顧一清 姚 炯 陳逢源

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 200032)

0 前言

船舶設(shè)置電站容量的大小、配備發(fā)電機(jī)的數(shù)量、單臺發(fā)電機(jī)規(guī)格的選取歷來是船舶電氣專業(yè)一項重要的研究課題，也是考核船舶安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。對船舶電站而言，在綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，同時兼顧節(jié)能減排的環(huán)保需求已成了船舶設(shè)計領(lǐng)域中的熱門話題。因此，正確的電力負(fù)荷計算，合理的電站配置，顯得愈為重要。在工作實踐中，經(jīng)常會遇到一些關(guān)于電力負(fù)荷計算中有爭議的問題，下面就運(yùn)輸船設(shè)計中主要遇到的幾個方面展開探討。

1 計算方法

船舶電站容量不等于全船所有用電設(shè)備的標(biāo)稱電功率的總和，也不等于船舶某一運(yùn)行工況下所有用電設(shè)備標(biāo)稱電功率的總和。船舶在不同運(yùn)行工況下投入運(yùn)行的用電設(shè)備不同，用電量就不同。即便是在同一運(yùn)行工況下各用電設(shè)備的運(yùn)行時間長短不同，負(fù)荷變化的情況也會有所不同。電站負(fù)荷大小隨時間變化呈正態(tài)分布。由于影響船舶電站負(fù)荷的因素繁多，隨機(jī)性大，難于精確的確定，因此，選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ǎ瑢Ω鞣N工況下使用的負(fù)載進(jìn)行正確的計算和合理分析顯得尤為重要。

以前，我國常用三類負(fù)荷計算法。近十年來，國內(nèi)外多采用二類負(fù)荷法進(jìn)行計算。與三類負(fù)荷法相比，主要區(qū)別在于對負(fù)荷的分類和對同時使用系數(shù)的選取，如表1所示。

由表1可以看出，二類負(fù)荷法計算過程較簡單，并且通過數(shù)百條實船的檢驗，按照這種計算方法得到的計算結(jié)果與實船運(yùn)行的測量值是吻合的。如果對負(fù)荷的使用有足夠的了解，還能從二類負(fù)荷法衍生出四類負(fù)荷法，將負(fù)荷按使用時間分為四類，對各類負(fù)荷分別采用1、0.8、0.5、0.3的同時使用系數(shù)。對負(fù)荷分類越仔細(xì)，得到的結(jié)果便越能接近實際情況。

表1

2 計算工況

計算全船電力負(fù)荷時，應(yīng)按照各種工況進(jìn)行統(tǒng)計和分析，對于不同類型、不同用途的船舶，運(yùn)行工況各有不同，計算中應(yīng)包括可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷的工況——用來確定電站的總?cè)萘恳约白钚∝?fù)荷的工況——用來確定單臺發(fā)電機(jī)或最小發(fā)電機(jī)的容量。目前，在負(fù)荷計算中一般包括航行工況、進(jìn)出港工況、裝卸貨工況、停泊工況及應(yīng)急工況五種運(yùn)行工況，下面分析每種工況對電站配置的影響。

2.1 航行工況

航行工況一般來說是在船舶單個運(yùn)行周期中占用時間最長的一種工況。在此工況下電站應(yīng)能保證滿足船舶滿載全速的航行狀態(tài)及正常船員配備情況下的安全、舒適的生活需要。如果船舶電站僅由柴油發(fā)電機(jī)組組成，無軸帶發(fā)電機(jī)組或主機(jī)廢氣渦輪發(fā)電機(jī)組等，則從經(jīng)濟(jì)及環(huán)保的角度考慮，往往希望在航行狀態(tài)下，只運(yùn)行一臺柴油發(fā)電機(jī)。計算時，可以將航行工況一分為二。第一種是最具通用性的普通航行工況。在這種工況下只考慮船的正常航行及正常生活需要使用的設(shè)備功率，主要包括機(jī)艙輔助設(shè)備、舵機(jī)、空調(diào)通風(fēng)和照明等。這些設(shè)備的總功率將作為選擇單臺發(fā)電機(jī)容量的依據(jù)。第二種為非普通航行工況。不同船舶在航行過程中，會出現(xiàn)一些大功率的設(shè)備投入使用的工況，例如散貨船航行中壓載泵、艙底泵工作的工況，冷藏集裝箱船上使用冷藏集裝箱及需要貨艙通風(fēng)的工況等。這些負(fù)載中有的不是在整個航次中一直使用的，有的則是在不同的航次中使用，情況有較大差異。由于這些負(fù)載功率較大，它們的使用會對負(fù)載總功率產(chǎn)生很大的影響，因此在計算時，需要將這類負(fù)載的工況作為非普通航行工況，與普通航行工況區(qū)分開考慮。

