小型拖輪電力負(fù)荷計算方法分析與優(yōu)化

蔡俊

（常德達(dá)門船舶有限公司，湖南 常德 415000）

0 引言

近年來，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動了船舶工業(yè)制造水平的穩(wěn)步提高。船舶電力負(fù)荷種類呈現(xiàn)多樣化的趨勢，不斷向高度自動化和智能化方向發(fā)展。與此同時，國際公約和船級社對船舶綠色節(jié)能和防污能力的要求也日趨嚴(yán)格，合理的電力負(fù)荷計算和容量確定顯得至關(guān)重要。電力負(fù)荷計算主要是采用合適的計算方法，根據(jù)船舶負(fù)載的種類、使用工況和耗能量對發(fā)電機(jī)容量的核算與船舶電能的合理分配進(jìn)行檢驗。電力負(fù)荷計算在船舶設(shè)計中一直是一項比較因難的設(shè)計任務(wù)，船舶的使用工況和設(shè)備實際功耗受多種因素影響，難以精確定量計算。目前，船舶電力負(fù)荷計算方法主要是需要系數(shù)法和三類負(fù)載法。本文在需要系數(shù)法的基礎(chǔ)上對負(fù)荷計算方法進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)大量實驗結(jié)果表明，該計算方法更加科學(xué)，計算結(jié)果更加合理。

1 某小型拖輪主要配置介紹

小型拖輪是一種內(nèi)河工種船，主要是拖帶各種工作船及特種船舶。它的船體較小、結(jié)構(gòu)牢固、動力強(qiáng)勁、操縱性能好，廣泛應(yīng)用于各種拖帶作業(yè)。

該拖輪配置2臺柴油機(jī)為主機(jī)和1臺以柴油機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，是軸帶式螺旋槳工作船，配備的三相交流發(fā)電機(jī)額定電壓為400 V，額定功率為15.7 kW，額定電流為28.9 A。發(fā)電機(jī)允許的最大尖峰功率為17.3 kW，即為發(fā)電機(jī)額定功率的110%。

拖輪主要用電設(shè)備如負(fù)荷計算如表1所示，額定功率在1 kW以下的負(fù)載沒有列入其中。本文探討的工程船舶小型拖輪中負(fù)載類型主要為阻性負(fù)載和感性負(fù)載。阻性負(fù)載的無功功率為零，可直接用所需的有功功率表明其額定功率。

中低壓電力系統(tǒng)中的感性負(fù)載主要是異步電動機(jī)。由表1可知，額定功率達(dá)到3 kW的電動機(jī)主要是總用泵、機(jī)艙風(fēng)機(jī)、錨機(jī)和液壓冷卻水泵。

表1 負(fù)荷計算表

1.1 總用泵

總用泵是船舶日常通用用途泵，可以兼做艙底水泵、甲板沖洗泵，也可作為消防泵的備用泵，有的還兼作冷卻海水泵。該小型拖輪總用泵為三相交流單速異步電動機(jī)，額定功率為3 kW?？傆帽弥麟娐酚神R達(dá)保護(hù)器、電動機(jī)軟啟動器和控制繼電器等組成。馬達(dá)保護(hù)器能給電動機(jī)提供可靠的短路、過載和缺相等保護(hù)，保護(hù)電流根據(jù)電動機(jī)的實際參數(shù)確定?？傆帽玫膯优c停止控制由控制繼電器及其它主令電器完成。電動機(jī)啟動類型為電壓緩升起動，平穩(wěn)負(fù)載工作制方式工作，總用泵啟動時間為1～5 s可調(diào)。

1.2 機(jī)艙風(fēng)機(jī)

機(jī)艙風(fēng)機(jī)為三相交流雙速異步電動機(jī)，額定功率為3 kW。機(jī)艙風(fēng)機(jī)主電路由空氣斷路器和低壓通用變頻器等組成，空氣斷路器給風(fēng)機(jī)提供可靠的短路過載保護(hù)。風(fēng)機(jī)啟動類型為變頻起動，調(diào)速方式為變頻調(diào)速，按照平穩(wěn)負(fù)載工作制方式工作，啟動方式和時間由變頻器設(shè)置的參數(shù)控制。

1.3 錨機(jī)

起錨機(jī)械是任何船舶都必須配備的重要甲板機(jī)械，主要用做舶舶安全停泊于水面、系泊于碼頭或浮筒。該小型拖輪配備的錨機(jī)為三相交流單速異步電動機(jī)，額定功率為3 kW，采用主令開關(guān)直接控制方式，這種控制方式廣泛應(yīng)用于內(nèi)河船舶小型的起錨絞盤。錨機(jī)主電路中的主令開關(guān)主觸點(diǎn)控制錨機(jī)啟動和換向。過載保護(hù)繼電器對電動機(jī)及相關(guān)電路提供過載失壓保護(hù)，短期工作制方式工作，錨機(jī)啟動類型為直接啟動方式。

