船舶及海洋工程平臺電力負(fù)荷分析

王 鵬，王 敏

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

0 引 言

電力負(fù)荷分析是船舶設(shè)計的基礎(chǔ)，是確定船舶電站及發(fā)電機的容量與配置的依據(jù)。隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)的高速發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)日益龐大、電力設(shè)備的高速更新和應(yīng)用以及使用工況愈來愈多，這些都對經(jīng)典的電力負(fù)荷分析提出了更高的要求，特別是在海洋工程平臺項目中。比如深水半潛式鉆井平臺，幾千臺設(shè)備的運控過程都涉及電力，且運行工況可達近十種。因此，需進一步研究這類船舶的電力負(fù)荷分析方法，以及對于相應(yīng)引出的問題，例如功率因數(shù)的選擇、電壓等級的選擇、電站配置的考慮等進行詳細(xì)的剖析。

1 作業(yè)工況

在進行電力負(fù)荷分析之前，首先應(yīng)了解船舶的各種作業(yè)流程及工況。不同類型、不同用途的船舶差異甚大。

1) 運輸類的船舶工況大致相同，可以分為：航行、進出港、壓載、裝卸貨、停泊、應(yīng)急等幾個工況；

2) 工程類船舶比如布纜船，作業(yè)流程及工況有航行、布設(shè)、埋設(shè)、撈纜、修理登陸、修理布設(shè)、停泊、應(yīng)急等工況；

3) 海洋工程如半潛式鉆井平臺，作業(yè)流程及工況就相對較多：航行、正常天氣動力定位、惡劣天氣動力定位、故障情況動力定位、正常鉆井、重負(fù)荷鉆井工況、起下鉆、停泊、應(yīng)急等工況。

2 電力負(fù)荷分類

2.1 推進定位類負(fù)荷

用于船舶推進或者船舶動力定位時需要使用的負(fù)荷，隨著電力推進技術(shù)的廣泛使用，推進電機，推進變壓器以及推進變頻器組成了推進定位類負(fù)荷的主要設(shè)備。在電力推進的船舶或者海洋工程中，推進定位類負(fù)荷占據(jù)了最大的份額，通常占到電站總?cè)萘?0%以上。推進定位類負(fù)荷與船舶尺寸和航速有關(guān)。動力定位負(fù)荷還需考慮不同的風(fēng)、浪、流環(huán)境，以及船舶尺寸和自身的受風(fēng)面積。推進定位類負(fù)荷在不同的作業(yè)工況和環(huán)境條件下差別很大。

2.2 公用負(fù)荷

船舶在正常運行時所需的公共負(fù)荷，包括輔發(fā)電機系統(tǒng)、機艙輔助系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冷藏系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等等。此部分的負(fù)荷與環(huán)境條件以及作業(yè)工況無關(guān)，在船舶運行各工況下相對穩(wěn)定。

2.3 作業(yè)類負(fù)荷

船舶及海洋工程由于不同作業(yè)需要所配置的相關(guān)負(fù)荷，例如鉆井平臺、鉆井船的鉆井負(fù)荷、物探船的測量負(fù)荷、起重船的起重負(fù)荷、敷管船、布纜船的布設(shè)負(fù)荷、運輸類船舶的駁運負(fù)荷等等。此部分的負(fù)荷與船舶功能、工作工況息息相關(guān)。在不同的作業(yè)條件下功率差別非常突出。

2.4 應(yīng)急負(fù)荷

滿足各類規(guī)范規(guī)則要求，在應(yīng)急情況仍然需要使用的負(fù)荷，例如應(yīng)急消防泵、探火設(shè)備、消防類設(shè)備、逃生設(shè)備等。

3 電力負(fù)荷計算法

電力負(fù)荷計算屬于統(tǒng)計學(xué)的計算法。由于電站不能像船模試驗一樣確定船體的型式和尺寸及推進系統(tǒng)，因此電站容量的選擇只是根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律采用近似的估算方式。

3.1 三類負(fù)荷法

是國內(nèi)使用最多的一種計算全船電力負(fù)荷的方法。它將全船用電負(fù)荷按使用特點分成3類，并且考慮負(fù)荷系數(shù)和同時系數(shù)來進行計算。

1) 第1類負(fù)荷是指在船舶某一運行狀態(tài)下連續(xù)使用的負(fù)荷；

2) 第2類負(fù)荷是指在某一運行狀態(tài)下短時或重復(fù)短時使用的負(fù)荷；

3) 第3類負(fù)荷是指在某一運行狀態(tài)下偶然短時使用或者不用的負(fù)荷。

當(dāng)電氣設(shè)備具有充分的數(shù)據(jù)時，可采用三類負(fù)荷法進行全船電力負(fù)荷的計算。由于數(shù)據(jù)充分，能較準(zhǔn)確地得出各用電設(shè)備的負(fù)荷系數(shù)，同時各用電設(shè)備按其使用情況分類，并按類考慮其同時系數(shù)，亦可以較精確地確定同時系數(shù)。因此，三類負(fù)荷法能求得較精確的結(jié)果。

3.1.1 負(fù)荷系數(shù)

