大功率电力系统船舶的方案设计书.docx
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大功率电力系统船舶的方案设计书
大功率电力系统船舶的设计
徐丹铮缪燕华吴斐文
关键词:
大功率电力系统;中压电力系统;船舶设计
摘要:
本文针对具有大功率电力系统的船舶,提出了一些富有新意的船舶电气设计思想和设计原则。
诸如怎样进行多工况的电力负荷计算;如何按短路容量选择系统电压等级;为何中压电力系统采用中性点高阻接地系统;发电机组如何实现冗余;怎样控制系统谐波电压和电压跌落指标等。
最后,介绍了中压电力系统主要设备特有的性能或结构,包括发电机、中压配电板、中性点接地电阻箱、中压电缆等。
虽然,本文以大型海洋工程船,特别是起重船为主要例子作为依托,但这些设计思想和原则应具有普遍意义,可引伸应用于具有大功率电力系统的其他船舶的开发研究和工程设计中去。
2009年7月
1.概述
以大型海洋工程船为代表的具有大功率电力系统的一系列船舶的出现,正在创造着许多富有新意的船舶电气设计思想。
自从4000t起重/打捞工程船设计建造运行以来,对于具有大功率中压电力系统的一些船舶设计理念,正在陆续不断地体现在一些新颖的船舶设计中。
正如笔者在接受中国船舶报记者采访中所说的“我国自主成功开发船舶中压电力系统具有十分积极的意义。
……使我国在船舶总体设计领域能为国内企业提供更多、更好、更便捷的船电配套解决方案。
……为我国造船界进一步开发高技术、高附加值船舶和海工装备奠定了基础”(见2009.4.15第27期第6版)。
大功率电力系统,目前常称为中压电力系统,与常规船舶的低压电力系统有着天壤之别。
“中压”按照国际电工委员会(IEC)标准而言,是指1kV~15kV。
约十余年前,最高电压还在11kV;若干年后,是否再会升高,笔者抱着看好的态度。
毕竟,在陆用上中压概念可以到52kV。
大功率是一个没有上限的概念。
然而,电器设备包括电机、变压器、开关、电缆等在某个电压等级范畴内的容量是有限的,这是由其技术经济性能所决定的。
当容量超过了这个限度后,就只能靠电压等级的升高来扩大容量。
目前,常用的电压等级为6kV,3kV已基本不用了,而在研制2×8000t起重船(半潜式)时,已升级到11kV了。
本文所要讨论的是,在面临大功率电力系统时,船舶设计应具有的原则。
这些,可能在低压电力系统中是没有的,或者无论在质和量的方面有较大的不同。
虽然,船级社的规范中都有一节“高压电力系统”的要求,但它主要局限于对设备本身的要求,而对船舶设计中的各种具体问题较少涉及,这就是本文研究的初衷。
2.大功率电力系统负荷分析及计算
2.1.负荷类型
2.1.1.工作机械负荷
在各种海洋工程船上有着各种不同的工作机械,表1列出了大型起重船的相关参数。
表1大型起重船工作机械负荷参数
船型
工作机械
主要参数
驱动形式
同时使用总功率
4000t起重/打捞船(华天龙)
起重机
主钩4×850kW,
副钩4×850kW,
变幅2×850kW,
回转8×400kW等
交流变频调速
4900kW
2×8000t起重/铺管船
起重机
铺管系统
主钩4×1600kW,
副钩2×1600kW,
变幅2×2100kW,
回转12×550kW等/每台
张紧器3×1500kW,
收/放绞车1×4500kW等
交流变频调速
交流变频调速
17800kW
~7000kW
2×7500t起重/铺管船(HMC)
起重机
铺管系统
不详
不详
交流变频调速
交流变频调速
17200kW
11800kW
