王 鵬，王 敏

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引 言

電力負(fù)荷分析是船舶設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是確定船舶電站及發(fā)電機(jī)的容量與配置的依據(jù)。隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)的高速發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)日益龐大、電力設(shè)備的高速更新和應(yīng)用以及使用工況愈來(lái)愈多，這些都對(duì)經(jīng)典的電力負(fù)荷分析提出了更高的要求，特別是在海洋工程平臺(tái)項(xiàng)目中。比如深水半潛式鉆井平臺(tái)，幾千臺(tái)設(shè)備的運(yùn)控過(guò)程都涉及電力，且運(yùn)行工況可達(dá)近十種。因此，需進(jìn)一步研究這類(lèi)船舶的電力負(fù)荷分析方法，以及對(duì)于相應(yīng)引出的問(wèn)題，例如功率因數(shù)的選擇、電壓等級(jí)的選擇、電站配置的考慮等進(jìn)行詳細(xì)的剖析。

1 作業(yè)工況

在進(jìn)行電力負(fù)荷分析之前，首先應(yīng)了解船舶的各種作業(yè)流程及工況。不同類(lèi)型、不同用途的船舶差異甚大。

1) 運(yùn)輸類(lèi)的船舶工況大致相同，可以分為：航行、進(jìn)出港、壓載、裝卸貨、停泊、應(yīng)急等幾個(gè)工況；

2) 工程類(lèi)船舶比如布纜船，作業(yè)流程及工況有航行、布設(shè)、埋設(shè)、撈纜、修理登陸、修理布設(shè)、停泊、應(yīng)急等工況；

3) 海洋工程如半潛式鉆井平臺(tái)，作業(yè)流程及工況就相對(duì)較多：航行、正常天氣動(dòng)力定位、惡劣天氣動(dòng)力定位、故障情況動(dòng)力定位、正常鉆井、重負(fù)荷鉆井工況、起下鉆、停泊、應(yīng)急等工況。

2 電力負(fù)荷分類(lèi)

2.1 推進(jìn)定位類(lèi)負(fù)荷

用于船舶推進(jìn)或者船舶動(dòng)力定位時(shí)需要使用的負(fù)荷，隨著電力推進(jìn)技術(shù)的廣泛使用，推進(jìn)電機(jī)，推進(jìn)變壓器以及推進(jìn)變頻器組成了推進(jìn)定位類(lèi)負(fù)荷的主要設(shè)備。在電力推進(jìn)的船舶或者海洋工程中，推進(jìn)定位類(lèi)負(fù)荷占據(jù)了最大的份額，通常占到電站總?cè)萘?0%以上。推進(jìn)定位類(lèi)負(fù)荷與船舶尺寸和航速有關(guān)。動(dòng)力定位負(fù)荷還需考慮不同的風(fēng)、浪、流環(huán)境，以及船舶尺寸和自身的受風(fēng)面積。推進(jìn)定位類(lèi)負(fù)荷在不同的作業(yè)工況和環(huán)境條件下差別很大。

2.2 公用負(fù)荷

船舶在正常運(yùn)行時(shí)所需的公共負(fù)荷，包括輔發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、機(jī)艙輔助系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冷藏系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等等。此部分的負(fù)荷與環(huán)境條件以及作業(yè)工況無(wú)關(guān)，在船舶運(yùn)行各工況下相對(duì)穩(wěn)定。

2.3 作業(yè)類(lèi)負(fù)荷

船舶及海洋工程由于不同作業(yè)需要所配置的相關(guān)負(fù)荷，例如鉆井平臺(tái)、鉆井船的鉆井負(fù)荷、物探船的測(cè)量負(fù)荷、起重船的起重負(fù)荷、敷管船、布纜船的布設(shè)負(fù)荷、運(yùn)輸類(lèi)船舶的駁運(yùn)負(fù)荷等等。此部分的負(fù)荷與船舶功能、工作工況息息相關(guān)。在不同的作業(yè)條件下功率差別非常突出。

2.4 應(yīng)急負(fù)荷

滿足各類(lèi)規(guī)范規(guī)則要求，在應(yīng)急情況仍然需要使用的負(fù)荷，例如應(yīng)急消防泵、探火設(shè)備、消防類(lèi)設(shè)備、逃生設(shè)備等。

3 電力負(fù)荷計(jì)算法

電力負(fù)荷計(jì)算屬于統(tǒng)計(jì)學(xué)的計(jì)算法。由于電站不能像船模試驗(yàn)一樣確定船體的型式和尺寸及推進(jìn)系統(tǒng)，因此電站容量的選擇只是根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律采用近似的估算方式。

