船舶電力負荷計算方法及電算處理

船舶電力負荷計算方法及電算處理課程名稱：船舶電站自動控制系統(tǒng)與管理學生名稱：學生班級：學生學號：任課教師：尚前明課程成績:完成時間：2014年6月28日明等設備。當裝卸工況下有這些大功率設備使用而使總負荷量較大時，此種工況也作為確定電站總容量的參考工況。（4）停泊工況：船舶無裝卸作業(yè)停泊碼頭狀態(tài)的工況，這種狀態(tài)主要的負荷就是生活用電和一些機修設備，此時負荷功率最小，往往作為確定最小發(fā)電機容量的參考工況。（5）應急工況：發(fā)生海損主發(fā)電機失效的工況。主發(fā)電機組不能工作的情況通?？梢苑譃槿箢悾谝环N是機艙發(fā)生火災；第二種是機艙進水；第三種是主發(fā)電機組發(fā)生故障；而機艙火災情況下的負荷總功率最大。因此，通常將這種情況作為選擇應急發(fā)電機的容量的依據(jù)。需要注意的是，千萬不能把所有可能發(fā)生的緊急情況都疊加起來來考慮應急發(fā)電機的容量，這樣選出來的應急發(fā)電機容量是偏大的。綜上所述，可以得出船舶的負荷與各個工況的關系：負荷的大小是與傳播的工況時密切相關的；船舶各種設備一般是低于或等于其而定的功率下的狀態(tài)工作。二.各項負荷系數(shù)的確定1．電動機的利用系數(shù)

在對船舶電站容量計算的過程中，離不開對電動機利用情況的考慮。從以往的情況看，當船舶的電動機的最大功率沒有辦法確定時，則將其利用系數(shù)統(tǒng)一設定為1，這樣的做法顯然不夠科學。所以，在船舶選配電動機的時候，對于系列產(chǎn)品中電動機功率不一定與設配軸上的功率相對應，有時候為了滿足啟動轉矩，則選用功率稍大一些的電動機，所以電動機的功率未必全部得到利用，也就產(chǎn)生了利用系數(shù)。因為不能完全與設配相適應，因此這個系數(shù)應當小于1，所以在電站容量計算中應當將其考慮為0.8~0.9，根據(jù)工況有的甚至為0.7。根據(jù)經(jīng)驗，如果不能夠準確其值，則應統(tǒng)一為0.9，這樣計算出來的結果較為準確，但多數(shù)偏高。2．電動機使用功率的效率系數(shù)

電動機的實際使用功率有一個較為固定的效率系數(shù)，也就是電動機實際負荷工作時的效率，這個系數(shù)原本可以利用電動機的曲線特性來得出，但是這樣給計算帶來了較為復雜的數(shù)學問題。實際中為了方便計算，都是利用選定的額定效率系數(shù)ηe作為參考，計算的結果雖然存在偏差，但是體現(xiàn)出來的影響并不大。這主要是因為，從直流電動機的角度看，其效率在使用范圍內變化不大，因此可以認為其功率時效率ηe為定值，而異步電動機在低負荷的時候效率低，從其特性曲線中發(fā)現(xiàn)，當電動負荷在50~100%間，其效率變化小于5%，因此綜合看，選擇固定的效率值是可行的。

3．機械載荷系數(shù)

對于電動機的機械載荷系數(shù)，要想確定一個較為準確的值，也是比較困難的。系數(shù)是一個定量值，因為用電設備配置在某個狀態(tài)下，其實際的使用功率是一個變化的數(shù)值，計算過程中無法確定。通常的做法是采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為選取系數(shù)的依據(jù)，如：通常使用的恒速的機械，包括風機、泵類等，其機械負荷通常取值為0.8~0.9，而錨機、絞盤機械則為0.6~0.7，舵機則更小，為0.3~0.4，這里的系數(shù)取上限還是下限，要根據(jù)船舶整體配合的情況來進行確定。

4．同時運行的系數(shù)

