美墨火車滾裝船電氣設(shè)計特點

董治強，郭晟江，趙海超，王逸婷，劉康立

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 前 言

美墨火車滾裝船固定往返于美國南部莫比爾港和墨西哥科察科爾斯港之間，通過海路快速銜接兩地的鐵路運輸網(wǎng)，如圖1 所示。兩港之間海上航行距離約900 n mile，莫比爾市和科察科爾斯市陸地上鐵路之間距離為2 200 n mile，高速公路距離為1 500 n mile。 由于該海上航線的存在，能使火車減少約50%的行程，大大降低了墨西哥灣區(qū)域的物流成本。

圖1 美墨火車滾裝船航線

該船為火車滾裝船，雙層火車甲板，可載運各類尺寸貨運火車車廂包括《國際海運危險品規(guī)則》要求的1～9 類包裝危險品，不能裝載客運火車車廂。

該船采用雙機雙可調(diào)螺距槳推進設(shè)計， 配置2臺6 缸低速主機、3 臺主發(fā)電機組、1 臺應(yīng)急發(fā)電機組和1 臺艏部管道式側(cè)推。

總布置圖如圖2 所示。

圖2 美墨火車滾裝船總圖

主尺度和主要參數(shù)如下：

該船入美國船級社ABS，船級符號為：

火車滾裝船作為特種運輸船型，其研發(fā)設(shè)計大多以船東提出的各項具體任務(wù)需求為目標(biāo)導(dǎo)向，同時還需要綜合考慮目標(biāo)航線和碼頭港池等自然環(huán)境，每一個項目都是為當(dāng)?shù)卮瑬|和港口量身定做的獨一無二的船型。

美墨火車滾裝船的船東根據(jù)自身需求提出了許多新穎、合理而又具體的要求，如何在滿足規(guī)范規(guī)則的前提下，找到最優(yōu)解決方案是設(shè)計的最終目標(biāo)。 例如，船東要求本船不配置鍋爐，那么主電站的容量和發(fā)電機的選型就必須考慮到該船因為沒有配備鍋爐而增加的電加熱設(shè)備電耗；船東要求選用電動系泊設(shè)備，而系泊區(qū)域?qū)儆谖ｋU區(qū)域，那么在設(shè)備選型或者設(shè)計上就需要采取相應(yīng)措施，才能規(guī)避設(shè)備的防爆要求。 圍繞以上電氣設(shè)計中碰到的特殊問題和解決方案展開論述， 不再贅述常規(guī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計，例如照明、內(nèi)部通信、航行無線電等。

1 主發(fā)電機的選型

船舶主發(fā)電機的選型既要考慮安全性，又要兼顧經(jīng)濟性。 準(zhǔn)確預(yù)估全船用電設(shè)備的功耗是船舶發(fā)電機選型成功的必要前提。 與常規(guī)運輸船相比，該船電力負(fù)荷預(yù)估中最大的不同來自電加熱設(shè)備的功耗。 下面的分析中，對于船舶的基礎(chǔ)用電負(fù)荷不再詳細(xì)展開論述，主要介紹在沒有配備鍋爐的船舶中需要考慮的電加熱設(shè)備有哪些及其相應(yīng)的耗電功率。

1.1 電力負(fù)荷估算

考慮到墨西哥灣區(qū)域的環(huán)保要求，以及美國頁巖油的低廉價格，該船的主輔機燃油全部采用輕柴油。 由于輕柴油的黏度較低，在加注及日常使用過程中均不需要加熱， 所以本船沒有配備組合鍋爐。船上需要配備電加熱的設(shè)備和系統(tǒng)如下：

1） 空調(diào)：在冬季，常規(guī)船舶是通過鍋爐來供暖的，本船空調(diào)系統(tǒng)則需要通過電加熱器來供暖。 經(jīng)查閱美國莫比爾港近15 年的氣溫資料， 建議船東把空調(diào)冬季加熱的溫度范圍設(shè)定為-5 ℃到25 ℃，而不是常規(guī)項目的-20 ℃到25 ℃，最主要的原因就是考慮到電加熱供暖的耗電功率較大，經(jīng)濟性較差。