由于單臺發(fā)電機(jī)的容量主要根據(jù)普通航行工況下的負(fù)荷總功率來選取，機(jī)艙輔助設(shè)備功率占負(fù)載總功率的一半以上，而機(jī)艙輔助設(shè)備的功率又是由主機(jī)功率決定的，因此，對同類型的船，可以通過比較主機(jī)功率來選擇單臺發(fā)電機(jī)容量。下面通過實船數(shù)據(jù)說明主機(jī)功率對單臺發(fā)電機(jī)功率的影響，見表2和表3。

表2

表3

由表2可知，雖然船的載重噸相差較大，但是由于主機(jī)功率相近，因此單臺發(fā)電機(jī)容量也十分接近。

由表3可知，雖然船的載重噸相近，但是由于主機(jī)功率相差很大，則單臺發(fā)電機(jī)的容量相差也很大。

2.2 進(jìn)出港操縱工況

進(jìn)出港操縱工況是指船舶進(jìn)出港靠離碼頭時使用錨絞設(shè)備和側(cè)推（如配有）的工況。這種工況下除使用錨較設(shè)備外，還使用了正常航行所需要的大部分設(shè)備，所需要的總功率一般較大，而此種工況按照規(guī)范要求還需配備備用發(fā)電機(jī)組。因此，通常作為確定電站總?cè)萘看笮〉膮⒖脊r。

2.3 裝卸工況

裝卸工況是指裝貨或卸貨時的工況。此種工況下主機(jī)已不再運(yùn)行，為主機(jī)服務(wù)的輔助機(jī)械也不使用，使用的設(shè)備主要是裝卸貨需要的甲板機(jī)械、壓載泵、照明等設(shè)備。對不同類型的船舶，在此種工況所需要的總功率區(qū)別較大，例如散貨船帶克令吊與否對此種工況下的負(fù)荷功率影響很大，又如滾裝船在此種工況下要考慮尾門、側(cè)門、坡道、蓋板等的使用，自卸船要考慮自卸設(shè)備的使用，液貨船要考慮貨油泵的使用等。當(dāng)裝卸工況下有這些大功率設(shè)備使用而使總負(fù)荷量較大時，此種工況也作為確定電站總?cè)萘康膮⒖脊r。

2.4 停泊工況

停泊工況是指船舶停泊碼頭、無裝卸作業(yè)的狀態(tài)，這種狀態(tài)主要的負(fù)荷就是生活用電和一些機(jī)修設(shè)備，此時負(fù)荷功率最小，往往作為確定最小發(fā)電機(jī)容量的參考工況。

2.5 應(yīng)急工況

船上發(fā)生的緊急情況有很多種，例如住艙火災(zāi)、貨艙進(jìn)水、機(jī)艙進(jìn)水等，但并不是每種緊急情況都屬于負(fù)荷計算中的應(yīng)急工況。在對應(yīng)急工況進(jìn)行計算的過程中，對下面兩個問題的理解會直接影響計算結(jié)果，從而影響應(yīng)急發(fā)電機(jī)容量的確定：

1）應(yīng)急發(fā)電機(jī)的供電范圍

應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電設(shè)備的范圍及時間在《海上人命安全公約》（SOLAS）和各船級社規(guī)范中都有明確的規(guī)定。從中可以發(fā)現(xiàn)，這些設(shè)備主要是為一些逃生、內(nèi)外通信報警以及救助等服務(wù)的，這些設(shè)備應(yīng)該列入計算中，并應(yīng)按照全功率使用考慮。而有些設(shè)備是船東額外要求由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，這些設(shè)備在使用應(yīng)急發(fā)電機(jī)前應(yīng)考慮強(qiáng)制切除，不在計算范圍之內(nèi)。

