“育鵬”輪實習(xí)船的電氣優(yōu)化設(shè)計分析

司忠良

（大連中遠(yuǎn)海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

2016年10月16日，大連中遠(yuǎn)船務(wù)交付我國首艘現(xiàn)代化多用途載貨教學(xué)實習(xí)船，命名為“育鵬”輪，見圖1。目前，“育鵬”輪為我國最先進的教學(xué)實習(xí)船，在世界教學(xué)實習(xí)船領(lǐng)域也處于領(lǐng)先地位。該船為無限航區(qū)，具備航海教學(xué)、科學(xué)研究、遠(yuǎn)洋運輸?shù)榷喾N功能，主要用于航海類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)實習(xí)，也可裝運散雜貨、重大成套工程設(shè)備及集裝箱，并可用于交通信息工程與控制、航海科學(xué)與技術(shù)、輪機工程和環(huán)境工程等學(xué)科的科學(xué)研究和試驗。“育鵬”輪載重約30 000 t，總長約200 m，船寬27.8 m，型深15.50 m，服務(wù)航速17.5 kn，續(xù)航能力為15 000 n mile。該輪以大連中遠(yuǎn)船務(wù)曾建造的30 000 t多用途重吊船為母型船，由上海船舶研究設(shè)計院開發(fā)設(shè)計，根據(jù)中國船級社規(guī)范進行設(shè)計建造。在“育鵬”輪的設(shè)計過程中，電氣專業(yè)對比此前已完工交付的系列多用途重吊船相關(guān)電氣設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合遠(yuǎn)洋載貨運輸、教學(xué)實習(xí)船的特點、功能和需求，進行電氣生產(chǎn)設(shè)計多處優(yōu)化，形成優(yōu)化設(shè)計方案，優(yōu)質(zhì)順利地完成設(shè)計任務(wù)。

圖1 “育鵬”輪

1 電氣優(yōu)化設(shè)計的提出

船舶建造初期，作為設(shè)計者的任務(wù)是將設(shè)計圖紙構(gòu)畫完成，為現(xiàn)場施工建造提供精準(zhǔn)的高質(zhì)量圖紙。雖說該船是以原30 000 t多用途重吊船為母型船，但增加的航海類專業(yè)的教學(xué)實習(xí)功能及容納90人實習(xí)生的學(xué)習(xí)生活服務(wù)功能，導(dǎo)致該船的設(shè)計施工復(fù)雜度大大增加。僅以生活區(qū)為例，除常規(guī)駕駛甲板外，還有另外7層生活甲板來容納大量學(xué)生學(xué)習(xí)生活，同時還設(shè)置教室、實驗室、網(wǎng)絡(luò)中心、圖書室、健身房和多功能室等特殊場所。極大地增加了照明、通信、報警、防火和網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的布置難度。這就要求船舶設(shè)計時要充分考慮各方向的協(xié)調(diào)。另外，該船閥門遙控和液位遙測報警點數(shù)量多，增大了電纜敷設(shè)量和敷設(shè)難度。這對電氣專業(yè)來說是一次挑戰(zhàn)。

因此，在設(shè)計初期就提出設(shè)計高度優(yōu)化，來應(yīng)對空間小、設(shè)備多、電纜數(shù)量多等各種困難。

2 電氣優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用

在設(shè)計中主要運用電氣設(shè)備空間布局優(yōu)化、跨區(qū)域電纜通道電纜核對、電纜路徑敷設(shè)率優(yōu)化設(shè)計、電氣控制箱合理分線等設(shè)計方法。

2.1 電氣設(shè)備空間布局優(yōu)化

在核查全船電氣設(shè)備信息階段，由于增加了航海教學(xué)和模擬駕駛等特殊系統(tǒng)，使得在原常規(guī)船基礎(chǔ)上增加了很多電氣設(shè)備，而船內(nèi)空間又被更大的水艙油艙（相比原30 000 t船型）占用，這些都對電氣設(shè)備的布置提出挑戰(zhàn)。

生產(chǎn)設(shè)計要與電氣詳細(xì)設(shè)計緊密溝通，把電氣設(shè)備布置圖中的所有設(shè)備逐一研究核查，在滿足規(guī)范公約要求的前提下，將每個設(shè)備的最優(yōu)位置標(biāo)記定位。原則是：便于施工、操作、維修、美觀。當(dāng)設(shè)備本身的尺寸不滿足要求，這時需向詳細(xì)設(shè)計方提出設(shè)備意見，發(fā)送給設(shè)備供應(yīng)商，積極協(xié)商變更設(shè)備外形尺寸。遇到其他專業(yè)的干涉（如管系設(shè)計/鐵舾設(shè)計）問題，生產(chǎn)設(shè)計方出面進行協(xié)調(diào)溝通，達(dá)到滿足設(shè)備安裝的空間需求。

圖2是詳細(xì)設(shè)計方與設(shè)備廠家協(xié)調(diào)后，將2個電氣控制箱外形尺寸進行修改，并且電氣生產(chǎn)設(shè)計方與管系方協(xié)商，將冷水管閥門向船尾方向移動500 mm距離，讓出設(shè)備空間，高度調(diào)整一致，面板平齊，優(yōu)化布置的典型案例。

