某大型燈塔航標(biāo)效能和電源配置的計(jì)算和選擇

謝俊奎

摘 要：本文以在建的某燈塔為例，從大型燈塔的效能、設(shè)備技術(shù)規(guī)格以及電源配置方面，進(jìn)一步探討計(jì)算和選擇方法，以便在滿足燈塔航標(biāo)效能的同時(shí)，達(dá)到節(jié)省資源、降低造價(jià)的目的，為處理同類問(wèn)題提供參考。

關(guān)鍵詞：燈塔;航標(biāo)效能;電源配置方案

中圖分類號(hào)：U644.4? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）04-0041-02

某燈塔為一級(jí)B類燈塔，鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)，建筑占地面積約為1000平方米，燈塔高度70米左右，塔身頂部設(shè)有航標(biāo)設(shè)備及觀景平臺(tái)。設(shè)備主要是航標(biāo)主燈、航標(biāo)副燈、雷達(dá)應(yīng)答器、北斗導(dǎo)航終端、太陽(yáng)能電池、蓄電池、充電控制器等設(shè)備。燈塔位于兩個(gè)大型港口結(jié)合部，燈塔效能既要為這兩個(gè)港口進(jìn)港船舶服務(wù)又要覆蓋另兩個(gè)燈塔效能的空白部分海域，在航標(biāo)效能、設(shè)備技術(shù)規(guī)格以及電源配置方面有許多選擇。本文在遵循先進(jìn)可靠、合理可行、環(huán)保節(jié)能、與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的原則下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化配置方案，滿足燈塔所需功能要求。

1 燈塔航標(biāo)效能和設(shè)備技術(shù)規(guī)格的配置要求

1.1燈塔航標(biāo)效能設(shè)計(jì)要求

燈質(zhì)的確定。燈質(zhì)表示的是標(biāo)志特征，其實(shí)現(xiàn)方法一般白天以顏色和形狀或頂標(biāo)來(lái)表示，夜間以標(biāo)光色、節(jié)奏和周期來(lái)表示。某燈塔西方向有相鄰的兩個(gè)燈塔A和燈塔B，分別閃白3秒和閃白10秒，該燈塔覆蓋范圍正好是燈塔A和燈塔B的結(jié)合部，為便于船舶識(shí)別，經(jīng)研究確定某燈塔燈質(zhì)擬定為閃白6秒。

工作距離。某燈塔位置與主導(dǎo)航港區(qū)距離36.2公里，為更好地覆蓋主導(dǎo)航港區(qū)進(jìn)港航道，燈光射程不能小于22海里，以彌補(bǔ)燈塔A和燈塔B覆蓋面的不足。根據(jù)燈塔的分類標(biāo)準(zhǔn)，某燈塔定位為一級(jí)B類燈塔。

燈光高度。為了覆蓋主導(dǎo)航港區(qū)進(jìn)港航道，燈塔工作距離應(yīng)不小于22海里，若觀測(cè)者（300總噸貨船）眼高5米，當(dāng)?shù)仄骄蔽话?.6m計(jì)算，滿足燈塔地理視距的燈光高度為：

h = （d/2.08-）2+2.6= （22∕2.08-）2+2.6 = 72.2m

式中：h—燈光高度，m;d—燈光視距，海里;e—觀測(cè)者眼高，m。

燈塔高度。某燈塔位置的地面標(biāo)高4.0m，塔身頂部燈籠底座和燈柱高度按3.0m考慮，則燈塔塔身建筑對(duì)地高度為： H=72.2m-（4.0m+3.0m）=65.2m

計(jì)算滿足地理視距的燈塔塔身對(duì)地高度至少65.2米，可根據(jù)燈塔的造型和外觀效果適當(dāng)調(diào)整。

1.2燈塔航標(biāo)設(shè)備技術(shù)規(guī)格配置方案

根據(jù)燈塔的使用功能要求，某燈塔技術(shù)設(shè)備包括大型航標(biāo)燈器、副燈、雷達(dá)應(yīng)答器、遠(yuǎn)程遙測(cè)終端和太陽(yáng)能電源設(shè)備組成，設(shè)備技術(shù)方案如圖1所示。

