脫硫改裝的電氣設(shè)計

郭志強，詹 波

（舟山中遠(yuǎn)海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

國際海事組織（IMO）發(fā)布的船舶限硫新規(guī)已于2020年1月生效。為了滿足新規(guī)要求，船舶可以選擇使用硫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不超0.5 %的低硫油作為燃油，或者是通過加裝脫硫塔的方式來降低硫排放。如國際油價長期處于高位，船舶直接選用低硫油作為燃油，其運營成本將相對較高，因此，在新規(guī)格生效前，許多船東和航運公司選擇在船上加裝脫硫裝置以滿足要求。

船廠作為船舶脫硫改裝工作的建造方，不可避免地需要在一些改裝項目中承擔(dān)改裝設(shè)計任務(wù)。脫硫改裝電氣設(shè)計具有繁雜、瑣碎等特點，改裝涉及對原船部分電氣系統(tǒng)、設(shè)備接口、電纜路徑等的修改。以下通過近年已完工的脫硫改裝項目，對改裝設(shè)計的主要設(shè)計點和注意點進(jìn)行匯總歸納。

1 前期準(zhǔn)備

對于脫硫系統(tǒng)及改裝規(guī)格書的熟悉是設(shè)計工作開展前的重要一步。

在通常情況下，脫硫設(shè)備都由船東提供，因此需要通過船東獲取所要加裝的脫硫設(shè)備資料，并對資料進(jìn)行仔細(xì)檢查和消化，以便了解加裝的脫硫各設(shè)備的信息和配置情況。不同船東公司選擇不同廠商的脫硫設(shè)備，其系統(tǒng)及配置會有一些差異。例如，在“中海環(huán)球”號冷箱船脫硫改裝項目中，脫硫系統(tǒng)由中船711所提供，從脫硫設(shè)備資料可獲悉本項目中脫硫系統(tǒng)為開環(huán)式廢氣清潔系統(tǒng)，系統(tǒng)中配有4臺海水泵，電源為AC 440 V，60 Hz，每臺泵的功率為299 kW，變頻控制；另配有氣密風(fēng)機2臺，電源為AC 440 V，60 Hz，功率為17.4 kW，以及其他由AC 230 V電源驅(qū)動的煙氣及水質(zhì)分析檢測設(shè)備等。在另一個項目中，“MSC索菲亞”號的船舶脫硫系統(tǒng)由瓦錫蘭提供，采用混合式廢氣清潔系統(tǒng)，與開環(huán)式系統(tǒng)有較多區(qū)別，所配置的設(shè)備也有很大差異，其中開環(huán)式海水泵、閉式海水泵、冷卻泵、藥劑泵和補水泵等泵總數(shù)就多達(dá)12臺。

除了對脫硫系統(tǒng)及配置需要進(jìn)行了解和熟悉外，對原船圖紙信息及其狀態(tài)的熟悉也是必不可少的，因此原船的各電氣系統(tǒng)圖、布置圖及計算書等圖紙也需要提前獲取并仔細(xì)檢查和熟悉，在了解原船狀況的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行具體的改裝設(shè)計。

2 詳細(xì)設(shè)計

2.1 電力負(fù)荷核查

電力負(fù)荷的核查是整個船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計中的一項重要工作。脫硫系統(tǒng)運行時需要占用較多的電力負(fù)荷，因此需要重新評估改裝后的船舶電力負(fù)荷情況。在原船電力負(fù)荷計算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增加脫硫各設(shè)備電氣功率等參數(shù)，采用原計算書的負(fù)荷計算方法獲取最終的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)。在負(fù)荷計算時，需要考慮各工況下脫硫設(shè)備的運行情況。例如，“赫米娜”號船舶配有3臺脫硫海水泵，計算書中將3臺海水泵按全部同時工作計算，而實際運行中，海水泵為兩用一備，即最多只有2臺海水泵在同時工作，因此，負(fù)荷計算時需要考慮脫硫各設(shè)備的具體運行工況，使計算結(jié)果盡可能貼近實際，確保脫硫系統(tǒng)加裝后船舶電網(wǎng)仍可以保證安全、穩(wěn)定、可靠。

表1和表2為“中海環(huán)球”號船舶改裝前后的負(fù)荷對比。從改裝后的負(fù)荷表可以看出，最大負(fù)荷工況為帶冷藏箱條件下進(jìn)出港（PORT IN/OUT），總負(fù)荷為16 257.2 kW，占4臺發(fā)電機總功率的94%。因此可以初步判斷原船發(fā)電機組的富余容量足以保證新加脫硫系統(tǒng)的正常運行。

