提高大型郵輪應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠性的設(shè)計(jì)分析

曹亞冬

（中船郵輪科技發(fā)展有限公司 上海200137）

0 引 言

郵輪作為海上旅行休閑的主流方式，一直備受乘客青睞。但海洋有美麗的風(fēng)景，也暗藏危險(xiǎn)，海難事故時(shí)有發(fā)生。因此國(guó)際海事組織（IMO）在國(guó)際海上人命安全公約（SOLAS）中對(duì)郵輪航行安全提出了更高的要求。郵輪發(fā)配電系統(tǒng)作為全船的關(guān)鍵系統(tǒng)，對(duì)全船用電設(shè)備進(jìn)行電力供應(yīng)，確保船舶設(shè)備系統(tǒng)安全運(yùn)行。當(dāng)正常供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)便采用應(yīng)急預(yù)案，保障緊急情況下，船上人員安全和通信暢通。

應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)船舶事故后的安全運(yùn)行起著決定性的作用，而郵輪作為海上人員密集性客船，對(duì)安全性有著更高的要求。因此本文為滿足應(yīng)急情況下郵輪可靠供電，對(duì)應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)功能和規(guī)范要求

在船舶航行中，導(dǎo)航設(shè)備、無(wú)線電通信設(shè)備、操舵系統(tǒng)和照明系統(tǒng)關(guān)系著船岸通信和船員乘客的安全有序撤離，因此至關(guān)重要。船上這些重要設(shè)備正常情況下由主電網(wǎng)供電，一旦主電網(wǎng)故障，應(yīng)急配電系統(tǒng)就向這些重要設(shè)備進(jìn)行供電。在應(yīng)急工況下，應(yīng)急配電系統(tǒng)作為主電網(wǎng)的代替。

SOLAS公約第42條和43條規(guī)定：貨船應(yīng)設(shè)有一個(gè)獨(dú)立應(yīng)急電源，且主配電板及其相關(guān)變換設(shè)備或任何A類機(jī)器所在處所發(fā)生火災(zāi)或其他事故時(shí)，應(yīng)急配電系統(tǒng)仍能可靠運(yùn)行［1］。電源功率至少應(yīng)向重要設(shè)備應(yīng)急可靠供電18 h；客船除以上一般要求，在電源功率上要求可靠供電36 h。

2 大型郵輪應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

常規(guī)貨船采用單個(gè)發(fā)電機(jī)組和單個(gè)主配電板設(shè)計(jì)方式［2］，一旦主電站電力全失，應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)失敗或故障，應(yīng)急配電系統(tǒng)將完全斷電。同時(shí)單塊主應(yīng)急配電板設(shè)計(jì)方式下，應(yīng)急配電板發(fā)生故障，應(yīng)急配電系統(tǒng)也將完全損失。雖然規(guī)范對(duì)雙故障沒(méi)有要求，但郵輪對(duì)安全性、可靠性要求更高。從近幾年國(guó)外建造的大型郵輪中可以看出，應(yīng)急電力系統(tǒng)多采用2個(gè)應(yīng)急電源，提高供電冗余性。目前，國(guó)內(nèi)很多客滾船和內(nèi)河游輪在應(yīng)急配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仍沿用常規(guī)散貨船設(shè)計(jì)方式，存在很大安全隱患。

根據(jù)SOLAS公約要求，2010年7月1日之后建造船長(zhǎng)≥120 m或3個(gè)主豎區(qū)及以上的客船，應(yīng)滿足安全返港的要求。為滿足這一要求，目前的郵輪和客滾船電氣設(shè)計(jì)中，電氣系統(tǒng)均采用A、B子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式［3］。如果任何空間因火災(zāi)或進(jìn)水而損壞，則只有該空間所屬的子系統(tǒng)（“A”或“B”）會(huì)受到事故影響，而另一個(gè)子系統(tǒng)（“B”或“A”）將維持運(yùn)行，即雙電站設(shè)計(jì)方式。電站分為2個(gè)區(qū)域，一般會(huì)設(shè)計(jì)在艏艉2個(gè)主豎區(qū)內(nèi)。全船會(huì)以某主豎區(qū)為界限，從該主豎區(qū)到船首劃分為A子系統(tǒng)，主豎區(qū)到船尾則分為B子系統(tǒng)。各系統(tǒng)包含設(shè)備如下：

