大型客滾船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置研究

周康寧，李國榮，李 彬

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江蘇 南京 210015）

0 引言

2010年7月1日以后建造的超過120 m或3個(gè)以上主豎區(qū)的客船需要滿足安全返港要求，客滾船上建區(qū)域艙室多、重量大、空船重心偏高、船舶穩(wěn)性要求高等特點(diǎn)，對電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和主要電氣設(shè)備布置提出了較高的要求。電力系統(tǒng)服務(wù)于所有安全返港子系統(tǒng)，是全船的核心系統(tǒng)，科學(xué)、合理的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是安全返港分析和評估的保障。電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和艙室布局密不可分，既相輔相成，又相互制約，簡潔的配電系統(tǒng)可節(jié)省不必要的艙室空間，合理的艙室布局，有利于電纜敷設(shè)，進(jìn)而簡化電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文以某大型客滾船為研究對象，對安全返港相關(guān)公約進(jìn)行研究，介紹電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和艙室布局的策劃流程，取得較好的效果。

圖1 主豎區(qū)和主橫區(qū)劃分

1 概況

1.1 主要艙室及功能區(qū)劃分

基于 SOLAS要求，本船分為2個(gè)主橫區(qū)和6個(gè)主豎區(qū)。上建居住區(qū)域分布在3個(gè)主豎區(qū)內(nèi)，其中船員及休息區(qū)布置在1號主豎區(qū)，乘客區(qū)即安全區(qū)A和安全區(qū)B分別布置在2號主豎區(qū)和3號主豎區(qū)。車輛甲板區(qū)域布置在1-8甲板，其中1-4甲板為1號主橫區(qū)，5-8甲板為2號主橫區(qū)。主機(jī)艙區(qū)域布置在艙壁甲板（3甲板）以下的4號主豎區(qū)，采用雙機(jī)艙設(shè)計(jì)，分別為機(jī)艙 （左）、機(jī)艙（右），1個(gè)集控室布置在4號主豎區(qū)內(nèi)。2個(gè)駕駛室分別布置于1號主豎區(qū)和2號主豎區(qū)。

1.2 電力系統(tǒng)概況

本船主電站裝機(jī)容量超11 MW，4臺(tái)主發(fā)電機(jī)，2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，采用AC690V發(fā)電機(jī)和配電板系統(tǒng)，主要負(fù)載電制為AC400V和AC230V，通過降壓變壓器降壓方案實(shí)施。本船配置3臺(tái)高壓側(cè)推，通過升壓變壓器方案實(shí)施。

2 電力系統(tǒng)

2.1 安全返港電力設(shè)備的定義

本船雙機(jī)艙設(shè)計(jì)，每側(cè)機(jī)艙均配置2臺(tái)主發(fā)電機(jī)和1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，2臺(tái)主發(fā)電機(jī)總功率和單臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)功率相當(dāng)。正常航行時(shí)，兩側(cè)軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行為基礎(chǔ)負(fù)荷提供電源。進(jìn)出港工況時(shí)，主發(fā)電機(jī)投入使用，與軸帶發(fā)電機(jī)共同運(yùn)行為全船基礎(chǔ)負(fù)載和側(cè)推提供電源。安全返港工況時(shí)，每側(cè)機(jī)艙的2臺(tái)主發(fā)電機(jī)并網(wǎng)或1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行均可滿足基礎(chǔ)負(fù)荷需求。視艙室布置情況，決定選擇其中1種模式或2種模式同時(shí)滿足安全返港布置[1]。

2.2 配電系統(tǒng)的分類

為了便于客滾船配電系統(tǒng)的分析和評估，按照其負(fù)載的具體用途、安全性和區(qū)域等方面進(jìn)行分類，將負(fù)載分為：1）主配電板，服務(wù)關(guān)鍵設(shè)備、重要設(shè)備，安全返港及安全撤離相關(guān)設(shè)備等 ；2）應(yīng)急配電板，服務(wù)于應(yīng)急設(shè)備、安全返港和安全撤離相關(guān)設(shè)備等；3）廚房配電板，服務(wù)于廚房設(shè)備；4）冷藏配電板，服務(wù)于冷藏車、房車、電動(dòng)汽車充電樁等；5）側(cè)推系統(tǒng)，服務(wù)于進(jìn)出港工況。依照分類，只有主配電板和應(yīng)急配板服務(wù)于安全返港及安全撤離系統(tǒng)，其它負(fù)載所涉及的配電板不需要考慮安全返港的布置要求。

2.3 主要電力設(shè)備布置原則

1）規(guī)劃服務(wù)于安全返港相關(guān)艙室，優(yōu)先考慮安全返港設(shè)備布置，視剩余空間情況再布置其它非安全返港設(shè)備；2）非安全返港要求的電力設(shè)備按其服務(wù)處所就近布置，降低電纜用量，并為機(jī)艙節(jié)省空間；3）大型電氣設(shè)備盡可能布置在船舶重心以下，有利于船舶穩(wěn)性控制。

