110TEU集装箱船电气设计.docx

摘 要该船为航行于重庆上海航线的集装箱船。本船电气部分的设计系根据设计任务书，在满足于相应航段运行要求的前提下，以安全、可靠、经济性好为目标，按照CCS钢质内河船舶入级于建造规范（2002）及其修改通报、CMAS内河船舶法定检验技术规则（2004）及其修改通报进行设计的。该船电力系统是从所学基本理论知识出发，按照并参考工程实际应用的技术参数，首先根据三类负荷法制出电力负荷计算书并确定发电机容量和数量，再根据电力负荷所在位置绘出电力一次系统图，最后根据电气设备电流计算表确定电缆，确定电气设备、编制明细，编制电气设计说明书。达到了安全、可靠、经济性好的设计目标，以期对船舶设计工作有所帮助。关键词：集装箱船，电气设计ABSTRACTKEY WORDS：container ships；electrical design目 录前 言- 1 -第一章 概述- 3 -1.1船舶电力系统组成- 3 -1.2 船舶电气系统的发展状况及特点- 3 -1.2.1 船舶电气系统的发展状况- 3 -1.2.2船舶电力系统的特点- 4 -1.3 集装箱船电气系统的设计要求- 4 -1.4 集装箱船电气系统设计基本内容及数据- 5 -1.4.1设计内容- 5 -1.4.2集装箱船主要用电设备数据- 5 -第二章 电力系统设备计算书- 8 -2.1电站容量与发电机数量的确定- 8 -2.1.1电站容量与发电机组数的确定- 8 -2.1.2确定发电机型号及数量- 25 -2.2电力系统图- 25 -2.3电缆选用- 28 -2.3.1概述- 28 -2.3.2用电设备负荷计算- 28 -2.3.3电缆的选用- 32 -2.4电气设备明细表- 33 -第三章 电气系统说明书- 42 -3.1概述- 42 -3.2电源设备- 42 -3.2.1主发电机及备用发电机- 42 -3.2.2应急电源- 44 -3.3变压器- 44 -3.4配电设备- 45 -3.4.1概述- 45 -3.4.2 主配电板- 46 -3.4.3 应急配电板- 47 -3.4.4岸电箱- 47 -3.4.5分电箱- 47 -3.4.6生活设备分电箱- 47 -3.4.7电工试验板- 47 -3.4.9驾驶室集中控制板- 48 -3.4.10机舱集中报警台及主机遥控系统- 48 -3.4.11无线电设备分电单元与无线电设备充放电单元- 48 -3.5电动机及控制设备- 49 -3.5.1概述- 49 -3.5.2电动机- 49 -3.5.3电动机启动控制设备- 49 -3.5.4甲板机械- 49 -3.5.5通风设备- 49 -3.5.6紧急切断- 50 -3.6电缆安装- 50 -3.7照明系统- 50 -3.7.1照明设备- 51 -3.7.2航行灯与信号灯- 52 -3.8通信和报警系统- 53 -3.8.1声力电话- 53 -3.8.2车钟- 53 -3.8.3主机传令钟系统- 53 -3.8.4轮机员呼叫器- 53 -3.8.5对讲机- 53 -3.8.6公共广播系统- 53 -3.8.7通用报警- 54 -3.8.8汽笛- 54 -3.9导航系统- 54 -3.9.1磁罗经- 54 -3.9.2测深仪- 54 -3.9.3雷达- 54 -3.9.4舵角指示器- 55 -3.10无线电通讯系统- 55 -3.10.1无线电话- 55 -3.10.2单边带电台- 55 -3.11生活设备- 55 -3.12电气设备备件及维修工具- 55 -论文小结- 56 -致 谢- 57 -参考文献- 58 -附录- 59 -前 言随着科学和工程技术的发展，舶舶自动化的程度在不断提高。由最初船上仅有的照明系统到后来出现了电动舵机拖动系统等较简单的电气系统，再到后来的交流电力系统。之后船舶交流化以及最近微电子技术和计算机技术的迅速发展，又使船舶朝着高度自动化的方向发展。随着电力、电子、控制技术、通讯及信息技术等的不断发展及其在船舶上的广泛应用，船舶电气自动化程度将会大大地提高。机电一体化使学科界限互相交叉渗透，电力与电子、强电与弱电更难分难解。