系統(tǒng)A：艏部主機(jī)/發(fā)電機(jī)，艏部中低壓主配電板和相關(guān)輔助設(shè)備，左舷推進(jìn)裝置和相關(guān)輔助設(shè)備。

系統(tǒng)B：艉部主機(jī)/發(fā)電機(jī)，艉部中低壓主配電板和相關(guān)輔助設(shè)備，右舷推進(jìn)裝置和相關(guān)輔助設(shè)備。

2塊主配電板各自向A、B系統(tǒng)供電，最大程度保障了電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行。通過(guò)采用雙系統(tǒng)、雙電站和雙配電板的設(shè)計(jì)思路，提高了系統(tǒng)的冗余性和穩(wěn)定性［4］。應(yīng)急配電系統(tǒng)也可以借鑒這種設(shè)計(jì)方式，采用雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，提高系統(tǒng)冗余性，減小或消除事故發(fā)生后的影響。

2.2 應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為滿足郵輪安全可靠性要求，本文采用雙套冗余的設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建新型應(yīng)急配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。以常規(guī)的郵輪低壓電制對(duì)應(yīng)急配電系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明，主應(yīng)急配電板電壓等級(jí)為690 V，分應(yīng)急配電板電壓等級(jí)為230 V。下頁(yè)圖1為應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

如圖1所示，應(yīng)急配電系統(tǒng)采用2個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組和2塊主應(yīng)急配電板，每塊主應(yīng)急配電板上各有1個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組供電。進(jìn)線斷路器、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組斷路器和母聯(lián)斷路器均為聯(lián)鎖，防止發(fā)電機(jī)組和主電網(wǎng)同時(shí)供電。690 V應(yīng)急配電板1.1與主電網(wǎng)A相連，對(duì)左舷推進(jìn)器的操舵驅(qū)動(dòng)裝置、變頻器輔助用電等重要設(shè)備供電。690 V應(yīng)急配電板1.2與主電網(wǎng)B相連，對(duì)右舷推進(jìn)器的操舵驅(qū)動(dòng)裝置和變頻器輔助用電等重要設(shè)備供電。230 V應(yīng)急配電板2.1和2.2供電于UPS、升降機(jī)和遠(yuǎn)程控制閥等應(yīng)急設(shè)備。此外，還配有蓄電池組（屬于過(guò)渡電源），用于船舶主電網(wǎng)失電而應(yīng)急電網(wǎng)還未提供電力的情況下，負(fù)責(zé)應(yīng)急照明供電，應(yīng)急照明設(shè)備集中在應(yīng)急照明配電板上。

圖1 應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

應(yīng)急配電板2.1和2.2主要對(duì)乘客電梯、升降機(jī)和遠(yuǎn)程控制閥進(jìn)行供電，負(fù)載的重要性相對(duì)較低，因此重點(diǎn)對(duì)主配電板的供電負(fù)載進(jìn)行分析，主配電板的主要用電負(fù)載如表1所示。

表1 應(yīng)急配電板主要負(fù)載分配

在新型應(yīng)急配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將全船的重要用電設(shè)備劃分為A、B兩個(gè)子系統(tǒng)，由應(yīng)急主配電板1.1和1.2分別供電，某一子系統(tǒng)故障不會(huì)影響另一子系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有效保障了重要用電設(shè)備和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。該設(shè)計(jì)通過(guò)借鑒安全返港下的主電網(wǎng)設(shè)計(jì)方式，形成了新型應(yīng)急配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.3 應(yīng)急發(fā)電機(jī)組容量設(shè)計(jì)

