萬箱級集裝箱船推進系統、電站及配電設計方案

摘要：集裝箱船市場已于今年明顯回暖，但集中在超大型集裝箱船領域，集裝箱船的大型化以其規模效應的優勢也成為了勢不可擋的趨勢。本文主要從推進方案的初步設計以及電站和配電方面的設計等方面描述萬箱級集裝箱船的設計思路。

關鍵詞：萬箱級集裝箱船；推進；電站；配電；網絡

Design of Propulsion System， Power Station and Distribution for Ten Thousand Level VLCS

WANG Jindong

(CSSC Guangzhou Longxue Shipbuilding Co.， Ltd. Guangzhou 511462)

Abstract: The market of container carrier has already become warm this year and most of them are VLCS. VLCS will be popular because of their advantage of scale effect. This paper describes the design method of thruster system， power station and distribution for VLCS.

Key words: Ten thousand level VLCS; Thruster; Power station; Distribution; Network

1前言

今年，集裝箱船市場已明顯回暖，但主要呈現在超大集裝箱船市場，萬箱級以上的集裝箱船已經完全贏得市場的信耐，其單箱能耗明顯低于小型集裝箱船，因此，能耗的最小化也是萬箱集裝箱船的特點之一，但受諸多條件限制，我國還沒有擁有自主知識產權的萬箱集裝箱船的建造經驗。我公司正在探索集裝箱船市場，作為研發部的成員，作者以電氣設計的角度出發從若干方面描述萬箱集裝箱船的設計思路。

2推進系統設計

超大型集裝箱船的航速較高，雖然目前市場暫時出現降航速使用的情況，但馬士基負責人的申明也體現出降航速使用不是長久之計，其節省能源的方式所帶來的服務質量的降低最終還是要消費者承擔。為了保證有一個高航速的能力，同時又能降航速使用且不帶來高油耗，可以采用電噴機帶單槳的常規推進或電力推進方式。

2.1常規推進

這里所說的常規推進，指的是大型低速船用柴油機通過軸系直接驅動定距螺旋槳的推進方式。主機、軸系以及螺旋槳都具有相同的轉速和轉向。該推進方式具有結構簡單、工作可靠、傳動損失小、推進效率高、震動噪音小等特點，因此廣泛應用于遠洋大型船舶上。

常規單機單槳推進系統和機艙的布置是十分重要的。機艙如果布置的位置太靠近尾部，充分利用了尾部線形作為機艙區域，且軸系較短，振動小，但由于機艙和上建布置太靠尾部，受視線的影響，甲板以上的集裝箱層高受到了了很大限制。

如果機艙和上建靠近中部或首部，受視線影響很小，甲板面的載箱數可以提高，但缺點推進軸系太長，如果存在振動，會增加振幅，使得推進軸系容易損壞。

綜合考慮，舯艉部機艙和上建是最適合常規推進方案的布置方式。但隨著技術的發展，更多新穎的想法也會脫穎而出，機艙與上建的分離也會成為可能。一旦機艙和上建能合理分離，集裝箱船的載箱率將會大幅提高，單箱能耗將會近一步降低。

超大型集裝箱船的一個顯著特點就是高航速。根據集裝箱航運市場的特點，集裝箱船的箱位數與航速之間存在著一定關系。集裝箱船是在班輪航線上營運，必須準點航行。集裝箱船箱位越大，航行中所遇到的阻力也就越大，在港內的集裝箱裝卸數量就越多，所需的裝卸時間就越長。停港時間長就要求航行時間短，要求的航速就越高。表1顯示了不同航速下所需功率情況。

如表1所示，某萬箱級集裝箱船航速為25 kn時需要的功率約為70 000 kW。

MAN BW 公司已開發出了14K108 機型，其缸徑達到1 080 mm，沖程2 660 mm，整機輸出功率將近100 000 kW。WARTSILA 公司也開發出了14K96機型，其整機輸出功率也達到了80 000 kW。由此可見，目前的單臺大型主機功率足以達到萬箱級集裝箱船的航速要求。

