一、船舶电气的心脏-电源设备

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当谈到船舶电源时，我们可将其视为船舶电气系统的心脏，决定着船舶的安全性和性能表现。因此，在设计船舶电源时，我们必须以慎重和周密的态度来考虑各个因素。如今，船舶种类繁多，正朝着高度自动化和节能的方向快速发展，同时安全性、经济性和可靠性的重要性也与日俱增。因此，各种法规、船级社的规定也变得愈发严格。

作为船舶电源的核心组成部分，我们通常考虑的有主发电机、应急发电机、变压器以及蓄电池等设备。船舶电源的设计需要根据适用的法规、船级社规范以及船舶类型等因素，对船上电力负荷进行仔细估算，选择适当的电源设备容量、数量，以及电力分配和保护方式等。

在这个过程中，电源系统的设计，就像是在创造精致的艺术品，每个元素都需要精心雕琢。我们的目标是创造一个完美协调的电力生态系统，既能满足船舶的需求，又能确保高度的安全性、可靠性和经济性。

我们必须深入了解不同类型船舶的需求，以便为其量身定制电源方案。这包括考虑货船、客船、油船、工程船等各种船舶类型的特殊要求。而船舶电源的设计不仅要满足现有需求，还要预留足够的余量，以适应未来可能的变化。

二、船舶电源种类

船舶的电源系统可以看作是一个多元化的舞台，分为主电源、应急电源和临时应急电源。这些电源系统的设计需要遵循一系列严格的规范和规则，确保船舶在不同情况下都能安全运行。

主电源通常由两台主发电机组成，这些发电机可以通过主机推进装置驱动，以满足电力需求。然而，对于不同类型的船舶和不同的航行区域，规定可能会有所不同。例如，在需要遮蔽航行区域或类似区域的货船，也许只需要一台主发电机。

对于客船和总吨位超过吨的货船，独立的应急电源是必不可少的。这些应急电源可以是发电机，也可以是蓄电池组。各种规定和规则都明确规定了应急电源的要求，包括供电范围和供电时间，这些必须在设计中被仔细遵循。根据《钢质海船入级规范》（）规定，客船和总吨位超过吨的货船，如果应急发电机不具备自起动功能（或自起动功能不满足规定要求），还需要配置一套蓄电池组作为临时应急电源。

在船舶电源系统的设计中，通常也会考虑到停泊时的电力需求。这些需求可以通过停泊发电机和/或岸电来满足，以确保船舶在港口或停泊期间也能合理利用电力资源。

此外，为了适应不同电气参数的设备，电源系统中还会使用变压器（如电力和照明变压器）以及逆变器或整流器等电源装置。这些设备将电源的特性与设备需求相匹配，确保电力分配的高效性和安全性。

船舶电源系统的设计是一场有趣而挑战性的冒险，它要求我们在严格的规范下发挥创造力，为船舶提供可靠的电力支持，确保它们在海上旅程中保持安全和高效。这个电力的故事，融合了技术与创新，为每一艘船都赋予了生命的力量。

三、负荷计算简述

船舶电力负载计算，就像是解谜游戏的一部分，需要我们深入探索全船的用电设备，包括数量、负载和使用情况。这个计算过程不仅在船舶电气设备系统设计中至关重要，而且直接影响着发电机容量和数量的选择。如果计算出现偏差，发电机的选择可能会不当，这将直接威胁到船舶的航行安全和乘员的安全，甚至可能导致经济性指标下降。

然而，电力负载计算并非易事，因为全船用电设备的实际负载和使用情况受多种因素的影响，难以准确地以数字方式衡量。有些数据可能只能基于统计数据或经验来获得，这增加了计算的复杂性。因此，在进行电力负载计算时，我们必须密切协作，与轮机专业和设备专业等相关领域紧密合作。