目前，计算机监控系统正在经历着从集中型计算机监控系统、分散型微机监控系统到集散型(分布式)多级、多微机监控系统，又到网络型(智能式)计算机监控系统。如今，一艘现代化船舶的电力系统，包括大功率的船舶发电站及配电网络，各种类型的电力拖动装置及各种照明光源和照明器之类的照明系统等，及它们复杂程度不同的控制系统，构成了一个独立完整的电力系统。今后，船舶电气系统将朝着系统监控的综合化和系统的网络化的趋势发展。而其中电缆作为电气系统传输信息和能量的关键，对船舶的正常航行和生命安全有着重大影响，其安全可靠性也要求愈来愈高，这将不断提高世界各国对船用电缆的阻燃防火性能和安全等方面的研究。进入新世纪，随着高新技术的发展，电缆制造正朝着新工艺和新材料应用的方向发展。现代的船舶电气设备与系统对于船舶好比人的器官与神经系统对于人，对船舶运行的安全性、可靠性、经济性有着重大影响！船舶的设计和建造水平决定其性能的好坏和质量的优劣，而设计又起着关键性的作用。而发电机组就是船舶的“心脏”，电力网如同船舶的“血管”，电流则是 “血液”，因此电站运行的可靠性、经济性对船舶的安全航行及经济运行具有相当重要的意义。而船舶电气设计中，船舶电力系统负荷估算及船舶电站选用、电力系统的布置及电气设备的选用就显得非常重要，电力系统装置设备估算欠佳严重影响船舶电气系统的可靠性，经济性。因此，根据经验公式估算船舶电力负荷以及其计算的方法对今后船舶的电气设计的发展具有重要指导意义。该船为航行于重庆上海航线的集装箱船。本船电气部分的设计系根据设计任务书，在满足于相应航段运行要求的前提下，以安全、可靠、经济性为目标，运用所有资源，按照CCS钢质内河船舶入级于建造规范（2002）及其修改通报、CMAS内河船舶法定检验技术规则（2004）及其修改通报进行设计的。依据设计任务书，按照船舶总体设计的意图，遵循相应规范和标准，拟定电力系统的功能要求，选择电力系统方案和进行电力设备的选型。本船的机舱自动化系统按照CCS规范中有关在驾驶室遥控、在机旁有人值班，就地操纵的要求原则进行配备。选用的一些重要电气系统和设备，具备CCS签发的船用产品证书，并且所有电气设备按规范的要求，配备了相应的备品备件。导航设备、无线电通信设备按内河船舶法定检验技术规则的要求配备。该船电力系统是从所学基本理论知识出发，按照并参考工程实际应用的技术参数，首先根据三类负荷法制出电力负荷计算书并确定发电机容量和数量，再根据电力负荷所在位置绘出电力一次系统图，最后根据电力负荷计算选择电缆，确定电气设备、编制明细表，编制电气设计说明书。完成了从发电机容量和数量的确定到电网一次系统图的绘制、电缆的选取等设计内容，以期对船舶设计工作有所帮助。第一章 概述1.1 船舶电力系统组成船舶电力系统主要由电源、配电装置、电力网和负载四部分组成。1) 电源：电源是将其它形式的能量转换为电能的装置，通常船舶电源主要是发电机组和蓄电池组。2) 配电装置：它是接受和分配电能的装置，并对电源、电力网和负载进行保护、监视、测量和控制的装置。3) 船舶电力网：它是船舶输电电缆和电线的总称，作为中间环节连接电源盒负载，以实现能量的传递和信息的处理。4) 负载：即用电设备，它是将电能转化成其它形式能量的装置。船舶负载大体分为以下几类：a) 各类船舶机械的电力拖动设备，包括甲板机械、舱室机械等；b) 船舶电气照明设备；c) 船舶通信导航设备；d) 其它设备。1.2 船舶电气系统的发展状况及特点1.2.1 船舶电气系统的发展状况随着科学和工程技术的发展，舶舶电气化、自动化的程度在不断提高。由最初船上仅有的照明系统到后来出现了电动舵机拖动系统等较简单的电气系统，再到后来的交流电力系统。之后船舶交流化以及最近微电子技术和计算机技术的迅速发展，又使船舶朝着高度自动化的方向发展。如今，一艘现代化船舶的电力系统，包括大功率的船舶发电站及配电网络，各种类型的电力拖动装置及其复杂程度不同的控制系统，各种照明光源和照明器之类的照明系统等，它们构成了一个独立完整的电力系统。今后船电技术将沿以下几个方向进行发展：1) 高度自动化：在现有船电自动化的基础上，采用微电子技术，进一步发展“无人机舱”、“电站自动化”、“装卸自动化”和卫星导航等。