萬米級潛水器科考母船“張謇”號電氣設計

文 勇

(上海航盛船舶設計有限公司,上海 200011)

萬米級潛水器科考母船“張謇”號電氣設計

文 勇

(上海航盛船舶設計有限公司,上海 200011)

簡要介紹了上海航盛船舶設計有限公司自主開發設計的萬米級潛水器科考母船“張謇”號電氣設計概況，主要敘述了該船電氣設計過程中對電源裝置、配電裝置、動力定位系統、主干電纜走向、通信及網絡系統等關鍵技術的設計研究。

科考母船；主配電板；動力定位；主干電纜

0 引 言

黨的十八大報告提出，要提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。海洋科考船作為人類調查研究和認識海洋的基本工具，必將有更多方面的發展和需求，其廣闊的發展前景毋庸置疑[1]。海洋科考船按照其主尺度、續航力及調查能力一般可分為全球級、大洋級、區域級和近岸級[2]。

2016年7月12日，我國又一艘全球級海洋科考船“張謇”號開啟首航之旅，從上海臨港出發，奔赴“海上絲綢之路”南線，前往南太平洋巴布亞新幾內亞附近海域。“張謇”號由上海彩虹魚科考船科技服務有限公司投資、上海航盛船舶設計有限公司設計、浙江天時造船有限公司建造。該船于2015年4月18日正式開建、2016年3月24日下水。該船具有裝備全、自動化和信息化程度高、設計要求高、布局緊湊等特點，因此電氣設計具有一定的特殊性和復雜性。本文對“張謇”號的電氣設計做簡要介紹，以期為將來類似船型設計提供參考。

1 船舶概況

“張謇號”是一艘鋼質、無限航區航行的萬米級潛水器支持母船兼綜合海洋科學調查作業船，該船首次將萬米級載人潛水器母船、遠洋科學綜合考察、深海工程作業支持三個功能有機地結合在一起，設計上極具創新性[3]。該船總長97.55 m、型寬17.80 m、型深8.40 m、定員60人，續航能力12 000 n mile。該船設計圖紙經中國船級社(CCS)批準，取得如下船級符號：★CSA Research Ship, SPS, Ice Class B; ★CSM MCC, BRC, DP-1。

該船航拍照片如圖1所示；總體布置如圖2所示。

圖1 “張謇”號航拍照片Fig.1 Air photo of “ZHANGJIAN”

圖2 “張謇”號總體布置Fig. 2 General arrangement of “ZHANGJIAN”

2 電氣設計研究

2.1 電源裝置設計

“張謇”號作為一型綜合海洋科學調查作業船，運行工況繁多，主要包括：全速航行工況、經濟航行工況、漂泊試驗工況、潛水器布放/回收作業工況、地質柱狀取樣作業工況、走航測量工況、進出港工況、停泊工況、應急工況等，其中潛水器布放/回收作業工況和地質柱狀取樣作業工況要求船舶具有一定的動力定位(DP)能力。不同工況電力需求差異很大，在滿足規范要求基礎上，如何保證各工況下運行發電機能有一個合適的負載率，同時兼顧系統安全性、經濟性，是本船電氣設計的一大難點。

該船電源裝置設計主要輸入條件如下。

(1) 為兼顧各工況下的航速需求，同時提高主推進系統的可靠性，該船采用雙機單槳形式，大主機額定功率2 380 kW，小主機額定功率1 103 kW，2臺主機不同時運行。

(2) 根據輪機、舾裝專業提供的設備明細表，初步核算主要運行工況下的電力需求：航行工況約為560 kW，走航測量工況約為630 kW，停泊工況約為420 kW。

(3) 結合動力定位能力分析、船舶機動性要求及總體布置等情況，該船配置了兩臺560 kW的首側推及一臺680 kW的尾側推，動力定位工況下三臺側推需同時使用。

根據上述數據，綜合考慮設備選型等因素，本船發電機配置方案如下。

(1) 主發電機(2臺)：自勵、無刷、三相同步交流發電機，750 kW，400 V，50 Hz，1 000 r/min，cosφ=0.8，獨立柴油機驅動。主發電機兼做停泊發電機。

