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(1.大連中遠川崎船舶工程有限公司，遼寧 大連 116052； 2.南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

穿梭油船主要用于FPSO、采油平臺、岸壁之間的原油駁運。與常規(guī)油船相比，該船型要實現(xiàn)準確的動力定位，要有靈敏的操縱性和準確的接載功能，且在復(fù)雜的海況下，能夠使供給和接收雙方在一定誤差內(nèi)都處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，以實現(xiàn)原油的準確傳輸。本文結(jié)合穿梭油船的功能特點，探討電力配置。

1 功能特點及其電力配置

穿梭油船具有如下功能要求：①準確的動態(tài)定位。穿梭油船在與FPSO配合進行提油作業(yè)時，要具有抵抗風(fēng)、浪、流的能力[1-2]。通常根據(jù)服務(wù)海域和船東要求確定動態(tài)定位等級；②足夠的電力配置冗余。根據(jù)DNV規(guī)范要求具有DYNPOS-AUTR船級符號的船舶，電力配置要滿足冗余和最大單一故障的要求；③良好的貨油卸貨能力[3]。到港卸油時，貨油泵應(yīng)具有大運轉(zhuǎn)功率。

鑒于穿梭油船的上述主要服務(wù)功能，在穿梭油輪電力配置設(shè)計中，要重點考慮如下幾個方面的關(guān)鍵問題。

1.1 大負荷電力輔助推進設(shè)備

為了保證穿梭油船具有準確的定位能力，應(yīng)配置大負荷輔助推進器，以槽道式和全回轉(zhuǎn)電力推進器為主。由于輔助推進器功率大，耗電高，(一般為幾千至上萬kW)，穿梭油船一般設(shè)置中壓發(fā)電機，目前行業(yè)中的主流配置為6 600 V。

1.2 供電網(wǎng)絡(luò)

供電網(wǎng)絡(luò)需保障穿梭油船在動態(tài)定位時，在最大單一故障下，仍有定位能力，因此穿梭油船的供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計通常分兩套。在動力定位工況下，電力負荷估算要按兩套供電網(wǎng)絡(luò)分開計算。兩套網(wǎng)絡(luò)之間以斷路器連接[4]，在動態(tài)定位工況下斷路器打開，兩套網(wǎng)絡(luò)獨立，避免發(fā)生單一故障，導(dǎo)致全船斷電或所有電力推進器失效。每套供電網(wǎng)絡(luò)按三級供電進行設(shè)計。以某穿梭油船供電網(wǎng)絡(luò)為例，一級6 600 V中壓配電板，由發(fā)電機直接供電。中壓配電板向電力推進器，貨油泵及通過變壓向下級440 V配電板供電。兩套中壓配電板之間以真空斷路器連接。二級440 V低壓配電板，向甲板機械、輔機、各種泵等440 V船用電氣設(shè)備供電，并通過變壓向220 V配電板供電。兩套低壓配電板以空氣斷路器連接。三級220 V低壓配電板向照明、通導(dǎo)、無線、及生活設(shè)施供電。

1.3 貨油泵供電

為了保證穿梭油船能夠快速卸貨，設(shè)計時要配置較大運轉(zhuǎn)功率的貨油泵。以10萬t穿梭油船為例，需配置兩臺2 000 kW左右的高位貨油泵，兩臺900 kW的低位貨油泵。

雖然貨油泵功率較大,但其作業(yè)工況為港口卸貨，與穿梭油輪的用電負荷峰值(動態(tài)動位)不在同一時段，因此在負荷計算時應(yīng)分開考慮。該船設(shè)置的高位和低位貨油泵也不會同時運行。

2 電力負荷的工況分析

穿梭油船的電力負荷估算，要反映所有用電設(shè)備的使用情況。估算的工況與以上介紹的服務(wù)特點和船舶作業(yè)時的電力負荷特點相關(guān)。穿梭油船估算工況大致可以分為以下幾種典型工況。

1)正常航行工況。滿載全速航行。運行的主要電氣設(shè)備是：主滑油泵、主冷卻海水泵，該工況下電力負荷最小。通常以一臺發(fā)電機在網(wǎng)運行，是決定單臺發(fā)電機的重要依據(jù)[5]。若發(fā)電機選擇過大，在正常航行工況下將出現(xiàn)低負荷運行情況，影響發(fā)電機的運行和壽命。

