王 鵬,王 敏
(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,上海 200011)
電力負(fù)荷分析是船舶設(shè)計的基礎(chǔ),是確定船舶電站及發(fā)電機的容量與配置的依據(jù)。隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)的高速發(fā)展,船舶電力系統(tǒng)日益龐大、電力設(shè)備的高速更新和應(yīng)用以及使用工況愈來愈多,這些都對經(jīng)典的電力負(fù)荷分析提出了更高的要求,特別是在海洋工程平臺項目中。比如深水半潛式鉆井平臺,幾千臺設(shè)備的運控過程都涉及電力,且運行工況可達近十種。因此,需進一步研究這類船舶的電力負(fù)荷分析方法,以及對于相應(yīng)引出的問題,例如功率因數(shù)的選擇、電壓等級的選擇、電站配置的考慮等進行詳細(xì)的剖析。
在進行電力負(fù)荷分析之前,首先應(yīng)了解船舶的各種作業(yè)流程及工況。不同類型、不同用途的船舶差異甚大。
1) 運輸類的船舶工況大致相同,可以分為:航行、進出港、壓載、裝卸貨、停泊、應(yīng)急等幾個工況;
2) 工程類船舶比如布纜船,作業(yè)流程及工況有航行、布設(shè)、埋設(shè)、撈纜、修理登陸、修理布設(shè)、停泊、應(yīng)急等工況;
3) 海洋工程如半潛式鉆井平臺,作業(yè)流程及工況就相對較多:航行、正常天氣動力定位、惡劣天氣動力定位、故障情況動力定位、正常鉆井、重負(fù)荷鉆井工況、起下鉆、停泊、應(yīng)急等工況。
用于船舶推進或者船舶動力定位時需要使用的負(fù)荷,隨著電力推進技術(shù)的廣泛使用,推進電機,推進變壓器以及推進變頻器組成了推進定位類負(fù)荷的主要設(shè)備。在電力推進的船舶或者海洋工程中,推進定位類負(fù)荷占據(jù)了最大的份額,通常占到電站總?cè)萘?0%以上。推進定位類負(fù)荷與船舶尺寸和航速有關(guān)。動力定位負(fù)荷還需考慮不同的風(fēng)、浪、流環(huán)境,以及船舶尺寸和自身的受風(fēng)面積。推進定位類負(fù)荷在不同的作業(yè)工況和環(huán)境條件下差別很大。
船舶在正常運行時所需的公共負(fù)荷,包括輔發(fā)電機系統(tǒng)、機艙輔助系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、冷藏系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等等。此部分的負(fù)荷與環(huán)境條件以及作業(yè)工況無關(guān),在船舶運行各工況下相對穩(wěn)定。
船舶及海洋工程由于不同作業(yè)需要所配置的相關(guān)負(fù)荷,例如鉆井平臺、鉆井船的鉆井負(fù)荷、物探船的測量負(fù)荷、起重船的起重負(fù)荷、敷管船、布纜船的布設(shè)負(fù)荷、運輸類船舶的駁運負(fù)荷等等。此部分的負(fù)荷與船舶功能、工作工況息息相關(guān)。在不同的作業(yè)條件下功率差別非常突出。
滿足各類規(guī)范規(guī)則要求,在應(yīng)急情況仍然需要使用的負(fù)荷,例如應(yīng)急消防泵、探火設(shè)備、消防類設(shè)備、逃生設(shè)備等。
電力負(fù)荷計算屬于統(tǒng)計學(xué)的計算法。由于電站不能像船模試驗一樣確定船體的型式和尺寸及推進系統(tǒng),因此電站容量的選擇只是根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律采用近似的估算方式。
是國內(nèi)使用最多的一種計算全船電力負(fù)荷的方法。它將全船用電負(fù)荷按使用特點分成3類,并且考慮負(fù)荷系數(shù)和同時系數(shù)來進行計算。
1) 第1類負(fù)荷是指在船舶某一運行狀態(tài)下連續(xù)使用的負(fù)荷;
2) 第2類負(fù)荷是指在某一運行狀態(tài)下短時或重復(fù)短時使用的負(fù)荷;
3) 第3類負(fù)荷是指在某一運行狀態(tài)下偶然短時使用或者不用的負(fù)荷。
當(dāng)電氣設(shè)備具有充分的數(shù)據(jù)時,可采用三類負(fù)荷法進行全船電力負(fù)荷的計算。由于數(shù)據(jù)充分,能較準(zhǔn)確地得出各用電設(shè)備的負(fù)荷系數(shù),同時各用電設(shè)備按其使用情況分類,并按類考慮其同時系數(shù),亦可以較精確地確定同時系數(shù)。因此,三類負(fù)荷法能求得較精確的結(jié)果。
