顧立君，唐文斌，楊 恩，宗 濤

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082；2.上海中船船舶設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 200011)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，對(duì)外貿(mào)易不斷增長(zhǎng)，對(duì)于我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)來(lái)說(shuō)，特別是長(zhǎng)江沿岸地區(qū)河流交錯(cuò)縱橫，大部分貨物運(yùn)輸需要通過(guò)傳統(tǒng)河運(yùn)與海運(yùn)相互轉(zhuǎn)換共同完成[1]。運(yùn)輸中存在一個(gè)中轉(zhuǎn)點(diǎn)，貨物需要重復(fù)裝卸，造成人力、物力、周期等浪費(fèi)，極大地降低了貨物運(yùn)輸?shù)男?，增加了危險(xiǎn)性[2]。為改善這一狀況及促進(jìn)長(zhǎng)江流域集裝箱船的航運(yùn)發(fā)展，減少裝載周期，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低運(yùn)輸成本，有效節(jié)能減排，需要推進(jìn)綠色生態(tài)江海直達(dá)船舶的發(fā)展[3]。

江海直達(dá)船舶的航行特點(diǎn)為同時(shí)航行于內(nèi)河和海上，國(guó)內(nèi)外一般分為“海進(jìn)江”和“江出?！眱煞N運(yùn)輸模式。目前，我國(guó)的江海直達(dá)船舶運(yùn)輸方式為“海進(jìn)江”[4]。其中，集裝箱運(yùn)量在長(zhǎng)三角地區(qū)對(duì)陸運(yùn)依賴(lài)度較高，數(shù)據(jù)顯示通過(guò)船運(yùn)的集裝箱數(shù)量較低。隨著長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)地帶堅(jiān)持綠色生態(tài)的發(fā)展原則，未來(lái)對(duì)運(yùn)輸方式的調(diào)整勢(shì)在必行，將以節(jié)能環(huán)保為主，貨物的適箱率將顯著提高，江海直達(dá)船舶的運(yùn)輸方式將獲得更有利的發(fā)展。

基于上述背景，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心根據(jù)船東的需求，結(jié)合國(guó)家長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略及長(zhǎng)江大保護(hù)的政策，研發(fā)設(shè)計(jì)了一型430TEU江海直達(dá)集裝箱船。以下將根據(jù)江海直達(dá)特定法規(guī)和規(guī)范，開(kāi)展該船電氣系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)工作，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)配置和設(shè)備布置獲得合理的設(shè)計(jì)方案。

1 船型介紹

該船為航行于長(zhǎng)江流域，航線從南京港至上海洋山港，由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的集裝箱船。主要尺度和要素如表1所示，船型效果如圖1所示。

圖1 船型效果

表1 船舶主尺度和要素

2 配電系統(tǒng)

船舶配電系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系電站供電的穩(wěn)定性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等，因此必須通過(guò)合理的設(shè)備配置，提升電站運(yùn)行的穩(wěn)定性、改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量、增強(qiáng)配電的管理能力，使船舶達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.1 電制

該船主電源采用AC400 V/50 Hz；配電及電力系統(tǒng)采用AC380 V/50 Hz；照明、通信及導(dǎo)航系統(tǒng)采用AC220 V/50 Hz；低壓系統(tǒng)采用DC24 V。線制為三相三線絕緣系統(tǒng)或雙線絕緣系統(tǒng)。

2.2 電站

按中國(guó)船級(jí)社《特定航線江海直達(dá)船舶建造規(guī)范》[5]的要求，主電源裝置應(yīng)至少為二臺(tái)發(fā)電機(jī)組，以保證一臺(tái)發(fā)電機(jī)組失效時(shí)，另一臺(tái)發(fā)電機(jī)組仍能對(duì)船舶推進(jìn)、船舶安全所必需的設(shè)備供電。同時(shí)，最低舒適居住條件也應(yīng)得到保證，至少應(yīng)包括適當(dāng)?shù)拇妒?、取暖、食品冷凍、機(jī)械通風(fēng)、衛(wèi)生和淡水等設(shè)備的供電。此外，發(fā)電機(jī)組的容量應(yīng)滿(mǎn)足啟動(dòng)最大電動(dòng)機(jī)時(shí)不會(huì)引起其他任何電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)或?qū)ζ渌＿\(yùn)行的設(shè)備帶來(lái)任何不利影響。同時(shí)，本船按需求配有48個(gè)長(zhǎng)6 058 mm、寬2 438 mm、高2 591 mm(20英尺)或24個(gè)長(zhǎng)12 032 mm、寬2 352 mm、高2 393 mm(40英尺)冷藏集裝箱，發(fā)電機(jī)組需在進(jìn)出港及航行工況下保證這些負(fù)載的正常供電。因此，本船電站的設(shè)計(jì)需考慮以下因素。