这个过程有点像一场探险，需要我们深入了解每一个电气设备，理解它们的工作方式和需求。我们需要考虑诸如电动机的启动瞬态负载、照明设备的不同工作模式以及通信设备的特殊需求等因素。这需要我们集思广益，将各个专业领域的知识和经验汇聚在一起，以确保我们得到尽可能准确的负载计算结果。

总之，电力负载计算是一项挑战性的工作，要求我们运用创造性思维和团队合作，以保证船舶电气系统的稳健性和可靠性。这个过程就像是为了解开谜题而进行的冒险，每一步都将我们更接近找到正确答案的目标。这个电力的故事告诉我们，在航行的世界里，精准的计算是确保一切顺利进行的关键。

1）计算方法

目前，船舶电力负载计算方法较多，各种方法略有不同，即使是同一方法在不同用途的船舶上使用也有些差别。尽管方法千差万别，但其基本构思是一样的，即计算船舶各工况下用电设备所需的功率。常用的计算方法有需要系数法、三类负载法、日夜负载法、概率分析计算法、算式计算法、以某项特重负载为基数的计算法等。

需要系数法：这种方法，通过为各种用电设备分配需要系数，来计算电力负载。需要系数是根据设备的类型和使用方法等因素确定的，用以反映设备的电力需求。通过将各设备取需要系数后汇总，可以得出总的电力负载。

三类负载法：这种方法，将船舶电力负载分为三类，即Ⅰ类负载（连续负载）、Ⅱ类负载（间断负载）和Ⅲ类负载（偶尔短时负载）。通过对这三类负载取系数后汇总，计算全船总的电力负载。

日夜负载法：这种方法考虑了船舶在白天和夜晚的电力需求不同的情况。通常，白天的电力需求较高，夜晚相对较低。因此，通过分别计算这两个时间段的负载，可以更准确地估算总电力负载。

概率分析计算法：这种方法考虑了电力需求的不确定性，通过概率统计方法来计算负载。它可以更全面地考虑各种不同情况下的电力需求，提供了更精确的计算结果。

总的来说，需要系数法和三类负载法，是目前应用较多的方法，只要选择合适的系数或负载系数，通常可以得到相对准确的计算结果。

2）计算工况

在进行电力负载计算时，通常要考虑船舶运行工况,虽然不同类型、用途的船舶其运行工况略有不同，但都有相应的运行工况:

(1)航行一满载全速航行状态;

(2)进出港一港内低速航行或机动状态;

(3)压载一进出港压载航行状态;

(4)靠离码头一般考虑起锚和系缆状态，有时该工况与进出港工况合并为进出港工况;

(5)停泊一停泊码头或系船无客、无货状态;

(6)装卸货一货船、液货船(油船、液化气船和化学品船)或集装箱船等装货卸货状态

(7)作业一调查船的海上作业、工程船舶的水上作业等;

(8)应急一一般考虑船舶失火状态。

有时，为了较准确地计算电力负载，根据航区及使用目的又有热带航行和寒带航行、装货和不装货(特别是装有冷藏货物时很重要)、载客和不载客之分；并且还有季节和时间的不同，如冬天和夏天使用空调制暖或制热，春天和秋天不考虑使用空调，白天和黑夜、早晨和傍晚等。

负荷功率及使用方式的不同，对于发电机组容量选型有较大影响，需认真仔细的计算分析。

3）用电设备的分类

通常，用电设备按系统进行分类:

