船舶电站容量计算方法研究论文

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论文关键词:电站；负荷；系数；容量；计算

论文摘要:本文主要阐述了船舶电站容量确定和计算方法，针对三类负荷介绍了电力负荷计算两步骤和过程，以及在设计实践中的一些问题提出自己的看法。

正确合理地计算船舶电站的容量，将直接影响到船舶运行的经济指标，并且影响着船舶的生命力量，所以具有很重要的意义。船舶电站计算的基本理论，不仅设计人员要掌握，对于运行管理人员来说也是非常重要的，它可以帮助机舱管理人员正确深入地了解船舶电站的特点，从而能够根据不同的运行情况，相应的改变电力系统的运行方式，充分发挥电站的功能，使电力系统保证安全、可靠、经济、优质，（在电压和频率偏差允许围内）另外，在监造船舶和接管船舶过程中，对所接船舶能够做出有理论的校验和评价。

在进行船舶设计时，船体的型式和尺寸及推进系统都可以由模型实验决定，但是船舶电站容量的选择至今尚无类似的办法，只能根据统计规律采用近似的估算方式。

电站容量的计算方法有许多种类，一般用的最多的是概率论法，昼夜航行图表法和负荷系数法。概率论法对于同类型船舶适用，小船或电动辅机不多的船舶大多采用昼夜航行图表法，目前用的较多的仍然是负荷系数法。负荷系数法分为两种，需要系数法和三类负荷法。将电站容量计算好后，就可以查对产品目录，根据发电机组标准和配套情况，选用发电机。

由于船上各用电设备的工作情况与船舶的运行工况有关，不论用什么方法计算电站容量都是按照船舶不同的工况分别进行的。船舶整个运行周期大体可以划分几个点型工况，在每一个点型工况中负荷的变化相对说来是不大的。船舶电气设计人员都知道，任何船舶都有配有电源装置，供给船舶上的电力、照明、通讯及其它的生活设备。电源装置有主电源，应急电源、备用电源。船舶设备几种电源要根据船舶类型、用途、航区以及船级社规范，法规来确定，故不同类型、用途的船舶可配不同的电源装置，但主电源装置对于大多数船舶都要配置，主电源装置（船舶电站）的容量是如何确定的呢？下面就船舶电站容量的确定和计算方法及在计算过程中注意的问题浅谈一二。

船舶电站容量的确定，必须经过船舶电力负荷计算，其结果作为选择发电机容量的依据，计算结果正确与否将直接影响发电机容量的选择，发电机容量选择不合适，势必将直接影响全船电器设配的使用要求，导致船舶航行不安全，也有可能由于船舶电站容量过大，造成电站低负荷，低效率运行，柴油发电机组功率得不到充分的利用，并相应地造成配套电气设配（主开关、仪表、电缆等）容量增大，导致船舶造价提高。用此电力负荷计算在整个船舶电气设计中是一项较为重要的工作，应考虑周密、细致、慎重、否则将给船舶带来隐患。

船舶电力负荷计算是根据全船用电设配的数量，负荷及使用工况进行的。把计算过程汇总表，称为电力负荷计算书。目前，船舶电力负荷计算方法虽多，上述以介绍过了，下面以三类负荷法的计算步骤浅谈一下。

1、确定全船机械，照明及生活等设配的情况下，查出机械配套电机的额定参数，计算照明等其它用电设配的装置功率，并按设配工作性质进行分类，甲板机械、舵室辅机机修机械、冷藏通风、弱电设配、照明设配、生活设配、通讯导航等。

2、对于不同类型、用途的船舶划分为几种船舶运行工况，如航行状态、进出港、靠离码头、停泊、装卸货、应急状态等。

3、按确定各工况下所需使用的电机、电气设配以及它们使用情况进行负荷分类，即Ⅰ类负荷——连续使用额的负载，Ⅱ类负荷——短时或重复短时使用的负荷，Ⅲ类负荷——偶然短时使用的负荷，以及按操作规程规定可以在电站尖峰负荷时间外使用的负荷。