1200t起重/铺管船(海洋石油“202”)
起重机
铺管系统
主钩2×600kW,
副钩2×600kW,
变幅2×500kW,
回转6×165kW
小钩2×400kW等
张紧器2×640kW,
收/放绞车2×630kW等
交流变频调速
交流变频调速
2200kW
2034kW
4400t起重/铺管船(伊朗)
起重机
铺管系统
主钩4×850kW,
副钩2×850kW,
变幅2×850kW,
回转8×280kW等
张紧器6×320kW,
收/放绞车3×445kW,
托管架1×400kW,
理管系统2×600kW+3×80kW等
交流变频调速
交流变频调速
3900kW
~2500kW
每种船型都有其特有的机械,可根据具体船型分析,例如,钻井船的钻机、泥桨泵等,铺管船的张紧器、收/放绞车、电焊机、理管机等,打捞船的高压水泵、空压机等,物探船的空压机、电缆绞车等,布缆船的履带机、埋设犁等,挖泥船的泥泵等。
对于某些非自航船舶(上述1200t起重/铺管船)和航速较低电推自航船(上述4000t起重/打捞船)而言,其工作机械负荷是船舶电站的主要负荷。
2.1.2.船舶运动负荷
为了配合工作机械的作业,船舶需进行定位、移位、升沉等运动。
包括各种推进器(主推进器、可伸缩全回转舵桨及隧道式侧向推进器),定位锚绞车、压载泵、升降机械等。
表2列出了大型起重船的相关参数。
表2大型起重船船舶运动负荷参数
船型
设备
主要参数
驱动形式
同时使用总功率
4000t起重/打捞船(华天龙)
推进器
压载泵
定位锚绞车
主推2×1500kW,
侧推1×2000kW均为调距桨
4×220kW
12×400kW
电动软起动
电动软起动
交流变频调速
~3000kW
880kW
~3000kW
2×8000t起重/铺管船
推进器
压载泵
定位锚绞车
主推4×5500kW,
可伸缩8×3200kW,
侧推2×2500kW
4×1300kW
12×1000kW
交流变频调速
电动软起动
交流变频调速
~35000kW
5200kW
~7800kW
2×7500t起重/铺管船(HMC)
推进器
压载泵
定位锚绞车
可伸缩10×5500kW
总功率7000kW
—
交流变频调速
不详
46200kW
5600kW
—
1200t起重/铺管船(海洋石油“202”)
压载泵
定位锚绞车
4×90kW
12×1000kW
电动软起动
交流变频调速
360kW
~7800kW
4400t起重/铺管船(伊朗)
推进器
压载泵
定位锚绞车
主推2×5500kW,
可伸缩4×2200kW,
侧推2×1935kW
4×320kW
10×450kW
交流变频调速
电动软起动
交流变频调速
~16300kW
1280kW
~3200kW
大型船舶运动阻力很大,尤其在有动力定位要求时,其推进器功率有质的飞跃。
如上述4000t起重/打捞船与4400t起重/铺管船尺度很近似,前者仅要求低速移位航行要求,后者为DP2动力定位要求,其推进器用电功率则差别有
5倍多,具有非常重要的特征意义。
而定位锚绞车的电功率则基本相似,从受力负荷分析能很容易理解。
2.2.负荷工作状况
大型海洋工程船有着多功能化的趋势。
如2.1.节所列船型,起重船不是兼作打捞船就是兼作铺管船,而不论其是否自航或动力定位的运动功能。
因此,在进行船舶负荷计算前,首先要确定电站具有几种工作状况。
然后才能对每一种工作状态进行负荷计算。
在低压电力系统中,通常具有标准的相同的电站工况,如航行、机动(进出港)、装卸货、停泊及应急。
首先,大功率电力系统船舶应按船舶不同的功能类型分别进行负荷工作状态的分析,确定在某种工作状态中哪几种工作机械需同时工作,依次列出完整的工作状况数量。