同時運行的功率系數(shù)選擇是直接影響計算結果的重要指標，要確定十分準確的數(shù)值也是相當困難的。實際中常用的方法是將船舶情況分類，即將船舶的工況、型號、設備數(shù)量等進行綜合劃分，并衡量其同時工作的可能性來選取。如：船舶上的設備較多，或者船舶型號較大，這樣其設備同時運行的可能性就小，則同時系數(shù)就小，反之小型船舶，設備少的同時系數(shù)就要大些。一般采用的同時系數(shù)在0.8~0.9之間，而負荷系數(shù)則在0.3~0.5之間三.負荷的計算對船舶電站容量計算可以采取多種計算方法，普遍使用的方法有：概率分析法進行計算；晝夜航行圖表計算；負荷系數(shù)計算。概率分析法適用的是有參考的同類型的船舶，而小型船舶、電動輔助不多的船適用于晝夜航行圖表法，實際中采用最多的是負荷系數(shù)計算。其中負荷計算有兩種計算形式，需用系數(shù)和三類負荷計算方式。在電站的電容確定后，技術人員可以按照計算的結果選取對應的產(chǎn)品，并根據(jù)發(fā)電機組的標準來配套發(fā)電機。這就是船舶電站電容計算的重要作用。1.負荷分類計算全船電力負載時，可根據(jù)使用情況，將負載作如下分類：（1）第Ⅰ類負載——連續(xù)使用的負載，如航行時主機冷卻水泵。（2）第Ⅱ類負載——短時或重復短時使用的負載，如航行狀態(tài)時的燃油輸送泵。（3）第Ⅲ類負載——偶然短時使用的負載，以及按操作規(guī)程規(guī)定可以在電站尖峰負載時間外使用的負載，如航行狀態(tài)下的機修機械。三類負載的分法，與船舶運行工況有關，如在航行工況下連續(xù)使用的負荷屬于第Ⅰ類負載；在航行工況下使用若干小時停止使用若干小時的負載（如燃油離心分油機等）作為第Ⅱ類負載；而在靠離碼頭時，雖然起錨機工作時間較短（僅有30min左右），但在該工況下，一般都作為第Ⅰ類負載。2.負荷系數(shù)1．電動機利用系數(shù)K1對電動機來說，電動機的輸出額定功率不一定恰好和機械軸上所需的額定功率相符，為了保證啟動力矩和短時發(fā)出最大力矩，電動機額定功率網(wǎng)網(wǎng)選的比較大。因此，電動機功率并未充分利用。電動機利用系數(shù)定義為機械的軸上最大功率PM與電動機的額定軸功率PN之比，即式中PM——機械軸上最大功率；PN——電動機的額定功率。2．機械負荷系數(shù)K2每一臺輔機，有一實際使用功率P2，在某一運行狀態(tài)時，接卸并不一定滿負荷。機械負荷系數(shù)K2定義為每一機械實際使用軸功率P2與機械最大軸功率PM之比，即：式中P2——某狀態(tài)下機械軸上實際需要率；PM——機械的最大軸功率。3．電動機負荷系數(shù)K3在通常負荷條件下，實際機械負荷所需要電動機輸出的功率，可用電動機負荷系數(shù)來描述，即用K1與K2的乘積反映電動機的負荷情況。電動機負荷系數(shù)定義為：從（2-3）可以看出，電動機負荷系數(shù)K3反映的是實際機械負荷與電動機額定功率之比。4．同時使用系數(shù)K0在某一運行狀態(tài)時，同類機械不一定都同時使用，因此我們用一組同功率的用電設備的同時使用系數(shù)K0來計及它的影響。同時使用系數(shù)為式中n——該組同時工作的用電設備數(shù)目；m——該組用電設備的總數(shù)。5．Ⅰ類和Ⅱ類負荷同時使用系數(shù)的確定船舶在某運行工況狀態(tài)下，不可能所有用電設備都一直處于工作狀態(tài)1.第Ⅰ類負載——有時考慮到各輔機和用電設備最大負載的不同特性，可取其同時系數(shù)為0.8~0.9。2.第Ⅱ類負載——可按該負載的平均工作時間和工作周期之比來估算。當沒有確切資料時，可參考表3-3選取。不難看出，利用同時系數(shù)逐一計算各間斷負載的所需功率也是十分繁瑣的，所以實際計算時，通常是采用負載系數(shù)計算出各間斷負載總需要功率后，再乘以總的同時系數(shù)的方法，這一同時系數(shù)一般取0.3~0.5。具體選定時可參考下述原則：(1)在大的船舶上，由于負荷的數(shù)量較多，同時工作的可能性要小些，因此同時工作系數(shù)比負荷少的船舶可取小些。(2)船舶的活動愈緊張，同時工作系數(shù)就取得愈大，因為設備的同時工作可能性愈大。例如：艦艇在戰(zhàn)斗狀態(tài)時K0Ⅰ取0.8，而在停泊時，可取0.65。如果某一間斷負載較大，比如其需要功率大于或接近其他間斷負載總和時，則該大功率的間斷負載一般不乘以同時系數(shù)。3.第Ⅲ類負載——在計算電力負載時，通?？梢圆挥?。但對于小型船舶或考慮高峰負載時，應予以充分注意。第II類負載同時系數(shù)3.所需功率的計算1.額定所需有功功率：在確定一臺電動機需要電網(wǎng)供給的所需有功功率時，需要考慮到電動機的效率。