文 勇

(上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司,上海 200011)

萬米級(jí)潛水器科考母船“張謇”號(hào)電氣設(shè)計(jì)

文 勇

(上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司,上海 200011)

簡(jiǎn)要介紹了上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司自主開發(fā)設(shè)計(jì)的萬米級(jí)潛水器科考母船“張謇”號(hào)電氣設(shè)計(jì)概況，主要敘述了該船電氣設(shè)計(jì)過程中對(duì)電源裝置、配電裝置、動(dòng)力定位系統(tǒng)、主干電纜走向、通信及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)研究。

科考母船；主配電板；動(dòng)力定位；主干電纜

0 引 言

黨的十八大報(bào)告提出，要提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)。海洋科考船作為人類調(diào)查研究和認(rèn)識(shí)海洋的基本工具，必將有更多方面的發(fā)展和需求，其廣闊的發(fā)展前景毋庸置疑[1]。海洋科考船按照其主尺度、續(xù)航力及調(diào)查能力一般可分為全球級(jí)、大洋級(jí)、區(qū)域級(jí)和近岸級(jí)[2]。

2016年7月12日，我國(guó)又一艘全球級(jí)海洋科考船“張謇”號(hào)開啟首航之旅，從上海臨港出發(fā)，奔赴“海上絲綢之路”南線，前往南太平洋巴布亞新幾內(nèi)亞附近海域?！皬堝馈碧?hào)由上海彩虹魚科考船科技服務(wù)有限公司投資、上海航盛船舶設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)、浙江天時(shí)造船有限公司建造。該船于2015年4月18日正式開建、2016年3月24日下水。該船具有裝備全、自動(dòng)化和信息化程度高、設(shè)計(jì)要求高、布局緊湊等特點(diǎn)，因此電氣設(shè)計(jì)具有一定的特殊性和復(fù)雜性。本文對(duì)“張謇”號(hào)的電氣設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要介紹，以期為將來類似船型設(shè)計(jì)提供參考。

1 船舶概況

“張謇號(hào)”是一艘鋼質(zhì)、無限航區(qū)航行的萬米級(jí)潛水器支持母船兼綜合海洋科學(xué)調(diào)查作業(yè)船，該船首次將萬米級(jí)載人潛水器母船、遠(yuǎn)洋科學(xué)綜合考察、深海工程作業(yè)支持三個(gè)功能有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)上極具創(chuàng)新性[3]。該船總長(zhǎng)97.55 m、型寬17.80 m、型深8.40 m、定員60人，續(xù)航能力12 000 n mile。該船設(shè)計(jì)圖紙經(jīng)中國(guó)船級(jí)社(CCS)批準(zhǔn)，取得如下船級(jí)符號(hào)：★CSA Research Ship, SPS, Ice Class B; ★CSM MCC, BRC, DP-1。

該船航拍照片如圖1所示；總體布置如圖2所示。

圖1 “張謇”號(hào)航拍照片F(xiàn)ig.1 Air photo of “ZHANGJIAN”

圖2 “張謇”號(hào)總體布置Fig. 2 General arrangement of “ZHANGJIAN”

2 電氣設(shè)計(jì)研究

2.1 電源裝置設(shè)計(jì)

“張謇”號(hào)作為一型綜合海洋科學(xué)調(diào)查作業(yè)船，運(yùn)行工況繁多，主要包括：全速航行工況、經(jīng)濟(jì)航行工況、漂泊試驗(yàn)工況、潛水器布放/回收作業(yè)工況、地質(zhì)柱狀取樣作業(yè)工況、走航測(cè)量工況、進(jìn)出港工況、停泊工況、應(yīng)急工況等，其中潛水器布放/回收作業(yè)工況和地質(zhì)柱狀取樣作業(yè)工況要求船舶具有一定的動(dòng)力定位(DP)能力。不同工況電力需求差異很大，在滿足規(guī)范要求基礎(chǔ)上，如何保證各工況下運(yùn)行發(fā)電機(jī)能有一個(gè)合適的負(fù)載率，同時(shí)兼顧系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性，是本船電氣設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。