2）計算的應(yīng)急工況

這里所說的應(yīng)急工況是指主發(fā)電機(jī)不能工作，需要靠應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電的情況。主發(fā)電機(jī)組不能工作的情況通?？梢苑譃槿箢?，第一種是機(jī)艙發(fā)生火災(zāi)；第二種是機(jī)艙進(jìn)水；第三種是主發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障。三種情況下使用的負(fù)荷比較見表4。

表4

對比表4中三種情況下的負(fù)荷總功率，可以看出，機(jī)艙火災(zāi)情況下的負(fù)荷總功率最大。因此，通常將這種情況作為選擇應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量的依據(jù)。需要注意的是，千萬不能把所有可能發(fā)生的緊急情況都疊加起來來考慮應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量，這樣選出來的應(yīng)急發(fā)電機(jī)容量是偏大的。

3 設(shè)備選型對負(fù)荷計算的影響

我們經(jīng)常會將國內(nèi)設(shè)計的船的一些性能指標(biāo)和國際上同類型的船進(jìn)行對比，電站容量也是比較的參數(shù)之一。通過比較會發(fā)現(xiàn)，日本的設(shè)計，電站配置會比國內(nèi)的配置小很多。表5、表6是兩艘實船的負(fù)荷計算表，表5對應(yīng)的是日本的設(shè)計，表6對應(yīng)的是國內(nèi)的設(shè)計。

表5、表6計算的船舶類型相同，主機(jī)功率差異不大，負(fù)荷系數(shù)的選取相似，計算的方法基本一致，但是配置的電站容量卻有很大的差異。對比分析詳細(xì)的計算表后得知這個差異主要是由于所選用設(shè)備功率不同導(dǎo)致，一些大功率設(shè)備的選用差別如表7所示。

表5 日本設(shè)計某實船的負(fù)荷計算表

表6 中國設(shè)計某實船負(fù)荷計算表

表7

一般來說，設(shè)備電機(jī)功率是根據(jù)設(shè)備本身的規(guī)格（例如，泵的壓頭、排量，絞車的力矩，克令吊的安全負(fù)荷等）來確定的，當(dāng)然，可能會由于電機(jī)廠家選用的不同有小范圍的差異，但不會對計算結(jié)果有很大的影響。

通過上述例子可以看出，如果設(shè)備本身的選型就有很大的差別，負(fù)荷計算的結(jié)果就會有明顯的差異，也就直接影響到電站的配置。

4 負(fù)荷計算表中各項系數(shù)的確定

設(shè)備機(jī)械參數(shù)確定后，所選用的電機(jī)額定功率基本確定，但是電機(jī)額定功率并不是參與計算的真正功率。在負(fù)荷計算中，采用綜合負(fù)荷系數(shù)和同時使用系數(shù)來反映設(shè)備本身功率和設(shè)備參與計算功率之間的關(guān)系。綜合負(fù)荷系數(shù)是所有負(fù)荷都要考慮的計算因素，同時使用系數(shù)只對間歇負(fù)載總功率產(chǎn)生影響。下面對這兩種系數(shù)的確定分別加以說明。

4.1 綜合負(fù)荷系數(shù)（K）

綜合負(fù)荷系數(shù)（K）反映的是實際機(jī)械軸上輸出的功率與電動機(jī)從電網(wǎng)上索取的功率的關(guān)系。對大多數(shù)定轉(zhuǎn)速電機(jī)而言，當(dāng)設(shè)備選定后，此系數(shù)便已確定，不會隨著航行工況等外界條件的改變而改變。這個系數(shù)主要包含下面幾個方面的內(nèi)容：

a）電動機(jī)利用系數(shù)

b）機(jī)械負(fù)荷系數(shù)

c）電動機(jī)負(fù)荷系數(shù)

