科学考察船电力负荷计算及分析

徐成 ， 邰能灵

(上海交通大学，上海　200240)



科学考察船电力负荷计算及分析

徐成 ， 邰能灵

(上海交通大学，上海200240)

船舶电站的配置，是船舶电力系统设计的一个重要内容，配置合理与否直接关系到船舶电力系统的经济性、可靠性和安全性。主要对科学考察船电力负荷的计算方法进行分析，并利用三类负荷法计算船舶在不同工况下的电力负荷，包括经济航行、全速、位置保持(重负荷)、拖曳作业、漂泊、锚泊和在港停泊等工况的电力负荷，并根据计算结果选择发电机的容量。

船舶电力系统；电力负荷； 三类负荷法；不同工况

0　引　言

现代船舶技术的快速发展、船舶电力系统的日益庞大、船舶电力设备的快速化更新和应用以及船舶运行工况的日益众多，加大了船舶电力系统负荷计算的难度[1]。因此，要得到比较准确的船舶电力系统负荷计算结果，必须对船舶电力设备的主要组成部分的实际运行情况，做详细的分类和调查研究，全面地考虑主要电力设备的负荷情况[2]。本文所计算的船舶为科学考察船采用电力推进方式驱动，主要电力设备包括：2套1 500 kW的推进电机、1台600 kW艏侧推、2台300 kW艉侧推、2套400 kW地震空压机、1套600 kW科考绞车。另外，辅助油泵、风机等其他用电设备功率约为350 kW，下面将结合三类负荷法和使用系数法对科学考察船的轮机设备、舾装设备以及科学实验设备进行了分析，计算出各个工况下所需的总功率。最后综合考虑计算出科学考察船需要配备的柴油发电机组的容量和数量。

1　科学考察船电力系统概述

船舶电力系统主要由柴油发电机、配电网、变压器和用电设备组成。图1给出了船舶综合电力系统构成示意图。发电机由原动机带动，配电装置用来接收发电机所发出电能，并将这些电能分配给全船[3-4]。一般船舶的电力系统包括3台～4台发电机组，其中一台为应急发电机组。发电机产生的电通过配电板向电力设备供电，一台直接向负载供电，另外一台通过变压器降压以后向低压设备供电。当船舶停靠港口时，可以接岸电；当发生应急情况时，可以启动应急发电机，向船舶上的重要负载供电[5-6]。

图1　船舶综合电力系统构成示意图

2　船舶电力负荷的分类和主要工况

在科学考察船上，电力负荷众多，分布在全船的各个部位，为了使负荷的计算清晰，防止遗漏某些负载，一般把全船的电力负载按不同的用途和所处的位置进行分类。一般分成以下几类如表1所示。

根据以上分类计算全船电力负荷时还应该考虑船舶在不同运行工况。通常最大负荷工况一般用来确定发电机的总容量，最小负荷工况用来确定单台发电机的容量大小。下面列举了船舶的主要工作状态：

表1　船舶电力负荷的主要分类

(1) 航行：经济航行、满载全速航行

(2) 位置保持(重负荷)、漂泊(轻负荷)

(3) 作业：包括科学考察船的拖曳作业、地震作业、海上作业等

(4) 锚泊状态

(5) 进出港状态：船舶在港内的机动状态。

3　船舶电力负荷计算方法

目前，船舶电力负荷的计算方法很多，包括三类负荷法、需要系数法、概率分析、日夜负载等。在实际的使用中，常用的方法有需求系数法、三类负荷法。这里分析介绍工程应用最广泛地三类负荷法及需求系数法。

3.1三类负荷计算法

三类负荷法在船舶负荷计算领域有着广泛地应用，是船舶电气设计人员使用最多的一种计算方法。它利用负荷系数和同时系数将船上主要用电设备分成三类。这种方法在电气设备具有充分的数据时，具有较高的准确率，并且计算速度较快，但是负荷系数和同时系数的选取需要电气设计人员有一定的经验。表2 给出了三类负荷的分类方法和某一工况下的工作概率。

表2　三类负荷的定义和使用概率

三类负荷各系数的定义与计算：

(1) 电机的利用系数K1：在选择电机等设备时，需要考虑电机的过载能力，保证电机具有大启动力矩和短时大功率等，所以电机的额定功率总是大于实际机械轴上所需的功率，正因为电机未能充分利用，而它长期需要电网供给最大功率也小于额定需要的功率。这一点在负荷表中用电动机利用系数来反映，即电动机利用系数为：

K1=P2/P1

(1)

式中P1——电机额定功率；

P2——机械轴上额定功率。

(2) 机械负荷系数K2：在某一运行状态时，电机不一定满负荷运行，可用机械负荷系数K2来反映它对电力负荷的影响。机械负荷系数为:

K2=P3/P2

(2)

式中P2——机械轴上额定功率；

P3——机械轴上实际输出功率。

(3) 电动机负荷系数K3：电动机的负荷系数为电机的利用系数和机械负荷系数的乘积，即电动机利用系数为：

K3=K1·K2

(3)

(4) 同时使用系数K0：在某一工作状态下，同类用电设备不一定同时使用，因此利用同时使用系数K0来计及它对同一组同功率的用电设备负荷的影响。即同时使用系数为：

K0=n/m

(4)

