文/杜濤

62米DCM打樁船電氣設(shè)計

文/杜濤

DCM打樁船是國際上最新開發(fā)的一種特種工程船，融高技術(shù)含量、高附加值，集船舶、深層水泥漿攪拌、智能化施工管理、船舶自動調(diào)傾系統(tǒng)等技術(shù)于一體，在港口、海上機(jī)場、海上垃圾堆場等建設(shè)項目施工中具有不可替代的作用，被稱為移動的海上打樁機(jī)。目前，國內(nèi)正處于消化和吸收國外技術(shù)階段，有關(guān)船舶設(shè)計單位正在加緊研發(fā)，逐步突破了日、韓等國對此類船舶的壟斷。此類船舶的設(shè)計和投入使用，對于貫徹落實我國海洋發(fā)展部署和實施“走出去”戰(zhàn)略，促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)企業(yè)參與國際海上打樁工程投標(biāo)，具有十分積極的意義。

1　概述

1.1DCM打樁船工作原理

打樁船的樁架一般有固定式與全回轉(zhuǎn)式之分。前者只能在艏部打樁作業(yè)；后者既可在艏端打樁作業(yè)，又可在舷部的左右兩舷打樁作業(yè)。DCM打樁船是非自航固定式樁架（見圖1），工作時需要拖船拖到指定的工作水域后，工作時由船上的絞車與錨定位以維持船舶的平衡，然后才能使用樁機(jī)進(jìn)行作業(yè)。樁機(jī)系統(tǒng)配備有近50米的樁架，用以支撐動力頭的上下運(yùn)動。當(dāng)動力頭到達(dá)海床面時，由于是在水下作業(yè)，每次動力頭從水底提升上來時，必然帶上大量的淤泥，因此需要高壓水泵對動力頭進(jìn)行沖洗。在樁機(jī)打到一定的深度后，就可以進(jìn)行灌漿作業(yè)。因此船上還配有三個大型的水泥罐，及水泥攪拌、灌漿系統(tǒng)。

圖1　DCM打樁船實例圖片

1.2電氣設(shè)計考慮要素

DCM打樁船是目前國內(nèi)較緊缺的一種工程船，主要用于海上建設(shè)打樁。由于海上打樁不同陸地，環(huán)境更復(fù)雜，海水又有腐蝕性，而且每年的6到10月都是臺風(fēng)多發(fā)的季節(jié)，因此對船舶及船上設(shè)備要求更高。在進(jìn)行船舶電氣設(shè)計時，不僅要嚴(yán)格按照CCS對相關(guān)船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計的要求來，還要考慮環(huán)保等其它方面的相關(guān)規(guī)定。

本船主要應(yīng)用于沿海、港澳地區(qū)甚至海外地區(qū)海上工程，一般在沿海航區(qū)作業(yè)，配員非自航，屬于工程駁船類特種船。電氣部分的設(shè)計需要根據(jù)船東的要求，按照CCS 2016年版《鋼質(zhì)海船、內(nèi)河船舶建造規(guī)范》進(jìn)行。由于本船設(shè)計任務(wù)工期緊、附加設(shè)備多，而且很多設(shè)備屬于打樁工程專用，需要提前訂貨。各種設(shè)備的選擇不僅需要滿足規(guī)范要求，也需要經(jīng)常與船東溝通協(xié)商，選擇CCS及船東都認(rèn)可的供應(yīng)商。本船船艉部共有主甲板、船員甲板、控制甲板三層甲板。船上設(shè)有船員生活區(qū)，平時工作時有一批工作人員在船上作業(yè)及生活，因此在主甲板設(shè)有廚房和餐廳。廚房燃料方面船東選擇的是石油氣，因此廚房內(nèi)的電氣設(shè)備主要就是電飯煲和電熱水器及冰箱等。由于是非自航船，因此在電氣設(shè)計時無需考慮主機(jī)及舵槳系統(tǒng)。

2　電氣系統(tǒng)設(shè)計

本船的電氣系統(tǒng)主要包括380V交流電力系統(tǒng)、220V交流照明系統(tǒng)、低壓及應(yīng)急照明系統(tǒng)、配電板、控制室綜合控制系統(tǒng)、船舶及乘員安全系統(tǒng)等幾個方面組成。而380V交流電力系統(tǒng)關(guān)系到本船能否正常進(jìn)行打樁作業(yè)，因此本節(jié)將重點介紹此系統(tǒng)設(shè)計。

