運輸船電力負荷計算探討

顧一清 姚 炯 陳逢源

(上海船舶研究設計院，上海 200032)

0 前言

船舶設置電站容量的大小、配備發(fā)電機的數(shù)量、單臺發(fā)電機規(guī)格的選取歷來是船舶電氣專業(yè)一項重要的研究課題，也是考核船舶安全性和經濟性的重要指標。對船舶電站而言，在綜合考慮安全性和經濟性的基礎上，同時兼顧節(jié)能減排的環(huán)保需求已成了船舶設計領域中的熱門話題。因此，正確的電力負荷計算，合理的電站配置，顯得愈為重要。在工作實踐中，經常會遇到一些關于電力負荷計算中有爭議的問題，下面就運輸船設計中主要遇到的幾個方面展開探討。

1 計算方法

船舶電站容量不等于全船所有用電設備的標稱電功率的總和，也不等于船舶某一運行工況下所有用電設備標稱電功率的總和。船舶在不同運行工況下投入運行的用電設備不同，用電量就不同。即便是在同一運行工況下各用電設備的運行時間長短不同，負荷變化的情況也會有所不同。電站負荷大小隨時間變化呈正態(tài)分布。由于影響船舶電站負荷的因素繁多，隨機性大，難于精確的確定，因此，選擇恰當?shù)挠嬎惴椒ǎ瑢Ω鞣N工況下使用的負載進行正確的計算和合理分析顯得尤為重要。

以前，我國常用三類負荷計算法。近十年來，國內外多采用二類負荷法進行計算。與三類負荷法相比，主要區(qū)別在于對負荷的分類和對同時使用系數(shù)的選取，如表1所示。

由表1可以看出，二類負荷法計算過程較簡單，并且通過數(shù)百條實船的檢驗，按照這種計算方法得到的計算結果與實船運行的測量值是吻合的。如果對負荷的使用有足夠的了解，還能從二類負荷法衍生出四類負荷法，將負荷按使用時間分為四類，對各類負荷分別采用1、0.8、0.5、0.3的同時使用系數(shù)。對負荷分類越仔細，得到的結果便越能接近實際情況。

表1

2 計算工況

計算全船電力負荷時，應按照各種工況進行統(tǒng)計和分析，對于不同類型、不同用途的船舶，運行工況各有不同，計算中應包括可能出現(xiàn)的最大負荷的工況——用來確定電站的總容量以及最小負荷的工況——用來確定單臺發(fā)電機或最小發(fā)電機的容量。目前，在負荷計算中一般包括航行工況、進出港工況、裝卸貨工況、停泊工況及應急工況五種運行工況，下面分析每種工況對電站配置的影響。

2.1 航行工況

航行工況一般來說是在船舶單個運行周期中占用時間最長的一種工況。在此工況下電站應能保證滿足船舶滿載全速的航行狀態(tài)及正常船員配備情況下的安全、舒適的生活需要。如果船舶電站僅由柴油發(fā)電機組組成，無軸帶發(fā)電機組或主機廢氣渦輪發(fā)電機組等，則從經濟及環(huán)保的角度考慮，往往希望在航行狀態(tài)下，只運行一臺柴油發(fā)電機。計算時，可以將航行工況一分為二。第一種是最具通用性的普通航行工況。在這種工況下只考慮船的正常航行及正常生活需要使用的設備功率，主要包括機艙輔助設備、舵機、空調通風和照明等。這些設備的總功率將作為選擇單臺發(fā)電機容量的依據(jù)。第二種為非普通航行工況。不同船舶在航行過程中，會出現(xiàn)一些大功率的設備投入使用的工況，例如散貨船航行中壓載泵、艙底泵工作的工況，冷藏集裝箱船上使用冷藏集裝箱及需要貨艙通風的工況等。這些負載中有的不是在整個航次中一直使用的，有的則是在不同的航次中使用，情況有較大差異。由于這些負載功率較大，它們的使用會對負載總功率產生很大的影響，因此在計算時，需要將這類負載的工況作為非普通航行工況，與普通航行工況區(qū)分開考慮。

