工程船电气系统设计概论

工程船电气系统设计概论2005年6月目录一、工程船类型及其技术形态1、挖泥船1.1 泥泵1.2 绞刀、斗轮1.3 抓斗1.4 铲斗1.5 链斗2、起重船2.1 起升机构2.2 变幅机构2.3 回转机构3、工作绞车二、工程船电气系统特点1、具有大功率驱动机械，是决定船舶电站及动力装置配置的主要用电设备2、特种机械电力驱动系统有调速和堵转的要求，但对控制精度与快速性要求不高3、部分工程船需要低速作业推进要求，或有大功率电源可供转换应用，因此有采用各种电力推进装置的可能4、有采用中压电力系统的可能三、工程船电气系统设计方法1、工程船电力系统设计方法1.1 基本设计原则1.2 特种电站系统分类1.3 电站型式的技术经济性能分析1.4 择优电站型式的配电装置及电力网设计2、工程船特种机械电力驱动系统设计方法2.1 基本设计原则2.2 驱动型式分类2.3 驱动型式的技术经济性能分析2.4 电控系统设计3、工程船集中控制台设计方法3.1 基本设计原则3.2 集中控制台类型及其组成3.3 集中控制台设计工程船电气系统设计概论一、工程船类型及其技术形态工程船在广义上是除了运输船、渔船、拖船以外的，各有其特殊用途的，不同种类船舶的总称。

如以工程类别分类，有港口工程的挖泥船、打桩船、起重船等；有航道工程的挖泥船、航道测量船、航标船、炸礁船等；有海洋工程的海洋调查船、水文气象船、地质勘探船、石油钻探船、敷管(缆)船、储油轮等；有航保工程的救助船、打捞船、修理船、浮船坞、破冰船等；有水利工程的挖泥船、抛石船、混凝土搅拌船、铺排船等。

