萬箱級集裝箱船推進(jìn)系統(tǒng)、電站及配電設(shè)計(jì)方案

摘要：集裝箱船市場已于今年明顯回暖，但集中在超大型集裝箱船領(lǐng)域，集裝箱船的大型化以其規(guī)模效應(yīng)的優(yōu)勢也成為了勢不可擋的趨勢。本文主要從推進(jìn)方案的初步設(shè)計(jì)以及電站和配電方面的設(shè)計(jì)等方面描述萬箱級集裝箱船的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：萬箱級集裝箱船；推進(jìn)；電站；配電；網(wǎng)絡(luò)

Design of Propulsion System， Power Station and Distribution for Ten Thousand Level VLCS

WANG Jindong

(CSSC Guangzhou Longxue Shipbuilding Co.， Ltd. Guangzhou 511462)

Abstract: The market of container carrier has already become warm this year and most of them are VLCS. VLCS will be popular because of their advantage of scale effect. This paper describes the design method of thruster system， power station and distribution for VLCS.

Key words: Ten thousand level VLCS; Thruster; Power station; Distribution; Network

1前言

今年，集裝箱船市場已明顯回暖，但主要呈現(xiàn)在超大集裝箱船市場，萬箱級以上的集裝箱船已經(jīng)完全贏得市場的信耐，其單箱能耗明顯低于小型集裝箱船，因此，能耗的最小化也是萬箱集裝箱船的特點(diǎn)之一，但受諸多條件限制，我國還沒有擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的萬箱集裝箱船的建造經(jīng)驗(yàn)。我公司正在探索集裝箱船市場，作為研發(fā)部的成員，作者以電氣設(shè)計(jì)的角度出發(fā)從若干方面描述萬箱集裝箱船的設(shè)計(jì)思路。

2推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超大型集裝箱船的航速較高，雖然目前市場暫時(shí)出現(xiàn)降航速使用的情況，但馬士基負(fù)責(zé)人的申明也體現(xiàn)出降航速使用不是長久之計(jì)，其節(jié)省能源的方式所帶來的服務(wù)質(zhì)量的降低最終還是要消費(fèi)者承擔(dān)。為了保證有一個(gè)高航速的能力，同時(shí)又能降航速使用且不帶來高油耗，可以采用電噴機(jī)帶單槳的常規(guī)推進(jìn)或電力推進(jìn)方式。

2.1常規(guī)推進(jìn)

這里所說的常規(guī)推進(jìn)，指的是大型低速船用柴油機(jī)通過軸系直接驅(qū)動定距螺旋槳的推進(jìn)方式。主機(jī)、軸系以及螺旋槳都具有相同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。該推進(jìn)方式具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、傳動損失小、推進(jìn)效率高、震動噪音小等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)洋大型船舶上。

常規(guī)單機(jī)單槳推進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)艙的布置是十分重要的。機(jī)艙如果布置的位置太靠近尾部，充分利用了尾部線形作為機(jī)艙區(qū)域，且軸系較短，振動小，但由于機(jī)艙和上建布置太靠尾部，受視線的影響，甲板以上的集裝箱層高受到了了很大限制。

如果機(jī)艙和上建靠近中部或首部，受視線影響很小，甲板面的載箱數(shù)可以提高，但缺點(diǎn)推進(jìn)軸系太長，如果存在振動，會增加振幅，使得推進(jìn)軸系容易損壞。

綜合考慮，舯艉部機(jī)艙和上建是最適合常規(guī)推進(jìn)方案的布置方式。但隨著技術(shù)的發(fā)展，更多新穎的想法也會脫穎而出，機(jī)艙與上建的分離也會成為可能。一旦機(jī)艙和上建能合理分離，集裝箱船的載箱率將會大幅提高，單箱能耗將會近一步降低。