3.1 三類(lèi)負(fù)荷法

是國(guó)內(nèi)使用最多的一種計(jì)算全船電力負(fù)荷的方法。它將全船用電負(fù)荷按使用特點(diǎn)分成3類(lèi)，并且考慮負(fù)荷系數(shù)和同時(shí)系數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

1) 第1類(lèi)負(fù)荷是指在船舶某一運(yùn)行狀態(tài)下連續(xù)使用的負(fù)荷；

2) 第2類(lèi)負(fù)荷是指在某一運(yùn)行狀態(tài)下短時(shí)或重復(fù)短時(shí)使用的負(fù)荷；

3) 第3類(lèi)負(fù)荷是指在某一運(yùn)行狀態(tài)下偶然短時(shí)使用或者不用的負(fù)荷。

當(dāng)電氣設(shè)備具有充分的數(shù)據(jù)時(shí)，可采用三類(lèi)負(fù)荷法進(jìn)行全船電力負(fù)荷的計(jì)算。由于數(shù)據(jù)充分，能較準(zhǔn)確地得出各用電設(shè)備的負(fù)荷系數(shù)，同時(shí)各用電設(shè)備按其使用情況分類(lèi)，并按類(lèi)考慮其同時(shí)系數(shù)，亦可以較精確地確定同時(shí)系數(shù)。因此，三類(lèi)負(fù)荷法能求得較精確的結(jié)果。

3.1.1 負(fù)荷系數(shù)

負(fù)荷系數(shù)=電動(dòng)機(jī)利用系數(shù)×機(jī)械負(fù)荷系數(shù)

電機(jī)利用系數(shù)是指電機(jī)軸功率與額定功率之比，機(jī)械負(fù)荷系數(shù)是指實(shí)際使用功率與電機(jī)軸功率之比。這些值都只能在設(shè)計(jì)之初通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者母型船數(shù)據(jù)獲得。

3.1.2 同時(shí)系數(shù)

現(xiàn)在通常選取1類(lèi)負(fù)荷同時(shí)系數(shù)K1在0.8～0.9范圍內(nèi)。2類(lèi)負(fù)荷系數(shù)K2在0.3～0.5范圍內(nèi)。所選取的限值應(yīng)視其船舶運(yùn)行工況及船舶設(shè)備數(shù)量而定，且不同運(yùn)行工況下的同時(shí)系數(shù)不同。

3.2 需要系數(shù)法

需要系數(shù)是用電設(shè)備實(shí)際消耗功率與其額定功率的比值?？梢钥闯觯枰禂?shù)結(jié)合了設(shè)備負(fù)荷系數(shù)和使用同時(shí)系數(shù)。需要系數(shù)取值是否合理是全船電站選擇的關(guān)鍵，這就要求設(shè)計(jì)師具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，國(guó)外的海洋工程基本設(shè)計(jì)大多采用需要系數(shù)法。

4 相關(guān)問(wèn)題分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)損耗

目前，大多數(shù)的船舶及海洋工程采用電纜作為動(dòng)力傳輸?shù)闹饕绞剑娎|作為傳輸載體，消耗能量會(huì)造成電壓跌落。因此大多數(shù)的設(shè)計(jì)指南中會(huì)要求考慮5%的網(wǎng)絡(luò)損耗計(jì)入電力負(fù)荷計(jì)算中。然而，統(tǒng)一使用5%的冗余度考慮較為保守，更應(yīng)視電網(wǎng)情況而定。

4.1.1 低壓系統(tǒng)

對(duì)于低壓電網(wǎng)系統(tǒng)（例如AC380V，AC440V，AC690V等），這樣的考慮也無(wú)可厚非，畢竟大部分的設(shè)備需配備低壓，考慮到電纜和變壓器產(chǎn)生的損耗，因此計(jì)及 5%的網(wǎng)絡(luò)損耗對(duì)于電站選擇較可靠。規(guī)范對(duì)于電纜造成最大交流穩(wěn)態(tài)電壓降跌落的要求是不能超過(guò)6%也從側(cè)面反映了這一點(diǎn)。

4.1.2 中壓系統(tǒng)

