徐成 ， 邰能靈

(上海交通大學，上?！?00240)

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科學考察船電力負荷計算及分析

徐成 ， 邰能靈

(上海交通大學，上海200240)

船舶電站的配置，是船舶電力系統(tǒng)設計的一個重要內容，配置合理與否直接關系到船舶電力系統(tǒng)的經濟性、可靠性和安全性。主要對科學考察船電力負荷的計算方法進行分析，并利用三類負荷法計算船舶在不同工況下的電力負荷，包括經濟航行、全速、位置保持(重負荷)、拖曳作業(yè)、漂泊、錨泊和在港停泊等工況的電力負荷，并根據(jù)計算結果選擇發(fā)電機的容量。

船舶電力系統(tǒng)；電力負荷； 三類負荷法；不同工況

0　引　言

現(xiàn)代船舶技術的快速發(fā)展、船舶電力系統(tǒng)的日益龐大、船舶電力設備的快速化更新和應用以及船舶運行工況的日益眾多，加大了船舶電力系統(tǒng)負荷計算的難度[1]。因此，要得到比較準確的船舶電力系統(tǒng)負荷計算結果，必須對船舶電力設備的主要組成部分的實際運行情況，做詳細的分類和調查研究，全面地考慮主要電力設備的負荷情況[2]。本文所計算的船舶為科學考察船采用電力推進方式驅動，主要電力設備包括：2套1 500 kW的推進電機、1臺600 kW艏側推、2臺300 kW艉側推、2套400 kW地震空壓機、1套600 kW科考絞車。另外，輔助油泵、風機等其他用電設備功率約為350 kW，下面將結合三類負荷法和使用系數(shù)法對科學考察船的輪機設備、舾裝設備以及科學實驗設備進行了分析，計算出各個工況下所需的總功率。最后綜合考慮計算出科學考察船需要配備的柴油發(fā)電機組的容量和數(shù)量。

1　科學考察船電力系統(tǒng)概述

船舶電力系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機、配電網(wǎng)、變壓器和用電設備組成。圖1給出了船舶綜合電力系統(tǒng)構成示意圖。發(fā)電機由原動機帶動，配電裝置用來接收發(fā)電機所發(fā)出電能，并將這些電能分配給全船[3-4]。一般船舶的電力系統(tǒng)包括3臺～4臺發(fā)電機組，其中一臺為應急發(fā)電機組。發(fā)電機產生的電通過配電板向電力設備供電，一臺直接向負載供電，另外一臺通過變壓器降壓以后向低壓設備供電。當船舶?？扛劭跁r，可以接岸電；當發(fā)生應急情況時，可以啟動應急發(fā)電機，向船舶上的重要負載供電[5-6]。

圖1　船舶綜合電力系統(tǒng)構成示意圖

2　船舶電力負荷的分類和主要工況

在科學考察船上，電力負荷眾多，分布在全船的各個部位，為了使負荷的計算清晰，防止遺漏某些負載，一般把全船的電力負載按不同的用途和所處的位置進行分類。一般分成以下幾類如表1所示。

根據(jù)以上分類計算全船電力負荷時還應該考慮船舶在不同運行工況。通常最大負荷工況一般用來確定發(fā)電機的總容量，最小負荷工況用來確定單臺發(fā)電機的容量大小。下面列舉了船舶的主要工作狀態(tài)：

表1　船舶電力負荷的主要分類

(1) 航行：經濟航行、滿載全速航行

(2) 位置保持(重負荷)、漂泊(輕負荷)

(3) 作業(yè)：包括科學考察船的拖曳作業(yè)、地震作業(yè)、海上作業(yè)等

(4) 錨泊狀態(tài)

(5) 進出港狀態(tài)：船舶在港內的機動狀態(tài)。

3　船舶電力負荷計算方法

目前，船舶電力負荷的計算方法很多，包括三類負荷法、需要系數(shù)法、概率分析、日夜負載等。在實際的使用中，常用的方法有需求系數(shù)法、三類負荷法。這里分析介紹工程應用最廣泛地三類負荷法及需求系數(shù)法。

