船舶电力系统的设计与研究.pdf
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1、大连海事大学硕士学位论文船舶电力系统的设计与研究姓名:王东鹤申请学位级别:硕士专业:轮机工程指导教师:张均东20090601中文摘要摘要船舶电力系统供电的连续性、可靠性和供电品质将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力。世界海事组织在S T C W 公约中强调了船员教学和培训的重要性,随着S T C W 7 8 9 5 公约的实施,对轮机员进行电气技术培训显得尤为重要。国家海事局也明确规定,海上专业学生的教学与船员培训必须按公约的要求进行。因此研制出一套适合教学和培训的船舶电力系统将具有重要的现实意义。本文基手对大连海事大学教学实习船“育鲲轮船舶电力系统的研究,利用在福建交通职业技术学院自动
2、化机舱实际项目中取得的经验,阐述了适合教学和培训的船舶电力系统的设计过程。具体内容包括:电源装置的设计(电力负荷计算等);配电装置的设计(元器件选型、配电板布置图设计、配电板原理图设计等);电力网的设计(电缆的选型、一次二次电力系统图设计等):电力系统保护的设计(短路电流的计算、电力系统选择性保护)等。该系统具有较完备的船舶电力系统功能,能够真实地进行相关的教学和培训。该系统的设计与研究过程也能够对小型船舶的设计起到指导作用。关键词:船舶电力系统;设计;船舶电站英文摘要A B S T R A C TT h ec o n t i n u i t y,r e l i a b i l i t ya
3、n dq u a l i t yo ft h es h i pp o w e rs y s t e ms u p p l yh a v ead i r e c te f f e c to nt h ee c o n o m y,t e c h n o l o g ya n dv i t a l i t yl e v e lo ft h es h i p I nS T C Wc o n v e n t i o n(I n t e r n a t i o n a lC o n v e n t i o no nS t a n d a r d so fT r a i n i n gC e r t i
4、f i c a t i o na n dW a t c h i n gf o rS e a f a r e r s),I M O(I n t e r n a t i o n a lM a r i t i m eO r g a n i z a t i o n)e m p h a s i z e st h ei m p o r t a n c eo ft e a c h i n ga n dt r a i n i n gf o rs e a f a r e r s W 曲t h ei m p l e m e n t a t i o no fS T C W7 8 9 5,i ti sp a r t
5、i c u l a r l ys i g n i f i c a n tt oC a t t yo nt h et r a i n i n go ft h ee l e c t r i ct e c h n o l o g i c a lk n o w l e d g ef o rt h ee n g i n e e r s C h i n e s eM S A(M a r i t i m eS a f e t yA d m i n i s t r a t i o n)s t a t e sc l e a r l yt h a tt h et e a c h i n go fm a r i t
6、 i m es t u d e n t sa n dt r a i n i n go fs e a f a r e r sm u s tb ec a r r i e dO U ta c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ec o n v e n t i o n T h e r e f o r e,i tw i l lb ear e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ef o rd e v e l o p i n gas e to fs h i pp o w e rs y s t e ms u i
7、 t a b l e f o rt e a c h i n ga n dt r a i n i n g O nt h eb a s eo ft h er e s e a c ho fs h i pp o w e rs y s t e mo n“Y U K U N v e s s e l,t h et r a i n i n gs h i po fD a l i a nM a r i t i m eU n i v e r s i t y,a n dt h ep r o j e c te x p e r i e n c eo fF u j i a na u t o m a t i ce n g i
8、 n er o o m,t h i st h e s i ss t a t e st h ed e s i g np r o c e s so fs h i pp o w e rs y s t e ms u i t a b l ef o rt e a c h i n ga n dt r a i n i n g I ti n c l u d e st h ed e s i g no ft h ep o w e rs o u r c ee q u i p m e n t(p o w e rl o a dc a l c u l a t i o n),p o w e rd i s t r i b u
