62米DCM打桩船电气设计

文/杜涛

62米DCM打桩船电气设计

文/杜涛

DCM打桩船是国际上最新开发的一种特种工程船，融高技术含量、高附加值，集船舶、深层水泥浆搅拌、智能化施工管理、船舶自动调倾系统等技术于一体，在港口、海上机场、海上垃圾堆场等建设项目施工中具有不可替代的作用，被称为移动的海上打桩机。目前，国内正处于消化和吸收国外技术阶段，有关船舶设计单位正在加紧研发，逐步突破了日、韩等国对此类船舶的垄断。此类船舶的设计和投入使用，对于贯彻落实我国海洋发展部署和实施“走出去”战略，促进国内相关企业参与国际海上打桩工程投标，具有十分积极的意义。

1　概述

1.1DCM打桩船工作原理

打桩船的桩架一般有固定式与全回转式之分。前者只能在艏部打桩作业；后者既可在艏端打桩作业，又可在舷部的左右两舷打桩作业。DCM打桩船是非自航固定式桩架（见图1），工作时需要拖船拖到指定的工作水域后，工作时由船上的绞车与锚定位以维持船舶的平衡，然后才能使用桩机进行作业。桩机系统配备有近50米的桩架，用以支撑动力头的上下运动。当动力头到达海床面时，由于是在水下作业，每次动力头从水底提升上来时，必然带上大量的淤泥，因此需要高压水泵对动力头进行冲洗。在桩机打到一定的深度后，就可以进行灌浆作业。因此船上还配有三个大型的水泥罐，及水泥搅拌、灌浆系统。

图1　DCM打桩船实例图片

1.2电气设计考虑要素

DCM打桩船是目前国内较紧缺的一种工程船，主要用于海上建设打桩。由于海上打桩不同陆地，环境更复杂，海水又有腐蚀性，而且每年的6到10月都是台风多发的季节，因此对船舶及船上设备要求更高。在进行船舶电气设计时，不仅要严格按照CCS对相关船舶电气系统设计的要求来，还要考虑环保等其它方面的相关规定。

本船主要应用于沿海、港澳地区甚至海外地区海上工程，一般在沿海航区作业，配员非自航，属于工程驳船类特种船。电气部分的设计需要根据船东的要求，按照CCS 2016年版《钢质海船、内河船舶建造规范》进行。由于本船设计任务工期紧、附加设备多，而且很多设备属于打桩工程专用，需要提前订货。各种设备的选择不仅需要满足规范要求，也需要经常与船东沟通协商，选择CCS及船东都认可的供应商。本船船艉部共有主甲板、船员甲板、控制甲板三层甲板。船上设有船员生活区，平时工作时有一批工作人员在船上作业及生活，因此在主甲板设有厨房和餐厅。厨房燃料方面船东选择的是石油气，因此厨房内的电气设备主要就是电饭煲和电热水器及冰箱等。由于是非自航船，因此在电气设计时无需考虑主机及舵桨系统。

2　电气系统设计

本船的电气系统主要包括380V交流电力系统、220V交流照明系统、低压及应急照明系统、配电板、控制室综合控制系统、船舶及乘员安全系统等几个方面组成。而380V交流电力系统关系到本船能否正常进行打桩作业，因此本节将重点介绍此系统设计。

2.1380V交流电力系统设计

本船安装配有三个动力头的桩机系统，每个动力头包括了4个功率110kW的大功率电动马达，组成有500kW的动力头。当每个动力头启动时，启动电流就相当大，对电网的影响也很大。为了消除桩机对电网的冲击，每套动力头除了配备有相应的变频柜，还配备相应的电阻箱。本船配有3台110kW动力头绞车、5台37kW锚机定位绞车、3台22kW辅助绞车、3 台150kW后台电气控制柜。容量大于11kW的动力设备，应采用Y-Δ降压起动方式起动，其它容量大于50kW的电动机采用变频起动方式起动。在繁忙时需要船舶上的三个动力头24小时同时工作，三个动力头频繁起动。在打桩时遇到的地质不同时，负荷也不同，因此对动力电源的要求很高。本船主要设备工作电压都是交流380V，总功率达到2000kW以上。因此，在主电源装置上配置四台柴油发电机组，其单机额定输出功率为600kW，输出电压交流380V，四台发电机可并联运行，总额定输出功率可达到2400kW。发电机的并车操作，采用同步脉冲并车装置自动并车和手动准同步并车两种方式。四台600kW发电机组能自动实现顺序启动，机组间顺序可以随意选择，配电板母线有电时，待并机组自动同步，自动合闸。通过对整船的电力负荷计算，该发电机系统可以满足船舶的任何工况下的电力需求。由于船东希望在停泊工况下减少发电机的运行台数，因此另设一台120kW的停泊发电机，供船舶日常生活电气设备使用。

