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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(duì)三類負(fù)荷介紹了負(fù)荷計(jì)算兩步驟和過(guò)程，以及在設(shè)計(jì)實(shí)踐中的一些問(wèn)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(duì)于運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)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(guò)程中，對(duì)所接船舶能夠做出有理論的校驗(yàn)和評(píng)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(wú)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(duì)于同類型船舶適用，小船或電動(dòng)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(duì)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(duì)說(shuō)來(lái)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(jí)社規(guī)范，法規(guī)來(lái)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(duì)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(guò)程中注意的問(wèn)題淺談一二。
船舶電站容量的確定，必須經(jīng)過(guò)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(shì)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)利用系數(shù)：K1=P2／P1,機(jī)械負(fù)荷系數(shù)：K2=P3／P2，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷系數(shù)：K3=K1K2=P3／P1，最后確定電動(dòng)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(tái)輔機(jī)選配的電動(dòng)機(jī)有一額定功率P1每一臺(tái)輔機(jī)有一最大軸功率P2電動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用功率，電動(dòng)機(jī)在額定功率時(shí)的效率ηe，按以上公式計(jì)算各電動(dòng)機(jī)實(shí)際所消耗功率。若有兩臺(tái)及兩臺(tái)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(tái)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
5、計(jì)算每一臺(tái)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(duì)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(duì)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(lái)估算，但在計(jì)算時(shí)常不考慮每臺(tái)輔機(jī)的同時(shí)系數(shù)，而將Ⅱ類負(fù)荷總加起來(lái)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(duì)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(tái)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(dòng)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(guò)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(hào)的發(fā)電機(jī)組的問(wèn)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(hào)機(jī)組。
船舶電力負(fù)荷計(jì)算對(duì)每一個(gè)船舶電氣設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，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(shuō)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(huì)，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(lái)說(shuō)，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(dòng)機(jī)效率（η），等其次再通過(guò)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。現(xiàn)在遇到的普遍問(wèn)題是原始數(shù)據(jù)不全甚至沒(méi)有，這樣就給計(jì)算帶來(lái)了不便。以往在這種情況下為了計(jì)算通常把電動(dòng)機(jī)利用系數(shù)（K）均取1，同時(shí)由于在計(jì)算過(guò)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(duì)船舶航行安全來(lái)說(shuō)并沒(méi)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(huì)，就如何使電站選擇更加合理化的問(wèn)題與各位同行共同探討。
一、系數(shù)問(wèn)題：
�。ㄒ唬╇妱�(dòng)機(jī)利用系數(shù)K的選取
在計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)船舶輔機(jī)電動(dòng)機(jī)最大軸功率實(shí)在無(wú)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(lái)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(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)功率可能選得大些，電動(dòng)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(tái)電動(dòng)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(lái)的結(jié)果相對(duì)要準(zhǔn)確些，但一般仍然偏高。
�。ǘ╇妱�(dòng)機(jī)實(shí)際使用功率時(shí)的效率η的選取
電動(dòng)機(jī)實(shí)際使用功率時(shí)的效率，即電動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)荷時(shí)的效率，本來(lái)可以從電動(dòng)機(jī)特性曲線查出來(lái)，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(lái)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(duì)于直流電動(dòng)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(dòng)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(dòng)負(fù)荷在50%~100%運(yùn)行時(shí)，其效率變化小于5%，而對(duì)容量較大的電機(jī)來(lái)說(shuō)，其變化就更小了，故可以以為不變。
�。ㄈ┴�(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(wú)法得到�，F(xiàn)在通常都采用過(guò)去經(jīng)過(guò)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(wèn)，根據(jù)他們提供的設(shè)配實(shí)際使用情況來(lái)確定。但必須強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，任何一臺(tái)輔機(jī)的電動(dòng)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)在通常選取Ⅰ類負(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(duì)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(duì)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(shuō)，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(duì)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(hào)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(duì)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(duì)造成麻煩，本來(lái)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(guò)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(guò)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(duì)任何船舶都是適用的，只不過(guò)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(duì)容量的大小以及它們的工作情況（是長(zhǎng)期穩(wěn)定工作還是頻繁重復(fù)工作）。對(duì)于一般小型船舶，設(shè)配功率差別相對(duì)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(méi)有較大功率的電力拖動(dòng)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(guò)載能力下能否承受此種工作制的最大起動(dòng)電流，通常在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，按最大起動(dòng)電流對(duì)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(shuō)，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(zhǎng)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(guò)測(cè)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(cè)（電氣分冊(cè)）
船舶電站及自動(dòng)化裝置
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