某綜合試驗(yàn)船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龍可軍，李興宇

（1.海裝駐廣州地區(qū)第三軍事代表室，廣州，510250；2.廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州510250）

1 前言

該船是一艘遠(yuǎn)海航區(qū)綜合試驗(yàn)船，主要用途是滿足建設(shè)單位試驗(yàn)基地科研生產(chǎn)需求，在試驗(yàn)海域進(jìn)行各類(lèi)電子設(shè)備的試驗(yàn)、測(cè)試及驗(yàn)證等，同時(shí)兼顧試驗(yàn)設(shè)備、人員的交通運(yùn)輸功能，為我國(guó)電子科學(xué)的發(fā)展、海洋科學(xué)事業(yè)和國(guó)防建設(shè)收集資料。該船的設(shè)計(jì)滿足中國(guó)船級(jí)社（CCS）《國(guó)內(nèi)航行海船入級(jí)規(guī)則》2012、《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》2012 及其修改通報(bào)、中國(guó)海事局（MSA）《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則—國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2011）及其修改通報(bào)有關(guān)要求。

2 船舶主要參數(shù)

3 電站設(shè)計(jì)

該船電站設(shè)計(jì)除滿足規(guī)范、規(guī)則對(duì)于船舶正常航行的配置要求外，還應(yīng)滿足船上配備的各類(lèi)電子設(shè)備及輔助系統(tǒng)的海上試驗(yàn)需求。

3.1 各種工況負(fù)荷計(jì)算

主發(fā)電機(jī)組首先要滿足為全船航行安全設(shè)備提供充足的電能，同時(shí)為機(jī)艙輔助設(shè)備、生活設(shè)備等提供電源，還要為試驗(yàn)設(shè)備提供電源。因此，如何確定電站主發(fā)電機(jī)的單臺(tái)額定容量及配置數(shù)量，主要從各工況用電總負(fù)荷情況進(jìn)行分析：

（1）航行工況

按照規(guī)范的要求，主電源要滿足為正常推進(jìn)運(yùn)行、船舶安全所必需的設(shè)備供電，也要滿足最低舒適居住條件的設(shè)備供電（工況Ⅰ）。通過(guò)電力負(fù)荷計(jì)算，航行工況Ⅰ總負(fù)荷約為179 kW；工況Ⅱ?yàn)楹囼?yàn)設(shè)備，總負(fù)荷約為230.1 kW。

（2）試驗(yàn)狀態(tài)工況

該船搭載了較多的電子設(shè)備，不同電子設(shè)備的用電需求差別較大；同時(shí)，為了滿足設(shè)備測(cè)試要求，還安裝了液壓起重機(jī)、A 形架吊機(jī)等大功率輔助試驗(yàn)設(shè)備。通過(guò)電力負(fù)荷計(jì)算，使用10 t液壓起重機(jī)、A形架吊機(jī)時(shí)（工況Ⅰ）總負(fù)荷約為386.4 kW；不使用10 t 液壓起重機(jī)、A 形架吊機(jī)時(shí)（工況Ⅱ）總負(fù)荷約為330.5 kW。

（3）進(jìn)出港工況

進(jìn)出港工況下需要使用錨機(jī)、吊機(jī)等設(shè)備，在離靠碼頭時(shí)需要使用首側(cè)推。通過(guò)電力負(fù)荷計(jì)算，進(jìn)出港工況總負(fù)荷約為327.5 kW。

（4）停泊工況設(shè)備

停泊狀態(tài)下，主要為生活用電、空調(diào)設(shè)備用電、油污水排放設(shè)備及維修設(shè)備等供電，經(jīng)計(jì)算，總負(fù)荷約為91.1kW 。

各種工況用電負(fù)荷，見(jiàn)表1 所列。

表1 各種工況用電負(fù)荷表

3.2 主電站設(shè)計(jì)

（1）航行工況Ⅰ是船舶的主要使用工況，根據(jù)計(jì)算，航行工況Ⅰ用電負(fù)荷為179 kW。從設(shè)備使用及經(jīng)濟(jì)性考慮，使用單臺(tái)主發(fā)電機(jī)容量為200 kW，此時(shí)發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為89.5%，備用發(fā)電機(jī)為2 臺(tái)；航行工況Ⅱ?yàn)楹囼?yàn)設(shè)備。根據(jù)計(jì)算，航行工況Ⅱ用電負(fù)荷為230.1 kW，使用2 臺(tái)發(fā)電機(jī)容量為2X200 kW，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為57.5%；備用發(fā)電機(jī)為1 臺(tái)；

（2）試驗(yàn)工況Ⅱ用電負(fù)荷為330.5 kW；使用2 臺(tái)200 kW 發(fā)電機(jī)組并車(chē)可滿足用電需求，但無(wú)法滿足試驗(yàn)工況Ⅰ的長(zhǎng)期用電需求，因此，需要增加1 臺(tái)同型200 kW 發(fā)電機(jī)組，即選用3 臺(tái)200 kW 發(fā)電機(jī)組，其設(shè)備維修互換性較好，且各發(fā)電機(jī)的使用時(shí)間更均衡，不會(huì)因?yàn)檫^(guò)度使用1 臺(tái)發(fā)電機(jī)組而提前進(jìn)行大修；