要实现自动并车、自动监控的功能，目前使用最普遍的是自动电站装置 PMS（Marine Power Management System）。PMS设有自动模式、半自动模式及手动模式三种控制模式，可通过安装于同步控制屏面板的模式选择开关进行切换。在手动模式下，PMS只显示供电系统的运行状态及参数，与全船监测报警系统通讯，不执行任何控制功能；在半自动模式下，可从母联及功率管理界面上对PMS操作实现以下功能：机组启动、机组停机、主断路器合闸、主断路器分断；在自动模式下，PMS自动对供电系统进行管理，包括这些功能：①机组的自动起动；②机组投入及并联运行；③机组自动断开及停机；④发电机组的启、停顺序设定；⑤自检功能；⑥短路时各发电机的主开关防重合闸功能；⑦电站对大功率电器设备具有功率问询功能；⑧电网具有自动卸载功能；⑨主发电机组、停泊发电机、岸电之间有互锁功能。

PMS是由柴油机电子调速器、安全保护单元、CPU处理器、输入、输出单元组成。每台发电机都有同步调节器，当需要并网时，PMS对设定的同步调节器发出同步指令，同步调节器根据待机发电机与电网之间的电压、相位差控制待机发电机的调速器，调整待机发电机的转速，直到满足同步条件，待机发电机主开关合闸（如图2所示）。在自动模式下，CPU处理器收到外部输入的功率请求信号后，PMS根据设定的程序决定需并网的发电机数目，并联的发电机按照PMS设定的速度曲线进行调速和分配负荷。相比PLC控制系统，DEIF公司采用集成化的PPU（Protection and Paralleling Unit）控制单元，可以单独工作或与PLC一起工作。配有易于操控的液晶显示屏，具有采样信号多、控制精确、监控全面、响应时间短、操作简单、线路少等优点，已经广泛地应用在船舶自动电站系统中。

图2　发电机组并车原理图

2.2正常照明及低压应急照明系统设计

本船的照明系统设计，除了按照规范在舱室和机舱配备相应数量的灯具外，还要注意的是由于在主甲板设有蓄电池间，需要按规范在蓄电池间配备相应等级的防爆灯具。而本船是工程船舶，平时施工人员多，施工人员的一日三餐都在船上，因此厨房要预留足够多的插座，方便电饭煲、电热水器的使用。船舶经常在晚上作业，整船夜间的照明也要足够，以防由于照明不够造成的人员落水、碰伤等事故。因此，本船在控制室顶、现场施工区及桩架部分安装了大量的大功率照明灯具。

本船设有工作人员休息室，由于本船并没有中央空调，故每个休息室则要考虑配备一匹的分体空调。而控制室、会议室面积较大，需要更大功率的分体空调，因此本船设置了两个交流220V的空调分电箱。至于电柜舱放置许多电气控制柜，这些电气设备对使用的环境也有很高的要求，而电柜舱的面积较大，因此在电柜舱安装功率更大的交流380V空调。

本船还要考虑港澳地区的要求，插座要选择港澳地区适用的5A或13A插座，而且每个插座及电气设备都要接地。按照港澳地区海事的要求，每路插座线路供给小型电气设备不宜太多，一般不超过8个点。

本船是非自航船，按规范的要求，该船的航行信号设备不多，但值得留意的是本船高度达四十多米，又经常在机场附近施工，故需要加装高空警示灯。由于船长超过50米，因此按规范要求需要在船艏部安装锚灯，并且前锚灯要高于后锚灯。