1.4 液壓冷卻水泵

液壓冷卻水泵是船舶液壓系統(tǒng)的主要水冷散熱裝置。液壓冷卻水泵為三相交流單速異步電動機(jī)，額定功率為3 kW。液壓冷卻水泵由馬達(dá)保護(hù)器提供電路保護(hù)，主觸點(diǎn)控制冷卻水泵的啟動與停止，平穩(wěn)負(fù)載工作制方式工作。液壓冷卻水泵啟動類型為直接起動。

2 計算方法

交流發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速、電壓接近額定值的狀態(tài)下，突加60%額定電流及功率因數(shù)不超過0.4的對稱負(fù)載時，當(dāng)電壓跌落時，其瞬態(tài)電壓值應(yīng)不低于額定電壓的85%，電壓恢復(fù)至與最后穩(wěn)定值相差3%以內(nèi)所需的時間不應(yīng)大于1.5 s,以負(fù)載表1中最大阻性負(fù)載設(shè)備窗戶玻璃加熱器為例說明，其額定功率為3.5 kW，電流值遠(yuǎn)小于交流發(fā)電機(jī)額定電流的60%。在發(fā)電機(jī)正常工作的情況下，船舶阻性負(fù)載接入電網(wǎng)時對發(fā)電機(jī)的沖擊和影響較小。

電動機(jī)為非線性和大功率負(fù)載，接通和關(guān)斷所引起的瞬態(tài)響應(yīng)和諧波都會對電網(wǎng)質(zhì)量造成很大的影響，如電網(wǎng)電壓畸變等。反過來電壓的波動對電動機(jī)及其它電氣設(shè)備的運(yùn)行亦有重要影響，電壓偏離額定值，使得設(shè)備總的功率損失增加，使設(shè)備溫度升高，從而使設(shè)備絕緣老化加速。

在傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)容量計算方法中，在柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)行條件下應(yīng)使其額定輸出功率有10%左右的余量，或者保持每臺發(fā)電機(jī)組的功率余量達(dá)到相應(yīng)的單臺發(fā)電機(jī)額定輸出功率的20%。在設(shè)備需求與參數(shù)確定后，所選用電動機(jī)的功率基本確定。在船舶實際作業(yè)過程中，并不是所有設(shè)備都是同時工作，許多設(shè)備都是按照邏輯控制順序運(yùn)行。因此，船舶所需的電能總量總是要小于設(shè)備總?cè)萘?。?fù)荷計算時并不采用電動機(jī)的額定功率進(jìn)行定量計算。

2.1 需要系數(shù)的計算

本文所探討的計算方法是在需要系數(shù)法基礎(chǔ)上計算負(fù)載實際功率。列出船舶主要用電設(shè)備并記錄額定功率，額定功率乘以需要系數(shù)可計算出設(shè)備的需要功率：

式中：設(shè)備的額定輸入功率，對于異步電動機(jī)是其額定輸入功率；對照明和弱電設(shè)備則可采用安裝的總功率；負(fù)載隨時間上下波動時，取其平均功率。

2.2 同時系數(shù)的選取

設(shè)備計算功率是由各設(shè)備的種類及其使用方法決定的，不同的使用工況和環(huán)境會對同時系數(shù)產(chǎn)生重要影響。

在進(jìn)行船舶電力負(fù)荷計算時，除了船舶運(yùn)行工況，還需要考慮季節(jié)的影響。加熱設(shè)備及輔助加熱設(shè)備由于在不同的環(huán)境溫度下選取的同時系數(shù)不同，對在低溫環(huán)境下運(yùn)行的船舶負(fù)荷會造成影響，如空調(diào)、駕駛室玻璃加熱器等。以下介紹部分設(shè)備同時系數(shù)的選擇。

1）通風(fēng)設(shè)備。在小型拖輪上通風(fēng)設(shè)備主要以各類風(fēng)機(jī)為主，通風(fēng)設(shè)備工作的時段和時間由通風(fēng)需求決定，長短不固定，環(huán)境溫度高時使用時間也相對較長。因此在選取同時系數(shù)時需要考慮不同季節(jié)的影響，在夏季選取的同時系數(shù)是1.0，而冬季選取的同時系數(shù)是0.3。

2）空調(diào)設(shè)備?？照{(diào)夏天制冷、冬天制熱，從功率上來說，制熱比制冷功率大。從船舶作業(yè)工況來說，夏季作業(yè)量大，故冬季同時系數(shù)選取為0.9，夏季選取1.0即可。

