运输船电力负荷计算探讨

顾一清 姚 炯 陈逢源

(上海船舶研究设计院，上海 200032)

0 前言

船舶设置电站容量的大小、配备发电机的数量、单台发电机规格的选取历来是船舶电气专业一项重要的研究课题，也是考核船舶安全性和经济性的重要指标。对船舶电站而言，在综合考虑安全性和经济性的基础上，同时兼顾节能减排的环保需求已成了船舶设计领域中的热门话题。因此，正确的电力负荷计算，合理的电站配置，显得愈为重要。在工作实践中，经常会遇到一些关于电力负荷计算中有争议的问题，下面就运输船设计中主要遇到的几个方面展开探讨。

1 计算方法

船舶电站容量不等于全船所有用电设备的标称电功率的总和，也不等于船舶某一运行工况下所有用电设备标称电功率的总和。船舶在不同运行工况下投入运行的用电设备不同，用电量就不同。即便是在同一运行工况下各用电设备的运行时间长短不同，负荷变化的情况也会有所不同。电站负荷大小随时间变化呈正态分布。由于影响船舶电站负荷的因素繁多，随机性大，难于精确的确定，因此，选择恰当的计算方法，对各种工况下使用的负载进行正确的计算和合理分析显得尤为重要。

以前，我国常用三类负荷计算法。近十年来，国内外多采用二类负荷法进行计算。与三类负荷法相比，主要区别在于对负荷的分类和对同时使用系数的选取，如表1所示。

由表1可以看出，二类负荷法计算过程较简单，并且通过数百条实船的检验，按照这种计算方法得到的计算结果与实船运行的测量值是吻合的。如果对负荷的使用有足够的了解，还能从二类负荷法衍生出四类负荷法，将负荷按使用时间分为四类，对各类负荷分别采用1、0.8、0.5、0.3的同时使用系数。对负荷分类越仔细，得到的结果便越能接近实际情况。

表1

2 计算工况

计算全船电力负荷时，应按照各种工况进行统计和分析，对于不同类型、不同用途的船舶，运行工况各有不同，计算中应包括可能出现的最大负荷的工况——用来确定电站的总容量以及最小负荷的工况——用来确定单台发电机或最小发电机的容量。目前，在负荷计算中一般包括航行工况、进出港工况、装卸货工况、停泊工况及应急工况五种运行工况，下面分析每种工况对电站配置的影响。

2.1 航行工况

航行工况一般来说是在船舶单个运行周期中占用时间最长的一种工况。在此工况下电站应能保证满足船舶满载全速的航行状态及正常船员配备情况下的安全、舒适的生活需要。如果船舶电站仅由柴油发电机组组成，无轴带发电机组或主机废气涡轮发电机组等，则从经济及环保的角度考虑，往往希望在航行状态下，只运行一台柴油发电机。计算时，可以将航行工况一分为二。第一种是最具通用性的普通航行工况。在这种工况下只考虑船的正常航行及正常生活需要使用的设备功率，主要包括机舱辅助设备、舵机、空调通风和照明等。这些设备的总功率将作为选择单台发电机容量的依据。第二种为非普通航行工况。不同船舶在航行过程中，会出现一些大功率的设备投入使用的工况，例如散货船航行中压载泵、舱底泵工作的工况，冷藏集装箱船上使用冷藏集装箱及需要货舱通风的工况等。这些负载中有的不是在整个航次中一直使用的，有的则是在不同的航次中使用，情况有较大差异。由于这些负载功率较大，它们的使用会对负载总功率产生很大的影响，因此在计算时，需要将这类负载的工况作为非普通航行工况，与普通航行工况区分开考虑。

由于单台发电机的容量主要根据普通航行工况下的负荷总功率来选取，机舱辅助设备功率占负载总功率的一半以上，而机舱辅助设备的功率又是由主机功率决定的，因此，对同类型的船，可以通过比较主机功率来选择单台发电机容量。下面通过实船数据说明主机功率对单台发电机功率的影响，见表2和表3。

表2

表3

由表2可知，虽然船的载重吨相差较大，但是由于主机功率相近，因此单台发电机容量也十分接近。

由表3可知，虽然船的载重吨相近，但是由于主机功率相差很大，则单台发电机的容量相差也很大。

2.2 进出港操纵工况

进出港操纵工况是指船舶进出港靠离码头时使用锚绞设备和侧推（如配有）的工况。这种工况下除使用锚较设备外，还使用了正常航行所需要的大部分设备，所需要的总功率一般较大，而此种工况按照规范要求还需配备备用发电机组。因此，通常作为确定电站总容量大小的参考工况。

2.3 装卸工况

装卸工况是指装货或卸货时的工况。此种工况下主机已不再运行，为主机服务的辅助机械也不使用，使用的设备主要是装卸货需要的甲板机械、压载泵、照明等设备。对不同类型的船舶，在此种工况所需要的总功率区别较大，例如散货船带克令吊与否对此种工况下的负荷功率影响很大，又如滚装船在此种工况下要考虑尾门、侧门、坡道、盖板等的使用，自卸船要考虑自卸设备的使用，液货船要考虑货油泵的使用等。当装卸工况下有这些大功率设备使用而使总负荷量较大时，此种工况也作为确定电站总容量的参考工况。