(2) 軸帶發電機(1臺)：自勵、無刷、三相同步交流發電機，1 600 kW，400 V，50 Hz，1 500 r/min，cosφ=0.8，大主機通過齒輪箱驅動。

(3) 應急發電機(1臺)：自勵、無刷、三相同步交流發電機，120 kW，400 V，50 Hz，1 500 r/min，cosφ=0.8，獨立柴油機驅動。

各工況下發電機使用情況如表1所示。

表1 各工況下發電機使用情況

2.2 配電裝置設計

該船配電裝置包括主配電板、應急配電板、蓄電池充放電板、岸電箱、分電箱、組合起動箱、電工試驗板等。除主配電板外，其他配電裝置的設計相對比較常規，故本文僅就主配電板的設計做簡要介紹。

由于軸帶發電機與柴油主發電機組不能長期并聯運行，結合規范要求及主要負載運行工況，將主配電板交流(AC)400 V匯流排分成3段。“張謇”號電力系統簡圖如圖3所示。

圖3 “張謇”號電力系統簡圖Fig. 3 Power system diagram of “ZHANGJIAN”

該船主配電板設計主要思路及特點如下。

(1) 兩臺主發電機能長期并聯運行, 并車方式采用自動同步裝置自動并車和手動準同步并車兩種方式。

(2) 主發電機可與軸帶發電機短時并聯運行進行負載轉移，以避免在發電機切換時出現全船短時失電的情況，保證船舶及人員安全。

(3) AC 400 V左匯流排與AC 400 V中匯流排之間通過隔離開關連接，兩臺主發電機分別連接到這兩段匯流排，其他雙套設備(AC 380 V)均分地連接于這兩段匯流排，以滿足相關規范要求。

(4) AC 400 V中匯流排與AC 400 V右匯流排之間通過帶電動操作機構的負荷開關連接，這兩段匯流排都有電時，之間的聯絡開關只允許同步合閘，即只有在同步表有輸出允許合閘信號的情況下才能合閘，以避免出現誤操作。

(5) 1號首側推由AC 400 V左匯流排供電，2號首側推及尾側推由AC 400 V右匯流排供電。綜合考慮設備可靠性、經濟性等因素，首、尾側推均采用可調螺距螺旋槳，主電機采用自耦變壓器降壓起動方式，以保證在兩臺主發電機并聯供電或軸帶發電機供電時的起動性能。

(6) 動力定位工況下采用分區供電形式，AC 400 V中匯流排與AC 400 V右匯流排之間的聯絡開關斷開，兩臺主發電機并聯運行給AC 400 V左/中匯流排供電，軸帶發電機給AC 400 V右匯流排供電。

2.3 動力定位系統設計

根據船東設計任務書及相關設計輸入文件的要求，該船主要科考作業(潛水器布放/回收作業工況和地質柱狀取樣作業工況)時船舶不需要工作在自動定位模式(即自動保持要求的位置和艏向)，可在滿足作業需要的前提下選擇自動艏向模式(即繞某一設定點根據風向適時自動調整船舶艏向)、自動區域定位模式(即在最小能耗條件下自動將船舶保持在允許區域內，并將艏向保持在允許的艏向范圍內)以實現較惡劣環境條件下的定位并降低能耗[3-4]。這也是該船主推進系統能夠采用單槳形式的直接原因。該船另配置有兩臺560 kW的首側推及一臺680 kW的尾側推。根據動力定位系統廠家提供的能力分析報告，基于上述動力配置(動力定位工況下使用額定功率2 380 kW的大主機)的定位能力可滿足預定的科考作業需要。