在額定工作狀態(tài)下，一臺電動機需要電網(wǎng)供給的額定功率為（kW）式中η——電動機額定效率一組同類電動機額定所需總功率應為（kW）式中m——該組同類電動機數(shù)目。對于照明及弱電設備來說，P5就是其裝置功率。2．實際所需有功功率由于在某一運行狀態(tài)時，機械并不一定滿負荷，一組同類輔機不一定都同時使用，考慮它們的影響，一組同類電動機實際所需有功功率為（kw）3．實際所需無功功率對于交流用電設備，需要考慮到功率因素cosφ尚需計算所需無功功率(kvar)式中φ——用電設備的實際功率因數(shù)角，由實際負荷的cosφ求得。cosφ可根據(jù)電動機的額定功率PN、額定轉速nN和負荷程度由表2-6中查得。實際負荷的cosφ4．運行工況下需要發(fā)電機供給的總功率應考慮到各組用電設備之間的第I類負荷總同時使用系數(shù)K0Ⅰ和第Ⅱ類負荷總同時系數(shù)K0Ⅱ。尚需計入5％的電網(wǎng)損耗?？傆泄β士偀o功功率式中PⅠ、PⅡ——該狀態(tài)下第Ⅰ類、第Ⅱ類負荷的總有功功率；QⅠ、QⅡ——該狀態(tài)下第Ⅰ類、第Ⅱ類負荷的總無功功率。在某運行狀態(tài)下負荷的平均功率因數(shù)cosφ在某運行狀態(tài)下可能短時需要的最大負荷為式中PⅢ——該狀態(tài)第Ⅲ類負荷的總有功功率?？偣β适窃摖顟B(tài)下選擇發(fā)電機功率和臺數(shù)的依據(jù)。根據(jù)最大負荷的總有功功率，再考慮10％～20％的儲備容量，即可確定船舶電站的容量。一般說來，船舶在航行等主要運行工況下，總的功率因數(shù)不低于0.7，對電站發(fā)電機功率的選擇影響不大，為簡化起見，有時可不計算無功功率。4.負荷表的編制用三類負荷法計算全船電力負荷時，可按下列程序進行：(1)向輪機和舾裝等專業(yè)收集全船用電設備的原始數(shù)據(jù)。(2)將全船負荷按使用情況分為三類(連續(xù)、短時、偶然短時)。(3)根據(jù)船舶類型及用途選定計算工況，將全船用電設備按用途或系統(tǒng)分類并填入表中。(4)確定系數(shù)K1、K2、K3和K0。(5)計算各電動機和用電設備的額定所需功率P4、設備組的額定所需功率P5、每一運行工況下實際所需有功功率P和無功功率Q。(6)計算每一運行狀態(tài)下各類負荷所需的總功率PI、PII、PIII、QI、QII和QIII。(7)考慮總同時使用系數(shù)K0I和K0II，并計及電網(wǎng)損耗5％，計算各運行狀態(tài)下負荷所需總功率PΣ。(8)根據(jù)上述計算結果選擇發(fā)電機組的單機功率和數(shù)量，并核算各工況下發(fā)電機負荷百分率。一般來說，發(fā)電機應有10％～20％的儲備功率，最后還要用可能出現(xiàn)的短時需要最大負荷Pmax校驗發(fā)電機的過載能力是否滿足。四.需要系數(shù)法1.需要系數(shù)的定義負載實際需要功率是由各設備的種類及其使用方法決定的，其值可用需要系數(shù)來計算。所謂需要系數(shù)，就是設備使用時的最大需要功率與其額定輸入功率之比，即：設備的額定輸入功率，對電動機而言，就是其額定輸入功率；對照明和弱電設備而言，可采用安裝的總功率；對負載隨時間上下波動時，一般取其平均功率。需要系數(shù)隨船舶運行工況不同而不同，對于一般商船，可以取下述各值：連續(xù)負載分類及其需要系數(shù)K值間歇負載分類及其需要系數(shù)K值2.功率計算方法1.額定狀態(tài)所需功率的計算在額定工作狀態(tài)下，一臺電動機需要的電網(wǎng)供給的額定功率，即式中P1—電動機額定功率—電動機額定效率一組同類電動機額定所需總功率為式中m—該組同類電動機數(shù)目照明設備和弱點設備的額定所需功率，即采用其安裝總功率。2.實際消耗功率的計算用電設備額定所需功率和需要系數(shù)的乘積就是實際消耗功率，即式中K—需要系數(shù)3.全船所需總功率各類負荷的實際消耗功率相加，便得到全船所需總功率，即4.電站總功率考慮5％的網(wǎng)絡損失，所需總功率為3.負荷表的編制及計算步驟（1）根據(jù)船舶的運行狀態(tài)需要，懸著計算工況，并確定個工況下所需使用的電氣設備。（2）估算各輔機和電氣設備實際使用管理及了解使用情況，并而確定需要系數(shù)K。（3）將全船用電設備的名稱、數(shù)量、電動機額定數(shù)據(jù)及功率填入相關負荷計算表中。（4）計算船舶運行中各電氣設備的所需功率P4，并計算出船舶額定所需總功率P5。（5）計算船舶哥運行工況下各電氣設備的所需實際功率P6，以及實際消耗功率。（6）考慮5％的網(wǎng)絡損失，計算所需總功率（7）選擇發(fā)電機組的單機功率和數(shù)量，并核算各工況下發(fā)電機負荷百分率。一般來說，發(fā)電機應有10％～20％的儲備功率，最后還要用可能出現(xiàn)的短時需要最大負荷Pmax校驗發(fā)電機的過載能力是否滿足。五、

