“育鵬”輪實(shí)習(xí)船的電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

司忠良

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

2016年10月16日，大連中遠(yuǎn)船務(wù)交付我國首艘現(xiàn)代化多用途載貨教學(xué)實(shí)習(xí)船，命名為“育鵬”輪，見圖1。目前，“育鵬”輪為我國最先進(jìn)的教學(xué)實(shí)習(xí)船，在世界教學(xué)實(shí)習(xí)船領(lǐng)域也處于領(lǐng)先地位。該船為無限航區(qū)，具備航海教學(xué)、科學(xué)研究、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)榷喾N功能，主要用于航海類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)實(shí)習(xí)，也可裝運(yùn)散雜貨、重大成套工程設(shè)備及集裝箱，并可用于交通信息工程與控制、航海科學(xué)與技術(shù)、輪機(jī)工程和環(huán)境工程等學(xué)科的科學(xué)研究和試驗(yàn)。“育鵬”輪載重約30 000 t，總長約200 m，船寬27.8 m，型深15.50 m，服務(wù)航速17.5 kn，續(xù)航能力為15 000 n mile。該輪以大連中遠(yuǎn)船務(wù)曾建造的30 000 t多用途重吊船為母型船，由上海船舶研究設(shè)計(jì)院開發(fā)設(shè)計(jì)，根據(jù)中國船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)建造。在“育鵬”輪的設(shè)計(jì)過程中，電氣專業(yè)對(duì)比此前已完工交付的系列多用途重吊船相關(guān)電氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合遠(yuǎn)洋載貨運(yùn)輸、教學(xué)實(shí)習(xí)船的特點(diǎn)、功能和需求，進(jìn)行電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)多處優(yōu)化，形成優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，優(yōu)質(zhì)順利地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

圖1 “育鵬”輪

1 電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)的提出

船舶建造初期，作為設(shè)計(jì)者的任務(wù)是將設(shè)計(jì)圖紙構(gòu)畫完成，為現(xiàn)場施工建造提供精準(zhǔn)的高質(zhì)量圖紙。雖說該船是以原30 000 t多用途重吊船為母型船，但增加的航海類專業(yè)的教學(xué)實(shí)習(xí)功能及容納90人實(shí)習(xí)生的學(xué)習(xí)生活服務(wù)功能，導(dǎo)致該船的設(shè)計(jì)施工復(fù)雜度大大增加。僅以生活區(qū)為例，除常規(guī)駕駛甲板外，還有另外7層生活甲板來容納大量學(xué)生學(xué)習(xí)生活，同時(shí)還設(shè)置教室、實(shí)驗(yàn)室、網(wǎng)絡(luò)中心、圖書室、健身房和多功能室等特殊場所。極大地增加了照明、通信、報(bào)警、防火和網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的布置難度。這就要求船舶設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮各方向的協(xié)調(diào)。另外，該船閥門遙控和液位遙測報(bào)警點(diǎn)數(shù)量多，增大了電纜敷設(shè)量和敷設(shè)難度。這對(duì)電氣專業(yè)來說是一次挑戰(zhàn)。

因此，在設(shè)計(jì)初期就提出設(shè)計(jì)高度優(yōu)化，來應(yīng)對(duì)空間小、設(shè)備多、電纜數(shù)量多等各種困難。

2 電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

在設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用電氣設(shè)備空間布局優(yōu)化、跨區(qū)域電纜通道電纜核對(duì)、電纜路徑敷設(shè)率優(yōu)化設(shè)計(jì)、電氣控制箱合理分線等設(shè)計(jì)方法。

2.1 電氣設(shè)備空間布局優(yōu)化

在核查全船電氣設(shè)備信息階段，由于增加了航海教學(xué)和模擬駕駛等特殊系統(tǒng)，使得在原常規(guī)船基礎(chǔ)上增加了很多電氣設(shè)備，而船內(nèi)空間又被更大的水艙油艙（相比原30 000 t船型）占用，這些都對(duì)電氣設(shè)備的布置提出挑戰(zhàn)。

