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摘要：船舶电力系统分为船舶电站和船舶电力网两部分，担负着将不同形式的能量转换成电能，并将电能输送分配给各个用电设备的任务。文章介绍了37000DWT大舱口散货船电气系统，包括电力、自动化、通导系统的设计特点及技术攻关。
关键词：电力系统；自动化；配电设备；船舶通讯；船舶电站
中图分类号：U661 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）19-0042-03
1 船型介绍
本船为球艏、方艉、单桨，柴油机驱动的散货船。设有大开口货舱，适于运载干散货，如谷物、煤、原木和包装木材等。设有5个货舱和装有4台克令吊。
型长Loa（m）：180米；型宽B（m）：30米；设计吃水d（m）：9.5米；结构吃水ds（m）：10.15米；型深B（m）：14.8米。
本船入级LR船级社，入级申请无人机舱。文章以我司建造的37000DWT大舱口型散货船的电力系统为例，以电气设计的角度出发从若干方面介绍船舶电力系统的设计思路。
2 设计要点
电力系统设计如下：
船舶电力系统分为船舶电站和船舶电力网两部分，担负着将不同形式的能量转换成电能，并将电能输送分配给各个用电设备的任务。
2.1 电力负荷
一般采用三类负荷法对船用设备分类估算，据此选配发电机的容量和台前期通过对用电设备容量的计算，须由轮机、舾装专业提供设备所需的实际功率，经过机械效率和电机效率的换算之后计算出一个相对准确的负荷功率。
依据《船舶设计使用手册（电气分册）》的程序和公式计算得出，全船电力负荷如下：
一类负荷总功率（kW）：进出港467.02；海上航行246.69；应急102.75；停泊306.91。
二类负荷总功率（kW）：进出港135.07；海上航行119.33；应急2.00；停泊59.10。
总负荷（kW）：进出港602.08；海上航行366.03；应急104.75；停泊366.01。
考虑网损后负荷（kW）：进出港632.19；海上航行384.33；应急109.99；停泊384.31。
选用发电机（台×kW）：进出港2×440；海上航行1×440；应急1×440；停泊1×440。
效率（%）：进出港71.84；海上航行87.35；应急87.99；停泊87.34。
2.2 电站配备
主电站和应急电站的配备，根据经验，考虑到电站总容量和备用发电机的使用情况以及机舱空间的大小，该船选取3台发电机是比较合理的方案。而应急发电机的容量按SOLAS和船级社规范要求将必要的应急负荷计算在内，一般情况下，应急发电机容量与同尺寸其他船型应急发电机容量相当。
根据《英劳船舶入级规范和规则》第6分册第2章第2节2.2发电机组和变换设备的台数和定额的要求：
第一，足以保证重要设备、适宜居住条件。
第二，具有足够的储备容量以容许起动最大的电动机,而不致由于系统上电压降过大，使任一电动机停转或任一装置失效。
第三，能提供从瘫船状态起动主推进装置所必需的电气设备的电力。应急电源如能同时为供电的电气设备提供电力,则可以用来协助。
对营运时仅使用一台日用发电机组的船舶,应安排为当该日用发电机组发生故障时,备用机组应能自动起动并自动接入主配电板。对营运时使用两台或两台以上发电机组的船舶,应安排为在一台发电机组发生故障时,其余发电机组应足够向重要设备连续供电。此外，发电机组的容量应足以启动最大的电动机而不会引起其他任何电动机停转或对处于正常运行的其他设备带来任何不利影响。
主发电机由3台DAIHATSU440V主发电机组组成，在进出港和装卸货状态下由2台发电机并联运行，这样组合配备发电机的优点如下：
第一，在航行状态中，运行发电机接近满负荷的工况可以最大发挥发电机的效率，节约燃油。
第二，足够的备用机组用以调换使用。
缺点如下：
启动大功率的电机需启动备用发电机，备用机启动、并车投入电网后才能启动大电机，启动完成后停车备用机。如没有自动电站系统内设置重载问询功能后需要人工操作的二级电机，很容易造成运行中的发电机过载跳闸。
该船发电机特性如下：
