1. 引言
1.1研究背景
随着我国经济的高速、持续发展，对能源(特别是石油和天然气)的需求也日渐高涨;从另一方面看，能源的风险和危机也日渐显露。我国已是第二大石油消费国和石油净进口国，能源供需矛盾突出，近年来高能耗的产业体系加深了对能源，特别是对石油、天然气的依赖，对石油、天然气开发的重要性己提到了“国家安全”的高度。能源供应安全问题对我国的政治、经济和社会影响引起了国家高度重视。解决我国石油安全有多种途径，其中勘探开发油气资源是最安全可靠的措施。据国际能源机构(IEA)预测，2030年，中国石油消耗量的80%需要依靠进口。中国工程院院士吴有生则认为，2020年，原油进口就可能占消费量70%至80%。而全球近十年发现的大型油气田中，海洋油气田己占60%以上，特别是水深500米至1500米的深海油气勘探，已成为多数海洋油气经营者重要战略资产的组成部分，深水是未来世界能源的主要接替区。
随着陆上资源的逐步枯竭，向“海洋要油”将成为主攻方向。开发和利用海洋油气资源、扩大海洋油气产量是我国能源发展的重要战略举措，也是国家赋予的政治任务。我国三大油公司中海油、中石油和中石化均将油气开发的战略重点由近海转向深海。五万吨级及以上半潜运输船是各海上工程公司急需装备的开发建设海上油气田的主力工程船。目前，在全球经济风暴的影响下，大力发展我国海洋工程装备是当前船舶工业应对金融危机，进一步调整产业结构、提升发展空间、培养新经济增长点的战略方向。为了贯彻和落实《船舶工业中长期发展规划》和《船舶工业调整和振兴规划》，加快海洋工程装备研发，推动我国船舶工业在海洋工程装备制造领域做大做强是十分必要的。海洋事业的发展和对海洋油气的需求要求包括船舶工业在内的诸多工业提供各种海洋工程结构物，如导管架平台、自升式钻井平台、半潜式平台、张力腿平台和SPAR等生产、钻井平台。
由于海洋工程结构物的不可分割性，其整体运输和海上预定区域的安装受到起重能力、营运成本、运输周期、气候和海况等条件的严重制约，迫切需要安全可靠的运输工具和能精确定位的安装设施。而新兴的半潜运输船正是安全可靠和高效率载运这些价值高、体积重量大、高度高的巨大的海洋工程结构物的绝佳运输工具及安装设备。半潜运输船 (semi一submersibleHeavyLinvessex)又称为半潜重载船(HeavyLinsubmersibleDeekea笔。vessel)，该名称是基于其操作模式来定义的:在运输大型海洋工程结构物时，半潜船的压载水舱先泵入压载水，使主船体部分压至水面一下的一定深度(此时，上层建筑及甲板机械仍处于水面以上)，然后将所需载运的结构物移至半潜运输船甲板上方，定位后开始排放压载水，直到半潜运输船上浮至预定的水线，将结构物承载在甲板上。半潜运输船的这些特征使其不仅能承运那些通过吊装和滚装至甲板的重大件货物，还能以其独特的半潜功能浮装、浮卸尺度、体积或重量上更为巨大的大型海洋结构物，而重吊货船、滚装货船和起重船无法承受操作的大型海洋结构物。由于半潜运输船的特殊强大功能是以其高科技含量和关键建造技术为支撑的，设计和建造该类船的技术难度大，门槛高。因此，无论是从保障国家能源战略的实施，还是船舶工业自身做大做强的需要，现阶段开展大型多功能半潜运输船研制关键技术研究都具有极其重要的意义。
1.2研究目的及应用前景
5万载重吨及以上半潜式自航工程船是集当今多学科技术于一体的高新技术船舶，对其设计和建造关键技术的研发我国尚处于初级阶段，为了提升我国自主开发设计该类船舶的能力，通过产学研联合攻关、自主研发和设计，解决设计和建造关键技术问题，掌握5万载重吨及以上半潜式自航工程船的共性和专项核心技术，努力掌握在市场竞争中的主动权，带动船舶建造相关产业和配套工业的发展，为我国造船业开拓一个新市场。能满足装载和运输海洋石油平台需要的50000吨及以上的大型半潜运输船屈指可数，社会需求缺口很大。随着我国国力的增强，对海洋无穷无尽的资源，也应占有应得的份额。进军海洋，开发海洋，已成为本世纪我国经济持续发展的头等大事。经我国勘探部门的探测结果，我国近海发现含油气极为丰富的地域，储量相当丰富而极具开采价值。为此，中海油提出在“十二五”期间，油气产量要达到1亿至1.2亿吨油当量，其中，国内油气产量达到6500一7000万吨油当量，海外达到2000一3000万吨，进口液化天然气要达到1500一2000万吨，煤制天然气要达到80一100亿立方米。为实现“十二五”产量目标，总投资将超过2500一3000亿元人民币进行特种船在内的海洋工程装备投资。
