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關(guān)于船舶電站容量確定和計(jì)算方法
論文關(guān)鍵詞:電站；負(fù)荷；系數(shù)；容量；計(jì)算
論文摘要:本文主要闡述了船舶電站容量確定和計(jì)算方法，針對三類負(fù)荷介紹了負(fù)荷計(jì)算兩步驟和過程，以及在設(shè)計(jì)實(shí)踐中的一些問題提出自己的看法。
正確合理地計(jì)算船舶電站的容量，將直接影響到船舶運(yùn)行的指標(biāo)，并且影響著船舶的生命力量，所以具有很重要的意義。船舶電站計(jì)算的基本理論，不僅設(shè)計(jì)人員要掌握，對于運(yùn)行人員來說也是非常重要的，它可以幫助機(jī)艙管理人員正確深入地了解船舶電站的特點(diǎn)，從而能夠根據(jù)不同的運(yùn)行情況，相應(yīng)的改變電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，充分發(fā)揮電站的功能，使電力系統(tǒng)保證安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)，（在電壓和頻率偏差允許圍內(nèi)）另外，在監(jiān)造船舶和接管 船舶過程中，對所接船舶能夠做出有理論的校驗(yàn)和評價(jià)。
在進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)時(shí)，船體的型式和尺寸及推進(jìn)系統(tǒng)都可以由模型實(shí)驗(yàn)決定，但是船舶電站容量的選擇至今尚無類似的辦法，只能根據(jù)規(guī)律采用近似的估算方式。
電站容量的計(jì)算方法有許多種類，一般用的最多的是概率論法，晝夜航行圖表法和負(fù)荷系數(shù)法。概率論法對于同類型船舶適用，小船或電動輔機(jī)不多的船舶大多采用晝夜航行圖表法，目前用的較多的仍然是負(fù)荷系數(shù)法。負(fù)荷系數(shù)法分為兩種，需要系數(shù)法和三類負(fù)荷法。將電站容量計(jì)算好后，就可以查對產(chǎn)品目錄，根據(jù)發(fā)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)和配套情況，選用發(fā)電機(jī)。
由于船上各用電設(shè)備的 工作情況與船舶的 運(yùn)行工況有關(guān)，不論用什么方法計(jì)算電站容量都是按照船舶不同的工況分別進(jìn)行的。船舶整個(gè)運(yùn)行周期大體可以劃分幾個(gè)點(diǎn)型工況，在每一個(gè)點(diǎn)型工況中負(fù)荷的變化相對說來是不大的。船舶電氣設(shè)計(jì)人員都知道，任何船舶都有配有電源裝置，供給船舶上的電力、照明、通訊及其它的生活設(shè)備。電源裝置有主電源，應(yīng)急電源、備用電源。船舶設(shè)備幾種電源要根據(jù)船舶類型、用途、航區(qū)以及船級社規(guī)范，法規(guī)來確定，故不同類型、用途的船舶可配不同的電源裝置，但主電源裝置對于大多數(shù)船舶都要配置，主電源裝置（船舶電站）的容量是如何確定的呢？下面就船舶電站容量的確定和計(jì)算方法及在計(jì)算過程中注意的問題淺談一二。
船舶電站容量的確定，必須經(jīng)過船舶電力負(fù)荷計(jì)算，其結(jié)果作為選擇發(fā)電機(jī)容量的依據(jù)，計(jì)算結(jié)果正確與否將直接影響發(fā)電機(jī)容量的選擇，發(fā)電機(jī)容量選擇不合適，勢必將直接影響全船電器設(shè)配的使用要求，導(dǎo)致船舶航行不安全，也有可能由于船舶電站容量過大，造成電站低負(fù)荷，低效率運(yùn)行，柴油發(fā)電機(jī)組功率得不到充分的利用，并相應(yīng)地造成配套電氣設(shè)配（主開關(guān)、儀表、電纜等）容量增大，導(dǎo)致船舶造價(jià)提高。用此電力負(fù)荷計(jì)算在整個(gè)船舶電氣設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)較為重要的 工作，應(yīng)考慮周密、細(xì)致、慎重、否則將給船舶帶來隱患。
船舶電力負(fù)荷計(jì)算是根據(jù)全船用電設(shè)配的數(shù)量，負(fù)荷及使用工況進(jìn)行的。把計(jì)算過程匯總表，稱為電力負(fù)荷計(jì)算書。目前，船舶電力負(fù)荷計(jì)算方法雖多，上述以介紹過了，下面以三類負(fù)荷法的計(jì)算步驟淺談一下。