数量：3台；额定输出：550kVA（440kW）；转速：900r.p.m.；频率：60HZ；相数：3φ；功率因数：0.8（滞后）；额定：100%负载连续运行；电压：AC 450 V；型号：卧式，同步和旋转磁场型；防护等级：防滴式；冷却方式：自通风冷却；励磁器：无刷型；绝缘等级：F级。
2.3 主电站和应急电站的联系
应急电站在特定情况下经配电设备可向主电站供电，但不能与主发电机并联供电。
3 自动化系统
随着计算机技术的不断发展和船舶自动化水平的不断完善，船舶自动化技术不断向全船综合自动化阶段发展，各类监控、管理、导航系统都被运用于船舶中。船舶综合自动化是集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等于一体的多功能综合系统。
3.1 机舱自动化
本船配备先进的自动电站、泵站、主机遥控和集中监测报警系统。
主机采用461厂生产的46MED型柴油机。控制系统采用MAN和NORIS公司的机舱系统，可大大提高自动化的程度，避免设备重复配置的弊病，节约造船成本。
选用的是NORIS公司的机舱监测报警系统。船上425个报警点分别输入4个信号采集单元分站，采集分站与采集分站间串行连接。报警信号通过采集单元分站汇总于集控室监测总站电脑显示，非常方便。这样的显著优点是缩短造船周期，大大减少调试时间。
3.2 压载系统
自动化领域进入舰船平台后，大多数控制概念都是以标准化监控系统研发规划的一部分来开发的。为了进一步降低舰船控制系统的采购成本，在一些舰船上开始采用工业过程控制用的可编程控制器PLC作为局部控制器，是非常适合于自动化技术应用的。在本船压载系统的设计过程中，机舱空间狭小，无法对阀控&液控系统的阀控电磁阀箱和PLC信号处理柜布置。为解决该问题，经与设计院联合设计，经与新加坡NORDIC公司研究，将阀控电磁阀箱和PLC信号转换柜整合为一体在机舱布置。这不仅解决了布置问题，而且阀箱和PLC信号处理柜的整合后体积减小，也便于日后的设备的整体维护。 该船压载系统使用了计算机控制系统，自动化程度高。可在机舱集控室和甲板部船舶办公室的独立计算机上进行控制和指示，也可在机旁模拟的电路图上进行操作：
第一，对全船压载水系统、舱底水系统、燃油输送系统、冷却水系统等47套遥控阀进行遥控。
第二，对舱底总用泵、压载泵、消防总用泵、燃油输送泵、柴油输送泵进行遥控及指示。
第三，对10个污水井的污水报警指示。
第四，对39个油舱、水舱、空舱的液位指示和吃水指示。
4 船舶通讯导航系统
驾驶自动化是继机舱自动化后的又一重大变革，新技术、新设备的应用使船舶导航系统的发展达到了一个崭新的高度。
4.1 一人驾驶系统
该系统将驾驶室内的电子海图、通讯、导航等设备集中进行监控、控制。它可提供正确的船位、航向、航速、雷达图像、主机转速、各类监测报警等，使船舶能自动航行在最佳的航路上，最大限度上节省航油，提供航运效益，并能自动捕捉目标和判断危险目标，实施有效的船舶碰撞操作。一人驾驶综合桥楼使得在船舶航行时驾驶室仅需一个人操作，可以省去其他值班人员，降低劳动强度。
4.2 桥楼航行值班报警系统
本船按IMO要求配备一套桥楼值班系统装置，航行值班报警系统是船舶运行时的重要系统。
BNWAS的主要用途是为避免因轮船值班驾驶员意识水平降低或未履行职责而导致航海事故的发生。该系统采用分布式CPU结构和模块化结构。当驾驶室发生异常情况时,该系统可实时通过指示灯和警报声逐次提醒后备值班人员,同时驾驶室值班人员可通过系统的应急呼叫功能得到及时援助。使用时值班人员必须在设定好的时间内按下复位按钮。
5 技术攻关
5.1 落实电力系统短路保护的校核
LR规范和IEC出版物60362要求须进行短路电流的计算，以校核所选用的开关短路分断的能力，确保电网的用电安全。
参与计算的电力设备选择为主发电机组3台（A）、变压器2部（B1）、克令吊电动机4台（B2）、AC220负荷端为（D）。
计算结果和选用点的空气开关如下表：
短路点 对称短路电流Iac（kA） 最大对称短路电流Ip（kA） 短路功率因素COS? 空气开关型号 短路接通能力Icm（kA） 短路分断能力Ics（kA） 短路功率因素COS?
