初探船舶電氣設(shè)計的常見問題分析

吳晟

【摘 ?要】造船業(yè)是一個技術(shù)、勞動高度密集的行業(yè)，近幾年我國造船行業(yè)在技術(shù)層面上發(fā)展迅速，但是在經(jīng)濟層面上卻處于下行狀態(tài)，需要進一步分析、探究船舶電氣設(shè)計相關(guān)問題，促進船舶制造業(yè)的“回暖”。本文在廣泛調(diào)查研究船舶電氣設(shè)計相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，深入分析了船舶電氣設(shè)計常見問題，并在文中提出了相關(guān)的設(shè)計要點。

【關(guān)鍵詞】電氣設(shè)計;船舶制造;船舶電氣系統(tǒng)

船舶設(shè)計是一個復(fù)雜的工作，其中涵蓋多個學科的內(nèi)容，涉及到不同專業(yè)的相互協(xié)作，然而目前在實際工作中，船舶電氣設(shè)計的設(shè)計方法選擇、設(shè)計方案確定、參數(shù)決策、設(shè)備選擇均存在一定的問題，對船舶設(shè)計效率、效益造成了一定的影響。由此可見，亟需系統(tǒng)的梳理船舶電氣設(shè)計常見問題，以為廣大從業(yè)者的實際工作提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

一、設(shè)計方法選用問題

船舶電氣設(shè)計是一個不斷完善的過程，大部分設(shè)計工作都是在原有設(shè)計方法的基礎(chǔ)上去繼承、完善，從而讓設(shè)計方案更加合理、可靠、使用，以滿足船舶使用者的實際需求。目前，大多數(shù)從業(yè)者都采用圖紙繪制相對方便的CAD軟件為主要設(shè)計工具，但是CAD軟件的圖形信息往往不直觀，和數(shù)據(jù)庫的相互關(guān)聯(lián)較為模糊，而船舶電氣設(shè)計工作往往“一動百動”，不合理的設(shè)計方法嚴重影響了船舶電氣設(shè)計的效率、效益[1]。目前，國內(nèi)船舶設(shè)計已經(jīng)普遍開始應(yīng)用Tribon、CADDS5時，船舶電氣設(shè)計仍舊普遍使用CAD，但即便是Tribon、CADDS5，依舊只能夠提供2d繪圖功能，其中只涵蓋少量的重量、材料、坐標、廠商、名稱的信息，防護等級、功率等信息涵蓋極少，遠遠不能夠滿足船舶電氣設(shè)計的需求，尤其是近年來行業(yè)內(nèi)關(guān)注度較高的智能船舶電氣設(shè)計[2]。

由此可見，需要循序推進高質(zhì)量的船舶電氣設(shè)計，務(wù)必要選擇合適的方法，同時要注意設(shè)計工作的組織，具體體現(xiàn)為：（1）制定標準化的任務(wù)，在船舶電氣設(shè)計的過程中，基于此前的設(shè)計活動，設(shè)置需要生成何種結(jié)果的設(shè)計任務(wù)，以保證設(shè)計工作的循序推進;（2）根據(jù)船舶電氣設(shè)計需求，制定詳細的設(shè)計規(guī)范，確定各個專業(yè)設(shè)計相關(guān)參數(shù)的限制指標;（3）確定設(shè)計任務(wù)啟動的必須條件，如任務(wù)、設(shè)計資料（說明書、規(guī)格圖、系統(tǒng)圖、布置圖、計算書、材料表）等;（4）規(guī)范各設(shè)計人員在設(shè)計任務(wù)中的角色，詳細劃分設(shè)計人員的職能，如審定、審核、校驗、設(shè)計等。另外，近年來，國內(nèi)外學者已經(jīng)針對CAD船舶電氣設(shè)計開展了大量有關(guān)參數(shù)、數(shù)字方面的研究，并從不同方面提出了在CAD平臺采用“參數(shù)化”設(shè)計的具體方法，如Aetive Automation技術(shù)等，這些技術(shù)可實現(xiàn)對CAD船舶電氣圖紙中電氣設(shè)備標識的自動識別，這就提高了船舶電氣設(shè)計圖紙的可讀性[3]。

二、電力負荷估算問題

船舶電氣設(shè)計需要充分考慮到船舶的實際用途、船舶電氣系統(tǒng)的功能、船舶電氣系統(tǒng)的規(guī)模。在確定電站配置的階段，就需要根據(jù)船舶特性、工況進行有效分類，然后判斷船舶電氣在不同工況以及不同載荷狀態(tài)下的電力負荷系數(shù)，在對船舶用電負荷進行初步估算之后，便可以此為基礎(chǔ)來確定設(shè)備的數(shù)量、功率、負荷率，并綜合在不同條件下設(shè)備負荷率對發(fā)電機組功率的影響，一方面要保證負荷率的合理性;另一方面也要發(fā)電機組功率的合理性[4]。