例如:
起重工况、打捞工况、铺管工况等。
其次,每种工况中可能有多种船舶运动方式的配合。
因此,还要在这工况中细分几种不同的船舶运动条件。
例如:
DP起重工况、锚定位起重工况、DP铺管工况、锚定位铺管工况等。
再次,对于DP-2/DP-3的船舶,应保证在各种单故障情况下,能使用独立的汇流排分段进行工作,因此,应对每个独立汇流排的负荷分析做好预案,以防止由于推进器过大负荷造成发电机过载而使汇流排断电。
其应对措施就是合理调整转换其他用电负荷,使功率管理系统能按此预案进行控制。
2.3.负荷计算
大功率电力系统的总负荷是相当大的,电力负荷计算应按2.2.节的原则列出各种工况分别计算。
对于DP-2/DP-3的船舶,应将最大单故障工况列入计算表内。
在做方案设计或基本设计时,工作机械及船舶运动负荷基本已经决定,但船舶日用负荷此时一般还不能确定,但因其绝对值通常也不小,所以应估算列入。
一种是参考同类船的资料;另一种可将日用负荷粗分成几类,按类型估算后累加得出,准确性更高。
粗分类有:
机舱辅机、推进器辅机、起重机辅机、空调、舱室风机、厨房设备、共用设备、照明等。
负荷计算及发电机组功率和数量选择的原则基本同低压电力系统一样。
既要保证在各种工况下的负荷率合理,也要使备用发电机组的功率和数量合理。
原则上发电机组单机功率尽可能大些,负荷率也可比低压电力系统有所提高,一般95%也可接受。
当初定发电机组功率和数量后,应估算电网的短路容量,使配电板的电压和断路器分断能力的选型能符合该短路容量的限额要求。
目前,中压配电板主要常用两个电压等级系列,即7.2kV和12kV。
前者用于6.6kV电网,后者可用于11kV电网。
两个系列区别不大,都可采用。
但若采用11kV时短路容量已接近限额,就应分析比较是提高电压到15kV而采用17.5kV配电板系列,还是将统一电网分成两个11kV电网以降低短路容量而能宽松地采用12kV系列。
后一种方式已在不少工程实际中被采用。
因为提高电压等级会带来电机、变压器、电缆也相应提高电压等级的选用,对经济性影响较大,应慎重考虑。
如已确定了采用两个独立电网分区供电后,则应对每个独立电网进行负荷计算。
在电网分区或配电板分段较多的情况中,如2.2.节所述应对单故障的每个独立汇流排作负荷分析,这时可能是相当繁琐的计算工作,可以采用独立形式的计算表格进行,最后将其中最大单故障工况的结果列入总的电力负荷计算书中即可。
电力负荷计算书中最后应将由日用变压器供电的负荷和铺管变压器供电的负荷也各有一个独立的总负荷,并分别计算其各自的平均负荷率和平均功率因数。
按上述负荷计算原则,2.1.节的5种船型配置的电站参数见表3所列。
表3大型起重船电站参数
船型
电站参数
DP
总功率/kW
负荷率/%
正常DP
最大故障
起重
铺管
起重
铺管
4000t起重/打捞船(华天龙)
4×2850kW6.3kV
50Hz0.85p.f.
无
11400
82
—
—
—
2×8000t起重/铺管船
12×6769kW6.6kV
60Hz0.8p.f.
DP3
81228
86.3
80
96.9
82.5
2×7500t起重/铺管船(HMC)
12×7275kW
DP3
87300
87
84
104
101
1200t起重/铺管船(海洋石油“202”)
4×2865kW6.3kV
50Hz0.8p.f.
无
11460
89
92
—
—
4400t起重/铺管船(伊朗)
7×4345kW6.6kV
60Hz0.9p.f.
