62米DCM打樁船電氣設(shè)計(jì)

文/杜濤

62米DCM打樁船電氣設(shè)計(jì)

文/杜濤

DCM打樁船是國(guó)際上最新開(kāi)發(fā)的一種特種工程船，融高技術(shù)含量、高附加值，集船舶、深層水泥漿攪拌、智能化施工管理、船舶自動(dòng)調(diào)傾系統(tǒng)等技術(shù)于一體，在港口、海上機(jī)場(chǎng)、海上垃圾堆場(chǎng)等建設(shè)項(xiàng)目施工中具有不可替代的作用，被稱為移動(dòng)的海上打樁機(jī)。目前，國(guó)內(nèi)正處于消化和吸收國(guó)外技術(shù)階段，有關(guān)船舶設(shè)計(jì)單位正在加緊研發(fā)，逐步突破了日、韓等國(guó)對(duì)此類船舶的壟斷。此類船舶的設(shè)計(jì)和投入使用，對(duì)于貫徹落實(shí)我國(guó)海洋發(fā)展部署和實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略，促進(jìn)國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)參與國(guó)際海上打樁工程投標(biāo)，具有十分積極的意義。

1　概述

1.1DCM打樁船工作原理

打樁船的樁架一般有固定式與全回轉(zhuǎn)式之分。前者只能在艏部打樁作業(yè)；后者既可在艏端打樁作業(yè)，又可在舷部的左右兩舷打樁作業(yè)。DCM打樁船是非自航固定式樁架（見(jiàn)圖1），工作時(shí)需要拖船拖到指定的工作水域后，工作時(shí)由船上的絞車與錨定位以維持船舶的平衡，然后才能使用樁機(jī)進(jìn)行作業(yè)。樁機(jī)系統(tǒng)配備有近50米的樁架，用以支撐動(dòng)力頭的上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)力頭到達(dá)海床面時(shí)，由于是在水下作業(yè)，每次動(dòng)力頭從水底提升上來(lái)時(shí)，必然帶上大量的淤泥，因此需要高壓水泵對(duì)動(dòng)力頭進(jìn)行沖洗。在樁機(jī)打到一定的深度后，就可以進(jìn)行灌漿作業(yè)。因此船上還配有三個(gè)大型的水泥罐，及水泥攪拌、灌漿系統(tǒng)。

圖1　DCM打樁船實(shí)例圖片

1.2電氣設(shè)計(jì)考慮要素

DCM打樁船是目前國(guó)內(nèi)較緊缺的一種工程船，主要用于海上建設(shè)打樁。由于海上打樁不同陸地，環(huán)境更復(fù)雜，海水又有腐蝕性，而且每年的6到10月都是臺(tái)風(fēng)多發(fā)的季節(jié)，因此對(duì)船舶及船上設(shè)備要求更高。在進(jìn)行船舶電氣設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要嚴(yán)格按照CCS對(duì)相關(guān)船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求來(lái)，還要考慮環(huán)保等其它方面的相關(guān)規(guī)定。

本船主要應(yīng)用于沿海、港澳地區(qū)甚至海外地區(qū)海上工程，一般在沿海航區(qū)作業(yè)，配員非自航，屬于工程駁船類特種船。電氣部分的設(shè)計(jì)需要根據(jù)船東的要求，按照CCS 2016年版《鋼質(zhì)海船、內(nèi)河船舶建造規(guī)范》進(jìn)行。由于本船設(shè)計(jì)任務(wù)工期緊、附加設(shè)備多，而且很多設(shè)備屬于打樁工程專用，需要提前訂貨。各種設(shè)備的選擇不僅需要滿足規(guī)范要求，也需要經(jīng)常與船東溝通協(xié)商，選擇CCS及船東都認(rèn)可的供應(yīng)商。本船船艉部共有主甲板、船員甲板、控制甲板三層甲板。船上設(shè)有船員生活區(qū)，平時(shí)工作時(shí)有一批工作人員在船上作業(yè)及生活，因此在主甲板設(shè)有廚房和餐廳。廚房燃料方面船東選擇的是石油氣，因此廚房?jī)?nèi)的電氣設(shè)備主要就是電飯煲和電熱水器及冰箱等。由于是非自航船，因此在電氣設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮主機(jī)及舵槳系統(tǒng)。