電力負荷的估算切忌單方面考慮、片面設(shè)計，而是要在完善考慮的基礎(chǔ)上，根據(jù)需求設(shè)置一定的冗余量。一般來說，在設(shè)計船舶電氣系統(tǒng)的過程中，可通過增加發(fā)電機組的功率以及數(shù)量來提高冗余度，保證在損失任何一個艙室或者任何一個發(fā)電機組損壞的情況下，余下發(fā)電機組仍舊能夠滿足船舶的使用需求[5]。在對正常狀態(tài)下船舶電力負荷以及各種不同工況下船舶電力負荷進行合理估算之后，還需要考慮到意外情況下的電力負荷。在這個階段，不僅僅要考慮到輔助設(shè)備的故障，同時還要考慮到發(fā)電機組的損失，配電板單段的損失，根據(jù)單故障情況下的動力情況，準確確定輔助設(shè)備用電情況以及船舶推進器負荷，最終以最大的負荷參數(shù)來確定船舶中發(fā)電機組以及其他設(shè)備的數(shù)量。

三、機艙數(shù)量問題

在確定船舶電力總負荷之后，需要確定電機的數(shù)量以及容量，要求船舶在一個機艙失效的情況下，船舶電氣系統(tǒng)仍舊能夠支持船舶保持正常的狀態(tài)，這和機艙數(shù)量的確定息息相關(guān)，因在出現(xiàn)單故障的情況下，發(fā)生故障的機艙發(fā)電機組必然全部不能正常工作，船舶的電站容量也會因此下降，由此對船舶的正常運作造成影響。

這里以16000t深水鋪管起重船為例子，16000t深水鋪管起重船在出現(xiàn)單故障的情況下，其總負荷約為73000kW，考慮到16000t深水鋪管起重船所用單臺發(fā)電機組功率的可選范圍為5800kW-8700kW。那么16000t深水鋪管起重船電氣系統(tǒng)就可設(shè)置4個機艙，然后單臺發(fā)電機組功率選擇為7000kW，在出現(xiàn)單故障的情況下，1處機艙不能發(fā)揮作用，其余三個發(fā)電機組數(shù)量為11臺，若發(fā)電機組負荷率90%，那么需要的發(fā)電機組數(shù)量就約為12臺，每一個機艙需要設(shè)置4個發(fā)電機組，電氣系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置16個發(fā)電機組。發(fā)電機組的數(shù)量以及發(fā)電機組的功率在確定之后，需根據(jù)實際情況，考慮到船舶電氣系統(tǒng)的短路容量，保證斷路器的斷開保護能力以及配電板的電壓能夠滿足短路時的安全需求。這里為提高船舶電氣系統(tǒng)的安全性、可靠性，需保證設(shè)備存有一定量的裕度，并保證整個電氣系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟性，將16個發(fā)電機組區(qū)分為兩個不同的獨立電網(wǎng)，確定電壓等級為11kV，這種設(shè)置方式就能夠讓船舶短路容量需求降低一半，既提高了安全性，同時也提升了經(jīng)濟性[6]。

四、配電板匯流負荷校核

動力定位穩(wěn)定，是船舶電氣設(shè)計需要重點考慮的問題。因此，在設(shè)計的過程中，需要對配電板分區(qū)供電的匯流負荷進行準確的校核，這個時候不僅僅要校核在出現(xiàn)單故障后各個配電板負荷的合理性，同時還要校核在最大負荷情況下機組的負荷率，并判斷負荷是否合理，一般可結(jié)合PMS進行調(diào)整。

這里仍舊以16000t深水鋪管起重船電氣系統(tǒng)設(shè)計為例子，考慮到在正常的工況條件下，單側(cè)分區(qū)電站的配電板匯流負荷正常，所以無論是哪個分區(qū)的配電板匯流負荷出現(xiàn)問題，都不會導致出現(xiàn)過載、分閘的情況。若是出現(xiàn)故障，將PMS備用發(fā)電機投入使用，那么全船仍舊有13臺發(fā)電機供電，可保證船舶依舊保持正常狀態(tài)工作。值得注意的是，在設(shè)計的過程中，需要考慮到供電負荷的轉(zhuǎn)換問題，保證獨立分段在實際運作中不會出現(xiàn)過載的情況。

結(jié)束語

綜上所述，船舶電氣系統(tǒng)的設(shè)計不僅僅要選擇合理的設(shè)計方法，合理規(guī)劃設(shè)計任務(wù)，選擇合適的設(shè)計規(guī)范，同時還要結(jié)合實際情況，考慮到船舶的實際用途。近年來，我國船舶電氣設(shè)計朝著智能化、集成化、數(shù)字化的方向越發(fā)明顯，廣大從業(yè)者對此要有足夠的認識，結(jié)合船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計中的常見問題，探究更高質(zhì)量、高效率的設(shè)計方法。

參考文獻：

[1]陳衛(wèi)寶.極地航行船舶電氣設(shè)計和設(shè)備配置特殊性研究[J].艦船科學技術(shù)，2017（10）.

[2]王桂蘭.大型船用泵自動切換中電氣控制故障排查系統(tǒng)的設(shè)計[J].艦船科學技術(shù)，2017（02）：175-177.

[3]李紅梅，楊港，陳超艷，et al.關(guān)于船舶詳細設(shè)計圖紙設(shè)繪和送審影響因素的分析[J].中國造船，2017（58）：708.

[4]趙進，趙琳，鮑雷，et al.船舶電氣設(shè)計常見問題分析與處理方法[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2017（1）：181-182.

[5]唐乾偉.引起船舶電氣設(shè)備常見故障的因素[J].化工設(shè)計通訊，2017（3）.

[6]鄒智曦，歐陽康百，姚剛.對船舶電氣設(shè)計過程管控的研究[J].船舶標準化工程師，2018，51（05）：51-57.

（作者單位：中船澄西新榮船舶有限公司）