在中壓系統(tǒng)中，特別是6.6kV和11kV的電壓等級(jí)，特別是主要用電設(shè)備為中壓設(shè)備使得電纜傳輸損耗會(huì)降低不少。因此，在大容量的船舶及海洋工程電網(wǎng)計(jì)算中，應(yīng)適當(dāng)降低網(wǎng)絡(luò)損耗的比例，甚至在很多國(guó)外公司的中壓海洋工程的項(xiàng)目負(fù)荷計(jì)算中都忽略此項(xiàng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，中壓系統(tǒng)考慮 2%～3%的網(wǎng)絡(luò)損耗較合適。

4.2 無(wú)功功率

在船舶電網(wǎng)中，無(wú)功功率和有功功率一樣重要。原因是，幾乎所有的設(shè)備正常運(yùn)行都需要無(wú)功分量。在電機(jī)啟動(dòng)，變壓器合閘等功率因數(shù)特別低的情況下，都需要大量的無(wú)功功率。

目前國(guó)內(nèi)的船舶設(shè)計(jì)電力負(fù)荷計(jì)算中，通常對(duì)于無(wú)功功率計(jì)算不作特殊的要求。但是反觀國(guó)外海洋工程電力負(fù)荷計(jì)算中，全船無(wú)功功率負(fù)荷分析比比皆是。究其原因，無(wú)非是發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的選擇出現(xiàn)了一些問(wèn)題。

在船舶領(lǐng)域，大多使用功率因數(shù)0.8的發(fā)電機(jī)。原因在于，通過(guò)工程分析，大部分的設(shè)備額定功率因數(shù)都大于0.8。比如，機(jī)艙泵的功率因數(shù)多在0.85左右，變壓器的功率因數(shù)為0.8，變頻鉆井電機(jī)的功率因數(shù)超過(guò)了0.9，變頻器的功率因數(shù)為0.95以上，照明系統(tǒng)中也會(huì)選用高功率因數(shù)的燈具產(chǎn)品（>0.85）等。但是需要注意，大部分設(shè)備沒(méi)有工作在額定點(diǎn)，因此實(shí)際的設(shè)備功率因數(shù)會(huì)比額定值低些。所以，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，選用功率因數(shù)0.8的發(fā)電機(jī)應(yīng)該可以滿足絕大部分設(shè)備的要求。

但是一些海洋工程中，特別是半潛式鉆井平臺(tái)或者鉆井船項(xiàng)目中，國(guó)外的設(shè)計(jì)都會(huì)選擇功率因數(shù) 0.9的發(fā)電機(jī)，從而提高經(jīng)濟(jì)性。原因是作為最大負(fù)載的推進(jìn)負(fù)荷由變頻器驅(qū)動(dòng)，占據(jù)超過(guò)70%的份額，而變頻器的整流側(cè)功率因數(shù)很高，對(duì)于12脈和24脈的不可控整流器功率因數(shù)都超過(guò)0.99，因此船舶在航行、定位等主要運(yùn)行工況下，總的功率因數(shù)很高，對(duì)電站需求無(wú)功功率很小。

也有一些海洋工程中，特別是美國(guó)區(qū)域使用的鉆井平臺(tái)，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)多為0.7或者更低。原因是這些平臺(tái)對(duì)于諧波抑制方式較簡(jiǎn)單，需要較大的發(fā)電機(jī)視在容量以抵御諧波畸變?cè)斐傻挠绊憽?/p>

4.3 電站配置

通過(guò)對(duì)船舶作業(yè)工況的分析，按照計(jì)算方法統(tǒng)計(jì)全船電力負(fù)荷的總和，得到每種工況下以及最大的功率需用值，以此條件作為全船電站配置的基礎(chǔ)。

根據(jù)海洋工程項(xiàng)目實(shí)際情況考慮電站的配置，包括數(shù)量和容量。主要考慮以下幾個(gè)方面：

1) 電站總功率滿足各運(yùn)行工況下的最大用電量的需要；

2) 考慮設(shè)置備用機(jī)組，其容量應(yīng)等于電站中最大一臺(tái)機(jī)組的容量，當(dāng)任意一臺(tái)機(jī)組故障時(shí)，備用機(jī)組都能立即投入電網(wǎng)運(yùn)行以保證供電之可靠性；

3) 考慮一定的功率儲(chǔ)備，各發(fā)電機(jī)的最高負(fù)荷率取85%左右；

4) 主發(fā)電機(jī)組的臺(tái)數(shù)過(guò)多會(huì)增加維護(hù)管理工作量，過(guò)少則降低運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；

5) 為保證有良好的并聯(lián)運(yùn)行特性，又可使各機(jī)組互為備用，所以對(duì)于新造平臺(tái)，基本上選用同型號(hào)且容量相同的機(jī)組；

