小型拖轮电力负荷计算方法分析与优化

蔡俊

（常德达门船舶有限公司，湖南 常德 415000）

0 引言

近年来，科学技术的进步推动了船舶工业制造水平的稳步提高。船舶电力负荷种类呈现多样化的趋势，不断向高度自动化和智能化方向发展。与此同时，国际公约和船级社对船舶绿色节能和防污能力的要求也日趋严格，合理的电力负荷计算和容量确定显得至关重要。电力负荷计算主要是采用合适的计算方法，根据船舶负载的种类、使用工况和耗能量对发电机容量的核算与船舶电能的合理分配进行检验。电力负荷计算在船舶设计中一直是一项比较因难的设计任务，船舶的使用工况和设备实际功耗受多种因素影响，难以精确定量计算。目前，船舶电力负荷计算方法主要是需要系数法和三类负载法。本文在需要系数法的基础上对负荷计算方法进行优化，经大量实验结果表明，该计算方法更加科学，计算结果更加合理。

1 某小型拖轮主要配置介绍

小型拖轮是一种内河工种船，主要是拖带各种工作船及特种船舶。它的船体较小、结构牢固、动力强劲、操纵性能好，广泛应用于各种拖带作业。

该拖轮配置2台柴油机为主机和1台以柴油机驱动的发电机，是轴带式螺旋桨工作船，配备的三相交流发电机额定电压为400 V，额定功率为15.7 kW，额定电流为28.9 A。发电机允许的最大尖峰功率为17.3 kW，即为发电机额定功率的110%。

拖轮主要用电设备如负荷计算如表1所示，额定功率在1 kW以下的负载没有列入其中。本文探讨的工程船舶小型拖轮中负载类型主要为阻性负载和感性负载。阻性负载的无功功率为零，可直接用所需的有功功率表明其额定功率。

中低压电力系统中的感性负载主要是异步电动机。由表1可知，额定功率达到3 kW的电动机主要是总用泵、机舱风机、锚机和液压冷却水泵。

表1 负荷计算表

1.1 总用泵

总用泵是船舶日常通用用途泵，可以兼做舱底水泵、甲板冲洗泵，也可作为消防泵的备用泵，有的还兼作冷却海水泵。该小型拖轮总用泵为三相交流单速异步电动机，额定功率为3 kW。总用泵主电路由马达保护器、电动机软启动器和控制继电器等组成。马达保护器能给电动机提供可靠的短路、过载和缺相等保护，保护电流根据电动机的实际参数确定。总用泵的启动与停止控制由控制继电器及其它主令电器完成。电动机启动类型为电压缓升起动，平稳负载工作制方式工作，总用泵启动时间为1～5 s可调。

1.2 机舱风机

机舱风机为三相交流双速异步电动机，额定功率为3 kW。机舱风机主电路由空气断路器和低压通用变频器等组成，空气断路器给风机提供可靠的短路过载保护。风机启动类型为变频起动，调速方式为变频调速，按照平稳负载工作制方式工作，启动方式和时间由变频器设置的参数控制。

1.3 锚机

起锚机械是任何船舶都必须配备的重要甲板机械，主要用做舶舶安全停泊于水面、系泊于码头或浮筒。该小型拖轮配备的锚机为三相交流单速异步电动机，额定功率为3 kW，采用主令开关直接控制方式，这种控制方式广泛应用于内河船舶小型的起锚绞盘。锚机主电路中的主令开关主触点控制锚机启动和换向。过载保护继电器对电动机及相关电路提供过载失压保护，短期工作制方式工作，锚机启动类型为直接启动方式。

1.4 液压冷却水泵

液压冷却水泵是船舶液压系统的主要水冷散热装置。液压冷却水泵为三相交流单速异步电动机，额定功率为3 kW。液压冷却水泵由马达保护器提供电路保护，主触点控制冷却水泵的启动与停止，平稳负载工作制方式工作。液压冷却水泵启动类型为直接起动。

2 计算方法

交流发电机在转速为额定转速、电压接近额定值的状态下，突加60%额定电流及功率因数不超过0.4的对称负载时，当电压跌落时，其瞬态电压值应不低于额定电压的85%，电压恢复至与最后稳定值相差3%以内所需的时间不应大于1.5 s,以负载表1中最大阻性负载设备窗户玻璃加热器为例说明，其额定功率为3.5 kW，电流值远小于交流发电机额定电流的60%。在发电机正常工作的情况下，船舶阻性负载接入电网时对发电机的冲击和影响较小。

电动机为非线性和大功率负载，接通和关断所引起的瞬态响应和谐波都会对电网质量造成很大的影响，如电网电压畸变等。反过来电压的波动对电动机及其它电气设备的运行亦有重要影响，电压偏离额定值，使得设备总的功率损失增加，使设备温度升高，从而使设备绝缘老化加速。

在传统的发电机容量计算方法中，在柴油机连续运行条件下应使其额定输出功率有10%左右的余量，或者保持每台发电机组的功率余量达到相应的单台发电机额定输出功率的20%。在设备需求与参数确定后，所选用电动机的功率基本确定。在船舶实际作业过程中，并不是所有设备都是同时工作，许多设备都是按照逻辑控制顺序运行。因此，船舶所需的电能总量总是要小于设备总容量。负荷计算时并不采用电动机的额定功率进行定量计算。