A1 16.3 37.67 0.257 NW10N 88 42 0.25
B1 20.6 48.4 0.257 NS250 73 35 0.25
B2 18.8 44.59 0.257 NS400 88 42 0.25
C1 14.93 22.5 0.723 NS100 73 35 0.25
D1 4.82 7.19 0.674 C65H 9.1 6 0.8
E1 1.87 3.23 0.422 C65N 9.1 6 0.8
由此得出所选开关的短路分断能力Ics大于所保护点的对称短路电流Iac，满足其设计要求。
5.2 落实货舱区域装载SOLAS2-9 类型危险品对电气设备的影响及对策
5.2.1 货舱烟雾探测系统
烟雾探测系统控制箱安装在主甲板CO2室，通过对各货舱排管接入CO2室，将抽出的货舱气样抽到探测探头处，危险源气体激发探头报警，货舱释放CO2，并设永久性警告铭牌。
5.2.2 货舱通风
货舱安装可逆式防爆风机，用于货舱的换气、通风。
5.2.3 货舱照明
货舱桅屋的照明灯具采用普通的照明灯具，而其他的设备位于机械通风口2米外、自然通风口1米外的均为普通型。无法躲避通风口的采取防保措施，防爆等级不低于IICT4。
6 结语
国内外造船经过评审一致认为37000DWT大舱口散货船是一艘成功的经济、环保型船型，其电力系统经过了系泊试验和航行试验，设备在各种工况下的试验结果说明电力系统设计合理、电源质量和自动化程度方面良好，市场前景十分乐观。
参考文献
[1] 熊仕涛.舰船概论[M]．北京：中国标准出版社，1996．
[2] 陈可越．船舶设计实用手册（电气分册）[M]．北京：中国交通科技出版社，2007．
[3] 英劳船舶入级规范和规则[S]．2010．
关键词：电力系统；自动化；配电设备；船舶通讯；船舶电站
中图分类号：U661 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）19-0042-03
1 船型介绍
本船为球艏、方艉、单桨，柴油机驱动的散货船。设有大开口货舱，适于运载干散货，如谷物、煤、原木和包装木材等。设有5个货舱和装有4台克令吊。
型长Loa（m）：180米；型宽B（m）：30米；设计吃水d（m）：9.5米；结构吃水ds（m）：10.15米；型深B（m）：14.8米。
本船入级LR船级社，入级申请无人机舱。文章以我司建造的37000DWT大舱口型散货船的电力系统为例，以电气设计的角度出发从若干方面介绍船舶电力系统的设计思路。
2 设计要点
电力系统设计如下：
船舶电力系统分为船舶电站和船舶电力网两部分，担负着将不同形式的能量转换成电能，并将电能输送分配给各个用电设备的任务。
2.1 电力负荷
一般采用三类负荷法对船用设备分类估算，据此选配发电机的容量和台前期通过对用电设备容量的计算，须由轮机、舾装专业提供设备所需的实际功率，经过机械效率和电机效率的换算之后计算出一个相对准确的负荷功率。
依据《船舶设计使用手册（电气分册）》的程序和公式计算得出，全船电力负荷如下：
一类负荷总功率（kW）：进出港467.02；海上航行246.69；应急102.75；停泊306.91。
二类负荷总功率（kW）：进出港135.07；海上航行119.33；应急2.00；停泊59.10。
总负荷（kW）：进出港602.08；海上航行366.03；应急104.75；停泊366.01。
考虑网损后负荷（kW）：进出港632.19；海上航行384.33；应急109.99；停泊384.31。
选用发电机（台×kW）：进出港2×440；海上航行1×440；应急1×440；停泊1×440。
效率（%）：进出港71.84；海上航行87.35；应急87.99；停泊87.34。
2.2 电站配备
