大型客船失电和瘫船动力恢复分析

周康宁,李国荣,曹大友

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

大型客滚船因其电站装机容量大,主要负载与发电机电压不同,分属不同的配电板,需要经历多重转换,电站管理系统还需适应并网运行和分区供电等多种工况,控制及逻辑关系复杂。同时,为给乘客提供较好的旅途体验,避免瞬间电压波动对AC230V系统的影响,通过配置清洁电源单元以获得稳定电压和频率的交流电源。然而,在全船失电后,配电系统需要完成到一系列自动启动和系统恢复,涉及发电机启动、变压器预充磁、清洁电源开机、各开关合闸和并网等流程,电站管理系统难以在45 s内完成对所有负载恢复供电。此外,关于瘫船试验,鲜有关于主发电机控制电源配置的相关论述和系统分析报道。因主发电机控制系统所需不间断电源由充放电板提供,绝大多数船舶瘫船启动试验时未断开充放电板的蓄电池,在系统设计时,未考虑断开蓄电池后的影响。充放电板的蓄电池被断开后,其交流电源切换将导致其输出电源短时失电,中断发电机运行。如果船舶长期失电,充放电板的蓄电池亏电,此时,这种不能为发电机控制系统提供连续电源的缺陷的系统将无法完成瘫船启动。因此,考虑通过改进电站管理系统设计,缩短客船在失电后系统恢复供电的时间,寻求一种主发电机控制电源不依赖于蓄电池的瘫船启动方案。

1 系统配置

为应对安全返港[1]要求,某客滚船设计双机舱,用于布置主配电板、直流配电板、主变压器和清洁电源等设备。上建区域布置应急发电机室,用于布置应急发电机、应急配电板等,电力系统为双套设计,单线图见图1。

图1 电力系统单线图

1.1 具体配置和布置

4台主发电机、双套AC690 V主配电板、AC400 V主配电板、AC230 V主配电板、主变压器(AC690 V/400 V/400 V)、主变压器(AC400 V/230 V)、清洁电源布置于两侧机舱、配电板室和变压器室内。双套配电板之间设置联络开关。应急配电板分别由应急发电机和左、右两侧AC400 V主配电板供电。

设置三线圈变压器[2]MT1/MT2分别供左、右两侧AC400 V主配电板和AC230 V主配电板,三线圈变压器MT1/MT2与AC230 V主配电板之间通过清洁电源和MT3/MT4降压变压器连接。由于经历清洁电源的整流和逆变处理,AC230 V主电网不受外部大功率负载突加和突卸的影响,电网电压和频率稳定。

通过三线圈变压器MT1/MT2的设置,AC230 V的配电板不再像传统方式经由AC400 V配电板中转,降低了AC400 V配电板的容量及联络电缆的数量,MT1/MT2兼作了清洁电源的隔离变压器,节省了隔离变压器的配置,系统可靠性提高、建造成本降低。

1.2 主要工作模式

航行时,有以下两种最基本工作模式。

1)分区运行,在安全返港工况下,如一侧机舱失去后,所有左、右机舱的配电板联络开关分闸,剩余机舱的配电板独立运行。

2)并网运行,正常航行工况下,所有联络开关合闸,两侧配电系统并机运行。

2 全船失电及恢复供电分析

2.1 电站管理系统逻辑控制及系统设计

该客滚船主发电机从启动到电压建立约需20 s,清洁电源开机约需12 s,再考虑到各变压器预充磁时间、各阶段的命令执行时间,无法实现所有设备在45 s内完成恢复供电。这需要从配电系统设计和电站管理控制逻辑两方面加以应对。

2.1.1 电站管理控制逻辑

1)缩短各部件执行时间,如将变压器预充磁时间控制在3 s以内;副边开关在原边开关合闸反馈后,其延时合闸延时时间控制在1 s以内。

2)清洁电源有旁通运行和正常运行两种模式,旁通模式启动时间相对较短,设置旁通模式为默认启动方式。

3)与主变压器MT1/MT2的2个副边相连AC400 V和AC230 V主配电板,主变压器原边开关合闸后,同步执行下一级的恢复流程,最后执行并网操作,重要设备在第一时间恢复供电。

2.1.2 关键系统设计的关注点

AC230 V主配电系统恢复供电时经历了清洁电源、降压变压器以及若干个开关,无法在45 s内恢复完成供电。因此,重要设备的电源应避免接自AC230 V配电系统。

2.2 发电机启动及开关合闸控制

失电后,AC690 V主配电板检测到AC690 V汇流排失电后,第一备用主发电机优先启动。同时,应急配电板检测AC400 V汇流排失电后,应急发电机立即启动。

主发电机电压建立后,需要立即执行合闸动作,AC690 V主配电板得电后,再执行变压器MT1/MT2的预充磁、AC400 V主配电板的开关合闸操作。

应急发电机启动后,应急发电机开关合闸的时机主要有以下两种方案。

方案一:立即合闸,AC400 V应急配电板首先由应急发电机恢复供电,待AC400 V主配电板恢复供电后,AC400 V应急配电板再转换为主配电板供电,应急发电机自动延时停机。

方案二:延时合闸,检测主AC400 V电源是否在规定时间内完成恢复供电,如已完成,则应急发电机开关无需执行合闸的操作;如未完成,则应急发电机开关再合闸,但必须在45 s内完成应急电源恢复供电。