3.1三類負荷計算法

三類負荷法在船舶負荷計算領域有著廣泛地應用，是船舶電氣設計人員使用最多的一種計算方法。它利用負荷系數(shù)和同時系數(shù)將船上主要用電設備分成三類。這種方法在電氣設備具有充分的數(shù)據(jù)時，具有較高的準確率，并且計算速度較快，但是負荷系數(shù)和同時系數(shù)的選取需要電氣設計人員有一定的經驗。表2 給出了三類負荷的分類方法和某一工況下的工作概率。

表2　三類負荷的定義和使用概率

三類負荷各系數(shù)的定義與計算：

(1) 電機的利用系數(shù)K1：在選擇電機等設備時，需要考慮電機的過載能力，保證電機具有大啟動力矩和短時大功率等，所以電機的額定功率總是大于實際機械軸上所需的功率，正因為電機未能充分利用，而它長期需要電網(wǎng)供給最大功率也小于額定需要的功率。這一點在負荷表中用電動機利用系數(shù)來反映，即電動機利用系數(shù)為：

K1=P2/P1

(1)

式中P1——電機額定功率；

P2——機械軸上額定功率。

(2) 機械負荷系數(shù)K2：在某一運行狀態(tài)時，電機不一定滿負荷運行，可用機械負荷系數(shù)K2來反映它對電力負荷的影響。機械負荷系數(shù)為:

K2=P3/P2

(2)

式中P2——機械軸上額定功率；

P3——機械軸上實際輸出功率。

(3) 電動機負荷系數(shù)K3：電動機的負荷系數(shù)為電機的利用系數(shù)和機械負荷系數(shù)的乘積，即電動機利用系數(shù)為：

K3=K1·K2

(3)

(4) 同時使用系數(shù)K0：在某一工作狀態(tài)下，同類用電設備不一定同時使用，因此利用同時使用系數(shù)K0來計及它對同一組同功率的用電設備負荷的影響。即同時使用系數(shù)為：

K0=n/m

(4)

式中n——某一組同時工作的用電設備數(shù)目；

m——某一組用電設備的總數(shù)。

在計算電動機所需的實際負荷時，需要考慮電機的工作效率。在額定工作狀態(tài)下，一臺電動機需要電網(wǎng)供給的有功功率為：

P4=P1/η

(5)

式中P1——電機的額定功率；

η——額定時電動機效率。

一組同類電動機額定所需總功率為:

P5=m·P4

(6)

對于照明等生活用電設備來說，需要電網(wǎng)供給的功率P5為其裝置的額定功率。

通過上述分析某一運行狀態(tài)時，一組同類電動機實際所需有功功率為：

P=m·K1·K2·K0·P4=

m·K3·K0·P4=K3·K0·P5

(7)

在某個工作狀態(tài)下，發(fā)電機所需供應的總的功率為各類負荷的總和，此時需要考慮各組用電設備直接的同時使用系數(shù)?？紤]到電網(wǎng)損耗，因此，某工況下需要發(fā)電機供給的總功率為：

P∑=(K0Ⅰ·PI+K0Ⅱ·PⅡ+K0Ⅲ·PⅢ)·(1+Φ)

(8)

其中Φ——為損耗系數(shù)；

K0Ⅰ——第Ⅰ類負荷同時使用系數(shù)；

K0Ⅱ——第Ⅱ類負荷同時使用系數(shù)；

K0Ⅲ——第Ⅲ類負荷同時使用系數(shù)。

3.2需求系數(shù)法

各組用電設備實際所需要的功率由各設備的類型和使用工況決定的，這種關系可以用一個系數(shù)表示，即需要系數(shù)。需要系數(shù)法的計算過程較簡單，其定義為用電設備實際消耗功率與其額定功率的比值，即:

K=Ps/Pe

(9)

式中Ps——實際消耗功率；

Pe——額定所需功率。

全船負荷實際消耗總功率為各用電設備實際消耗功率之和，即為：

P∑=∑K·Ps

(10)