2.1380V交流電力系統(tǒng)設(shè)計

本船安裝配有三個動力頭的樁機(jī)系統(tǒng)，每個動力頭包括了4個功率110kW的大功率電動馬達(dá)，組成有500kW的動力頭。當(dāng)每個動力頭啟動時，啟動電流就相當(dāng)大，對電網(wǎng)的影響也很大。為了消除樁機(jī)對電網(wǎng)的沖擊，每套動力頭除了配備有相應(yīng)的變頻柜，還配備相應(yīng)的電阻箱。本船配有3臺110kW動力頭絞車、5臺37kW錨機(jī)定位絞車、3臺22kW輔助絞車、3 臺150kW后臺電氣控制柜。容量大于11kW的動力設(shè)備，應(yīng)采用Y-Δ降壓起動方式起動，其它容量大于50kW的電動機(jī)采用變頻起動方式起動。在繁忙時需要船舶上的三個動力頭24小時同時工作，三個動力頭頻繁起動。在打樁時遇到的地質(zhì)不同時，負(fù)荷也不同，因此對動力電源的要求很高。本船主要設(shè)備工作電壓都是交流380V，總功率達(dá)到2000kW以上。因此，在主電源裝置上配置四臺柴油發(fā)電機(jī)組，其單機(jī)額定輸出功率為600kW，輸出電壓交流380V，四臺發(fā)電機(jī)可并聯(lián)運(yùn)行，總額定輸出功率可達(dá)到2400kW。發(fā)電機(jī)的并車操作，采用同步脈沖并車裝置自動并車和手動準(zhǔn)同步并車兩種方式。四臺600kW發(fā)電機(jī)組能自動實現(xiàn)順序啟動，機(jī)組間順序可以隨意選擇，配電板母線有電時，待并機(jī)組自動同步，自動合閘。通過對整船的電力負(fù)荷計算，該發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以滿足船舶的任何工況下的電力需求。由于船東希望在停泊工況下減少發(fā)電機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)，因此另設(shè)一臺120kW的停泊發(fā)電機(jī)，供船舶日常生活電氣設(shè)備使用。

要實現(xiàn)自動并車、自動監(jiān)控的功能，目前使用最普遍的是自動電站裝置 PMS（Marine Power Management System）。PMS設(shè)有自動模式、半自動模式及手動模式三種控制模式，可通過安裝于同步控制屏面板的模式選擇開關(guān)進(jìn)行切換。在手動模式下，PMS只顯示供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，與全船監(jiān)測報警系統(tǒng)通訊，不執(zhí)行任何控制功能；在半自動模式下，可從母聯(lián)及功率管理界面上對PMS操作實現(xiàn)以下功能：機(jī)組啟動、機(jī)組停機(jī)、主斷路器合閘、主斷路器分?jǐn)啵辉谧詣幽Ｊ较?，PMS自動對供電系統(tǒng)進(jìn)行管理，包括這些功能：①機(jī)組的自動起動；②機(jī)組投入及并聯(lián)運(yùn)行；③機(jī)組自動斷開及停機(jī)；④發(fā)電機(jī)組的啟、停順序設(shè)定；⑤自檢功能；⑥短路時各發(fā)電機(jī)的主開關(guān)防重合閘功能；⑦電站對大功率電器設(shè)備具有功率問詢功能；⑧電網(wǎng)具有自動卸載功能；⑨主發(fā)電機(jī)組、停泊發(fā)電機(jī)、岸電之間有互鎖功能。