2) 系统监控的综合化：电气设备日趋通用化、模块化、系列化，可以做到组态灵活化。单机单控的系统必将逐步向综合监控的系统的方向发展。3) 节能化：如轴带发电机系统的采用、电动机调速系统及功率因数自动补偿系统的综合利用等；开发新的动力和能源，如超导电力推进、超导磁流体推进和燃料电池的研究与应用；达到绿色要求。4) 系统的网络化：数字化技术和总线技术应用已经相当成熟，大力发展电子技术并在船上推广应用，开展机电一体化产品的研究，达到系统的网络化。5) 电气设备的系列化、高性能化：由船舶环境比较严酷的现状，电气设备朝着可靠性更高的方向发展，包括电气设备的可靠性、维修保养与可靠性的关系、使用与可靠性的关系等；随着船舶吨位的不断增大，用电量也相应增加，如今船舶有采用中压电制的趋势，而船用中压发电机、电器、电缆等电气设备就要能满足中压的要求；船用电气设备应在满足国际标淮和规范要求的基础上，达到系列化和多品种，以适应新一代舰艇和出口船，远洋船，沿海、内河、渔业船舶及特殊工程船和石油钻井平台等配套需要。1.2.2船舶电力系统的特点1) 电网的频率和电压有较大波动由于船舶电力系统是一个独立的电力系统，船舶电站容量较小。发电机的转速和电压的变化直接影响电网的频率和电压，此外，某些大电动机容量与电站容量可相比拟，负载的投入和切除也会引起电网的频率和电压较大波动。因此，要求船舶发电机组要有较高品质的调速和调压装置，电力系统应合理的配置安全可靠的保护装置。2) 输电线路短，阻抗低，各处短路电流大船舶电站的发电设备与用电设备之间的距离很短，线路阻抗低，因此在计算电网压降时，往往可以忽略电缆的电抗，但各处短路电流大，因此要有一定保护措施。3) 船舶电气设备要满足船用环境技术条件船舶对电气设备而言是一个工作环境恶劣的场所，因此要求船舶电气设备符合船用条件。要能在湿热、盐雾、霉菌、油气的环境中和在规定的船舶倾斜、摇摆、振动或冲击等条件下可靠的工作。1.3 集装箱船电气系统的设计要求电站容量应满足船舶在各种运行工况下的用电量，并有适当的余量，以保证连续可靠的用电：1) 富裕功率不能太大，以保证其经济性，因此单机容量以确定最高负荷为80%来确定为宜；2) 船舶电站必需有备用机组，其容量能满足船舶各运行工况的用电需求；3) 确定单机容量和数量时，要考虑各机组的使用寿命与主机寿命相当；4) 电网应安全性好，可靠性高，便于维修管理等；5) 所有用电设备必须满足船上工作环境条件；6) 满足造船和验船的规范；7) 设计必需保证图样清晰，完整，正确，统一。1.4 集装箱船电气系统设计基本内容及数据1.4.1设计内容1) 根据轮机设备明细表及全船用电情况按航行、停泊、靠离、消防状态制出电力负荷计算书，确定发电机容量；2) 根据电力负荷所在位置绘出电力系统图；3) 根据电力负荷计算选择电缆；4) 确定电气设备、编制明细表；5) 编制电气设计说明书。1.4.2集装箱船主要用电设备数据表1.1 主要用电设备数据序号用电设备电动机参数序号数量型号额定功率kw额定电流A额定转速r/min额定效率%功率因数cos一、甲板机械1电动起锚系缆绞盘2JZ2-H-52-4/8/1622/22/1645/50/ 701400/665/30081/82/610.94/0.85/0.562电动系缆绞盘1JZ2-H-41-4/8/1611/11/7.524/25.2/33.21440/675/30080/78/610.95/0.83/0.543100N.m电液阀控液压舵机2Y160M-4H1122.6144088.50.834起艇机1Y180M-4H7.512.41450870.85二、动力设备1主机滑油泵组1Y90L-4-H1.53.71400790.82齿轮箱滑油备用泵组1Y132M-4-H7.515.41440870.853轻柴油输送泵组1Y90L-4-H1.53.71400790.84重油驳运泵组1Y100L1-4-H2.251420820.825备用燃油驳运泵组1Y100L1-4-H2.251420820.826移动式污油泵组1Y90L-