（3）進(jìn)出港工況使用首側(cè)推時(shí)，選用任意2 臺(tái)200 kW 發(fā)電機(jī)均可滿足用電需求，設(shè)置3 臺(tái)200 kW發(fā)電機(jī)組，留有備用發(fā)電機(jī)組，可靠性更高。

綜合以上分析，本船配置3 臺(tái)船用三相交流同步發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定功率200 kW，供全船動(dòng)力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通信導(dǎo)航、報(bào)警、控制設(shè)備及電子試驗(yàn)設(shè)備等用電；3 臺(tái)柴油主發(fā)電機(jī)能單獨(dú)運(yùn)行，互為備用，也可以任意2臺(tái)或3臺(tái)發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行。

3.3 應(yīng)急電站設(shè)計(jì)

應(yīng)急電站主要滿足應(yīng)急狀態(tài)下的負(fù)荷用電需求，主要用于維持船舶安全或遇險(xiǎn)救生等用途，包括應(yīng)急照明、無(wú)線電通信及導(dǎo)航設(shè)備、應(yīng)急消防泵、內(nèi)部通信設(shè)備、報(bào)警設(shè)備及應(yīng)急發(fā)電機(jī)室分機(jī)等。

通過(guò)負(fù)荷計(jì)算，為滿足應(yīng)急狀態(tài)下設(shè)備用電需求，本船選用75 kW 三相交流同步應(yīng)急發(fā)電機(jī)組1 臺(tái)， 安裝在應(yīng)急發(fā)電機(jī)室。

4 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船配電系統(tǒng)，主要由主配電板、應(yīng)急配電板及分電箱等組成。

4.1 主配電板

（1）結(jié)構(gòu)

本船設(shè)主配電板一臺(tái)，鋼質(zhì)落地式，布置在機(jī)艙集控室，控制和保護(hù)3 臺(tái)主發(fā)電機(jī)并對(duì)全船AC380V/AC220 V 設(shè)備供電；主配電板由7 屏組成，包括3 屏發(fā)電機(jī)控制屏、1 屏發(fā)電機(jī)同步屏、1 屏負(fù)載控制屏、2 屏電機(jī)集中控制屏。

發(fā)電機(jī)屏上部設(shè)置各類(lèi)儀表，下部設(shè)置發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)；同步屏設(shè)置有同步表、岸電儀表等；負(fù)載屏主要設(shè)置各類(lèi)負(fù)載斷路器；集中控制屏主要布置各類(lèi)泵起動(dòng)控制設(shè)備。

（2）功能

① 主開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)：主配電板發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)采用施耐德公司MT06 型自動(dòng)空氣斷路器，脫扣器額定電流600 A，具有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)和瞬動(dòng)三段保護(hù)及欠壓脫扣保護(hù)等功能，采用逆功率繼電器作逆功率保護(hù)。

② 連鎖設(shè)計(jì)：主配電板發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)與岸電開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖，使發(fā)電機(jī)組與岸電電源不能同時(shí)供電；空氣斷路器與主發(fā)電機(jī)防潮加熱器有聯(lián)鎖，防潮加熱器開(kāi)起情況下不能起動(dòng)發(fā)電機(jī)組；主變壓器之間設(shè)聯(lián)鎖，避免變壓器同時(shí)接入電網(wǎng)；主配電板與應(yīng)急配電板通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖，正常時(shí)應(yīng)急配電板的負(fù)載通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)由主配電板供電。

③ 卸載設(shè)計(jì)：主配電板具有自動(dòng)卸載功能。當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流達(dá)到額定值的90%時(shí)，主配電板發(fā)出過(guò)載預(yù)報(bào)警，延時(shí)10 s后進(jìn)行一級(jí)卸載，卸除廚房設(shè)備；如負(fù)載電流達(dá)到95%額定電流，經(jīng)延時(shí)后進(jìn)行第二級(jí)卸載，卸除空調(diào)設(shè)備。

④ 自動(dòng)電站管理系統(tǒng)：主配電板設(shè)有進(jìn)口的自動(dòng)電站管理系統(tǒng)，對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行管理，能夠自動(dòng)平衡并聯(lián)發(fā)電機(jī)的負(fù)載；運(yùn)行發(fā)電機(jī)重載時(shí)增加在線發(fā)電機(jī)，輕載時(shí)減少在線發(fā)電機(jī)；在線運(yùn)行發(fā)電機(jī)發(fā)生故障無(wú)法繼續(xù)工作時(shí)，管理系統(tǒng)發(fā)出指令，備用發(fā)電機(jī)自動(dòng)起動(dòng)，故障發(fā)電機(jī)自動(dòng)退出。