PMS是由柴油機(jī)電子調(diào)速器、安全保護(hù)單元、CPU處理器、輸入、輸出單元組成。每臺發(fā)電機(jī)都有同步調(diào)節(jié)器，當(dāng)需要并網(wǎng)時，PMS對設(shè)定的同步調(diào)節(jié)器發(fā)出同步指令，同步調(diào)節(jié)器根據(jù)待機(jī)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的電壓、相位差控制待機(jī)發(fā)電機(jī)的調(diào)速器，調(diào)整待機(jī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直到滿足同步條件，待機(jī)發(fā)電機(jī)主開關(guān)合閘（如圖2所示）。在自動模式下，CPU處理器收到外部輸入的功率請求信號后，PMS根據(jù)設(shè)定的程序決定需并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)目，并聯(lián)的發(fā)電機(jī)按照PMS設(shè)定的速度曲線進(jìn)行調(diào)速和分配負(fù)荷。相比PLC控制系統(tǒng)，DEIF公司采用集成化的PPU（Protection and Paralleling Unit）控制單元，可以單獨工作或與PLC一起工作。配有易于操控的液晶顯示屏，具有采樣信號多、控制精確、監(jiān)控全面、響應(yīng)時間短、操作簡單、線路少等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在船舶自動電站系統(tǒng)中。

圖2　發(fā)電機(jī)組并車原理圖

2.2正常照明及低壓應(yīng)急照明系統(tǒng)設(shè)計

本船的照明系統(tǒng)設(shè)計，除了按照規(guī)范在艙室和機(jī)艙配備相應(yīng)數(shù)量的燈具外，還要注意的是由于在主甲板設(shè)有蓄電池間，需要按規(guī)范在蓄電池間配備相應(yīng)等級的防爆燈具。而本船是工程船舶，平時施工人員多，施工人員的一日三餐都在船上，因此廚房要預(yù)留足夠多的插座，方便電飯煲、電熱水器的使用。船舶經(jīng)常在晚上作業(yè)，整船夜間的照明也要足夠，以防由于照明不夠造成的人員落水、碰傷等事故。因此，本船在控制室頂、現(xiàn)場施工區(qū)及樁架部分安裝了大量的大功率照明燈具。

本船設(shè)有工作人員休息室，由于本船并沒有中央空調(diào)，故每個休息室則要考慮配備一匹的分體空調(diào)。而控制室、會議室面積較大，需要更大功率的分體空調(diào)，因此本船設(shè)置了兩個交流220V的空調(diào)分電箱。至于電柜艙放置許多電氣控制柜，這些電氣設(shè)備對使用的環(huán)境也有很高的要求，而電柜艙的面積較大，因此在電柜艙安裝功率更大的交流380V空調(diào)。

本船還要考慮港澳地區(qū)的要求，插座要選擇港澳地區(qū)適用的5A或13A插座，而且每個插座及電氣設(shè)備都要接地。按照港澳地區(qū)海事的要求，每路插座線路供給小型電氣設(shè)備不宜太多，一般不超過8個點。

本船是非自航船，按規(guī)范的要求，該船的航行信號設(shè)備不多，但值得留意的是本船高度達(dá)四十多米，又經(jīng)常在機(jī)場附近施工，故需要加裝高空警示燈。由于船長超過50米，因此按規(guī)范要求需要在船艏部安裝錨燈，并且前錨燈要高于后錨燈。

對于低壓應(yīng)急照明系統(tǒng)，除了要按規(guī)范設(shè)置足夠的應(yīng)急燈外，應(yīng)急電源需要安裝在水線以上，應(yīng)急線路應(yīng)該使用耐火電纜。本船選擇的應(yīng)急電源是由兩組12V200AH酸鉛蓄電池組成的24V直流電源，兩組電源互為備用。由于有專門的蓄電池間，應(yīng)用蓄電池就不需要裝箱處理，但要注意通風(fēng)。

2.3控制室綜合控制系統(tǒng)

本船設(shè)備眾多，樁機(jī)的綜合控制安裝在船艉的綜控室。在控制室設(shè)置集中控制臺一套，包括電子號笛、廣播、火警、通用報警、航行信號燈控制箱、自動電話、VHF、AIS及發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程板等相關(guān)控制設(shè)備。另外綜控室還布置有1～3號動力頭的中控臺及1～5號發(fā)電機(jī)的遙控監(jiān)控裝置。