2.2電力推進

電力推進技術進步較快，其優良的操作性，低能耗，振動小等特點深受好評，主要應用在對操作性能要求較高的中小型船舶。圖1為ABB的電力推進方案。

電力推進系統由發電機、配電板（高壓和低壓）、變壓器、變頻器、電動機和電力推進器組成。由于變頻器可對電力推進器進行靈活地調速。且發電機可以根據負荷的大小合理地發出和分配電能。因此，電力推進方案可大大地減少能量損失和污染物的排放。

但電力推進系統除了一次投入成本高的缺點以外，還存在著一些問題，例如其功率受限制，據分析，目前使用兩臺電力推進器仍然不能滿足萬箱集裝箱船對電力的需求。但技術在不斷發展，我們相信在不久就會出現適合于萬箱集裝箱船的電力推進器。

據統計，目前超大型商船幾乎都采用大型低速柴油機直接驅動定距槳。主要原因是柴油機具有較高的熱效率。低速柴油機的熱效率為46%～55%；中速柴油機的熱效率為40%～47%；聯合循環燃氣渦輪機為35%～46%；燃氣渦輪機以及蒸汽渦輪機的效率在22%～37%之間。萬箱級超大型集裝箱船所需推進功率十分巨大，加之燃油價格的不斷上漲，單機單槳這種動力裝置型式的經濟性更加突出，進而成為首選推進方案。

2.3 首側推

集裝箱船靠港頻繁，例如從遠東到歐洲的一個航次大多需要進出20余個碼頭，因此，集裝箱船的操作性通常比較好，首側推可大幅提高其操作性能，進出港不需要拖輪協助。

如圖2所示，側推艙布置在首部，采用電力推進的方式。某萬箱集裝箱船的側推功率達到2 500 kW，系統單線圖見圖3所示。

如果船用發電機為450 V低壓發電機，由于從機艙到首部距離遙遠，側推電機容量比較大，采用中壓的方式配電可以減小電纜截面積，且電纜電壓降也相應減小。

3電站設計

萬箱集裝箱船的電站容量較大，為保證電站的設計既能滿足所有用電負荷正常工作，又能使得電站的設計以最經濟的模式運行，就需要對所有用電負荷進行分析分類，進行電力負荷估算。具體思路如下：

3.1用電設備容量計算

電力負荷估算書的制作需要由輪機專業提供設備所需的實際功率，經過機械效率和電機效率的換算之后計算出一個相對準確的負荷功率。

計算出所有負荷功率之后，需要制作表格，對各用電負荷進行分類，大致可以分為：機艙輔助設備、錨泊等甲板機械、操舵設備、冷藏箱插座、側推、廚房和洗衣以及冷庫設備、照明、無線電導航、內部通訊設備等等。

3.2工況分類

萬箱集裝箱船的冷藏箱數量較多，例如一型遠東到歐洲航線的萬箱集裝箱船的冷藏箱插座數量有600至1 000個，甚至可能會更多。每個冷藏箱的功率可按11 kW計算，同時系數可以選取為0.4。冷藏箱總功率可達到2 000 kW至4 000 kW。

首側推功率比較大，一艘萬箱集裝箱船的首側推功率可達到1 600 kW至2 500 kW。根據以上特點，設計合理的船舶工況是十分必要的，如表2所示為某萬箱集裝箱船的工況和發電機使用情況。

3.3發電機容量

在正常航行不帶冷藏箱的工況下，用電負荷較小，也是最基本和最常用的工況，因此該工況使用的發電機容量可偏小，其他發電機容量可按總負荷情況均分。

根據經驗，考慮到電站總容量和備用發電機的使用情況以及機艙的大小，萬箱集裝箱船選取5臺發電機是比較合理的方案。

以往的集裝箱船曾有設計了軸帶發電機，主要是考慮集裝箱船主機功率高，且有多余功率，軸系比較長，容易布置軸帶發電機。但是新一代的萬箱集裝箱船主機功率可調，盡量將主機功率完全用于推進服務，設計軸帶發電機反而不是明智的選擇。

