超大型FPSO船舶的电力系统设计简介

1超大型FPSO船舶的电力系统设计简介随着人类对石油资源的渴求，海洋石油开发在世界经济中占有重要地位。FPSO是集海洋工程与石油加工处理于一体的综合性高技术、高风险、高附加值、高投入、高回报的系统工程。FPSO浮式生产系统特别适合于远离海岸的中、深海油田，它相对于生产平台而言，具有抗风浪能力强，储油能力大，可以转移和重复使用等优点，浮式生产系统已成为当今海上石油开发的主流方式。现在，人们常将载重量小于10万吨的FPSO，称为常规FPSO；10—20万吨，称为大型FPSO；20万吨以上，称为超大型FPSO。FPSO通常是整个海上油田的中心装置，其主电站也往往是整个油田的电源中心，不但要给本FPSO船体供电，还可能要给远处的井口平台等装置供电，所以FPSO的电站容量规模极大。超大型FPSO需要设置高达数十兆瓦乃至上百兆瓦的大型电站，受配电设备短路电流容量的限制，电网设计更有其特殊性。本文将对FPSO的电气系统的主要设计原则，设计方法与思路进行重点和基本的介绍。1.FPSO船舶电气系统主要设计规范与规则FPSO所有电气设备和材料的设计和安装，都必须基于相关的船级社规范、IEC92版—船上电气安装和国际通用的有关标准及规则等。21.1主要船级社规范：世界上主要的入级船级社如下：CCS（ChinaClassificationSociety）—中国船级社DNV（DetNorskeVeritas）—挪威船级社ABS（AmericanBureauofShipping）—美国船级社BV（BureauVeritas）—法国船级社LR（Lloyd’sRegister）—英国船级社GL（GermanischerLloyd）—德国船级社NK（NipponKaijiKyokai）—日本船级社1.2主要的国际通用标准及准则：InternationalElectrok-technicalCommission(IEC，92—出版物)—国际电工学会（IEC，92号出版物——船上电气安装）NationalFireProtectionAssociation(NFPA)—美国消防协会AmericanNationalStandardsInstitute(ANSI)—美国标准协会NationalElectricManufacturersAssociation(NEMA)—美国电器制造商协会InstituteforElectricalandElectronicEngineers(IEEE)—美国电机电子工程师学会AmericanPetroleumInstitute(API，API—14F，APIRP—500)—美国石油协会Underwriter’sLaboratories(UL)—美国保险安全实验室InternationalMaritimeOrganization(IMO)国际海事组织（包括19743年SOLAS约及有关决议和修正案）1.3其他参考采用的规则：InternationalAssociationofClassificationSocieties(IACS)—国际船级社协会InternationalAssociationofIndependentTankerOwner(INTERTANKO)—国际油船船东协会2.船舶设备电力负载计算的内容和方法2.1船舶电力负载计算概述2.1.1目的和意义船舶电力负载计算是根据全船用电设备的数量、负载和使用情况进行的，其计算结果是作为选择发电机容量和台数的依据。因此，电力负载计算在整个船舶电气设备系统设计中是一项较重要的工作，如果计算不正确，选择发电机不恰当，必将直接影响全船用电设备的运行，危及船舶运行和人的生命安全。电力负载计算又是一项较困难的工作，这是因为全船用电设备的实际负载和具体使用工况受多种因素影响，难以准确的定量计算，有些数据是根据统计计算或经验获得的。所以，应该与轮机专业和设备专业等有关专业密切配合，对用电设备负载和使用情况加以全面客观地分析，以获得比较准确的计算结果。