2.1 需要系数的计算

本文所探讨的计算方法是在需要系数法基础上计算负载实际功率。列出船舶主要用电设备并记录额定功率，额定功率乘以需要系数可计算出设备的需要功率：

式中：设备的额定输入功率，对于异步电动机是其额定输入功率；对照明和弱电设备则可采用安装的总功率；负载随时间上下波动时，取其平均功率。

2.2 同时系数的选取

设备计算功率是由各设备的种类及其使用方法决定的，不同的使用工况和环境会对同时系数产生重要影响。

在进行船舶电力负荷计算时，除了船舶运行工况，还需要考虑季节的影响。加热设备及辅助加热设备由于在不同的环境温度下选取的同时系数不同，对在低温环境下运行的船舶负荷会造成影响，如空调、驾驶室玻璃加热器等。以下介绍部分设备同时系数的选择。

1）通风设备。在小型拖轮上通风设备主要以各类风机为主，通风设备工作的时段和时间由通风需求决定，长短不固定，环境温度高时使用时间也相对较长。因此在选取同时系数时需要考虑不同季节的影响，在夏季选取的同时系数是1.0，而冬季选取的同时系数是0.3。

2）空调设备。空调夏天制冷、冬天制热，从功率上来说，制热比制冷功率大。从船舶作业工况来说，夏季作业量大，故冬季同时系数选取为0.9，夏季选取1.0即可。

3）驾驶室窗户玻璃除雾设备。夏季几乎不使用，冬季同时系数选取为0.6即可。

2.3 功率计算

以小型拖轮来分析电力负荷的计算，计算所需要的总功率。

P=K1×K2×Pi。

式中：P为计算功率；K1为需要系数；K2为同时系数；Pi为额定功率。

海洋工程船舶中低压电力系统中，使用最多的电气设备是异步电动机。当异步电动机起动时，其起动功率因数较低，将产生很大的起动电流。阻性负载接入时对发电机及电网的影响相对较小，一般不选择阻性负载作为最大功率计算设备，而是选定锚机作为计算对象，大功率电动机本身的功率相对于一般设备功率较大，其次电动机启动电流大，对电网有较大冲击和影响，有计算意义。

异步电动机启动时经历起动冲击阶段、平稳加速阶段、加速终止阶段等3个阶段的状态变化，最终稳态工作。由于启动开始时刻合闸相位角的不同，可能会在启动电流之上叠加不同大小的直轴瞬态分量，最后形成比启动电流更大的电流。

以小型拖轮为例，夏季电气网络单相功率总和为7.22 kW。与三相功率相加后计算出负荷总量为10.34 kW。冬季电气网络单相功率总和为9.46 kW。与三相功率相加后计算出负荷总量为10.9 kW。不同季节同时系数不同，设备的总计算功率也不同，冬季总功率比夏季总功率略大，以总功率值更大的冬季功率值为计算数据，夏季功率值为参考依据。

发电机的平均负荷系数为10.9÷15.7×100%=69%。考虑5%线损，发电机输出功率余量约为26%。

锚机作为单个最大功率设备，功率与总功率的量化关系单独计算。

表1中锚机的计算功率设为Pa，则Pa=0.24 kW。冬季功率值设为Pw，则Pw=10.9 kW。电动机启动时的电流变化与电动机本身的性能和负载的性质有关，启动电流大于电动机正常运行时的工作电流，一般为额定电流的5.5～7.0倍左右。启动电流冗余计算值取额定电流的10倍进行计算。

计算相同功率和相同工作概率，而且运行间没有制约的非变动性负荷系统同时工作时的合成功率，服从二项分布的随机概率模型[2]。假定有n套相同类型的系统，其中任意m套系统工作的概率为

式中：p为系统的工作概率；q=1-p为不工作的概率。

求取n套系统的总合成功率可归结为计算二项分布随机变量的数学期望值，即

式中：PΣ为n套系统的合成功率；P1为每套系统的功率。

由上式可知，n台特殊装置电动机同时工作的合成功率等于额定总功率值乘以它们的工作概率。

基于上述概率模型的分析，计算出4套系统同时工作的合成功率为2倍，即10×2×Pa=4.8 kW。

最后求出船舶冬季负荷峰值功率为10.9-0.24+4.8=15.46 kW。同理，可求出夏季的负荷峰值功率为14.9 kW。冬季负荷峰值功率大于夏季负荷峰值功率，冬季的峰值负载小于发电机允许最大峰值负载。故船舶设备负荷与发电机容量匹配。

3 结论

按照传统方法计算的总峰值负荷值大于发电机提供的峰值功率，不利于发电机的性能稳定及电网的正常工作。

本文在需要系数法的基础上，结合异步电动机的启动对发电机及电网的影响，对船舶负荷计算方法进行了较详细的分析和计算优化。通过大量实船数据分析与验证，结果表明该方法可以为船舶设计阶段负荷计算提供理论计算基础。