另外，也可按船舶用途分类，有疏浚用船、水工建筑用船、海洋开发用船、救助用船、敷设用船等。

1、挖泥船按疏浚工具不同，挖泥船又可分耙吸、绞吸、抓斗、铲斗、链斗、冲吸、斗轮、吹泥等不同型式。

除耙吸及冲吸为自航船型外，其余多数为非自航船型。

耙吸及冲吸船在作业时需低速航行。

疏浚工具及其特点为：1.1 泥泵--- 功率从几百kW到上万kW，多数由柴油机驱动，个别由电动机驱动。

目前大型船均开始设置水下泥泵，功率已达2000kW左右，采用变频驱动的也有。

1.2 绞刀、斗轮--- 功率从几十kW到近2000kW，采用液压或电动机驱动的都有，大型多数采用电动机驱动。

1.3 抓斗--- 功率从几十kW到近1000kW，多数采用柴油机--- 液压，也有采用电动--- 液压或电动机驱动。

斗容从不到1方一直到25方都有。

1.4 铲斗--- 功率一般为几百kW，反铲式全为柴油机--- 液压驱动，正铲式也有电动机驱动，但已很少应用。

铲斗主要用于挖石而非挖泥。

斗容从不到1方一直到十几方都有。

1.5 链斗--- 功率一般为几百kW，多数采用电动机驱动，也有液压驱动。

这种型式已趋向弃用，因为配套用泥驳、拖船数量太多船队太庞大不经济，但在象黄浦江疏浚则非此莫属。

2、起重船按机械结构不同，起重船可分为全回转及固定变幅式两大类。

已从非自航锚定位型式过渡到自航兼有锚定位型式；起重能力从几十吨到7000吨，总功率配置从近百kW到5000kW左右。

驱动型式多数采用电动机驱动，小功率也有采用电动--- 液压驱动。

起重船的主要机械为起重机，包括其他类型船舶上所装备的专用起重机，其主要特点为：2.1 起升机构--- 是纯位性能负载，下放时有能量反馈问题。

通常由2～4台电机驱动，要求制动器工作与主电路电流有联锁。

2.2 变幅机构--- 在某个变幅角度内一般具有位能性负载性质，也可能由几台电动机驱动，要求按起升--- 变幅特性配以力矩限制器保护。

2.3 回转机构--- 通常由多台甚至达8台电动机驱动，要求有平稳的时间较长的加减速性能。

3、工作绞车无论何种工程船，有一普遍性的机械，就是各种用途的工作绞车。

在挖泥船上有作为移船用、起吊疏浚工具用；在起重船、打捞船、钻探船等船上作为定位用等等。

作为移船、定位用的绞车，其钢缆受力的支点均为大抓力锚，比航行锚要大得多，重达几吨到十几吨。

作为起吊用的绞车基本要求和起重机的起升机构类似。

还有一种作船靠船用的系缆绞车，除了固定功能外还有移位功能，包括前后移位及升降移位两种情况，如挖泥船与泥驳、转载平台与驳船等。

工作绞车功率从几十kW到800kW都有，经历了一个电动--- 液压--- 电动的历史发展过程，目前趋势是采用变频调速电力驱动。

工作绞车驱动要求是调速范围广、周期工作制、过载能力强，对于移船、定位及系缆绞车有的还要求恒张力特性。

二、工程船电气系统特点在上述工程船的技术形态中，已知工程船具有许多特种机械，当采用电力驱动型式时，就对工程船的电气系统具有巨大的影响，基于此，工程船电气系统具有以下特点：1、具有大功率驱动机械，是决定船舶电站及动力装置配置的主要用电设备工程船特种机械的功率可能达到与发电机功率可比拟的程度，详见参考文献[1]、[2]的比值分析表。

这种情况在常规船舶中是少见的，因此仅按一张电力负载计算书来决定船舶电站及动力装置的配置，是不能做到正确的设计的。

据统计分析可得出下列有普遍意义的结论：·大功率机械功率占发电机总功率的比值起码在40％以上，很多均在60％以上；·每种类型船舶，不管其大小，都有一个差不多的比值指标；·非自航船比自航船的动力装置比值指标要高得多。

2、特种机械电力驱动系统有调速和堵转的要求，但对控制精度与快速性要求不高特种机械驱动多数属于变负荷设备，也较少需频繁调速，所以对驱动控制系统的性能指标要求不高，通常标准的驱动性能指标足够满足要求。

3、部分工程船需要低速作业推进要求，或者有大功率电源可供转换应用，因此有采用各种电力推进装置的可能耙吸挖泥船、敷管船、布缆船、海洋调查船等需要低速作业推进要求，作为自航工程船，较多采用调距桨推进装置来获得低速推进性能。

但近来，由于电力推进的一系列优点受到广泛关注和认可，所以采用电力推进也多起来了。

起重船、打捞船等具有大功率电源，均是在停泊状态时进行作业，因此在不作业时，可将此大功率电源转换应用于推进装置。

这样，原来的柴油机推进或非自航船可转换成电力推进，提高了船舶性能。

目前，为了提高工程船的作业质量和效率，对越来越多类型的工程船提出了动力定位的要求，为了满足这要求，首选的动力方案就是电力推进。

4、有采用中压电力系统的可能一些大型工程船需要大功率电源，电力推进船也有相当大的电源需要，因此常规的低压电力系统可能满足不了开关装置的对断流能力的要求，或者大量低压电缆的采用增加了施工的困难和成本。

只有采用提高电压等级降低电流的办法才是唯一的出路，中压电力系统已越来越多的被用于各种工程船上。

三、工程船电气系统设计方法1、工程船电力系统设计方法1.1 基本设计原则1.1.1 首先确定主要特种机械的驱动型式由于主要特种机械是大功率设备，且有特殊驱动要求，所以对其驱动型式可有多种方案选择，根据技术经济性能分析，确定一个合适的驱动型式。