生產(chǎn)設(shè)計(jì)要與電氣詳細(xì)設(shè)計(jì)緊密溝通，把電氣設(shè)備布置圖中的所有設(shè)備逐一研究核查，在滿足規(guī)范公約要求的前提下，將每個(gè)設(shè)備的最優(yōu)位置標(biāo)記定位。原則是：便于施工、操作、維修、美觀。當(dāng)設(shè)備本身的尺寸不滿足要求，這時(shí)需向詳細(xì)設(shè)計(jì)方提出設(shè)備意見，發(fā)送給設(shè)備供應(yīng)商，積極協(xié)商變更設(shè)備外形尺寸。遇到其他專業(yè)的干涉（如管系設(shè)計(jì)/鐵舾設(shè)計(jì)）問題，生產(chǎn)設(shè)計(jì)方出面進(jìn)行協(xié)調(diào)溝通，達(dá)到滿足設(shè)備安裝的空間需求。

圖2是詳細(xì)設(shè)計(jì)方與設(shè)備廠家協(xié)調(diào)后，將2個(gè)電氣控制箱外形尺寸進(jìn)行修改，并且電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)方與管系方協(xié)商，將冷水管閥門向船尾方向移動(dòng)500 mm距離，讓出設(shè)備空間，高度調(diào)整一致，面板平齊，優(yōu)化布置的典型案例。

圖2 電氣控制箱優(yōu)化布置

2.2 跨區(qū)域電纜通道電纜核對(duì)

核查全船電纜信息發(fā)現(xiàn)，全船電纜約8 300根。生活區(qū)到機(jī)艙、機(jī)艙到貨艙、貨艙到生活區(qū)的跨區(qū)域電纜數(shù)量較大，涉及教學(xué)科研和模擬駕駛等新系統(tǒng)。如果按照以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)去預(yù)估電纜通道的托架及貫穿件接口尺寸，可能會(huì)出現(xiàn)偏差。針對(duì)這一問題，電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)方進(jìn)行跨區(qū)域電纜主干模型定位，定位后對(duì)接口編號(hào)，再制作相對(duì)簡化的全船區(qū)域接口圖，最后所有區(qū)域負(fù)責(zé)方以會(huì)議形式對(duì)線，按電纜模板順序核對(duì)跨區(qū)域電纜走向（本地電纜跳過，負(fù)責(zé)方自己統(tǒng)計(jì)電纜路徑），將電纜經(jīng)過的所有接口點(diǎn)填進(jìn)電纜冊，完成后，篩選節(jié)點(diǎn)即可判斷接口處電纜數(shù)量、托架寬度、貫穿件型號(hào)。

考慮到電氣系統(tǒng)圖的準(zhǔn)確性，和船東對(duì)電纜托架的余量要求，適當(dāng)預(yù)留敷設(shè)寬度?；仡^看，此項(xiàng)工作尤為重要，既保證電纜合理敷設(shè)，也沒有浪費(fèi)空間。保證了區(qū)域接口的設(shè)計(jì)合理性。

2.3 電纜路徑敷設(shè)率優(yōu)化設(shè)計(jì)

在船舶設(shè)計(jì)中電纜都是以電纜托架、電纜管等支架為依托來進(jìn)行敷設(shè)的。大量電纜必將耗費(fèi)大量托架材料，這也一定會(huì)占用大量空間?！坝i”輪的電纜用量為8 300多根，總長度為同樣大小普通散貨船的3倍。因此，電纜的敷設(shè)優(yōu)化尤為重要。電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中，打破了常規(guī)先出圖，再設(shè)置電纜節(jié)點(diǎn)，最后電纜冊的設(shè)計(jì)順序。大膽地將電纜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提前，提前到在電纜主干路徑設(shè)計(jì)階段同時(shí)進(jìn)行。具體操作：1）統(tǒng)計(jì)每一根電纜在主干電纜路徑上走過后經(jīng)過多少個(gè)電纜節(jié)點(diǎn)，逐一記錄；2）掌握這組數(shù)據(jù)，在模型修改階段（出設(shè)計(jì)圖前）確定每處電纜托架的容量寬度，只要篩選這一節(jié)點(diǎn)的電纜數(shù)據(jù)，配合電纜的外徑信息，馬上就能確定此處所需要的電纜托架寬度信息；3）合理選擇托架型號(hào)，避免托架過寬導(dǎo)致利用率不足浪費(fèi)材料成本且浪費(fèi)設(shè)計(jì)空間，同時(shí)也能保證不出現(xiàn)電纜過量敷設(shè)（由于托架小電纜多導(dǎo)致）的問題。

