430TEU江海直達集裝箱船電氣設計探究

顧立君，唐文斌，楊 恩，宗 濤

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2.上海中船船舶設計技術國家工程研究中心有限公司，上海 200011)

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展，對外貿(mào)易不斷增長，對于我國內(nèi)陸地區(qū)來說，特別是長江沿岸地區(qū)河流交錯縱橫，大部分貨物運輸需要通過傳統(tǒng)河運與海運相互轉(zhuǎn)換共同完成[1]。運輸中存在一個中轉(zhuǎn)點，貨物需要重復裝卸，造成人力、物力、周期等浪費，極大地降低了貨物運輸?shù)男?，增加了危險性[2]。為改善這一狀況及促進長江流域集裝箱船的航運發(fā)展，減少裝載周期，提高經(jīng)濟效益，降低運輸成本，有效節(jié)能減排，需要推進綠色生態(tài)江海直達船舶的發(fā)展[3]。

江海直達船舶的航行特點為同時航行于內(nèi)河和海上，國內(nèi)外一般分為“海進江”和“江出海”兩種運輸模式。目前，我國的江海直達船舶運輸方式為“海進江”[4]。其中，集裝箱運量在長三角地區(qū)對陸運依賴度較高，數(shù)據(jù)顯示通過船運的集裝箱數(shù)量較低。隨著長江經(jīng)濟地帶堅持綠色生態(tài)的發(fā)展原則，未來對運輸方式的調(diào)整勢在必行，將以節(jié)能環(huán)保為主，貨物的適箱率將顯著提高，江海直達船舶的運輸方式將獲得更有利的發(fā)展。

基于上述背景，中國船舶科學研究中心根據(jù)船東的需求，結合國家長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略及長江大保護的政策，研發(fā)設計了一型430TEU江海直達集裝箱船。以下將根據(jù)江海直達特定法規(guī)和規(guī)范，開展該船電氣系統(tǒng)詳細設計工作，通過優(yōu)化系統(tǒng)配置和設備布置獲得合理的設計方案。

1 船型介紹

該船為航行于長江流域，航線從南京港至上海洋山港，由柴油機驅(qū)動的集裝箱船。主要尺度和要素如表1所示，船型效果如圖1所示。

圖1 船型效果

表1 船舶主尺度和要素

2 配電系統(tǒng)

船舶配電系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關系電站供電的穩(wěn)定性、可靠性、安全性、經(jīng)濟性等，因此必須通過合理的設備配置，提升電站運行的穩(wěn)定性、改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量、增強配電的管理能力，使船舶達到節(jié)能降耗的目的。

2.1 電制

該船主電源采用AC400 V/50 Hz；配電及電力系統(tǒng)采用AC380 V/50 Hz；照明、通信及導航系統(tǒng)采用AC220 V/50 Hz；低壓系統(tǒng)采用DC24 V。線制為三相三線絕緣系統(tǒng)或雙線絕緣系統(tǒng)。

2.2 電站

按中國船級社《特定航線江海直達船舶建造規(guī)范》[5]的要求，主電源裝置應至少為二臺發(fā)電機組，以保證一臺發(fā)電機組失效時，另一臺發(fā)電機組仍能對船舶推進、船舶安全所必需的設備供電。同時，最低舒適居住條件也應得到保證，至少應包括適當?shù)拇妒?、取暖、食品冷凍、機械通風、衛(wèi)生和淡水等設備的供電。此外，發(fā)電機組的容量應滿足啟動最大電動機時不會引起其他任何電動機停轉(zhuǎn)或?qū)ζ渌＿\行的設備帶來任何不利影響。同時，本船按需求配有48個長6 058 mm、寬2 438 mm、高2 591 mm(20英尺)或24個長12 032 mm、寬2 352 mm、高2 393 mm(40英尺)冷藏集裝箱，發(fā)電機組需在進出港及航行工況下保證這些負載的正常供電。因此，本船電站的設計需考慮以下因素。

(1)根據(jù)船級社法規(guī)和規(guī)范要求，結合設計任務書要求，考慮本船運行工況，對相應的負載需求進行統(tǒng)計，如表2所示。

表2 船舶運行工況及負載需求

(2)通過對本船運行工況用電負荷進行計算確定柴油發(fā)電機組容量和臺數(shù)，計算方法依據(jù)《船舶設計實用手冊 電氣分冊》[6]，本船各運行工況電力負荷計算如表3所示。

