船舶電力系統(tǒng)的分析與應(yīng)用

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

船舶研發(fā)與制造技術(shù)在一定程度上可以反映出一個國家的綜合國力，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界各國之間的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易也日趨頻繁，船舶制造業(yè)隨之蓬勃發(fā)展，全球航運與貿(mào)易公司對超大型集裝箱船和超大型油輪的需求不斷增加，向超大規(guī)模方向發(fā)展海運已成為一大趨勢。船舶電力側(cè)推器系統(tǒng)在超大型集裝箱船舶和超大型油輪上已開始廣泛投入使用，船舶輔助電力推進(jìn)系統(tǒng)在部分船舶上也開始應(yīng)用，除此之外，在一些船舶中，其主推進(jìn)器也采用了電力推進(jìn)的方式，從而導(dǎo)致了船舶電站的容量增加[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，船舶制造與研發(fā)逐漸朝著多功能化、節(jié)能化的方向發(fā)展，許多相關(guān)的船舶企業(yè)與研究單位已經(jīng)開始將研究重點逐步轉(zhuǎn)移到面向船用控制等相關(guān)設(shè)備方面。作為船舶的重要組成部分和船舶先進(jìn)技術(shù)的標(biāo)志性指標(biāo)，船舶電力系統(tǒng)的研究一直占據(jù)著船舶重點領(lǐng)域的地位，它為整個船舶的所有電氣設(shè)備提供電能，是保障船舶安全穩(wěn)定運行的重要因素。隨著船舶制造業(yè)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，船舶動力系統(tǒng)也逐漸快速發(fā)展起來，逐漸變得越來越復(fù)雜，自動化程度越來越高。因此，對船舶系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和可靠性提出了更的要求。

1 船舶電力系統(tǒng)簡述

船舶電力系統(tǒng)是一個高集成化的有機(jī)整體，它主要由一個或多個處于相同監(jiān)控下運行的船舶電源和與船舶電源連接的船舶電網(wǎng)所構(gòu)成，負(fù)責(zé)船舶所有電能的產(chǎn)生、傳輸、分配和消耗[2]。從上述概念來看，無論容量大小，整個船舶電力系統(tǒng)主要由四部分組成：電源、配電裝置、電網(wǎng)和電力負(fù)荷。這四個組成部分的組件通過電氣連接在一起，從而形成一個統(tǒng)一的整體系統(tǒng)，該整體系統(tǒng)中任何一個組成部分或者某一電氣元件出現(xiàn)故障都將對整個電網(wǎng)造成影響，導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)的運行出現(xiàn)安全風(fēng)險，當(dāng)情況特別嚴(yán)重時會造成重大的損失。因此，研究船舶電力系統(tǒng)具有重要的意義。

2 船舶電力系統(tǒng)的組成

2.1 電源

船舶上的電源通常是由蓄電池與柴油發(fā)電機(jī)組組成，其主要用途是為整個船舶提供所需電能，它主要有兩種組成方式，一種是由直流發(fā)電機(jī)組和主配電板組成，另一種是由交流發(fā)電機(jī)組和主配電板組成[3]。另外，根據(jù)發(fā)電機(jī)組的工作模式，船舶電力系統(tǒng)又可以分為以下兩類：(1)直流船舶電力系統(tǒng)；(2)交流船舶電力系統(tǒng)。電源的另一組成部件主配電板的作用是控制和監(jiān)測發(fā)電機(jī)。

2.2 配電裝置

配電裝置是一種保護(hù)、分配、轉(zhuǎn)換、控制和監(jiān)視電力網(wǎng)、用電負(fù)荷、電能的裝置；其主要任務(wù)是根據(jù)每個電氣設(shè)備的性質(zhì)和容量選擇合理的供電模式和與之合適的配電開關(guān)。根據(jù)供電的有效范圍和目的，可把配電裝置分為主配電板、應(yīng)急配電板、充放電板等。

2.3 電力網(wǎng)

船舶電網(wǎng)是電力傳輸部分，為整艘船舶的電纜和電線的總稱，它是發(fā)電機(jī)、主配電板、應(yīng)急配電板、分配電板、區(qū)域配電板和電力負(fù)載的連接介質(zhì)，是將電源的電能輸送到負(fù)載的媒介。根據(jù)船舶電力網(wǎng)所連接的電力負(fù)載具有的不同性質(zhì)，可把它分為如下主要五種類型：(1)動力用電網(wǎng)；(2)照明用電網(wǎng)；(3)應(yīng)急用電網(wǎng)；(4)低壓電網(wǎng)；(5)弱電電網(wǎng)。

2.4 電力負(fù)載

一般將船舶上的用電設(shè)備稱作電力負(fù)載，也可以稱作電力負(fù)荷。按照用途大體可分為：(1)船舶各種電力拖動機(jī)械設(shè)備；(2)船舶照明設(shè)備；(3)通導(dǎo)設(shè)備；(4)生活及其他用電設(shè)施。

3 船舶電力系統(tǒng)分類

根據(jù)船舶的不同噸位與不同用途，船舶電力系統(tǒng)之間有著較大的差異。根據(jù)電站與船舶能源系統(tǒng)之間的關(guān)系以及其數(shù)量的多少，船舶電力系統(tǒng)一般可以分為多主電站電力系統(tǒng)和單主電站電力系統(tǒng)[4]。

3.1 單主電站船舶電力系統(tǒng)