(1)根據(jù)船級(jí)社法規(guī)和規(guī)范要求，結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，考慮本船運(yùn)行工況，對(duì)相應(yīng)的負(fù)載需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 船舶運(yùn)行工況及負(fù)載需求

(2)通過(guò)對(duì)本船運(yùn)行工況用電負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算確定柴油發(fā)電機(jī)組容量和臺(tái)數(shù)，計(jì)算方法依據(jù)《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) 電氣分冊(cè)》[6]，本船各運(yùn)行工況電力負(fù)荷計(jì)算如表3所示。

表3 電力負(fù)荷計(jì)算

(3)結(jié)合以上兩點(diǎn)，可以配置3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為船舶電站，柴油發(fā)電機(jī)選型：柴油發(fā)電機(jī)組為180 kW × 3臺(tái)，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組為64 kW × 1臺(tái)。

本船發(fā)電機(jī)組配置方案的優(yōu)點(diǎn)在于滿(mǎn)足船舶航行安全和人身安全條件下，根據(jù)船舶運(yùn)行工況特點(diǎn)(大部分時(shí)間運(yùn)行在裝有冷藏箱的航行工況下)，發(fā)電機(jī)組利用率為85%，擁有一定負(fù)載調(diào)節(jié)余量的同時(shí)保持較好經(jīng)濟(jì)性，并且配有備用發(fā)電機(jī)，便于發(fā)電機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)。

2.3 配電

按電站配置的發(fā)電機(jī)組和重要設(shè)備的供電需求設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)基本饋線，如圖2所示。電力系統(tǒng)基本饋線圖是開(kāi)展電力一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，電力一次系統(tǒng)由主配電板、應(yīng)急配電板和充放電板構(gòu)成。主配電板由發(fā)電機(jī)屏、同步屏、組合啟動(dòng)屏、AC380 V負(fù)載屏和AC220 V負(fù)載屏等構(gòu)成，應(yīng)急配電板由應(yīng)急發(fā)電機(jī)屏、AC380 V負(fù)載屏和AC220 V負(fù)載屏等構(gòu)成，充放電板對(duì)全船低壓設(shè)備進(jìn)行供電，并配置蓄電池組。

圖2 電力系統(tǒng)基本饋線

本船設(shè)有自動(dòng)電站管理功能(PMS)。該系統(tǒng)配置采用基于PLC控制的自動(dòng)化系統(tǒng)，使電站更加合理和精確地完成發(fā)電、配電及供電，具有提升船舶電站安全、可靠和節(jié)能等特點(diǎn)，同時(shí)降低船員工作負(fù)荷以及燃油消耗。自動(dòng)電站管理功能如圖3所示，具體包括實(shí)現(xiàn)以下10項(xiàng)功能。

圖3 自動(dòng)電站管理功能

(1)船級(jí)社對(duì)自動(dòng)化船舶的有關(guān)規(guī)定是船舶電網(wǎng)失電應(yīng)在45 s內(nèi)恢復(fù)供電,所以自動(dòng)化電站停車(chē)狀態(tài)下的備用機(jī)組應(yīng)事先做好準(zhǔn)備工作，關(guān)鍵的準(zhǔn)備工作包括發(fā)電柴油機(jī)的預(yù)熱和預(yù)潤(rùn)滑。

(2)當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加使運(yùn)行機(jī)組重載、運(yùn)行機(jī)組發(fā)生機(jī)電故障和某機(jī)組起動(dòng)失敗或不能合閘時(shí),電站管理系統(tǒng)能自動(dòng)地發(fā)出起動(dòng)指令使備用機(jī)組迅速自動(dòng)起動(dòng),在起動(dòng)成功建立穩(wěn)壓后投入電網(wǎng)供電。

