脱硫改装的电气设计

郭志强，詹 波

（舟山中远海运重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

国际海事组织（IMO）发布的船舶限硫新规已于2020年1月生效。为了满足新规要求，船舶可以选择使用硫含量（质量分数）不超0.5 %的低硫油作为燃油，或者是通过加装脱硫塔的方式来降低硫排放。如国际油价长期处于高位，船舶直接选用低硫油作为燃油，其运营成本将相对较高，因此，在新规格生效前，许多船东和航运公司选择在船上加装脱硫装置以满足要求。

船厂作为船舶脱硫改装工作的建造方，不可避免地需要在一些改装项目中承担改装设计任务。脱硫改装电气设计具有繁杂、琐碎等特点，改装涉及对原船部分电气系统、设备接口、电缆路径等的修改。以下通过近年已完工的脱硫改装项目，对改装设计的主要设计点和注意点进行汇总归纳。

1 前期准备

对于脱硫系统及改装规格书的熟悉是设计工作开展前的重要一步。

在通常情况下，脱硫设备都由船东提供，因此需要通过船东获取所要加装的脱硫设备资料，并对资料进行仔细检查和消化，以便了解加装的脱硫各设备的信息和配置情况。不同船东公司选择不同厂商的脱硫设备，其系统及配置会有一些差异。例如，在“中海环球”号冷箱船脱硫改装项目中，脱硫系统由中船711所提供，从脱硫设备资料可获悉本项目中脱硫系统为开环式废气清洁系统，系统中配有4台海水泵，电源为AC 440 V，60 Hz，每台泵的功率为299 kW，变频控制；另配有气密风机2台，电源为AC 440 V，60 Hz，功率为17.4 kW，以及其他由AC 230 V电源驱动的烟气及水质分析检测设备等。在另一个项目中，“MSC索菲亚”号的船舶脱硫系统由瓦锡兰提供，采用混合式废气清洁系统，与开环式系统有较多区别，所配置的设备也有很大差异，其中开环式海水泵、闭式海水泵、冷却泵、药剂泵和补水泵等泵总数就多达12台。

除了对脱硫系统及配置需要进行了解和熟悉外，对原船图纸信息及其状态的熟悉也是必不可少的，因此原船的各电气系统图、布置图及计算书等图纸也需要提前获取并仔细检查和熟悉，在了解原船状况的基础上才能进行具体的改装设计。

2 详细设计

2.1 电力负荷核查

电力负荷的核查是整个船舶电气系统设计中的一项重要工作。脱硫系统运行时需要占用较多的电力负荷，因此需要重新评估改装后的船舶电力负荷情况。在原船电力负荷计算数据的基础上，增加脱硫各设备电气功率等参数，采用原计算书的负荷计算方法获取最终的电力负荷数据。在负荷计算时，需要考虑各工况下脱硫设备的运行情况。例如，“赫米娜”号船舶配有3台脱硫海水泵，计算书中将3台海水泵按全部同时工作计算，而实际运行中，海水泵为两用一备，即最多只有2台海水泵在同时工作，因此，负荷计算时需要考虑脱硫各设备的具体运行工况，使计算结果尽可能贴近实际，确保脱硫系统加装后船舶电网仍可以保证安全、稳定、可靠。

表1和表2为“中海环球”号船舶改装前后的负荷对比。从改装后的负荷表可以看出，最大负荷工况为带冷藏箱条件下进出港（PORT IN/OUT），总负荷为16 257.2 kW，占4台发电机总功率的94%。因此可以初步判断原船发电机组的富余容量足以保证新加脱硫系统的正常运行。

表1 原船电力负荷表

表2 脱硫改装后电力负荷表

如原船发电机组容量较小而无法负担新增的脱硫系统负荷，则需要考虑增加或更换发电机并增设配电板的措施，以满足电力供应需求，由此引起的额外改装成本也将成为船东和航运公司不得不考虑的因素。

2.2 电力系统

电力系统作为电气改装设计的重要部分，需要进行全面考虑、合理规划，主要涉及各供电负载的断路器的选择、连接电缆规格的选用、设备电源接口位置的确定，以及原船断路器的备用情况等。科学合理的电力系统设计可以在保证功能的前提下有效降低改装成本。

新造船项目中，通常先绘制电力单线图，基于此图进行后续电力系统细化及相关计算。而在脱硫改装项目中，因为增加的负载数量相对有限，可以在原船电力系统图基础上修改更新，通过增加断路器或利用原船断路器为脱硫负载供电。有多种脱硫负载供电方案可以选择，如“赫米娜”号海水泵由配电板的1号、2号AC 440 V负载屏供电，3台泵分别接于配电板A、B段汇流排。“中海之星”号船舶项目，出于配电板空间及施工难度方面的考虑，4台脱硫海水泵选择通过原船的冷藏分电箱供电，以此降低成本，减小施工难度，如图1和图2所示。

