基于CCS规范的大型散货船电力系统设计

摘 要：文章以中国船级社的规范为框架，结合相关公约及规则，总结了大型散货船电力系统的组成、论述了主要电力设备的配置以及重要设备的供电要求等，对同类型船舶的设计工作具有一定的借鉴作用。

关键词：CCS规范；大型散货船；电力系统；配置；供电

中图分类号：U661.42 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）6-0011-02

电力系统是现代船舶的核心系统，也是船舶设计工作中重要的组成部分。本文以大型散货船中具有代表性的巴拿马型散货船作为论述对象，着重讨论了电力设备的配置及供电方面的设计要点。

1 设计依据

1.1 入级规范

船舶设计的首要依据为其入级船级社的规范，系统的设备也是以此为基础进行设置。中国船级社（以下简称CCS）现行有效的版本为《钢制海船入级规范2012》（以下简称《钢规》），2013年CCS针对该版规范了最新修改通报，并于同年7月1日生效。

1.2 国际海事组织出版物及文件

系统的设计过程中，除需遵守船级社的规范，还应注意到相关国际海事组织制定的公约或规则及其修正案等，其对缔约国船舶具有强制性要求。同时，相关的文本也可对船级社规范的一些内容作进一步解释或补充，如：

①国际海上人命安全公约（SOLAS）。

②国际消防安全系统规则（FSS）。

③国际海上避碰规则（COLREGS）。

④国际海事组织决议等。

2 电力系统的组成

船舶电力系统可以分为电源装置、配电装置、电网以及负载四部分。

2.1 电源装置

电源设备分为主电源与应急电源。

主电源是指通过向主配电板供电，并将电源逐级分配至各用电设备的电源，并且这些设备为保持船舶正常操作和居住条件所必需的所有设备。通常选用具有单独柴油机驱动（非船舶主推进装置驱动）的发电机作为主电源。

应急电源是指当主电源故障时，能够对应急配电板进行供电的电源，该电源可以是发电机也可以是蓄电池组。

2.2 配电装置

配电装置的作用是接收和分配电能，同时对电网进行保护。主要有主配电板、应急配电板、分配电板（分电箱）、充放电板、岸电箱等。

2.3 电网

船舶电网是电源和用电设备之间的传输、分配电能的电缆线路的总称。

根据对配电要求的差异，不同船型电网的结线方式也有所不同。巴拿马型散货船的电网多为440 V及以下电压等级的电网，采用了放射式电网。其特点是每一馈电电缆均独立由主配电板引出，向一个负载或分配电板进行供电，具有良好的集中控制的特点。

2.4 负载及控制与检测装置

巴拿马型散货船的负载可分为以下5类：

①舱室及动力装置用辅助机，如：滑油泵、机舱风机、辅锅炉配套辅机等；

②甲板及辅助装载机械设备，如：舵机、锚机、舷梯绞车、货舱盖液压单元、电动压载水泵等；

③通风及冷藏设备，如：空调、冷藏单元及舱室风机等；

④厨房及洗衣设备，如：电灶、炸锅、冰箱、洗衣机、干衣机等；

⑤其他小功率设备，如：照明设备、无线电设备、航行设备等。

相关的控制及检测装置保证了各设备在运行中的稳定与安全。

3 主要电力设备的配置

3.1 主电源

主电源应至少由2台发电机组组成，且其台数及容量应能在任一发电机组停止工作时，仍能满足正常推进、船舶安全以及保证最低舒适居住条件的供电要求。而通常在装卸货或进出港状态时，全船的用电负荷可比正常的海上航行状态高出30%以上，所以选取3台等容量的发电机组作为主电源具有较好的经济性与可靠性性。船舶在正常航行状态时，发电机组的工作情况为一台发电机接近满负荷运行，两台发电机做备用；船舶在装卸货或进出港状态时，有两台发电机并联运行，一台发电机做备用。发电机组容量的选择上，应留有一定的余量，以保证正常航行状态时单机负荷率约80%为宜。