4-H1.53.71400790.87淡水泵组1Y100-2-H36.42900840.878淡水备用泵组1Y100-2-H36.42900840.879净水器水泵组11.12.62900780.8710舱底总用泵组1Y160M1-2-H1121.8295087.50.8911消防泵组1Y180M-2-H1529.12950880.8912总用泵组1Y180M-2-H1529.12950880.8913潜水泵组1Y100L1-4-H2.24.62900840.8714空压机2Y132S-4-H5.511.6100015机舱通风机3Y100L1-4-H2.2292016艏泵舱通风机11.1292017舵机舱抽风机1Y80L1-2-H0.75292018电动砂轮机10.75280019燃油供油单元1520燃油分离机2Y100L-2-H421机舱油污水分离器12.622生活污水处理装置1Y100L1-4-H2.223燃油废气组合锅炉水泵22.224燃油废气组合锅炉油泵10.37三、照明及其它1航行灯 信号灯16.252探照灯63通信设备24助航设备25强光灯26室外照明3.087机舱照明3.58舱室照明14.59生活用电、照明910电冰箱1111电冰柜10.5四、船员空调1驾驶室柜式空调机14.72餐厅挂壁空调机12.73机舱值班室挂壁空调机11.054船员间挂壁式空调器120.79第二章 电力系统设备计算书2.1电站容量与发电机数量的确定2.1.1电站容量与发电机组数的确定船舶电站容量和发电机组数量是根据满足船舶用电的要求，并保证船舶的安全性和经济性而确定的。电站发电机组数量的现选择和单机容量的确定即与电站容量有关，也与各工况的用电量大小和相对周期的长短有关。本船是采用三类负荷法来计算电站容量的。1) 按负荷使用特点把负荷分成三类：第类负荷在某一运行状态下连续使用的负荷。第类负荷在某一运行状态下短时或重复短时使用的负荷。第类负荷在某一运行状态下偶尔短时使用的负荷。在电力负荷计算中一般不考虑第类负荷。2) 系数计算a) 电动机利用系数K1：由于系列产品中电动机的输出额定功率不一定恰好和机械轴上所需要的额定功率相符，有时为了保证启动力矩和短时发出最大力矩，电动机的额定功率往往选的较大，因此电动机未能充分利用，而它长期需要电网供给的最大功率也小于额定功率。这一点可用电动机利用系数K1来反映。 即K1=； (2.1)式中 Pmax每一机械的最大轴功率； Pn电动机的额定功率Pn。b) 机械负荷系数K2：在某一运行状态时 ，机械并一定满负荷，可用机械负荷系数K2来反映它的影响。即K2=； (2.2)式中 P2每一机械实际使用轴功率； Pmax电动机的最大轴功率Pn。c) 电动机的负荷系数K3：每一机械实际使用功率P2与电动机的额定功率Pn 之比， 即K3=； (2.3)d) 同时使用系数K0：在某一运行状态下，同类机械不一定都同时使用，因此我们用一组同功率的用电设备的同时使用系数K0来计及它的影响。即 K0=； (2.4)式中 n该组同时工作的用电设备数目； m该组用电设备的总数。e) 总同时使用系数：K0和K0：船舶在某运行状态下，不可能所有用电设备在该状态下自始至终地工作着，某状态总同时使用系数定义为该类负荷同时使用的总功率与该类负荷总功率之比。一般情况下，第、类负荷总同时使用系数的取值范围为K0=0.81.0K0=0.31.0本船参照经验数据，K0取0.8,K0取0.4。3) 所需功率的计算：在确定一台电动机需要电网供给的所需功率时，需要考虑到电动机的效率，在额定工作状态下，一台电动机需要电网供给的额定功率为P1=； (2.5)式中 电动机的额定效率。由以上各系数，有P1= = (2.6)对于照明及弱电设备来说，P1就是其装置功率。将每一工况下所有第类和第类用电设备所需电功率P1分别求和，并分别乘以它们的同时性系数K0和K0，然后两类负荷相加，再考虑5%的网络损耗率，则每一工况下总的用电功率为：P=1.05(K0+ K0)； (2.7)用上式计算的各运行工况的总功率P中，最大的P值用来确定电站容量。