图1 “赫米娜”号散货船的脱硫海水泵供电示意图

图2 “中海之星”号冷箱船脱硫海水泵供电示意图

选定断路器时，需注意框架电流及其额定电流须与负载的额定电流相匹配。同时，考虑到规范中对风油切断的要求，塔房供风机等负载的断路器还需要带有应急切断功能。为了减少对原船负载屏和分电箱等设备的修改，如果原船有合适的备用断路器，可以优先考虑使用。例如脱硫系统中的气密风机、水质检测等设备，此类负载功率相对较小，在原船中选择合适规格的断路器相对较容易，而像脱硫系统中海水泵这类额定电流较大负载，往往需要修改配电板或分电箱以加装新增的断路器。

脱硫系统各负载的供电方案确认后，需要确定所连接电缆的截面积。电缆截面积选定时，需要考虑如下几方面：

1）电缆可能承载的最大负载电流。三相交流用电设备的负载电流值（

I

），可以通过公式计算得到：

式中：

P

为额定功率，kW；cos

φ

为功率因数。

2）电缆成束敷设时，需要考虑成束敷设时的修正系统，可以用“电流乘系数0.85”进行修正。

3）如果电缆工作环境温度较高，还需要考虑环境空气温度系数。电缆导体正常使用时的最高允许温度为90 ℃，表3列出了在此基础上当电缆所在工作环境温度不同时需要考虑的修正系数（表格来自常州某电缆厂家）。

表3 不同环境空气温度下的修正系数

4）如电缆长度较长，需要通过电压降计算核查压降值。电压降计算可以分别按式（2）或式（3）进行计算。

式中：∆

U

为交流单相两线制回路电压降，%；∆

U

为交流三相三线制回路电压降，%；

L

为电缆长度，m；

I

为电流，A；

U

为额定电压，V；

S

为电缆截面积，mm；

R

为电导率。

电缆截面积初步选定后，还需要考虑保护装置的动作特性与电缆的保护协调。断路器的整定电流值、电缆截流量及负载额定电流间的关系如下：

式中：

I

为断路器的整定电流值，A；

I

为电缆载流量，A；

I

为负载额定电流值，A。

2.3 探火及报警相关系统

脱硫塔装置所安装区域多为机器处所，如加装在原船烟囱中，随同原烟囱划分为A类机器处所；另一种安装于独立塔房内，塔房布置于原船烟囱艉部或烟囱舷侧位置，如脱硫塔的塔房与原船烟囱分离，通常划分为其他机器处所。机器处所的火警系统设计和探测器的布置应在机器任何正常工作状况和可能环境温度、通风的变化下，迅速探测出火灾征兆，并应能发出视听报警信号。同时，这2种信号需要区别于任何其他非火警系统的信号，以确保船员听到和看到该报警信号。由此，在新加装脱硫塔装置附近需要设置适当的火灾探测及报警装置，新增的探头和手动报警可以接入原船烟囱区域的火警探测系统回路中。需要注意的是，根据 SOLAS公约规定，一个覆盖控制站、服务区域或居住区域的探头回路不可以包括A类机械处所。在脱硫塔区域布置探测器时，需要注意探头的覆盖范围、探头遮挡情况、后期维护便利等问题。对于探头的覆盖范围，可以通过图纸模拟测量，事先进行检查并判断是否满足要求。根据《国际消防安全系统规则》第9章的要求，探测器的间距可参考表4的要求。

表4 探测器的间距

2.4 照明系统

船舶照明是船舶航行、作业及管理的必要条件，脱硫改装的照明修改多集中在烟囱及船艉区域。例如因新塔房安装而导致抛落艇区域照明和烟囱标记照明的移位，船舶艉部绞缆区域以及塔房内部照明的增加等。在机器处所内新增照明布置时，应至少设有2路照明分路，灯点应交错布置，其中1路为应急照明，在梯道、逃生口等位置需要配置相应的应急照明。新增照明灯具型式可以参考原船灯具，统一型式保证美观。新增灯具可采用2×20 W或40 W荧光舱顶灯，灯具按间距3 m布置，以获得较好的照度效果。

对于新增的室外照明需要注意灯具的材质，采用防腐蚀材料，如不锈钢材料的荧光舱顶灯。室外照明可以考虑并入原船相应区域的室外照明回路，以便于从驾驶室等位置对室外照明进行统一控制。