(1)动力装置用辅机一为主机和主锅炉等服务的辅机，如滑油泵、海水冷却泵、淡水冷却泵和鼓风机等；

(2)甲板机械一包括锚机、绞盘、舵机、起货机和舷梯、起艇机等；

(3)舱室辅机—包括生活用水泵、消防泵、舱底泵以及为辅锅炉服务的辅机等；

(3)机修机械—包括车床、钻床、电焊机和盘车机等；

(5)冷藏通风—包括空调装置、伙食冷库等用辅机和通风机等；

(6)厨房设备—包括电灶、电烤炉等厨房机械用辅机和电茶炉等；

(7)照明设备一包括机舱照明、住舱照明、甲板照明等照明设备和航行灯、信号灯以及电风扇等；

(8)弱电设备一包括无线电通信、导航、乘员和船舶安全及船内通信设备等；

(9)自动化设备等一如自动化装置、蓄电池充电设备、冷藏集装箱和首部侧推装置以及特种船舶的专用设备等。

上述用电设备的分类，随船舶的种类、吨位和主机型式等不同而有很大差别，在进行电力负载计算时，在直观、明了的前提下，可以增减或合并。

4）三类负荷法

当取得较合适的各用电设备的负载系数，及合理的同时系数时，三类负荷法可以求得较精确的计算结果，对全船电力负载进行合理的预估。

计算电力负载时，可根据使用情况将负载作如下分类

Ⅰ类负载—连续使用的负载

Ⅱ类负载—间断负载

Ⅲ类负载—偶然短时使用的负裁,以及按操作规程规定可以在电站尖峰负载时

负载系数

电气设备负载系数，用某一期间内的负载平均需要功率，与同一期间内的负载最大需要功率的比值来表征。

电动机利用系数，用电机的最大轴功率，与该电机的额定功率的比值来表征。

电动机机械负载系数，用电机的实际使用功率，与该电机的最大轴功率的比值来表征。

电动机机械负载系数与电动机利用系数两个系数的乘积，可以求得电动机负载系数。

同时使用系数

第I类负载

有时考虑到各辅机和用电设备最大负载的不同时性，可取其同时系数为0.8~0.9。

但是，如果某一负载较大，在该负载工作的工况下计算第工类负载总功率时，可以考虑该负载同时系数为1，其他第1类负载的同时系数为0.8~0.9。按此计算选定发电机容量，以确保发电机负载不会出现大于负载估算的数值。比如电力推进船的主推进电动机，或普通货船的首侧向推进电动机等。

第Ⅱ类负载

可按该负载的平均工作时间和工作周期之比来估算。当没有确切资料时，可参考设计手册中的取值。不难看出，利用同时系数逐一计算各间断负载的所需功率，也是十分繁琐的，所以实际计算时，通常是采用负载系数计算出各间断负载总需要功率后，再乘以总的同时系数的方法，这一同时系数一般取0.3~0.5。

我的建议

对于那些刚开始学习船舶电气设计的朋友们，我有一个小的建议。如果你们想要掌握负荷计算方法，可以从之前的项目中搜集一些有用的资料，比如轮机等各专业的设备清单、船体总图、电气说明书等。这些文件可以成为你学习的宝贵资源。

接下来，你可以尝试依据上述文件，使用三类负荷法来进行计算。这种方法相对来说，比较容易理解和入门。计算完成后，不妨将你的结果，与参考项目的退审版文件进行比较。如果两者吻合，那就是你逐渐独立进行全船负荷计算的信号。

这个过程就像是学习骑自行车一样，一开始可能需要一点支持和指导，但随着练习，你会逐渐变得自信，并且能够独立完成任务。不要害怕犯错，每个人都是从零开始的。重要的是，从设计实践中，保持勇气，相信自己的能力，慢慢积累经验。

无论你遇到什么困难，都要知道，我们都曾经是初学者。我鼓励你们坚持下去，因为船舶电气设计是一项非常有挑战性的工作，它可能将为你们的人生，打开新的大门！

四、主发电机容量和台数的选择

为了满足船舶各运行工况的用电，必须正确地选择主发电机的容量和台数。船舶设计早期，由于各用电设备容量尚不明确，我建议根据主机功率、船舶主尺度和吨位大小，选择合适的母型船，进行预估电站的容量。

发电机容量应根据电力负载计算书的计算结果决定。实际决定发电机容量时，对交流发电机，特别要注意系统的功率因数、发电机的电压波动特性和负载的变化特性。

我建议，对于采用AFE有源前端技术的电力推进船舶，功率因数可以考虑选取为1.00，可以极大提高全船电站的功率储备，并还有减少电缆截面尺寸、减少电缆中的损耗、减少电压降等效果。