該船動力定位控制站設計主要思路及特點如下。

(1) 主控制站設在駕駛室，考慮到“在主控制站和備用控制站，均應設有各個推進器的單獨的手動控制器”的要求[5]，經與船級社確認，可將整個駕駛室算作動力定位主控制站。相關設備布置方案：在駕駛室后部右舷設有DP控制臺，臺內布置有動力定位工作站、固定式獨立操縱桿面板、獨立操縱桿處理單元、模式選擇開關、DGPS顯示單元及電源單元等；主推進裝置及側推的控制面板設置在駕駛室前部駕控臺上。

(2) 分別在駕駛甲板兩翼和機庫頂部作業操控室設置便攜式獨立操縱桿接線盒，全船備有一套便攜式獨立操縱桿面板，可根據需要連接到對應位置的獨立操縱桿接線盒，實現在進出港或科考作業工況的便捷操控。

2.4 主干電纜走向設計

該船電站容量大、設備多、定員多、自動化和信息化程度高、布局緊湊，有大量工作艙室及科考儀器設備，這些都使得主干電纜走向設計成為本船電氣設計的又一難點。

在方案設計階段，考慮到該船的上述特點，在主干電纜通道的設計方面做了比較充分的分析、論證和實船調研。該船主干電纜走向設計主要思路及特點如下。

在處理上下貫穿電纜方面，主要采取如下措施。

(1) 該船主要實驗室及網絡中心位于主甲板FR78～FR106號肋位之間，對應這段肋位間下一層的下甲板、上一層的居住甲板都分布著大量的居住艙室及工作艙室，有大量的電力、通信、信號電纜及科考設備電纜上下貫穿，故在FR89～FR91號肋位右舷下甲板至艇甲板之間設置了一個大型電弄。

(2) 該船FR106～FR131號肋位之間自下甲板向上一直到船長甲板同樣分布著大量的居住艙室及工作艙室，且駕駛室也位于這段肋位間，有大量的電力、通信及控制電纜上下貫穿，故在FR118～FR122號肋位左舷下甲板至駕駛甲板之間設置了一個大型電弄。來自舵機艙、機艙集控室、側推艙的電纜通過這個電弄可直達駕駛室，避免了電纜的迂回，節省了電纜，降低了施工難度。

(3) 另在FR116～FR118號肋位右舷艇甲板至駕駛甲板之間設置了一個小型電弄，用于對FR118～FR122號肋位左舷電弄的分流。且一左一右的電弄布置使得電纜敷設更加方便、更節省電纜。

主甲板及艇甲板電弄布置如圖4所示。

圖4 主甲板及艇甲板電弄布置Fig. 4 Cable channel arrangement of main deck and boat deck

在處理同一甲板層電纜方面，主要采取如下措施。

(1) 起居處所的主干電纜盡可能布置在走道頂部，以減少電纜貫穿件，方便施工及維護。但走道頂部同時也是輪機管路及風管布置優先考慮的位置。故在方案及詳細設計階段需要與輪機及通風專業充分協調，將主干電纜走向圖與全船供水管系原理圖、全船艙室疏排水管系布置圖、全船通風管系布置圖、全船空調管系布置圖等圖紙充分匹配對圖，以避免出現干涉。

(2) 充分利用隔離空艙等隱蔽而又通常閑置的處所，比如1號燃油艙P/S頂部的隔離空艙。由于類似處所通常空間比較狹小，故在詳細設計階段應注意與結構專業協調，酌情調整結構減輕孔的設計，為電氣施工及后期維護預留好通道。

(3) 通過優化主配電板設計及主要設備布置，緩解主配電板下方電纜敷設壓力。例如在滿足規范要求和不降低供電安全性的前提下將中前部AC 380 V用電設備由左邊(面向主配電板)的組合起動屏、AC 380 V負載屏供電，尾部AC 380 V用電設備由右邊的組合起動屏、AC 380 V負載屏供電；將軸帶發電機屏布置在靠近發電機一側；將AC 220 V負載屏布置在靠近主照明變壓器一側。