該船電源裝置設(shè)計(jì)主要輸入條件如下。

(1) 為兼顧各工況下的航速需求，同時(shí)提高主推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，該船采用雙機(jī)單槳形式，大主機(jī)額定功率2 380 kW，小主機(jī)額定功率1 103 kW，2臺(tái)主機(jī)不同時(shí)運(yùn)行。

(2) 根據(jù)輪機(jī)、舾裝專業(yè)提供的設(shè)備明細(xì)表，初步核算主要運(yùn)行工況下的電力需求：航行工況約為560 kW，走航測(cè)量工況約為630 kW，停泊工況約為420 kW。

(3) 結(jié)合動(dòng)力定位能力分析、船舶機(jī)動(dòng)性要求及總體布置等情況，該船配置了兩臺(tái)560 kW的首側(cè)推及一臺(tái)680 kW的尾側(cè)推，動(dòng)力定位工況下三臺(tái)側(cè)推需同時(shí)使用。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，綜合考慮設(shè)備選型等因素，本船發(fā)電機(jī)配置方案如下。

(1) 主發(fā)電機(jī)(2臺(tái))：自勵(lì)、無刷、三相同步交流發(fā)電機(jī)，750 kW，400 V，50 Hz，1 000 r/min，cosφ=0.8，獨(dú)立柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。主發(fā)電機(jī)兼做停泊發(fā)電機(jī)。

(2) 軸帶發(fā)電機(jī)(1臺(tái))：自勵(lì)、無刷、三相同步交流發(fā)電機(jī)，1 600 kW，400 V，50 Hz，1 500 r/min，cosφ=0.8，大主機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)。

(3) 應(yīng)急發(fā)電機(jī)(1臺(tái))：自勵(lì)、無刷、三相同步交流發(fā)電機(jī)，120 kW，400 V，50 Hz，1 500 r/min，cosφ=0.8，獨(dú)立柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。

各工況下發(fā)電機(jī)使用情況如表1所示。

表1 各工況下發(fā)電機(jī)使用情況

2.2 配電裝置設(shè)計(jì)

該船配電裝置包括主配電板、應(yīng)急配電板、蓄電池充放電板、岸電箱、分電箱、組合起動(dòng)箱、電工試驗(yàn)板等。除主配電板外，其他配電裝置的設(shè)計(jì)相對(duì)比較常規(guī)，故本文僅就主配電板的設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要介紹。

由于軸帶發(fā)電機(jī)與柴油主發(fā)電機(jī)組不能長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，結(jié)合規(guī)范要求及主要負(fù)載運(yùn)行工況，將主配電板交流(AC)400 V匯流排分成3段。“張謇”號(hào)電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 “張謇”號(hào)電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig. 3 Power system diagram of “ZHANGJIAN”

該船主配電板設(shè)計(jì)主要思路及特點(diǎn)如下。

(1) 兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)能長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行, 并車方式采用自動(dòng)同步裝置自動(dòng)并車和手動(dòng)準(zhǔn)同步并車兩種方式。

(2) 主發(fā)電機(jī)可與軸帶發(fā)電機(jī)短時(shí)并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，以避免在發(fā)電機(jī)切換時(shí)出現(xiàn)全船短時(shí)失電的情況，保證船舶及人員安全。

(3) AC 400 V左匯流排與AC 400 V中匯流排之間通過隔離開關(guān)連接，兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)分別連接到這兩段匯流排，其他雙套設(shè)備(AC 380 V)均分地連接于這兩段匯流排，以滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(4) AC 400 V中匯流排與AC 400 V右匯流排之間通過帶電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的負(fù)荷開關(guān)連接，這兩段匯流排都有電時(shí)，之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)只允許同步合閘，即只有在同步表有輸出允許合閘信號(hào)的情況下才能合閘，以避免出現(xiàn)誤操作。

(5) 1號(hào)首側(cè)推由AC 400 V左匯流排供電，2號(hào)首側(cè)推及尾側(cè)推由AC 400 V右匯流排供電。綜合考慮設(shè)備可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素，首、尾側(cè)推均采用可調(diào)螺距螺旋槳，主電機(jī)采用自耦變壓器降壓起動(dòng)方式，以保證在兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電或軸帶發(fā)電機(jī)供電時(shí)的起動(dòng)性能。