2） 分油機：輕柴油和滑油在凈化環(huán)節(jié)需要適當(dāng)加熱以提高凈化分離效果，所以需要配置適當(dāng)?shù)碾娂訜醽磔o助。

3） 艙柜：主要有廢油艙、油渣艙、艙底水艙、氫氧化鈉儲存艙、EGR 廢渣艙等； 這些艙柜需要電加熱輔助，適當(dāng)提高艙柜溫度，以利于艙柜內(nèi)各種液體介質(zhì)的轉(zhuǎn)運。

4）主輔機缸套水預(yù)熱裝置。

全船主要電加熱設(shè)備的耗電功率估算和工作方式，如表1 所示。

表1 電加熱設(shè)備預(yù)估參數(shù)

續(xù)表1

根據(jù)表1 中各電加熱設(shè)備的功率和工作方式，估算出電加熱設(shè)備在各個工況下的電力負(fù)荷，如表2 所示。結(jié)合該船其他用電設(shè)備的負(fù)荷估算，匯總得出全船電力設(shè)備負(fù)荷，如表3 所示。

表2 電加熱負(fù)荷估算

表3 電力負(fù)荷估算匯總表 單位：kW

1.2 主發(fā)電機選型

主發(fā)電機選型原則：首先，考慮安全性，發(fā)電機組的臺數(shù)和容量應(yīng)能在任一發(fā)電機組故障停止工作時，其余發(fā)電機組仍能對正常推進運行、船舶安全所必需的設(shè)備供電，同時最低舒適居住條件也應(yīng)得到保證；其次，考慮用戶的特殊需求，本項目船東要求在裝卸貨工況只能開1 臺發(fā)電機；再者，考慮經(jīng)濟性和后期維修養(yǎng)護的便利性，即在船舶運行的各個工況下，發(fā)電機組的負(fù)荷率要適中，同時柴發(fā)機組型號要盡可能一致， 以利于后期統(tǒng)一備品、備件和維護保養(yǎng)。

根據(jù)表3 的數(shù)據(jù)估算，在航行工況時，電力負(fù)荷約為1 024 kW，此時運行的發(fā)電機容量要能匹配這個負(fù)荷，經(jīng)過查閱相關(guān)設(shè)備資料，選中MAN B&W 7L23/30H 機組作為目標(biāo)機型，該機組的上限容量為1 164 kW。 比較理想的情況是，選用3 臺7L23/30H的機組作為該主發(fā)電機組。

但是在裝卸貨工況時，電力負(fù)荷估算約為1 130 kW，此時單臺7L23/30H 機組的容量僅為1 164 kW，負(fù)荷率預(yù)估為97%。 負(fù)荷率過高，需要提高單臺發(fā)電機組的容量， 因此MAN B&W 8L23/30H機組成為目標(biāo)機型，該機組的上限容量為1 330 kW。

綜上，在滿足規(guī)范和規(guī)格書要求的前提下兼顧到經(jīng)濟性，該船的主電站柴發(fā)機組最終選用了“二小一大” 的配置， 即： 選用2 臺7L23/30H 和1 臺8L23/30H 機組，負(fù)荷率估算如表3 所示。

1.3 配電系統(tǒng)

該船的主電站配置為2 臺1 164 kW 和1 臺1 330 kW 柴發(fā)機組、 應(yīng)急電站配置為1 臺475 kW的柴發(fā)機組。 設(shè)置1 塊主配電板，并預(yù)留1 屏容量為2 000 kVA 的岸電接入屏， 為全船各種機電和舾裝設(shè)備供電；設(shè)置1 塊應(yīng)急配電板，為全船的應(yīng)急負(fù)載供電；還配置了2 臺180 kVA 的主變壓器、1 臺115 kVA 的廚房變壓器和2 臺63 kVA 的應(yīng)急變壓器，用于各類AC 220 V 設(shè)備的供電。 電力系統(tǒng)單線圖如圖3 所示。

圖3 電力系統(tǒng)單線圖

2 系泊電機布置在危險區(qū)域的處理措施

該火車運輸船滾裝區(qū)域內(nèi)主要裝載火車車廂，火車車廂內(nèi)裝載的貨物除了包括鋼鐵、塑料、果糖、啤酒、化學(xué)品和紙等常規(guī)貨品之外，還包括《國際海運危險品規(guī)則》中1.4S、2～9 類的危險品，滾裝處所屬于危險區(qū)域。 船尾設(shè)置兩套系泊設(shè)備，布置在下層連續(xù)甲板尾部的左舷和右舷，毗鄰滾裝處所。 系泊區(qū)域與滾裝處所通過門連通，根據(jù)IEC 60092-506的要求，因滾裝處所屬于危險區(qū)域，所以系泊設(shè)備所在位置也屬于危險區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)布置的所有設(shè)備都要滿足防爆要求。 選購液壓式的系泊設(shè)備就可以規(guī)避防爆的要求，但是基于電動系泊設(shè)備在后續(xù)維護保養(yǎng)方面的優(yōu)勢，船東要求選用電動系泊設(shè)備。

