美墨火车滚装船电气设计特点

2022-03-30董治强郭晟江赵海超王逸婷刘康立

船舶设计通讯 2022年2期

董治强，郭晟江，赵海超，王逸婷，刘康立

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

美墨火车滚装船固定往返于美国南部莫比尔港和墨西哥科察科尔斯港之间，通过海路快速衔接两地的铁路运输网，如图1 所示。两港之间海上航行距离约900 n mile，莫比尔市和科察科尔斯市陆地上铁路之间距离为2 200 n mile，高速公路距离为1 500 n mile。由于该海上航线的存在，能使火车减少约50%的行程，大大降低了墨西哥湾区域的物流成本。

图1 美墨火车滚装船航线

该船为火车滚装船，双层火车甲板，可载运各类尺寸货运火车车厢包括《国际海运危险品规则》要求的1～9 类包装危险品，不能装载客运火车车厢。

该船采用双机双可调螺距桨推进设计，配置2台6 缸低速主机、3 台主发电机组、1 台应急发电机组和1 台艏部管道式侧推。

总布置图如图2 所示。

图2 美墨火车滚装船总图

主尺度和主要参数如下：

该船入美国船级社ABS，船级符号为：

火车滚装船作为特种运输船型，其研发设计大多以船东提出的各项具体任务需求为目标导向，同时还需要综合考虑目标航线和码头港池等自然环境，每一个项目都是为当地船东和港口量身定做的独一无二的船型。

美墨火车滚装船的船东根据自身需求提出了许多新颖、合理而又具体的要求，如何在满足规范规则的前提下，找到最优解决方案是设计的最终目标。例如，船东要求本船不配置锅炉，那么主电站的容量和发电机的选型就必须考虑到该船因为没有配备锅炉而增加的电加热设备电耗；船东要求选用电动系泊设备，而系泊区域属于危险区域，那么在设备选型或者设计上就需要采取相应措施，才能规避设备的防爆要求。围绕以上电气设计中碰到的特殊问题和解决方案展开论述，不再赘述常规电气系统的设计，例如照明、内部通信、航行无线电等。

1 主发电机的选型

船舶主发电机的选型既要考虑安全性，又要兼顾经济性。准确预估全船用电设备的功耗是船舶发电机选型成功的必要前提。与常规运输船相比，该船电力负荷预估中最大的不同来自电加热设备的功耗。下面的分析中，对于船舶的基础用电负荷不再详细展开论述，主要介绍在没有配备锅炉的船舶中需要考虑的电加热设备有哪些及其相应的耗电功率。

1.1 电力负荷估算

考虑到墨西哥湾区域的环保要求，以及美国页岩油的低廉价格，该船的主辅机燃油全部采用轻柴油。由于轻柴油的黏度较低，在加注及日常使用过程中均不需要加热，所以本船没有配备组合锅炉。船上需要配备电加热的设备和系统如下：

1）空调：在冬季，常规船舶是通过锅炉来供暖的，本船空调系统则需要通过电加热器来供暖。经查阅美国莫比尔港近15 年的气温资料，建议船东把空调冬季加热的温度范围设定为-5 ℃到25 ℃，而不是常规项目的-20 ℃到25 ℃，最主要的原因就是考虑到电加热供暖的耗电功率较大，经济性较差。

2）分油机：轻柴油和滑油在净化环节需要适当加热以提高净化分离效果，所以需要配置适当的电加热来辅助。

3）舱柜：主要有废油舱、油渣舱、舱底水舱、氢氧化钠储存舱、EGR 废渣舱等；这些舱柜需要电加热辅助，适当提高舱柜温度，以利于舱柜内各种液体介质的转运。

4）主辅机缸套水预热装置。

全船主要电加热设备的耗电功率估算和工作方式，如表1 所示。

表1 电加热设备预估参数

续表1

根据表1 中各电加热设备的功率和工作方式，估算出电加热设备在各个工况下的电力负荷，如表2 所示。结合该船其他用电设备的负荷估算，汇总得出全船电力设备负荷，如表3 所示。

表2 电加热负荷估算

表3 电力负荷估算汇总表单位：kW

1.2 主发电机选型

主发电机选型原则：首先，考虑安全性，发电机组的台数和容量应能在任一发电机组故障停止工作时，其余发电机组仍能对正常推进运行、船舶安全所必需的设备供电，同时最低舒适居住条件也应得到保证；其次，考虑用户的特殊需求，本项目船东要求在装卸货工况只能开1 台发电机；再者，考虑经济性和后期维修养护的便利性，即在船舶运行的各个工况下，发电机组的负荷率要适中，同时柴发机组型号要尽可能一致，以利于后期统一备品、备件和维护保养。

