基于CCS規范的大型散貨船電力系統設計

摘 要：文章以中國船級社的規范為框架，結合相關公約及規則，總結了大型散貨船電力系統的組成、論述了主要電力設備的配置以及重要設備的供電要求等，對同類型船舶的設計工作具有一定的借鑒作用。

關鍵詞：CCS規范；大型散貨船；電力系統；配置；供電

中圖分類號：U661.42 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）6-0011-02

電力系統是現代船舶的核心系統，也是船舶設計工作中重要的組成部分。本文以大型散貨船中具有代表性的巴拿馬型散貨船作為論述對象，著重討論了電力設備的配置及供電方面的設計要點。

1 設計依據

1.1 入級規范

船舶設計的首要依據為其入級船級社的規范，系統的設備也是以此為基礎進行設置。中國船級社（以下簡稱CCS）現行有效的版本為《鋼制海船入級規范2012》（以下簡稱《鋼規》），2013年CCS針對該版規范發布了最新修改通報，并于同年7月1日生效。

1.2 國際海事組織出版物及文件

系統的設計過程中，除需遵守船級社的規范，還應注意到相關國際海事組織制定的公約或規則及其修正案等，其對締約國船舶具有強制性要求。同時，相關的文本也可對船級社規范的一些內容作進一步解釋或補充，如：

①國際海上人命安全公約（SOLAS）。

②國際消防安全系統規則（FSS）。

③國際海上避碰規則（COLREGS）。

④國際海事組織決議等。

2 電力系統的組成

船舶電力系統可以分為電源裝置、配電裝置、電網以及負載四部分。

2.1 電源裝置

電源設備分為主電源與應急電源。

主電源是指通過向主配電板供電，并將電源逐級分配至各用電設備的電源，并且這些設備為保持船舶正常操作和居住條件所必需的所有設備。通常選用具有單獨柴油機驅動（非船舶主推進裝置驅動）的發電機作為主電源。

應急電源是指當主電源故障時，能夠對應急配電板進行供電的電源，該電源可以是發電機也可以是蓄電池組。

2.2 配電裝置

配電裝置的作用是接收和分配電能，同時對電網進行保護。主要有主配電板、應急配電板、分配電板（分電箱）、充放電板、岸電箱等。

2.3 電網

船舶電網是電源和用電設備之間的傳輸、分配電能的電纜線路的總稱。

根據對配電要求的差異，不同船型電網的結線方式也有所不同。巴拿馬型散貨船的電網多為440 V及以下電壓等級的電網，采用了放射式電網。其特點是每一饋電電纜均獨立由主配電板引出，向一個負載或分配電板進行供電，具有良好的集中控制的特點。

2.4 負載及控制與檢測裝置

巴拿馬型散貨船的負載可分為以下5類：

①艙室及動力裝置用輔助機，如：滑油泵、機艙風機、輔鍋爐配套輔機等；

②甲板及輔助裝載機械設備，如：舵機、錨機、舷梯絞車、貨艙蓋液壓單元、電動壓載水泵等；

③通風及冷藏設備，如：空調、冷藏單元及艙室風機等；

④廚房及洗衣設備，如：電灶、炸鍋、冰箱、洗衣機、干衣機等；

⑤其他小功率設備，如：照明設備、無線電設備、航行設備等。

相關的控制及檢測裝置保證了各設備在運行中的穩定與安全。

3 主要電力設備的配置

3.1 主電源

主電源應至少由2臺發電機組組成，且其臺數及容量應能在任一發電機組停止工作時，仍能滿足正常推進、船舶安全以及保證最低舒適居住條件的供電要求。而通常在裝卸貨或進出港狀態時，全船的用電負荷可比正常的海上航行狀態高出30%以上，所以選取3臺等容量的發電機組作為主電源具有較好的經濟性與可靠性性。船舶在正常航行狀態時，發電機組的工作情況為一臺發電機接近滿負荷運行，兩臺發電機做備用；船舶在裝卸貨或進出港狀態時，有兩臺發電機并聯運行，一臺發電機做備用。發電機組容量的選擇上，應留有一定的余量，以保證正常航行狀態時單機負荷率約80%為宜。

