小型拖輪電力負荷計算方法分析與優化

蔡俊

（常德達門船舶有限公司，湖南 常德 415000）

0 引言

近年來，科學技術的進步推動了船舶工業制造水平的穩步提高。船舶電力負荷種類呈現多樣化的趨勢，不斷向高度自動化和智能化方向發展。與此同時，國際公約和船級社對船舶綠色節能和防污能力的要求也日趨嚴格，合理的電力負荷計算和容量確定顯得至關重要。電力負荷計算主要是采用合適的計算方法，根據船舶負載的種類、使用工況和耗能量對發電機容量的核算與船舶電能的合理分配進行檢驗。電力負荷計算在船舶設計中一直是一項比較因難的設計任務，船舶的使用工況和設備實際功耗受多種因素影響，難以精確定量計算。目前，船舶電力負荷計算方法主要是需要系數法和三類負載法。本文在需要系數法的基礎上對負荷計算方法進行優化，經大量實驗結果表明，該計算方法更加科學，計算結果更加合理。

1 某小型拖輪主要配置介紹

小型拖輪是一種內河工種船，主要是拖帶各種工作船及特種船舶。它的船體較小、結構牢固、動力強勁、操縱性能好，廣泛應用于各種拖帶作業。

該拖輪配置2臺柴油機為主機和1臺以柴油機驅動的發電機，是軸帶式螺旋槳工作船，配備的三相交流發電機額定電壓為400 V，額定功率為15.7 kW，額定電流為28.9 A。發電機允許的最大尖峰功率為17.3 kW，即為發電機額定功率的110%。

拖輪主要用電設備如負荷計算如表1所示，額定功率在1 kW以下的負載沒有列入其中。本文探討的工程船舶小型拖輪中負載類型主要為阻性負載和感性負載。阻性負載的無功功率為零，可直接用所需的有功功率表明其額定功率。

中低壓電力系統中的感性負載主要是異步電動機。由表1可知，額定功率達到3 kW的電動機主要是總用泵、機艙風機、錨機和液壓冷卻水泵。

表1 負荷計算表

1.1 總用泵

總用泵是船舶日常通用用途泵，可以兼做艙底水泵、甲板沖洗泵，也可作為消防泵的備用泵，有的還兼作冷卻海水泵。該小型拖輪總用泵為三相交流單速異步電動機，額定功率為3 kW。總用泵主電路由馬達保護器、電動機軟啟動器和控制繼電器等組成。馬達保護器能給電動機提供可靠的短路、過載和缺相等保護，保護電流根據電動機的實際參數確定。總用泵的啟動與停止控制由控制繼電器及其它主令電器完成。電動機啟動類型為電壓緩升起動，平穩負載工作制方式工作，總用泵啟動時間為1～5 s可調。

1.2 機艙風機

機艙風機為三相交流雙速異步電動機，額定功率為3 kW。機艙風機主電路由空氣斷路器和低壓通用變頻器等組成，空氣斷路器給風機提供可靠的短路過載保護。風機啟動類型為變頻起動，調速方式為變頻調速，按照平穩負載工作制方式工作，啟動方式和時間由變頻器設置的參數控制。

1.3 錨機

起錨機械是任何船舶都必須配備的重要甲板機械，主要用做舶舶安全停泊于水面、系泊于碼頭或浮筒。該小型拖輪配備的錨機為三相交流單速異步電動機，額定功率為3 kW，采用主令開關直接控制方式，這種控制方式廣泛應用于內河船舶小型的起錨絞盤。錨機主電路中的主令開關主觸點控制錨機啟動和換向。過載保護繼電器對電動機及相關電路提供過載失壓保護，短期工作制方式工作，錨機啟動類型為直接啟動方式。

1.4 液壓冷卻水泵

液壓冷卻水泵是船舶液壓系統的主要水冷散熱裝置。液壓冷卻水泵為三相交流單速異步電動機，額定功率為3 kW。液壓冷卻水泵由馬達保護器提供電路保護，主觸點控制冷卻水泵的啟動與停止，平穩負載工作制方式工作。液壓冷卻水泵啟動類型為直接起動。

2 計算方法

交流發電機在轉速為額定轉速、電壓接近額定值的狀態下，突加60%額定電流及功率因數不超過0.4的對稱負載時，當電壓跌落時，其瞬態電壓值應不低于額定電壓的85%，電壓恢復至與最后穩定值相差3%以內所需的時間不應大于1.5 s,以負載表1中最大阻性負載設備窗戶玻璃加熱器為例說明，其額定功率為3.5 kW，電流值遠小于交流發電機額定電流的60%。在發電機正常工作的情況下，船舶阻性負載接入電網時對發電機的沖擊和影響較小。

電動機為非線性和大功率負載，接通和關斷所引起的瞬態響應和諧波都會對電網質量造成很大的影響，如電網電壓畸變等。反過來電壓的波動對電動機及其它電氣設備的運行亦有重要影響，電壓偏離額定值，使得設備總的功率損失增加，使設備溫度升高，從而使設備絕緣老化加速。