表3 電力負荷計算

(3)結合以上兩點，可以配置3臺柴油發(fā)電機組和1臺應急柴油發(fā)電機組作為船舶電站，柴油發(fā)電機選型：柴油發(fā)電機組為180 kW × 3臺，應急發(fā)電機組為64 kW × 1臺。

本船發(fā)電機組配置方案的優(yōu)點在于滿足船舶航行安全和人身安全條件下，根據(jù)船舶運行工況特點(大部分時間運行在裝有冷藏箱的航行工況下)，發(fā)電機組利用率為85%，擁有一定負載調(diào)節(jié)余量的同時保持較好經(jīng)濟性，并且配有備用發(fā)電機，便于發(fā)電機組的維護保養(yǎng)。

2.3 配電

按電站配置的發(fā)電機組和重要設備的供電需求設計電力系統(tǒng)基本饋線，如圖2所示。電力系統(tǒng)基本饋線圖是開展電力一次系統(tǒng)設計的基礎，電力一次系統(tǒng)由主配電板、應急配電板和充放電板構成。主配電板由發(fā)電機屏、同步屏、組合啟動屏、AC380 V負載屏和AC220 V負載屏等構成，應急配電板由應急發(fā)電機屏、AC380 V負載屏和AC220 V負載屏等構成，充放電板對全船低壓設備進行供電，并配置蓄電池組。

圖2 電力系統(tǒng)基本饋線

本船設有自動電站管理功能(PMS)。該系統(tǒng)配置采用基于PLC控制的自動化系統(tǒng)，使電站更加合理和精確地完成發(fā)電、配電及供電，具有提升船舶電站安全、可靠和節(jié)能等特點，同時降低船員工作負荷以及燃油消耗。自動電站管理功能如圖3所示，具體包括實現(xiàn)以下10項功能。

圖3 自動電站管理功能

(1)船級社對自動化船舶的有關規(guī)定是船舶電網(wǎng)失電應在45 s內(nèi)恢復供電,所以自動化電站停車狀態(tài)下的備用機組應事先做好準備工作，關鍵的準備工作包括發(fā)電柴油機的預熱和預潤滑。

(2)當電網(wǎng)負荷增加使運行機組重載、運行機組發(fā)生機電故障和某機組起動失敗或不能合閘時,電站管理系統(tǒng)能自動地發(fā)出起動指令使備用機組迅速自動起動,在起動成功建立穩(wěn)壓后投入電網(wǎng)供電。

(3)通過采集電壓、頻率的基本參數(shù),經(jīng)過一定的計算發(fā)出調(diào)頻及合閘指令,使待并機與電網(wǎng)上的機組并聯(lián)運行。

(4)兩臺機組并聯(lián)運行供電時,通過原動機調(diào)速器和自動調(diào)頻調(diào)載裝置配合工作,使電網(wǎng)維持在穩(wěn)定頻率,且使并聯(lián)運行機組按容量成比例地承擔負載。

(5)在完全滿足船舶電站供電質(zhì)量的前提下,使機組以最經(jīng)濟的管理模式運行,充分利用每臺機組的功率,降低發(fā)電成本。

(6)本船設置的大功率負荷為大于15 kW，管理系統(tǒng)將判斷電網(wǎng)負荷與起動的大功率負荷是否超過運行機組的最大允許負荷率。若滿足,則允許其啟動；否則,應先起動另一臺備用發(fā)電機使之并網(wǎng),然后允許其起動。

(7)設有自動分級卸載功能，確保重要設備連續(xù)供電,在過載的情況時將非重要負載自動切斷。

(8)輕載或故障需要停機時,并網(wǎng)運行機組先自動轉(zhuǎn)移負載,再按順序使運行機組逐臺退出電網(wǎng),然后停車。

(9)設有過載、短路、欠壓和逆功率保護,還設有欠頻保護、高壓保護、次要負荷的分級卸載等,進一步提高供電質(zhì)量和電網(wǎng)的連續(xù)供電。

(10)設有人機界面，可以在本地屏幕上對電站運行狀態(tài)進行顯示和故障監(jiān)視，同時支持參數(shù)的監(jiān)視與在線修改。

3 照明系統(tǒng)

該船照明選用LED燈具，具有安全、節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長等優(yōu)點。

照明系統(tǒng)分為正常照明系統(tǒng)和應急照明系統(tǒng)，其中，應急照明系統(tǒng)又分為普通應急照明和臨時應急照明。

(1)正常照明系統(tǒng)由主配電板AC200 V負載屏供電。

(2)普通應急照明系統(tǒng)由應急配電板AC200 V負載屏供電。

(3)臨時應急照明系統(tǒng)由充放電板DC24 V供電，符合中國船級社《特定航線江海直達船舶建造規(guī)范》中8.1.4.2的供電范圍和供電時間不小于0.5 h的要求。