3.2 應急電源和備用電源

巴拿馬型散貨船作為500總噸以上的貨船，應設有獨立的應急電源。另外，根據《鋼規》及SOLAS對部分設備的供電要求，還應考慮設置備用電源，我們在此與應急電源一并討論。

由于該型船舶配有舵機等大功率應急負載，所以在應急電源的配置上應設有應急發電機。作為舵柄處舵桿直徑大于230 mm的非冰區加強型普通貨船，其應急電源應能在45 s內向操舵裝置自動供電，因此會要求應急發電機具有在主電源失效后的45 s內完成自動啟動和向應急配電板供電的能力，利用這一特性也可使我們簡化臨時應急電源的設置。應急發電機容量的選擇是根據應急工況下的供電范圍來確定的，具體應考慮以下幾方面的負荷：

①全船應急照明及COLREGS所要求的航行燈和其他號燈；

②SOLAS所要求的航行設備、無線電設備和應急消防泵；

③斷續使用的白晝信號燈、船舶號笛、手動失火報警按鈕以及所有緊急狀態下需要的船內信號和通信設備。

④探火和失火報警系統以及操舵裝置

另外，《鋼規》中同樣規定了如電站自動化系統等失電時仍有必要使用的控制系統以及安全系統和報警系統，應能在正常供電失電時自動轉接至備用電源。而這些系統可能因電源中斷而受到有害影響時，應采用不間斷電源為備用電源。為了簡化電力系統結構，可設置一總用蓄電池組，為如主發電機的安全、控制和報警系統等規范或技術規格書要求需配有備用電源或臨時應急電源的設備供電，該蓄電池組通過充放電板進行充電和供電。也可針對一些設備的特點獨立設置UPS作為其備用電源。總用蓄電池組或這些UPS的容量應至少能夠維持0.5 h的供電需要。

需要注意的是，SOLAS要求應配備1個或多個獨立于船舶推進動力和船舶電力系統的備用電源，在主電源和應急電源故障時向無線電設備供電。通常情況下無線電設備廠家是不會配套安裝該備用電源的，因此，還需單獨設置一套蓄電池組作為無線電設備的備用電源，并且其不能經由充放電板進行充電和配電，而應由無線電臺內的專用電源轉換裝置來實現。該蓄電池組的容量應能同時向以下設備供電1小時：首先，甚高頻無線電裝置；其次，中頻無線電裝置或船舶地面站或中頻/高頻無線電裝置；再次，操縱無線電設備的無線電控制臺適當的照明設備。

3.3 變壓器

普通船舶的交流配電系統普遍采用絕緣性和安全性較好的三相三線絕緣及單相雙線絕緣配電系統，變壓器也就成為了照明系統及主電源供電系統的必要組成部分。因此，對變壓器數量及容量上的要求與對電源的設置有著相似的要求，即在任何一臺變壓器停止工作時，其余變壓器仍能保證正常推進和船舶安全必須設備的運轉，同時最低舒適居住條件也應得到保證。巴拿馬型散貨船通常設有兩臺等容量的交流三相變壓器作為主變壓器和另設兩臺等容量的交流三相變壓器作為應急變壓器，容量的選擇上應能滿足對220 V用電設備的供電要求。

另外，在變壓器數量的設置上還需注意以下兩方面：

①巴拿馬型散貨船作為一種6～8萬載重噸的船型，其船長可達200 m以上，因此在對艏部設備供電時的壓降也是不可忽視的。在這一情況下，為了保證艏部220 V用電設備的正常工作，有些設計方案中會采用440 V電壓對船艏供電，并在船艏位置設置獨立的變壓器。

②廚房作為船上一個比較特殊的潮濕場所，其用電設備在實際使用過程中往往會導致配電系統出現絕緣低報警，影響了船員對系統故障的判斷。出于船員使用體驗方面的考慮，通常在主配電板至廚房設備分配電板之間設置絕緣變壓器，以此將廚房配電系統的絕緣低報警分離出來。

