基于CCS規(guī)范的大型散貨船電力系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：文章以中國船級社的規(guī)范為框架，結(jié)合相關(guān)公約及規(guī)則，總結(jié)了大型散貨船電力系統(tǒng)的組成、論述了主要電力設(shè)備的配置以及重要設(shè)備的供電要求等，對同類型船舶的設(shè)計工作具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：CCS規(guī)范；大型散貨船；電力系統(tǒng)；配置；供電

中圖分類號：U661.42 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）6-0011-02

電力系統(tǒng)是現(xiàn)代船舶的核心系統(tǒng)，也是船舶設(shè)計工作中重要的組成部分。本文以大型散貨船中具有代表性的巴拿馬型散貨船作為論述對象，著重討論了電力設(shè)備的配置及供電方面的設(shè)計要點。

1 設(shè)計依據(jù)

1.1 入級規(guī)范

船舶設(shè)計的首要依據(jù)為其入級船級社的規(guī)范，系統(tǒng)的設(shè)備也是以此為基礎(chǔ)進行設(shè)置。中國船級社（以下簡稱CCS）現(xiàn)行有效的版本為《鋼制海船入級規(guī)范2012》（以下簡稱《鋼規(guī)》），2013年CCS針對該版規(guī)范發(fā)布了最新修改通報，并于同年7月1日生效。

1.2 國際海事組織出版物及文件

系統(tǒng)的設(shè)計過程中，除需遵守船級社的規(guī)范，還應(yīng)注意到相關(guān)國際海事組織制定的公約或規(guī)則及其修正案等，其對締約國船舶具有強制性要求。同時，相關(guān)的文本也可對船級社規(guī)范的一些內(nèi)容作進一步解釋或補充，如：

①國際海上人命安全公約（SOLAS）。

②國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則（FSS）。

③國際海上避碰規(guī)則（COLREGS）。

④國際海事組織決議等。

2 電力系統(tǒng)的組成

船舶電力系統(tǒng)可以分為電源裝置、配電裝置、電網(wǎng)以及負載四部分。

2.1 電源裝置

電源設(shè)備分為主電源與應(yīng)急電源。

主電源是指通過向主配電板供電，并將電源逐級分配至各用電設(shè)備的電源，并且這些設(shè)備為保持船舶正常操作和居住條件所必需的所有設(shè)備。通常選用具有單獨柴油機驅(qū)動（非船舶主推進裝置驅(qū)動）的發(fā)電機作為主電源。

應(yīng)急電源是指當主電源故障時，能夠?qū)?yīng)急配電板進行供電的電源，該電源可以是發(fā)電機也可以是蓄電池組。

2.2 配電裝置

配電裝置的作用是接收和分配電能，同時對電網(wǎng)進行保護。主要有主配電板、應(yīng)急配電板、分配電板（分電箱）、充放電板、岸電箱等。

2.3 電網(wǎng)

船舶電網(wǎng)是電源和用電設(shè)備之間的傳輸、分配電能的電纜線路的總稱。

根據(jù)對配電要求的差異，不同船型電網(wǎng)的結(jié)線方式也有所不同。巴拿馬型散貨船的電網(wǎng)多為440 V及以下電壓等級的電網(wǎng)，采用了放射式電網(wǎng)。其特點是每一饋電電纜均獨立由主配電板引出，向一個負載或分配電板進行供電，具有良好的集中控制的特點。