由于單臺發(fā)電機的容量主要根據(jù)普通航行工況下的負荷總功率來選取，機艙輔助設備功率占負載總功率的一半以上，而機艙輔助設備的功率又是由主機功率決定的，因此，對同類型的船，可以通過比較主機功率來選擇單臺發(fā)電機容量。下面通過實船數(shù)據(jù)說明主機功率對單臺發(fā)電機功率的影響，見表2和表3。

表2

表3

由表2可知，雖然船的載重噸相差較大，但是由于主機功率相近，因此單臺發(fā)電機容量也十分接近。

由表3可知，雖然船的載重噸相近，但是由于主機功率相差很大，則單臺發(fā)電機的容量相差也很大。

2.2 進出港操縱工況

進出港操縱工況是指船舶進出港靠離碼頭時使用錨絞設備和側推（如配有）的工況。這種工況下除使用錨較設備外，還使用了正常航行所需要的大部分設備，所需要的總功率一般較大，而此種工況按照規(guī)范要求還需配備備用發(fā)電機組。因此，通常作為確定電站總容量大小的參考工況。

2.3 裝卸工況

裝卸工況是指裝貨或卸貨時的工況。此種工況下主機已不再運行，為主機服務的輔助機械也不使用，使用的設備主要是裝卸貨需要的甲板機械、壓載泵、照明等設備。對不同類型的船舶，在此種工況所需要的總功率區(qū)別較大，例如散貨船帶克令吊與否對此種工況下的負荷功率影響很大，又如滾裝船在此種工況下要考慮尾門、側門、坡道、蓋板等的使用，自卸船要考慮自卸設備的使用，液貨船要考慮貨油泵的使用等。當裝卸工況下有這些大功率設備使用而使總負荷量較大時，此種工況也作為確定電站總容量的參考工況。

2.4 停泊工況

停泊工況是指船舶停泊碼頭、無裝卸作業(yè)的狀態(tài)，這種狀態(tài)主要的負荷就是生活用電和一些機修設備，此時負荷功率最小，往往作為確定最小發(fā)電機容量的參考工況。

2.5 應急工況

船上發(fā)生的緊急情況有很多種，例如住艙火災、貨艙進水、機艙進水等，但并不是每種緊急情況都屬于負荷計算中的應急工況。在對應急工況進行計算的過程中，對下面兩個問題的理解會直接影響計算結果，從而影響應急發(fā)電機容量的確定：

1）應急發(fā)電機的供電范圍

應急發(fā)電機供電設備的范圍及時間在《海上人命安全公約》（SOLAS）和各船級社規(guī)范中都有明確的規(guī)定。從中可以發(fā)現(xiàn)，這些設備主要是為一些逃生、內外通信報警以及救助等服務的，這些設備應該列入計算中，并應按照全功率使用考慮。而有些設備是船東額外要求由應急發(fā)電機供電，這些設備在使用應急發(fā)電機前應考慮強制切除，不在計算范圍之內。

2）計算的應急工況

這里所說的應急工況是指主發(fā)電機不能工作，需要靠應急發(fā)電機供電的情況。主發(fā)電機組不能工作的情況通?？梢苑譃槿箢?，第一種是機艙發(fā)生火災；第二種是機艙進水；第三種是主發(fā)電機組發(fā)生故障。三種情況下使用的負荷比較見表4。

表4

對比表4中三種情況下的負荷總功率，可以看出，機艙火災情況下的負荷總功率最大。因此，通常將這種情況作為選擇應急發(fā)電機的容量的依據(jù)。需要注意的是，千萬不能把所有可能發(fā)生的緊急情況都疊加起來來考慮應急發(fā)電機的容量，這樣選出來的應急發(fā)電機容量是偏大的。

3 設備選型對負荷計算的影響

我們經常會將國內設計的船的一些性能指標和國際上同類型的船進行對比，電站容量也是比較的參數(shù)之一。通過比較會發(fā)現(xiàn)，日本的設計，電站配置會比國內的配置小很多。表5、表6是兩艘實船的負荷計算表，表5對應的是日本的設計，表6對應的是國內的設計。

表5、表6計算的船舶類型相同，主機功率差異不大，負荷系數(shù)的選取相似，計算的方法基本一致，但是配置的電站容量卻有很大的差異。對比分析詳細的計算表后得知這個差異主要是由于所選用設備功率不同導致，一些大功率設備的選用差別如表7所示。