DP2
51240
91.8
74.6
91.8
83.8
3.大功率电力系统性能分析及对策
3.1.参数
大功率电力系统的参数主要指容量和电压,在2.3.节中已提到了两者之间的关系。
表4为具有不同电压等级和不同分断能力时的短路容量。
表4中压电网短路容量/MVA
断路器分断能力Icu/kA
3kV
6.6kV
11kV
13.8kV
15kV
25
130
286
476
598
650
31.5
164
360
600
753
819
40
208
457
762
956
1039
50
260
572
953
1195
1299
表4中的电网短路容量是指电网中该电压等级的断路器能分断该处的短路电流的能力。
而短路电流的大小除了与电网容量(额定值)有关外,还与发电机的参数(如X’’d等),电缆长度以及电网中负载的控制方式都有关。
按照短路电流的计算方法,电网负载向短路点馈送的短路电流一般以电网发电机总容量的0.6倍计入,也是一个不小的数值。
但由于控制方式不同,如以当前已较普遍使用的交流变频控制而言,对于具有不可控整流器的变频装置就不会馈送出短路电流,与不使用变频控制的有较大的差别。
表5列出了一些船舶的电站组成及短路电流值,可见即使电站容量相差不多,短路电流值也可能有较大的差别。
综合来看,大致可得出电站额定容量与电压等级的极限范围可见表6所列。
表5某些大功率电力系统船舶的电站参数及短路电流
船型
电站/kW
电压/kV
X’’d
Iac/kA
ΣIan/kA
Iac/
ΣIan
Ssc/MVA
4000t起重/打捞船(华天龙)
4×2850
6.3
0.16
12.4
1.23
10.1
135.3
4400t起重/铺管船(伊朗)
7×4345
6.6
0.162
18.8
2.98
6.3
214.9
3000m半潜式钻井船
8×5530
11
0.143
19.5
2.91
6.7
371.5
2×2000t半潜多功能海工船
9×6769
11
0.139
23.35
3.99
5.9
444.9
1200t起重/铺管船(海洋石油“202”)
4×2865
6.3
0.152
10.6
1.31
8.1
115.7
3000t起重打捞船
4×4320+2×2195
6.6
0.1295
(0.145)
16.5
2.39
6.9
188.6
单体钻井船(ULSTEIN)
6×5530
11
不详
19.3
2.18
8.9
367.7
表6电站额定容量与电压等级的极限范围
电站额定容量/kW
电压等级/kV
<8000~10000
0.69
<60000~80000
6.6
<80000~100000
11
3.2.电制
与低压电力系统不同,中压电力系统绝大多数采用中性点接地系统,而不是绝缘系统。
接地系统又分为高电阻接地和直接接地两种,绝缘系统则为不接地系统。
这三种系统在性能方面的区别见表7所列。
表7中性点不同接地方式对电气设备的影响
比较项目
接地方式
直接接地
经高电阻接地
不接地
单相接地电流
最大可能达到100%三相短路电流或更大
最小
为对地电容电流,一般小于1%三相短路电流
内部过电压
单相接地时工频电压升高
小于80%线电压
等于线电压
等于或略大于线电压
弧光接地过电压
最低,可不考虑
可不考虑
可能很高,实测3.5倍最高运行相电压
操作过电压
最低
一般不超过2.6倍最高运行相电压
最高,可达(4~4.5)倍最高运行相电压
绝缘水平
变压器采用分级绝缘的可能性
可以采用
一般不能采用
不能采用
高压电器绝缘(如断路器、互感器等)
可以降低20%左右
全绝缘
全绝缘
阀型避雷器的灭弧电压
最低,可采用80%线电压避雷器
不低于100%线电压
不低于100%线电压
断路器的工作条件
按单相接地电流和三相短路电流中较大者考虑遮断容量动作次数多
按三相短路电流考虑遮断容量,不经常动作
按三相短路电流考虑遮断容量,动作次数较多