2.1.2计算方法目前，船舶电力负载计算方法较多，各种方法略有不同；即使是同一方法在不同用途的船舶上使用也有差别。但其基本构思是一样的，即计算4船舶各工况下用电设备所需的功率。目前电力负载常用的计算方法有：需要系数法三类负载法日夜负载法概率分析计算法算式计算法以某项特重负载为基数的计算方法以上方法中，目前应用较多的是需要系数法和三类负载法。经大量实船的计算和实践，如果需要系数、负载系数或同时系数等参数选取恰当，需要系数法、三类负载法均能得到较准确的计算结果。2.1.3计算工况在电力负载计算时，通常要考虑船舶运行工况，虽然不同类型及用途的船舶其运行工况可能略有不同，但基本的运行工况大致相同，基本的工况大致可分为：航行——满载全速航行进出港——港内低速航行或机动状态压载——进出港压载航行状态靠离码头——一般考虑起锚和系缆状态（通常该工况可与进出港工况合并为进出港工况）停泊——停泊码头或系船（无客、无货状态）装卸货——货船、液货船（油船、液化气船和化学品船）或集装5箱船等装货、卸货状态作业——工程船舶的水上作业或调查船等的海上作业。应急——一般考虑主电站失电或船舶失火状态有时，为了较正确地计算电力负载，根据航区及使用目的，又有热带或寒带航行、装货和不装货、载货和不载货之分；并且还的季节和时间的不同，例如冬天和夏天、白天和黑夜等。例如，海洋工程船舶——渤海Ⅱ期开发项目，蓬莱30万吨“PL19—3FPSO”（船体部分）的计算工况就分为原油生产、生产和输油、基本负载（ESSENTIAL）、黑暗起动（BLACKOUTSTART）、应急等工况。2.1.4用电设备的分类在对用电设备分类时，航行船舶通常是按系统进行分类，一般的分类为：1.）动力装置用辅机——为主机和主锅炉等服务的辅机，如滑油泵、海水冷却泵、淡水冷却泵和鼓风机等。2.）甲板机械——包括锚机、绞盘、舵机、起货机和舷梯、起艇机等。3.）舱室辅机——包括生活用水泵、消防泵、舱底泵以及为辅锅炉服务的辅机等。4.）机修机械——包括车床、钻床、电焊机和盘车机等。5.）冷藏通风——包括空调装置、伙食冷库等用辅机和各种舱室的通风机等。6.）厨房洗衣设备——包括电炉、电烤炉等厨房机械辅机和洗衣机等。7.）照明设备——包括机舱照明、住舱照明、甲板照明等照明设备和6航行灯、信号灯等。8.）通讯导航设备——包括无线电、导航和船内通信设备等。9.）自动化设备及其它——例如，自动化装置、蓄电池充电设备、冷藏集装箱和侧推装置以及特种船舶的专用设备等。上述用电设备的分类，随船舶的种类、吨位、和主机形式等不同而有很大差别，在进行电力负载计算时，在直观、明了的前提下，可以增减或合并。例如，在蓬莱30万吨“PL19-3FPSO”项目中，船体部分（HULL）的用电设备的分类与常规的船舶也有一些差别。1.）首先按高压（6.3kV）和低压（400V）配电板分成二个大用电设备的分类。2.）高压配电板系统，按机械设备（分艏部和艉部）——直接起动的高压电动机等、高压变压器（6.3kV/400V）——分夏季和冬季及工艺模块供电部分等。3.）低压配电板系统，按机械设备（分艏部和艉部）、甲板机械、空调及通风（分夏季和冬季）、电气设备（分夏季和冬季）——电气设备中包括照明、电伴热、厨房设备、餐厅设备、洗衣设备等。4.）应急配电板系统，按机械设备（分艏部和艉部）、甲板机械、空调及通风（分夏季和冬季）、工艺模块供电部分、电气设备（分夏季和冬季）——包括应急照明、电伴热、厨房及洗衣设备等。2.1.5连续负载和间接负载顾名思义，连续负载即连续运行的负载，间断负载即间断运行（短时7或重复短时运行）的负载。连续使用的大功率辅机对发电机影响较大，所以进行电力负载计算时，对其需要功率的估算应仔细慎重，精度应尽量高。对小容量的辅机也采用大容量辅机的计算方法当然是理想的，但十分繁顼，可以采用实际的平均值，对计算结果不会产生很大的误差。