式中n——某一组同时工作的用电设备数目；

m——某一组用电设备的总数。

在计算电动机所需的实际负荷时，需要考虑电机的工作效率。在额定工作状态下，一台电动机需要电网供给的有功功率为：

P4=P1/η

(5)

式中P1——电机的额定功率；

η——额定时电动机效率。

一组同类电动机额定所需总功率为:

P5=m·P4

(6)

对于照明等生活用电设备来说，需要电网供给的功率P5为其装置的额定功率。

通过上述分析某一运行状态时，一组同类电动机实际所需有功功率为：

P=m·K1·K2·K0·P4=

m·K3·K0·P4=K3·K0·P5

(7)

在某个工作状态下，发电机所需供应的总的功率为各类负荷的总和，此时需要考虑各组用电设备直接的同时使用系数。考虑到电网损耗，因此，某工况下需要发电机供给的总功率为：

P∑=(K0Ⅰ·PI+K0Ⅱ·PⅡ+K0Ⅲ·PⅢ)·(1+Φ)

(8)

其中Φ——为损耗系数；

K0Ⅰ——第Ⅰ类负荷同时使用系数；

K0Ⅱ——第Ⅱ类负荷同时使用系数；

K0Ⅲ——第Ⅲ类负荷同时使用系数。

3.2需求系数法

各组用电设备实际所需要的功率由各设备的类型和使用工况决定的，这种关系可以用一个系数表示，即需要系数。需要系数法的计算过程较简单，其定义为用电设备实际消耗功率与其额定功率的比值，即:

K=Ps/Pe

(9)

式中Ps——实际消耗功率；

Pe——额定所需功率。

全船负荷实际消耗总功率为各用电设备实际消耗功率之和，即为：

P∑=∑K·Ps

(10)

考虑电网损耗，发电机所需总功率为：

P=P∑·(1+Φ)

(11)

由于电力推进科学考察船的主要负荷为推进负荷，与之相连的变频器的整流侧功率因数很高，所以船舶在航行等主要运行工况下，总的功率因数很高，对电站发电机功率选择影响不大。因此，可以不计无功功率对发电机容量的影响。

为了确定本科学考察船的电站配置，研究科考船的具体使用

情况，在根据图2负荷计算流程图，以及获得实船各个负载设备的使用情况，计算出了本次科考船的电力负荷结果如表3、表4所示。

图2　负荷计算流程

设备经济航行全速位置保持(DP重负荷)拖曳作业连续负荷/kW间歇负荷/kW连续负荷/kW间歇负荷/kW连续负荷/kW间歇负荷/kW连续负荷/kW间歇负荷/kW负荷状况分析1、主推进装置908020220908071002、艏侧推00005280003、机舱辅机175.5141.7176.6141.7185.6141.7174.5141.74、甲板机械1017.81017.81017.81017.85、实验支撑系统9.23.59.23.578.3244.878.3267.46、实验系统62.9062.9062.9062.907、冷藏空调风机202.51.4202.51.4202.51.4202.51.48、导航通信设备22.0022.0022.0022.009、照明设备及其他电气设备91.1090.4097.0097.1010、厨房和洗衣设备0174.20174.20174.20174.2发电机运行状况分析负载汇总/kW148033.9259633.920975801358603连续负载/kW1480259620971358间歇负载/kW118.5118.5203210.9总负载/kW1598.52714.523001568.9设计负荷冗余15%/kW103.8103.8129.2128.7改装负荷冗余15%/kW103.8103.8129.2128.7计算总负荷/kW1808294326931747运行发电机/kW1480X1990X11480X1990X21480X1990X21480X1990X1备用发电机/kW1480X1990X11480X11480X11480X1990X1运行发电机负荷率%0.730.850.780.71

表4　科学考察船电力负荷表

续表4　科学考察船电力负荷表

根据电力负荷计算表，本船最终选取MTU的2台1 480 kW和2台990 kW的柴油发电机组，以保证在正常航行和DP重负荷的作业工况下，全船的电力负荷维持在一个比较合理，经济的状态下。

4　结束语

本文主要说明了船舶电力系统设计的首要工作即电力负荷的计算。首先介绍了科学考察船的主要用电设备；其次是说明了三类负荷需要系数法进行负荷计算的步骤和流程，通过收集科学考察船电力设备资料，利用需要系数法进行负荷计算以及负荷计算表的编制，完成了船舶主发电机、应急发电机、变压器的容量和台数的选择，使得全船的电力负荷维持在一个较合理的状态。

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Calculation and Analysis of Electric Power Load on Scientific Research Ships

XU Cheng，TAI Neng-ling

(Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Configuration of the ship power station is an important content of the design of the ship power system. Whether the configuration is reasonable is directly related to the economical efficiency, reliability and safety of the ship power system. This article analyzes the power load calculation method for scientific research ships. Furthermore, it calculates the ship’s electric power load in the 3-class load method under different working conditions, including economical navigation, full speed, position holding (heavy duty), towing operation, drifting, anchoring and berthing in port, and the capacity of the generator is chosen according to the calculation results.

marine electric power system; electric power load; 3-class load method; different working conditions

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.016

TM714

A

1000-3886(2016)02-0044-04

徐成(1986-)，男，上海人 ，硕士，专业：电气工程。

定稿日期: 2015-04-20