(6) 動(dòng)力定位工況下采用分區(qū)供電形式，AC 400 V中匯流排與AC 400 V右匯流排之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行給AC 400 V左/中匯流排供電，軸帶發(fā)電機(jī)給AC 400 V右匯流排供電。

2.3 動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)船東設(shè)計(jì)任務(wù)書及相關(guān)設(shè)計(jì)輸入文件的要求，該船主要科考作業(yè)(潛水器布放/回收作業(yè)工況和地質(zhì)柱狀取樣作業(yè)工況)時(shí)船舶不需要工作在自動(dòng)定位模式(即自動(dòng)保持要求的位置和艏向)，可在滿足作業(yè)需要的前提下選擇自動(dòng)艏向模式(即繞某一設(shè)定點(diǎn)根據(jù)風(fēng)向適時(shí)自動(dòng)調(diào)整船舶艏向)、自動(dòng)區(qū)域定位模式(即在最小能耗條件下自動(dòng)將船舶保持在允許區(qū)域內(nèi)，并將艏向保持在允許的艏向范圍內(nèi))以實(shí)現(xiàn)較惡劣環(huán)境條件下的定位并降低能耗[3-4]。這也是該船主推進(jìn)系統(tǒng)能夠采用單槳形式的直接原因。該船另配置有兩臺(tái)560 kW的首側(cè)推及一臺(tái)680 kW的尾側(cè)推。根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)廠家提供的能力分析報(bào)告，基于上述動(dòng)力配置(動(dòng)力定位工況下使用額定功率2 380 kW的大主機(jī))的定位能力可滿足預(yù)定的科考作業(yè)需要。

該船動(dòng)力定位控制站設(shè)計(jì)主要思路及特點(diǎn)如下。

(1) 主控制站設(shè)在駕駛室，考慮到“在主控制站和備用控制站，均應(yīng)設(shè)有各個(gè)推進(jìn)器的單獨(dú)的手動(dòng)控制器”的要求[5]，經(jīng)與船級(jí)社確認(rèn)，可將整個(gè)駕駛室算作動(dòng)力定位主控制站。相關(guān)設(shè)備布置方案：在駕駛室后部右舷設(shè)有DP控制臺(tái)，臺(tái)內(nèi)布置有動(dòng)力定位工作站、固定式獨(dú)立操縱桿面板、獨(dú)立操縱桿處理單元、模式選擇開關(guān)、DGPS顯示單元及電源單元等；主推進(jìn)裝置及側(cè)推的控制面板設(shè)置在駕駛室前部駕控臺(tái)上。

(2) 分別在駕駛甲板兩翼和機(jī)庫(kù)頂部作業(yè)操控室設(shè)置便攜式獨(dú)立操縱桿接線盒，全船備有一套便攜式獨(dú)立操縱桿面板，可根據(jù)需要連接到對(duì)應(yīng)位置的獨(dú)立操縱桿接線盒，實(shí)現(xiàn)在進(jìn)出港或科考作業(yè)工況的便捷操控。

2.4 主干電纜走向設(shè)計(jì)

該船電站容量大、設(shè)備多、定員多、自動(dòng)化和信息化程度高、布局緊湊，有大量工作艙室及科考儀器設(shè)備，這些都使得主干電纜走向設(shè)計(jì)成為本船電氣設(shè)計(jì)的又一難點(diǎn)。

在方案設(shè)計(jì)階段，考慮到該船的上述特點(diǎn)，在主干電纜通道的設(shè)計(jì)方面做了比較充分的分析、論證和實(shí)船調(diào)研。該船主干電纜走向設(shè)計(jì)主要思路及特點(diǎn)如下。

在處理上下貫穿電纜方面，主要采取如下措施。

(1) 該船主要實(shí)驗(yàn)室及網(wǎng)絡(luò)中心位于主甲板FR78～FR106號(hào)肋位之間，對(duì)應(yīng)這段肋位間下一層的下甲板、上一層的居住甲板都分布著大量的居住艙室及工作艙室，有大量的電力、通信、信號(hào)電纜及科考設(shè)備電纜上下貫穿，故在FR89～FR91號(hào)肋位右舷下甲板至艇甲板之間設(shè)置了一個(gè)大型電弄。