2.4 停泊工况

停泊工况是指船舶停泊码头、无装卸作业的状态，这种状态主要的负荷就是生活用电和一些机修设备，此时负荷功率最小，往往作为确定最小发电机容量的参考工况。

2.5 应急工况

船上发生的紧急情况有很多种，例如住舱火灾、货舱进水、机舱进水等，但并不是每种紧急情况都属于负荷计算中的应急工况。在对应急工况进行计算的过程中，对下面两个问题的理解会直接影响计算结果，从而影响应急发电机容量的确定：

1）应急发电机的供电范围

应急发电机供电设备的范围及时间在《海上人命安全公约》（SOLAS）和各船级社规范中都有明确的规定。从中可以发现，这些设备主要是为一些逃生、内外通信报警以及救助等服务的，这些设备应该列入计算中，并应按照全功率使用考虑。而有些设备是船东额外要求由应急发电机供电，这些设备在使用应急发电机前应考虑强制切除，不在计算范围之内。

2）计算的应急工况

这里所说的应急工况是指主发电机不能工作，需要靠应急发电机供电的情况。主发电机组不能工作的情况通常可以分为三大类，第一种是机舱发生火灾；第二种是机舱进水；第三种是主发电机组发生故障。三种情况下使用的负荷比较见表4。

表4

对比表4中三种情况下的负荷总功率，可以看出，机舱火灾情况下的负荷总功率最大。因此，通常将这种情况作为选择应急发电机的容量的依据。需要注意的是，千万不能把所有可能发生的紧急情况都叠加起来来考虑应急发电机的容量，这样选出来的应急发电机容量是偏大的。

3 设备选型对负荷计算的影响

我们经常会将国内设计的船的一些性能指标和国际上同类型的船进行对比，电站容量也是比较的参数之一。通过比较会发现，日本的设计，电站配置会比国内的配置小很多。表5、表6是两艘实船的负荷计算表，表5对应的是日本的设计，表6对应的是国内的设计。

表5、表6计算的船舶类型相同，主机功率差异不大，负荷系数的选取相似，计算的方法基本一致，但是配置的电站容量却有很大的差异。对比分析详细的计算表后得知这个差异主要是由于所选用设备功率不同导致，一些大功率设备的选用差别如表7所示。

表5 日本设计某实船的负荷计算表

表6 中国设计某实船负荷计算表

表7

一般来说，设备电机功率是根据设备本身的规格（例如，泵的压头、排量，绞车的力矩，克令吊的安全负荷等）来确定的，当然，可能会由于电机厂家选用的不同有小范围的差异，但不会对计算结果有很大的影响。

通过上述例子可以看出，如果设备本身的选型就有很大的差别，负荷计算的结果就会有明显的差异，也就直接影响到电站的配置。

4 负荷计算表中各项系数的确定

设备机械参数确定后，所选用的电机额定功率基本确定，但是电机额定功率并不是参与计算的真正功率。在负荷计算中，采用综合负荷系数和同时使用系数来反映设备本身功率和设备参与计算功率之间的关系。综合负荷系数是所有负荷都要考虑的计算因素，同时使用系数只对间歇负载总功率产生影响。下面对这两种系数的确定分别加以说明。

4.1 综合负荷系数（K）

综合负荷系数（K）反映的是实际机械轴上输出的功率与电动机从电网上索取的功率的关系。对大多数定转速电机而言，当设备选定后，此系数便已确定，不会随着航行工况等外界条件的改变而改变。这个系数主要包含下面几个方面的内容：

a）电动机利用系数

b）机械负荷系数

c）电动机负荷系数

d）电动机的额定效率

P1——电动机的额定功率；

P2——机械轴上所需要的最大轴功率；

P3——机械轴上的输出功率；

P4——电动机需要从电网获取的功率。

电动机实际所需功率即实际参与计算的功率为

根据式（5）可知，当负荷计算表中选用的是电动机额定功率P1时，则综合负荷系数K为：

当负荷计算中采用的是机械轴上的输出功率P3时，则综合负荷系数为：

综上所述，综合负荷系数已考虑了设备的机械特性和电机特性对参与计算功率的影响。因此，在负荷计算表中的负荷系数栏中，只需选用此综合负荷系数而没有必要再将上述的电动机利用系数、机械负荷系数、电动机负荷系数等一一列出。如果有确切的资料提供了相关参数，可以根据上面的计算过程计算出综合负荷系数；如果没有，也可参考《船舶设计实用手册》电气分册中的推荐值来选取，这些推荐值是多年实践的总结，具有很高的参考性。

下面通过几个实例来说明综合负荷系数的确定。

实例一：某船主滑油泵，见图1。

从图1可知，在该主滑油泵正常工作点排量为1100 m3/h时，机械实际使用的轴功率P3为207 kW，电动机输出的额定功率P1为291 kW，电动机效率为 95%，根据式（6）、式（7）、式（5）可以求得：