3 機(jī)艙布置

3.1 U型連通艙

基于船舶穩(wěn)性方面考慮，采用左、右機(jī)艙設(shè)計(jì)較前、后機(jī)艙設(shè)計(jì)方案對船舶穩(wěn)性控制更有利。在艙壁甲板以下，所有邊艙均為U型連通艙設(shè)計(jì)，兩側(cè)為同一水密和防火分隔，進(jìn)水和火災(zāi)后考慮同時(shí)丟失。在任一側(cè)破艙進(jìn)水后，U型艙兩側(cè)液面快速一致，船舶穩(wěn)性大大提高。

3.2 配電板室和變壓器布置分析

主機(jī)和發(fā)電機(jī)所在的主機(jī)艙區(qū)域位于艙壁甲板以下，兩側(cè)為U型連通艙，主機(jī)艙和U型艙相臨，電纜距離短，重心位置低，是配電板和變壓器布置的理想?yún)^(qū)域。U型艙有明顯的缺陷：1）因其左、右連通，并不利于左、右雙機(jī)艙方案的安全返港設(shè)備布置。2）機(jī)艙所在主豎區(qū)靠近船尾，尾部線型收縮明顯，邊艙利用率較低。在艙壁甲板以下的4號主豎內(nèi)完成左、右2個(gè)機(jī)艙的主要電力設(shè)備布置是不現(xiàn)實(shí)的?？紤]將其中一側(cè)的配電板和變壓器布置在機(jī)艙相臨的3號主豎區(qū)內(nèi)。

SOLAS規(guī)定：“主配電板應(yīng)相對于1個(gè)主發(fā)電站設(shè)置，盡可能使正常供電的完整性只有在1個(gè)處所發(fā)生火災(zāi)或其他事故時(shí)才可能受到影響?！备鶕?jù) DNV規(guī)范第4部分第8章第2節(jié)9.1.2的要求：“當(dāng)船舶被要求劃分成不同的防火區(qū)時(shí)，服務(wù)于關(guān)鍵設(shè)備和重要設(shè)備的分配電板應(yīng)和這些設(shè)備布置在同一防火區(qū)內(nèi)?！睂⒅髋潆姲搴退鶎?yīng)的發(fā)電機(jī)布置在2個(gè)不同的防火區(qū)，似乎不能滿足DNV規(guī)范的條款，也達(dá)不到SOLAS的“盡實(shí)際可能”要求?？紤]到客船是依據(jù)安全返港要求設(shè)計(jì)，已采用雙機(jī)艙布置，經(jīng)與船級社和掛旗國討論，均同意單側(cè)機(jī)艙的發(fā)電機(jī)和配電板布置在不同的主豎區(qū)[2]。

圖2 機(jī)艙布置簡圖

3.3 安全返港設(shè)備在U型連通艙的布置

相同肋位號的U型艙均相互連通，以部分機(jī)艙布置圖為例，定義Fr.39-Fr.72之間的U型邊艙服務(wù)于機(jī)艙（右）,即斜線所示陰影區(qū)域；定義Fr.72-Fr.114之間的U型邊艙服務(wù)于機(jī)艙（左），即斜方格所示陰影區(qū)域。為便于電纜敷設(shè)和安全返港分析和評估，機(jī)艙（左）相關(guān)的安全返港設(shè)備只考慮布置在船中線左側(cè)的斜方格的陰影區(qū) ；機(jī)艙（右）相關(guān)的安全返港設(shè)備只考慮布置在船中線右側(cè)的斜線的陰影區(qū)。U型連通艙另一側(cè)邊艙布置非安全返港相關(guān)的設(shè)備。

因兩側(cè)機(jī)艙已考慮冗余布置，單側(cè)機(jī)艙內(nèi)的2個(gè)發(fā)電機(jī)至主配電板的電纜無須再考慮分開敷設(shè)，陰影區(qū)內(nèi)單側(cè)機(jī)艙中的任一防火艙室丟失，單側(cè)機(jī)艙均考慮丟失不可用，由另一側(cè)機(jī)艙實(shí)現(xiàn)安全返港。因此只要兩側(cè)機(jī)艙的電纜不存在互相穿越的問題，都不會(huì)影響安全返港的分析和評估。依據(jù)上述原則，將服務(wù)主發(fā)電機(jī)的AC690V主配電板，服務(wù)于軸帶發(fā)電機(jī)的直流配電配板，服務(wù)于安全返港相關(guān)負(fù)載的AC400V&AC230V主配電板均布置在相應(yīng)的主配電板室內(nèi)，主發(fā)電機(jī)和軸帶發(fā)電機(jī)2種模式均滿足安全返港要求，極大地提高了安全返港電力系統(tǒng)的安全性[3]。