对于低压应急照明系统，除了要按规范设置足够的应急灯外，应急电源需要安装在水线以上，应急线路应该使用耐火电缆。本船选择的应急电源是由两组12V200AH酸铅蓄电池组成的24V直流电源，两组电源互为备用。由于有专门的蓄电池间，应用蓄电池就不需要装箱处理，但要注意通风。

2.3控制室综合控制系统

本船设备众多，桩机的综合控制安装在船艉的综控室。在控制室设置集中控制台一套，包括电子号笛、广播、火警、通用报警、航行信号灯控制箱、自动电话、VHF、AIS及发电机远程板等相关控制设备。另外综控室还布置有1～3号动力头的中控台及1～5号发电机的遥控监控装置。

虽然使用了网络通讯技术，但桩机系统的控制电缆数量还是相当惊人。光定位绞车使用的24×1mm2控制电缆就达几十条，还有大量的10×1mm2、7× 1mm2控制电缆及监控摄像头电缆。因此需要预留足够的电缆通道，方便电气系统安装。而在桩架上的动力头电缆，需要经常上下提升几十米，数量也相当多、重量相当重，需要选择高强度、高品质的特种软电缆，在动力头工作时，这些电缆需要有辅助吊装支撑，可以随着动力头同时上下运动。

2.4船舶及乘员安全系统

本船的船舶及乘员安全系统主要由通用紧急报警系统、公共广播系统、探火和失火报警系统组成。需要注意的是，船舶及乘员安全系统所有电缆按规范要求都要选择耐火电缆，以保证出现火灾时也能维持这些设备正常运作。而在特殊地方如厨房、蓄电池间则需要选用符合规范要求的设备。

（1）通用紧急报警系统。本船设置通用报警系统一套。报警系统开始工作之后，便自动接通扩音机系统，向本船的所有区域发出报警声响信号。

（2）公共广播系统。本船设置船用扩音机一套。该系统由扩音机主机、遥控台和若干不同功率的扬声器组成。扩音机主机设在控制室，遥控台设在船艏、船艉、辅机舱，主机可以与遥控台之间进行有线对讲。系统备有接口，可与通用报警、火灾报警系统相连接。

（3）探火和失火报警系统。本船设置固定式探火与失火报警系统一套。一旦火灾发生，即报警信号输出2分钟后仍然无人响应，此报警信号即自动接入船内通用紧急报警系统，并发出报警信号。

3　小结

通过本次打桩船的电气设计，获益良多。首先，通过对船舶电站PMS的系统学习与分析，对船舶电力的合理分配理解更清晰。其次，本次设计工期紧，可以运用运筹学的知识去合理安排工作，节省了时间，提高了效率。再次，通过本次设计，深入了解打桩船这类工程船舶，圆满地完成了客户委托的任务，跟相关的船厂建立了良好的沟通，有利于更好对接市场需求，提高船舶设计水平，应对目前造船业不景气的市场。

船东方面长期从事陆地上打桩作业，对海上的规范并不清楚，对船舶的建造预算也估计不足，因此在打桩船设计过程中既要考虑船东的要求，更要考虑相关规范的要求，需要与船东及船检方面建立紧密的联系、沟通渠道。电气设备的布置也必须与船体和轮机部门频繁沟通，须考虑船体和轮机的设计变更而即时调整，从而减少重复工作，提高工作效率。通过本次设计，为相关的船舶设计积累了丰富的经验。作为广东的船舶科研单位，必须正视与国际先进水平的差距，向国际先进的船舶设计单位学习，积极引进吸收国际上的新科技、新技术，牢牢地抓住科技创新这条主线。广东作为一个海洋大省，对海洋工程船、新型高速客船等新型船舶的需求会越来越大，做好新型船舶的研究与设计，走出一条创新之路，将为国家实施“一带一路”战略贡献一份力量。

杜涛（1975-），男，工程师，本科，任职于广东省航运科学研究所，从事船舶电气设计研究工作。