船舶電站容量確定和計算方法

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關于船舶電站容量確定和計算方法

　
　　論文關鍵詞:電站；負荷；系數；容量；計算
　　論文摘要:本文主要闡述了船舶電站容量確定和計算方法，針對三類負荷介紹了負荷計算兩步驟和過程，以及在設計實踐中的一些問題提出自己的看法。

　　正確合理地計算船舶電站的容量，將直接影響到船舶運行的指標，并且影響著船舶的生命力量，所以具有很重要的意義。船舶電站計算的基本理論，不僅設計人員要掌握，對于運行人員來說也是非常重要的，它可以幫助機艙管理人員正確深入地了解船舶電站的特點，從而能夠根據不同的運行情況，相應的改變電力系統的運行方式，充分發揮電站的功能，使電力系統保證安全、可靠、經濟、優質，（在電壓和頻率偏差允許圍內）另外，在監造船舶和接管船舶過程中，對所接船舶能夠做出有理論的校驗和評價。
　　在進行船舶設計時，船體的型式和尺寸及推進系統都可以由模型實驗決定，但是船舶電站容量的選擇至今尚無類似的辦法，只能根據規律采用近似的估算方式。
　　電站容量的計算方法有許多種類，一般用的最多的是概率論法，晝夜航行圖表法和負荷系數法。概率論法對于同類型船舶適用，小船或電動輔機不多的船舶大多采用晝夜航行圖表法，目前用的較多的仍然是負荷系數法。負荷系數法分為兩種，需要系數法和三類負荷法。將電站容量計算好后，就可以查對產品目錄，根據發電機組標準和配套情況，選用發電機。
　　由于船上各用電設備的工作情況與船舶的運行工況有關，不論用什么方法計算電站容量都是按照船舶不同的工況分別進行的。船舶整個運行周期大體可以劃分幾個點型工況，在每一個點型工況中負荷的變化相對說來是不大的。船舶電氣設計人員都知道，任何船舶都有配有電源裝置，供給船舶上的電力、照明、通訊及其它的生活設備。電源裝置有主電源，應急電源、備用電源。船舶設備幾種電源要根據船舶類型、用途、航區以及船級社規范，法規來確定，故不同類型、用途的船舶可配不同的電源裝置，但主電源裝置對于大多數船舶都要配置，主電源裝置（船舶電站）的容量是如何確定的呢？下面就船舶電站容量的確定和計算方法及在計算過程中注意的問題淺談一二。
　　船舶電站容量的確定，必須經過船舶電力負荷計算，其結果作為選擇發電機容量的依據，計算結果正確與否將直接影響發電機容量的選擇，發電機容量選擇不合適，勢必將直接影響全船電器設配的使用要求，導致船舶航行不安全，也有可能由于船舶電站容量過大，造成電站低負荷，低效率運行，柴油發電機組功率得不到充分的利用，并相應地造成配套電氣設配（主開關、儀表、電纜等）容量增大，導致船舶造價提高。用此電力負荷計算在整個船舶電氣設計中是一項較為重要的工作，應考慮周密、細致、慎重、否則將給船舶帶來隱患。
　　船舶電力負荷計算是根據全船用電設配的數量，負荷及使用工況進行的。把計算過程匯總表，稱為電力負荷計算書。目前，船舶電力負荷計算方法雖多，上述以介紹過了，下面以三類負荷法的計算步驟淺談一下。
　　1、確定全船，照明及生活等設配的情況下，查出機械配套電機的額定參數，計算照明等其它用電設配的裝置功率，并按設配工作性質進行分類，甲板機械、舵室輔機機修機械、冷藏通風、弱電設配、照明設配、生活設配、通訊導航等。
　　2、對于不同類型、用途的船舶劃分為幾種船舶運行工況，如航行狀態、進出港、靠離碼頭、停泊、裝卸貨、應急狀態等。
　　3、按確定各工況下所需使用的電機、電氣設配以及它們使用情況進行負荷分類，即Ⅰ類負荷——連續使用額的負載，Ⅱ類負荷——短時或重復短時使用的負荷，Ⅲ類負荷——偶然短時使用的負荷，以及按操作規程規定可以在電站尖峰負荷時間外使用的負荷。
