科學(xué)考察船電力負(fù)荷計(jì)算及分析

徐成 ， 邰能靈

(上海交通大學(xué)，上?！?00240)

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科學(xué)考察船電力負(fù)荷計(jì)算及分析

徐成 ， 邰能靈

(上海交通大學(xué)，上海200240)

船舶電站的配置，是船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要內(nèi)容，配置合理與否直接關(guān)系到船舶電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性。主要對科學(xué)考察船電力負(fù)荷的計(jì)算方法進(jìn)行分析，并利用三類負(fù)荷法計(jì)算船舶在不同工況下的電力負(fù)荷，包括經(jīng)濟(jì)航行、全速、位置保持(重負(fù)荷)、拖曳作業(yè)、漂泊、錨泊和在港停泊等工況的電力負(fù)荷，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇發(fā)電機(jī)的容量。

船舶電力系統(tǒng)；電力負(fù)荷； 三類負(fù)荷法；不同工況

0　引　言

現(xiàn)代船舶技術(shù)的快速發(fā)展、船舶電力系統(tǒng)的日益龐大、船舶電力設(shè)備的快速化更新和應(yīng)用以及船舶運(yùn)行工況的日益眾多，加大了船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算的難度[1]。因此，要得到比較準(zhǔn)確的船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，必須對船舶電力設(shè)備的主要組成部分的實(shí)際運(yùn)行情況，做詳細(xì)的分類和調(diào)查研究，全面地考慮主要電力設(shè)備的負(fù)荷情況[2]。本文所計(jì)算的船舶為科學(xué)考察船采用電力推進(jìn)方式驅(qū)動，主要電力設(shè)備包括：2套1 500 kW的推進(jìn)電機(jī)、1臺600 kW艏側(cè)推、2臺300 kW艉側(cè)推、2套400 kW地震空壓機(jī)、1套600 kW科考絞車。另外，輔助油泵、風(fēng)機(jī)等其他用電設(shè)備功率約為350 kW，下面將結(jié)合三類負(fù)荷法和使用系數(shù)法對科學(xué)考察船的輪機(jī)設(shè)備、舾裝設(shè)備以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了分析，計(jì)算出各個工況下所需的總功率。最后綜合考慮計(jì)算出科學(xué)考察船需要配備的柴油發(fā)電機(jī)組的容量和數(shù)量。

1　科學(xué)考察船電力系統(tǒng)概述

船舶電力系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機(jī)、配電網(wǎng)、變壓器和用電設(shè)備組成。圖1給出了船舶綜合電力系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。發(fā)電機(jī)由原動機(jī)帶動，配電裝置用來接收發(fā)電機(jī)所發(fā)出電能，并將這些電能分配給全船[3-4]。一般船舶的電力系統(tǒng)包括3臺～4臺發(fā)電機(jī)組，其中一臺為應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電通過配電板向電力設(shè)備供電，一臺直接向負(fù)載供電，另外一臺通過變壓器降壓以后向低壓設(shè)備供電。當(dāng)船舶?？扛劭跁r，可以接岸電；當(dāng)發(fā)生應(yīng)急情況時，可以啟動應(yīng)急發(fā)電機(jī)，向船舶上的重要負(fù)載供電[5-6]。

圖1　船舶綜合電力系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2　船舶電力負(fù)荷的分類和主要工況

在科學(xué)考察船上，電力負(fù)荷眾多，分布在全船的各個部位，為了使負(fù)荷的計(jì)算清晰，防止遺漏某些負(fù)載，一般把全船的電力負(fù)載按不同的用途和所處的位置進(jìn)行分類。一般分成以下幾類如表1所示。

根據(jù)以上分類計(jì)算全船電力負(fù)荷時還應(yīng)該考慮船舶在不同運(yùn)行工況。通常最大負(fù)荷工況一般用來確定發(fā)電機(jī)的總?cè)萘?，最小?fù)荷工況用來確定單臺發(fā)電機(jī)的容量大小。下面列舉了船舶的主要工作狀態(tài)：

表1　船舶電力負(fù)荷的主要分類

(1) 航行：經(jīng)濟(jì)航行、滿載全速航行

(2) 位置保持(重負(fù)荷)、漂泊(輕負(fù)荷)

(3) 作業(yè)：包括科學(xué)考察船的拖曳作業(yè)、地震作業(yè)、海上作業(yè)等

(4) 錨泊狀態(tài)

(5) 進(jìn)出港狀態(tài)：船舶在港內(nèi)的機(jī)動狀態(tài)。

3　船舶電力負(fù)荷計(jì)算方法

目前，船舶電力負(fù)荷的計(jì)算方法很多，包括三類負(fù)荷法、需要系數(shù)法、概率分析、日夜負(fù)載等。在實(shí)際的使用中，常用的方法有需求系數(shù)法、三類負(fù)荷法。這里分析介紹工程應(yīng)用最廣泛地三類負(fù)荷法及需求系數(shù)法。