超大型集裝箱船的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是高航速。根據(jù)集裝箱航運(yùn)市場的特點(diǎn)，集裝箱船的箱位數(shù)與航速之間存在著一定關(guān)系。集裝箱船是在班輪航線上營運(yùn)，必須準(zhǔn)點(diǎn)航行。集裝箱船箱位越大，航行中所遇到的阻力也就越大，在港內(nèi)的集裝箱裝卸數(shù)量就越多，所需的裝卸時(shí)間就越長。停港時(shí)間長就要求航行時(shí)間短，要求的航速就越高。表1顯示了不同航速下所需功率情況。

如表1所示，某萬箱級集裝箱船航速為25 kn時(shí)需要的功率約為70 000 kW。

MAN BW 公司已開發(fā)出了14K108 機(jī)型，其缸徑達(dá)到1 080 mm，沖程2 660 mm，整機(jī)輸出功率將近100 000 kW。WARTSILA 公司也開發(fā)出了14K96機(jī)型，其整機(jī)輸出功率也達(dá)到了80 000 kW。由此可見，目前的單臺大型主機(jī)功率足以達(dá)到萬箱級集裝箱船的航速要求。

2.2電力推進(jìn)

電力推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步較快，其優(yōu)良的操作性，低能耗，振動小等特點(diǎn)深受好評，主要應(yīng)用在對操作性能要求較高的中小型船舶。圖1為ABB的電力推進(jìn)方案。

電力推進(jìn)系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、配電板（高壓和低壓）、變壓器、變頻器、電動機(jī)和電力推進(jìn)器組成。由于變頻器可對電力推進(jìn)器進(jìn)行靈活地調(diào)速。且發(fā)電機(jī)可以根據(jù)負(fù)荷的大小合理地發(fā)出和分配電能。因此，電力推進(jìn)方案可大大地減少能量損失和污染物的排放。

但電力推進(jìn)系統(tǒng)除了一次投入成本高的缺點(diǎn)以外，還存在著一些問題，例如其功率受限制，據(jù)分析，目前使用兩臺電力推進(jìn)器仍然不能滿足萬箱集裝箱船對電力的需求。但技術(shù)在不斷發(fā)展，我們相信在不久就會出現(xiàn)適合于萬箱集裝箱船的電力推進(jìn)器。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前超大型商船幾乎都采用大型低速柴油機(jī)直接驅(qū)動定距槳。主要原因是柴油機(jī)具有較高的熱效率。低速柴油機(jī)的熱效率為46%～55%；中速柴油機(jī)的熱效率為40%～47%；聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)為35%～46%；燃?xì)鉁u輪機(jī)以及蒸汽渦輪機(jī)的效率在22%～37%之間。萬箱級超大型集裝箱船所需推進(jìn)功率十分巨大，加之燃油價(jià)格的不斷上漲，單機(jī)單槳這種動力裝置型式的經(jīng)濟(jì)性更加突出，進(jìn)而成為首選推進(jìn)方案。

2.3 首側(cè)推

集裝箱船靠港頻繁，例如從遠(yuǎn)東到歐洲的一個(gè)航次大多需要進(jìn)出20余個(gè)碼頭，因此，集裝箱船的操作性通常比較好，首側(cè)推可大幅提高其操作性能，進(jìn)出港不需要拖輪協(xié)助。

如圖2所示，側(cè)推艙布置在首部，采用電力推進(jìn)的方式。某萬箱集裝箱船的側(cè)推功率達(dá)到2 500 kW，系統(tǒng)單線圖見圖3所示。

如果船用發(fā)電機(jī)為450 V低壓發(fā)電機(jī)，由于從機(jī)艙到首部距離遙遠(yuǎn)，側(cè)推電機(jī)容量比較大，采用中壓的方式配電可以減小電纜截面積，且電纜電壓降也相應(yīng)減小。

3電站設(shè)計(jì)

萬箱集裝箱船的電站容量較大，為保證電站的設(shè)計(jì)既能滿足所有用電負(fù)荷正常工作，又能使得電站的設(shè)計(jì)以最經(jīng)濟(jì)的模式運(yùn)行，就需要對所有用電負(fù)荷進(jìn)行分析分類，進(jìn)行電力負(fù)荷估算。具體思路如下：