不同種類和噸位的船舶由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電的用電設(shè)備數(shù)量和種類也各不相同，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的容量必須滿足應(yīng)急電力系統(tǒng)各重要負(fù)載的容量需求。在應(yīng)急狀態(tài)下，郵輪的轉(zhuǎn)向電機(jī)、應(yīng)急艙底泵等拖動(dòng)型負(fù)載，以及應(yīng)急照明系統(tǒng)、無(wú)線電通信設(shè)備等重要設(shè)備都需要由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電。郵輪電氣設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，除上述重要設(shè)備外，應(yīng)急工況還需考慮上建的空調(diào)和酒店用電負(fù)載。郵輪應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量依據(jù)應(yīng)急狀態(tài)下的負(fù)載功率需求來(lái)確定，以電力負(fù)載計(jì)算書(shū)為基準(zhǔn)，并考慮足夠的儲(chǔ)備裕量。以某郵輪為例，其應(yīng)急工況的電力負(fù)荷計(jì)算如表2所示。

表2 應(yīng)急工況電力負(fù)荷計(jì)算表

從表中分析可得，在應(yīng)急工況下，并不考慮推進(jìn)動(dòng)力，只保留相關(guān)的轉(zhuǎn)舵能力，因此推進(jìn)系統(tǒng)的功率負(fù)載較低，廚房設(shè)備則完全不考慮。占比最大的是安全設(shè)備，如無(wú)線電通信、導(dǎo)航和固定式滅火系統(tǒng)等，事關(guān)乘客和船員的生命安全。在完成應(yīng)急工況電力負(fù)荷計(jì)算后，根據(jù)所需的負(fù)載功率選取應(yīng)急發(fā)電機(jī)組的功率，考慮一定的效率和儲(chǔ)備余量。在該郵輪應(yīng)急電站設(shè)計(jì)中，單臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組就能滿足應(yīng)急工況的設(shè)備使用，且郵輪對(duì)乘客舒適性有著更高的要求，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮全斷電情況下應(yīng)急系統(tǒng)的反向供電能力，因此該船最終選取2臺(tái)2 010 kW的發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源。

2.4 應(yīng)急電站布置分析

在常規(guī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)急電站一般布置于上層甲板，郵輪也不例外。郵輪布置復(fù)雜，設(shè)備布置應(yīng)考慮功能區(qū)劃分，尤其郵輪上建是乘客娛樂(lè)和酒店區(qū)域。若雙應(yīng)急電站采用不同主豎區(qū)的布置方式，勢(shì)必會(huì)占用大量空間，不僅增加設(shè)計(jì)難度，還減少了運(yùn)營(yíng)空間。兼顧成本和安全性要求，以某郵輪為例，雙應(yīng)急電站布置方式如圖2所示。

圖2 冗余應(yīng)急電站布置圖

該郵輪的2臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組布置于第16層甲板第6主豎區(qū)，分別位于左右舷，并采用固定式滅火系統(tǒng)，以A級(jí)防火分隔。根據(jù)安全返港要求，對(duì)于有固定滅火系統(tǒng)的保護(hù)處所，發(fā)生在A級(jí)界限面以內(nèi)的火災(zāi)，屬于事故界限以內(nèi)，否則為超出界限。因此一個(gè)應(yīng)急電站發(fā)生火災(zāi)事故，另一應(yīng)急電站仍認(rèn)為可靠運(yùn)行。若火災(zāi)蔓延至另一應(yīng)急電站，火災(zāi)已超過(guò)事故界限，應(yīng)立即執(zhí)行有序撤離。

2.5 應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性分析

郵輪主電力系統(tǒng)采用A，B系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，考慮到故障形式，一般有3種運(yùn)行方式，分別為正常運(yùn)行、主電網(wǎng)半側(cè)停電和主電網(wǎng)全斷電。以下對(duì)各運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)急配電系統(tǒng)的配電方式進(jìn)行詳細(xì)分析，驗(yàn)證應(yīng)急配電系統(tǒng)可靠性。

（1）正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)急配電板由主電網(wǎng)供電，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組不啟動(dòng)，母聯(lián)斷路器Q1和Q2斷開(kāi)（見(jiàn)下頁(yè)圖3）。

圖3 正常運(yùn)行工況

（2）主電網(wǎng)半側(cè)停電。以主電網(wǎng)A斷電為例，如圖4所示，此時(shí)進(jìn)線斷路器1斷開(kāi)，母聯(lián)斷路器Q1和Q2斷開(kāi)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組A啟動(dòng)，向應(yīng)急配電板1.1和2.1供電。若應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)失敗或故障，母聯(lián)斷路器Q1自動(dòng)閉合，應(yīng)急設(shè)備仍能可靠運(yùn)行。