3.1三類負(fù)荷計(jì)算法

三類負(fù)荷法在船舶負(fù)荷計(jì)算領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用，是船舶電氣設(shè)計(jì)人員使用最多的一種計(jì)算方法。它利用負(fù)荷系數(shù)和同時系數(shù)將船上主要用電設(shè)備分成三類。這種方法在電氣設(shè)備具有充分的數(shù)據(jù)時，具有較高的準(zhǔn)確率，并且計(jì)算速度較快，但是負(fù)荷系數(shù)和同時系數(shù)的選取需要電氣設(shè)計(jì)人員有一定的經(jīng)驗(yàn)。表2 給出了三類負(fù)荷的分類方法和某一工況下的工作概率。

表2　三類負(fù)荷的定義和使用概率

三類負(fù)荷各系數(shù)的定義與計(jì)算：

(1) 電機(jī)的利用系數(shù)K1：在選擇電機(jī)等設(shè)備時，需要考慮電機(jī)的過載能力，保證電機(jī)具有大啟動力矩和短時大功率等，所以電機(jī)的額定功率總是大于實(shí)際機(jī)械軸上所需的功率，正因?yàn)殡姍C(jī)未能充分利用，而它長期需要電網(wǎng)供給最大功率也小于額定需要的功率。這一點(diǎn)在負(fù)荷表中用電動機(jī)利用系數(shù)來反映，即電動機(jī)利用系數(shù)為：

K1=P2/P1

(1)

式中P1——電機(jī)額定功率；

P2——機(jī)械軸上額定功率。

(2) 機(jī)械負(fù)荷系數(shù)K2：在某一運(yùn)行狀態(tài)時，電機(jī)不一定滿負(fù)荷運(yùn)行，可用機(jī)械負(fù)荷系數(shù)K2來反映它對電力負(fù)荷的影響。機(jī)械負(fù)荷系數(shù)為:

K2=P3/P2

(2)

式中P2——機(jī)械軸上額定功率；

P3——機(jī)械軸上實(shí)際輸出功率。

(3) 電動機(jī)負(fù)荷系數(shù)K3：電動機(jī)的負(fù)荷系數(shù)為電機(jī)的利用系數(shù)和機(jī)械負(fù)荷系數(shù)的乘積，即電動機(jī)利用系數(shù)為：

K3=K1·K2

(3)

(4) 同時使用系數(shù)K0：在某一工作狀態(tài)下，同類用電設(shè)備不一定同時使用，因此利用同時使用系數(shù)K0來計(jì)及它對同一組同功率的用電設(shè)備負(fù)荷的影響。即同時使用系數(shù)為：

K0=n/m

(4)

式中n——某一組同時工作的用電設(shè)備數(shù)目；

m——某一組用電設(shè)備的總數(shù)。

在計(jì)算電動機(jī)所需的實(shí)際負(fù)荷時，需要考慮電機(jī)的工作效率。在額定工作狀態(tài)下，一臺電動機(jī)需要電網(wǎng)供給的有功功率為：

P4=P1/η

(5)

式中P1——電機(jī)的額定功率；

η——額定時電動機(jī)效率。

一組同類電動機(jī)額定所需總功率為:

P5=m·P4

(6)

對于照明等生活用電設(shè)備來說，需要電網(wǎng)供給的功率P5為其裝置的額定功率。

通過上述分析某一運(yùn)行狀態(tài)時，一組同類電動機(jī)實(shí)際所需有功功率為：

P=m·K1·K2·K0·P4=

m·K3·K0·P4=K3·K0·P5

(7)

在某個工作狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)所需供應(yīng)的總的功率為各類負(fù)荷的總和，此時需要考慮各組用電設(shè)備直接的同時使用系數(shù)?？紤]到電網(wǎng)損耗，因此，某工況下需要發(fā)電機(jī)供給的總功率為：

P∑=(K0Ⅰ·PI+K0Ⅱ·PⅡ+K0Ⅲ·PⅢ)·(1+Φ)

(8)

其中Φ——為損耗系數(shù)；

K0Ⅰ——第Ⅰ類負(fù)荷同時使用系數(shù)；

K0Ⅱ——第Ⅱ類負(fù)荷同時使用系數(shù)；

K0Ⅲ——第Ⅲ類負(fù)荷同時使用系數(shù)。

3.2需求系數(shù)法

各組用電設(shè)備實(shí)際所需要的功率由各設(shè)備的類型和使用工況決定的，這種關(guān)系可以用一個系數(shù)表示，即需要系數(shù)。需要系數(shù)法的計(jì)算過程較簡單，其定義為用電設(shè)備實(shí)際消耗功率與其額定功率的比值，即:

K=Ps/Pe

(9)