　　4、計算各用電設配實際消耗的功率。在計算電動輔機電機所消耗的功率時，首先確定各種系數，如電動機利用系數：K1=P2／P1,機械負荷系數：K2=P3／P2，電動機負荷系數：K3=K1K2=P3／P1，最后確定電動機以額定功率運轉時從電網所吸收的功率：P4=P1／ηe，P1每一臺輔機選配的電動機有一額定功率P1每一臺輔機有一最大軸功率P2電動機的實際使用功率，電動機在額定功率時的效率ηe，按以上公式計算各電動機實際所消耗功率。若有兩臺及兩臺以上同類型機械設配額定電機，還需根據實際使用臺數進行計算。
　　5、計算每一臺工況下各類負荷的總功率，必須按其同時系數計算總負荷。對于Ⅰ類負荷，因考慮到全船用電量設配最大負荷的不同實性，同時系數K1可取0.8~0.9，對于Ⅱ類負荷，同時系數指該負荷平均使用時間與工作周期之比來估算，但在計算時常不考慮每臺輔機的同時系數，而將Ⅱ類負荷總加起來后在乘以同時系數K2，K2一般可在0.3~0.5的范圍中選擇。對于Ⅲ類計算時通常可不計。
　　6、考慮5%的網絡損失，計算出所需總功率，按此功率及具體使用情況確定發電機容量及臺數，其容量必須滿足各工況所需功率，實際使用的發電機可為單機動行，也可以為雙機并聯運行并考慮留有一定的余量，另一方面使計算過程引起的誤差得到有效的控制。
　　7、最后再考慮是否選擇發電機，選擇什么型號的發電機組的問題。如需并聯運行可斷電轉移負荷及互為備用，一般選擇相同型號機組。
　　船舶電力負荷計算對每一個船舶電氣設計人員來說，似乎不是一項很困難的工作，但其實不是，要做到精確計算，得到一個準確的結果，并非容易。這是因為電站負荷取決于各用電設備的實際負荷和具體使用權情況，以及全船用電設備同時使用情況，而這些情況說的受到了多種因素的影響，難以確定。多年的工作經驗使我們深有體會，認為電力負荷計算是船舶電氣設計中一項比較困難的工作。
　　從計算方法的角度來說，一般首先必須具備有原始的資料及數據，如機械軸最大功率（P），實際負荷時電動機效率（η），等其次再通過選取各種數據，如機械負荷系數（K），同時使用系數等，就可以進行計算了。現在遇到的普遍問題是原始數據不全甚至沒有，這樣就給計算帶來了不便。以往在這種情況下為了計算通常把電動機利用系數（K）均取1，同時由于在計算過程中各種系數選取不當(一般偏于保守，系數取的偏大)，加之設備分類不正確，這樣造成了計算結果偏大，因而選擇的電站容量也就偏大。從現有船舶電站運行的實際情況（大多數電站的負荷率普遍較低）就可以印證了這一點，當然電站負荷率低也有其它方面的原因，如果船舶使用方不是根據需要，而是根據在自己的考慮要求設計單位配備何種類型機組，造成裝機容量較實際需要大，但這種情況畢竟是少數。盡管電站容量選擇偏大對船舶航行安全來說并沒有什么不好，但就設計角度而言是不合理的。本文提出一些個人見解和體會，就如何使電站選擇更加合理化的問題與各位同行共同探討。
　　
　　一、系數問題：
　　
　　（一）電動機利用系數K的選取
　　在計算過程中，當船舶輔機電動機最大軸功率實在無法查到時，利用系數K 統一選取1的做法，現在看來不是太合適的。設配在選配電機時，由于系列產品中，電動機功率不一定恰好和設配軸上功率相符，有時為了保證起動轉矩，電動機功率可能選得大些，電動機未能充分利用，因此利用系數K 就是一個小于1的數值，那么應該取多少較合適呢？是否考慮每臺電動機利用系數取0.9的范圍內，也有些可能在0.8~0.9范圍內，甚至0.7左右的都有。把所有利用系數都取0.9也即選平均值，這樣主算出來的結果相對要準確些，但一般仍然偏高。
　　（二）電動機實際使用功率時的效率η的選取
　　電動機實際使用功率時的效率，即電動機實際負荷時的效率，本來可以從電動機特性曲線查出來，但給計算方增添了不少麻煩及工作量。目前為了計算方便，都是選取額定效率ηe來計算，盡管計算結果有偏差，但影響并不大，主要原因是：對于直流電動機而言，其效率在使用范圍內變化不大，故可認為均為ηe，而異步電動機在低負荷時效率較低，從特性曲線可看出，當電動負荷在50%~100%運行時，其效率變化小于5%，而對容量較大的電機來說，其變化就更小了，故可以以為不變。