表5 日本設計某實船的負荷計算表

表6 中國設計某實船負荷計算表

表7

一般來說，設備電機功率是根據(jù)設備本身的規(guī)格（例如，泵的壓頭、排量，絞車的力矩，克令吊的安全負荷等）來確定的，當然，可能會由于電機廠家選用的不同有小范圍的差異，但不會對計算結果有很大的影響。

通過上述例子可以看出，如果設備本身的選型就有很大的差別，負荷計算的結果就會有明顯的差異，也就直接影響到電站的配置。

4 負荷計算表中各項系數(shù)的確定

設備機械參數(shù)確定后，所選用的電機額定功率基本確定，但是電機額定功率并不是參與計算的真正功率。在負荷計算中，采用綜合負荷系數(shù)和同時使用系數(shù)來反映設備本身功率和設備參與計算功率之間的關系。綜合負荷系數(shù)是所有負荷都要考慮的計算因素，同時使用系數(shù)只對間歇負載總功率產生影響。下面對這兩種系數(shù)的確定分別加以說明。

4.1 綜合負荷系數(shù)（K）

綜合負荷系數(shù)（K）反映的是實際機械軸上輸出的功率與電動機從電網(wǎng)上索取的功率的關系。對大多數(shù)定轉速電機而言，當設備選定后，此系數(shù)便已確定，不會隨著航行工況等外界條件的改變而改變。這個系數(shù)主要包含下面幾個方面的內容：

a）電動機利用系數(shù)

b）機械負荷系數(shù)

c）電動機負荷系數(shù)

d）電動機的額定效率

P1——電動機的額定功率；

P2——機械軸上所需要的最大軸功率；

P3——機械軸上的輸出功率；

P4——電動機需要從電網(wǎng)獲取的功率。

電動機實際所需功率即實際參與計算的功率為

根據(jù)式（5）可知，當負荷計算表中選用的是電動機額定功率P1時，則綜合負荷系數(shù)K為：

當負荷計算中采用的是機械軸上的輸出功率P3時，則綜合負荷系數(shù)為：

綜上所述，綜合負荷系數(shù)已考慮了設備的機械特性和電機特性對參與計算功率的影響。因此，在負荷計算表中的負荷系數(shù)欄中，只需選用此綜合負荷系數(shù)而沒有必要再將上述的電動機利用系數(shù)、機械負荷系數(shù)、電動機負荷系數(shù)等一一列出。如果有確切的資料提供了相關參數(shù)，可以根據(jù)上面的計算過程計算出綜合負荷系數(shù)；如果沒有，也可參考《船舶設計實用手冊》電氣分冊中的推薦值來選取，這些推薦值是多年實踐的總結，具有很高的參考性。

下面通過幾個實例來說明綜合負荷系數(shù)的確定。

實例一：某船主滑油泵，見圖1。

從圖1可知，在該主滑油泵正常工作點排量為1100 m3/h時，機械實際使用的軸功率P3為207 kW，電動機輸出的額定功率P1為291 kW，電動機效率為 95%，根據(jù)式（6）、式（7）、式（5）可以求得：

圖1 主滑油泵工作特性曲線

實例二：某船主機缸套淡水冷卻泵，見圖2。

從圖2中可知，在該主機缸套淡水冷卻泵正常工作點排量為400 m3/h時，機械實際使用的軸功率P3為38.7 kW，電動機輸出的額定功率P1為52.4 kW，電動機效率為 93%，根據(jù)式（6）、式（7）、式（5）可以求得：

圖2 主機缸套淡水冷卻泵工作特性曲線

上述2臺泵選用的是離心泵，而容積泵與離心泵的工作特性曲線有較大差異，下面以某柴油輸送泵為例進行說明。

實例三：某船柴油輸送泵（螺桿泵），見圖3和表8。

圖3中的兩條曲線分別是柴油輸送泵在工作溫度分別為50℃和20℃時的機械軸功率特性曲線。從表8中可見，在正常工作點3.5 bar時，對應的機械軸功率分別為9.42 kW和19.74 kW，選擇的電動機額定功率為21.5 kW，效率為90.4%，船上泵正常工作溫度一般要求在40℃到45℃之間，接近于50℃，則泵的實際需要輸出機械軸功率略大于9.42 kW。由式（6）可以求得K略大于0.48。對此類泵，就需要參考泵的工作曲線圖，按照實際使用的情況選擇綜合負荷系數(shù)，從而使計算結果符合實際。

