穿梭油船電力配置分析

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(1.大連中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，遼寧 大連 116052； 2.南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226005)

穿梭油船主要用于FPSO、采油平臺(tái)、岸壁之間的原油駁運(yùn)。與常規(guī)油船相比，該船型要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的動(dòng)力定位，要有靈敏的操縱性和準(zhǔn)確的接載功能，且在復(fù)雜的海況下，能夠使供給和接收雙方在一定誤差內(nèi)都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，以實(shí)現(xiàn)原油的準(zhǔn)確傳輸。本文結(jié)合穿梭油船的功能特點(diǎn)，探討電力配置。

1 功能特點(diǎn)及其電力配置

穿梭油船具有如下功能要求：①準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)定位。穿梭油船在與FPSO配合進(jìn)行提油作業(yè)時(shí)，要具有抵抗風(fēng)、浪、流的能力[1-2]。通常根據(jù)服務(wù)海域和船東要求確定動(dòng)態(tài)定位等級(jí)；②足夠的電力配置冗余。根據(jù)DNV規(guī)范要求具有DYNPOS-AUTR船級(jí)符號(hào)的船舶，電力配置要滿足冗余和最大單一故障的要求；③良好的貨油卸貨能力[3]。到港卸油時(shí)，貨油泵應(yīng)具有大運(yùn)轉(zhuǎn)功率。

鑒于穿梭油船的上述主要服務(wù)功能，在穿梭油輪電力配置設(shè)計(jì)中，要重點(diǎn)考慮如下幾個(gè)方面的關(guān)鍵問(wèn)題。

1.1 大負(fù)荷電力輔助推進(jìn)設(shè)備

為了保證穿梭油船具有準(zhǔn)確的定位能力，應(yīng)配置大負(fù)荷輔助推進(jìn)器，以槽道式和全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)器為主。由于輔助推進(jìn)器功率大，耗電高，(一般為幾千至上萬(wàn)kW)，穿梭油船一般設(shè)置中壓發(fā)電機(jī)，目前行業(yè)中的主流配置為6 600 V。

1.2 供電網(wǎng)絡(luò)

供電網(wǎng)絡(luò)需保障穿梭油船在動(dòng)態(tài)定位時(shí)，在最大單一故障下，仍有定位能力，因此穿梭油船的供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)通常分兩套。在動(dòng)力定位工況下，電力負(fù)荷估算要按兩套供電網(wǎng)絡(luò)分開(kāi)計(jì)算。兩套網(wǎng)絡(luò)之間以斷路器連接[4]，在動(dòng)態(tài)定位工況下斷路器打開(kāi)，兩套網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立，避免發(fā)生單一故障，導(dǎo)致全船斷電或所有電力推進(jìn)器失效。每套供電網(wǎng)絡(luò)按三級(jí)供電進(jìn)行設(shè)計(jì)。以某穿梭油船供電網(wǎng)絡(luò)為例，一級(jí)6 600 V中壓配電板，由發(fā)電機(jī)直接供電。中壓配電板向電力推進(jìn)器，貨油泵及通過(guò)變壓向下級(jí)440 V配電板供電。兩套中壓配電板之間以真空斷路器連接。二級(jí)440 V低壓配電板，向甲板機(jī)械、輔機(jī)、各種泵等440 V船用電氣設(shè)備供電，并通過(guò)變壓向220 V配電板供電。兩套低壓配電板以空氣斷路器連接。三級(jí)220 V低壓配電板向照明、通導(dǎo)、無(wú)線、及生活設(shè)施供電。

1.3 貨油泵供電

為了保證穿梭油船能夠快速卸貨，設(shè)計(jì)時(shí)要配置較大運(yùn)轉(zhuǎn)功率的貨油泵。以10萬(wàn)t穿梭油船為例，需配置兩臺(tái)2 000 kW左右的高位貨油泵，兩臺(tái)900 kW的低位貨油泵。