照明系统修改后的回路中，灯点数量也需要注意。根据CCS规范第4章的要求，AC 220 V照明电路，每一容量小于或等于16 A的最后分路的供电灯点数应不超过24点。

2.5 脱硫设备接口

脱硫系统能高效运行需要获取原船设备系统的状态信息，同时，船舶也需要对脱硫系统运行状况进行持续监控。根据脱硫系统工作机理，通常需要从原船获取主机、发电机、锅炉的运行及负荷信号，而脱硫系统输入监测报警系统的信号主要为脱硫运行和报警信号。因各船配置情况不同，这些信号可以从不同系统的接口取出。例如：“赫米娜”号的发电机的运行和负荷信号都是通过主配电板功率表分出信号至脱硫系统，主机的运行和负荷信号则取自主机遥控系统；“中海之星”号船上，由于原船的船舶综合控制和监测系统（ICMS）已经包含了主机、发电机的运行和负荷相关信号，因此，这些信号可以在更新系统程序后通过设备的信号输出模块直接输出至脱硫系统使用。

另外，根据IMO的规定，脱硫设备都需要接入GPS信号，因此，还需要核查原船图纸中GPS信号通道情况，如有备用通道，则可以直接利用，否则需要在图纸中增加GPS信号分配箱，以满足脱硫系统对此信号接口的需求。

2.6 其他辅助系统

除了以上原船系统的修改外，脱硫改装时还需要注意其他集成配套系统。例如：因输入海水量增加，在海水进口处或滤器上增设MGPS装置；脱硫塔房因散热需求，新塔房内设置了供风机及控制设备；增加手摇泵设备用于新增海水进口阀，洗涤水排舷外阀等。这些新增设备相对简单，但其电源选择、报警点输出等方面仍需要注意。例如手摇泵的阀指示盒电源，可以综合原船备用断路器情况来选择使用AC 220 V或DC 24 V，如有船东要求对这些阀的开闭状态进行远程监控，则可以通过手摇泵阀指示盒增加信号输出接口，输出至监测报警系统或脱硫系统，如图3所示。

图3 海水阀指示盒接线图

2.7 耐火电缆

各主要规范都对耐火电缆的使用做了相应的说明。因此，在脱硫改装设计中，各电气系统选用的电缆型号也需要注意。对于需在失火状态下继续维持工作的设备的电缆，包括供电电缆，如穿过较大失火危险区、防火区或者甲板，应采用耐火电缆。

脱硫改装中，涉及需在失火状态下维持工作的设备包括：

1）通用报警系统；

2）探火和失火报警系统；

3）公共广播系统；

4）应急照明系统。

因此，这些系统中不是所有电缆都需要采用耐火电缆。如图4所示，电缆C1的整根电缆都敷设在防火分区 A内部，可以不使用耐火电缆。电缆C2由于穿过了A和B这2个防火分区，需要使用耐火电缆。

图4 耐火电缆的使用

3 生产设计

新造船项目的生产设计是在交互式完整建模基础上进行的，而脱硫改装的生产设计是通过对原船进行勘验测量或通过对原船进行三维扫描并结合原船图纸的方式进行部分建模的，并绘制满足要求的施工图纸。因此，改装生产设计要求设计人员具备更扎实的专业知识和更丰富的实践经验，同时需要熟悉相关规范和工艺，并对船厂生产作业流程有非常清楚的了解。

从已完工的脱硫改装问题记录中发现，虽然各个不同的项目在施工过程中因设计原因出现的问题众多，但导致问题的原因基本相似，主要分为以下几大类：

1）设备定位不合理，造成与原船设备干涉；

2）电缆托架宽度不足，电缆敷设无法满足工艺要求；

3）电缆路径不合理，导致无法施工或施工困难；

4）变频电缆与其他电缆未分开，造成信号干扰；

5）电缆余量不足，导致电缆重新敷设；

6）网络电缆长度过长，超过100 m后造成信号衰弱；

7）烟囱布局变化引起原设备位置变化，设计遗漏。

以上这些问题即是从完工的各脱硫改装项目中得到的深刻教训，也是可用于后续其他改装项目的宝贵经验，为后续类似项目中电气设计工作的开展提供参考，以避免同样的问题重复出现，从而提高生产设计水平及图纸质量。

4 结论

各改装船舶建造时间不同、建造标准不同、设计理念不同都将导致改装设计难度加大，需要在设计前期做好准备，熟悉设计流程，专业间充分沟通，才能完善设计，尽量减少问题，希望本文可以为其他同类型改装项目的电气设计提供参考。