主发电机容量和台数的选择，应以电力负载计算书为基准，根据船舶各种运行工况所需的电力负载，以及有关规范和规则，对不同航区和不同船舶对主发电机容量和台数的要求，既要考虑安全可靠性，也考虑其经济性。就钢质海船而言，特别要注意下述几点:

(1)发电机及其原动机在不超过额定值，而在额定值附近运行时效率最高。在通常运行状态下，应以航行工况所必需的功率为基准，对于负载的变动及增加，也不得使发电机过载。发电机的额定容量要有适当的储备量。

(2)发电机组的容量和台数，应在任一发电机组停止工作时，仍然能继续对正常推进运行、船舶安全以及具有冷藏级船舶的冷藏货物所必需的设备供电。同时，最低舒适居住条件也应得到保证，该最低舒适居住条件至少包括适当的炊事、取暖、食品冷冻、机械通风、卫生和淡水等设备。

(3)发电机组应能在任一发电机或其原动机不工作时，其余发电机组仍能供应从瘫船状态起动主推进装置所必需的电力。

(4)在交流系统中，当一台发电机停止工作时，其余的机组应有足够的储备容量，以保证当最大电动机起动时产生的瞬态电压降，不会使任何电动机失速或其他电气设备失效。容量特别大且非船舶安企航行所必不可少的电动机，如侧推器电动机、液货船货油泵等，可以在所有发电机投人工作情况下起动，但不应导致任何重要设备停止工作。

(5)当以柴油机作为原动机时，在连续运行条件下，希望柴油机额定输出功率有10%左右的余量；同时，还要注意到，不应使柴油机明显地运行在低负载状态，一般考虑不低于35%。

(6)主发电机组一般至少应为2台。从便于维护和管理出发，最好选用同类型发电机组。

设发电机台数为n（如2-3台），各工况使用的台数一般考虑如下:

航行时，1台或2台；

进出港时，2合~n台；

装卸货时，2合~n台。

其实，船船主电站发电装置的组成，取决于船舶总体设计、动力装置的选择等多种因素，目前已有多种组合方式被采用，比如，有选用轴带发电机，或废气涡轮发电机与柴油发电机的组合方式。

关于“主发电机组一般至少应为2台”该条的个人理解：

1）设计原则，需平衡安全和经济。规范的上述要求，是基于单点故障原则，即规范的假设，如果有一台发电机组出现问题，我们需要有另一台发电机组工作，来确保船舶供电需求。

从设计行业的安全角度，电气设计，需要满足规范要求，设计2台同容量、同型号的发电机组，仅假设一台发电机组出现故障，不会影响全船安全供电，也就不会威及船舶人员安全、船舶自身安全或船舶设备安全，按规范要求，恢复供电的时间，不会长于45s。

如《钢质海船入级规范（）》第4篇第2章第1节第2.1.1.1条要求

“备用发电机应尽快自动起动并连接至主配电板，最好在失电后30s内完成，最长不超过45s。”

如《内河船舶建造规范（）》第4篇第3章第2节第3.2.1.6条要求

“备用发电机组的紧急起动和投入电网供电的全过程应不超过15s，且失败后应进行报警。”

除非船东有特殊要求，如需要设3台发电机组，正常使用1台发电机组，1台长期备车，还有1台备用，即1用2备，这种实船确实也有。但我认为，作为设计者需提示船东，“该要求是高于规范要求”，然后，再按船东的最终指示执行。除此外，我认为，设计者确实不应该增加船东的成本，无原则或无依据的按高于规范的要求，进行设计。

船舶规范的单点故障假设原则，其实在其他细节的规定也可以窥见一二，如LNG系统的双套管，若采用双套管设计建造，一般可以认为，双套管外不是危险区域，即船舶规范一般仅做单点故障假设，如假设一层管可能出现问题，并有相应后续的安全保护措施，但并不假设两层管同时出问题。