⑤ 并車(chē)設(shè)計(jì)：設(shè)有手動(dòng)、半自動(dòng)及自動(dòng)三種并車(chē)工作模式。手動(dòng)模式下，所有發(fā)電機(jī)均可轉(zhuǎn)為手動(dòng)操作模式；半自動(dòng)模式下，可手動(dòng)、半自動(dòng)并車(chē)，自動(dòng)平衡并聯(lián)發(fā)電機(jī)的負(fù)載；自動(dòng)模式下，由自動(dòng)電站管理系統(tǒng)管理電站運(yùn)行。

⑥ 重載問(wèn)詢功能：由于本船設(shè)有首側(cè)推等大功率負(fù)載，為避免電站容量不夠無(wú)法起動(dòng)大功率負(fù)載，或?yàn)榻档推饎?dòng)大功率負(fù)載時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊導(dǎo)致影響其他設(shè)備正常使用，在起動(dòng)大功率負(fù)載前必須向電網(wǎng)作詢問(wèn)，如在網(wǎng)的柴油發(fā)電機(jī)總?cè)萘科?，?yīng)自動(dòng)起動(dòng)備用主發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)供電。

⑦ 重要負(fù)載順序重新自起動(dòng)：主電網(wǎng)恢復(fù)供電后，下列重要負(fù)載按系統(tǒng)預(yù)定的程序重新自動(dòng)起動(dòng)：舵機(jī)、機(jī)艙風(fēng)機(jī)、主機(jī)滑油備用泵、齒輪箱滑油備用泵、主機(jī)淡水備用泵、主機(jī)海水備用泵。

（3）匯流排

① 本船除常規(guī)船舶安全航行設(shè)備外，還設(shè)有大量電子設(shè)備，因此匯流排設(shè)計(jì)成三個(gè)獨(dú)立的分段：匯流排A 段連接1 號(hào)發(fā)電機(jī)組、B 段連接2 號(hào)發(fā)電機(jī)組，采取聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接。當(dāng)匯流排某一處故障時(shí)，可通過(guò)斷開(kāi)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)保護(hù)另一分段上的設(shè)備供電的連續(xù)性；B 段、C 段（連接3 號(hào)發(fā)電機(jī)組）由斷路器連接。除試驗(yàn)狀態(tài)外，B 段、C 段連接斷路器保持接通，本船執(zhí)行試驗(yàn)任務(wù)并需要分區(qū)供電時(shí)，B 段、C 段的連接斷路器分?jǐn)啵? 號(hào)機(jī)組獨(dú)立向試驗(yàn)設(shè)備供電。

② 分區(qū)供電操作，可在自動(dòng)電站管理下自動(dòng)進(jìn)行，也可在非自動(dòng)電站狀態(tài)下人工操作完成；分區(qū)供電結(jié)束后，一般應(yīng)將3 號(hào)發(fā)電機(jī)重新整步，待到3 號(hào)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步條件時(shí)，將B 段、C 段的連接斷路器合閘與其他發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，以保持系統(tǒng)設(shè)備的連續(xù)供電；也可以手動(dòng)切斷3號(hào)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)，將3號(hào)發(fā)電機(jī)停機(jī)，然后將B 段、C 段的連接斷路器合閘，此時(shí)系統(tǒng)將不能連續(xù)供電。

4.2 應(yīng)急配電板

（1）在應(yīng)急發(fā)電機(jī)室設(shè)應(yīng)急配電板一塊，用于控制、保護(hù)應(yīng)急發(fā)電機(jī)和對(duì)全船AC380 V/AC220 V 應(yīng)急設(shè)備供電。應(yīng)急配電板由2 屏組成，包括1 屏發(fā)電機(jī)控制屏/負(fù)載屏、1 屏負(fù)載屏；

（2）應(yīng)急配電板為鋼質(zhì)自立式結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級(jí)為IP22；應(yīng)急配電板前面為面板，側(cè)面設(shè)旁板，前部有扶手；應(yīng)急配電板為板前維修，底部進(jìn)線；

（3）應(yīng)急配電板發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)為MSX250 自動(dòng)空氣斷路器，脫扣器額定電流160 A，具有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)保護(hù)及欠壓脫扣保護(hù)等功能。

（4）當(dāng)主電網(wǎng)失電時(shí)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)在45 s 鐘之內(nèi)完成自動(dòng)起動(dòng)，通過(guò)應(yīng)急配電板向應(yīng)急設(shè)備供電；在主配電板恢復(fù)供電后，應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)應(yīng)自動(dòng)分閘，應(yīng)急發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行一段時(shí)間后停車(chē)；應(yīng)急發(fā)電機(jī)不能與主發(fā)電機(jī)并車(chē)。

5 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是船舶設(shè)計(jì)重要內(nèi)容，直接影響船舶安全及功能的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的電力系統(tǒng)，既有利于提高船舶的航行安全性，也可以提高經(jīng)濟(jì)性。