3.1.1 負(fù)荷系數(shù)
負(fù)荷系數(shù)=電動機利用系數(shù)×機械負(fù)荷系數(shù)
電機利用系數(shù)是指電機軸功率與額定功率之比,機械負(fù)荷系數(shù)是指實際使用功率與電機軸功率之比。這些值都只能在設(shè)計之初通過經(jīng)驗或者母型船數(shù)據(jù)獲得。
3.1.2 同時系數(shù)
現(xiàn)在通常選取1類負(fù)荷同時系數(shù)K1在0.8~0.9范圍內(nèi)。2類負(fù)荷系數(shù)K2在0.3~0.5范圍內(nèi)。所選取的限值應(yīng)視其船舶運行工況及船舶設(shè)備數(shù)量而定,且不同運行工況下的同時系數(shù)不同。
需要系數(shù)是用電設(shè)備實際消耗功率與其額定功率的比值??梢钥闯觯枰禂?shù)結(jié)合了設(shè)備負(fù)荷系數(shù)和使用同時系數(shù)。需要系數(shù)取值是否合理是全船電站選擇的關(guān)鍵,這就要求設(shè)計師具有豐富的經(jīng)驗。目前,國外的海洋工程基本設(shè)計大多采用需要系數(shù)法。
目前,大多數(shù)的船舶及海洋工程采用電纜作為動力傳輸?shù)闹饕绞剑娎|作為傳輸載體,消耗能量會造成電壓跌落。因此大多數(shù)的設(shè)計指南中會要求考慮5%的網(wǎng)絡(luò)損耗計入電力負(fù)荷計算中。然而,統(tǒng)一使用5%的冗余度考慮較為保守,更應(yīng)視電網(wǎng)情況而定。
4.1.1 低壓系統(tǒng)
對于低壓電網(wǎng)系統(tǒng)(例如AC380V,AC440V,AC690V等),這樣的考慮也無可厚非,畢竟大部分的設(shè)備需配備低壓,考慮到電纜和變壓器產(chǎn)生的損耗,因此計及 5%的網(wǎng)絡(luò)損耗對于電站選擇較可靠。規(guī)范對于電纜造成最大交流穩(wěn)態(tài)電壓降跌落的要求是不能超過6%也從側(cè)面反映了這一點。
4.1.2 中壓系統(tǒng)
在中壓系統(tǒng)中,特別是6.6kV和11kV的電壓等級,特別是主要用電設(shè)備為中壓設(shè)備使得電纜傳輸損耗會降低不少。因此,在大容量的船舶及海洋工程電網(wǎng)計算中,應(yīng)適當(dāng)降低網(wǎng)絡(luò)損耗的比例,甚至在很多國外公司的中壓海洋工程的項目負(fù)荷計算中都忽略此項。根據(jù)經(jīng)驗,中壓系統(tǒng)考慮 2%~3%的網(wǎng)絡(luò)損耗較合適。
在船舶電網(wǎng)中,無功功率和有功功率一樣重要。原因是,幾乎所有的設(shè)備正常運行都需要無功分量。在電機啟動,變壓器合閘等功率因數(shù)特別低的情況下,都需要大量的無功功率。
目前國內(nèi)的船舶設(shè)計電力負(fù)荷計算中,通常對于無功功率計算不作特殊的要求。但是反觀國外海洋工程電力負(fù)荷計算中,全船無功功率負(fù)荷分析比比皆是。究其原因,無非是發(fā)電機功率因數(shù)的選擇出現(xiàn)了一些問題。
在船舶領(lǐng)域,大多使用功率因數(shù)0.8的發(fā)電機。原因在于,通過工程分析,大部分的設(shè)備額定功率因數(shù)都大于0.8。比如,機艙泵的功率因數(shù)多在0.85左右,變壓器的功率因數(shù)為0.8,變頻鉆井電機的功率因數(shù)超過了0.9,變頻器的功率因數(shù)為0.95以上,照明系統(tǒng)中也會選用高功率因數(shù)的燈具產(chǎn)品(>0.85)等。但是需要注意,大部分設(shè)備沒有工作在額定點,因此實際的設(shè)備功率因數(shù)會比額定值低些。所以,當(dāng)設(shè)備正常運行時,選用功率因數(shù)0.8的發(fā)電機應(yīng)該可以滿足絕大部分設(shè)備的要求。
但是一些海洋工程中,特別是半潛式鉆井平臺或者鉆井船項目中,國外的設(shè)計都會選擇功率因數(shù) 0.9的發(fā)電機,從而提高經(jīng)濟性。原因是作為最大負(fù)載的推進負(fù)荷由變頻器驅(qū)動,占據(jù)超過70%的份額,而變頻器的整流側(cè)功率因數(shù)很高,對于12脈和24脈的不可控整流器功率因數(shù)都超過0.99,因此船舶在航行、定位等主要運行工況下,總的功率因數(shù)很高,對電站需求無功功率很小。
也有一些海洋工程中,特別是美國區(qū)域使用的鉆井平臺,發(fā)電機功率因數(shù)多為0.7或者更低。原因是這些平臺對于諧波抑制方式較簡單,需要較大的發(fā)電機視在容量以抵御諧波畸變造成的影響。
通過對船舶作業(yè)工況的分析,按照計算方法統(tǒng)計全船電力負(fù)荷的總和,得到每種工況下以及最大的功率需用值,以此條件作為全船電站配置的基礎(chǔ)。