主电站和应急电站的配备，根据经验，考虑到电站总容量和备用发电机的使用情况以及机舱空间的大小，该船选取3台发电机是比较合理的方案。而应急发电机的容量按SOLAS和船级社规范要求将必要的应急负荷计算在内，一般情况下，应急发电机容量与同尺寸其他船型应急发电机容量相当。
根据《英劳船舶入级规范和规则》第6分册第2章第2节2.2发电机组和变换设备的台数和定额的要求：
第一，足以保证重要设备、适宜居住条件。
第二，具有足够的储备容量以容许起动最大的电动机,而不致由于系统上电压降过大，使任一电动机停转或任一装置失效。
第三，能提供从瘫船状态起动主推进装置所必需的电气设备的电力。应急电源如能同时为供电的电气设备提供电力,则可以用来协助。
对营运时仅使用一台日用发电机组的船舶,应安排为当该日用发电机组发生故障时,备用机组应能自动起动并自动接入主配电板。对营运时使用两台或两台以上发电机组的船舶,应安排为在一台发电机组发生故障时,其余发电机组应足够向重要设备连续供电。此外，发电机组的容量应足以启动最大的电动机而不会引起其他任何电动机停转或对处于正常运行的其他设备带来任何不利影响。
主发电机由3台DAIHATSU440V主发电机组组成，在进出港和装卸货状态下由2台发电机并联运行，这样组合配备发电机的优点如下：
第一，在航行状态中，运行发电机接近满负荷的工况可以最大发挥发电机的效率，节约燃油。
第二，足够的备用机组用以调换使用。
缺点如下：
启动大功率的电机需启动备用发电机，备用机启动、并车投入电网后才能启动大电机，启动完成后停车备用机。如没有自动电站系统内设置重载问询功能后需要人工操作的二级电机，很容易造成运行中的发电机过载跳闸。
该船发电机特性如下：
数量：3台；额定输出：550kVA（440kW）；转速：900r.p.m.；频率：60HZ；相数：3φ；功率因数：0.8（滞后）；额定：100%负载连续运行；电压：AC 450 V；型号：卧式，同步和旋转磁场型；防护等级：防滴式；冷却方式：自通风冷却；励磁器：无刷型；绝缘等级：F级。
2.3 主电站和应急电站的联系
应急电站在特定情况下经配电设备可向主电站供电，但不能与主发电机并联供电。
3 自动化系统
随着计算机技术的不断发展和船舶自动化水平的不断完善，船舶自动化技术不断向全船综合自动化阶段发展，各类监控、管理、导航系统都被运用于船舶中。船舶综合自动化是集机舱自动化、航行自动化、机械自动化、装载自动化等于一体的多功能综合系统。
3.1 机舱自动化
本船配备先进的自动电站、泵站、主机遥控和集中监测报警系统。
主机采用461厂生产的46MED型柴油机。控制系统采用MAN和NORIS公司的机舱系统，可大大提高自动化的程度，避免设备重复配置的弊病，节约造船成本。
选用的是NORIS公司的机舱监测报警系统。船上425个报警点分别输入4个信号采集单元分站，采集分站与采集分站间串行连接。报警信号通过采集单元分站汇总于集控室监测总站电脑显示，非常方便。这样的显著优点是缩短造船周期，大大减少调试时间。
3.2 压载系统
自动化领域进入舰船平台后，大多数控制概念都是以标准化监控系统研发规划的一部分来开发的。为了进一步降低舰船控制系统的采购成本，在一些舰船上开始采用工业过程控制用的可编程控制器PLC作为局部控制器，是非常适合于自动化技术应用的。在本船压载系统的设计过程中，机舱空间狭小，无法对阀控&液控系统的阀控电磁阀箱和PLC信号处理柜布置。为解决该问题，经与设计院联合设计，经与新加坡NORDIC公司研究，将阀控电磁阀箱和PLC信号转换柜整合为一体在机舱布置。这不仅解决了布置问题，而且阀箱和PLC信号处理柜的整合后体积减小，也便于日后的设备的整体维护。 该船压载系统使用了计算机控制系统，自动化程度高。可在机舱集控室和甲板部船舶办公室的独立计算机上进行控制和指示，也可在机旁模拟的电路图上进行操作：