2)離靠港工況。主要考慮港內(nèi)低速航行和離靠碼頭的機動性。運行的主要電氣設(shè)備是輔助鼓風(fēng)機和艏部輔助電力推進器。

3)卸貨工況。到港時運用貨油泵進行卸貨。運行的主要電氣設(shè)備是貨油泵、壓載泵及壓載水處理系統(tǒng)。

4)動態(tài)定位模式下的裝貨工況。在裝貨過程中要有長時間連續(xù)的動態(tài)定位。此時需要運行全部推進器。該工況是穿梭油船出現(xiàn)負荷峰值的工況。因此該工況下的運行設(shè)備總?cè)萘渴菦Q定發(fā)電機總?cè)萘康闹匾罁?jù)。由于在動態(tài)定位時穿梭油船的兩套供電網(wǎng)絡(luò)相互獨立，在電力負荷計算時也要將裝貨工況按兩套網(wǎng)絡(luò)細化。

3 估算方法分析

電力負荷估算是按照上述的典型工況需求，對該工況下的電力負荷進行計算和統(tǒng)計，最后得出實際需要功率之和。船舶電力負荷估算的方法很多，需要系數(shù)法、三類負載法、晝夜航行圖法及概率法等。穿梭油船的電力負荷估算目前普遍使用的方法是需要系數(shù)法和三類負載法。

3.1 需要系數(shù)法

需要系數(shù)是指特定設(shè)備運行時最大需要功率和額定輸入功率之比。該工況下的總需要功率為該工況運行的所有電氣設(shè)備的實際需要功率之和。

PG=∑Ki·Pci+Kj·∑Ki·PR

(1)

式中：PG——某工況下的總功率；

Pci——各連續(xù)負載額定輸入功率；

PR——各間斷負載額定輸入功率；

Ki、Kj——需要和同時系數(shù)。

需要系數(shù)的選取主要考慮設(shè)備的用途、特點和使用工況等因素，在電力估算初期，一般采用經(jīng)驗值80%，但根據(jù)設(shè)備實際運行情況，一些特殊的設(shè)備除外。例如：穿梭油船的電力推進器在動態(tài)定位工況按100%選??；輔助鼓風(fēng)機在離靠港和動態(tài)定位工況下選取65%;舵機在正常航行工況下選取25%;在離靠港時選取50%。

需要系數(shù)法計算比較簡單，通常用于設(shè)備參數(shù)不充分時的估算。需要系數(shù)的選取對經(jīng)驗要求較高。

3.2 三類負載法

三類負載法是將電氣設(shè)備按不同工況下的使用情況進行分類,分成三類負載,然后按不同負載的負載系數(shù)和同時系數(shù)估算總負荷。

第一類負載。在特定工況下，連續(xù)處在額定負荷下的負載,如穿梭油船的電力推進器和貨油泵等。

第二類負載。在特定工況下，短時使用或有固定使用頻率的負載，如空壓機和污水處理單元等。

第三類負載。為偶然短時使用的負載，如救助艇和電焊機。

負載系數(shù)是指在某一期間內(nèi)，負載平均需要功率和負載最大需要功率的比值。

1)負載系數(shù)k3。

(2)

式中：K1——電動機利用系數(shù)；

K2——機械負荷系數(shù)；

P1——電動機額定功率；

P2——輔機實際使用功率。

2)同時系數(shù)確定。

對第一類負載，同時系數(shù)按0.8～1.0計算，具體數(shù)值根據(jù)實際使用情況估算。

對第二類負載，一般按0.3～0.5計算，根據(jù)平均工作時間和工作周期之比來估算。

對第三類負載，由于不會在用電高峰時使用，且發(fā)電機負荷較高，因此在負荷計算中不計入。

3)各種工況下總功率Pg的計算。

Pg=∑Ka·K3·Pr

(3)

式中：Ka——該工況下的同時系數(shù)；

Pr——輔機的額定輸入功率。

3.3 兩種方法比較

1)需要系數(shù)法運算簡單。需要系數(shù)法一般只有間斷負載考慮同時系數(shù)，且同時系數(shù)一般統(tǒng)一取1/3。而三類負載法所有設(shè)備都要考慮同時系數(shù)。

2)需要系數(shù)選取較負載系數(shù)簡單。負載系數(shù)計算需要詳細的設(shè)備參數(shù)，例如馬達的利用系數(shù)、機械負荷系數(shù)及馬達效率等。而需要系數(shù)一般采用經(jīng)驗值,在新船設(shè)計參數(shù)不足時，此方法簡單有效。

3)兩種方法在計算結(jié)果上無大差異。

以10萬t穿梭油船輔機參數(shù)為案例，分別應(yīng)用需要系數(shù)法和三類負荷法進行電力負荷計算，結(jié)果見表1。

表1 需要系數(shù)法和三類負載法計算結(jié)果對比

由表1可見，需要系數(shù)法與三類負載法計算結(jié)果相近。需要系數(shù)法比三類負載法更適合新船設(shè)計。

4 電力配置方案實例

根據(jù)以上分析，并結(jié)合本公司研發(fā)實際，提出13萬t穿梭油船電力配置方案。

4.1 電力推進器的配布

推進器用于平衡風(fēng)浪流作用于船上的干擾力矩，穿梭油船需配備多個推進器，設(shè)計中需進行推力計算，通過確定推力來選擇相應(yīng)的功率。參考川崎重工相似船舶的參數(shù)，各推進器配布及相應(yīng)功率見圖1。