d）電動機(jī)的額定效率

P1——電動機(jī)的額定功率；

P2——機(jī)械軸上所需要的最大軸功率；

P3——機(jī)械軸上的輸出功率；

P4——電動機(jī)需要從電網(wǎng)獲取的功率。

電動機(jī)實際所需功率即實際參與計算的功率為

根據(jù)式（5）可知，當(dāng)負(fù)荷計算表中選用的是電動機(jī)額定功率P1時，則綜合負(fù)荷系數(shù)K為：

當(dāng)負(fù)荷計算中采用的是機(jī)械軸上的輸出功率P3時，則綜合負(fù)荷系數(shù)為：

綜上所述，綜合負(fù)荷系數(shù)已考慮了設(shè)備的機(jī)械特性和電機(jī)特性對參與計算功率的影響。因此，在負(fù)荷計算表中的負(fù)荷系數(shù)欄中，只需選用此綜合負(fù)荷系數(shù)而沒有必要再將上述的電動機(jī)利用系數(shù)、機(jī)械負(fù)荷系數(shù)、電動機(jī)負(fù)荷系數(shù)等一一列出。如果有確切的資料提供了相關(guān)參數(shù)，可以根據(jù)上面的計算過程計算出綜合負(fù)荷系數(shù)；如果沒有，也可參考《船舶設(shè)計實用手冊》電氣分冊中的推薦值來選取，這些推薦值是多年實踐的總結(jié)，具有很高的參考性。

下面通過幾個實例來說明綜合負(fù)荷系數(shù)的確定。

實例一：某船主滑油泵，見圖1。

從圖1可知，在該主滑油泵正常工作點(diǎn)排量為1100 m3/h時，機(jī)械實際使用的軸功率P3為207 kW，電動機(jī)輸出的額定功率P1為291 kW，電動機(jī)效率為 95%，根據(jù)式（6）、式（7）、式（5）可以求得：

圖1 主滑油泵工作特性曲線

實例二：某船主機(jī)缸套淡水冷卻泵，見圖2。

從圖2中可知，在該主機(jī)缸套淡水冷卻泵正常工作點(diǎn)排量為400 m3/h時，機(jī)械實際使用的軸功率P3為38.7 kW，電動機(jī)輸出的額定功率P1為52.4 kW，電動機(jī)效率為 93%，根據(jù)式（6）、式（7）、式（5）可以求得：

圖2 主機(jī)缸套淡水冷卻泵工作特性曲線

上述2臺泵選用的是離心泵，而容積泵與離心泵的工作特性曲線有較大差異，下面以某柴油輸送泵為例進(jìn)行說明。

實例三：某船柴油輸送泵（螺桿泵），見圖3和表8。

圖3中的兩條曲線分別是柴油輸送泵在工作溫度分別為50℃和20℃時的機(jī)械軸功率特性曲線。從表8中可見，在正常工作點(diǎn)3.5 bar時，對應(yīng)的機(jī)械軸功率分別為9.42 kW和19.74 kW，選擇的電動機(jī)額定功率為21.5 kW，效率為90.4%，船上泵正常工作溫度一般要求在40℃到45℃之間，接近于50℃，則泵的實際需要輸出機(jī)械軸功率略大于9.42 kW。由式（6）可以求得K略大于0.48。對此類泵，就需要參考泵的工作曲線圖，按照實際使用的情況選擇綜合負(fù)荷系數(shù)，從而使計算結(jié)果符合實際。

圖3 柴油輸送泵50℃和20℃時機(jī)械軸功率工作特性曲線

表8 工作溫度參數(shù)對照表

4.2 同時使用系數(shù)K0

船舶在某運(yùn)行狀態(tài)下，不可能所有的間歇負(fù)載在同時使用，因此計算間歇負(fù)載總功率時應(yīng)選取同時使用系數(shù)K0：

K0是運(yùn)行的間斷負(fù)載最大需要功率之和/所有間斷負(fù)載的最大需要功率之和。

目前，國內(nèi)外大多數(shù)計算中，同時負(fù)荷系數(shù)都選為 0.4 或 0.5。

4.3 特殊設(shè)備的系數(shù)考慮

1）對于廚房及洗衣設(shè)備，工作的時段和時間長短都較為固定，且在同一時間使用的情況不多，因此在計算時，只需將同時系數(shù)適當(dāng)降低，取 0.2～0.3即可。