4 主干電纜通道

與郵輪結(jié)構(gòu)不同，客滾船在滾裝處所布置了主橫區(qū)，2個(gè)主橫區(qū)之間A-60防火分隔，可充分利用2個(gè)主橫區(qū)間的天然防火分隔，為雙套設(shè)備和冗余設(shè)備的電纜布置提供較大便利[4]。

4.1 布置方法

每個(gè)主豎區(qū)布置至少1個(gè)A級電纜通道經(jīng)過CASING貫穿于整個(gè)主豎區(qū)，每個(gè)主豎區(qū)的電纜通道均與主橫區(qū)相臨，便于主豎區(qū)和主橫區(qū)之間電纜敷設(shè)和分配。如圖3所示，以2號主橫區(qū)為例，布置其中的CASING區(qū)域（陰影區(qū)域）為2號和3號主豎區(qū)。電纜通道設(shè)計(jì)為A-0級防火分隔，而非A-60級，基于以下分析：1）電纜通道對主橫區(qū)的影響。依照SOLAS要求，主電纜通道被定義為第10類處所，為低失火風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，與其相臨的主橫區(qū)之間只需A-0級防火分隔即可。2）主橫區(qū)對電纜通道的影響。主橫區(qū)布置了水噴淋保護(hù)，在火災(zāi)事故界限內(nèi)，相臨的A級分隔的電纜通道的完整性不受影響。依據(jù)SOLAS公約II-2章和22條,并未對主橫區(qū)作出限制，即配置了固定滅火的主橫區(qū)不需要考慮超出事故界限的分析和評估。

圖3 主豎區(qū)和主橫區(qū)電纜通道布置圖

4.2 安全返港電纜路徑

基于上述分析，2個(gè)配電板室至2個(gè)安全區(qū)及2個(gè)駕駛室，應(yīng)急配電室至2個(gè)安全區(qū)及2個(gè)駕駛室的電纜路徑如下，做到完全分離，滿足安全返港和安全撤離要求。1）主配電板室（左）→1號主橫區(qū)→2號主豎區(qū)電纜通道→安全區(qū)A；2）主配電板室（右）→4號主豎區(qū)電纜通道→2號主橫區(qū)→3號主豎區(qū)電纜通道→安全區(qū)B；3）主配電板室（左）→1號主橫區(qū)→2號主豎區(qū)電纜通道→安全區(qū)A→第二駕駛室；4）主配電板室（右）→4號主豎區(qū)電纜通道→2號主橫區(qū)→1號主豎區(qū)電纜通道→主駕駛室；5）應(yīng)急發(fā)電機(jī)室→安全區(qū)A；6）應(yīng)急發(fā)電機(jī)室→2號空調(diào)機(jī)室→2號主豎區(qū)電纜通道→2號主橫區(qū)→安全區(qū)B。

4.3 居住區(qū)域安全返港相關(guān)艙室布置

依據(jù)SOLAS公約第II-2/21.3.2要求，如僅有電纜布置在電纜通道內(nèi)，那么電纜通道可被定義為極少或無失火危險(xiǎn)的處所，通道內(nèi)無須配置固定式水基滅火系統(tǒng)，其它電氣設(shè)備應(yīng)盡量避免布置其中[5]。為便于后期安全返港的分析和評估，盡量減少電纜穿越多個(gè)不相關(guān)的防火區(qū)，主要做法如下：1）充分利用梯道、電纜通道及艙室單元的拐角區(qū)域，在電纜通道的位置設(shè)置獨(dú)立的A級電氣設(shè)備間，避免電纜穿越其它防火區(qū)。2）如布置不可避免時(shí)，通過改變結(jié)構(gòu)形狀，使電纜通道與電氣設(shè)備間直接相臨。

4.4 非安全返港相關(guān)電力設(shè)備布置

1）廚房配電板和廚房變壓器，及冷藏配電板和冷藏變壓器的布置。廚房降壓變壓器布置在艏部二甲板，廚房配電板布置在9甲廚房設(shè)備附近，將冷藏配電板、冷藏變壓器集中布置在四甲板Casing冷藏配電板間。2）側(cè)推的布置。升壓變壓器分別布置于變壓器室（左）和側(cè)推變壓器室，這2個(gè)艙室均臨近主配電板室，減少低壓側(cè)電纜長度。

5 結(jié)語

本文通過對大型客滾船電力系統(tǒng)方案及艙室布置分析和研究，解決了左右機(jī)艙布置難題，通過改進(jìn)各電氣設(shè)備間和電纜通道設(shè)置，簡化了各安全返港子系統(tǒng)的分析和評估難度，提升了系統(tǒng)的安全性和可靠性。主要電力設(shè)備布置于船舶重心以下及服務(wù)處所附近，解決了客滾船船舶穩(wěn)性、重量和重心控制等難題，同時(shí)電纜用量大幅減少，實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。