2.4 負載及控制與檢測裝置

巴拿馬型散貨船的負載可分為以下5類：

①艙室及動力裝置用輔助機，如：滑油泵、機艙風機、輔鍋爐配套輔機等；

②甲板及輔助裝載機械設(shè)備，如：舵機、錨機、舷梯絞車、貨艙蓋液壓單元、電動壓載水泵等；

③通風及冷藏設(shè)備，如：空調(diào)、冷藏單元及艙室風機等；

④廚房及洗衣設(shè)備，如：電灶、炸鍋、冰箱、洗衣機、干衣機等；

⑤其他小功率設(shè)備，如：照明設(shè)備、無線電設(shè)備、航行設(shè)備等。

相關(guān)的控制及檢測裝置保證了各設(shè)備在運行中的穩(wěn)定與安全。

3 主要電力設(shè)備的配置

3.1 主電源

主電源應(yīng)至少由2臺發(fā)電機組組成，且其臺數(shù)及容量應(yīng)能在任一發(fā)電機組停止工作時，仍能滿足正常推進、船舶安全以及保證最低舒適居住條件的供電要求。而通常在裝卸貨或進出港狀態(tài)時，全船的用電負荷可比正常的海上航行狀態(tài)高出30%以上，所以選取3臺等容量的發(fā)電機組作為主電源具有較好的經(jīng)濟性與可靠性性。船舶在正常航行狀態(tài)時，發(fā)電機組的工作情況為一臺發(fā)電機接近滿負荷運行，兩臺發(fā)電機做備用；船舶在裝卸貨或進出港狀態(tài)時，有兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行，一臺發(fā)電機做備用。發(fā)電機組容量的選擇上，應(yīng)留有一定的余量，以保證正常航行狀態(tài)時單機負荷率約80%為宜。

3.2 應(yīng)急電源和備用電源

巴拿馬型散貨船作為500總噸以上的貨船，應(yīng)設(shè)有獨立的應(yīng)急電源。另外，根據(jù)《鋼規(guī)》及SOLAS對部分設(shè)備的供電要求，還應(yīng)考慮設(shè)置備用電源，我們在此與應(yīng)急電源一并討論。

由于該型船舶配有舵機等大功率應(yīng)急負載，所以在應(yīng)急電源的配置上應(yīng)設(shè)有應(yīng)急發(fā)電機。作為舵柄處舵桿直徑大于230 mm的非冰區(qū)加強型普通貨船，其應(yīng)急電源應(yīng)能在45 s內(nèi)向操舵裝置自動供電，因此會要求應(yīng)急發(fā)電機具有在主電源失效后的45 s內(nèi)完成自動啟動和向應(yīng)急配電板供電的能力，利用這一特性也可使我們簡化臨時應(yīng)急電源的設(shè)置。應(yīng)急發(fā)電機容量的選擇是根據(jù)應(yīng)急工況下的供電范圍來確定的，具體應(yīng)考慮以下幾方面的負荷：

①全船應(yīng)急照明及COLREGS所要求的航行燈和其他號燈；

②SOLAS所要求的航行設(shè)備、無線電設(shè)備和應(yīng)急消防泵；

③斷續(xù)使用的白晝信號燈、船舶號笛、手動失火報警按鈕以及所有緊急狀態(tài)下需要的船內(nèi)信號和通信設(shè)備。

④探火和失火報警系統(tǒng)以及操舵裝置

另外，《鋼規(guī)》中同樣規(guī)定了如電站自動化系統(tǒng)等失電時仍有必要使用的控制系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)和報警系統(tǒng)，應(yīng)能在正常供電失電時自動轉(zhuǎn)接至備用電源。而這些系統(tǒng)可能因電源中斷而受到有害影響時，應(yīng)采用不間斷電源為備用電源。為了簡化電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可設(shè)置一總用蓄電池組，為如主發(fā)電機的安全、控制和報警系統(tǒng)等規(guī)范或技術(shù)規(guī)格書要求需配有備用電源或臨時應(yīng)急電源的設(shè)備供電，該蓄電池組通過充放電板進行充電和供電。也可針對一些設(shè)備的特點獨立設(shè)置UPS作為其備用電源?？傆眯铍姵亟M或這些UPS的容量應(yīng)至少能夠維持0.5 h的供電需要。