4 無線電通信導航系統(tǒng)

4.1 無線電通信

船舶無線電通信是船舶利用無線電波進行遠程即時信息交流和信息傳遞，為船舶航行和船員提供安全保障。該船按中華人民共和國海事局《特定航線江海直達船舶法定檢驗技術規(guī)則》中9.2.1的要求[7]，無線電通信設備由2套電源供電：一套為船舶主電源，由AC220 V無線電分電箱供電；另一套為應急電源，由DC24 V無線電低壓分電箱供電，配備獨立的蓄電池作為備用電源，該備用電源供電時間不少于1 h。無線電通信設備配置如表4所示。

表4 無線電通信設備配置

4.2 導航設備

導航系統(tǒng)的使命是保障船舶在航行過程中能準確快速引導船舶按預定的航線到達目的地。該船按中華人民共和國海事局《特定航線江海直達船舶法定檢驗技術規(guī)則》中9.3.1的要求，AIS設備按A級配備，電子海圖設備ECS按A級配備，雷達設備根據(jù)船東需求配置2套X波段雷達，配有電子標會裝置及自動跟蹤儀，顯示器尺寸為寬42 cm、高23.6 cm(19英寸)。航行設備配置如表5所示。

表5 航行設備配置

4.3 天線布置

為達到最佳的通信效果，各天線之間的安裝距離須滿足一定要求，避免相互之間干擾[8]。該船通導設備天線較多，羅經(jīng)甲板空間較小，在設計布置中為減少和避免各設備天線之間的干擾，需要將雷達桅布置在羅經(jīng)甲板的最尾部，盡量使雷達等天線避開對磁羅經(jīng)防磁區(qū)域的影響，在設計和建造中需要特別注意。天線布置方案如圖4所示。

圖4 天線布置

5 船內(nèi)通信及報警系統(tǒng)

為滿足船員在工作和生活中相互溝通和聯(lián)絡的需求，該船設計的時候配備一套完善、便利的船內(nèi)通信系統(tǒng)，同時為保證船舶準確駕駛和安全航行配備必要的報警裝置。該主要配置包括聲力電話、對講廣播及通用報警、CO2釋放報警、機艙報警燈柱、水密門報警、輪機員安全報警、綜合報警、火警等系統(tǒng)。其中，廣播系統(tǒng)兼用通用報警系統(tǒng)的補充設計，采用功率為100 W×2的雙路放大器，并且每路放大器采用雙電源供電，揚聲器采用雙路交叉布置，在機艙利用報警燈柱。另外，本船配置了貨艙煙霧探測系統(tǒng)以滿足中華人民共和國海事局《特定航線江海直達船舶法定檢驗技術規(guī)則》要求。

6 設備布置的原則

該船電氣設備的布置特別考慮了安全性和便利性，采用了緊湊的集中布置方式，并且相關系統(tǒng)的設備盡量布置在一起便于維修和管理。在滿足使用要求的前提下盡量節(jié)約空間，小型的設備采用垂向上的上下布置，以便提高空間利用率。通過設備布置及電纜敷設路徑的優(yōu)化，在節(jié)省電纜使用量的同時減少電纜托架等鐵舾件的使用量，既達到了美觀造船的效果，又降低了空船重量，節(jié)省了成本。

7 結語

(1)電氣系統(tǒng)配置合理，電站設計滿足目標船的各種使用工況。無線電導航等系統(tǒng)以滿足江海直達特定規(guī)范和法規(guī)為條件，充分考慮設備的適用性和經(jīng)濟性，節(jié)約建造成本。

(2)電氣設備布置合理，充分利用空間將通信導航設備的天線布置在羅經(jīng)甲板上，避免信號相互干擾，提升目標船的航行和通信性能。

上述電氣設計通過合理系統(tǒng)配置和設備布置，提升了船舶的經(jīng)濟性、安全性、節(jié)能性。未來，江海直達作為一種便捷高效、綠色經(jīng)濟、節(jié)能環(huán)保的運輸方式，將得到更廣泛的運用發(fā)展。本文以430TEU江海直達集裝箱船電氣設計建造為依托，對電氣系統(tǒng)的設計進行了介紹，為后續(xù)同類船型的電氣專業(yè)設計提供一定的借鑒。