表1 原船電力負(fù)荷表

表2 脫硫改裝后電力負(fù)荷表

如原船發(fā)電機組容量較小而無法負(fù)擔(dān)新增的脫硫系統(tǒng)負(fù)荷，則需要考慮增加或更換發(fā)電機并增設(shè)配電板的措施，以滿足電力供應(yīng)需求，由此引起的額外改裝成本也將成為船東和航運公司不得不考慮的因素。

2.2 電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)作為電氣改裝設(shè)計的重要部分，需要進(jìn)行全面考慮、合理規(guī)劃，主要涉及各供電負(fù)載的斷路器的選擇、連接電纜規(guī)格的選用、設(shè)備電源接口位置的確定，以及原船斷路器的備用情況等。科學(xué)合理的電力系統(tǒng)設(shè)計可以在保證功能的前提下有效降低改裝成本。

新造船項目中，通常先繪制電力單線圖，基于此圖進(jìn)行后續(xù)電力系統(tǒng)細(xì)化及相關(guān)計算。而在脫硫改裝項目中，因為增加的負(fù)載數(shù)量相對有限，可以在原船電力系統(tǒng)圖基礎(chǔ)上修改更新，通過增加斷路器或利用原船斷路器為脫硫負(fù)載供電。有多種脫硫負(fù)載供電方案可以選擇，如“赫米娜”號海水泵由配電板的1號、2號AC 440 V負(fù)載屏供電，3臺泵分別接于配電板A、B段匯流排。“中海之星”號船舶項目，出于配電板空間及施工難度方面的考慮，4臺脫硫海水泵選擇通過原船的冷藏分電箱供電，以此降低成本，減小施工難度，如圖1和圖2所示。

圖1 “赫米娜”號散貨船的脫硫海水泵供電示意圖

圖2 “中海之星”號冷箱船脫硫海水泵供電示意圖

選定斷路器時，需注意框架電流及其額定電流須與負(fù)載的額定電流相匹配。同時，考慮到規(guī)范中對風(fēng)油切斷的要求，塔房供風(fēng)機等負(fù)載的斷路器還需要帶有應(yīng)急切斷功能。為了減少對原船負(fù)載屏和分電箱等設(shè)備的修改，如果原船有合適的備用斷路器，可以優(yōu)先考慮使用。例如脫硫系統(tǒng)中的氣密風(fēng)機、水質(zhì)檢測等設(shè)備，此類負(fù)載功率相對較小，在原船中選擇合適規(guī)格的斷路器相對較容易，而像脫硫系統(tǒng)中海水泵這類額定電流較大負(fù)載，往往需要修改配電板或分電箱以加裝新增的斷路器。

脫硫系統(tǒng)各負(fù)載的供電方案確認(rèn)后，需要確定所連接電纜的截面積。電纜截面積選定時，需要考慮如下幾方面：

1）電纜可能承載的最大負(fù)載電流。三相交流用電設(shè)備的負(fù)載電流值（

I

），可以通過公式計算得到：

式中：

P

為額定功率，kW；cos

φ

為功率因數(shù)。

2）電纜成束敷設(shè)時，需要考慮成束敷設(shè)時的修正系統(tǒng)，可以用“電流乘系數(shù)0.85”進(jìn)行修正。

3）如果電纜工作環(huán)境溫度較高，還需要考慮環(huán)境空氣溫度系數(shù)。電纜導(dǎo)體正常使用時的最高允許溫度為90 ℃，表3列出了在此基礎(chǔ)上當(dāng)電纜所在工作環(huán)境溫度不同時需要考慮的修正系數(shù)（表格來自常州某電纜廠家）。

表3 不同環(huán)境空氣溫度下的修正系數(shù)

4）如電纜長度較長，需要通過電壓降計算核查壓降值。電壓降計算可以分別按式（2）或式（3）進(jìn)行計算。

式中：?

U

為交流單相兩線制回路電壓降，%；?