第一，对全船压载水系统、舱底水系统、燃油输送系统、冷却水系统等47套遥控阀进行遥控。
第二，对舱底总用泵、压载泵、消防总用泵、燃油输送泵、柴油输送泵进行遥控及指示。
第三，对10个污水井的污水报警指示。
第四，对39个油舱、水舱、空舱的液位指示和吃水指示。
4 船舶通讯导航系统
驾驶自动化是继机舱自动化后的又一重大变革，新技术、新设备的应用使船舶导航系统的发展达到了一个崭新的高度。
4.1 一人驾驶系统
该系统将驾驶室内的电子海图、通讯、导航等设备集中进行监控、控制。它可提供正确的船位、航向、航速、雷达图像、主机转速、各类监测报警等，使船舶能自动航行在最佳的航路上，最大限度上节省航油，提供航运效益，并能自动捕捉目标和判断危险目标，实施有效的船舶碰撞操作。一人驾驶综合桥楼使得在船舶航行时驾驶室仅需一个人操作，可以省去其他值班人员，降低劳动强度。
4.2 桥楼航行值班报警系统
本船按IMO要求配备一套桥楼值班系统装置，航行值班报警系统是船舶运行时的重要系统。
BNWAS的主要用途是为避免因轮船值班驾驶员意识水平降低或未履行职责而导致航海事故的发生。该系统采用分布式CPU结构和模块化结构。当驾驶室发生异常情况时,该系统可实时通过指示灯和警报声逐次提醒后备值班人员,同时驾驶室值班人员可通过系统的应急呼叫功能得到及时援助。使用时值班人员必须在设定好的时间内按下复位按钮。
5 技术攻关
5.1 落实电力系统短路保护的校核
LR规范和IEC出版物60362要求须进行短路电流的计算，以校核所选用的开关短路分断的能力，确保电网的用电安全。
参与计算的电力设备选择为主发电机组3台（A）、变压器2部（B1）、克令吊电动机4台（B2）、AC220负荷端为（D）。
计算结果和选用点的空气开关如下表：
短路点 对称短路电流Iac（kA） 最大对称短路电流Ip（kA） 短路功率因素COS? 空气开关型号 短路接通能力Icm（kA） 短路分断能力Ics（kA） 短路功率因素COS?
A1 16.3 37.67 0.257 NW10N 88 42 0.25
B1 20.6 48.4 0.257 NS250 73 35 0.25
B2 18.8 44.59 0.257 NS400 88 42 0.25
C1 14.93 22.5 0.723 NS100 73 35 0.25
D1 4.82 7.19 0.674 C65H 9.1 6 0.8
E1 1.87 3.23 0.422 C65N 9.1 6 0.8
由此得出所选开关的短路分断能力Ics大于所保护点的对称短路电流Iac，满足其设计要求。
5.2 落实货舱区域装载SOLAS2-9 类型危险品对电气设备的影响及对策
5.2.1 货舱烟雾探测系统
烟雾探测系统控制箱安装在主甲板CO2室，通过对各货舱排管接入CO2室，将抽出的货舱气样抽到探测探头处，危险源气体激发探头报警，货舱释放CO2，并设永久性警告铭牌。
5.2.2 货舱通风
货舱安装可逆式防爆风机，用于货舱的换气、通风。
5.2.3 货舱照明
货舱桅屋的照明灯具采用普通的照明灯具，而其他的设备位于机械通风口2米外、自然通风口1米外的均为普通型。无法躲避通风口的采取防保措施，防爆等级不低于IICT4。
6 结语
国内外造船经过评审一致认为37000DWT大舱口散货船是一艘成功的经济、环保型船型，其电力系统经过了系泊试验和航行试验，设备在各种工况下的试验结果说明电力系统设计合理、电源质量和自动化程度方面良好，市场前景十分乐观。
参考文献
[1] 熊仕涛.舰船概论[M]．北京：中国标准出版社，1996．
[2] 陈可越．船舶设计实用手册（电气分册）[M]．北京：中国交通科技出版社，2007．
[3] 英劳船舶入级规范和规则[S]．2010．