（1）航標(biāo)主燈。 為了滿足某燈塔工作距離的要求，選用射程22海里及以上的大功率的旋轉(zhuǎn)式燈器，主要技術(shù)規(guī)格如下：

輸入電壓：DC 9～36V， 燈泡功耗：95W， 電機(jī)功耗：平均2.5W， 射程 ≥22nm

（2）航標(biāo)副燈。 為了提高航標(biāo)燈器工作的可靠性，選擇射程12海里的小型航標(biāo)副燈，主要技術(shù)規(guī)格如下：

輸入電壓：DC 9～36V，功耗：最高36W，射程 ≥12nm

（3）雷達(dá)應(yīng)答器。為了便于船舶識(shí)別某燈塔，在燈塔上加裝1臺(tái)雷達(dá)應(yīng)答器。雷達(dá)應(yīng)答器的主要技術(shù)規(guī)格如下：

發(fā)射功率：400mW（+26dBm）;頻率范圍：9.29.5MHz;接收靈敏度：優(yōu)于-50dBm，電源功耗：6W。

（4）測(cè)控終端。A）每一小時(shí)定時(shí)報(bào)告一次（可調(diào)）、晚上燈器亮燈和早上滅燈時(shí)發(fā)報(bào)一次。B）當(dāng)檢測(cè)到設(shè)備有故障或是有異常時(shí)，立即報(bào)警;可遠(yuǎn)程查詢工作狀態(tài)。C）主/副燈本地自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2 燈塔電源配置方案

2.1太陽(yáng)能供電方案

考慮到目前市電不夠穩(wěn)定和北海地域日照充足，燈塔技術(shù)設(shè)備采用太陽(yáng)能和市電互補(bǔ)的電源系統(tǒng)方案。在晴天日照充足的情況下，以太陽(yáng)能供電為主，體現(xiàn)綠色環(huán)保節(jié)能的設(shè)計(jì)理念。在連續(xù)陰雨天超過(guò)額定的天數(shù)時(shí)，用市電給予補(bǔ)充。太陽(yáng)能和市電組合電源供電方案如圖2所示。

2.1.1電源負(fù)荷計(jì)算

（1）燈器每天耗電量：Q1=[L/（L+D）]×I×h =18.43 （Ah）

式中：Q1—燈器每天的耗電量，Ah;L—每個(gè)閃光周期中“明”的時(shí)間，L=1;D—每個(gè)閃光周期中“暗”的時(shí)間，D=5;I—光源額定電流，取I=95W/12V=7.9A;h—燈器每天工作時(shí)間，取h=14h。

（2）雷達(dá)應(yīng)答器每天耗電量：雷達(dá)應(yīng)答器功6W，則每天耗電量Q2=6W/12V×14h=7 （Ah）。

（3）北斗遙測(cè)裝置每天耗電量：測(cè)控終端的功率5W，電壓12V，則：Q3=5W/12v×24h=10 （Ah）。

（4）技術(shù)設(shè)備每天總耗電量：Q = Q1+Q2+Q3 = 18.43+7+10 = 35.43 （Ah），取Qa=36 （Ah）

（5）蓄電池容量計(jì)算 ：Q=（Qa× d）÷（α×β）×η

式中：QA—燈塔每天的耗電量，Ah;d—蓄電池連續(xù)工作的陰雨天數(shù)，因?yàn)橛惺须妭溆?，取d=13天;α—蓄電池放電效率，取90%;β—蓄電池放電深度，取70%;η—蓄電池安全系數(shù)，取1.25。

將有關(guān)參數(shù)代入公式：Q=（36×13）÷（0.9×0.7）×1.25=928.5Ah。

取 Q =1000 （Ah）。采用12塊、每塊容量2V/500Ah的蓄電池，通過(guò)串并聯(lián)組成蓄電池組。

（6）太陽(yáng)能功率計(jì)算

某燈塔每天、每月、每年用電量分別為：W天=P×t= P1×t1+ P2×t2 +P3×t3[0.095×L/（L+D）×14]+（0.006×14）+0.005×24）=0.2217+0.084+0.12=0.43（KWh）;

W月= W天×30=12.77（KWh）;W年=W月×12=153.3（KWh）。

北海平均每年日照天數(shù)參照有關(guān)資料，北海全年平均日照時(shí)數(shù)按2219小時(shí)計(jì)算。太陽(yáng)能電池板的最小峰值功率為：PA= W年÷2219h=0.069 （KW）

為留有足夠余量，太陽(yáng)能電池板峰值按1000W設(shè)計(jì)，取功率100 W的單塊太陽(yáng)能電池組件， 需要并聯(lián)路數(shù)為： N=500/100=5 （塊）