2）不同的规范存在差异-存在仅设有一台发电机组的航行船。

如《内河船舶建造规范（）》第3篇第3章第1节第3.1.2.2条要求

“3.1.2.2船舶在下列情况之一时，可只设1台与主机独立的发电机组：

(1)由发电机组外的其他动力源或推进主机带动一套下列设备：舵机油泵、为主机服务的各种辅机、消防泵、舱底泵，且船舶安全所必需的用电设备如航行信号设备、通信和报警设备及照明等能由蓄电池供电时；

(2)当设置的主机轴带发电机符合本章3.2.3.1及3.2.3.2的规定时。”

当按3.1.2.2（2）规定：

设有主机带的舵机油泵、为主机服务的各种辅机、消防泵、舱底泵

同时设有蓄电池组，可对船舶安全所必需的用电设备如航行信号设备、通信和报警设备及照明等供电

此时，可以仅设有一台主发电机组！

提示1：该蓄电池组是主电源，供电时间至少满足4小时。

《内河船舶建造规范（）》第3篇第3章第1节第3.1.2.4条要求

“3.1.2.4对于本节3.1.2.2（1）、3.1.2.3所述每组蓄电池组的容量应能在整个航程相适应的时间内，足以对维持船舶安全所必需的用电设备供电，至少能维持其用电设备4h的供电。”

提示2：全船的舱室照明，需另设有低压主照明灯点，且因不是应急照明，照明分路的灯点，在各自舱室内，需设有照明开关，方便使用。该类船实际运营时，可以不开发电机组，而采用蓄电池组供电，降低了机舱和船员舱室的噪声，提高了船员生活舒适性。

提示3：该种设计，从规范角度理解，即使出现唯一的一台发电机组故障，但该船还是可以正常航行，并确保全船人员正常生活办公、船舶自身安全及船舶设备安全。

3）电气设计人员需要理解轮机和船体

我建议，电气设计人员，也应对轮机、设备、船体等专业有了解，才能更好的配合，及完成电气设计工作。还有一些电气专业的设计，可能在规范中的轮机篇有要求，需仔细核实。

电气设计时，建议联系相关专业，以便核实确认用电设备的供电和控制接口等需求，和落实相关的功能设计。

提示：轮机专业的《船舶设计手册》中第2篇第2.2章第2.2.2.1条（5）要求，“任何工况的柴油发电机组负荷率最好在80%-90%之间，尤其是长期运行工况。”

我个人的理解：

发电机组，从单独看，就好比一个独立的小型生态系统，需要包括“燃油系统”、“滑油系统”、“冷却水系统”、“起动空气系统”、“控制系统”、“通风系统”等各个组成部分。这就像人体需要“消化系统”、“循环系统”、“呼吸系统”、“内分泌系统”等各个系统相互协作一样。在一个复杂的系统中，要确保它能够高效、可靠地运行，每个子系统都必须保持完美状态。任何一个系统的故障，甚至是任何一个零部件的问题，都可能引发一系列不可预料的联锁反应。

假如发电机组“燃油系统”正常，但如果其他系统出现问题，是没有办法正常运行的。就好比一个人只吃饭，却无法呼吸，或调节体温，甚至膝盖僵硬，却让他强行跑马拉松，显然会出问题。

发电机组基于内燃机原理，它的工作需要燃烧过程，这不仅需要燃料和燃点温度，还需要氧气（空气）。这可以类比，人长跑时，当需要大量体能时，会大口呼气，以便得到更多氧气供应。这正是涡轮增压技术的主要原理：通过增加氧气供应，来提高性能。

因此，确保一个发电机组正常运行，或者确保一艘船能够安全航行，背后需要许许多多系统的协调工作，需要许许多多人在背后的默默奉献。这正是复杂工程背后的壮丽画面，各个组成部分相互配合，确保整体顺畅运行，就像大自然的生态系统一样，一切都相互依存，形成了和谐共存关系。