U

為交流三相三線制回路電壓降，%；

L

為電纜長度，m；

I

為電流，A；

U

為額定電壓，V；

S

為電纜截面積，mm；

R

為電導(dǎo)率。

電纜截面積初步選定后，還需要考慮保護(hù)裝置的動作特性與電纜的保護(hù)協(xié)調(diào)。斷路器的整定電流值、電纜截流量及負(fù)載額定電流間的關(guān)系如下：

式中：

I

為斷路器的整定電流值，A；

I

為電纜載流量，A；

I

為負(fù)載額定電流值，A。

2.3 探火及報警相關(guān)系統(tǒng)

脫硫塔裝置所安裝區(qū)域多為機器處所，如加裝在原船煙囪中，隨同原煙囪劃分為A類機器處所；另一種安裝于獨立塔房內(nèi)，塔房布置于原船煙囪艉部或煙囪舷側(cè)位置，如脫硫塔的塔房與原船煙囪分離，通常劃分為其他機器處所。機器處所的火警系統(tǒng)設(shè)計和探測器的布置應(yīng)在機器任何正常工作狀況和可能環(huán)境溫度、通風(fēng)的變化下，迅速探測出火災(zāi)征兆，并應(yīng)能發(fā)出視聽報警信號。同時，這2種信號需要區(qū)別于任何其他非火警系統(tǒng)的信號，以確保船員聽到和看到該報警信號。由此，在新加裝脫硫塔裝置附近需要設(shè)置適當(dāng)?shù)幕馂?zāi)探測及報警裝置，新增的探頭和手動報警可以接入原船煙囪區(qū)域的火警探測系統(tǒng)回路中。需要注意的是，根據(jù) SOLAS公約規(guī)定，一個覆蓋控制站、服務(wù)區(qū)域或居住區(qū)域的探頭回路不可以包括A類機械處所。在脫硫塔區(qū)域布置探測器時，需要注意探頭的覆蓋范圍、探頭遮擋情況、后期維護(hù)便利等問題。對于探頭的覆蓋范圍，可以通過圖紙模擬測量，事先進(jìn)行檢查并判斷是否滿足要求。根據(jù)《國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》第9章的要求，探測器的間距可參考表4的要求。

表4 探測器的間距

2.4 照明系統(tǒng)

船舶照明是船舶航行、作業(yè)及管理的必要條件，脫硫改裝的照明修改多集中在煙囪及船艉區(qū)域。例如因新塔房安裝而導(dǎo)致拋落艇區(qū)域照明和煙囪標(biāo)記照明的移位，船舶艉部絞纜區(qū)域以及塔房內(nèi)部照明的增加等。在機器處所內(nèi)新增照明布置時，應(yīng)至少設(shè)有2路照明分路，燈點應(yīng)交錯布置，其中1路為應(yīng)急照明，在梯道、逃生口等位置需要配置相應(yīng)的應(yīng)急照明。新增照明燈具型式可以參考原船燈具，統(tǒng)一型式保證美觀。新增燈具可采用2×20 W或40 W熒光艙頂燈，燈具按間距3 m布置，以獲得較好的照度效果。

對于新增的室外照明需要注意燈具的材質(zhì)，采用防腐蝕材料，如不銹鋼材料的熒光艙頂燈。室外照明可以考慮并入原船相應(yīng)區(qū)域的室外照明回路，以便于從駕駛室等位置對室外照明進(jìn)行統(tǒng)一控制。

照明系統(tǒng)修改后的回路中，燈點數(shù)量也需要注意。根據(jù)CCS規(guī)范第4章的要求，AC 220 V照明電路，每一容量小于或等于16 A的最后分路的供電燈點數(shù)應(yīng)不超過24點。

2.5 脫硫設(shè)備接口

脫硫系統(tǒng)能高效運行需要獲取原船設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)信息，同時，船舶也需要對脫硫系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。根據(jù)脫硫系統(tǒng)工作機理，通常需要從原船獲取主機、發(fā)電機、鍋爐的運行及負(fù)荷信號，而脫硫系統(tǒng)輸入監(jiān)測報警系統(tǒng)的信號主要為脫硫運行和報警信號。因各船配置情況不同，這些信號可以從不同系統(tǒng)的接口取出。例如：“赫米娜”號的發(fā)電機的運行和負(fù)荷信號都是通過主配電板功率表分出信號至脫硫系統(tǒng)，主機的運行和負(fù)荷信號則取自主機遙控系統(tǒng)；“中海之星”號船上，由于原船的船舶綜合控制和監(jiān)測系統(tǒng)（ICMS）已經(jīng)包含了主機、發(fā)電機的運行和負(fù)荷相關(guān)信號，因此，這些信號可以在更新系統(tǒng)程序后通過設(shè)備的信號輸出模塊直接輸出至脫硫系統(tǒng)使用。

另外，根據(jù)IMO的規(guī)定，脫硫設(shè)備都需要接入GPS信號，因此，還需要核查原船圖紙中GPS信號通道情況，如有備用通道，則可以直接利用，否則需要在圖紙中增加GPS信號分配箱，以滿足脫硫系統(tǒng)對此信號接口的需求。