圖3 柴油輸送泵50℃和20℃時機械軸功率工作特性曲線

表8 工作溫度參數(shù)對照表

4.2 同時使用系數(shù)K0

船舶在某運行狀態(tài)下，不可能所有的間歇負載在同時使用，因此計算間歇負載總功率時應選取同時使用系數(shù)K0：

K0是運行的間斷負載最大需要功率之和/所有間斷負載的最大需要功率之和。

目前，國內外大多數(shù)計算中，同時負荷系數(shù)都選為 0.4 或 0.5。

4.3 特殊設備的系數(shù)考慮

1）對于廚房及洗衣設備，工作的時段和時間長短都較為固定，且在同一時間使用的情況不多，因此在計算時，只需將同時系數(shù)適當降低，取 0.2～0.3即可。

2）對于舵機，在相應的工況下通常只作小角度偏轉，正常工作時所需要的功率遠小于其額定功率，因此作為連續(xù)負荷，其負荷系數(shù)可以考慮取的較小，一般取為 0.2～0.3。

3）對于空調設備，由于一般按照2臺壓縮機同時運行計算制冷量，因此計算時應考慮兩臺壓縮機的功率，另外由于壓縮機不是連續(xù)運行的，因此空調應作為間歇負荷考慮。

5 電站的配置

在考慮配備電站總容量時，必須考慮各船級社規(guī)范要求船舶在航行時為安全需要考慮的備用電量、維護保養(yǎng)需要的交替容量和今后柴油機老化以及發(fā)展需要的儲備容量等?？紤]上述這些要求，同時兼顧經濟環(huán)保，確定電站容量的基本原則是：

1）單臺機組合理的負荷率：電站容量的選擇滿足大多數(shù)情況下的用電需要。當有些情況下使用大功率負載而使電站負荷過大時，采用電站分級卸載或并聯(lián)發(fā)電機組確保電站安全使用。因此，單臺機組容量按照普通航行工況下負荷率最低不應低于50%，最高不超過90%?？紤]到今后柴油機老化以及發(fā)展需要等因素，一般最高負荷率定在85%。對單機容量較大的船舶，也需要考慮停泊工況下，負荷率應在20%以上以避免柴油機長期處于低負荷的運行狀態(tài)，由此，可以考慮在保證供電總量的前提下，整個電站中選用1臺容量較小的發(fā)電機組用于停泊工況。

2）發(fā)電機組的備用：為了船舶航行的安全性，船舶電站必須考慮航行及進出港工況有備用機組，用來保證供電的連續(xù)性。因此，至少需要配備2臺發(fā)電機組。

3）發(fā)電機組的互換性：為了增強發(fā)電機組的互換性，在某一船舶電站中應盡量減少發(fā)電機組的品種，但是，若從電站的經濟性考慮不可避免此種情況發(fā)生時，應盡可能考慮只是柴油機氣缸數(shù)量不同的發(fā)電機組，以減少備件的種類。

4）發(fā)電機組運行經濟性：應盡可能考慮使用軸帶發(fā)電機。例如，某船推進系統(tǒng)為中速機、可調槳推進，該船在普通航行工況下主機轉速基本恒定，則航行工況可以使用軸帶發(fā)電機，同時如果該船還配有側推，同時軸帶發(fā)電機的功率大于側推功率，則在進出港工況下也能使用軸帶發(fā)電機，則此類船舶配備軸帶發(fā)電機組比配備柴油發(fā)電機組經濟性更優(yōu)越。

6 結語

電力負荷計算不僅是計算，更確切的說，是一種平衡分析。在實際電站設計中，盡可能周全地考慮上述因素，有利于計算準確、更貼合實際。限于篇幅，本文所做的探討主要是針對普通民用運輸船，特別是散貨船最常見的柴油發(fā)電機組的電站配置，對其它類型的船舶和其它種類電站配置沒有展開，借此文拋磚引玉，希望能引起業(yè)內人士就此問題進行更深入的探討，從而促進電站配置得更合理、更可靠、更經濟、更環(huán)保，更具有先進性。

［1］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設計實用手冊.電氣分冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997.

［2］王文義.船舶電站［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006.