根据表3 的数据估算，在航行工况时，电力负荷约为1 024 kW，此时运行的发电机容量要能匹配这个负荷，经过查阅相关设备资料，选中MAN B&W 7L23/30H 机组作为目标机型，该机组的上限容量为1 164 kW。比较理想的情况是，选用3 台7L23/30H的机组作为该主发电机组。

但是在装卸货工况时，电力负荷估算约为1 130 kW，此时单台7L23/30H 机组的容量仅为1 164 kW，负荷率预估为97%。负荷率过高，需要提高单台发电机组的容量，因此MAN B&W 8L23/30H机组成为目标机型，该机组的上限容量为1 330 kW。

综上，在满足规范和规格书要求的前提下兼顾到经济性，该船的主电站柴发机组最终选用了“二小一大” 的配置，即：选用2 台7L23/30H 和1 台8L23/30H 机组，负荷率估算如表3 所示。

1.3 配电系统

该船的主电站配置为2 台1 164 kW 和1 台1 330 kW 柴发机组、应急电站配置为1 台475 kW的柴发机组。设置1 块主配电板，并预留1 屏容量为2 000 kVA 的岸电接入屏，为全船各种机电和舾装设备供电；设置1 块应急配电板，为全船的应急负载供电；还配置了2 台180 kVA 的主变压器、1 台115 kVA 的厨房变压器和2 台63 kVA 的应急变压器，用于各类AC 220 V 设备的供电。电力系统单线图如图3 所示。

图3 电力系统单线图

2 系泊电机布置在危险区域的处理措施

该火车运输船滚装区域内主要装载火车车厢，火车车厢内装载的货物除了包括钢铁、塑料、果糖、啤酒、化学品和纸等常规货品之外，还包括《国际海运危险品规则》中1.4S、2～9 类的危险品，滚装处所属于危险区域。船尾设置两套系泊设备，布置在下层连续甲板尾部的左舷和右舷，毗邻滚装处所。系泊区域与滚装处所通过门连通，根据IEC 60092-506的要求，因滚装处所属于危险区域，所以系泊设备所在位置也属于危险区域，在这个区域内布置的所有设备都要满足防爆要求。选购液压式的系泊设备就可以规避防爆的要求，但是基于电动系泊设备在后续维护保养方面的优势，船东要求选用电动系泊设备。

满足危险区域防爆要求，一般有两种解决方案。方案1：系泊设备的电机选用等级为Exid IIC T4的防爆设备，可以直接布置在危险区域内。方案2：根据IEC 60092-506 的要求，在危险区域和毗邻区域之间设置气锁装置，可以将毗邻区域认定为安全区域，气锁的构成需要两道气密自闭门。在系泊区域和滚装区域之间的分隔舱壁上设置两道气密自闭门，构成气锁装置，就可以将系泊区域豁免为安全区域，选用普通系泊设备，如图4 所示。方案1 的缺点是：对于大功率的系泊电机来说，要达到IIC T4 的防爆等级，相比普通非防爆电机，价格要高出不少；同时，因为防爆系泊设备的需求相对比较冷门，船厂对供货商的选择范围比较小。方案2 的缺点是：气锁装置要求设置两道气密自闭门，船员由滚装处所进出系泊区域不方便，船东不接受；另一方面，设置两道气密自闭门，会增加船厂的建造成本。

图4 气锁方案（左舷）

结合本船尾部系泊区域的布置特点，以尾部左舷系泊区域为例。该系泊区域实际上并不是完全围蔽处所，其首部和船中方向均有舱壁与滚装处所毗邻，顶部有甲板覆盖，但是其舷侧和尾部均开敞，与大气连通，通风良好，根据相关规范，可定义为半围蔽处所；导致该区域成为危险区域的主要原因是右端舱壁上有两扇门与滚装处所连通，但是这两扇门是常闭状态，仅仅在船员通过时短暂打开。滚装处所的危险气体仅在门打开的短暂时间段内可以扩散到达系泊区域，由于其半开敞的特点以及良好的通风，危险气体可以快速被吹散稀释，并不会在系泊区域聚集。基于以上分析，提出第3 种方案：以左舷为例，在滚装区域和系泊区域之间的舱壁上只设置一道气密自闭门，同时在门的两侧设置声光报警器和警告牌“危险！门需要保持在关闭状态！”，当门处于打开状态时，声光报警器就会发出警报，提醒船员将门关闭，这就最大限度地减少了毗邻舱壁上气密门打开的可能，减少了危险气体扩散的潜在隐患，如图5 所示。该方案无须选用防爆系泊设备，降低了船厂的建造成本，同时也避免了在滚装区域和系泊区域之间设置两道气密自闭门构成的气锁装置，方便船员日常使用。最终第3 种方案获得ABS船级社和船东认可。