56米多功能綜合水警船主電源分析與設計

夏義江　歐卓琳

摘 要：本文以一艘沿海用多用途的水警船的船舶電源系統設計等的問題作為研究對象，主要闡述公務船舶電源系統的一般設計過程和原則，詳細地介紹了設計中的方法和重點計算要求，本論文對目前造船中經常碰到并存在船舶電源系統中的相關問題進行了詳細的分析和論述，對船用主、應急電源及其保護裝置等較為系統的計算、探討和技術總結，并應用于今后的船舶電氣技術工作中去，期望對設計、安裝及檢驗工作有一定的指導意義，使本文可以成為船體相對較小、電氣設備多的公務船設計的重要實用參考資料。

關鍵詞：船舶；負荷計算；電源；性能

中圖分類號：U661.44 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）02-0048-03

進入新世紀以來，中國由于經濟快速增長和勞動力資源豐富，沿海、沿江省份船廠接獲了大量國內外船舶建造訂單，但我國船舶設備配套和計算、設計水平與日韓等國還是有差距，尤其是現代船舶向電氣化、智能化方向迅速發展。目前在我國船舶電源系統設計中，與國外設計的同類型、同噸位的船舶相比，我們的估算比較保守，取的安全系數過大，選取的發電機容量普遍偏大。特別是對船體空間小，要求速度快和功能齊全多樣的公務船，在有限的空間里合理設計、布置電氣系統就顯得更為重要，本文主要介紹了設計的一般過程和船舶電源系統的工作原理，詳細的介紹了在船舶設計中的電源系統的分析、計算、設計方法，使本文可以成為普通公務船設計的實用參考資料。

1 船舶電力負載種類和功率估算，計算和編制電力負載表

發電機的容量是根據船上電力負荷計算的結果來選擇的，因此，電力負荷的計算是非常重要的工作，如果計算不準確導致選擇不適當的發電機，將可能直接影響船舶電氣的正常工作，甚至危及航行安全和生命安全；若計算確定的船舶用電負荷值偏大，選擇的電纜和設備可能偏大，使有色金屬和投資消耗過多，造成浪費；如果因計算量太小，導致電線的負荷和設備運行時發熱，提高功率和電壓損失，甚至使設備或電線電纜損壞，造成事故。負荷的計算與電氣設備的性能、生產的組織以及船舶運行工況等相關，所以我們應綜合多方面考慮，選用合適的計算方法，現在使用的比較多的是需要系數法，這種計算方法是比較簡單常用的一種方法，經常在設備的參數估算的不是充分的時候應用的比較多，很多時候是靠經驗的估計和推測，如果負載系數需要系數等選擇適當，就可以算出比較準確的結果，需要系數是用電設備使用時的最大需要功率與設備的額定輸入功率之比值。計算公式如下：

K，需要系數；

Px，設備使用時的最大需要功率；

Pn，設備的額定輸入功率。

同時系數的選取。在計算負荷時，一方面考慮到電氣設備的最大功率，另一方面考慮到每個用電設備的最大功率不會同時出現，所以在基本明確的情況下，間斷負載運行的最大的需要的功率總和，與所有間斷負荷最大的需要功率總和之比，我們叫做同時系數。計算公式如下：

K，同時系數；

P1，所有的間斷負載最大需要功率之和；

P2，運行的間斷負載最大需要功率之和。

在船舶的不同工況下，其計算方法和所得的值可能會不同，它同時也受航區、氣候等的影響，一般地可以根據實驗測試或者經驗來獲得，一般不是一個精確的計算值，這個系數一般取值在0.3至0.5的范圍內較妥當。

2 負載計算及負載表的編制

在進行容量計算時，應合理地計算電機的功率，也就是是要確定各種系數，例如利用系數K1=P2/P1，機械負荷的系數K2=P3/P2，電機負載系數K3 = K2×K1 = P3/P1，電動機的最后從電網吸收到的功率P4 = P1/η，通過這些公式的計算可得出電動機實際吸收的功率。計算在某種工作狀態下船舶的總負載，必須根據同時系數計算的總負荷；選好的電機的效率系數被選用做參考，是為了計算方便，結果雖然有偏差，但誤差并不顯著。異步電動機低負荷運轉時，仔細觀察其特性曲線，可以發現其負載在50%至100 %范圍內運行時，效率變化很小，所以總體來看，選擇一個固定的效率值是可以的。

上述計算可以用下式：

式中：PG—計算總功率；PCi—額定的輸入的功率（持續運轉的負荷）；PIi—額定的輸人功率（各間斷負載）；Ki—需要系數；K2—同時系數。

3 發電機組的主要性能指標及選取

從電力負荷的計算以及上述選型原則，得到了在各種情況下的船舶所需的總功率，以確定船舶最低功率需求，但實際需要的總功率還要考慮到以下因素：確保船舶的航行安全所需的后備發電量；儲備容量-船舶以后有可能增加新設備而需要的容量；交替容量-柴油發電機組日常保養或者維護需要的容量；確保船舶的航行安全所需的后備發電量；發電機的維護或維修所需的備用容量；船舶可以添加新的設備需要儲備能力；由于船在大多數的負載為感應電機。因此，總功率因數接近于0.8，根據總有功功率峰值負荷，考慮到10%至20%的備用容量，便可以確定船舶發電機組和電站的容量，因此可將電力負荷計算的P乘以1.1至1.5的放大系數，得出所需的船舶發電機組容量：

根據以上的分析和計算，本船選用AC400V電源，設置2臺CCFJ100M發電機組，6CT8.3—GM115型柴油機，MP—H—100—4型發電機，額定功率為100千瓦，安裝在機艙，正常情況時由一臺100kW機組向全船負載供電。

參考文獻（References）：

[1] 王錫淮.基于支持向量機的船舶電力負荷預測王錫淮[J].《中國電機工程學報》， 2004， 24（10）：36-39.

[2] 古輝.需要系數法計算電力負荷[J].《太原師范學院學報（社會科學版）》， 1994（1）：56-57+55

[3] 沈恒，48000DWT油輪電力系統設計研究[D].廣州：華南理工大學，2013年

[4] 章強. 船舶電力系統設計研究[D].大連：大連海事大學，2009年

[5] 張灼端.電力負荷計算的精確性探討[J].《廣船科技》2001年第1期：25-28

[6] 張統光.淺析船舶電站容量確定和計算方法[J].《中國水運》

[7] 陳可越. 船舶設計實用手冊-電氣分冊[M].第2版。出版地：北京.中國交通科技出版社，2007

[8] 張江龍. 船舶電力系統的分析與設計[D].

[9] 李明，船用柴油發電機組的選型探討[J].《艦船科學技術》2004年6月第26卷第3期：31-33

基金項目：1. 廣西自治區教育廳項目《廣西標準化河船進行LNG動力改造的研究》項目編號KY2016LX0424

2.廣西高等學校特色專業及課程一體化建設項目（桂教高教〔2011〕66號）