考虑到客船配置了临时应急照明和附加应急照明,不需要应发电机在第一时间内为照明系统提供电源,因此建议采用方案二,可减少不必要的操作和损耗。

2.3 配电板恢复供电流程

根据图1的电力系统单线图并依照2.1所述的原则和控制逻辑,分析主电机及应急发电机启动后的电力系统失电后的双机舱配电系统恢复逻辑,见图2。

3 瘫船恢复供电分析

3.1 瘫船的定义及设备配置

DNV规范 Pt.4 Ch.1 Sec.3 第2.3.14 条对瘫船定义为“所有机械设备和电力系统都处于非运行状态,且用于起动主推进的以及用于主电源恢复的所有辅助设备,如压缩空气、蓄电池等均不可用。”瘫船是指辅助设备处于停止运转状态,而非不能运转[3]。

该客滚船主要电力设备的特殊性如下。

1)双燃料发电机,每台发电机控制系统所需功率约为600 W。

2)发电机控制系统为双路电源输入,一路主电源和一路应急电源,交流电源整流后在DC24 V侧并联,可实现不间断切换。主电源取自AC230 V主配电板,应急电源取自充放电板。

3)左、右机舱分别布置2台主发电机,每侧机舱布置一台充放电板供两台主发电机和其他DC24 V备用电源使用,每台发电机未配置独立的UPS。

4)配置清洁电源单元,其启动时间长约12 s。

3.2 瘫船后恢复流程

某客滚船瘫船后电力系统恢复流程见图3。图中①表示AC400 V主配电板得电后,将立即为充放电板提供AC400 V主电源;②表示AC400 V主配电板得电后,可将原由应急发电机供电的应急配电板切换为主配电板供电;③表示AC230 V主配电板得电后,将立即为主发电机控制系统提供AC230 V电源。因清洁电源启动时间较长,AC230 V主配电板恢复供电时间T2长于AC400 V主配电板恢复供电时间T1。

图3 瘫船后电力系统恢复流程

3.3 充放电板的设计和选型

3.3.1 常规设计方案

推荐的充放电板[4]内配置一个整理流器和一个充电器,整流器接自AC400 V主配电板,供充放电板负载使用;充电器接自AC400 V应急配电板,供蓄电池充电用,充放电板正常运行时,整流器为全船负载提供DC24 V电源,充电机用于蓄电池的充电。整流器故障后,蓄电池仍可为负载提供30 min电源;充电机故障,整流器仍可为负载提供电源并为蓄电池应急充电。参见图4。

图4 常规充放电板单线图

对于200 AH的蓄电池,铅酸电池的充电电流需要限制在16 A,镍镉电池的充电电流限制在32 A,充电机可配置在40 A,依据蓄电池类型调整其输出电流。如按常规0.5 h放电需要计算,整流器容量需要配置至100 A,充电机的容量远小于整流器的容量。

瘫船试验时,模拟充放电板蓄电池不可用,只有应急电源在网时,充电器与全部负载直接接通,充放电器容量较小,不足以承受全部负载的负荷。

3.3.2 改进方案

基于3.3.1所述,考虑设置充放电板主、应急两路AC400 V电源自动切换,双路电源切换后,同时并接至充电器和整流器的输入端,即只有应急电源在网的工况下,整流器仍然可用。

但由于AC400 V和AC230 V主配电板分别从MT1和MT2主变压器的两个独立线圈供电,与AC400 V主配电板相比,AC230 V主配电板需要额外经历主清洁电源启动、MT3和MT4主变压器预充磁等环节,AC230 V主电源的恢复时间明显晚于AC400 V,定义相差时间为T。如充放电板AC400 V主电源恢复供电时,立即由AC400 V应急电源切换至AC400 V主电源,充放电板存在短时断电,其输出至主发电机控制系统的应急电源也随之断电,而由于AC230 V主电源尚未恢复供电,进而导致发电机控制系统断电,主发电机停车,失电恢复过程中断。

此外,应急配电板在检测到AC400 V主电源恢复供电后,需要从应急发电机电源转换为主配电板电源供电,应急配电板的电源的转换也会导致充放电板的AC400 V应急电源短暂失电。

上述问题可通过以下方法进行改进。

1)充放电板电源切换。在AC400 V主电源恢复供电后,将原先由AC400 V应急电源立即切换至AC400 V主电源的方案改为延时切换,切换时间设置在主AC230 V主配电板电源恢复供电之后,即AC400 V主电源恢复供电后,可延时T+2 s后再进行主电源切换。

2)应急配电板的供电电源切换。AC400 V主电源恢复供电后,同样延长换电时间,可延时T+4 s将应急发电机主开关分闸,切换自AC400 V主配电板电源供电。

以上设置可以确保主发电机控制系统的主AC230 V电源投入后,充放电板和应急配电板再进行电源的切换,主发电机控制系统将不再断电,参见图5。

图5 改进充放电板单线图

4 结论

大型客船可通过配置清洁电源单元的方法使配电系统始终输出稳定的电压,AC230 V配电系统将不受电网中突加或突卸大型负荷的影响。

需综合考虑电力系统中各大型设备的启动时间对重要设备供电的影响。AC690 V主配电板的联络开关不设欠压保护,任意1台发电机启动后,双机舱下一级配电系统可同步进行失电恢复,最后并网,减少失电恢复时间。

关于瘫船后的动力恢复,在断开主发电机控制系统蓄电池的情况下,可通过增加充放电板主、应急电源切换的方式解决充电器的过载问题;同时需要考虑充放电板及应急配电板的电源切换所导致的短暂失电问题,通过设置延时切换方法予以应对。