2　電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船的電氣系統(tǒng)主要包括380V交流電力系統(tǒng)、220V交流照明系統(tǒng)、低壓及應(yīng)急照明系統(tǒng)、配電板、控制室綜合控制系統(tǒng)、船舶及乘員安全系統(tǒng)等幾個(gè)方面組成。而380V交流電力系統(tǒng)關(guān)系到本船能否正常進(jìn)行打樁作業(yè)，因此本節(jié)將重點(diǎn)介紹此系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1380V交流電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船安裝配有三個(gè)動(dòng)力頭的樁機(jī)系統(tǒng)，每個(gè)動(dòng)力頭包括了4個(gè)功率110kW的大功率電動(dòng)馬達(dá)，組成有500kW的動(dòng)力頭。當(dāng)每個(gè)動(dòng)力頭啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流就相當(dāng)大，對(duì)電網(wǎng)的影響也很大。為了消除樁機(jī)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，每套動(dòng)力頭除了配備有相應(yīng)的變頻柜，還配備相應(yīng)的電阻箱。本船配有3臺(tái)110kW動(dòng)力頭絞車、5臺(tái)37kW錨機(jī)定位絞車、3臺(tái)22kW輔助絞車、3 臺(tái)150kW后臺(tái)電氣控制柜。容量大于11kW的動(dòng)力設(shè)備，應(yīng)采用Y-Δ降壓起動(dòng)方式起動(dòng)，其它容量大于50kW的電動(dòng)機(jī)采用變頻起動(dòng)方式起動(dòng)。在繁忙時(shí)需要船舶上的三個(gè)動(dòng)力頭24小時(shí)同時(shí)工作，三個(gè)動(dòng)力頭頻繁起動(dòng)。在打樁時(shí)遇到的地質(zhì)不同時(shí)，負(fù)荷也不同，因此對(duì)動(dòng)力電源的要求很高。本船主要設(shè)備工作電壓都是交流380V，總功率達(dá)到2000kW以上。因此，在主電源裝置上配置四臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，其單機(jī)額定輸出功率為600kW，輸出電壓交流380V，四臺(tái)發(fā)電機(jī)可并聯(lián)運(yùn)行，總額定輸出功率可達(dá)到2400kW。發(fā)電機(jī)的并車操作，采用同步脈沖并車裝置自動(dòng)并車和手動(dòng)準(zhǔn)同步并車兩種方式。四臺(tái)600kW發(fā)電機(jī)組能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)順序啟動(dòng)，機(jī)組間順序可以隨意選擇，配電板母線有電時(shí)，待并機(jī)組自動(dòng)同步，自動(dòng)合閘。通過(guò)對(duì)整船的電力負(fù)荷計(jì)算，該發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以滿足船舶的任何工況下的電力需求。由于船東希望在停泊工況下減少發(fā)電機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，因此另設(shè)一臺(tái)120kW的停泊發(fā)電機(jī)，供船舶日常生活電氣設(shè)備使用。

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并車、自動(dòng)監(jiān)控的功能，目前使用最普遍的是自動(dòng)電站裝置 PMS（Marine Power Management System）。PMS設(shè)有自動(dòng)模式、半自動(dòng)模式及手動(dòng)模式三種控制模式，可通過(guò)安裝于同步控制屏面板的模式選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。在手動(dòng)模式下，PMS只顯示供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，與全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)通訊，不執(zhí)行任何控制功能；在半自動(dòng)模式下，可從母聯(lián)及功率管理界面上對(duì)PMS操作實(shí)現(xiàn)以下功能：機(jī)組啟動(dòng)、機(jī)組停機(jī)、主斷路器合閘、主斷路器分?jǐn)?；在自?dòng)模式下，PMS自動(dòng)對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行管理，包括這些功能：①機(jī)組的自動(dòng)起動(dòng)；②機(jī)組投入及并聯(lián)運(yùn)行；③機(jī)組自動(dòng)斷開(kāi)及停機(jī)；④發(fā)電機(jī)組的啟、停順序設(shè)定；⑤自檢功能；⑥短路時(shí)各發(fā)電機(jī)的主開(kāi)關(guān)防重合閘功能；⑦電站對(duì)大功率電器設(shè)備具有功率問(wèn)詢功能；⑧電網(wǎng)具有自動(dòng)卸載功能；⑨主發(fā)電機(jī)組、停泊發(fā)電機(jī)、岸電之間有互鎖功能。