需要注意的是，SOLAS要求應(yīng)配備1個或多個獨立于船舶推進動力和船舶電力系統(tǒng)的備用電源，在主電源和應(yīng)急電源故障時向無線電設(shè)備供電。通常情況下無線電設(shè)備廠家是不會配套安裝該備用電源的，因此，還需單獨設(shè)置一套蓄電池組作為無線電設(shè)備的備用電源，并且其不能經(jīng)由充放電板進行充電和配電，而應(yīng)由無線電臺內(nèi)的專用電源轉(zhuǎn)換裝置來實現(xiàn)。該蓄電池組的容量應(yīng)能同時向以下設(shè)備供電1小時：首先，甚高頻無線電裝置；其次，中頻無線電裝置或船舶地面站或中頻/高頻無線電裝置；再次，操縱無線電設(shè)備的無線電控制臺適當?shù)恼彰髟O(shè)備。

3.3 變壓器

普通船舶的交流配電系統(tǒng)普遍采用絕緣性和安全性較好的三相三線絕緣及單相雙線絕緣配電系統(tǒng)，變壓器也就成為了照明系統(tǒng)及主電源供電系統(tǒng)的必要組成部分。因此，對變壓器數(shù)量及容量上的要求與對電源的設(shè)置有著相似的要求，即在任何一臺變壓器停止工作時，其余變壓器仍能保證正常推進和船舶安全必須設(shè)備的運轉(zhuǎn)，同時最低舒適居住條件也應(yīng)得到保證。巴拿馬型散貨船通常設(shè)有兩臺等容量的交流三相變壓器作為主變壓器和另設(shè)兩臺等容量的交流三相變壓器作為應(yīng)急變壓器，容量的選擇上應(yīng)能滿足對220 V用電設(shè)備的供電要求。

另外，在變壓器數(shù)量的設(shè)置上還需注意以下兩方面：

①巴拿馬型散貨船作為一種6～8萬載重噸的船型，其船長可達200 m以上，因此在對艏部設(shè)備供電時的壓降也是不可忽視的。在這一情況下，為了保證艏部220 V用電設(shè)備的正常工作，有些設(shè)計方案中會采用440 V電壓對船艏供電，并在船艏位置設(shè)置獨立的變壓器。

②廚房作為船上一個比較特殊的潮濕場所，其用電設(shè)備在實際使用過程中往往會導(dǎo)致配電系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣低報警，影響了船員對系統(tǒng)故障的判斷。出于船員使用體驗方面的考慮，通常在主配電板至廚房設(shè)備分配電板之間設(shè)置絕緣變壓器，以此將廚房配電系統(tǒng)的絕緣低報警分離出來。

3.4 配電板

前面我們討論過，該型船采用了放射式電網(wǎng)的結(jié)線方式，設(shè)有一個主配電板和一個應(yīng)急配電板。

主配電板應(yīng)包含發(fā)電機控制屏、440 V饋電屏、220 V饋電屏、組合啟動屏以及匯流排。具體的屏數(shù)可依據(jù)實際情況進行調(diào)整，而匯流排則應(yīng)至少分成兩個獨立分段，由不帶脫扣裝置的斷路器或可使匯流排能方便分開的隔離開關(guān)等加以連接，并盡量將發(fā)電機和其他雙套設(shè)備均分的連接在這些分段上。

應(yīng)急配電板應(yīng)包含應(yīng)急發(fā)電機控制屏、440 V饋電屏、220 V饋電屏。

分配電板或分電箱的配置可根據(jù)用電設(shè)備的運行工況、電壓等級或所在區(qū)域等進行設(shè)計，但需要注意的是無線電分配電板應(yīng)與航行設(shè)備分配電板相互獨立。