(3)通過(guò)采集電壓、頻率的基本參數(shù),經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算發(fā)出調(diào)頻及合閘指令,使待并機(jī)與電網(wǎng)上的機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。

(4)兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行供電時(shí),通過(guò)原動(dòng)機(jī)調(diào)速器和自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置配合工作,使電網(wǎng)維持在穩(wěn)定頻率,且使并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組按容量成比例地承擔(dān)負(fù)載。

(5)在完全滿(mǎn)足船舶電站供電質(zhì)量的前提下,使機(jī)組以最經(jīng)濟(jì)的管理模式運(yùn)行,充分利用每臺(tái)機(jī)組的功率,降低發(fā)電成本。

(6)本船設(shè)置的大功率負(fù)荷為大于15 kW，管理系統(tǒng)將判斷電網(wǎng)負(fù)荷與起動(dòng)的大功率負(fù)荷是否超過(guò)運(yùn)行機(jī)組的最大允許負(fù)荷率。若滿(mǎn)足,則允許其啟動(dòng)；否則,應(yīng)先起動(dòng)另一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)使之并網(wǎng),然后允許其起動(dòng)。

(7)設(shè)有自動(dòng)分級(jí)卸載功能，確保重要設(shè)備連續(xù)供電,在過(guò)載的情況時(shí)將非重要負(fù)載自動(dòng)切斷。

(8)輕載或故障需要停機(jī)時(shí),并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組先自動(dòng)轉(zhuǎn)移負(fù)載,再按順序使運(yùn)行機(jī)組逐臺(tái)退出電網(wǎng),然后停車(chē)。

(9)設(shè)有過(guò)載、短路、欠壓和逆功率保護(hù),還設(shè)有欠頻保護(hù)、高壓保護(hù)、次要負(fù)荷的分級(jí)卸載等,進(jìn)一步提高供電質(zhì)量和電網(wǎng)的連續(xù)供電。

(10)設(shè)有人機(jī)界面，可以在本地屏幕上對(duì)電站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示和故障監(jiān)視，同時(shí)支持參數(shù)的監(jiān)視與在線修改。

3 照明系統(tǒng)

該船照明選用LED燈具，具有安全、節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

照明系統(tǒng)分為正常照明系統(tǒng)和應(yīng)急照明系統(tǒng)，其中，應(yīng)急照明系統(tǒng)又分為普通應(yīng)急照明和臨時(shí)應(yīng)急照明。

(1)正常照明系統(tǒng)由主配電板AC200 V負(fù)載屏供電。

(2)普通應(yīng)急照明系統(tǒng)由應(yīng)急配電板AC200 V負(fù)載屏供電。

(3)臨時(shí)應(yīng)急照明系統(tǒng)由充放電板DC24 V供電，符合中國(guó)船級(jí)社《特定航線江海直達(dá)船舶建造規(guī)范》中8.1.4.2的供電范圍和供電時(shí)間不小于0.5 h的要求。

4 無(wú)線電通信導(dǎo)航系統(tǒng)

4.1 無(wú)線電通信

船舶無(wú)線電通信是船舶利用無(wú)線電波進(jìn)行遠(yuǎn)程即時(shí)信息交流和信息傳遞，為船舶航行和船員提供安全保障。該船按中華人民共和國(guó)海事局《特定航線江海直達(dá)船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》中9.2.1的要求[7]，無(wú)線電通信設(shè)備由2套電源供電：一套為船舶主電源，由AC220 V無(wú)線電分電箱供電；另一套為應(yīng)急電源，由DC24 V無(wú)線電低壓分電箱供電，配備獨(dú)立的蓄電池作為備用電源，該備用電源供電時(shí)間不少于1 h。無(wú)線電通信設(shè)備配置如表4所示。