9、t i o ne q u i p m e r i t(p o w e rd e v i c es e l e c t i o n,t h ed e s i g no ft h ef i g u r ed r a w i n g sa n dc i r c u i td i a g r a m so fm a i ns w i t c h b o a r d),e l e c t r i cn e t w o r k(c a b l es e l e c t i o n,p r i m a r yn e t w o r kd i a g r a ma n ds e c o n d a r yn
10、e t w o r kd i a g r a m),a n dp o w e rs y s t e mp r o t e c t i o n(s h o r tc i r c u i tv a l u e sc a l c u l a t i o na n da l t e m a t i v ep r o t e c t i o n)T h i ss y s t e mh a sf u l lf u n c t i o n so ft h eo c e a ns h i pp o w e rs y s t e m,a n df u n c t i o n sf o rt e a c h i
11、n ga n dt r a i n i n gw h i c hC a nb et r u l yc a r r i e do u t T h ep r o c e s so ft h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h i ss y s t e mw i l lb eai n s t r u c t i o nf o rt h ed e s i g no ft h es m a l ls h i p s K e yW o r d s:S h i pP o w e rS y s t e m;D e s i g n;S h i pP o w e rS t
12、 a t i o n大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,撰写成博硕士学位论文=船舶电左丕统数遮盐量硒究=:。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名:曼五:弪:学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定,即:大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,
13、允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、中国学位论文全文数据库(中国科学技术信息研究所)等数据库中,并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于:保密口在年解密后适用本授权书。不保密口(请在以上方框内打“4 )论文作者签名:男移导师签名:M日期:力矽年,月-7E l船舶电力系统的设计与研究1 1 课题由来及意义第1 章绪论1 1 1 船舶电力系统发展状
14、况船舶电力系统在船舶上具有极为重要的地位,电力系统供电的连续性、可靠性和供电品质,将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力。在现代化船舶上,电站操作越来越复杂、电站自动化程度日益提高,对电站管理人员的要求也越来越高【1】。二十世纪七十年代后,船舶电力系统的控制形成了功能齐全、性能稳定的由数字集成电路与线性模拟集成电路组成的控制系统。八十年代后,出现了由单板机或单片机组成的微机控制系统。到了九十年代,P L C 的应用增强了控制系统的可靠性【2】。到目前为止P L C 控制的电站、主机遥控、集中监测报警等系统已不断的更新换代,船舶电力系统已形成了完善的船舶自动电力综合管理系统。1 1 2 课题
15、的提出及意义S T C W 7 8 9 5 公约(即(1 9 7 8 年海员培训、发证和值班标准国际公约(1 9 9 5 年修正)强调对船舶管理人员实际工作能力的教学和培训。作为世界海事组织的缔约国,国家海事局明确规定,海运院校海上专业的教学与船员培训必须按公约的要求进行。并且S T C W 7 8 9 5 公约明确了船舶上可以不设电机员,船舶电气方面的工作由轮机员完成,对轮机员进行电气专业知识的培训显得极为重要1 3 。因此研制出一套费用低、适合进行教学和培训的船舶电力系统将具有重要意义。本课题是在对大连海事大学教学实习船“育鲲轮船舶电力系统的研究基础上,在福建交通职业技术学院自动化机舱建设
16、项目中实际应用,为其设计并建造一套适合教学和培训的船舶电力系统,并对大连海事大学未来待建的实习机舱项目具有指导意义。该系统满足国际公约、I E C 标准、中国船级社规范、现代船舶电站技术要求和海事局的船员培训、评估的要求,能够为轮机专业学生和海船船员提供船舶电力系统课程教学以及自动化电站操作评估训练考试服务,使用该系统可以方便地应用于自动化电站的工作原理、操作管理和调试维修的学习。第1 章绪论1 2 系统总体设计方案本系统结合现代化船舶电力系统的发展,采用实物电站(包括电源装置、配电装置、电力网等)+电站管理单元(包括P L C 控制系统和P P U 并车保护单元)的方式来实现电力系统的自动化
17、和教学培训功能。1 2 1 实物电站设计方案图1 1 系统设计流程F i g 1 1T h ep r o c e s so fs y s t e md e s i g n图1 1 为该系统的设计流程图。在电力系统诸要素(电制、电压、频率等)确定后,根据规范规则以及客户的要求,依次进行电源装置设计、配电装置设计、电力网设计和系统保护设计,将设计过程图纸化文件化(包括电力负荷计算书、配电板布置图原理图、短路电流计算等),最后交付相关厂家进行硬件施工。1 2 2 电站管理单元设计方案该系统的电站管理单元利用S I M E N S 公司的P L C 和D E I F 公司的P P U 并车保护单元实现