根据这个最大的功率P和前述选择发电机的原则，选择每一台发电机的容量和发电机的台数。本船采用交流发电机组，因船舶在航行等主要运行工况下，总的功率因数不低于0.7，取发电机的额定功率因数(滞后)，此时对电站发电机功率的选择影响不大，为简化计算，就不再不计算无功功率。以下为四种主要工况的电力负荷计算书：表2.1 航行状态电力负荷计算书序号 用电设备电动机参数总需功率kw电动机利用系数k1航行状态序号数量型号额定功率kw额定效率%所需功率kw机械负荷系数k2电动机负荷系数k3同时使用系数k0实用功率kw负荷类别、一、甲板机械1电动起锚系缆绞盘2JZ2-H-52-4/8/1622/22/1681/82/6127.1054.200.912电动系缆绞盘1JZ2-H-41-4/8/1611/11/7.580/78/6114.1014.1013100N.m电液阀控液压舵机2Y160M-4H1188.512.4324.8610.60.60.57.464起艇机1Y180M-4H7.5878.628.621二、动力设备1主机滑油泵组1Y90L-4-H1.5791.901.9010.80.811.522齿轮箱滑油备用泵组1Y132M-4-H7.5878.628.6210.80.816.903轻柴油输送泵组1Y90L-4-H1.5791.901.9010.80.811.524重油驳运泵组1Y100L1-4-H2.2822.682.6810.80.812.145备用燃油驳运泵组1Y100L1-4-H2.2822.682.6810.80.812.146移动式污油泵组1Y90L-4-H1.5791.901.9010.80.811.527淡水泵组1Y100-2-H3843.573.5710.80.812.868淡水备用泵组1Y100-2-H3843.573.5710.90.9+13.219净水器水泵组11.1781.411.4110.80.811.1310舱底总用泵组1Y160M1-2-H1187.512.5712.5710.90.7619.5511消防泵组1Y180M-2-H158817.0517.050.8112总用泵组1Y180M-2-H158817.0517.050.840.90.76112.9613潜水泵组1Y100L1-4-H2.2842.622.6210.80.812.1014空压机2Y132S-4-H5.55.5110.930.90.840.54.6215机舱通风机3Y100L1-4-H2.22.26.60.720.90.6514.2916艏泵舱通风机11.11.11.10.750.90.6810.7517舵机舱抽风机1Y80L1-2-H0.750.750.750.710.90.6410.4818电动砂轮机10.750.750.7510.80.810.619燃油供油单元155510.80.81420燃油分离机2Y100L-2-H44810.80.80.53.221机舱油污水分离器12.62.62.610.80.812.0822生活污水处理装置1Y100L1-4-H2.22.22.210.80.811.7623燃油废气组合锅炉水泵22.22.24.40.950.860.8613.7824燃油废气组合锅炉油泵10.370.370.370.900.680.6810.25三、照明及其它1航行灯 信号灯16.2516.2516.252探照灯6663通信设备2224助航设备2225强光灯2226室外照明3.083.083.087机舱照明3.53.53.58舱室照明14.514.514.50.710.159生活用电、照明9990.87.210电冰箱1111111电冰柜10.50.50.50.5四、船员空调114.74.74.714.72餐厅挂壁空调机12.72.72.72.73机舱值班室挂壁空调机11.051.051.0511.054船员间挂壁式空调器120.790.799.4819.48发电机容量的确定第类负荷总功率69.23第类负荷总功率54.8第类负荷总功率第类负荷考虑同时工作系数后总功率55.38第类负荷考虑同时工作系数后总功率21.93第、类负荷考虑同时工作系数后总功率77.32考虑网络损失5%时所需总功率81.18实用发电机容量及台数2*50电站负荷百分比82备用发电机容量及台数1*50表2.2 