負(fù)荷系數(shù)=電動機利用系數(shù)×機械負(fù)荷系數(shù)

電機利用系數(shù)是指電機軸功率與額定功率之比，機械負(fù)荷系數(shù)是指實際使用功率與電機軸功率之比。這些值都只能在設(shè)計之初通過經(jīng)驗或者母型船數(shù)據(jù)獲得。

3.1.2 同時系數(shù)

現(xiàn)在通常選取1類負(fù)荷同時系數(shù)K1在0.8～0.9范圍內(nèi)。2類負(fù)荷系數(shù)K2在0.3～0.5范圍內(nèi)。所選取的限值應(yīng)視其船舶運行工況及船舶設(shè)備數(shù)量而定，且不同運行工況下的同時系數(shù)不同。

3.2 需要系數(shù)法

需要系數(shù)是用電設(shè)備實際消耗功率與其額定功率的比值?？梢钥闯觯枰禂?shù)結(jié)合了設(shè)備負(fù)荷系數(shù)和使用同時系數(shù)。需要系數(shù)取值是否合理是全船電站選擇的關(guān)鍵，這就要求設(shè)計師具有豐富的經(jīng)驗。目前，國外的海洋工程基本設(shè)計大多采用需要系數(shù)法。

4 相關(guān)問題分析

4.1 網(wǎng)絡(luò)損耗

目前，大多數(shù)的船舶及海洋工程采用電纜作為動力傳輸?shù)闹饕绞剑娎|作為傳輸載體，消耗能量會造成電壓跌落。因此大多數(shù)的設(shè)計指南中會要求考慮5%的網(wǎng)絡(luò)損耗計入電力負(fù)荷計算中。然而，統(tǒng)一使用5%的冗余度考慮較為保守，更應(yīng)視電網(wǎng)情況而定。

4.1.1 低壓系統(tǒng)

對于低壓電網(wǎng)系統(tǒng)（例如AC380V，AC440V，AC690V等），這樣的考慮也無可厚非，畢竟大部分的設(shè)備需配備低壓，考慮到電纜和變壓器產(chǎn)生的損耗，因此計及 5%的網(wǎng)絡(luò)損耗對于電站選擇較可靠。規(guī)范對于電纜造成最大交流穩(wěn)態(tài)電壓降跌落的要求是不能超過6%也從側(cè)面反映了這一點。

4.1.2 中壓系統(tǒng)

在中壓系統(tǒng)中，特別是6.6kV和11kV的電壓等級，特別是主要用電設(shè)備為中壓設(shè)備使得電纜傳輸損耗會降低不少。因此，在大容量的船舶及海洋工程電網(wǎng)計算中，應(yīng)適當(dāng)降低網(wǎng)絡(luò)損耗的比例，甚至在很多國外公司的中壓海洋工程的項目負(fù)荷計算中都忽略此項。根據(jù)經(jīng)驗，中壓系統(tǒng)考慮 2%～3%的網(wǎng)絡(luò)損耗較合適。

4.2 無功功率

在船舶電網(wǎng)中，無功功率和有功功率一樣重要。原因是，幾乎所有的設(shè)備正常運行都需要無功分量。在電機啟動，變壓器合閘等功率因數(shù)特別低的情況下，都需要大量的無功功率。

目前國內(nèi)的船舶設(shè)計電力負(fù)荷計算中，通常對于無功功率計算不作特殊的要求。但是反觀國外海洋工程電力負(fù)荷計算中，全船無功功率負(fù)荷分析比比皆是。究其原因，無非是發(fā)電機功率因數(shù)的選擇出現(xiàn)了一些問題。

在船舶領(lǐng)域，大多使用功率因數(shù)0.8的發(fā)電機。原因在于，通過工程分析，大部分的設(shè)備額定功率因數(shù)都大于0.8。比如，機艙泵的功率因數(shù)多在0.85左右，變壓器的功率因數(shù)為0.8，變頻鉆井電機的功率因數(shù)超過了0.9，變頻器的功率因數(shù)為0.95以上，照明系統(tǒng)中也會選用高功率因數(shù)的燈具產(chǎn)品（>0.85）等。但是需要注意，大部分設(shè)備沒有工作在額定點，因此實際的設(shè)備功率因數(shù)會比額定值低些。所以，當(dāng)設(shè)備正常運行時，選用功率因數(shù)0.8的發(fā)電機應(yīng)該可以滿足絕大部分設(shè)備的要求。

但是一些海洋工程中，特別是半潛式鉆井平臺或者鉆井船項目中，國外的設(shè)計都會選擇功率因數(shù) 0.9的發(fā)電機，從而提高經(jīng)濟性。原因是作為最大負(fù)載的推進負(fù)荷由變頻器驅(qū)動，占據(jù)超過70%的份額，而變頻器的整流側(cè)功率因數(shù)很高，對于12脈和24脈的不可控整流器功率因數(shù)都超過0.99，因此船舶在航行、定位等主要運行工況下，總的功率因數(shù)很高，對電站需求無功功率很小。