1、確定全船，照明及生活等設(shè)配的情況下，查出機(jī)械配套電機(jī)的額定參數(shù)，計(jì)算照明等其它用電設(shè)配的裝置功率，并按設(shè)配工作性質(zhì)進(jìn)行分類，甲板機(jī)械、舵室輔機(jī)機(jī)修機(jī)械、冷藏通風(fēng)、弱電設(shè)配、照明設(shè)配、生活設(shè)配、通訊導(dǎo)航等。
2、對于不同類型、用途的船舶劃分為幾種船舶運(yùn)行工況，如航行狀態(tài)、進(jìn)出港、 靠離碼頭、停泊、裝卸貨、應(yīng)急狀態(tài)等。
3、按確定各工況下所需使用的電機(jī)、電氣設(shè)配以及它們使用情況進(jìn)行負(fù)荷分類，即Ⅰ類負(fù)荷——連續(xù)使用額的負(fù)載，Ⅱ類負(fù)荷——短時(shí)或重復(fù)短時(shí)使用的負(fù)荷，Ⅲ類負(fù)荷——偶然短時(shí)使用的負(fù)荷，以及按操作規(guī)程規(guī)定可以在電站尖峰負(fù)荷時(shí)間外使用的負(fù)荷。
4、計(jì)算各用電設(shè)配實(shí)際消耗的功率。在計(jì)算電動輔機(jī)電機(jī)所消耗的功率時(shí)，首先確定各種系數(shù)，如電動機(jī)利用系數(shù)：K1=P2／P1,機(jī)械負(fù)荷系數(shù)：K2=P3／P2，電動機(jī)負(fù)荷系數(shù)：K3=K1K2=P3／P1，最后確定電動機(jī)以額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)從電網(wǎng)所吸收的功率：P4=P1／ηe，P1每一臺輔機(jī)選配的電動機(jī)有一額定功率P1每一臺輔機(jī)有一最大軸功率P2電動機(jī)的實(shí)際使用功率，電動機(jī)在額定功率時(shí)的效率ηe，按以上公式計(jì)算各電動機(jī)實(shí)際所消耗功率。若有兩臺及兩臺以上同類型機(jī)械設(shè)配額定 電機(jī)，還需根據(jù)實(shí)際使用臺數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
5、計(jì)算每一臺工況下各類負(fù)荷的總功率，必須按其同時(shí)系數(shù)計(jì)算總負(fù)荷。對于Ⅰ類負(fù)荷，因考慮到全船用電量設(shè)配最大負(fù)荷的不同實(shí)性，同時(shí)系數(shù)K1可取0.8~0.9，對于Ⅱ類負(fù)荷，同時(shí)系數(shù)指該負(fù)荷平均使用時(shí)間與工作周期之比來估算，但在計(jì)算時(shí)常不考慮每臺輔機(jī)的同時(shí)系數(shù)，而將Ⅱ類負(fù)荷總加起來后在乘以同時(shí)系數(shù)K2，K2一般可在0.3~0.5的范圍中選擇。對于Ⅲ類計(jì)算時(shí)通�？刹挥�(jì)。
6、考慮5%的網(wǎng)絡(luò)損失，計(jì)算出所需總功率，按此功率及具體使用情況確定發(fā)電機(jī)容量及臺數(shù)，其容量必須滿足各工況所需功率，實(shí)際使用的發(fā)電機(jī)可為單機(jī)動行，也可以為雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行并考慮留有一定的余量，另一方面使計(jì)算過程引起的誤差得到有效的控制。
7、最后再考慮是否選擇發(fā)電機(jī)，選擇什么型號的發(fā)電機(jī)組的問題。如需并聯(lián)運(yùn)行可斷電轉(zhuǎn)移負(fù)荷及互為備用，一般選擇相同型號機(jī)組。
船舶電力負(fù)荷計(jì)算對每一個(gè)船舶電氣設(shè)計(jì)人員來說，似乎不是一項(xiàng)很困難的工作，但其實(shí)不是，要做到精確計(jì)算，得到一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果，并非容易。這是因?yàn)殡娬矩?fù)荷取決于各用電設(shè)備的實(shí)際負(fù)荷和具體使用權(quán)情況，以及全船用電設(shè)備同時(shí)使用情況，而這些情況說的受到了多種因素的影響，難以確定。多年的工作經(jīng)驗(yàn)使我們深有體會，認(rèn)為電力負(fù)荷計(jì)算是船舶電氣設(shè)計(jì)中一項(xiàng)比較困難的工作。