3.1用電設(shè)備容量計(jì)算

電力負(fù)荷估算書的制作需要由輪機(jī)專業(yè)提供設(shè)備所需的實(shí)際功率，經(jīng)過機(jī)械效率和電機(jī)效率的換算之后計(jì)算出一個(gè)相對準(zhǔn)確的負(fù)荷功率。

計(jì)算出所有負(fù)荷功率之后，需要制作表格，對各用電負(fù)荷進(jìn)行分類，大致可以分為：機(jī)艙輔助設(shè)備、錨泊等甲板機(jī)械、操舵設(shè)備、冷藏箱插座、側(cè)推、廚房和洗衣以及冷庫設(shè)備、照明、無線電導(dǎo)航、內(nèi)部通訊設(shè)備等等。

3.2工況分類

萬箱集裝箱船的冷藏箱數(shù)量較多，例如一型遠(yuǎn)東到歐洲航線的萬箱集裝箱船的冷藏箱插座數(shù)量有600至1 000個(gè)，甚至可能會更多。每個(gè)冷藏箱的功率可按11 kW計(jì)算，同時(shí)系數(shù)可以選取為0.4。冷藏箱總功率可達(dá)到2 000 kW至4 000 kW。

首側(cè)推功率比較大，一艘萬箱集裝箱船的首側(cè)推功率可達(dá)到1 600 kW至2 500 kW。根據(jù)以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的船舶工況是十分必要的，如表2所示為某萬箱集裝箱船的工況和發(fā)電機(jī)使用情況。

3.3發(fā)電機(jī)容量

在正常航行不帶冷藏箱的工況下，用電負(fù)荷較小，也是最基本和最常用的工況，因此該工況使用的發(fā)電機(jī)容量可偏小，其他發(fā)電機(jī)容量可按總負(fù)荷情況均分。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，考慮到電站總?cè)萘亢蛡溆冒l(fā)電機(jī)的使用情況以及機(jī)艙的大小，萬箱集裝箱船選取5臺發(fā)電機(jī)是比較合理的方案。

以往的集裝箱船曾有設(shè)計(jì)了軸帶發(fā)電機(jī)，主要是考慮集裝箱船主機(jī)功率高，且有多余功率，軸系比較長，容易布置軸帶發(fā)電機(jī)。但是新一代的萬箱集裝箱船主機(jī)功率可調(diào)，盡量將主機(jī)功率完全用于推進(jìn)服務(wù)，設(shè)計(jì)軸帶發(fā)電機(jī)反而不是明智的選擇。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)的容量需按SOLAS和船級社的要求將必要的應(yīng)急負(fù)荷計(jì)算在內(nèi)，一般情況下，萬箱集裝箱船的應(yīng)急發(fā)電機(jī)容量與同尺寸其他船型應(yīng)急發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)。

4配電設(shè)計(jì)

船舶配電采用低壓44 V或690 V居多，但對于電站容量較大的萬箱集裝箱來說，采用中高壓配電網(wǎng)絡(luò)3 300 V或6 600 V更加占有優(yōu)勢，現(xiàn)就其各自特征進(jìn)行描述。

4.1低壓配電網(wǎng)絡(luò)

低壓配電以440 V為典型，發(fā)電機(jī)發(fā)出電壓為450 V，直接用于負(fù)載，看似十分簡單，但低壓配電應(yīng)用在萬箱集裝箱船上就會暴露其先天缺陷。低壓開關(guān)所能承受的負(fù)荷有限，低壓斷路器分?jǐn)嗟淖畲箅娏鞯腎K’’=125 kA，而萬箱集裝箱船用電負(fù)荷比較多，而且功率較大。表3結(jié)合一艘6 500TEU船440 V配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例分析。

其短路電流IK’’已接近低壓斷路器的極限能力。可以將電壓提高至690 V或者將發(fā)電機(jī)設(shè)差動保護(hù)或者盡量把發(fā)電機(jī)的臺數(shù)減少等方式減小和減少短路電流。