2.5 通信及網絡系統設計

考慮到海洋科學調查船有大量的實時船岸通信和數據交換需求，該船設有SAILOR 500型FBB系統、SAILOR 900型VSAT系統和全船網絡系統。

FBB系統由天線單元、FBB主機、IP電話手持機及底座、電源單元等部分組成；VSAT系統由天線單元、天線控制單元、電源單元、路由器、交換機、不間斷電源等部分組成；全船網絡系統由船舶狀態顯示系統、視頻監控系統、數據采集系統、內網系統、外網系統等部分組成。

該船通信及網絡系統主要功能及特點包括：(1)FBB系統作為備份線路，在租賃衛星寬帶情況下，平時使用VSAT系統，也可以手動切換到FBB系統；(2)VSAT采用三軸Ku波段系統，具有較寬的俯仰角轉動范圍，給用戶提供一個無縫接收信號的條件，即使船舶航行在赤道或者極地地區；(3)VSAT內置全球定位系統(GPS)，系統自動接收定位數據，保持系統更快、更穩定的運行；(4)VSAT可接入船舶自動電話系統，實現通過船舶電話撥打衛星電話；(5)VSAT支持雙線路的路由器及網絡交換機，用于接入網絡端口到船上的外網系統；(6)內網系統與外網系統獨立，保證了重要科考、試驗信息和數據的安全。

2.6 照明系統設計

由于該船定位為綜合海洋科學調查作業船，并可承接海底探險、海上休閑旅游等業務，所以居住環境的舒適性也是該船的重要考核指標。

該船照明系統主要特點有：(1)居住艙室、實驗室、餐廳、健身室、休閑娛樂室、起居處所內走道、駕駛室等處所的主體照明均采用LED燈具，相比常規熒光燈，既增加了亮度、提高了燈具壽命，又更加節能環保；(2)在內走道各居住艙室門口、餐廳、休閑娛樂室等位置配有射燈，與內部裝飾相匹配，以美化居住環境、提高舒適性；(3)居住艙室照明屬具(如開關、插座、接線盒)的顏色與家具顏色匹配，采用金色，提升內裝的整體觀感。

3 結 語

“張謇”號電氣設計充分滿足了規范和使用要求，通過了試航及首航檢驗，電力系統運行穩定，船內通信及安全系統設備、航行及無線電設備、照明系統設備等運行狀態良好，得到了船東的認可。動力定位系統尚未實船運行，動力定位能力有待后續實船檢驗。

本文從電源裝置設計、配電裝置設計、動力定位系統設計、主干電纜走向設計、通信及網絡系統設計等方面對該船的電氣設計做了簡要介紹，可供后續同類型船舶設計時參考。

[1] 張炳炎. 我國海洋調查船的現狀與未來[J]. 世界科技研究與發展，1998 (4)：36.

[2] 劉松，左文鏘，隋智享.國外海洋科考船現狀及總體設計技術發展方向[J]. 船舶科學技術，2014 (36)：8.

[3] 文勇，王楠等. 萬米級潛水器科考母船“張謇”號設計研究[J]. 海洋工程裝備與技術，2015, 2(4)：274.

[4] 邊信黔，付明玉，王元慧. 船舶動力定位[M]. 北京：科學出版社，2011.

[5] 中國船級社. 鋼制海船入級規范(第5分冊)[S]. 2014.

ElectricDesignReviewofTenThousandMeterScaleScientificInvestigationMotherShip“ZHANGJIAN”

WEN Yong

(HansailMarine&OffshoreDesignCo.,Ltd.,Shanghai200011,China)

The electric design of the ten thousand meter scale scientific investigation mother ship “ZHANGJIAN” independently designed by Hansail, is briefly introduced. The key technical points solved during design, such as power supply device, power distribution device, dynamic positioning system and main cable routing, etc., are described detailedly.

scientific investigation mother ship; main switchboard; dynamic positioning; main cable

2016-08-05

文勇(1982—)，男，工程師，主要從事船舶電氣設計方面的研究。

U665.1

A

2095-7297(2016)04-0251-06