考慮電網(wǎng)損耗，發(fā)電機所需總功率為：

P=P∑·(1+Φ)

(11)

由于電力推進科學考察船的主要負荷為推進負荷，與之相連的變頻器的整流側功率因數(shù)很高，所以船舶在航行等主要運行工況下，總的功率因數(shù)很高，對電站發(fā)電機功率選擇影響不大。因此，可以不計無功功率對發(fā)電機容量的影響。

為了確定本科學考察船的電站配置，研究科考船的具體使用

情況，在根據(jù)圖2負荷計算流程圖，以及獲得實船各個負載設備的使用情況，計算出了本次科考船的電力負荷結果如表3、表4所示。

圖2　負荷計算流程

設備經濟航行全速位置保持(DP重負荷)拖曳作業(yè)連續(xù)負荷/kW間歇負荷/kW連續(xù)負荷/kW間歇負荷/kW連續(xù)負荷/kW間歇負荷/kW連續(xù)負荷/kW間歇負荷/kW負荷狀況分析1、主推進裝置908020220908071002、艏側推00005280003、機艙輔機175.5141.7176.6141.7185.6141.7174.5141.74、甲板機械1017.81017.81017.81017.85、實驗支撐系統(tǒng)9.23.59.23.578.3244.878.3267.46、實驗系統(tǒng)62.9062.9062.9062.907、冷藏空調風機202.51.4202.51.4202.51.4202.51.48、導航通信設備22.0022.0022.0022.009、照明設備及其他電氣設備91.1090.4097.0097.1010、廚房和洗衣設備0174.20174.20174.20174.2發(fā)電機運行狀況分析負載匯總/kW148033.9259633.920975801358603連續(xù)負載/kW1480259620971358間歇負載/kW118.5118.5203210.9總負載/kW1598.52714.523001568.9設計負荷冗余15%/kW103.8103.8129.2128.7改裝負荷冗余15%/kW103.8103.8129.2128.7計算總負荷/kW1808294326931747運行發(fā)電機/kW1480X1990X11480X1990X21480X1990X21480X1990X1備用發(fā)電機/kW1480X1990X11480X11480X11480X1990X1運行發(fā)電機負荷率%0.730.850.780.71

表4　科學考察船電力負荷表

續(xù)表4　科學考察船電力負荷表

根據(jù)電力負荷計算表，本船最終選取MTU的2臺1 480 kW和2臺990 kW的柴油發(fā)電機組，以保證在正常航行和DP重負荷的作業(yè)工況下，全船的電力負荷維持在一個比較合理，經濟的狀態(tài)下。

4　結束語

本文主要說明了船舶電力系統(tǒng)設計的首要工作即電力負荷的計算。首先介紹了科學考察船的主要用電設備；其次是說明了三類負荷需要系數(shù)法進行負荷計算的步驟和流程，通過收集科學考察船電力設備資料，利用需要系數(shù)法進行負荷計算以及負荷計算表的編制，完成了船舶主發(fā)電機、應急發(fā)電機、變壓器的容量和臺數(shù)的選擇，使得全船的電力負荷維持在一個較合理的狀態(tài)。

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Calculation and Analysis of Electric Power Load on Scientific Research Ships

XU Cheng，TAI Neng-ling

(Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Configuration of the ship power station is an important content of the design of the ship power system. Whether the configuration is reasonable is directly related to the economical efficiency, reliability and safety of the ship power system. This article analyzes the power load calculation method for scientific research ships. Furthermore, it calculates the ship’s electric power load in the 3-class load method under different working conditions, including economical navigation, full speed, position holding (heavy duty), towing operation, drifting, anchoring and berthing in port, and the capacity of the generator is chosen according to the calculation results.

marine electric power system; electric power load; 3-class load method; different working conditions

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.016

TM714

A

1000-3886(2016)02-0044-04

徐成(1986-)，男，上海人 ，碩士，專業(yè)：電氣工程。

定稿日期: 2015-04-20