2电力系统的系统构架
主发电机组经中压配电板(6600V)向中压负载供电，并经过2台低压变压器向低压配电板(45oV)供电。而23ov负载经2台Ae45ov几3ov变压器供电。另外厨房设备采用单独的变压器供给AC450V/230V电源，使得厨房设备和整个电网隔离，以免厨房设备的低绝缘影响全船电网。应急发电机组经应急配电板(450V)供电。配电系统设计还受制于系统冗余的要求。如DNV的一个附加标志入级符号RPS要求。即要求为水密舱壁分隔的冗余推进船舶(即S，RedundantProPulsionandSeParate)。主要对推进系统和操舵系统提出了系统备份的要求。即当出现任何故障导致船舶一侧设备不能运行时，要保证全船仍能操舵运行，并且至少有50%推进功率保留。这实际上就要求至少配置两套独立的推进和操舵系统，其控制功能也应该冗余设计，且双套系统之间应有可靠的分割。由于RPS要求至少有双套独立推进系统和双套操舵系统，且两套功能之间有可靠的分隔。因此本船与推进系统、操舵系统相关的电气设备，包括中压配电板，推进变压器，推进变频器，推进马达，低压主配电板，还包括为主发电机，推进马达服务的辅助设备，都为左右独立配置。
3 电力系统组成各部件的技术要点................. 19-27
3.1 各部件的防护型式选择................ 19-20
3.2 中压电缆及其敷设 ................20-26
3.2.1 中压电缆的额定电压等级................ 20-21
3.2.2 中压电缆的敷设 ................21-22
3.2.3 中压电缆的应用................ 22
3.2.4 中压变频电缆................ 22-26
3.3 推进电动机绕组和轴承的保护 ................26-27
4 电力推进系统选型和关键参数................ 27-41
4.1 推进装置的选择................ 27-30
4.2 电站配置及发电机容量估算 ................30-34
4.3 系统电压等级选择................ 34-35
4.4 推进变频器型式的选择................ 35-36
4.5 选择制动电阻容量................ 36-38
4.6 变压器预励磁装置................ 38-40
4.7 RPS附加标志及FMEA分析................ 40-41
5 中压配电系统的保护与分析................ 41-60
5.1 中压配电系统................ 41
5.2 中压配电系统接地方式选择................ 41-48
5.3 中压配电系统保护................ 48-51
5.3.1 概述................ 48-49
5.3.2 中压配电系统保护................ 49-51
5.4 系统的谐波分析................ 51-60
结论
本文通过对大型半潜船电力系统的设计研究，掌握船舶电力推进系统设计的特殊要求以及一些关键技术，系统了解从整个方案开始确定到全船电力系统安装调试结束整个过程:从确定全船系统容量开始，到发电机容量选择、推进电动机和变频器的选择、电网中心点接地方式的选择、中压电缆的选择和敷设、配电系统保护的设计、谐波的抑制、全船功率的管理等各个方面参数确定，进行了较为全面的分析和了解。同时也对两种主要的变频调速技术(循环变流器、同步变流器)进行了分析和比较，选取合理经济可行的虚拟二十四脉冲方案。经过对电力推进系统设计全过程的理论分析和计算，最终给出了此种系统设计的基本思路和方法，完成了该船的电力系统方案及设计，并最终实船验证其可靠性。
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