单相接地后果及供电可靠性
可能损坏设备,所有故障均由开关跳闸而被切断,所以供电可靠性较差。
在合理选择分段后,只需切除故障点附近分段,并能迅速检查出故障点进行排除,而对其它分段供电不受影响。
也可采用自动重合闸或双回线供电提高可靠性。
约有60~80%的故障能自动消除。
不要求立即跳闸,供电可靠性较高,对设备损害小。
由电容电流产生弧光,可能引起火灾以及由此引起的过电压可能损坏设备,供电可靠性不如消弧线圈接地系统,容易发展到多相短路,要求迅速查出和排除故障,但较困难,实际上带“病”工作。
继电保护
简单而有选择性,可采用零序电流保护
复杂,难获选择性
复杂,难获选择性
绝缘电阻的检测
困难,要使设备接地回路开断
方便
方便
负载不平衡时中点位移及负载电压的不对称度
最小
最大,但线电压不变
最大,但线电压不变
单相接地电磁感应对通信设备影响
影响大,但因快速切除故障作用时间短
影响小,但作用时间长
影响小,但作用时间长
中压电力系统主要采用中性点高电阻接地方式,主要理由如下:
1)中压系统对地电容电流较大,当发生单相接地故障时,不接地系统可能引发火灾,检查和排除故障困难,处于带“病”工作状态。
而接地系统能自动检测出故障点,可自动切除故障,供电可靠性高。
2)中压电力设备的绝缘水平相对低压的要低一些,当运行中产生的过电压超过设备的耐受电压标准时,设备的安全运行性能将会受到破坏。
表7中列出了不接地系统的操作过电压要高于高电阻接地系统。
表8列出了根据最新国标GB311.1-1997“高压输变电设备的绝缘配合”(非等同IEC71.1–1993,比IEC要求更高)规定的中压电力设备的标准绝缘水平及其相对于相电压的过压倍数。
其中,电机一类是按GB755标准列入,电缆一类GB311.1对3、6、10kV没有规定,所以又将CCS规范的规定列入。
需要指出的是,GB311.1标准定额随着修订版本的变更,97版比83版高,83版64比版高,显示了我国电力设备性能水平在提高。
其中变压器一类在旧版中另列入了对干式变压器更低的标准要求,而新版中已被取消,具有同油浸式相同的要求。
从表8中的过压倍数和表7中的两种电制的过电压耐受要求比较可见,低压系统都比不接地系统的要求高,所以采用不接地系统是安全的。
而中压系统普遍规律是电压等级越高,过电压倍数越小。
其中,电机和电缆都小于4,所以很难适应于不接地系统,而变压器和高压电器除了3kV和6kV两挡尚可适应不接地系统外,10kV和15kV两挡在低要求标准时也不适应于不接地系统。
这就是为什么中压电力系统绝大多数采用中性点高电阻接地系统的根据。
过去,IEC曾有过中压电力系统如采用不接地系统时,电力设备绝缘水平应提高一挡范围的说明,现已无此说明,应认为中压电力系统不应采用不接地系统的电制。
表8电力设备耐压试验标准
额定电压/kV
最高工作电压/kV
电机
变压器
开关装置
电缆
GB311.1
CCS规范
试验电压(时间)/kV(1min)
过压倍数
试验电压(时间)/kV(1min)
过压倍数
试验电压(时间)/kV(1min)
过压倍数
试验电压(时间)/kV(5min)
过压倍数
直流电压(时间)/kV(15min)
过压倍数
0.38
0.4
1+2U
7.62
1+2U(>2)
8.66
1+2U(>2)
8.66
2
5
3
3.5
2.5U
3.71
18
8.9
18/25
8.9/
12.37
—
1.6(2.5U0+2)
3.22
6
6.9
2.5U
3.76
25
6.3
23/30*1
5.77/7.53
—
4.2U0
2.42
10
11.5
2U+3
3.46
30/35
4.51/
5.3
30/42*2
4.51/6.3
—
4.2U0
2.42
15
17.5
2U+3
3.26
40/45
3.95/
4.4
40/55*3
3.95/5.4
40/45
3.95
/4.4