(2) 該船F(xiàn)R106～FR131號(hào)肋位之間自下甲板向上一直到船長(zhǎng)甲板同樣分布著大量的居住艙室及工作艙室，且駕駛室也位于這段肋位間，有大量的電力、通信及控制電纜上下貫穿，故在FR118～FR122號(hào)肋位左舷下甲板至駕駛甲板之間設(shè)置了一個(gè)大型電弄。來自舵機(jī)艙、機(jī)艙集控室、側(cè)推艙的電纜通過這個(gè)電弄可直達(dá)駕駛室，避免了電纜的迂回，節(jié)省了電纜，降低了施工難度。

(3) 另在FR116～FR118號(hào)肋位右舷艇甲板至駕駛甲板之間設(shè)置了一個(gè)小型電弄，用于對(duì)FR118～FR122號(hào)肋位左舷電弄的分流。且一左一右的電弄布置使得電纜敷設(shè)更加方便、更節(jié)省電纜。

主甲板及艇甲板電弄布置如圖4所示。

圖4 主甲板及艇甲板電弄布置Fig. 4 Cable channel arrangement of main deck and boat deck

在處理同一甲板層電纜方面，主要采取如下措施。

(1) 起居處所的主干電纜盡可能布置在走道頂部，以減少電纜貫穿件，方便施工及維護(hù)。但走道頂部同時(shí)也是輪機(jī)管路及風(fēng)管布置優(yōu)先考慮的位置。故在方案及詳細(xì)設(shè)計(jì)階段需要與輪機(jī)及通風(fēng)專業(yè)充分協(xié)調(diào)，將主干電纜走向圖與全船供水管系原理圖、全船艙室疏排水管系布置圖、全船通風(fēng)管系布置圖、全船空調(diào)管系布置圖等圖紙充分匹配對(duì)圖，以避免出現(xiàn)干涉。

(2) 充分利用隔離空艙等隱蔽而又通常閑置的處所，比如1號(hào)燃油艙P(yáng)/S頂部的隔離空艙。由于類似處所通常空間比較狹小，故在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段應(yīng)注意與結(jié)構(gòu)專業(yè)協(xié)調(diào)，酌情調(diào)整結(jié)構(gòu)減輕孔的設(shè)計(jì)，為電氣施工及后期維護(hù)預(yù)留好通道。

(3) 通過優(yōu)化主配電板設(shè)計(jì)及主要設(shè)備布置，緩解主配電板下方電纜敷設(shè)壓力。例如在滿足規(guī)范要求和不降低供電安全性的前提下將中前部AC 380 V用電設(shè)備由左邊(面向主配電板)的組合起動(dòng)屏、AC 380 V負(fù)載屏供電，尾部AC 380 V用電設(shè)備由右邊的組合起動(dòng)屏、AC 380 V負(fù)載屏供電；將軸帶發(fā)電機(jī)屏布置在靠近發(fā)電機(jī)一側(cè)；將AC 220 V負(fù)載屏布置在靠近主照明變壓器一側(cè)。

2.5 通信及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到海洋科學(xué)調(diào)查船有大量的實(shí)時(shí)船岸通信和數(shù)據(jù)交換需求，該船設(shè)有SAILOR 500型FBB系統(tǒng)、SAILOR 900型VSAT系統(tǒng)和全船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

FBB系統(tǒng)由天線單元、FBB主機(jī)、IP電話手持機(jī)及底座、電源單元等部分組成；VSAT系統(tǒng)由天線單元、天線控制單元、電源單元、路由器、交換機(jī)、不間斷電源等部分組成；全船網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由船舶狀態(tài)顯示系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)、外網(wǎng)系統(tǒng)等部分組成。

