，首先將側(cè)推脫扣，保證兩臺發(fā)電機(jī)在網(wǎng)，滿足船舶的正常工作需求。

3 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 配電系統(tǒng)單線圖

本船配電系統(tǒng)單線圖如圖2所示。

3.2 配電系統(tǒng)概述

本船設(shè)有主配電板，應(yīng)急配電板，并有必要的區(qū)配電板和分電箱。電力系統(tǒng)為放射性，三線三相中線絕緣系統(tǒng)。電動機(jī)由主配電板，應(yīng)急配電板或電力分電箱通過組合起動器或單個(gè)起動器供電。

本船在適當(dāng)位置設(shè)置電力分電箱和照明分電箱，用于電能的分配，分電箱內(nèi)設(shè)置塑殼式斷路器，用于配電線路的過載保護(hù)和短路保護(hù)，并考慮適當(dāng)?shù)膫溆脭嗦菲骰蛉蹟嗥?，備用量不少?0%。對于非重要負(fù)荷，當(dāng)斷路器的分?jǐn)嗄芰π∮谄浒惭b點(diǎn)的最大短路電流，將采用具有足夠分?jǐn)嗦纺芰Φ臄嗦菲髯鳛槠浜髠浔Ｗo(hù)。

主發(fā)電機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)和岸電三者之間有效聯(lián)鎖。主發(fā)電機(jī)的空氣斷路器與主配電板上的饋電開關(guān)之間、主配電板至應(yīng)急配電板的饋電開關(guān)和應(yīng)急配電板上負(fù)載開關(guān)之間具有選擇性保護(hù)，主/應(yīng)急變壓器原邊的饋電開關(guān)和副邊220 V饋電屏上的負(fù)載開關(guān)之間也應(yīng)具有選擇性保護(hù)。配電設(shè)備內(nèi)部接線采用船用阻燃電線。

本船液貨系統(tǒng)及設(shè)備配置均按滿載乙烯貨品設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可適裝貨品表中的其他貨品。液貨系統(tǒng)及輔助設(shè)備的最大電力消耗按裝載乙烯貨品時(shí)的最大工況值，當(dāng)其他貨品在某些特殊工況下（如裝載高溫高壓丙烯貨品，并利用船上再液化裝置冷卻降溫時(shí)）的液貨系統(tǒng)設(shè)備的電力消耗值大于裝載乙烯貨品時(shí)，為遵循船舶電站剩余多少電力用多少電力的原則。

液貨泵及增壓泵電機(jī)按照適裝清單中比重最大的貨品設(shè)計(jì)。

3.3 主發(fā)電機(jī)

本船在機(jī)艙裝置三臺柴油發(fā)電機(jī)組450 V/900 kW。當(dāng)空載運(yùn)行的發(fā)電機(jī)突加60%額定電流（功率因數(shù)0.4）時(shí)，其瞬態(tài)電壓降不超過額定電壓的15%，且在1.5秒內(nèi)恢復(fù)到其最后穩(wěn)定值的97%以內(nèi)。在額定功率因數(shù)下，穩(wěn)態(tài)下其電壓調(diào)節(jié)率應(yīng)維持在±2.5%以內(nèi)。

3.4 應(yīng)急發(fā)電機(jī)

本船在應(yīng)急發(fā)電機(jī)室設(shè)置散熱器冷卻型應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組一套450 V/100 kW。應(yīng)急發(fā)電機(jī)不能與主發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，也不能對主配電板饋電。應(yīng)急發(fā)電機(jī)可在就地手動操作或在應(yīng)急配電板失電壓時(shí)自動起動。

3.5 主配電板

主配電板一塊安裝在機(jī)艙集控室。主配電板有三屏發(fā)電機(jī)屏、同步屏、440 V饋電屏、組合起動屏和220 V饋電屏。主配電板為自立、鋼板框架結(jié)構(gòu)（緊固螺絲采用壓入式螺帽），前蔽式，防護(hù)等級不低于防滴IP21。

發(fā)電機(jī)由三極空氣斷路器保護(hù)，饋電電路由三極MCCB保護(hù)。發(fā)電機(jī)控制屏布置在440 V饋電屏之間，以使重要電動機(jī)在一個(gè)饋電屏損壞后也可供電。

3.6 應(yīng)急配電板一塊安裝在應(yīng)急發(fā)電機(jī)室

在主柴油發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，應(yīng)急配電板由主配電板供電，一旦應(yīng)急配電板匯流排失壓時(shí)，應(yīng)急配電板將由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電。

3.7 二號發(fā)電機(jī)切換說明

左匯流排單邊故障，手動斷開匯流排聯(lián)絡(luò)開關(guān)，二號發(fā)電機(jī)ACB手動連接到右匯流排，二號、三號發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電。

右匯流排單邊故障，手動斷開匯流排聯(lián)絡(luò)開關(guān)，二號發(fā)電機(jī)ACB手動連接到左匯流排，一號、二號發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電。

3.8 液貨配電板（MCC）說明

液貨配電板分為兩段，能分別獨(dú)立工作，正常狀態(tài)下兩段配電板不連接。兩段液貨配電板分別從主配電板左右匯流排供電，每個(gè)進(jìn)線開關(guān)均能接受來自主配電板的100%液貨系統(tǒng)所需負(fù)荷。主配電板任一單邊供電故障，均可手動將兩段液貨配電板中間連接片連接，通過另一邊供電，滿足用電需求。

3.9 發(fā)電和配電系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)故障模式和影響分析（FMEA）

本船根據(jù)《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》10.2.6要求開展6 500立方米液化氣運(yùn)輸船項(xiàng)目相關(guān)的發(fā)電和配電系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)的故障模式和影響分析。

FMEA是一種主要針對設(shè)備系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件多個(gè)層次的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，其目標(biāo)是證實(shí)由于單一故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)失效，確保采取適合的安全防護(hù)措施，從而改善設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)可靠性。

通過對6 500立方米液化氣運(yùn)輸船發(fā)電和配電系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)地FMEA審查，認(rèn)為6 500立方米液化氣運(yùn)輸船發(fā)電和配電系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能，考慮了“單個(gè)故障不會導(dǎo)致7.8.1要求的液貨艙壓力和4.19.1.6要求的船體結(jié)構(gòu)溫度保持在正常營運(yùn)限制內(nèi)的能力喪失”，如系統(tǒng)發(fā)配電及控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備、部件及功能等采取備份冗余設(shè)置，符合國家及船級社有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

在設(shè)計(jì)院船東船檢船廠的共同努力下，本船已于2019年9月完工交付，從船東提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，本船各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求，電站及液貨系統(tǒng)運(yùn)行正常。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國船級社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[M].北京：中國船級社，2018.