圖4 主電網(wǎng)半側(cè)停電

（3）主電網(wǎng)全停電，如下頁(yè)圖5所示。此時(shí)母聯(lián)斷路器Q1和Q2斷開(kāi)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組A、B啟動(dòng)。若其中一個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組故障或啟動(dòng)失敗，母聯(lián)斷路器Q1閉合，由一個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組對(duì)整個(gè)應(yīng)急配電系統(tǒng)供電，應(yīng)急設(shè)備得電可靠運(yùn)行。在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)組容量時(shí)，單臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組就能滿足整個(gè)應(yīng)急工況的需求。而郵輪用電需求有其特殊性，不僅安全可靠性要求較高，還需考慮到乘客的舒適性。因此，在2個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組全部開(kāi)啟的情況下，閉合斷路器1和斷路器4，電機(jī)容量足以對(duì)主電網(wǎng)的重要設(shè)備進(jìn)行反向供電，以滿足乘客舒適性要求。

圖5 主電網(wǎng)全斷電

（4）正常運(yùn)行情況下，應(yīng)急照明配電板由應(yīng)急配電板2.2供電，斷路器11和斷路器12聯(lián)鎖。若主電網(wǎng)和2臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組完全失能，電池組則向應(yīng)急照明配電板供電。電池組由應(yīng)急配電板1.1和1.2進(jìn)行充電，保持電量，進(jìn)線斷路器6和8聯(lián)鎖，避免同時(shí)閉合充電。按照規(guī)范，蓄電池組容量應(yīng)滿足全船應(yīng)急照明持續(xù)運(yùn)行至少0.5 h［5］。

通過(guò)以上分析，與傳統(tǒng)應(yīng)急配電系統(tǒng)相比，新型應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)在應(yīng)急情況下，單個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組故障或啟動(dòng)失敗，應(yīng)急配電設(shè)備仍能可靠供電；而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下的單個(gè)應(yīng)急發(fā)電機(jī)組一旦故障或啟動(dòng)失敗，整個(gè)應(yīng)急配電設(shè)備都將斷電。此外，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下，若主配電板故障，整個(gè)應(yīng)急配電系統(tǒng)損失；而新型應(yīng)急配電系統(tǒng)采用雙主配電板設(shè)計(jì)方式，單塊主應(yīng)急配電板故障時(shí)，只損失故障配電板供電的設(shè)備，其余主配電板和分配電板均可使用，最大程度保障了運(yùn)行可靠性和冗余性。

對(duì)于某些重要設(shè)備，雙應(yīng)急主配電板設(shè)計(jì)方式可以在使其保留一定的工作能力，這對(duì)郵輪系統(tǒng)可靠性和安全返港有深遠(yuǎn)影響。以推進(jìn)變頻器單元為例，左右舷的變頻器輔助用電分別由應(yīng)急配電板1.1和應(yīng)急配電板1.2供電。若應(yīng)急配電板1.1故障，右舷變頻器輔助設(shè)備仍可靠應(yīng)急配電板1.2得電，右舷推進(jìn)器正常運(yùn)行，郵輪以一半的推進(jìn)動(dòng)力返回港口。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，郵輪不同于常規(guī)船型，其電力系統(tǒng)更復(fù)雜、安全要求也更高。常規(guī)船型的應(yīng)急配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖能滿足郵輪設(shè)計(jì)規(guī)范要求，但漸漸落后于國(guó)外設(shè)計(jì)趨勢(shì)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型應(yīng)急電網(wǎng)系統(tǒng)，采用雙應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、雙應(yīng)急主配電板，形成了應(yīng)急電網(wǎng)的A、B系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并采用安全聯(lián)鎖冗余設(shè)計(jì)，解決了大型郵輪應(yīng)急電網(wǎng)持續(xù)供電問(wèn)題，能夠最大程度地提高郵輪安全冗余性，滿足郵輪安全返港要求。