共需5塊200W的太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)組成發(fā)電系統(tǒng)，其總?cè)萘繛椋篜A=200W×5=1000 （W）

2.1.2設(shè)備配置

（1）太陽(yáng)能電池板。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：符合IEC61215標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)壽命> 25年。電池片類型：?jiǎn)尉Ч?額定功率：200W ;組建串聯(lián)數(shù)目：5塊。

（2）自動(dòng)穩(wěn)壓整流器。輸入電壓：220V 60HZ、380V 50HZ （可根據(jù)客戶需求定制）;輸出電壓：0-200V? （可調(diào)），輸出電流：0-500A （可調(diào)）。穩(wěn)壓精度≤±1%，穩(wěn)流精度≤±1%。

穩(wěn)定方式：穩(wěn)流限壓、穩(wěn)壓限流可切換。調(diào)節(jié)范圍：電流/電壓在0～100% 額定值內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

（3）蓄電池組。電池類型：免維護(hù)鉛酸蓄電池，單體蓄電池容量：2v/500 Ah。

2.1.3主要技術(shù)設(shè)備和電源設(shè)備表

某燈塔主要技術(shù)設(shè)備技術(shù)參數(shù)和電源設(shè)備如下表。

綜合以上的太陽(yáng)能供電配置方案，僅是滿足燈塔基本功能使用的要求。至于作為一級(jí)B類大型燈塔，除了航標(biāo)設(shè)備外，還有照明系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)以及生活設(shè)備等系統(tǒng)。某燈塔技術(shù)設(shè)備采用太陽(yáng)能和市電互補(bǔ)（應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)備用電源）的電源系統(tǒng)方案。

2.2應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)備用電源方案

為了保障設(shè)備供電，在某燈塔設(shè)施內(nèi)采用柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。

（1） 負(fù)荷計(jì)算。根據(jù)燈塔設(shè)備設(shè)施用電負(fù)荷估算如下：①航標(biāo)設(shè)備（另有太陽(yáng)能電源）用電量：4KW;②接待室：2KW;③電梯：15 KW;④照明：5 KW;⑤空調(diào)：20 KW;⑥業(yè)務(wù)機(jī)房（考慮柴油發(fā)電機(jī)備用電源）：15 KW;⑦消防用電：20 KW;⑧生活用電：20 KW;⑨其它：14 KW，合計(jì)：100 KW。以上合計(jì)，總用電負(fù)荷按100kW考慮，其中航標(biāo)設(shè)備4 kW，電梯、空調(diào)、照明和生活用電等按96kW考慮，則負(fù)荷電流189.9A。

（2）備用電源。采用100kW的柴油發(fā)電機(jī)，滿足電梯、照明、業(yè)務(wù)機(jī)房和生活用電。柴油發(fā)電機(jī)房，儲(chǔ)油間的總儲(chǔ)存量不大于1m?。

2.3采用市電電源及配電系統(tǒng)

（1）電源。根據(jù)《燈塔主體及附屬設(shè)施設(shè)置要求》（JT/T321-1997），某燈塔工程采用低壓380/220V電源供電，消防負(fù)荷及應(yīng)急照明為二級(jí)負(fù)荷，其余為三級(jí)負(fù)荷。從市政變電所引入10kV的高壓供電線路至燈塔，經(jīng)變壓器降壓后給燈塔設(shè)施供電。

（2）計(jì)量。某燈塔工程采用高壓側(cè)計(jì)量;低壓側(cè)根據(jù)需要作參考計(jì)量。

（3）配電系統(tǒng)。由變電所（站）低壓側(cè)至燈塔內(nèi)的電源采用放射式供電，建筑物內(nèi)的照明和動(dòng)力采用放射式和樹干式相結(jié)合的方式供電。

綜上所述，為某燈塔航標(biāo)效能設(shè)計(jì)、設(shè)備技術(shù)規(guī)格和電源配置方案，能滿足燈塔功能需求，也能滿足進(jìn)出港船舶識(shí)別北海港特別是鐵山港東西港區(qū)航道、定位和轉(zhuǎn)向服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《燈塔主體及附屬設(shè)施設(shè)置要求》JT/T321-1997;

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[3]《航標(biāo)燈光強(qiáng)測(cè)量和燈光射程計(jì)算》JT/T730-2008;

[4]《中國(guó)海區(qū)水上助航標(biāo)志》GB 4696-2016。