在傳統的發電機容量計算方法中，在柴油機連續運行條件下應使其額定輸出功率有10%左右的余量，或者保持每臺發電機組的功率余量達到相應的單臺發電機額定輸出功率的20%。在設備需求與參數確定后，所選用電動機的功率基本確定。在船舶實際作業過程中，并不是所有設備都是同時工作，許多設備都是按照邏輯控制順序運行。因此，船舶所需的電能總量總是要小于設備總容量。負荷計算時并不采用電動機的額定功率進行定量計算。

2.1 需要系數的計算

本文所探討的計算方法是在需要系數法基礎上計算負載實際功率。列出船舶主要用電設備并記錄額定功率，額定功率乘以需要系數可計算出設備的需要功率：

式中：設備的額定輸入功率，對于異步電動機是其額定輸入功率；對照明和弱電設備則可采用安裝的總功率；負載隨時間上下波動時，取其平均功率。

2.2 同時系數的選取

設備計算功率是由各設備的種類及其使用方法決定的，不同的使用工況和環境會對同時系數產生重要影響。

在進行船舶電力負荷計算時，除了船舶運行工況，還需要考慮季節的影響。加熱設備及輔助加熱設備由于在不同的環境溫度下選取的同時系數不同，對在低溫環境下運行的船舶負荷會造成影響，如空調、駕駛室玻璃加熱器等。以下介紹部分設備同時系數的選擇。

1）通風設備。在小型拖輪上通風設備主要以各類風機為主，通風設備工作的時段和時間由通風需求決定，長短不固定，環境溫度高時使用時間也相對較長。因此在選取同時系數時需要考慮不同季節的影響，在夏季選取的同時系數是1.0，而冬季選取的同時系數是0.3。

2）空調設備。空調夏天制冷、冬天制熱，從功率上來說，制熱比制冷功率大。從船舶作業工況來說，夏季作業量大，故冬季同時系數選取為0.9，夏季選取1.0即可。

3）駕駛室窗戶玻璃除霧設備。夏季幾乎不使用，冬季同時系數選取為0.6即可。

2.3 功率計算

以小型拖輪來分析電力負荷的計算，計算所需要的總功率。

P=K1×K2×Pi。

式中：P為計算功率；K1為需要系數；K2為同時系數；Pi為額定功率。

海洋工程船舶中低壓電力系統中，使用最多的電氣設備是異步電動機。當異步電動機起動時，其起動功率因數較低，將產生很大的起動電流。阻性負載接入時對發電機及電網的影響相對較小，一般不選擇阻性負載作為最大功率計算設備，而是選定錨機作為計算對象，大功率電動機本身的功率相對于一般設備功率較大，其次電動機啟動電流大，對電網有較大沖擊和影響，有計算意義。

異步電動機啟動時經歷起動沖擊階段、平穩加速階段、加速終止階段等3個階段的狀態變化，最終穩態工作。由于啟動開始時刻合閘相位角的不同，可能會在啟動電流之上疊加不同大小的直軸瞬態分量，最后形成比啟動電流更大的電流。

以小型拖輪為例，夏季電氣網絡單相功率總和為7.22 kW。與三相功率相加后計算出負荷總量為10.34 kW。冬季電氣網絡單相功率總和為9.46 kW。與三相功率相加后計算出負荷總量為10.9 kW。不同季節同時系數不同，設備的總計算功率也不同，冬季總功率比夏季總功率略大，以總功率值更大的冬季功率值為計算數據，夏季功率值為參考依據。

發電機的平均負荷系數為10.9÷15.7×100%=69%。考慮5%線損，發電機輸出功率余量約為26%。

錨機作為單個最大功率設備，功率與總功率的量化關系單獨計算。

表1中錨機的計算功率設為Pa，則Pa=0.24 kW。冬季功率值設為Pw，則Pw=10.9 kW。電動機啟動時的電流變化與電動機本身的性能和負載的性質有關，啟動電流大于電動機正常運行時的工作電流，一般為額定電流的5.5～7.0倍左右。啟動電流冗余計算值取額定電流的10倍進行計算。

計算相同功率和相同工作概率，而且運行間沒有制約的非變動性負荷系統同時工作時的合成功率，服從二項分布的隨機概率模型[2]。假定有n套相同類型的系統，其中任意m套系統工作的概率為

式中：p為系統的工作概率；q=1-p為不工作的概率。

求取n套系統的總合成功率可歸結為計算二項分布隨機變量的數學期望值，即

式中：PΣ為n套系統的合成功率；P1為每套系統的功率。

由上式可知，n臺特殊裝置電動機同時工作的合成功率等于額定總功率值乘以它們的工作概率。

基于上述概率模型的分析，計算出4套系統同時工作的合成功率為2倍，即10×2×Pa=4.8 kW。

最后求出船舶冬季負荷峰值功率為10.9-0.24+4.8=15.46 kW。同理，可求出夏季的負荷峰值功率為14.9 kW。冬季負荷峰值功率大于夏季負荷峰值功率，冬季的峰值負載小于發電機允許最大峰值負載。故船舶設備負荷與發電機容量匹配。

3 結論

按照傳統方法計算的總峰值負荷值大于發電機提供的峰值功率，不利于發電機的性能穩定及電網的正常工作。

本文在需要系數法的基礎上，結合異步電動機的啟動對發電機及電網的影響，對船舶負荷計算方法進行了較詳細的分析和計算優化。通過大量實船數據分析與驗證，結果表明該方法可以為船舶設計階段負荷計算提供理論計算基礎。