應急發電機的容量需按SOLAS和船級社的要求將必要的應急負荷計算在內，一般情況下，萬箱集裝箱船的應急發電機容量與同尺寸其他船型應急發電機容量相當。

4配電設計

船舶配電采用低壓44 V或690 V居多，但對于電站容量較大的萬箱集裝箱來說，采用中高壓配電網絡3 300 V或6 600 V更加占有優勢，現就其各自特征進行描述。

4.1低壓配電網絡

低壓配電以440 V為典型，發電機發出電壓為450 V，直接用于負載，看似十分簡單，但低壓配電應用在萬箱集裝箱船上就會暴露其先天缺陷。低壓開關所能承受的負荷有限，低壓斷路器分斷的最大電流的IK’’=125 kA，而萬箱集裝箱船用電負荷比較多，而且功率較大。表3結合一艘6 500TEU船440 V配電網絡的實例分析。

其短路電流IK’’已接近低壓斷路器的極限能力。可以將電壓提高至690 V或者將發電機設差動保護或者盡量把發電機的臺數減少等方式減小和減少短路電流。

低壓網絡的電力電纜截面積和數量都相對大，對于成本預算以及設計與施工都是不利的。

隨著船舶大型化的發展，低壓配電網絡的分斷能力、電纜粗、電壓降和電能損耗大的缺點會越來越明顯。

4.2中高壓配電網絡

伴隨系統電壓的提高，輸送電流和預期短路電流都將大大減小，使船舶的安全性有了很大的提高。總結其優勢如下：

① 能夠承載更大容量的電力負荷；

② 可以直接為大容量負載供電，例如側推等；

③ 故障處理時體現更高的安全性和有效性；

④ 可以減小大容量發電機、電動機、電纜和變壓器的尺寸和重量；

⑤ 降低電纜安裝的成本；

⑥ 減少電纜重量，減小空船重量。

表4所示，中高壓電纜重量是低壓電纜的1.4~2.8倍，載流量相同，所能承載的設備功率是低壓電纜所能承載的7倍左右。因此，中高壓電纜的使用量以及重量明顯少于低壓電纜。

4.3網絡型式

配電網絡型式通常可以分為兩種：放射形網絡和環行網絡。

1）放射形網絡

放射形網絡在低壓配電系統中最為常見。系統成發散狀，斷路器成串聯形式，電力系統潮流分布在不同路徑，最為簡單明了，易于維修。但放射形網絡需要雙倍的開關和電纜，一旦發生短路，系統沒有冗余，只能依靠設備冗余。圖4為某船放射形配電網。

2）環形網絡

環形網絡多用于高壓系統。其特點為電力通過分配電板連接成環形輸送，如果負載端發生故障，輸出端電路將切斷；如果分站發生故障，其余分站將繼續運行，環形打開；重要的負載直接連接在主配電板上；節省大量的電纜和斷路器。圖5為某萬箱船環形網絡單線圖。

圖5所示，某萬箱船電力配電系統由5臺6 600 V主發電機供電，配電板為6 600 V和450 V中壓和低壓兩部分組成。在6 600 V中壓匯流排上為冷藏集裝箱和首側推和主滑油泵供電，并通過分配電板形成內外兩環，經變壓器對冷藏分配電板供電。

5結束語

韓國和日本在萬箱級集裝箱船的建造技術上先邁出了一步，我國與日本合資的中遠川崎也成功地建造了萬箱級集裝箱船，近期，馬士基也在韓國訂了10艘1.8萬箱全集裝箱船，船隊運力迅速提升。可見，集裝箱船的大型化時代已經來臨。我國部分設計院所已經在潛心研究萬箱集裝箱船，但目前國內沒有具備自主知識產權的萬箱集裝箱船的建造經驗，它是我們努力的方向，作為船廠技術人員的一份子，我們有責任熟悉和探索其設計和建造方法。本文僅從電氣設計的角度出發，對萬箱級集裝箱船的設計進行了勾勒，由于個人能力有限，不當不足之處有待專家的指導和斧正。

參考文獻

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