2.6 其他輔助系統(tǒng)

除了以上原船系統(tǒng)的修改外，脫硫改裝時還需要注意其他集成配套系統(tǒng)。例如：因輸入海水量增加，在海水進(jìn)口處或濾器上增設(shè)MGPS裝置；脫硫塔房因散熱需求，新塔房內(nèi)設(shè)置了供風(fēng)機及控制設(shè)備；增加手搖泵設(shè)備用于新增海水進(jìn)口閥，洗滌水排舷外閥等。這些新增設(shè)備相對簡單，但其電源選擇、報警點輸出等方面仍需要注意。例如手搖泵的閥指示盒電源，可以綜合原船備用斷路器情況來選擇使用AC 220 V或DC 24 V，如有船東要求對這些閥的開閉狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，則可以通過手搖泵閥指示盒增加信號輸出接口，輸出至監(jiān)測報警系統(tǒng)或脫硫系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 海水閥指示盒接線圖

2.7 耐火電纜

各主要規(guī)范都對耐火電纜的使用做了相應(yīng)的說明。因此，在脫硫改裝設(shè)計中，各電氣系統(tǒng)選用的電纜型號也需要注意。對于需在失火狀態(tài)下繼續(xù)維持工作的設(shè)備的電纜，包括供電電纜，如穿過較大失火危險區(qū)、防火區(qū)或者甲板，應(yīng)采用耐火電纜。

脫硫改裝中，涉及需在失火狀態(tài)下維持工作的設(shè)備包括：

1）通用報警系統(tǒng)；

2）探火和失火報警系統(tǒng)；

3）公共廣播系統(tǒng)；

4）應(yīng)急照明系統(tǒng)。

因此，這些系統(tǒng)中不是所有電纜都需要采用耐火電纜。如圖4所示，電纜C1的整根電纜都敷設(shè)在防火分區(qū) A內(nèi)部，可以不使用耐火電纜。電纜C2由于穿過了A和B這2個防火分區(qū)，需要使用耐火電纜。

圖4 耐火電纜的使用

3 生產(chǎn)設(shè)計

新造船項目的生產(chǎn)設(shè)計是在交互式完整建模基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而脫硫改裝的生產(chǎn)設(shè)計是通過對原船進(jìn)行勘驗測量或通過對原船進(jìn)行三維掃描并結(jié)合原船圖紙的方式進(jìn)行部分建模的，并繪制滿足要求的施工圖紙。因此，改裝生產(chǎn)設(shè)計要求設(shè)計人員具備更扎實的專業(yè)知識和更豐富的實踐經(jīng)驗，同時需要熟悉相關(guān)規(guī)范和工藝，并對船廠生產(chǎn)作業(yè)流程有非常清楚的了解。

從已完工的脫硫改裝問題記錄中發(fā)現(xiàn)，雖然各個不同的項目在施工過程中因設(shè)計原因出現(xiàn)的問題眾多，但導(dǎo)致問題的原因基本相似，主要分為以下幾大類：

1）設(shè)備定位不合理，造成與原船設(shè)備干涉；

2）電纜托架寬度不足，電纜敷設(shè)無法滿足工藝要求；

3）電纜路徑不合理，導(dǎo)致無法施工或施工困難；

4）變頻電纜與其他電纜未分開，造成信號干擾；

5）電纜余量不足，導(dǎo)致電纜重新敷設(shè)；

6）網(wǎng)絡(luò)電纜長度過長，超過100 m后造成信號衰弱；

7）煙囪布局變化引起原設(shè)備位置變化，設(shè)計遺漏。

以上這些問題即是從完工的各脫硫改裝項目中得到的深刻教訓(xùn)，也是可用于后續(xù)其他改裝項目的寶貴經(jīng)驗，為后續(xù)類似項目中電氣設(shè)計工作的開展提供參考，以避免同樣的問題重復(fù)出現(xiàn)，從而提高生產(chǎn)設(shè)計水平及圖紙質(zhì)量。

4 結(jié)論

各改裝船舶建造時間不同、建造標(biāo)準(zhǔn)不同、設(shè)計理念不同都將導(dǎo)致改裝設(shè)計難度加大，需要在設(shè)計前期做好準(zhǔn)備，熟悉設(shè)計流程，專業(yè)間充分溝通，才能完善設(shè)計，盡量減少問題，希望本文可以為其他同類型改裝項目的電氣設(shè)計提供參考。