圖2 電氣控制箱優(yōu)化布置

2.2 跨區(qū)域電纜通道電纜核對

核查全船電纜信息發(fā)現(xiàn)，全船電纜約8 300根。生活區(qū)到機艙、機艙到貨艙、貨艙到生活區(qū)的跨區(qū)域電纜數(shù)量較大，涉及教學(xué)科研和模擬駕駛等新系統(tǒng)。如果按照以往的設(shè)計經(jīng)驗去預(yù)估電纜通道的托架及貫穿件接口尺寸，可能會出現(xiàn)偏差。針對這一問題，電氣生產(chǎn)設(shè)計方進行跨區(qū)域電纜主干模型定位，定位后對接口編號，再制作相對簡化的全船區(qū)域接口圖，最后所有區(qū)域負(fù)責(zé)方以會議形式對線，按電纜模板順序核對跨區(qū)域電纜走向（本地電纜跳過，負(fù)責(zé)方自己統(tǒng)計電纜路徑），將電纜經(jīng)過的所有接口點填進電纜冊，完成后，篩選節(jié)點即可判斷接口處電纜數(shù)量、托架寬度、貫穿件型號。

考慮到電氣系統(tǒng)圖的準(zhǔn)確性，和船東對電纜托架的余量要求，適當(dāng)預(yù)留敷設(shè)寬度。回頭看，此項工作尤為重要，既保證電纜合理敷設(shè)，也沒有浪費空間。保證了區(qū)域接口的設(shè)計合理性。

2.3 電纜路徑敷設(shè)率優(yōu)化設(shè)計

在船舶設(shè)計中電纜都是以電纜托架、電纜管等支架為依托來進行敷設(shè)的。大量電纜必將耗費大量托架材料，這也一定會占用大量空間。“育鵬”輪的電纜用量為8 300多根，總長度為同樣大小普通散貨船的3倍。因此，電纜的敷設(shè)優(yōu)化尤為重要。電氣生產(chǎn)設(shè)計過程中，打破了常規(guī)先出圖，再設(shè)置電纜節(jié)點，最后電纜冊的設(shè)計順序。大膽地將電纜節(jié)點設(shè)計提前，提前到在電纜主干路徑設(shè)計階段同時進行。具體操作：1）統(tǒng)計每一根電纜在主干電纜路徑上走過后經(jīng)過多少個電纜節(jié)點，逐一記錄；2）掌握這組數(shù)據(jù)，在模型修改階段（出設(shè)計圖前）確定每處電纜托架的容量寬度，只要篩選這一節(jié)點的電纜數(shù)據(jù)，配合電纜的外徑信息，馬上就能確定此處所需要的電纜托架寬度信息；3）合理選擇托架型號，避免托架過寬導(dǎo)致利用率不足浪費材料成本且浪費設(shè)計空間，同時也能保證不出現(xiàn)電纜過量敷設(shè)（由于托架小電纜多導(dǎo)致）的問題。

為了計算托架敷設(shè)率，設(shè)計團隊利用 EXCEL軟件自行編制了電纜敷設(shè)率計算小工具，使用方法：將電纜信息復(fù)制到表格信息區(qū)域，這些電纜對應(yīng)的使用的托架和貫穿件的匹配信息自動生成，作為設(shè)計參考值。見圖3。

圖3 excel電纜敷設(shè)率計算小工具

2.4 電氣控制箱合理分線

電氣控制箱是控制或服務(wù)與其相關(guān)的用電設(shè)備的控制部件，通過電纜相互連接。如果只是一對一的關(guān)聯(lián)，那么開關(guān)的布置就非常簡單。例如1個開關(guān)只控制1個電動馬達(dá)，考慮在馬達(dá)附近便于操作的位置，電纜越短越好。但當(dāng)1個控制箱對應(yīng)多個服務(wù)對象，這種情況下，控制箱的布置就非常關(guān)鍵。下面以信號采集系統(tǒng)為例，分析設(shè)計優(yōu)化的應(yīng)用。

初始設(shè)計時，整體機艙內(nèi)共分布4個信號采集箱（圖4），NO.1/NO.2信號采集箱主要服務(wù)主機和發(fā)電機相關(guān)系統(tǒng)，相應(yīng)地將2個箱子布置在主機發(fā)電機附近的位置。問題出現(xiàn)在NO.3/NO.4信號采集箱，這2個箱子各自負(fù)責(zé)采集信號的源頭分布面較大，除去機艙各甲板區(qū)域還涉及生活區(qū)的空調(diào)間/冷水機組間/應(yīng)發(fā)室/尾井區(qū)。此時這 2個箱子的信號源分布沒有規(guī)律，NO.3箱采集底部區(qū)域，也采集上層區(qū)域，NO.4箱也一樣。這就導(dǎo)致大量信號電纜相互交叉，加長了電纜的使用長度，占用電纜托架與空間，增加施工成本。針對這種問題，電氣生產(chǎn)設(shè)計方研究了優(yōu)化方案，根據(jù)信號源的位置調(diào)整2個接線箱的電纜分布，再報送設(shè)計院。收到反饋的系統(tǒng)圖修改版后，最終確定將NO.3信號采集箱布置在上層位置，將原本其控制的下層信號調(diào)出，同時把NO.3箱的上層信號吸納，而將NO.4信號采集箱放置在下層，來控制下層區(qū)域的所有信號。有效解決了問題，節(jié)省了大量電纜成本及敷設(shè)施工成本。

圖4 信號采集箱電纜規(guī)劃圖（部分）

3 結(jié)論

“育鵬”輪交付同年，成功入選“英國皇家造船學(xué)會”2016年杰出船型，被世界權(quán)威期刊《Significant Ships 2016》收錄。上述的幾點電氣專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用在工程當(dāng)中，并在電氣設(shè)備空間布置上操作方便，在電纜使用等方面收獲了顯著效果。這一案例激勵了船舶設(shè)計工作者打破常規(guī)的設(shè)計思路，尋求改進方案，提高教學(xué)實習(xí)船方面的研發(fā)設(shè)計和和建造技術(shù)水平，爭取在世界船舶領(lǐng)域有更大的話語權(quán)。