為了計(jì)算托架敷設(shè)率，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用 EXCEL軟件自行編制了電纜敷設(shè)率計(jì)算小工具，使用方法：將電纜信息復(fù)制到表格信息區(qū)域，這些電纜對(duì)應(yīng)的使用的托架和貫穿件的匹配信息自動(dòng)生成，作為設(shè)計(jì)參考值。見圖3。

圖3 excel電纜敷設(shè)率計(jì)算小工具

2.4 電氣控制箱合理分線

電氣控制箱是控制或服務(wù)與其相關(guān)的用電設(shè)備的控制部件，通過電纜相互連接。如果只是一對(duì)一的關(guān)聯(lián)，那么開關(guān)的布置就非常簡單。例如1個(gè)開關(guān)只控制1個(gè)電動(dòng)馬達(dá)，考慮在馬達(dá)附近便于操作的位置，電纜越短越好。但當(dāng)1個(gè)控制箱對(duì)應(yīng)多個(gè)服務(wù)對(duì)象，這種情況下，控制箱的布置就非常關(guān)鍵。下面以信號(hào)采集系統(tǒng)為例，分析設(shè)計(jì)優(yōu)化的應(yīng)用。

初始設(shè)計(jì)時(shí)，整體機(jī)艙內(nèi)共分布4個(gè)信號(hào)采集箱（圖4），NO.1/NO.2信號(hào)采集箱主要服務(wù)主機(jī)和發(fā)電機(jī)相關(guān)系統(tǒng)，相應(yīng)地將2個(gè)箱子布置在主機(jī)發(fā)電機(jī)附近的位置。問題出現(xiàn)在NO.3/NO.4信號(hào)采集箱，這2個(gè)箱子各自負(fù)責(zé)采集信號(hào)的源頭分布面較大，除去機(jī)艙各甲板區(qū)域還涉及生活區(qū)的空調(diào)間/冷水機(jī)組間/應(yīng)發(fā)室/尾井區(qū)。此時(shí)這 2個(gè)箱子的信號(hào)源分布沒有規(guī)律，NO.3箱采集底部區(qū)域，也采集上層區(qū)域，NO.4箱也一樣。這就導(dǎo)致大量信號(hào)電纜相互交叉，加長了電纜的使用長度，占用電纜托架與空間，增加施工成本。針對(duì)這種問題，電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)方研究了優(yōu)化方案，根據(jù)信號(hào)源的位置調(diào)整2個(gè)接線箱的電纜分布，再報(bào)送設(shè)計(jì)院。收到反饋的系統(tǒng)圖修改版后，最終確定將NO.3信號(hào)采集箱布置在上層位置，將原本其控制的下層信號(hào)調(diào)出，同時(shí)把NO.3箱的上層信號(hào)吸納，而將NO.4信號(hào)采集箱放置在下層，來控制下層區(qū)域的所有信號(hào)。有效解決了問題，節(jié)省了大量電纜成本及敷設(shè)施工成本。

圖4 信號(hào)采集箱電纜規(guī)劃圖（部分）

3 結(jié)論

“育鵬”輪交付同年，成功入選“英國皇家造船學(xué)會(huì)”2016年杰出船型，被世界權(quán)威期刊《Significant Ships 2016》收錄。上述的幾點(diǎn)電氣專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用在工程當(dāng)中，并在電氣設(shè)備空間布置上操作方便，在電纜使用等方面收獲了顯著效果。這一案例激勵(lì)了船舶設(shè)計(jì)工作者打破常規(guī)的設(shè)計(jì)思路，尋求改進(jìn)方案，提高教學(xué)實(shí)習(xí)船方面的研發(fā)設(shè)計(jì)和和建造技術(shù)水平，爭取在世界船舶領(lǐng)域有更大的話語權(quán)。