1.1.2 其次确定主要特种机械的供电型式根据主要特种机械驱动型式的功率、电压，以及除去主要特种机械后的电网电力负荷计算结果，可以综合比较分析作出一个合适的供电型式。

1.1.3 最后作出具有主要特种机械供电特点的电站系统设计工程船的电站系统在很多情况下可能是一个特殊电站系统。

1.2 特殊电站系统分类1.2.1 有不同功率等级发电机的电站系统主要针对工程船在不同工况时有较大差别的用电负荷时或在分区供电时作此种设计。

发电机功率等级不宜过多，一般控制在2～3种，并且采用相同电压。

前者国外在电力推进船上配置较多，国内还找不到相应例子；后者曾在2000t起重船方案设计中采用过，为2×350kW＋2×160kW配置；荷兰进口的750m3自航链斗挖泥船1×1200kW＋2×85kW。

1.2.2 有不同电压等级发电机的电站系统在工程船上这种电站系统比较常见，主要是大功率负荷及主发电机在采用更高一级电压甚至中压时，其技术经济性能成为必然的选择。

电压等级大多为2种，个别可能达3种。

例：3000t海监船690V－400V；13000m3耙吸“新海龙”挖泥船690V－400V；4000t起重船6300V－400V；多型FPSO储油轮6600V－400V等。

国外“BINGO9000”半潜钻井船11KV－690V－400V；个别FPSO储油轮除了6600V－440V外，还向远处井口平台供电是升到13.8KV进行的。

1.2.3 有专用发电机的电站系统这种电站系统是特种机械驱动型式所带来的特殊现象，该专用发电机是指特向某个机械供电的发电机，其参数与其他发电机可以相同也可以不同。

属于有专用发电机的驱动型式有以下几种：·直流发电机--- 电动机系统--- 这个系统在上世纪90年代以前屡见不鲜，被大量采用。

例：500m3链斗挖泥船直流170～160kW斗链驱动；350m3绞吸挖泥船直流170～160kW绞刀驱动；4500m3耙吸挖泥船直流810～780kW泥泵驱动；2m3抓斗挖泥船直流170～160kW抓斗驱动；50t起重船直流65～55kW起升、变幅、回转驱动及辅助推进；布缆船直流115～100kW侧向推进等。

·交流电轴系统--- 这个系统在上世纪60年代国内曾采用过一次，为180m3挖蛎壳船的交流250KVA～170kW推进装置；近十余年来进口的船舶及设备上也有应用，例：“新海鹰”绞吸挖泥船交流2820KVA～kW水下泥泵驱动，“新海狮”深海吸泥船交流2418KVA～2100kW水下泥泵驱动，新设计的1600kW斗轮挖泥的800KVA～580kW水下泥泵驱动，3500m3绞吸挖泥船2540KVA～1900kW水下泥泵驱动也将使用。

为了降低电流减少电缆，电轴系统采用较高电压，大功率常用3300V。

1.2.4 有变频运行的轴带发电机电站系统该轴带发电机可以是电网发电机，也可以是专用发电机，并且不限定为由推进主机驱动，也可以由其他辅柴油机驱动。

这种电站系统较多出现在中大型耙吸挖泥船上，由于耙吸工况的不同，推进器及泥泵会有多种运行状态及其参数(功率、转速)，为了经济合理使用动力，可以有多种动力方案，即俗称“一拖二”、“一拖三等”。

而泥泵的驱动通常采用离合器，离合器的合排与脱排一般需降低转速进行；为了适应不同土质，使泥泵运行在较好的参数(浓度、效率等)，大功率泥泵也有少量的调速要求。

综合起来，不论何种动力方案，柴油机均会出现变速运行方式。

如果动力方案中包含轴带发电机，则该发电机会出现变频运行状态。

为了使发电机在低频状态下工况正常，即输出电流不过载，必须保持磁通不变。

因此，发电机低频时必须降低输出电压，即U/f≈常数，才能使磁通不变。

相应，发电机低频时也降低输出功率。