雖然貨油泵功率較大,但其作業(yè)工況為港口卸貨，與穿梭油輪的用電負(fù)荷峰值(動(dòng)態(tài)動(dòng)位)不在同一時(shí)段，因此在負(fù)荷計(jì)算時(shí)應(yīng)分開(kāi)考慮。該船設(shè)置的高位和低位貨油泵也不會(huì)同時(shí)運(yùn)行。

2 電力負(fù)荷的工況分析

穿梭油船的電力負(fù)荷估算，要反映所有用電設(shè)備的使用情況。估算的工況與以上介紹的服務(wù)特點(diǎn)和船舶作業(yè)時(shí)的電力負(fù)荷特點(diǎn)相關(guān)。穿梭油船估算工況大致可以分為以下幾種典型工況。

1)正常航行工況。滿載全速航行。運(yùn)行的主要電氣設(shè)備是：主滑油泵、主冷卻海水泵，該工況下電力負(fù)荷最小。通常以一臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，是決定單臺(tái)發(fā)電機(jī)的重要依據(jù)[5]。若發(fā)電機(jī)選擇過(guò)大，在正常航行工況下將出現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行情況，影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和壽命。

2)離靠港工況。主要考慮港內(nèi)低速航行和離靠碼頭的機(jī)動(dòng)性。運(yùn)行的主要電氣設(shè)備是輔助鼓風(fēng)機(jī)和艏部輔助電力推進(jìn)器。

3)卸貨工況。到港時(shí)運(yùn)用貨油泵進(jìn)行卸貨。運(yùn)行的主要電氣設(shè)備是貨油泵、壓載泵及壓載水處理系統(tǒng)。

4)動(dòng)態(tài)定位模式下的裝貨工況。在裝貨過(guò)程中要有長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的動(dòng)態(tài)定位。此時(shí)需要運(yùn)行全部推進(jìn)器。該工況是穿梭油船出現(xiàn)負(fù)荷峰值的工況。因此該工況下的運(yùn)行設(shè)備總?cè)萘渴菦Q定發(fā)電機(jī)總?cè)萘康闹匾罁?jù)。由于在動(dòng)態(tài)定位時(shí)穿梭油船的兩套供電網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，在電力負(fù)荷計(jì)算時(shí)也要將裝貨工況按兩套網(wǎng)絡(luò)細(xì)化。

3 估算方法分析

電力負(fù)荷估算是按照上述的典型工況需求，對(duì)該工況下的電力負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，最后得出實(shí)際需要功率之和。船舶電力負(fù)荷估算的方法很多，需要系數(shù)法、三類負(fù)載法、晝夜航行圖法及概率法等。穿梭油船的電力負(fù)荷估算目前普遍使用的方法是需要系數(shù)法和三類負(fù)載法。

3.1 需要系數(shù)法

需要系數(shù)是指特定設(shè)備運(yùn)行時(shí)最大需要功率和額定輸入功率之比。該工況下的總需要功率為該工況運(yùn)行的所有電氣設(shè)備的實(shí)際需要功率之和。

PG=∑Ki·Pci+Kj·∑Ki·PR

(1)

式中：PG——某工況下的總功率；

Pci——各連續(xù)負(fù)載額定輸入功率；

PR——各間斷負(fù)載額定輸入功率；

Ki、Kj——需要和同時(shí)系數(shù)。

需要系數(shù)的選取主要考慮設(shè)備的用途、特點(diǎn)和使用工況等因素，在電力估算初期，一般采用經(jīng)驗(yàn)值80%，但根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，一些特殊的設(shè)備除外。例如：穿梭油船的電力推進(jìn)器在動(dòng)態(tài)定位工況按100%選??；輔助鼓風(fēng)機(jī)在離靠港和動(dòng)態(tài)定位工況下選取65%;舵機(jī)在正常航行工況下選取25%;在離靠港時(shí)選取50%。

需要系數(shù)法計(jì)算比較簡(jiǎn)單，通常用于設(shè)備參數(shù)不充分時(shí)的估算。需要系數(shù)的選取對(duì)經(jīng)驗(yàn)要求較高。