18、电站的自动管理功能。整个电力系统的主配电板和应急配电板通过两台P L C 和两台P P U 单元实现,P L C 与P P U 之间的通讯通过P R O F I B U S 协议进行。其中P P U 单船舶电力系统的设计与研究元实现发电机、汇流排参数监测、发电机自动同步和负载转移、逆功率保护等功能,P L C实现的功能有:发电机主开关的开关连锁、主电网失电管理、发电机超载自动并网管理、卸载管理、二类故障管理、电压频率异常管理等功能。电站管理单元设计部分由实验室另一同学完成,本文着重在实物电站设计方面做分析和研究。第2 章船舶电力系统第2 章A U T-O 列I,3 H 1 7 舶电力系统的要求
19、船舶电力系统由电源装置、配电装置、电力网和用电负载组成。船舶电力系统简图如图2 1 所示。图2 1 船舶电力系统F i g 2 1S h i pp o w e rs y s t e m船舶电力系统必须遵循有关的规范和标准,以保证船舶电力系统满足使用要求,使船舶电力系统的设计和建造符合标准化和规范化。中国船级社钢质海船入级规范对船舶电力系统的设计和建造都有相应的规范和要求。A U T 0 附加标志是指主推进装置由驾驶室控制站遥控、机器处所包括机舱集控室周期无人值班。在无人值班周期内电力系统应能保证为主推进装置服务的重要辅机的连续供电以及船舶电站的连续正常运行1 4】。2 1A U T-O 对供电
20、连续性的要求(1)在通常由一台发电机组供电的情况下,应采取如卸载或自动起动备用机组等措船舶电力系统的设计与研究施,以保证船舶在包括机动航行在内的所有航行工况下,具有与有人值班机器处所同等的安全性。(2)在通常需由多台发电机组并联运行供电的情况下,则应采取如卸载或将汇流排分段等措施,以保证在这些发电机组中的一台停止工作时,其余发电机组仍能保持对推进、操纵和船舶安全所需设备的供电而不过载。(3)在失电情况下,备用发电机组应能自动起动,并自动连接至主配电板。备用发电机组的容量应足以对包括机动航行在内的所有航行工况下所必需的设备供电,以保证船舶具有与有人值班机器处所同等的安全性。(舢失电后恢复供电时,
21、电动机驱动的为主推进装置服务的重要辅助机械,应能自动按一定的程序再起动。(5)备用发电机组及其自动起动系统,应具有在4 5 s 的时间内承载额定负载的性能。(6)为了对重要负载安全供电,应设有适当的卸载装置,以能在下列情况下将非重要负载自动切断:当由于自动接入附加负载而引起总负载超过发电机额定输出功率时;当多台发电机组并联运行供电,其中一台发电机发生故障,而使总负载超过仍在供电的其余发电机组额定功率之和时。2 2A U T-0 对发电机的要求(1)应设有避免两台及以上发电机同时接入主配电板公共汇流排的措施。(2)因短路故障而失电后,发电机断路器仅能合闸1 次。(3)如由于主汇流排长时间的电压或
22、频率波动原因而起动备用发电机,则有故障的发电机应在该备用发电机接入主汇流排之前尽快切断。2 3A U T-0 对自动化监视的要求A U T 一0 附加标志对船舶电站的自动化监视项目要求如下:应能显示汇流排的电压,在汇流排电压过高或过低时进行报警;应能显示汇流排的频率,在汇流排频率过低时进行报警;发电机主开关自动合闸失败时报警;第2 章船舶电力系统发电机主开关自动脱扣时报警。以上项目在驾驶台控制站均有组合报警5 1。船舶电力系统的设计与研究第3 章船舶电源装置的设计船舶电源装置是船舶电力系统的核心装置之一。正确合理地选择船舶电源装置,将直接影响船舶运行的安全性、可靠性和经济性。因此,在进行船舶电
23、源装置的设计时需要慎重考虑。船舶电源装置设计的内容包括:船舶电力负荷计算、主发电机组容量和台数的选择、应急发电机组容量和台数的选择、电源变压器容量的选择和蓄电池容量的选择等【6】。在这里,着重研究电力负荷计算和主发电机组的选择。3 1 船舶电力负荷计算(三类负荷法)三类负荷法是一种使用最多的全船电力负荷的计算方法川。它是根据各用电设备的使用情况将负荷分为三类,并且考虑负荷系数和同时系数来进行计算的。在电气设备具有较为充分的数据时,常采用三类负荷法进行全船电力负荷的计算。在使用三类负荷法进行电力负荷计算时,要仔细地分析各个用电设备的实际负荷及具体使用情况【引。在船舶运行的各种工况中,凡连续使用的
24、负荷均为一类负荷;短时或重复短时使用的负荷为二类负荷;可用可不用或偶然短时使用的负荷为三类负荷。负荷类别的划分应依据负荷所处的使用工况。划分好负荷类别后,要计算电动机的相关参数,如电动机的利用系数、机械负荷系数、电动机的负荷系数、同时使用系数、总同时使用系数等。进而计算电动机的额定所需有功功率、实际所需有功功率、实际所需无功功率。在计算完各组用电负荷所需有功功率和无功功率之后,便可确定各运行工况下发电机应供给用电设备的总功率。此时应该考虑各组用电设备之间的一类负荷总同时使用系数和二类负荷的总同时使用系数。在发电机供给的总功率中需计入5 的电网损耗【9】。船舶某一运行工况所需的发电机总功率就是该
25、工况下选择发电机功率和台数的依据。根据最大负荷的总有功功率,再考虑1 0-2 0 的储备容量,即可确定船舶电站的容量。根据船舶电力系统设计的需要,应用三类负荷法,开发了电力负荷计算软件。本电力负荷计算软件是以W i n d o w sX P 为操作平台,采用V i s u a lB a s i c6 0 开发的。第3 章船舶电源装置的设计图3l 为该电力负荷计算软件的运行界面。鼠标单击“电力负荷计算”按钮框即可进入到图3 2 计算界面。点击“退出系统”即可退出该计算软件。凹3l 电力负荷计算软件运行界面F i g31T h eo p e r a t i o n a l i n t e r f
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