表4 無(wú)線電通信設(shè)備配置

4.2 導(dǎo)航設(shè)備

導(dǎo)航系統(tǒng)的使命是保障船舶在航行過(guò)程中能準(zhǔn)確快速引導(dǎo)船舶按預(yù)定的航線到達(dá)目的地。該船按中華人民共和國(guó)海事局《特定航線江海直達(dá)船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》中9.3.1的要求，AIS設(shè)備按A級(jí)配備，電子海圖設(shè)備ECS按A級(jí)配備，雷達(dá)設(shè)備根據(jù)船東需求配置2套X波段雷達(dá)，配有電子標(biāo)會(huì)裝置及自動(dòng)跟蹤儀，顯示器尺寸為寬42 cm、高23.6 cm(19英寸)。航行設(shè)備配置如表5所示。

表5 航行設(shè)備配置

4.3 天線布置

為達(dá)到最佳的通信效果，各天線之間的安裝距離須滿(mǎn)足一定要求，避免相互之間干擾[8]。該船通導(dǎo)設(shè)備天線較多，羅經(jīng)甲板空間較小，在設(shè)計(jì)布置中為減少和避免各設(shè)備天線之間的干擾，需要將雷達(dá)桅布置在羅經(jīng)甲板的最尾部，盡量使雷達(dá)等天線避開(kāi)對(duì)磁羅經(jīng)防磁區(qū)域的影響，在設(shè)計(jì)和建造中需要特別注意。天線布置方案如圖4所示。

圖4 天線布置

5 船內(nèi)通信及報(bào)警系統(tǒng)

為滿(mǎn)足船員在工作和生活中相互溝通和聯(lián)絡(luò)的需求，該船設(shè)計(jì)的時(shí)候配備一套完善、便利的船內(nèi)通信系統(tǒng)，同時(shí)為保證船舶準(zhǔn)確駕駛和安全航行配備必要的報(bào)警裝置。該主要配置包括聲力電話(huà)、對(duì)講廣播及通用報(bào)警、CO2釋放報(bào)警、機(jī)艙報(bào)警燈柱、水密門(mén)報(bào)警、輪機(jī)員安全報(bào)警、綜合報(bào)警、火警等系統(tǒng)。其中，廣播系統(tǒng)兼用通用報(bào)警系統(tǒng)的補(bǔ)充設(shè)計(jì)，采用功率為100 W×2的雙路放大器，并且每路放大器采用雙電源供電，揚(yáng)聲器采用雙路交叉布置，在機(jī)艙利用報(bào)警燈柱。另外，本船配置了貨艙煙霧探測(cè)系統(tǒng)以滿(mǎn)足中華人民共和國(guó)海事局《特定航線江海直達(dá)船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》要求。

6 設(shè)備布置的原則

該船電氣設(shè)備的布置特別考慮了安全性和便利性，采用了緊湊的集中布置方式，并且相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)備盡量布置在一起便于維修和管理。在滿(mǎn)足使用要求的前提下盡量節(jié)約空間，小型的設(shè)備采用垂向上的上下布置，以便提高空間利用率。通過(guò)設(shè)備布置及電纜敷設(shè)路徑的優(yōu)化，在節(jié)省電纜使用量的同時(shí)減少電纜托架等鐵舾件的使用量，既達(dá)到了美觀造船的效果，又降低了空船重量，節(jié)省了成本。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)電氣系統(tǒng)配置合理，電站設(shè)計(jì)滿(mǎn)足目標(biāo)船的各種使用工況。無(wú)線電導(dǎo)航等系統(tǒng)以滿(mǎn)足江海直達(dá)特定規(guī)范和法規(guī)為條件，充分考慮設(shè)備的適用性和經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約建造成本。

(2)電氣設(shè)備布置合理，充分利用空間將通信導(dǎo)航設(shè)備的天線布置在羅經(jīng)甲板上，避免信號(hào)相互干擾，提升目標(biāo)船的航行和通信性能。

上述電氣設(shè)計(jì)通過(guò)合理系統(tǒng)配置和設(shè)備布置，提升了船舶的經(jīng)濟(jì)性、安全性、節(jié)能性。未來(lái)，江海直達(dá)作為一種便捷高效、綠色經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保的運(yùn)輸方式，將得到更廣泛的運(yùn)用發(fā)展。本文以430TEU江海直達(dá)集裝箱船電氣設(shè)計(jì)建造為依托，對(duì)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，為后續(xù)同類(lèi)船型的電氣專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。