　　（三）負荷系數K2的選取
　　機械負荷系數的準確選取，確是一個比較難的事情。K2是一個定量值，因為用電設配在某一狀態下運行，其實際使用功率同時是與之變化的，計算時無法得到。現在通常都采用過去經過或經驗獲得的數據:一般恒速機械（如泵、風機）的機械負荷系數通常取0.8、0.9，錨機、絞盤通常取0.6~0.7，舵機通常取0.3~0.4，取其上限還是下限，設計者可根據自己的經驗或向輪機專業及其它相關專業詢問，根據他們提供的設配實際使用情況來確定。但必須強調一點，任何一臺輔機的電動機在不同的運行工況下，其機械負荷是不一樣的。
　　（四）同時系數的選取
　　同時系數選取得合理與否直接影響到計算的結果，要取得確定值也比較困難。現在通常選取Ⅰ類負荷同時系數K1在0.8~0.9范圍內。Ⅱ類負荷系數K20.3~0.5范圍內。至于取上限還是下限，應視其船舶運行工況以及船舶設配數量的多少而定。不同運行工況下的同時系數不一定相同。對于大型船舶，由于設配數量多，同時工作的可能性小，同時系數可選得小些，對于小型船舶，由于設配數量小，同時工作的可能性大，同時系數可選得大些。
　　
　　二、設配的分類
　　
　　三類負荷計算法所以能求得較精確的計算結果，除了選取各種合理系數外，還有一個重要的因素，就是要正確地把各電氣設配按其使用情況進行分類，設配分類不妥，將影響計算結果，故必須認真、慎重考慮。判斷同一項設配屬于哪種類別，應視其設配在該運行工況下工作情況，同一項設配在不同的運行工況下工作，其設配的類別不一定是相同的。就是說，三類負荷的方法與船舶運行工況有關。
　　
　　三、計算表的編制
　　
　　在負荷計算表的編制中，為了使計算表格更直觀明了，讓人一看一目了然，就必須在表格中對其一些用電設配加以注解。隨著船舶電氣設配的不斷發展，新產品層出不窮。不同型號規格，不同電壓種類的同種電氣設配均在船上使用，特別是現在船舶上使用的廚房設配、生活設配、從電設配等，輸入電壓有的為AC220V，有的則為AC380V,在負荷計算表現中如果不對其電壓種類進行注解的話，那么將給變壓器容量的計算和核對造成麻煩，本來直接根據負荷計算表中的數據可完成的工作，卻還要通過其它相關的圖紙才能具體了解，計算完成。所以將可有不同電壓種類選擇，容易讓人產生誤解的電氣設配注明相應電壓值是十分必要的。
　　
　　四、其它
　　
　　任何類型及用途的船舶都必須經過電力負荷計算，以確定船舶主電源裝置。而電力負荷計算方法對任何船舶都是適用的，只不過在根據計算結果選擇發電機容量不小時，就必須考慮不同類型及用途船舶特殊性。其中原則是看船上電氣設備功率相對容量的大小以及它們的工作情況（是長期穩定工作還是頻繁重復工作）。對于一般小型船舶，設配功率差別相對不大，選擇發電機容量大小只要雜計算結果的基礎上，留有10%~20%的數量就可以了。如果是工程船或特殊船舶，其船上沒有較大功率的電力拖動機械，并且該機械需頻繁反復起停工作，此時在選擇發電機容量時，就必須考慮所選用發電機的額定電流在一定的過載能力下能否承受此種工作制的最大起動電流，通常在計算結果的基礎上，按最大起動電流對發電機容量進行核算，以保證船舶機械安全可靠的工作，也就是說，船舶電站容量的確定除了按電力負荷計算外，還必須根據船上用電設配使用情況綜合考慮。
　　長期實踐證明，電力負荷計算（特別是利用三類負荷法）是確定船舶電站容量既可行有效，較為成熟的一種方法，在船舶電氣設計中時一項非常重要的工作。為了使計算更接近于實際，應深入實踐，積極參與船舶試車試航，通過測試，獲得原始數據，積累經驗，提高負荷估算負荷估算書的準確度。
　　
　　參考資料：
　　船舶設計實用手冊（電氣分冊）
　　船舶電站及自動化裝置

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