根據(jù)海洋工程項目實際情況考慮電站的配置,包括數(shù)量和容量。主要考慮以下幾個方面:
1) 電站總功率滿足各運行工況下的最大用電量的需要;
2) 考慮設(shè)置備用機組,其容量應(yīng)等于電站中最大一臺機組的容量,當(dāng)任意一臺機組故障時,備用機組都能立即投入電網(wǎng)運行以保證供電之可靠性;
3) 考慮一定的功率儲備,各發(fā)電機的最高負(fù)荷率取85%左右;
4) 主發(fā)電機組的臺數(shù)過多會增加維護管理工作量,過少則降低運行經(jīng)濟性;
5) 為保證有良好的并聯(lián)運行特性,又可使各機組互為備用,所以對于新造平臺,基本上選用同型號且容量相同的機組;
6) 若有動力定位要求,需考慮動力定位附加標(biāo)志(DP2/DP3)的要求,當(dāng)發(fā)生單個故障時在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持位置和艏向。
一般非電力推進船舶電站的負(fù)荷率在85%是合理的。而在電力推進船舶中,由于船舶電站的主要負(fù)載是供推進負(fù)荷,其絕對值又較常規(guī)電站大,因此其負(fù)荷率應(yīng)比常規(guī)電站的要高才更合理,否則會使電站裕量儲備過大而浪費。目前對大容量船舶電站的負(fù)荷率沒有任何規(guī)定和探討,根據(jù)資料分析,有工程界專家提出在95%左右是合理可行的。試以電站容量20MW為例,95%負(fù)荷率則有1MW的裕量儲備,接近于一個常規(guī)電站的總?cè)萘浚梢詰?yīng)付電站負(fù)荷變化的需要。
一定的電壓等級決定了一定的電網(wǎng)容量和供電負(fù)荷的大小,當(dāng)電力系統(tǒng)的容量達到一定值以后,采用中壓交流電力系統(tǒng)(例如3.3kV、6.6kV、11kV等)是一個很好的選擇,它可以大大減小短路電流的水平,可以選用標(biāo)準(zhǔn)的中壓交流配電柜而降低成本,提高系統(tǒng)的安全可靠性,同時還可以節(jié)省大量的電纜。
從斷路器的容量分析來看,低壓交流電力系統(tǒng)(例如400V AC或者450V AC)匯流排短路電流半周對稱有效值(Isc)的極限為135kA,當(dāng)短路電流Isc超過135kA時必須選用中壓交流電力系統(tǒng),當(dāng)短路電流Isc超過100kA時優(yōu)先選用中壓交流電力系統(tǒng)。生產(chǎn)大容量非標(biāo)準(zhǔn)的低壓交流配電板需要大量的試驗成本,既不經(jīng)濟也不安全。
當(dāng)?shù)蛪航涣麟娏ο到y(tǒng)水平匯流排的額定容量不大于6300A,短路電流對稱有效值Isc不超過100kA,應(yīng)該采用低壓交流電力系統(tǒng)。許多著名的低壓配電設(shè)備制造商均能提供經(jīng)濟的、安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)型低壓開關(guān)柜、低壓配電屏。當(dāng)?shù)蛪航涣麟娏ο到y(tǒng)水平匯流排額定容量大于6000A而不超過8000A,短路電流對稱有效值超過100kA且不超過120kA,或者說粗略估計電站總?cè)萘看蠹s為8~10MW,可以根據(jù)船東的喜好和習(xí)慣選用低壓交流電力系統(tǒng)(例如450V交流電力系統(tǒng))或者中壓交流電力系統(tǒng)(例如3.3kV或6.6kV交流電力系統(tǒng))。當(dāng)?shù)蛪航涣麟娏ο到y(tǒng)匯流排短路電流對稱有效值超過120kA或者粗略估計電站總?cè)萘砍^10MW左右,應(yīng)該考慮選用中壓交流電力系統(tǒng),例如3.3kV或6.6kV交流電力系統(tǒng);如果電站總?cè)萘砍^40MVA,例如采用電力推進方案,應(yīng)該優(yōu)先考慮選用10~11kV交流電力系統(tǒng)。
通過對船舶及海洋工程的作業(yè)工況分析、電力負(fù)荷計算方法的簡單介紹,并對相關(guān)產(chǎn)生的幾個問題如無功功率、電壓等級、網(wǎng)絡(luò)損失、電站配置等進行了分析探討,供工程設(shè)計人員在船舶電氣設(shè)計中參考。
[1] 船舶設(shè)計實用手冊 電氣分冊[S]. 北京:國防工業(yè)出版社.
[2] 電氣工程手冊[S]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社.
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