雖然使用了網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，但樁機(jī)系統(tǒng)的控制電纜數(shù)量還是相當(dāng)驚人。光定位絞車使用的24×1mm2控制電纜就達(dá)幾十條，還有大量的10×1mm2、7× 1mm2控制電纜及監(jiān)控攝像頭電纜。因此需要預(yù)留足夠的電纜通道，方便電氣系統(tǒng)安裝。而在樁架上的動力頭電纜，需要經(jīng)常上下提升幾十米，數(shù)量也相當(dāng)多、重量相當(dāng)重，需要選擇高強(qiáng)度、高品質(zhì)的特種軟電纜，在動力頭工作時，這些電纜需要有輔助吊裝支撐，可以隨著動力頭同時上下運(yùn)動。

2.4船舶及乘員安全系統(tǒng)

本船的船舶及乘員安全系統(tǒng)主要由通用緊急報警系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)、探火和失火報警系統(tǒng)組成。需要注意的是，船舶及乘員安全系統(tǒng)所有電纜按規(guī)范要求都要選擇耐火電纜，以保證出現(xiàn)火災(zāi)時也能維持這些設(shè)備正常運(yùn)作。而在特殊地方如廚房、蓄電池間則需要選用符合規(guī)范要求的設(shè)備。

（1）通用緊急報警系統(tǒng)。本船設(shè)置通用報警系統(tǒng)一套。報警系統(tǒng)開始工作之后，便自動接通擴(kuò)音機(jī)系統(tǒng)，向本船的所有區(qū)域發(fā)出報警聲響信號。

（2）公共廣播系統(tǒng)。本船設(shè)置船用擴(kuò)音機(jī)一套。該系統(tǒng)由擴(kuò)音機(jī)主機(jī)、遙控臺和若干不同功率的揚(yáng)聲器組成。擴(kuò)音機(jī)主機(jī)設(shè)在控制室，遙控臺設(shè)在船艏、船艉、輔機(jī)艙，主機(jī)可以與遙控臺之間進(jìn)行有線對講。系統(tǒng)備有接口，可與通用報警、火災(zāi)報警系統(tǒng)相連接。

（3）探火和失火報警系統(tǒng)。本船設(shè)置固定式探火與失火報警系統(tǒng)一套。一旦火災(zāi)發(fā)生，即報警信號輸出2分鐘后仍然無人響應(yīng)，此報警信號即自動接入船內(nèi)通用緊急報警系統(tǒng)，并發(fā)出報警信號。

3　小結(jié)

通過本次打樁船的電氣設(shè)計，獲益良多。首先，通過對船舶電站PMS的系統(tǒng)學(xué)習(xí)與分析，對船舶電力的合理分配理解更清晰。其次，本次設(shè)計工期緊，可以運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)的知識去合理安排工作，節(jié)省了時間，提高了效率。再次，通過本次設(shè)計，深入了解打樁船這類工程船舶，圓滿地完成了客戶委托的任務(wù)，跟相關(guān)的船廠建立了良好的溝通，有利于更好對接市場需求，提高船舶設(shè)計水平，應(yīng)對目前造船業(yè)不景氣的市場。

船東方面長期從事陸地上打樁作業(yè)，對海上的規(guī)范并不清楚，對船舶的建造預(yù)算也估計不足，因此在打樁船設(shè)計過程中既要考慮船東的要求，更要考慮相關(guān)規(guī)范的要求，需要與船東及船檢方面建立緊密的聯(lián)系、溝通渠道。電氣設(shè)備的布置也必須與船體和輪機(jī)部門頻繁溝通，須考慮船體和輪機(jī)的設(shè)計變更而即時調(diào)整，從而減少重復(fù)工作，提高工作效率。通過本次設(shè)計，為相關(guān)的船舶設(shè)計積累了豐富的經(jīng)驗。作為廣東的船舶科研單位，必須正視與國際先進(jìn)水平的差距，向國際先進(jìn)的船舶設(shè)計單位學(xué)習(xí)，積極引進(jìn)吸收國際上的新科技、新技術(shù)，牢牢地抓住科技創(chuàng)新這條主線。廣東作為一個海洋大省，對海洋工程船、新型高速客船等新型船舶的需求會越來越大，做好新型船舶的研究與設(shè)計，走出一條創(chuàng)新之路，將為國家實施“一帶一路”戰(zhàn)略貢獻(xiàn)一份力量。

杜濤（1975-），男，工程師，本科，任職于廣東省航運(yùn)科學(xué)研究所，從事船舶電氣設(shè)計研究工作。