对于频繁波动的负载所需的功率的计算，通常是求其均方根值，而不是按最大值计算。电动机起动时的过电流（或过载），一般也不要在其需要的功率计算上再加算。2.2需要系数法2.2.1需要系数负载实际需要的功率是由各设备的种类及其使用方法决定的，其实可用需要系数来计算。需要系数=设备的需要功率/设备的定额输入功率×100%。设备的额定输入功率，对电动机而言，就是其额定输入功率；对照明和通讯导航设备而言，可采用安装的总工率；对负载随时间上下波动时，一般取其平均功率。需要系数随船舶运行工况不同而不动，对于一般商船，可以取下述各值：一般辅机——60%～95%舵机——20%～30%电热设备——50%～100%一般照明——70%～80%（航行）860%～70%（装卸货）50%～60%（停泊）工作灯——100%（装卸货）有关负载分类及其常用需要系数K值，参见表1和表2。91011电动起货机可以看作间断负载，计算其功率实质上就是选择一个合适的同时系数。但实际计算负载时，通常是把这些起货机看作一组连续的负载，也用需要系数来计算，该需要系数与起货机台数有关，用一个概略数值表示，参见表3和表4。12发电机—电动机系统，以拖动电动机的额定输入功率作为基准；变极式鼠笼电动机，一般以第二档输入功率作为其准；对于甲板起重机，通常以提升和回转同时动作时所需额定输入功率作为基淮。2.2.2同时系数各间断性负载不会都有在同一时刻使用。所以，在确定的条件下，可能运行的各间断负载的最大需要功率之和，总比所有间断负载所需要的最大功率之和要小。日本海事协会将其称之为不等系数，我国将其倒数称之为同时系数。13船舶的不同运行状态，其值也是不同的，同时还受到船舶装载状态、航区和季节等影响，通常根据经验和实际试验结果确定。无精确计算值时，同对系数一般可以选定0.3～0.5范围内。2.2.3负载计算表的编制编制全船电力负载计算表（书）时可按下述方法和程序进行：1.）计算各用电设备的额定输入功率。2.）选择计算工况，并确定各工况下所需使用的电气设备，并按连续负载和间断负载加以区分。3.）确定各用电设备的需要系数。4.）计算各用电设备的所需功率，并计算出各工况下所需总功率。5.）选用间断负载的同时系数，计算总需要功率。上述计算可用公式表述：PG=∑Ki×Pci＋K2×∑Ki×PIi上式中PG——计算总功率；Pci——各连续负载额定输入功率；PIi——各间断负载额定输入功率；Ki——需要系数；K2——同时系数。6.）考虑5%的网络损失，计算所需要总功率。7.）根据上述总功率，选择发电机组的容量和台数，并计算各工况14下使用发电机的负载率。2.3主发电机容量和台数的选择为了满足船舶各运行工况的用电，必须正确地选择主发电机的容量和台数。发电机容量的最后确定，应根据电力负载计算书的计算结果决定。实际决定发电机容量时，对交流发电机特别要注意系统的功率因素、发电机的电压波动特性和负载的变化特性。2.3.1系统功率因素发电机的负载包括有功功率和无功功率，即发电机负载（KVA）=由于船内大部分负载是感应电动机，含有较大的无功功率，其它负载也有无功功率，所以，航行工况的总功率因素近似于0.8，一般在0.75～0.9之间。2.3.2发电机电压的波动特性交流发电机突加大负载时，由于漏抗和电枢反应使发电机端电压急剧下降，这对电网运行是不利的。发电机容量及其电压波动特性必须是在突加预期的负载时，对其它运行中的负载没有任何恶劣影响。自励交流发电机的电压波动特性非常好，所以大功率电动机也可有直接起动的倾向，但必须考虑起动频繁程度和对发电机电压降的影响。关于直接起动允许的瞬时电压降，各标准不甚统一，现引用日本M公司的规定，列入表5中，供参考。15大功率电动机起动时，其瞬态电压降与发电机的基本参数和电动机基本参数有关。通常发电机带负载状态起动电动机时瞬态电压降比空载时要小，所以一般都按空载起动状态计算瞬态电压降。作为一般经验估算，对于自励交流同步发电机来说，相当于发