万米级潜水器科考母船“张謇”号电气设计

文 勇

(上海航盛船舶设计有限公司,上海 200011)

万米级潜水器科考母船“张謇”号电气设计

文 勇

(上海航盛船舶设计有限公司,上海 200011)

简要介绍了上海航盛船舶设计有限公司自主开发设计的万米级潜水器科考母船“张謇”号电气设计概况，主要叙述了该船电气设计过程中对电源装置、配电装置、动力定位系统、主干电缆走向、通信及网络系统等关键技术的设计研究。

科考母船；主配电板；动力定位；主干电缆

0 引 言

党的十八大报告提出，要提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国。海洋科考船作为人类调查研究和认识海洋的基本工具，必将有更多方面的发展和需求，其广阔的发展前景毋庸置疑[1]。海洋科考船按照其主尺度、续航力及调查能力一般可分为全球级、大洋级、区域级和近岸级[2]。

2016年7月12日，我国又一艘全球级海洋科考船“张謇”号开启首航之旅，从上海临港出发，奔赴“海上丝绸之路”南线，前往南太平洋巴布亚新几内亚附近海域。“张謇”号由上海彩虹鱼科考船科技服务有限公司投资、上海航盛船舶设计有限公司设计、浙江天时造船有限公司建造。该船于2015年4月18日正式开建、2016年3月24日下水。该船具有装备全、自动化和信息化程度高、设计要求高、布局紧凑等特点，因此电气设计具有一定的特殊性和复杂性。本文对“张謇”号的电气设计做简要介绍，以期为将来类似船型设计提供参考。

1 船舶概况

“张謇号”是一艘钢质、无限航区航行的万米级潜水器支持母船兼综合海洋科学调查作业船，该船首次将万米级载人潜水器母船、远洋科学综合考察、深海工程作业支持三个功能有机地结合在一起，设计上极具创新性[3]。该船总长97.55 m、型宽17.80 m、型深8.40 m、定员60人，续航能力12 000 n mile。该船设计图纸经中国船级社(CCS)批准，取得如下船级符号：★CSA Research Ship, SPS, Ice Class B; ★CSM MCC, BRC, DP-1。

该船航拍照片如图1所示；总体布置如图2所示。

图1 “张謇”号航拍照片Fig.1 Air photo of “ZHANGJIAN”

图2 “张謇”号总体布置Fig. 2 General arrangement of “ZHANGJIAN”

2 电气设计研究

2.1 电源装置设计

“张謇”号作为一型综合海洋科学调查作业船，运行工况繁多，主要包括：全速航行工况、经济航行工况、漂泊试验工况、潜水器布放/回收作业工况、地质柱状取样作业工况、走航测量工况、进出港工况、停泊工况、应急工况等，其中潜水器布放/回收作业工况和地质柱状取样作业工况要求船舶具有一定的动力定位(DP)能力。不同工况电力需求差异很大，在满足规范要求基础上，如何保证各工况下运行发电机能有一个合适的负载率，同时兼顾系统安全性、经济性，是本船电气设计的一大难点。

该船电源装置设计主要输入条件如下。

(1) 为兼顾各工况下的航速需求，同时提高主推进系统的可靠性，该船采用双机单桨形式，大主机额定功率2 380 kW，小主机额定功率1 103 kW，2台主机不同时运行。

(2) 根据轮机、舾装专业提供的设备明细表，初步核算主要运行工况下的电力需求：航行工况约为560 kW，走航测量工况约为630 kW，停泊工况约为420 kW。

(3) 结合动力定位能力分析、船舶机动性要求及总体布置等情况，该船配置了两台560 kW的首侧推及一台680 kW的尾侧推，动力定位工况下三台侧推需同时使用。

根据上述数据，综合考虑设备选型等因素，本船发电机配置方案如下。

(1) 主发电机(2台)：自励、无刷、三相同步交流发电机，750 kW，400 V，50 Hz，1 000 r/min，cosφ=0.8，独立柴油机驱动。主发电机兼做停泊发电机。

(2) 轴带发电机(1台)：自励、无刷、三相同步交流发电机，1 600 kW，400 V，50 Hz，1 500 r/min，cosφ=0.8，大主机通过齿轮箱驱动。

(3) 应急发电机(1台)：自励、无刷、三相同步交流发电机，120 kW，400 V，50 Hz，1 500 r/min，cosφ=0.8，独立柴油机驱动。

各工况下发电机使用情况如表1所示。

表1 各工况下发电机使用情况

2.2 配电装置设计

该船配电装置包括主配电板、应急配电板、蓄电池充放电板、岸电箱、分电箱、组合起动箱、电工试验板等。除主配电板外，其他配电装置的设计相对比较常规，故本文仅就主配电板的设计做简要介绍。

由于轴带发电机与柴油主发电机组不能长期并联运行，结合规范要求及主要负载运行工况，将主配电板交流(AC)400 V汇流排分成3段。“张謇”号电力系统简图如图3所示。

图3 “张謇”号电力系统简图Fig. 3 Power system diagram of “ZHANGJIAN”