從計(jì)算方法的角度來說，一般首先必須具備有原始的資料及數(shù)據(jù)，如機(jī)械軸最大功率（P），實(shí)際負(fù)荷時(shí)電動機(jī)效率（η），等其次再通過選取各種數(shù)據(jù)，如機(jī)械負(fù)荷系數(shù)（K），同時(shí)使用系數(shù)等，就可以進(jìn)行計(jì)算了�，F(xiàn)在遇到的普遍問題是原始數(shù)據(jù)不全甚至沒有，這樣就給計(jì)算帶來了不便。以往在這種情況下為了計(jì)算通常把電動機(jī)利用系數(shù)（K）均取1，同時(shí)由于在計(jì)算過程中各種系數(shù)選取不當(dāng)(一般偏于保守，系數(shù)取的偏大)，加之設(shè)備分類不正確，這樣造成了計(jì)算結(jié)果偏大，因而選擇的電站容量也就偏大。從現(xiàn)有船舶電站運(yùn)行的實(shí)際情況（大多數(shù)電站的負(fù)荷率普遍較低）就可以印證了這一點(diǎn)，當(dāng)然電站負(fù)荷率低也有其它方面的原因，如果船舶使用方不是根據(jù)需要，而是根據(jù)在自己的考慮要求設(shè)計(jì)單位配備何種類型機(jī)組，造成裝機(jī)容量較實(shí)際需要大，但這種情況畢竟是少數(shù)。盡管電站容量選擇偏大對船舶航行安全來說并沒有什么不好，但就設(shè)計(jì)角度而言是不合理的。本文提出一些個(gè)人見解和體會，就如何使電站選擇更加合理化的問題與各位同行共同探討。
一、系數(shù)問題：
�。ㄒ唬╇妱訖C(jī)利用系數(shù)K的選取
在計(jì)算過程中，當(dāng)船舶輔機(jī)電動機(jī)最大軸功率實(shí)在無法查到時(shí)，利用系數(shù)K 統(tǒng)一選取1的做法，現(xiàn)在看來不是太合適的。設(shè)配在選配電機(jī)時(shí)，由于系列產(chǎn)品中，電動機(jī)功率不一定恰好和設(shè)配軸上功率相符，有時(shí)為了保證起動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)功率可能選得大些，電動機(jī)未能充分利用，因此利用系數(shù)K 就是一個(gè)小于1的數(shù)值，那么應(yīng)該取多少較合適呢？是否考慮每臺電動機(jī)利用系數(shù)取0.9的范圍內(nèi)，也有些可能在0.8~0.9范圍內(nèi)，甚至0.7左右的都有。把所有利用系數(shù)都取0.9也即選平均值，這樣主算出來的結(jié)果相對要準(zhǔn)確些，但一般仍然偏高。
�。ǘ╇妱訖C(jī)實(shí)際使用功率時(shí)的效率η的選取
電動機(jī)實(shí)際使用功率時(shí)的效率，即電動機(jī)實(shí)際負(fù)荷時(shí)的效率，本來可以從電動機(jī)特性曲線查出來，但給計(jì)算方增添了不少麻煩及工作量。目前為了計(jì)算方便，都是選取額定效率ηe來計(jì)算，盡管計(jì)算結(jié)果有偏差，但影響并不大，主要原因是：對于直流電動機(jī)而言，其效率在使用范圍內(nèi)變化不大，故可認(rèn)為均為ηe，而異步電動機(jī)在低負(fù)荷時(shí)效率較低，從特性曲線可看出，當(dāng)電動負(fù)荷在50%~100%運(yùn)行時(shí)，其效率變化小于5%，而對容量較大的電機(jī)來說，其變化就更小了，故可以以為不變。
（三）負(fù)荷系數(shù)K2的選取
機(jī)械負(fù)荷系數(shù)的準(zhǔn)確選取，確是一個(gè)比較難的事情。K2是一個(gè)定量值，因?yàn)橛秒娫O(shè)配在某一狀態(tài)下運(yùn)行，其實(shí)際使用功率同時(shí)是與之變化的，計(jì)算時(shí)無法得到�，F(xiàn)在通常都采用過去經(jīng)過或經(jīng)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù):一般恒速機(jī)械（如泵、風(fēng)機(jī)）的機(jī)械負(fù)荷系數(shù)通常取0.8、0.9，錨機(jī)、絞盤通常取0.6~0.7，舵機(jī)通常取0.3~0.4，取其上限還是下限，設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)或向輪機(jī)專業(yè)及其它相關(guān)專業(yè)詢問，根據(jù)他們提供的設(shè)配實(shí)際使用情況來確定。但必須強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，任何一臺輔機(jī)的電動機(jī)在不同的運(yùn)行工況下，其機(jī)械負(fù)荷是不一樣的。
�。ㄋ模┩瑫r(shí)系數(shù)的選取