3.2 应急电源和备用电源

巴拿马型散货船作为500总吨以上的货船，应设有独立的应急电源。另外，根据《钢规》及SOLAS对部分设备的供电要求，还应考虑设置备用电源，我们在此与应急电源一并讨论。

由于该型船舶配有舵机等大功率应急负载，所以在应急电源的配置上应设有应急发电机。作为舵柄处舵杆直径大于230 mm的非冰区加强型普通货船，其应急电源应能在45 s内向操舵装置自动供电，因此会要求应急发电机具有在主电源失效后的45 s内完成自动启动和向应急配电板供电的能力，利用这一特性也可使我们简化临时应急电源的设置。应急发电机容量的选择是根据应急工况下的供电范围来确定的，具体应考虑以下几方面的负荷：

①全船应急照明及COLREGS所要求的航行灯和其他号灯；

②SOLAS所要求的航行设备、无线电设备和应急消防泵；

③断续使用的白昼信号灯、船舶号笛、手动失火报警按钮以及所有紧急状态下需要的船内信号和通信设备。

④探火和失火报警系统以及操舵装置

另外，《钢规》中同样规定了如电站自动化系统等失电时仍有必要使用的控制系统以及安全系统和报警系统，应能在正常供电失电时自动转接至备用电源。而这些系统可能因电源中断而受到有害影响时，应采用不间断电源为备用电源。为了简化电力系统结构，可设置一总用蓄电池组，为如主发电机的安全、控制和报警系统等规范或技术规格书要求需配有备用电源或临时应急电源的设备供电，该蓄电池组通过充放电板进行充电和供电。也可针对一些设备的特点独立设置UPS作为其备用电源。总用蓄电池组或这些UPS的容量应至少能够维持0.5 h的供电需要。

需要注意的是，SOLAS要求应配备1个或多个独立于船舶推进动力和船舶电力系统的备用电源，在主电源和应急电源故障时向无线电设备供电。通常情况下无线电设备厂家是不会配套安装该备用电源的，因此，还需单独设置一套蓄电池组作为无线电设备的备用电源，并且其不能经由充放电板进行充电和配电，而应由无线电台内的专用电源转换装置来实现。该蓄电池组的容量应能同时向以下设备供电1小时：首先，甚高频无线电装置；其次，中频无线电装置或船舶地面站或中频/高频无线电装置；再次，操纵无线电设备的无线电控制台适当的照明设备。

3.3 变压器

普通船舶的交流配电系统普遍采用绝缘性和安全性较好的三相三线绝缘及单相双线绝缘配电系统，变压器也就成为了照明系统及主电源供电系统的必要组成部分。因此，对变压器数量及容量上的要求与对电源的设置有着相似的要求，即在任何一台变压器停止工作时，其余变压器仍能保证正常推进和船舶安全必须设备的运转，同时最低舒适居住条件也应得到保证。巴拿马型散货船通常设有两台等容量的交流三相变压器作为主变压器和另设两台等容量的交流三相变压器作为应急变压器，容量的选择上应能满足对220 V用电设备的供电要求。

另外，在变压器数量的设置上还需注意以下两方面：

①巴拿马型散货船作为一种6～8万载重吨的船型，其船长可达200 m以上，因此在对艏部设备供电时的压降也是不可忽视的。在这一情况下，为了保证艏部220 V用电设备的正常工作，有些设计方案中会采用440 V电压对船艏供电，并在船艏位置设置独立的变压器。

②厨房作为船上一个比较特殊的潮湿场所，其用电设备在实际使用过程中往往会导致配电系统出现绝缘低报警，影响了船员对系统故障的判断。出于船员使用体验方面的考虑，通常在主配电板至厨房设备分配电板之间设置绝缘变压器，以此将厨房配电系统的绝缘低报警分离出来。