除了配備一個主電站外，單主電站電力系統(tǒng)還配備有應(yīng)急電站或停泊電站。其中，主電站用于正常情況下為各種電氣設(shè)備供電；應(yīng)急電站或停泊電站用于在用電載荷較低、應(yīng)急或其他特殊情況下，為重要電氣設(shè)備提供電能，確保它們正常工作。

3.2 多主電站電力系統(tǒng)

一般而言，通常將配備有至少兩個主電站的船舶電力系統(tǒng)稱之為多主電站電力系統(tǒng)，這種多主電站電力系統(tǒng)往往大多用于供電可靠性要求比較高的船舶上，如戰(zhàn)斗艦艇、核動力船舶、航母等。為了確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，設(shè)計人員通常將這些電站安裝在船舶上相對安全的地方。

4 船舶電力系統(tǒng)設(shè)計

隨著船舶的節(jié)能化、自動化和大型化的程度越來越高，電氣設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)，其在船舶設(shè)計中逐漸占據(jù)著舉足輕重的地位。為了建造出安全可靠性高、功能達(dá)標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性好、建造工藝合理的船舶電力系統(tǒng)，應(yīng)嚴(yán)格遵循電力系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)規(guī)則和規(guī)范的要求。船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計通常可以分為以下四個階段：方案設(shè)計、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和施工設(shè)計[5]。

4.1 方案設(shè)計

該階段主要是進(jìn)行論證工作以及多方案的技術(shù)設(shè)計工作，并設(shè)計和確定船舶電力系統(tǒng)的整體概況，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點分析且提出相應(yīng)的解決方案。此外，方案設(shè)計還包括如下四個部分：(1)分析船舶的電力負(fù)載并確認(rèn)其設(shè)計參數(shù)與組件；(2)對電壓等級、電流種類和頻率等主要的電氣參數(shù)加以確認(rèn)；(3)確定主電源裝置和配電系統(tǒng)類型等；(4)選擇主要通信導(dǎo)航設(shè)備的類型并對型號進(jìn)行確認(rèn)，基于此制定主要電氣設(shè)備廠商表。

4.2 初步設(shè)計

初步設(shè)計所涉及的內(nèi)容主要包括如下五個部分：1)繪制船舶電力系統(tǒng)整體單線圖，并對自動化水平進(jìn)行確認(rèn)；2)估算船舶的電力負(fù)荷，以此為基礎(chǔ)初步確定發(fā)電機(jī)組的容量和總體數(shù)量；3)基于所有的船用電氣設(shè)備，確定基于電力、拖動、通信導(dǎo)航和照明系統(tǒng)等整體船舶配電系統(tǒng)；4)以船舶電力系統(tǒng)單線圖為依據(jù)，通過計算得到短路電流閾值，并以此為基礎(chǔ)選擇主要配電設(shè)備的型號；5)初步確定船舶主要電氣設(shè)備訂貨詳情，包括供電設(shè)備、控制裝置、配電裝置、通信設(shè)備、電纜型號、無線電設(shè)備和導(dǎo)航設(shè)備等。

4.3 詳細(xì)設(shè)計

進(jìn)一步考慮船舶的總體功率負(fù)荷；為船舶上的每個子系統(tǒng)繪制控制圖、系統(tǒng)圖以及對應(yīng)的電氣設(shè)備的分布圖；計算短路電流，以此為依據(jù)來設(shè)計系統(tǒng)保護(hù)功能和選擇相關(guān)設(shè)備類型與具體型號；制定船舶整體電氣設(shè)備訂貨明細(xì)表；制定船舶電氣設(shè)備備件清單；編制航海試驗大綱及有關(guān)文件；計算必要的電壓降計算和照度計算等，為相關(guān)電力負(fù)載型號的選擇提供依據(jù)。

4.4 施工設(shè)計

以方案設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計為依據(jù)，并充分結(jié)合造船廠的施工工藝水平與要求，嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)格書來進(jìn)行施工設(shè)計，編制船舶制造、安裝、調(diào)試以及驗收的全套專用圖樣并撰寫所有相關(guān)的技術(shù)文檔。

5 船舶電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向

隨著電氣設(shè)備朝著通用化、綜合系統(tǒng)化、配置靈活性的方向不斷發(fā)展，以及計算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步為船舶電力系統(tǒng)的綜合化、集成化、智能化發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障。另外，由于信息技術(shù)和總線技術(shù)的快速發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和自動化程度也隨之水漲船高。隨著自動控制理論以及計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，船舶電力控制系統(tǒng)可以引入和吸收越來越多的新的控制方法與技術(shù)，可以充分利用計算機(jī)的建模優(yōu)勢來進(jìn)行船舶電力系統(tǒng)的模擬試驗，來驗證新的控制策略的可行性。通過這種方式，不僅可以節(jié)省成本，還可以在特殊條件下利用計算機(jī)上模擬各種測試，這有利于船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的提高，并提升船舶供電質(zhì)量。

6 結(jié) 語

船舶電力系統(tǒng)作為船舶的核心組成部分，其設(shè)計的合理與否直接關(guān)系著整個電力系統(tǒng)乃至船舶整體安全可靠與穩(wěn)定性，因此應(yīng)保證其設(shè)計方法、設(shè)計方案規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，唯此，方能設(shè)計和制造出實用性和運行性能指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)成本統(tǒng)籌兼顧的船舶。