電算處理由于電力負荷計算量大，手工計算效率低，出錯率高。傳統(tǒng)的數(shù)值計算軟件多用FORTRAN或C語言編寫。但在Windows操作系統(tǒng)使軟件的界面圖形化和易用性深得用戶歡迎的今天，這些程序（如輸入界面差、數(shù)據(jù)的暫存性使得不便于數(shù)值分析、輸出效果差等）已不能滿足人們的實用要求。鑒于此，根據(jù)船舶電站設計的需要，開發(fā)了船舶電力負荷分析計算應用軟件。軟件主界面此軟件采用概率分析法進行計算。只需提前輸入船舶設備的數(shù)據(jù)庫，操作時，鍵入工況及設備狀態(tài)即可計算出船舶電力負荷。六、結束語

所有的船舶在設計和生產(chǎn)中都需要進行電力負荷計算，以此確定船舶電站的容量，從而保證整個船舶的工作和生活需求。通常采用的負荷計算方法適用于所有的船舶，不過在利用計算結果選擇電動機時，還應當將船舶的某些特殊用途考慮在容量選擇范圍內。重要的原則就是看船舶上的電氣設備功率對容量大小的適應性，和工作狀況的分析。如：對一些小型的運輸船舶，設備配合的功率差異不大，在選擇電站容量的時候只需要在計算結果上增加10-20%的余量就可以滿足其需求。而對于工程用船舶，特殊船舶，即使在船舶上沒有大功率的電力機械，并且沒有設備的反復頻繁運行，在選擇容量時也應當將過載的電流考慮在內。通常在這種情況下，應在計算結果的基礎上，按最大起動電流對發(fā)電機容量進行核算，以保證船舶機械安全可靠的工作，也就是說，船舶電站容量的確定除了按電力負荷計算外，還必須根據(jù)船上