2）對于舵機(jī)，在相應(yīng)的工況下通常只作小角度偏轉(zhuǎn)，正常工作時所需要的功率遠(yuǎn)小于其額定功率，因此作為連續(xù)負(fù)荷，其負(fù)荷系數(shù)可以考慮取的較小，一般取為 0.2～0.3。

3）對于空調(diào)設(shè)備，由于一般按照2臺壓縮機(jī)同時運(yùn)行計算制冷量，因此計算時應(yīng)考慮兩臺壓縮機(jī)的功率，另外由于壓縮機(jī)不是連續(xù)運(yùn)行的，因此空調(diào)應(yīng)作為間歇負(fù)荷考慮。

5 電站的配置

在考慮配備電站總?cè)萘繒r，必須考慮各船級社規(guī)范要求船舶在航行時為安全需要考慮的備用電量、維護(hù)保養(yǎng)需要的交替容量和今后柴油機(jī)老化以及發(fā)展需要的儲備容量等?？紤]上述這些要求，同時兼顧經(jīng)濟(jì)環(huán)保，確定電站容量的基本原則是：

1）單臺機(jī)組合理的負(fù)荷率：電站容量的選擇滿足大多數(shù)情況下的用電需要。當(dāng)有些情況下使用大功率負(fù)載而使電站負(fù)荷過大時，采用電站分級卸載或并聯(lián)發(fā)電機(jī)組確保電站安全使用。因此，單臺機(jī)組容量按照普通航行工況下負(fù)荷率最低不應(yīng)低于50%，最高不超過90%。考慮到今后柴油機(jī)老化以及發(fā)展需要等因素，一般最高負(fù)荷率定在85%。對單機(jī)容量較大的船舶，也需要考慮停泊工況下，負(fù)荷率應(yīng)在20%以上以避免柴油機(jī)長期處于低負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，由此，可以考慮在保證供電總量的前提下，整個電站中選用1臺容量較小的發(fā)電機(jī)組用于停泊工況。

2）發(fā)電機(jī)組的備用：為了船舶航行的安全性，船舶電站必須考慮航行及進(jìn)出港工況有備用機(jī)組，用來保證供電的連續(xù)性。因此，至少需要配備2臺發(fā)電機(jī)組。

3）發(fā)電機(jī)組的互換性：為了增強(qiáng)發(fā)電機(jī)組的互換性，在某一船舶電站中應(yīng)盡量減少發(fā)電機(jī)組的品種，但是，若從電站的經(jīng)濟(jì)性考慮不可避免此種情況發(fā)生時，應(yīng)盡可能考慮只是柴油機(jī)氣缸數(shù)量不同的發(fā)電機(jī)組，以減少備件的種類。

4）發(fā)電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性：應(yīng)盡可能考慮使用軸帶發(fā)電機(jī)。例如，某船推進(jìn)系統(tǒng)為中速機(jī)、可調(diào)槳推進(jìn)，該船在普通航行工況下主機(jī)轉(zhuǎn)速基本恒定，則航行工況可以使用軸帶發(fā)電機(jī)，同時如果該船還配有側(cè)推，同時軸帶發(fā)電機(jī)的功率大于側(cè)推功率，則在進(jìn)出港工況下也能使用軸帶發(fā)電機(jī)，則此類船舶配備軸帶發(fā)電機(jī)組比配備柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)越。

6 結(jié)語

電力負(fù)荷計算不僅是計算，更確切的說，是一種平衡分析。在實際電站設(shè)計中，盡可能周全地考慮上述因素，有利于計算準(zhǔn)確、更貼合實際。限于篇幅，本文所做的探討主要是針對普通民用運(yùn)輸船，特別是散貨船最常見的柴油發(fā)電機(jī)組的電站配置，對其它類型的船舶和其它種類電站配置沒有展開，借此文拋磚引玉，希望能引起業(yè)內(nèi)人士就此問題進(jìn)行更深入的探討，從而促進(jìn)電站配置得更合理、更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保，更具有先進(jìn)性。

［1］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊.電氣分冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1997.

［2］王文義.船舶電站［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.