PMS是由柴油機(jī)電子調(diào)速器、安全保護(hù)單元、CPU處理器、輸入、輸出單元組成。每臺(tái)發(fā)電機(jī)都有同步調(diào)節(jié)器，當(dāng)需要并網(wǎng)時(shí)，PMS對(duì)設(shè)定的同步調(diào)節(jié)器發(fā)出同步指令，同步調(diào)節(jié)器根據(jù)待機(jī)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的電壓、相位差控制待機(jī)發(fā)電機(jī)的調(diào)速器，調(diào)整待機(jī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直到滿足同步條件，待機(jī)發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)合閘（如圖2所示）。在自動(dòng)模式下，CPU處理器收到外部輸入的功率請(qǐng)求信號(hào)后，PMS根據(jù)設(shè)定的程序決定需并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)目，并聯(lián)的發(fā)電機(jī)按照PMS設(shè)定的速度曲線進(jìn)行調(diào)速和分配負(fù)荷。相比PLC控制系統(tǒng)，DEIF公司采用集成化的PPU（Protection and Paralleling Unit）控制單元，可以單獨(dú)工作或與PLC一起工作。配有易于操控的液晶顯示屏，具有采樣信號(hào)多、控制精確、監(jiān)控全面、響應(yīng)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單、線路少等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在船舶自動(dòng)電站系統(tǒng)中。

圖2　發(fā)電機(jī)組并車原理圖

2.2正常照明及低壓應(yīng)急照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，除了按照規(guī)范在艙室和機(jī)艙配備相應(yīng)數(shù)量的燈具外，還要注意的是由于在主甲板設(shè)有蓄電池間，需要按規(guī)范在蓄電池間配備相應(yīng)等級(jí)的防爆燈具。而本船是工程船舶，平時(shí)施工人員多，施工人員的一日三餐都在船上，因此廚房要預(yù)留足夠多的插座，方便電飯煲、電熱水器的使用。船舶經(jīng)常在晚上作業(yè)，整船夜間的照明也要足夠，以防由于照明不夠造成的人員落水、碰傷等事故。因此，本船在控制室頂、現(xiàn)場(chǎng)施工區(qū)及樁架部分安裝了大量的大功率照明燈具。

本船設(shè)有工作人員休息室，由于本船并沒(méi)有中央空調(diào)，故每個(gè)休息室則要考慮配備一匹的分體空調(diào)。而控制室、會(huì)議室面積較大，需要更大功率的分體空調(diào)，因此本船設(shè)置了兩個(gè)交流220V的空調(diào)分電箱。至于電柜艙放置許多電氣控制柜，這些電氣設(shè)備對(duì)使用的環(huán)境也有很高的要求，而電柜艙的面積較大，因此在電柜艙安裝功率更大的交流380V空調(diào)。

本船還要考慮港澳地區(qū)的要求，插座要選擇港澳地區(qū)適用的5A或13A插座，而且每個(gè)插座及電氣設(shè)備都要接地。按照港澳地區(qū)海事的要求，每路插座線路供給小型電氣設(shè)備不宜太多，一般不超過(guò)8個(gè)點(diǎn)。

本船是非自航船，按規(guī)范的要求，該船的航行信號(hào)設(shè)備不多，但值得留意的是本船高度達(dá)四十多米，又經(jīng)常在機(jī)場(chǎng)附近施工，故需要加裝高空警示燈。由于船長(zhǎng)超過(guò)50米，因此按規(guī)范要求需要在船艏部安裝錨燈，并且前錨燈要高于后錨燈。

對(duì)于低壓應(yīng)急照明系統(tǒng)，除了要按規(guī)范設(shè)置足夠的應(yīng)急燈外，應(yīng)急電源需要安裝在水線以上，應(yīng)急線路應(yīng)該使用耐火電纜。本船選擇的應(yīng)急電源是由兩組12V200AH酸鉛蓄電池組成的24V直流電源，兩組電源互為備用。由于有專門的蓄電池間，應(yīng)用蓄電池就不需要裝箱處理，但要注意通風(fēng)。

2.3控制室綜合控制系統(tǒng)

本船設(shè)備眾多，樁機(jī)的綜合控制安裝在船艉的綜控室。在控制室設(shè)置集中控制臺(tái)一套，包括電子號(hào)笛、廣播、火警、通用報(bào)警、航行信號(hào)燈控制箱、自動(dòng)電話、VHF、AIS及發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程板等相關(guān)控制設(shè)備。另外綜控室還布置有1～3號(hào)動(dòng)力頭的中控臺(tái)及1～5號(hào)發(fā)電機(jī)的遙控監(jiān)控裝置。