4、计算各用电设配实际消耗的功率。在计算电动辅机电机所消耗的功率时，首先确定各种系数，如电动机利用系数：K1=P2／P1,机械负荷系数：K2=P3／P2，电动机负荷系数：K3=K1K2=P3／P1，最后确定电动机以额定功率运转时从电网所吸收的功率：P4=P1／ηe，P1每一台辅机选配的电动机有一额定功率P1每一台辅机有一最大轴功率P2电动机的实际使用功率，电动机在额定功率时的效率ηe，按以上公式计算各电动机实际所消耗功率。若有两台及两台以上同类型机械设配额定电机，还需根据实际使用台数进行计算。

5、计算每一台工况下各类负荷的总功率，必须按其同时系数计算总负荷。对于Ⅰ类负荷，因考虑到全船用电量设配最大负荷的不同实性，同时系数K1可取0.8~0.9，对于Ⅱ类负荷，同时系数指该负荷平均使用时间与工作周期之比来估算，但在计算时常不考虑每台辅机的同时系数，而将Ⅱ类负荷总加起来后在乘以同时系数K2，K2一般可在0.3~0.5的范围中选择。对于Ⅲ类计算时通常可不计。

6、考虑5%的网络损失，计算出所需总功率，按此功率及具体使用情况确定发电机容量及台数，其容量必须满足各工况所需功率，实际使用的发电机可为单机动行，也可以为双机并联运行并考虑留有一定的余量，另一方面使计算过程引起的误差得到有效的控制。

7、最后再考虑是否选择发电机，选择什么型号的发电机组的问题。如需并联运行可断电转移负荷及互为备用，一般选择相同型号机组。

船舶电力负荷计算对每一个船舶电气设计人员来说，似乎不是一项很困难的工作，但其实不是，要做到精确计算，得到一个准确的结果，并非容易。这是因为电站负荷取决于各用电设备的实际负荷和具体使用权情况，以及全船用电设备同时使用情况，而这些情况说的受到了多种因素的影响，难以确定。多年的工作经验使我们深有体会，认为电力负荷计算是船舶电气设计中一项比较困难的工作。

从计算方法的角度来说，一般首先必须具备有原始的资料及数据，如机械轴最大功率（P），实际负荷时电动机效率（η），等其次再通过选取各种数据，如机械负荷系数（K），同时使用系数等，就可以进行计算了。现在遇到的普遍问题是原始数据不全甚至没有，这样就给计算带来了不便。以往在这种情况下为了计算通常把电动机利用系数（K）均取1，同时由于在计算过程中各种系数选取不当(一般偏于保守，系数取的偏大)，加之设备分类不正确，这样造成了计算结果偏大，因而选择的电站容量也就偏大。从现有船舶电站运行的实际情况（大多数电站的负荷率普遍较低）就可以印证了这一点，当然电站负荷率低也有其它方面的原因，如果船舶使用方不是根据需要，而是根据在自己的考虑要求设计单位配备何种类型机组，造成装机容量较实际需要大，但这种情况毕竟是少数。尽管电站容量选择偏大对船舶航行安全来说并没有什么不好，但就设计角度而言是不合理的。本文提出一些个人见解和体会，就如何使电站选择更加合理化的问题与各位同行共同探讨。

一、系数问题：

（一）电动机利用系数K的选取

在计算过程中，当船舶辅机电动机最大轴功率实在无法查到时，利用系数K统一选取1的做法，现在看来不是太合适的。设配在选配电机时，由于系列产品中，电动机功率不一定恰好和设配轴上功率相符，有时为了保证起动转矩，电动机功率可能选得大些，电动机未能充分利用，因此利用系数K就是一个小于1的数值，那么应该取多少较合适呢？是否考虑每台电动机利用系数取0.9的范围内，也有些可能在0.8~0.9范围内，甚至0.7左右的都有。把所有利用系数都取0.9也即选平均值，这样主算出来的结果相对要准确些，但一般仍然偏高。

（二）电动机实际使用功率时的效率η的选取

电动机实际使用功率时的效率，即电动机实际负荷时的效率，本来可以从电动机特性曲线查出来，但给计算方增添了不少麻烦及工作量。目前为了计算方便，都是选取额定效率ηe来计算，尽管计算结果有偏差，但影响并不大，主要原因是：对于直流电动机而言，其效率在使用范围内变化不大，故可认为均为ηe，而异步电动机在低负荷时效率较低，从特性曲线可看出，当电动负荷在50%~100%运行时，其效率变化小于5%，而对容量较大的电机来说，其变化就更小了，故可以以为不变。