低壓網(wǎng)絡(luò)的電力電纜截面積和數(shù)量都相對大，對于成本預(yù)算以及設(shè)計(jì)與施工都是不利的。

隨著船舶大型化的發(fā)展，低壓配電網(wǎng)絡(luò)的分?jǐn)嗄芰?、電纜粗、電壓降和電能損耗大的缺點(diǎn)會越來越明顯。

4.2中高壓配電網(wǎng)絡(luò)

伴隨系統(tǒng)電壓的提高，輸送電流和預(yù)期短路電流都將大大減小，使船舶的安全性有了很大的提高?？偨Y(jié)其優(yōu)勢如下：

① 能夠承載更大容量的電力負(fù)荷；

② 可以直接為大容量負(fù)載供電，例如側(cè)推等；

③ 故障處理時(shí)體現(xiàn)更高的安全性和有效性；

④ 可以減小大容量發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電纜和變壓器的尺寸和重量；

⑤ 降低電纜安裝的成本；

⑥ 減少電纜重量，減小空船重量。

表4所示，中高壓電纜重量是低壓電纜的1.4~2.8倍，載流量相同，所能承載的設(shè)備功率是低壓電纜所能承載的7倍左右。因此，中高壓電纜的使用量以及重量明顯少于低壓電纜。

4.3網(wǎng)絡(luò)型式

配電網(wǎng)絡(luò)型式通?？梢苑譃閮煞N：放射形網(wǎng)絡(luò)和環(huán)行網(wǎng)絡(luò)。

1）放射形網(wǎng)絡(luò)

放射形網(wǎng)絡(luò)在低壓配電系統(tǒng)中最為常見。系統(tǒng)成發(fā)散狀，斷路器成串聯(lián)形式，電力系統(tǒng)潮流分布在不同路徑，最為簡單明了，易于維修。但放射形網(wǎng)絡(luò)需要雙倍的開關(guān)和電纜，一旦發(fā)生短路，系統(tǒng)沒有冗余，只能依靠設(shè)備冗余。圖4為某船放射形配電網(wǎng)。

2）環(huán)形網(wǎng)絡(luò)

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)多用于高壓系統(tǒng)。其特點(diǎn)為電力通過分配電板連接成環(huán)形輸送，如果負(fù)載端發(fā)生故障，輸出端電路將切斷；如果分站發(fā)生故障，其余分站將繼續(xù)運(yùn)行，環(huán)形打開；重要的負(fù)載直接連接在主配電板上；節(jié)省大量的電纜和斷路器。圖5為某萬箱船環(huán)形網(wǎng)絡(luò)單線圖。

圖5所示，某萬箱船電力配電系統(tǒng)由5臺6 600 V主發(fā)電機(jī)供電，配電板為6 600 V和450 V中壓和低壓兩部分組成。在6 600 V中壓匯流排上為冷藏集裝箱和首側(cè)推和主滑油泵供電，并通過分配電板形成內(nèi)外兩環(huán)，經(jīng)變壓器對冷藏分配電板供電。

5結(jié)束語

韓國和日本在萬箱級集裝箱船的建造技術(shù)上先邁出了一步，我國與日本合資的中遠(yuǎn)川崎也成功地建造了萬箱級集裝箱船，近期，馬士基也在韓國訂了10艘1.8萬箱全集裝箱船，船隊(duì)運(yùn)力迅速提升?？梢?，集裝箱船的大型化時(shí)代已經(jīng)來臨。我國部分設(shè)計(jì)院所已經(jīng)在潛心研究萬箱集裝箱船，但目前國內(nèi)沒有具備自主知識產(chǎn)權(quán)的萬箱集裝箱船的建造經(jīng)驗(yàn)，它是我們努力的方向，作為船廠技術(shù)人員的一份子，我們有責(zé)任熟悉和探索其設(shè)計(jì)和建造方法。本文僅從電氣設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對萬箱級集裝箱船的設(shè)計(jì)進(jìn)行了勾勒，由于個(gè)人能力有限，不當(dāng)不足之處有待專家的指導(dǎo)和斧正。

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