图1 主滑油泵工作特性曲线

实例二：某船主机缸套淡水冷却泵，见图2。

从图2中可知，在该主机缸套淡水冷却泵正常工作点排量为400 m3/h时，机械实际使用的轴功率P3为38.7 kW，电动机输出的额定功率P1为52.4 kW，电动机效率为 93%，根据式（6）、式（7）、式（5）可以求得：

图2 主机缸套淡水冷却泵工作特性曲线

上述2台泵选用的是离心泵，而容积泵与离心泵的工作特性曲线有较大差异，下面以某柴油输送泵为例进行说明。

实例三：某船柴油输送泵（螺杆泵），见图3和表8。

图3中的两条曲线分别是柴油输送泵在工作温度分别为50℃和20℃时的机械轴功率特性曲线。从表8中可见，在正常工作点3.5 bar时，对应的机械轴功率分别为9.42 kW和19.74 kW，选择的电动机额定功率为21.5 kW，效率为90.4%，船上泵正常工作温度一般要求在40℃到45℃之间，接近于50℃，则泵的实际需要输出机械轴功率略大于9.42 kW。由式（6）可以求得K略大于0.48。对此类泵，就需要参考泵的工作曲线图，按照实际使用的情况选择综合负荷系数，从而使计算结果符合实际。

图3 柴油输送泵50℃和20℃时机械轴功率工作特性曲线

表8 工作温度参数对照表

4.2 同时使用系数K0

船舶在某运行状态下，不可能所有的间歇负载在同时使用，因此计算间歇负载总功率时应选取同时使用系数K0：

K0是运行的间断负载最大需要功率之和/所有间断负载的最大需要功率之和。

目前，国内外大多数计算中，同时负荷系数都选为 0.4 或 0.5。

4.3 特殊设备的系数考虑

1）对于厨房及洗衣设备，工作的时段和时间长短都较为固定，且在同一时间使用的情况不多，因此在计算时，只需将同时系数适当降低，取 0.2～0.3即可。

2）对于舵机，在相应的工况下通常只作小角度偏转，正常工作时所需要的功率远小于其额定功率，因此作为连续负荷，其负荷系数可以考虑取的较小，一般取为 0.2～0.3。

3）对于空调设备，由于一般按照2台压缩机同时运行计算制冷量，因此计算时应考虑两台压缩机的功率，另外由于压缩机不是连续运行的，因此空调应作为间歇负荷考虑。

5 电站的配置

在考虑配备电站总容量时，必须考虑各船级社规范要求船舶在航行时为安全需要考虑的备用电量、维护保养需要的交替容量和今后柴油机老化以及发展需要的储备容量等。考虑上述这些要求，同时兼顾经济环保，确定电站容量的基本原则是：

1）单台机组合理的负荷率：电站容量的选择满足大多数情况下的用电需要。当有些情况下使用大功率负载而使电站负荷过大时，采用电站分级卸载或并联发电机组确保电站安全使用。因此，单台机组容量按照普通航行工况下负荷率最低不应低于50%，最高不超过90%。考虑到今后柴油机老化以及发展需要等因素，一般最高负荷率定在85%。对单机容量较大的船舶，也需要考虑停泊工况下，负荷率应在20%以上以避免柴油机长期处于低负荷的运行状态，由此，可以考虑在保证供电总量的前提下，整个电站中选用1台容量较小的发电机组用于停泊工况。

2）发电机组的备用：为了船舶航行的安全性，船舶电站必须考虑航行及进出港工况有备用机组，用来保证供电的连续性。因此，至少需要配备2台发电机组。

3）发电机组的互换性：为了增强发电机组的互换性，在某一船舶电站中应尽量减少发电机组的品种，但是，若从电站的经济性考虑不可避免此种情况发生时，应尽可能考虑只是柴油机气缸数量不同的发电机组，以减少备件的种类。

4）发电机组运行经济性：应尽可能考虑使用轴带发电机。例如，某船推进系统为中速机、可调桨推进，该船在普通航行工况下主机转速基本恒定，则航行工况可以使用轴带发电机，同时如果该船还配有侧推，同时轴带发电机的功率大于侧推功率，则在进出港工况下也能使用轴带发电机，则此类船舶配备轴带发电机组比配备柴油发电机组经济性更优越。

6 结语

电力负荷计算不仅是计算，更确切的说，是一种平衡分析。在实际电站设计中，尽可能周全地考虑上述因素，有利于计算准确、更贴合实际。限于篇幅，本文所做的探讨主要是针对普通民用运输船，特别是散货船最常见的柴油发电机组的电站配置，对其它类型的船舶和其它种类电站配置没有展开，借此文抛砖引玉，希望能引起业内人士就此问题进行更深入的探讨，从而促进电站配置得更合理、更可靠、更经济、更环保，更具有先进性。

［1］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册.电气分册［M］.北京：国防工业出版社，1997.

［2］王文义.船舶电站［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.