3.4 配电板

前面我们讨论过，该型船采用了放射式电网的结线方式，设有一个主配电板和一个应急配电板。

主配电板应包含发电机控制屏、440 V馈电屏、220 V馈电屏、组合启动屏以及汇流排。具体的屏数可依据实际情况进行调整，而汇流排则应至少分成两个独立分段，由不带脱扣装置的断路器或可使汇流排能方便分开的隔离开关等加以连接，并尽量将发电机和其他双套设备均分的连接在这些分段上。

应急配电板应包含应急发电机控制屏、440 V馈电屏、220 V馈电屏。

分配电板或分电箱的配置可根据用电设备的运行工况、电压等级或所在区域等进行设计，但需要注意的是无线电分配电板应与航行设备分配电板相互独立。

4 重要设备的供电

重要设备是指推进、操舵和船舶安全所必需的设备，以及具有特殊附加标志的船舶上的特殊设备。其中为保持推进和操舵需连续运转的设备我们称之为主重要设备，其他的重要设备可称为次重要设备。对重要设备供电进行设计时，其电动机应由独立的最后分路供电，并且除其获得完全选择性保护或另有明文规定，主重要设备应直接由主配电板或应急配电板（要求应急电源供电的）供电。另外，还应注意到下述装置的供电要求：

①电动液压操舵装置：从稳定性考虑，海运船舶的主操舵装置通常都会设有2台或以上的电动液压动力装置。在设计该装置的供电方案前应首先明确其基本性能是否能够使船舶最大航海吃水和最大运营前进航行时进行操舵，使舵自任一舷的35 ？觷转至另一舷的35 ？觷，并且于相同条件下自一舷的35 ？觷转至另一舷的30 ？觷所需时间不超过28 s。如该装置满足这一性能，其供电可设计为每一动力设备由主配电板设置一路独立馈电线进行直接供电（其中一路可通过应急配电板供电），而当该装置不满足上述性能要求时，其每一电动液压装置至少应由主配电板设二路独立馈电线直接供电，但其中一路可通过应急配电板供电。

②无线电设备与航行设备：无线电设备分配电板和需由应急电源供电的航行设备分配电板都应由主配电板和应急配电板设独立馈电线供电，并通过分配电板内的主/应急电源自动转换装置对设备提供可靠供电。每一用电设备也应由其分配电板的独立最后分路供电。

③航行灯：航行灯控制箱应直接由主配电板和应急配电板供，如应急电源设计中设置了为航行灯供电的临时应急电源，则航行灯控制箱应直接由应急配电板和临时应急电源充放电板进行供电。上述两种供电方式中均应设置电源自动转换装置对航行灯提供可靠供电，并且每1盏航行灯均应由控制箱引出独立分路供电。

④固定式探火和失火报警系统：应至少由两套电源供电，其中一套应为应急电源。其供电应设有独立馈线并接至控制板的电源自动转换开关。

⑤水位探测系统：作为散货船的特色系统，该系统也应由两个独立的电源供电，其中一路电源失效时能够自动转换至另一路电源为其供电。

除此之外，前文中我们也提到了船舶自动化系统中的安全系统、报警系统以及失电时仍有必要使用的控制系统，应能在正常供电失电时自动转接至备用电源。

5 结 语

本文对巴拿马型散货船的电力系统设计做了简要的总结，希望能对其他大型散货船的设计起到借鉴的作用。中国船级社作为国际船级社协会成员之一，其规范内容具有很强的通用性，因此本文对入级其他船级社的同型船舶的设计也具有一定的参考作用。另外，设计人员在设计工作中还应注意到新生效的规范、指南、规则和公约的要求等，并尽可能收集新的技术，不断的对系统进行优化和改进。

参考文献：

[1] 中国船级社.钢制海船入级规范[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2] 国际海事组织.国际海上人命安全公约综合文本[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3] 国际海事组织.1972年国际海上避碰规则[M].北京：人民交通出版社，2008.

[4] International Maritime Organization.FSS code：international c-ode for fire safety systems[M].London：International Maritime Organization，2007.