6) 若有動(dòng)力定位要求，需考慮動(dòng)力定位附加標(biāo)志（DP2/DP3）的要求，當(dāng)發(fā)生單個(gè)故障時(shí)在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持位置和艏向。

一般非電力推進(jìn)船舶電站的負(fù)荷率在85%是合理的。而在電力推進(jìn)船舶中,由于船舶電站的主要負(fù)載是供推進(jìn)負(fù)荷，其絕對(duì)值又較常規(guī)電站大，因此其負(fù)荷率應(yīng)比常規(guī)電站的要高才更合理，否則會(huì)使電站裕量?jī)?chǔ)備過(guò)大而浪費(fèi)。目前對(duì)大容量船舶電站的負(fù)荷率沒(méi)有任何規(guī)定和探討，根據(jù)資料分析，有工程界專(zhuān)家提出在95%左右是合理可行的。試以電站容量20MW為例，95%負(fù)荷率則有1MW的裕量?jī)?chǔ)備，接近于一個(gè)常規(guī)電站的總?cè)萘?，可以?yīng)付電站負(fù)荷變化的需要。

4.4 電壓等級(jí)

一定的電壓等級(jí)決定了一定的電網(wǎng)容量和供電負(fù)荷的大小，當(dāng)電力系統(tǒng)的容量達(dá)到一定值以后，采用中壓交流電力系統(tǒng)（例如3.3kV、6.6kV、11kV等）是一個(gè)很好的選擇，它可以大大減小短路電流的水平，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的中壓交流配電柜而降低成本，提高系統(tǒng)的安全可靠性，同時(shí)還可以節(jié)省大量的電纜。

從斷路器的容量分析來(lái)看，低壓交流電力系統(tǒng)（例如400V AC或者450V AC）匯流排短路電流半周對(duì)稱(chēng)有效值（Isc）的極限為135kA，當(dāng)短路電流Isc超過(guò)135kA時(shí)必須選用中壓交流電力系統(tǒng)，當(dāng)短路電流Isc超過(guò)100kA時(shí)優(yōu)先選用中壓交流電力系統(tǒng)。生產(chǎn)大容量非標(biāo)準(zhǔn)的低壓交流配電板需要大量的試驗(yàn)成本，既不經(jīng)濟(jì)也不安全。

當(dāng)?shù)蛪航涣麟娏ο到y(tǒng)水平匯流排的額定容量不大于6300A，短路電流對(duì)稱(chēng)有效值Isc不超過(guò)100kA，應(yīng)該采用低壓交流電力系統(tǒng)。許多著名的低壓配電設(shè)備制造商均能提供經(jīng)濟(jì)的、安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)型低壓開(kāi)關(guān)柜、低壓配電屏。當(dāng)?shù)蛪航涣麟娏ο到y(tǒng)水平匯流排額定容量大于6000A而不超過(guò)8000A，短路電流對(duì)稱(chēng)有效值超過(guò)100kA且不超過(guò)120kA，或者說(shuō)粗略估計(jì)電站總?cè)萘看蠹s為8～10MW，可以根據(jù)船東的喜好和習(xí)慣選用低壓交流電力系統(tǒng)（例如450V交流電力系統(tǒng)）或者中壓交流電力系統(tǒng)（例如3.3kV或6.6kV交流電力系統(tǒng)）。當(dāng)?shù)蛪航涣麟娏ο到y(tǒng)匯流排短路電流對(duì)稱(chēng)有效值超過(guò)120kA或者粗略估計(jì)電站總?cè)萘砍^(guò)10MW左右，應(yīng)該考慮選用中壓交流電力系統(tǒng)，例如3.3kV或6.6kV交流電力系統(tǒng)；如果電站總?cè)萘砍^(guò)40MVA，例如采用電力推進(jìn)方案，應(yīng)該優(yōu)先考慮選用10～11kV交流電力系統(tǒng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)船舶及海洋工程的作業(yè)工況分析、電力負(fù)荷計(jì)算方法的簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)相關(guān)產(chǎn)生的幾個(gè)問(wèn)題如無(wú)功功率、電壓等級(jí)、網(wǎng)絡(luò)損失、電站配置等進(jìn)行了分析探討，供工程設(shè)計(jì)人員在船舶電氣設(shè)計(jì)中參考。

[1] 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) 電氣分冊(cè)[S]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社.

[2] 電氣工程手冊(cè)[S]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[3] 大型船舶電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社.