（三）机械负荷系数K2的选取

机械负荷系数的准确选取，确是一个比较难的事情。K2是一个定量值，因为用电设配在某一状态下运行，其实际使用功率同时是与之变化的，计算时无法得到。现在通常都采用过去经过统计或经验获得的数据:一般恒速机械（如泵、风机）的机械负荷系数通常取0.8、0.9，锚机、绞盘通常取0.6~0.7，舵机通常取0.3~0.4，取其上限还是下限，设计者可根据自己的经验或向轮机专业及其它相关专业询问，根据他们提供的设配实际使用情况来确定。但必须强调一点，任何一台辅机的电动机在不同的运行工况下，其机械负荷是不一样的。

（四）同时系数的选取

同时系数选取得合理与否直接影响到计算的结果，要取得确定值也比较困难。现在通常选取Ⅰ类负荷同时系数K1在0.8~0.9范围内。Ⅱ类负荷系数K20.3~0.5范围内。至于取上限还是下限，应视其船舶运行工况以及船舶设配数量的多少而定。不同运行工况下的同时系数不一定相同。对于大型船舶，由于设配数量多，同时工作的可能性小，同时系数可选得小些，对于小型船舶，由于设配数量小，同时工作的可能性大，同时系数可选得大些。

二、设配的分类

三类负荷计算法所以能求得较精确的计算结果，除了选取各种合理系数外，还有一个重要的因素，就是要正确地把各电气设配按其使用情况进行分类，设配分类不妥，将影响计算结果，故必须认真、慎重考虑。判断同一项设配属于哪种类别，应视其设配在该运行工况下工作情况，同一项设配在不同的运行工况下工作，其设配的类别不一定是相同的。就是说，三类负荷的方法与船舶运行工况有关。

三、计算表的编制

在电力负荷计算表的编制中，为了使计算表格更直观明了，让人一看一目了然，就必须在表格中对其一些用电设配加以注解。随着船舶电气设配的不断发展，新产品层出不穷。不同型号规格，不同电压种类的同种电气设配均在船上使用，特别是现在船舶上使用的厨房设配、生活设配、从电设配等，输入电压有的为AC220V，有的则为AC380V,在负荷计算表现中如果不对其电压种类进行注解的话，那么将给变压器容量的计算和核对造成麻烦，本来直接根据负荷计算表中的数据可完成的工作，却还要通过其它相关的图纸才能具体了解，计算完成。所以将可有不同电压种类选择，容易让人产生误解的电气设配注明相应电压值是十分必要的。

四、其它

任何类型及用途的船舶都必须经过电力负荷计算，以确定船舶主电源装置。而电力负荷计算方法对任何船舶都是适用的，只不过在根据计算结果选择发电机容量不小时，就必须考虑不同类型及用途船舶特殊性。其中原则是看船上电气设备功率相对容量的大小以及它们的工作情况（是长期稳定工作还是频繁重复工作）。对于一般小型运输船舶，设配功率差别相对不大，选择发电机容量大小只要杂计算结果的基础上，留有10%~20%的数量就可以了。如果是工程船或特殊船舶，其船上没有较大功率的电力拖动机械，并且该机械需频繁反复起停工作，此时在选择发电机容量时，就必须考虑所选用发电机的额定电流在一定的过载能力下能否承受此种工作制的最大起动电流，通常在计算结果的基础上，按最大起动电流对发电机容量进行核算，以保证船舶机械安全可靠的工作，也就是说，船舶电站容量的确定除了按电力负荷计算外，还必须根据船上用电设配使用情况综合考虑。

长期实践证明，电力负荷计算（特别是利用三类负荷法）是确定船舶电站容量既可行有效，较为成熟的一种方法，在船舶电气设计中时一项非常重要的工作。为了使计算更接近于实际，应深入实践，积极参与船舶试车试航，通过测试，获得原始数据，积累经验，提高负荷估算负荷估算书的准确度。

参考资料：

船舶设计实用手册（电气分册）

船舶电站及自动化装置