3）駕駛室窗戶玻璃除霧設(shè)備。夏季幾乎不使用，冬季同時系數(shù)選取為0.6即可。

2.3 功率計算

以小型拖輪來分析電力負(fù)荷的計算，計算所需要的總功率。

P=K1×K2×Pi。

式中：P為計算功率；K1為需要系數(shù)；K2為同時系數(shù)；Pi為額定功率。

海洋工程船舶中低壓電力系統(tǒng)中，使用最多的電氣設(shè)備是異步電動機(jī)。當(dāng)異步電動機(jī)起動時，其起動功率因數(shù)較低，將產(chǎn)生很大的起動電流。阻性負(fù)載接入時對發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)的影響相對較小，一般不選擇阻性負(fù)載作為最大功率計算設(shè)備，而是選定錨機(jī)作為計算對象，大功率電動機(jī)本身的功率相對于一般設(shè)備功率較大，其次電動機(jī)啟動電流大，對電網(wǎng)有較大沖擊和影響，有計算意義。

異步電動機(jī)啟動時經(jīng)歷起動沖擊階段、平穩(wěn)加速階段、加速終止階段等3個階段的狀態(tài)變化，最終穩(wěn)態(tài)工作。由于啟動開始時刻合閘相位角的不同，可能會在啟動電流之上疊加不同大小的直軸瞬態(tài)分量，最后形成比啟動電流更大的電流。

以小型拖輪為例，夏季電氣網(wǎng)絡(luò)單相功率總和為7.22 kW。與三相功率相加后計算出負(fù)荷總量為10.34 kW。冬季電氣網(wǎng)絡(luò)單相功率總和為9.46 kW。與三相功率相加后計算出負(fù)荷總量為10.9 kW。不同季節(jié)同時系數(shù)不同，設(shè)備的總計算功率也不同，冬季總功率比夏季總功率略大，以總功率值更大的冬季功率值為計算數(shù)據(jù)，夏季功率值為參考依據(jù)。

發(fā)電機(jī)的平均負(fù)荷系數(shù)為10.9÷15.7×100%=69%?？紤]5%線損，發(fā)電機(jī)輸出功率余量約為26%。

錨機(jī)作為單個最大功率設(shè)備，功率與總功率的量化關(guān)系單獨(dú)計算。

表1中錨機(jī)的計算功率設(shè)為Pa，則Pa=0.24 kW。冬季功率值設(shè)為Pw，則Pw=10.9 kW。電動機(jī)啟動時的電流變化與電動機(jī)本身的性能和負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)，啟動電流大于電動機(jī)正常運(yùn)行時的工作電流，一般為額定電流的5.5～7.0倍左右。啟動電流冗余計算值取額定電流的10倍進(jìn)行計算。

計算相同功率和相同工作概率，而且運(yùn)行間沒有制約的非變動性負(fù)荷系統(tǒng)同時工作時的合成功率，服從二項分布的隨機(jī)概率模型[2]。假定有n套相同類型的系統(tǒng)，其中任意m套系統(tǒng)工作的概率為

式中：p為系統(tǒng)的工作概率；q=1-p為不工作的概率。

求取n套系統(tǒng)的總合成功率可歸結(jié)為計算二項分布隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望值，即

式中：PΣ為n套系統(tǒng)的合成功率；P1為每套系統(tǒng)的功率。

由上式可知，n臺特殊裝置電動機(jī)同時工作的合成功率等于額定總功率值乘以它們的工作概率。

基于上述概率模型的分析，計算出4套系統(tǒng)同時工作的合成功率為2倍，即10×2×Pa=4.8 kW。

最后求出船舶冬季負(fù)荷峰值功率為10.9-0.24+4.8=15.46 kW。同理，可求出夏季的負(fù)荷峰值功率為14.9 kW。冬季負(fù)荷峰值功率大于夏季負(fù)荷峰值功率，冬季的峰值負(fù)載小于發(fā)電機(jī)允許最大峰值負(fù)載。故船舶設(shè)備負(fù)荷與發(fā)電機(jī)容量匹配。

3 結(jié)論

按照傳統(tǒng)方法計算的總峰值負(fù)荷值大于發(fā)電機(jī)提供的峰值功率，不利于發(fā)電機(jī)的性能穩(wěn)定及電網(wǎng)的正常工作。

本文在需要系數(shù)法的基礎(chǔ)上，結(jié)合異步電動機(jī)的啟動對發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)的影響，對船舶負(fù)荷計算方法進(jìn)行了較詳細(xì)的分析和計算優(yōu)化。通過大量實船數(shù)據(jù)分析與驗證，結(jié)果表明該方法可以為船舶設(shè)計階段負(fù)荷計算提供理論計算基礎(chǔ)。