也有一些海洋工程中，特別是美國區(qū)域使用的鉆井平臺，發(fā)電機功率因數(shù)多為0.7或者更低。原因是這些平臺對于諧波抑制方式較簡單，需要較大的發(fā)電機視在容量以抵御諧波畸變造成的影響。

4.3 電站配置

通過對船舶作業(yè)工況的分析，按照計算方法統(tǒng)計全船電力負(fù)荷的總和，得到每種工況下以及最大的功率需用值，以此條件作為全船電站配置的基礎(chǔ)。

根據(jù)海洋工程項目實際情況考慮電站的配置，包括數(shù)量和容量。主要考慮以下幾個方面：

1) 電站總功率滿足各運行工況下的最大用電量的需要；

2) 考慮設(shè)置備用機組，其容量應(yīng)等于電站中最大一臺機組的容量，當(dāng)任意一臺機組故障時，備用機組都能立即投入電網(wǎng)運行以保證供電之可靠性；

3) 考慮一定的功率儲備，各發(fā)電機的最高負(fù)荷率取85%左右；

4) 主發(fā)電機組的臺數(shù)過多會增加維護管理工作量，過少則降低運行經(jīng)濟性；

5) 為保證有良好的并聯(lián)運行特性，又可使各機組互為備用，所以對于新造平臺，基本上選用同型號且容量相同的機組；

6) 若有動力定位要求，需考慮動力定位附加標(biāo)志（DP2/DP3）的要求，當(dāng)發(fā)生單個故障時在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持位置和艏向。

一般非電力推進船舶電站的負(fù)荷率在85%是合理的。而在電力推進船舶中,由于船舶電站的主要負(fù)載是供推進負(fù)荷，其絕對值又較常規(guī)電站大，因此其負(fù)荷率應(yīng)比常規(guī)電站的要高才更合理，否則會使電站裕量儲備過大而浪費。目前對大容量船舶電站的負(fù)荷率沒有任何規(guī)定和探討，根據(jù)資料分析，有工程界專家提出在95%左右是合理可行的。試以電站容量20MW為例，95%負(fù)荷率則有1MW的裕量儲備，接近于一個常規(guī)電站的總?cè)萘浚梢詰?yīng)付電站負(fù)荷變化的需要。

4.4 電壓等級

一定的電壓等級決定了一定的電網(wǎng)容量和供電負(fù)荷的大小，當(dāng)電力系統(tǒng)的容量達到一定值以后，采用中壓交流電力系統(tǒng)（例如3.3kV、6.6kV、11kV等）是一個很好的選擇，它可以大大減小短路電流的水平，可以選用標(biāo)準(zhǔn)的中壓交流配電柜而降低成本，提高系統(tǒng)的安全可靠性，同時還可以節(jié)省大量的電纜。

從斷路器的容量分析來看，低壓交流電力系統(tǒng)（例如400V AC或者450V AC）匯流排短路電流半周對稱有效值（Isc）的極限為135kA，當(dāng)短路電流Isc超過135kA時必須選用中壓交流電力系統(tǒng)，當(dāng)短路電流Isc超過100kA時優(yōu)先選用中壓交流電力系統(tǒng)。生產(chǎn)大容量非標(biāo)準(zhǔn)的低壓交流配電板需要大量的試驗成本，既不經(jīng)濟也不安全。

當(dāng)?shù)蛪航涣麟娏ο到y(tǒng)水平匯流排的額定容量不大于6300A，短路電流對稱有效值Isc不超過100kA，應(yīng)該采用低壓交流電力系統(tǒng)。許多著名的低壓配電設(shè)備制造商均能提供經(jīng)濟的、安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)型低壓開關(guān)柜、低壓配電屏。當(dāng)?shù)蛪航涣麟娏ο到y(tǒng)水平匯流排額定容量大于6000A而不超過8000A，短路電流對稱有效值超過100kA且不超過120kA，或者說粗略估計電站總?cè)萘看蠹s為8～10MW，可以根據(jù)船東的喜好和習(xí)慣選用低壓交流電力系統(tǒng)（例如450V交流電力系統(tǒng)）或者中壓交流電力系統(tǒng)（例如3.3kV或6.6kV交流電力系統(tǒng)）。當(dāng)?shù)蛪航涣麟娏ο到y(tǒng)匯流排短路電流對稱有效值超過120kA或者粗略估計電站總?cè)萘砍^10MW左右，應(yīng)該考慮選用中壓交流電力系統(tǒng)，例如3.3kV或6.6kV交流電力系統(tǒng)；如果電站總?cè)萘砍^40MVA，例如采用電力推進方案，應(yīng)該優(yōu)先考慮選用10～11kV交流電力系統(tǒng)。

5 結(jié) 語

通過對船舶及海洋工程的作業(yè)工況分析、電力負(fù)荷計算方法的簡單介紹，并對相關(guān)產(chǎn)生的幾個問題如無功功率、電壓等級、網(wǎng)絡(luò)損失、電站配置等進行了分析探討，供工程設(shè)計人員在船舶電氣設(shè)計中參考。

[1] 船舶設(shè)計實用手冊 電氣分冊[S]. 北京：國防工業(yè)出版社.

[2] 電氣工程手冊[S]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[3] 大型船舶電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社.