4.2U0
2.42
注:
1.表中斜线下的数据一般指该类设备的内绝缘和外绝缘干状态之耐受电压。
2.过压倍数=标准试验电压/最高工作电压(相电压)。
3.*1:
IEC为20,*2:
IEC为28,*3:
IEC为35。
3.3.冗余
大功率电力系统的冗余很重要,与常规船舶低压电力系统不可同比。
从发电机方面而言,由于功率巨大,数量不少,除了具有备用的观念之外,根据供电工况较复杂的特点,在供电灵活性方面应有更多的研究。
其中,除了包括可转换供电的措施外,不同功率的大小机组合理配置或与停泊发电机的组合供电配置也是不少大功率电力系统船舶的合理的设计思想。
停泊发电机采用中压还是低压也可因船而异,而有不同的选型。
这些都具有冗余的概念。
对中压配电板而言,除了规范规定的至少分成2个独立的分段之外,多个分段也是常见的,特别在具有动力定位要求时更是如此。
由于中压配电板尺寸较大,即使只有2个分段,也可拆成2个独立安装的配电板,既有利于布置,也含有冗余的意义。
对于动力定位DP3等级要求,也不能局限于有两处A-60分割的配电板布置,三处、四处乃至更多处所的配电板布置也是常见的。
对馈电而言,无论是工作机械还是船舶运动设备,一般均需考虑冗余,即有2路供电。
由于中压断路器馈电能力最小为630A,即其馈电功率可达7200kVA(6.6kV时),实际上用电设备的功率大多数远小于此值,而用电设备的数量相对较多,均需冗余馈电则使馈电单元数量剧增,配电板尺寸庞大到无法接受的地步。
因此,一个馈电单元供2个用电设备应是一种合理经济的方案,而2个馈电单元互相构成转换馈电的冗余,可节省2个馈电单元。
但这需要得到配电板制造商的支持才能实现(目前已有此种需要)。
3.4.电能质量指标
3.4.1.谐波电压
从表1及表2可知,目前大功率电力系统的用电负荷中,无论是工作机械还是船舶运动设备绝大多数采用了交流变频调速驱动系统。
众所周知,交流变频调速驱动系统是目前交流调速系统中技术经济性能最好的系统。
该系统具有调速范围广阔,经济节能的优点,采用简单可靠便宜的交流鼠笼电动机,系统无触点免维护运行可靠性高,广泛适用于各种负载特性的大中小型功率等级的和各种运行性能要求的电动机械。
由于它采用了电力电子器件,其非线性特性势必会产生各种谐波电流,对电源电压造成谐波干扰,使正弦性电源电压产生失真,恶化电网电能质量指标。
目前,普遍采用电网总谐波电压THD这个指标来评价电网的电能质量指标。
过去,无论IEC标准或是船级社入级规范都以THD≤5%作为检验要求,这也是标准电气设备无论是电机或电器都能普遍承受的要求。
谐波电压对电气设备的影响主要是附加发热及振动或工作不正常。
大功率电力系统船舶很大部分(约60%~70%)是采用电力推进,电力推进绝大多数采用交流变频调速系统,而且电力推进功率约占电力系统容量的80%左右。
在这种高功率比值用电负荷是能恶化电网电能质量指标的情况下,可想而知其电网的THD值可能达到非常高的程度。
基于实际情况,许多船级社都允许在电力推进汇流排上的THD≥5%,甚至达到10%,我国CCS规范2009年修改通报中也规定了8%的要求。
同时,规范都附带以下要求,即在此THD值下,各种电气设备都应能正常运行。
而低压日用电网汇流排上的THD仍为≤5%。
THD值的大小与很多因素有关,主要有:
变频器整流环节的脉动数的大小。
脉动数6是三相整流的基值,会产生较大幅值的5次、7次谐波电流;通过移相变压器输入两组矢量组不同的三相电压可得到脉动数12的三相整流,通过并联或串联连接,其各自的5次、7次谐波电流能大部分互相抵消,移相变压器的输入电路中5次、7次谐波电流幅值被降低到很小程度;更高的24、36、48脉动设计的变频器由于谐波电流小而被称为“完美无谐波”变频器。
另外,电源内阻
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