靠离码头状态电力负荷计算书序号 用电设备电动机参数总需功 率kw电动机利用系数k1靠离码头状态序号数量型号额定功率kw额定效率%所需功率kw机械负荷系数k2电动机负荷系数k3同时使用系数k0实用功率kw负荷类别、一、甲板机械1电动起锚系缆绞盘2JZ2-H-52-4/8/1622/22/1681/82/6127.1054.200.910.60.550.514.92电动系缆绞盘1JZ2-H-41-4/8/1611/11/7.580/78/6114.1014.1010.60.6116.93100N.m电液阀控液压舵机2Y160M-4H1188.512.4324.8610.60.60.57.464起艇机1Y180M-4H7.5878.628.621二、动力设备1主机滑油泵组1Y90L-4-H1.5791.901.9010.80.811.522齿轮箱滑油备用泵组1Y132M-4-H7.5878.628.6210.80.816.903轻柴油输送泵组1Y90L-4-H1.5791.901.9010.80.811.524重油驳运泵组1Y100L1-4-H2.2822.682.6810.80.812.145备用燃油驳运泵组1Y100L1-4-H2.2822.682.6810.80.812.146移动式污油泵组1Y90L-4-H1.5791.901.9010.80.811.527淡水泵组1Y100-2-H3843.573.5710.80.812.868淡水备用泵组1Y100-2-H3843.573.5710.90.913.219净水器水泵组11.1781.411.4110.80.811.1310舱底总用泵组1Y160M1-2-H1187.512.5712.5710.90.7619.5511消防泵组1Y180M-2-H158817.0517.050.81112总用泵组1Y180M-2-H158817.0517.050.840.90.76112.9613潜水泵组1Y100L1-4-H2.2842.622.6210.80.812.1014空压机2Y132S-4-H5.55.5110.930.80.80.54.0715机舱通风机3Y100L1-4-H2.22.26.60.720.90.6514.2916艏泵舱通风机11.11.11.10.750.90.6810.7517舵机舱抽风机1Y80L1-2-H0.750.750.750.710.90.6410.4818电动砂轮机10.750.750.7510.80.810.619燃油供油单元155510.80.81420燃油分离机2Y100L-2-H44810.80.80.53.221机舱油污水分离器12.62.62.610.80.812.0822生活污水处理装置1Y100L1-4-H2.22.22.210.80.811.7623燃油废气组合锅炉水泵22.22.24.40.950.90.860.51.8924燃油废气组合锅炉油泵10.370.370.370.900.90.8110.30三、照明及其它1航行灯 信号灯16.2516.2516.252探照灯6663通信设备2224助航设备2225强光灯2226室外照明3.083.083.087机舱照明3.53.53.58舱室照明14.514.514.50.88.79生活用电、照明9990.82.710电冰箱1111111电冰柜10.50.50.50.5四、船员空调114.74.74.74.72餐厅挂壁空调机12.72.72.72.73机舱值班室挂壁空调机11.051.051.0511.054船员间挂壁式空调器120.790.799.4819.48发电机容量的确定第类负荷总功率66.63第类负荷总功率56.39第类负荷总功率第类负荷考虑同时工作系数后总功率53.30第类负荷考虑同时工作系数后总功率22.56第、类负荷考虑同时工作系数后总功率75.86考虑网络损失5%时所需总功率79.66实用发电机容量及台数2*50电站负荷百分比80