3.2 三類負(fù)載法

三類負(fù)載法是將電氣設(shè)備按不同工況下的使用情況進(jìn)行分類,分成三類負(fù)載,然后按不同負(fù)載的負(fù)載系數(shù)和同時(shí)系數(shù)估算總負(fù)荷。

第一類負(fù)載。在特定工況下，連續(xù)處在額定負(fù)荷下的負(fù)載,如穿梭油船的電力推進(jìn)器和貨油泵等。

第二類負(fù)載。在特定工況下，短時(shí)使用或有固定使用頻率的負(fù)載，如空壓機(jī)和污水處理單元等。

第三類負(fù)載。為偶然短時(shí)使用的負(fù)載，如救助艇和電焊機(jī)。

負(fù)載系數(shù)是指在某一期間內(nèi)，負(fù)載平均需要功率和負(fù)載最大需要功率的比值。

1)負(fù)載系數(shù)k3。

(2)

式中：K1——電動(dòng)機(jī)利用系數(shù)；

K2——機(jī)械負(fù)荷系數(shù)；

P1——電動(dòng)機(jī)額定功率；

P2——輔機(jī)實(shí)際使用功率。

2)同時(shí)系數(shù)確定。

對(duì)第一類負(fù)載，同時(shí)系數(shù)按0.8～1.0計(jì)算，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際使用情況估算。

對(duì)第二類負(fù)載，一般按0.3～0.5計(jì)算，根據(jù)平均工作時(shí)間和工作周期之比來(lái)估算。

對(duì)第三類負(fù)載，由于不會(huì)在用電高峰時(shí)使用，且發(fā)電機(jī)負(fù)荷較高，因此在負(fù)荷計(jì)算中不計(jì)入。

3)各種工況下總功率Pg的計(jì)算。

Pg=∑Ka·K3·Pr

(3)

式中：Ka——該工況下的同時(shí)系數(shù)；

Pr——輔機(jī)的額定輸入功率。

3.3 兩種方法比較

1)需要系數(shù)法運(yùn)算簡(jiǎn)單。需要系數(shù)法一般只有間斷負(fù)載考慮同時(shí)系數(shù)，且同時(shí)系數(shù)一般統(tǒng)一取1/3。而三類負(fù)載法所有設(shè)備都要考慮同時(shí)系數(shù)。

2)需要系數(shù)選取較負(fù)載系數(shù)簡(jiǎn)單。負(fù)載系數(shù)計(jì)算需要詳細(xì)的設(shè)備參數(shù)，例如馬達(dá)的利用系數(shù)、機(jī)械負(fù)荷系數(shù)及馬達(dá)效率等。而需要系數(shù)一般采用經(jīng)驗(yàn)值,在新船設(shè)計(jì)參數(shù)不足時(shí)，此方法簡(jiǎn)單有效。

3)兩種方法在計(jì)算結(jié)果上無(wú)大差異。

以10萬(wàn)t穿梭油船輔機(jī)參數(shù)為案例，分別應(yīng)用需要系數(shù)法和三類負(fù)荷法進(jìn)行電力負(fù)荷計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 需要系數(shù)法和三類負(fù)載法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表1可見(jiàn)，需要系數(shù)法與三類負(fù)載法計(jì)算結(jié)果相近。需要系數(shù)法比三類負(fù)載法更適合新船設(shè)計(jì)。

4 電力配置方案實(shí)例

根據(jù)以上分析，并結(jié)合本公司研發(fā)實(shí)際，提出13萬(wàn)t穿梭油船電力配置方案。

4.1 電力推進(jìn)器的配布

推進(jìn)器用于平衡風(fēng)浪流作用于船上的干擾力矩，穿梭油船需配備多個(gè)推進(jìn)器，設(shè)計(jì)中需進(jìn)行推力計(jì)算，通過(guò)確定推力來(lái)選擇相應(yīng)的功率。參考川崎重工相似船舶的參數(shù)，各推進(jìn)器配布及相應(yīng)功率見(jiàn)圖1。