同時(shí)系數(shù)選取得合理與否直接影響到計(jì)算的結(jié)果，要取得確定值也比較困難�，F(xiàn)在通常選�、耦愗�(fù)荷同時(shí)系數(shù)K1在0.8~0.9范圍內(nèi)。Ⅱ類負(fù)荷系數(shù)K20.3~0.5范圍內(nèi)。至于取上限還是下限，應(yīng)視其船舶運(yùn)行工況以及船舶設(shè)配數(shù)量的多少而定。不同運(yùn)行工況下的同時(shí)系數(shù)不一定相同。對于大型船舶，由于設(shè)配數(shù)量多，同時(shí)工作的可能性小，同時(shí)系數(shù)可選得小些，對于小型船舶，由于設(shè)配數(shù)量小，同時(shí)工作的可能性大，同時(shí)系數(shù)可選得大些。
二、設(shè)配的分類
三類負(fù)荷計(jì)算法所以能求得較精確的計(jì)算結(jié)果，除了選取各種合理系數(shù)外，還有一個(gè)重要的因素，就是要正確地把各電氣設(shè)配按其使用情況進(jìn)行分類，設(shè)配分類不妥，將影響計(jì)算結(jié)果，故必須認(rèn)真、慎重考慮。判斷同一項(xiàng)設(shè)配屬于哪種類別，應(yīng)視其設(shè)配在該運(yùn)行工況下工作情況，同一項(xiàng)設(shè)配在不同的運(yùn)行工況下工作，其設(shè)配的類別不一定是相同的。就是說，三類負(fù)荷的方法與船舶運(yùn)行工況有關(guān)。
三、計(jì)算表的編制
在負(fù)荷計(jì)算表的編制中，為了使計(jì)算表格更直觀明了，讓人一看一目了然，就必須在表格中對其一些用電設(shè)配加以注解。隨著船舶電氣設(shè)配的不斷發(fā)展，新產(chǎn)品層出不窮。不同型號規(guī)格，不同電壓種類的同種電氣設(shè)配均在船上使用，特別是現(xiàn)在船舶上使用的廚房設(shè)配、生活設(shè)配、從電設(shè)配等，輸入電壓有的為AC220V，有的則為AC380V,在負(fù)荷計(jì)算表現(xiàn)中如果不對其電壓種類進(jìn)行注解的話，那么將給變壓器容量的計(jì)算和核對造成麻煩，本來直接根據(jù)負(fù)荷計(jì)算表中的數(shù)據(jù)可完成的工作，卻還要通過其它相關(guān)的圖紙才能具體了解，計(jì)算完成。所以將可有不同電壓種類選擇，容易讓人產(chǎn)生誤解的電氣設(shè)配注明相應(yīng)電壓值是十分必要的。
四、其它
任何類型及用途的船舶都必須經(jīng)過電力負(fù)荷計(jì)算，以確定船舶主電源裝置。而電力負(fù)荷計(jì)算方法對任何船舶都是適用的，只不過在根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇發(fā)電機(jī)容量不小時(shí)，就必須考慮不同類型及用途船舶特殊性。其中原則是看船上電氣設(shè)備功率相對容量的大小以及它們的工作情況（是長期穩(wěn)定工作還是頻繁重復(fù)工作）。對于一般小型船舶，設(shè)配功率差別相對不大，選擇發(fā)電機(jī)容量大小只要雜計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，留有10%~20%的數(shù)量就可以了。如果是工程船或特殊船舶，其船上沒有較大功率的電力拖動機(jī)械，并且該機(jī)械需頻繁反復(fù)起停工作，此時(shí)在選擇發(fā)電機(jī)容量時(shí)，就必須考慮所選用發(fā)電機(jī)的額定電流在一定的過載能力下能否承受此種工作制的最大起動電流，通常在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，按最大起動電流對發(fā)電機(jī)容量進(jìn)行核算，以保證船舶機(jī)械安全可靠的工作，也就是說，船舶電站容量的確定除了按電力負(fù)荷計(jì)算外，還必須根據(jù)船上用電設(shè)配使用情況綜合考慮。
長期實(shí)踐證明，電力負(fù)荷計(jì)算（特別是利用三類負(fù)荷法）是確定船舶電站容量既可行有效，較為成熟的一種方法，在船舶電氣設(shè)計(jì)中時(shí)一項(xiàng)非常重要的工作。為了使計(jì)算更接近于實(shí)際，應(yīng)深入實(shí)踐，積極參與船舶試車試航，通過測試，獲得原始數(shù)據(jù)，積累經(jīng)驗(yàn)，提高負(fù)荷估算負(fù)荷估算書的準(zhǔn)確度。
參考資料：
船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊（電氣分冊）
船舶電站及自動化裝置
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