3.4 配電板

前面我們討論過，該型船采用了放射式電網的結線方式，設有一個主配電板和一個應急配電板。

主配電板應包含發電機控制屏、440 V饋電屏、220 V饋電屏、組合啟動屏以及匯流排。具體的屏數可依據實際情況進行調整，而匯流排則應至少分成兩個獨立分段，由不帶脫扣裝置的斷路器或可使匯流排能方便分開的隔離開關等加以連接，并盡量將發電機和其他雙套設備均分的連接在這些分段上。

應急配電板應包含應急發電機控制屏、440 V饋電屏、220 V饋電屏。

分配電板或分電箱的配置可根據用電設備的運行工況、電壓等級或所在區域等進行設計，但需要注意的是無線電分配電板應與航行設備分配電板相互獨立。

4 重要設備的供電

重要設備是指推進、操舵和船舶安全所必需的設備，以及具有特殊附加標志的船舶上的特殊設備。其中為保持推進和操舵需連續運轉的設備我們稱之為主重要設備，其他的重要設備可稱為次重要設備。對重要設備供電進行設計時，其電動機應由獨立的最后分路供電，并且除其獲得完全選擇性保護或另有明文規定，主重要設備應直接由主配電板或應急配電板（要求應急電源供電的）供電。另外，還應注意到下述裝置的供電要求：

①電動液壓操舵裝置：從穩定性考慮，海運船舶的主操舵裝置通常都會設有2臺或以上的電動液壓動力裝置。在設計該裝置的供電方案前應首先明確其基本性能是否能夠使船舶最大航海吃水和最大運營前進航行時進行操舵，使舵自任一舷的35 ？觷轉至另一舷的35 ？觷，并且于相同條件下自一舷的35 ？觷轉至另一舷的30 ？觷所需時間不超過28 s。如該裝置滿足這一性能，其供電可設計為每一動力設備由主配電板設置一路獨立饋電線進行直接供電（其中一路可通過應急配電板供電），而當該裝置不滿足上述性能要求時，其每一電動液壓裝置至少應由主配電板設二路獨立饋電線直接供電，但其中一路可通過應急配電板供電。

②無線電設備與航行設備：無線電設備分配電板和需由應急電源供電的航行設備分配電板都應由主配電板和應急配電板設獨立饋電線供電，并通過分配電板內的主/應急電源自動轉換裝置對設備提供可靠供電。每一用電設備也應由其分配電板的獨立最后分路供電。

③航行燈：航行燈控制箱應直接由主配電板和應急配電板供，如應急電源設計中設置了為航行燈供電的臨時應急電源，則航行燈控制箱應直接由應急配電板和臨時應急電源充放電板進行供電。上述兩種供電方式中均應設置電源自動轉換裝置對航行燈提供可靠供電，并且每1盞航行燈均應由控制箱引出獨立分路供電。

④固定式探火和失火報警系統：應至少由兩套電源供電，其中一套應為應急電源。其供電應設有獨立饋線并接至控制板的電源自動轉換開關。

⑤水位探測系統：作為散貨船的特色系統，該系統也應由兩個獨立的電源供電，其中一路電源失效時能夠自動轉換至另一路電源為其供電。

除此之外，前文中我們也提到了船舶自動化系統中的安全系統、報警系統以及失電時仍有必要使用的控制系統，應能在正常供電失電時自動轉接至備用電源。

5 結 語

本文對巴拿馬型散貨船的電力系統設計做了簡要的總結，希望能對其他大型散貨船的設計起到借鑒的作用。中國船級社作為國際船級社協會成員之一，其規范內容具有很強的通用性，因此本文對入級其他船級社的同型船舶的設計也具有一定的參考作用。另外，設計人員在設計工作中還應注意到新生效的規范、指南、規則和公約的要求等，并盡可能收集新的技術，不斷的對系統進行優化和改進。

參考文獻：

[1] 中國船級社.鋼制海船入級規范[M].北京：人民交通出版社，2012.

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