该船主配电板设计主要思路及特点如下。

(1) 两台主发电机能长期并联运行, 并车方式采用自动同步装置自动并车和手动准同步并车两种方式。

(2) 主发电机可与轴带发电机短时并联运行进行负载转移，以避免在发电机切换时出现全船短时失电的情况，保证船舶及人员安全。

(3) AC 400 V左汇流排与AC 400 V中汇流排之间通过隔离开关连接，两台主发电机分别连接到这两段汇流排，其他双套设备(AC 380 V)均分地连接于这两段汇流排，以满足相关规范要求。

(4) AC 400 V中汇流排与AC 400 V右汇流排之间通过带电动操作机构的负荷开关连接，这两段汇流排都有电时，之间的联络开关只允许同步合闸，即只有在同步表有输出允许合闸信号的情况下才能合闸，以避免出现误操作。

(5) 1号首侧推由AC 400 V左汇流排供电，2号首侧推及尾侧推由AC 400 V右汇流排供电。综合考虑设备可靠性、经济性等因素，首、尾侧推均采用可调螺距螺旋桨，主电机采用自耦变压器降压起动方式，以保证在两台主发电机并联供电或轴带发电机供电时的起动性能。

(6) 动力定位工况下采用分区供电形式，AC 400 V中汇流排与AC 400 V右汇流排之间的联络开关断开，两台主发电机并联运行给AC 400 V左/中汇流排供电，轴带发电机给AC 400 V右汇流排供电。

2.3 动力定位系统设计

根据船东设计任务书及相关设计输入文件的要求，该船主要科考作业(潜水器布放/回收作业工况和地质柱状取样作业工况)时船舶不需要工作在自动定位模式(即自动保持要求的位置和艏向)，可在满足作业需要的前提下选择自动艏向模式(即绕某一设定点根据风向适时自动调整船舶艏向)、自动区域定位模式(即在最小能耗条件下自动将船舶保持在允许区域内，并将艏向保持在允许的艏向范围内)以实现较恶劣环境条件下的定位并降低能耗[3-4]。这也是该船主推进系统能够采用单桨形式的直接原因。该船另配置有两台560 kW的首侧推及一台680 kW的尾侧推。根据动力定位系统厂家提供的能力分析报告，基于上述动力配置(动力定位工况下使用额定功率2 380 kW的大主机)的定位能力可满足预定的科考作业需要。

该船动力定位控制站设计主要思路及特点如下。

(1) 主控制站设在驾驶室，考虑到“在主控制站和备用控制站，均应设有各个推进器的单独的手动控制器”的要求[5]，经与船级社确认，可将整个驾驶室算作动力定位主控制站。相关设备布置方案：在驾驶室后部右舷设有DP控制台，台内布置有动力定位工作站、固定式独立操纵杆面板、独立操纵杆处理单元、模式选择开关、DGPS显示单元及电源单元等；主推进装置及侧推的控制面板设置在驾驶室前部驾控台上。

(2) 分别在驾驶甲板两翼和机库顶部作业操控室设置便携式独立操纵杆接线盒，全船备有一套便携式独立操纵杆面板，可根据需要连接到对应位置的独立操纵杆接线盒，实现在进出港或科考作业工况的便捷操控。

2.4 主干电缆走向设计

该船电站容量大、设备多、定员多、自动化和信息化程度高、布局紧凑，有大量工作舱室及科考仪器设备，这些都使得主干电缆走向设计成为本船电气设计的又一难点。

在方案设计阶段，考虑到该船的上述特点，在主干电缆通道的设计方面做了比较充分的分析、论证和实船调研。该船主干电缆走向设计主要思路及特点如下。

在处理上下贯穿电缆方面，主要采取如下措施。

(1) 该船主要实验室及网络中心位于主甲板FR78～FR106号肋位之间，对应这段肋位间下一层的下甲板、上一层的居住甲板都分布着大量的居住舱室及工作舱室，有大量的电力、通信、信号电缆及科考设备电缆上下贯穿，故在FR89～FR91号肋位右舷下甲板至艇甲板之间设置了一个大型电弄。

(2) 该船FR106～FR131号肋位之间自下甲板向上一直到船长甲板同样分布着大量的居住舱室及工作舱室，且驾驶室也位于这段肋位间，有大量的电力、通信及控制电缆上下贯穿，故在FR118～FR122号肋位左舷下甲板至驾驶甲板之间设置了一个大型电弄。来自舵机舱、机舱集控室、侧推舱的电缆通过这个电弄可直达驾驶室，避免了电缆的迂回，节省了电缆，降低了施工难度。

(3) 另在FR116～FR118号肋位右舷艇甲板至驾驶甲板之间设置了一个小型电弄，用于对FR118～FR122号肋位左舷电弄的分流。且一左一右的电弄布置使得电缆敷设更加方便、更节省电缆。