雖然使用了網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，但樁機(jī)系統(tǒng)的控制電纜數(shù)量還是相當(dāng)驚人。光定位絞車使用的24×1mm2控制電纜就達(dá)幾十條，還有大量的10×1mm2、7× 1mm2控制電纜及監(jiān)控?cái)z像頭電纜。因此需要預(yù)留足夠的電纜通道，方便電氣系統(tǒng)安裝。而在樁架上的動(dòng)力頭電纜，需要經(jīng)常上下提升幾十米，數(shù)量也相當(dāng)多、重量相當(dāng)重，需要選擇高強(qiáng)度、高品質(zhì)的特種軟電纜，在動(dòng)力頭工作時(shí)，這些電纜需要有輔助吊裝支撐，可以隨著動(dòng)力頭同時(shí)上下運(yùn)動(dòng)。

2.4船舶及乘員安全系統(tǒng)

本船的船舶及乘員安全系統(tǒng)主要由通用緊急報(bào)警系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)、探火和失火報(bào)警系統(tǒng)組成。需要注意的是，船舶及乘員安全系統(tǒng)所有電纜按規(guī)范要求都要選擇耐火電纜，以保證出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)也能維持這些設(shè)備正常運(yùn)作。而在特殊地方如廚房、蓄電池間則需要選用符合規(guī)范要求的設(shè)備。

（1）通用緊急報(bào)警系統(tǒng)。本船設(shè)置通用報(bào)警系統(tǒng)一套。報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)始工作之后，便自動(dòng)接通擴(kuò)音機(jī)系統(tǒng)，向本船的所有區(qū)域發(fā)出報(bào)警聲響信號(hào)。

（2）公共廣播系統(tǒng)。本船設(shè)置船用擴(kuò)音機(jī)一套。該系統(tǒng)由擴(kuò)音機(jī)主機(jī)、遙控臺(tái)和若干不同功率的揚(yáng)聲器組成。擴(kuò)音機(jī)主機(jī)設(shè)在控制室，遙控臺(tái)設(shè)在船艏、船艉、輔機(jī)艙，主機(jī)可以與遙控臺(tái)之間進(jìn)行有線對(duì)講。系統(tǒng)備有接口，可與通用報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相連接。

（3）探火和失火報(bào)警系統(tǒng)。本船設(shè)置固定式探火與失火報(bào)警系統(tǒng)一套。一旦火災(zāi)發(fā)生，即報(bào)警信號(hào)輸出2分鐘后仍然無(wú)人響應(yīng)，此報(bào)警信號(hào)即自動(dòng)接入船內(nèi)通用緊急報(bào)警系統(tǒng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3　小結(jié)

通過(guò)本次打樁船的電氣設(shè)計(jì)，獲益良多。首先，通過(guò)對(duì)船舶電站PMS的系統(tǒng)學(xué)習(xí)與分析，對(duì)船舶電力的合理分配理解更清晰。其次，本次設(shè)計(jì)工期緊，可以運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)的知識(shí)去合理安排工作，節(jié)省了時(shí)間，提高了效率。再次，通過(guò)本次設(shè)計(jì)，深入了解打樁船這類工程船舶，圓滿地完成了客戶委托的任務(wù)，跟相關(guān)的船廠建立了良好的溝通，有利于更好對(duì)接市場(chǎng)需求，提高船舶設(shè)計(jì)水平，應(yīng)對(duì)目前造船業(yè)不景氣的市場(chǎng)。

船東方面長(zhǎng)期從事陸地上打樁作業(yè)，對(duì)海上的規(guī)范并不清楚，對(duì)船舶的建造預(yù)算也估計(jì)不足，因此在打樁船設(shè)計(jì)過(guò)程中既要考慮船東的要求，更要考慮相關(guān)規(guī)范的要求，需要與船東及船檢方面建立緊密的聯(lián)系、溝通渠道。電氣設(shè)備的布置也必須與船體和輪機(jī)部門頻繁溝通，須考慮船體和輪機(jī)的設(shè)計(jì)變更而即時(shí)調(diào)整，從而減少重復(fù)工作，提高工作效率。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，為相關(guān)的船舶設(shè)計(jì)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。作為廣東的船舶科研單位，必須正視與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，向國(guó)際先進(jìn)的船舶設(shè)計(jì)單位學(xué)習(xí)，積極引進(jìn)吸收國(guó)際上的新科技、新技術(shù)，牢牢地抓住科技創(chuàng)新這條主線。廣東作為一個(gè)海洋大省，對(duì)海洋工程船、新型高速客船等新型船舶的需求會(huì)越來(lái)越大，做好新型船舶的研究與設(shè)計(jì)，走出一條創(chuàng)新之路，將為國(guó)家實(shí)施“一帶一路”戰(zhàn)略貢獻(xiàn)一份力量。

杜濤（1975-），男，工程師，本科，任職于廣東省航運(yùn)科學(xué)研究所，從事船舶電氣設(shè)計(jì)研究工作。