該船通信及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要功能及特點(diǎn)包括：(1)FBB系統(tǒng)作為備份線路，在租賃衛(wèi)星寬帶情況下，平時(shí)使用VSAT系統(tǒng)，也可以手動(dòng)切換到FBB系統(tǒng)；(2)VSAT采用三軸Ku波段系統(tǒng)，具有較寬的俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，給用戶提供一個(gè)無縫接收信號(hào)的條件，即使船舶航行在赤道或者極地地區(qū)；(3)VSAT內(nèi)置全球定位系統(tǒng)(GPS)，系統(tǒng)自動(dòng)接收定位數(shù)據(jù)，保持系統(tǒng)更快、更穩(wěn)定的運(yùn)行；(4)VSAT可接入船舶自動(dòng)電話系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通過船舶電話撥打衛(wèi)星電話；(5)VSAT支持雙線路的路由器及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，用于接入網(wǎng)絡(luò)端口到船上的外網(wǎng)系統(tǒng)；(6)內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)與外網(wǎng)系統(tǒng)獨(dú)立，保證了重要科考、試驗(yàn)信息和數(shù)據(jù)的安全。

2.6 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于該船定位為綜合海洋科學(xué)調(diào)查作業(yè)船，并可承接海底探險(xiǎn)、海上休閑旅游等業(yè)務(wù)，所以居住環(huán)境的舒適性也是該船的重要考核指標(biāo)。

該船照明系統(tǒng)主要特點(diǎn)有：(1)居住艙室、實(shí)驗(yàn)室、餐廳、健身室、休閑娛樂室、起居處所內(nèi)走道、駕駛室等處所的主體照明均采用LED燈具，相比常規(guī)熒光燈，既增加了亮度、提高了燈具壽命，又更加節(jié)能環(huán)保；(2)在內(nèi)走道各居住艙室門口、餐廳、休閑娛樂室等位置配有射燈，與內(nèi)部裝飾相匹配，以美化居住環(huán)境、提高舒適性；(3)居住艙室照明屬具(如開關(guān)、插座、接線盒)的顏色與家具顏色匹配，采用金色，提升內(nèi)裝的整體觀感。

3 結(jié) 語(yǔ)

“張謇”號(hào)電氣設(shè)計(jì)充分滿足了規(guī)范和使用要求，通過了試航及首航檢驗(yàn)，電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，船內(nèi)通信及安全系統(tǒng)設(shè)備、航行及無線電設(shè)備、照明系統(tǒng)設(shè)備等運(yùn)行狀態(tài)良好，得到了船東的認(rèn)可。動(dòng)力定位系統(tǒng)尚未實(shí)船運(yùn)行，動(dòng)力定位能力有待后續(xù)實(shí)船檢驗(yàn)。

本文從電源裝置設(shè)計(jì)、配電裝置設(shè)計(jì)、動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主干電纜走向設(shè)計(jì)、通信及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面對(duì)該船的電氣設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要介紹，可供后續(xù)同類型船舶設(shè)計(jì)時(shí)參考。

[1] 張炳炎. 我國(guó)海洋調(diào)查船的現(xiàn)狀與未來[J]. 世界科技研究與發(fā)展，1998 (4)：36.

[2] 劉松，左文鏘，隋智享.國(guó)外海洋科考船現(xiàn)狀及總體設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展方向[J]. 船舶科學(xué)技術(shù)，2014 (36)：8.

[3] 文勇，王楠等. 萬米級(jí)潛水器科考母船“張謇”號(hào)設(shè)計(jì)研究[J]. 海洋工程裝備與技術(shù)，2015, 2(4)：274.

[4] 邊信黔，付明玉，王元慧. 船舶動(dòng)力定位[M]. 北京：科學(xué)出版社，2011.

[5] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼制海船入級(jí)規(guī)范(第5分冊(cè))[S]. 2014.

ElectricDesignReviewofTenThousandMeterScaleScientificInvestigationMotherShip“ZHANGJIAN”

WEN Yong

(HansailMarine&OffshoreDesignCo.,Ltd.,Shanghai200011,China)

The electric design of the ten thousand meter scale scientific investigation mother ship “ZHANGJIAN” independently designed by Hansail, is briefly introduced. The key technical points solved during design, such as power supply device, power distribution device, dynamic positioning system and main cable routing, etc., are described detailedly.

scientific investigation mother ship; main switchboard; dynamic positioning; main cable

2016-08-05

文勇(1982—)，男，工程師，主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)方面的研究。

U665.1

A

2095-7297(2016)04-0251-06