圖1 13萬t穿梭油船推進器配置示意

推進器選擇應(yīng)滿足如下基本條件。

1)在規(guī)定的條件下，推進器應(yīng)滿足足夠的橫向和縱向推力，以及控制艏向的轉(zhuǎn)向力矩。槽道推進器可以提供船舶橫軸方向的力以及船舶的回轉(zhuǎn)力矩；全回轉(zhuǎn)推進器既可以提供船舶縱軸也可以提供船舶橫軸方向的力，同時還能提供船舶的回轉(zhuǎn)力矩。

2)DYNPOS-AUTR船級符號的船舶推進器配置要滿足冗余要求，發(fā)生任何單一故障，船舶應(yīng)有足夠的橫向和縱向推力以及艏向轉(zhuǎn)向力矩。

為了保證供電系統(tǒng)在出現(xiàn)單一故障時船舶仍有一定的定位能力。電力推進器的供電分兩組進行，船艏槽道推進器、船艏1號全回轉(zhuǎn)推進器、船艉1號全回轉(zhuǎn)推進器由第一組網(wǎng)絡(luò)供電。船艉2號全回轉(zhuǎn)推進器和船艏1號全回轉(zhuǎn)推進器由第二組網(wǎng)絡(luò)供電。這樣組合可以使船舶在發(fā)生故障失去一組電力推進器后，另一組電力推進器仍然具有足夠的橫向和縱向推力以及控制艏向的轉(zhuǎn)向力矩。

4.2 電力負荷估算

13萬t穿梭油船在設(shè)計初期設(shè)備的詳細參數(shù)未定，所以按照以上介紹的需要系數(shù)法進行電力負荷的估算。間斷負載的同時系數(shù)按1/3進行計算。電力負荷估算結(jié)果見表2。

表2 13萬t穿梭油船電力負荷估算表 kW

根據(jù)表2可以確定各工況下總需要功率，從而確定發(fā)電機容量和臺數(shù)。

4.3 發(fā)電機容量確定

1)發(fā)電機臺數(shù)確定為4臺。由于本船配電系統(tǒng)要滿足冗余和最大單一故障要求，因此發(fā)電機至少配兩臺。若配兩臺，則每臺容量至少為7 200 kW，那么在正常航行工況時發(fā)電機負荷率為11%，為超低負荷運行，嚴重影響了發(fā)電機壽命和運行的經(jīng)濟性。因此本船配置4臺發(fā)電機。

2)4臺發(fā)電機在動態(tài)定位工況下分兩組對供電網(wǎng)絡(luò)供電。由于正常航行工況下需要功率低，裝貨工況下需要功率較高，因此選擇容量大小不同的發(fā)電機。兩臺容量大的一組，兩臺容量小的一組。這樣在航行工況下可以開容量最小的一臺。在離靠港工況和卸貨工況下可以開容量最小的兩臺。在動態(tài)定位的裝貨工況下，4臺發(fā)電機全部在網(wǎng)運行。

3) 發(fā)電機組的容量大小主要由動態(tài)定位下的裝貨工況決定。散貨船在發(fā)電機選型時，發(fā)電機負荷率一般控制在90%以下。但由于本船在估算過程中電力推進器的需要系數(shù)按1來計算，而實際情況下由于馬達利用系數(shù)和機械負荷系數(shù)等因素，一般運行在85%工作點處，100%負荷幾乎不可能出現(xiàn)。因此考慮發(fā)電機選型和運行的經(jīng)濟性，發(fā)電機組負荷率選擇為90%～95%。

根據(jù)以上分析并參考大洋發(fā)電機容量規(guī)格確定本船發(fā)電機為3 400 kW和3 800 kW各兩臺。

[1] 陳紅霞，李增榮.76 000 DWT 散貨船發(fā)電機容量的確定[J].船舶輔機，2006(3):21-23.

[2] 翁烈勝，黃連中，孟維明,等.穿梭油輪推進裝置分析[C]∥ 現(xiàn)代船機維修技術(shù)(2005).北京：中國造船工程學(xué)會，2005：274-276.

[3] 李文魁，陳永冰，田蔚風(fēng)，等.現(xiàn)代船舶動力定位系統(tǒng)設(shè)計[J].船海工程，2007(5)：77-79.

[4] 楊 典.淺析深水鋪管船功率管理系統(tǒng)[J].船海工程，2012,41(2)：71-75.

[5] 王 芳，萬 磊，徐玉如，等.深水半潛式鉆井平臺動力定位建模與仿真[J].船舶工程2011，33(3)：75-78.