4 重要設(shè)備的供電

重要設(shè)備是指推進、操舵和船舶安全所必需的設(shè)備，以及具有特殊附加標志的船舶上的特殊設(shè)備。其中為保持推進和操舵需連續(xù)運轉(zhuǎn)的設(shè)備我們稱之為主重要設(shè)備，其他的重要設(shè)備可稱為次重要設(shè)備。對重要設(shè)備供電進行設(shè)計時，其電動機應(yīng)由獨立的最后分路供電，并且除其獲得完全選擇性保護或另有明文規(guī)定，主重要設(shè)備應(yīng)直接由主配電板或應(yīng)急配電板（要求應(yīng)急電源供電的）供電。另外，還應(yīng)注意到下述裝置的供電要求：

①電動液壓操舵裝置：從穩(wěn)定性考慮，海運船舶的主操舵裝置通常都會設(shè)有2臺或以上的電動液壓動力裝置。在設(shè)計該裝置的供電方案前應(yīng)首先明確其基本性能是否能夠使船舶最大航海吃水和最大運營前進航行時進行操舵，使舵自任一舷的35 ？觷轉(zhuǎn)至另一舷的35 ？觷，并且于相同條件下自一舷的35 ？觷轉(zhuǎn)至另一舷的30 ？觷所需時間不超過28 s。如該裝置滿足這一性能，其供電可設(shè)計為每一動力設(shè)備由主配電板設(shè)置一路獨立饋電線進行直接供電（其中一路可通過應(yīng)急配電板供電），而當該裝置不滿足上述性能要求時，其每一電動液壓裝置至少應(yīng)由主配電板設(shè)二路獨立饋電線直接供電，但其中一路可通過應(yīng)急配電板供電。

②無線電設(shè)備與航行設(shè)備：無線電設(shè)備分配電板和需由應(yīng)急電源供電的航行設(shè)備分配電板都應(yīng)由主配電板和應(yīng)急配電板設(shè)獨立饋電線供電，并通過分配電板內(nèi)的主/應(yīng)急電源自動轉(zhuǎn)換裝置對設(shè)備提供可靠供電。每一用電設(shè)備也應(yīng)由其分配電板的獨立最后分路供電。

③航行燈：航行燈控制箱應(yīng)直接由主配電板和應(yīng)急配電板供，如應(yīng)急電源設(shè)計中設(shè)置了為航行燈供電的臨時應(yīng)急電源，則航行燈控制箱應(yīng)直接由應(yīng)急配電板和臨時應(yīng)急電源充放電板進行供電。上述兩種供電方式中均應(yīng)設(shè)置電源自動轉(zhuǎn)換裝置對航行燈提供可靠供電，并且每1盞航行燈均應(yīng)由控制箱引出獨立分路供電。

④固定式探火和失火報警系統(tǒng)：應(yīng)至少由兩套電源供電，其中一套應(yīng)為應(yīng)急電源。其供電應(yīng)設(shè)有獨立饋線并接至控制板的電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。

⑤水位探測系統(tǒng)：作為散貨船的特色系統(tǒng)，該系統(tǒng)也應(yīng)由兩個獨立的電源供電，其中一路電源失效時能夠自動轉(zhuǎn)換至另一路電源為其供電。

除此之外，前文中我們也提到了船舶自動化系統(tǒng)中的安全系統(tǒng)、報警系統(tǒng)以及失電時仍有必要使用的控制系統(tǒng)，應(yīng)能在正常供電失電時自動轉(zhuǎn)接至備用電源。

5 結(jié) 語

本文對巴拿馬型散貨船的電力系統(tǒng)設(shè)計做了簡要的總結(jié)，希望能對其他大型散貨船的設(shè)計起到借鑒的作用。中國船級社作為國際船級社協(xié)會成員之一，其規(guī)范內(nèi)容具有很強的通用性，因此本文對入級其他船級社的同型船舶的設(shè)計也具有一定的參考作用。另外，設(shè)計人員在設(shè)計工作中還應(yīng)注意到新生效的規(guī)范、指南、規(guī)則和公約的要求等，并盡可能收集新的技術(shù)，不斷的對系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進。

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