式中Ps——實(shí)際消耗功率；

Pe——額定所需功率。

全船負(fù)荷實(shí)際消耗總功率為各用電設(shè)備實(shí)際消耗功率之和，即為：

P∑=∑K·Ps

(10)

考慮電網(wǎng)損耗，發(fā)電機(jī)所需總功率為：

P=P∑·(1+Φ)

(11)

由于電力推進(jìn)科學(xué)考察船的主要負(fù)荷為推進(jìn)負(fù)荷，與之相連的變頻器的整流側(cè)功率因數(shù)很高，所以船舶在航行等主要運(yùn)行工況下，總的功率因數(shù)很高，對電站發(fā)電機(jī)功率選擇影響不大。因此，可以不計(jì)無功功率對發(fā)電機(jī)容量的影響。

為了確定本科學(xué)考察船的電站配置，研究科考船的具體使用

情況，在根據(jù)圖2負(fù)荷計(jì)算流程圖，以及獲得實(shí)船各個負(fù)載設(shè)備的使用情況，計(jì)算出了本次科考船的電力負(fù)荷結(jié)果如表3、表4所示。

圖2　負(fù)荷計(jì)算流程

設(shè)備經(jīng)濟(jì)航行全速位置保持(DP重負(fù)荷)拖曳作業(yè)連續(xù)負(fù)荷/kW間歇負(fù)荷/kW連續(xù)負(fù)荷/kW間歇負(fù)荷/kW連續(xù)負(fù)荷/kW間歇負(fù)荷/kW連續(xù)負(fù)荷/kW間歇負(fù)荷/kW負(fù)荷狀況分析1、主推進(jìn)裝置908020220908071002、艏側(cè)推00005280003、機(jī)艙輔機(jī)175.5141.7176.6141.7185.6141.7174.5141.74、甲板機(jī)械1017.81017.81017.81017.85、實(shí)驗(yàn)支撐系統(tǒng)9.23.59.23.578.3244.878.3267.46、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)62.9062.9062.9062.907、冷藏空調(diào)風(fēng)機(jī)202.51.4202.51.4202.51.4202.51.48、導(dǎo)航通信設(shè)備22.0022.0022.0022.009、照明設(shè)備及其他電氣設(shè)備91.1090.4097.0097.1010、廚房和洗衣設(shè)備0174.20174.20174.20174.2發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況分析負(fù)載匯總/kW148033.9259633.920975801358603連續(xù)負(fù)載/kW1480259620971358間歇負(fù)載/kW118.5118.5203210.9總負(fù)載/kW1598.52714.523001568.9設(shè)計(jì)負(fù)荷冗余15%/kW103.8103.8129.2128.7改裝負(fù)荷冗余15%/kW103.8103.8129.2128.7計(jì)算總負(fù)荷/kW1808294326931747運(yùn)行發(fā)電機(jī)/kW1480X1990X11480X1990X21480X1990X21480X1990X1備用發(fā)電機(jī)/kW1480X1990X11480X11480X11480X1990X1運(yùn)行發(fā)電機(jī)負(fù)荷率%0.730.850.780.71

表4　科學(xué)考察船電力負(fù)荷表

續(xù)表4　科學(xué)考察船電力負(fù)荷表

根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算表，本船最終選取MTU的2臺1 480 kW和2臺990 kW的柴油發(fā)電機(jī)組，以保證在正常航行和DP重負(fù)荷的作業(yè)工況下，全船的電力負(fù)荷維持在一個比較合理，經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下。

4　結(jié)束語

本文主要說明了船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要工作即電力負(fù)荷的計(jì)算。首先介紹了科學(xué)考察船的主要用電設(shè)備；其次是說明了三類負(fù)荷需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算的步驟和流程，通過收集科學(xué)考察船電力設(shè)備資料，利用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算以及負(fù)荷計(jì)算表的編制，完成了船舶主發(fā)電機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、變壓器的容量和臺數(shù)的選擇，使得全船的電力負(fù)荷維持在一個較合理的狀態(tài)。

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Calculation and Analysis of Electric Power Load on Scientific Research Ships

XU Cheng，TAI Neng-ling

(Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Configuration of the ship power station is an important content of the design of the ship power system. Whether the configuration is reasonable is directly related to the economical efficiency, reliability and safety of the ship power system. This article analyzes the power load calculation method for scientific research ships. Furthermore, it calculates the ship’s electric power load in the 3-class load method under different working conditions, including economical navigation, full speed, position holding (heavy duty), towing operation, drifting, anchoring and berthing in port, and the capacity of the generator is chosen according to the calculation results.

marine electric power system; electric power load; 3-class load method; different working conditions

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.016

TM714

A

1000-3886(2016)02-0044-04

徐成(1986-)，男，上海人 ，碩士，專業(yè)：電氣工程。

定稿日期: 2015-04-20