滿足危險區(qū)域防爆要求， 一般有兩種解決方案。 方案1：系泊設(shè)備的電機選用等級為Exid IIC T4的防爆設(shè)備，可以直接布置在危險區(qū)域內(nèi)。 方案2：根據(jù)IEC 60092-506 的要求， 在危險區(qū)域和毗鄰區(qū)域之間設(shè)置氣鎖裝置，可以將毗鄰區(qū)域認(rèn)定為安全區(qū)域，氣鎖的構(gòu)成需要兩道氣密自閉門。 在系泊區(qū)域和滾裝區(qū)域之間的分隔艙壁上設(shè)置兩道氣密自閉門，構(gòu)成氣鎖裝置，就可以將系泊區(qū)域豁免為安全區(qū)域，選用普通系泊設(shè)備，如圖4 所示。 方案1 的缺點是：對于大功率的系泊電機來說，要達(dá)到IIC T4 的防爆等級，相比普通非防爆電機，價格要高出不少；同時，因為防爆系泊設(shè)備的需求相對比較冷門，船廠對供貨商的選擇范圍比較小。 方案2 的缺點是：氣鎖裝置要求設(shè)置兩道氣密自閉門，船員由滾裝處所進出系泊區(qū)域不方便，船東不接受；另一方面，設(shè)置兩道氣密自閉門，會增加船廠的建造成本。

圖4 氣鎖方案（左舷）

結(jié)合本船尾部系泊區(qū)域的布置特點，以尾部左舷系泊區(qū)域為例。 該系泊區(qū)域?qū)嶋H上并不是完全圍蔽處所，其首部和船中方向均有艙壁與滾裝處所毗鄰，頂部有甲板覆蓋，但是其舷側(cè)和尾部均開敞，與大氣連通，通風(fēng)良好，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，可定義為半圍蔽處所；導(dǎo)致該區(qū)域成為危險區(qū)域的主要原因是右端艙壁上有兩扇門與滾裝處所連通，但是這兩扇門是常閉狀態(tài)，僅僅在船員通過時短暫打開。 滾裝處所的危險氣體僅在門打開的短暫時間段內(nèi)可以擴散到達(dá)系泊區(qū)域，由于其半開敞的特點以及良好的通風(fēng)，危險氣體可以快速被吹散稀釋，并不會在系泊區(qū)域聚集。 基于以上分析，提出第3 種方案：以左舷為例，在滾裝區(qū)域和系泊區(qū)域之間的艙壁上只設(shè)置一道氣密自閉門，同時在門的兩側(cè)設(shè)置聲光報警器和警告牌“危險！門需要保持在關(guān)閉狀態(tài)！”，當(dāng)門處于打開狀態(tài)時，聲光報警器就會發(fā)出警報，提醒船員將門關(guān)閉，這就最大限度地減少了毗鄰艙壁上氣密門打開的可能，減少了危險氣體擴散的潛在隱患，如圖5 所示。 該方案無須選用防爆系泊設(shè)備，降低了船廠的建造成本，同時也避免了在滾裝區(qū)域和系泊區(qū)域之間設(shè)置兩道氣密自閉門構(gòu)成的氣鎖裝置，方便船員日常使用。 最終第3 種方案獲得ABS船級社和船東認(rèn)可。

圖5 最終方案（左舷）

3 結(jié) 語

與常規(guī)運輸船相比，火車滾裝船一般航行于固定的航線，其設(shè)備配置和方案設(shè)計往往需要根據(jù)船東的特殊要求，同時還要兼顧航線海域以及碼頭的特殊情況，具有一定的特點。 本文從電氣設(shè)計的角度闡述了在主發(fā)電機選型和電動系泊設(shè)備布置中的一些問題及處理方法，希望能夠為后續(xù)類似項目的設(shè)計提供借鑒。