圖1 13萬(wàn)t穿梭油船推進(jìn)器配置示意

推進(jìn)器選擇應(yīng)滿足如下基本條件。

1)在規(guī)定的條件下，推進(jìn)器應(yīng)滿足足夠的橫向和縱向推力，以及控制艏向的轉(zhuǎn)向力矩。槽道推進(jìn)器可以提供船舶橫軸方向的力以及船舶的回轉(zhuǎn)力矩；全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器既可以提供船舶縱軸也可以提供船舶橫軸方向的力，同時(shí)還能提供船舶的回轉(zhuǎn)力矩。

2)DYNPOS-AUTR船級(jí)符號(hào)的船舶推進(jìn)器配置要滿足冗余要求，發(fā)生任何單一故障，船舶應(yīng)有足夠的橫向和縱向推力以及艏向轉(zhuǎn)向力矩。

為了保證供電系統(tǒng)在出現(xiàn)單一故障時(shí)船舶仍有一定的定位能力。電力推進(jìn)器的供電分兩組進(jìn)行，船艏槽道推進(jìn)器、船艏1號(hào)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、船艉1號(hào)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器由第一組網(wǎng)絡(luò)供電。船艉2號(hào)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和船艏1號(hào)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器由第二組網(wǎng)絡(luò)供電。這樣組合可以使船舶在發(fā)生故障失去一組電力推進(jìn)器后，另一組電力推進(jìn)器仍然具有足夠的橫向和縱向推力以及控制艏向的轉(zhuǎn)向力矩。

4.2 電力負(fù)荷估算

13萬(wàn)t穿梭油船在設(shè)計(jì)初期設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)未定，所以按照以上介紹的需要系數(shù)法進(jìn)行電力負(fù)荷的估算。間斷負(fù)載的同時(shí)系數(shù)按1/3進(jìn)行計(jì)算。電力負(fù)荷估算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 13萬(wàn)t穿梭油船電力負(fù)荷估算表 kW

根據(jù)表2可以確定各工況下總需要功率，從而確定發(fā)電機(jī)容量和臺(tái)數(shù)。

4.3 發(fā)電機(jī)容量確定

1)發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)確定為4臺(tái)。由于本船配電系統(tǒng)要滿足冗余和最大單一故障要求，因此發(fā)電機(jī)至少配兩臺(tái)。若配兩臺(tái)，則每臺(tái)容量至少為7 200 kW，那么在正常航行工況時(shí)發(fā)電機(jī)負(fù)荷率為11%，為超低負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)壽命和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此本船配置4臺(tái)發(fā)電機(jī)。

2)4臺(tái)發(fā)電機(jī)在動(dòng)態(tài)定位工況下分兩組對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)供電。由于正常航行工況下需要功率低，裝貨工況下需要功率較高，因此選擇容量大小不同的發(fā)電機(jī)。兩臺(tái)容量大的一組，兩臺(tái)容量小的一組。這樣在航行工況下可以開(kāi)容量最小的一臺(tái)。在離靠港工況和卸貨工況下可以開(kāi)容量最小的兩臺(tái)。在動(dòng)態(tài)定位的裝貨工況下，4臺(tái)發(fā)電機(jī)全部在網(wǎng)運(yùn)行。

3) 發(fā)電機(jī)組的容量大小主要由動(dòng)態(tài)定位下的裝貨工況決定。散貨船在發(fā)電機(jī)選型時(shí)，發(fā)電機(jī)負(fù)荷率一般控制在90%以下。但由于本船在估算過(guò)程中電力推進(jìn)器的需要系數(shù)按1來(lái)計(jì)算，而實(shí)際情況下由于馬達(dá)利用系數(shù)和機(jī)械負(fù)荷系數(shù)等因素，一般運(yùn)行在85%工作點(diǎn)處，100%負(fù)荷幾乎不可能出現(xiàn)。因此考慮發(fā)電機(jī)選型和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率選擇為90%～95%。

根據(jù)以上分析并參考大洋發(fā)電機(jī)容量規(guī)格確定本船發(fā)電機(jī)為3 400 kW和3 800 kW各兩臺(tái)。

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