主甲板及艇甲板电弄布置如图4所示。

图4 主甲板及艇甲板电弄布置Fig. 4 Cable channel arrangement of main deck and boat deck

在处理同一甲板层电缆方面，主要采取如下措施。

(1) 起居处所的主干电缆尽可能布置在走道顶部，以减少电缆贯穿件，方便施工及维护。但走道顶部同时也是轮机管路及风管布置优先考虑的位置。故在方案及详细设计阶段需要与轮机及通风专业充分协调，将主干电缆走向图与全船供水管系原理图、全船舱室疏排水管系布置图、全船通风管系布置图、全船空调管系布置图等图纸充分匹配对图，以避免出现干涉。

(2) 充分利用隔离空舱等隐蔽而又通常闲置的处所，比如1号燃油舱P/S顶部的隔离空舱。由于类似处所通常空间比较狭小，故在详细设计阶段应注意与结构专业协调，酌情调整结构减轻孔的设计，为电气施工及后期维护预留好通道。

(3) 通过优化主配电板设计及主要设备布置，缓解主配电板下方电缆敷设压力。例如在满足规范要求和不降低供电安全性的前提下将中前部AC 380 V用电设备由左边(面向主配电板)的组合起动屏、AC 380 V负载屏供电，尾部AC 380 V用电设备由右边的组合起动屏、AC 380 V负载屏供电；将轴带发电机屏布置在靠近发电机一侧；将AC 220 V负载屏布置在靠近主照明变压器一侧。

2.5 通信及网络系统设计

考虑到海洋科学调查船有大量的实时船岸通信和数据交换需求，该船设有SAILOR 500型FBB系统、SAILOR 900型VSAT系统和全船网络系统。

FBB系统由天线单元、FBB主机、IP电话手持机及底座、电源单元等部分组成；VSAT系统由天线单元、天线控制单元、电源单元、路由器、交换机、不间断电源等部分组成；全船网络系统由船舶状态显示系统、视频监控系统、数据采集系统、内网系统、外网系统等部分组成。

该船通信及网络系统主要功能及特点包括：(1)FBB系统作为备份线路，在租赁卫星宽带情况下，平时使用VSAT系统，也可以手动切换到FBB系统；(2)VSAT采用三轴Ku波段系统，具有较宽的俯仰角转动范围，给用户提供一个无缝接收信号的条件，即使船舶航行在赤道或者极地地区；(3)VSAT内置全球定位系统(GPS)，系统自动接收定位数据，保持系统更快、更稳定的运行；(4)VSAT可接入船舶自动电话系统，实现通过船舶电话拨打卫星电话；(5)VSAT支持双线路的路由器及网络交换机，用于接入网络端口到船上的外网系统；(6)内网系统与外网系统独立，保证了重要科考、试验信息和数据的安全。

2.6 照明系统设计

由于该船定位为综合海洋科学调查作业船，并可承接海底探险、海上休闲旅游等业务，所以居住环境的舒适性也是该船的重要考核指标。

该船照明系统主要特点有：(1)居住舱室、实验室、餐厅、健身室、休闲娱乐室、起居处所内走道、驾驶室等处所的主体照明均采用LED灯具，相比常规荧光灯，既增加了亮度、提高了灯具寿命，又更加节能环保；(2)在内走道各居住舱室门口、餐厅、休闲娱乐室等位置配有射灯，与内部装饰相匹配，以美化居住环境、提高舒适性；(3)居住舱室照明属具(如开关、插座、接线盒)的颜色与家具颜色匹配，采用金色，提升内装的整体观感。

3 结 语

“张謇”号电气设计充分满足了规范和使用要求，通过了试航及首航检验，电力系统运行稳定，船内通信及安全系统设备、航行及无线电设备、照明系统设备等运行状态良好，得到了船东的认可。动力定位系统尚未实船运行，动力定位能力有待后续实船检验。

本文从电源装置设计、配电装置设计、动力定位系统设计、主干电缆走向设计、通信及网络系统设计等方面对该船的电气设计做了简要介绍，可供后续同类型船舶设计时参考。

[1] 张炳炎. 我国海洋调查船的现状与未来[J]. 世界科技研究与发展，1998 (4)：36.

[2] 刘松，左文锵，隋智享.国外海洋科考船现状及总体设计技术发展方向[J]. 船舶科学技术，2014 (36)：8.

[3] 文勇，王楠等. 万米级潜水器科考母船“张謇”号设计研究[J]. 海洋工程装备与技术，2015, 2(4)：274.

[4] 边信黔，付明玉，王元慧. 船舶动力定位[M]. 北京：科学出版社，2011.

[5] 中国船级社. 钢制海船入级规范(第5分册)[S]. 2014.

ElectricDesignReviewofTenThousandMeterScaleScientificInvestigationMotherShip“ZHANGJIAN”

WEN Yong

(HansailMarine&OffshoreDesignCo.,Ltd.,Shanghai200011,China)

The electric design of the ten thousand meter scale scientific investigation mother ship “ZHANGJIAN” independently designed by Hansail, is briefly introduced. The key technical points solved during design, such as power supply device, power distribution device, dynamic positioning system and main cable routing, etc., are described detailedly.

scientific investigation mother ship; main switchboard; dynamic positioning; main cable

2016-08-05

文勇(1982—)，男，工程师，主要从事船舶电气设计方面的研究。

U665.1

A

2095-7297(2016)04-0251-06