豪華郵輪碼頭高壓岸電連接系統(tǒng)及應(yīng)用

董良志

(凱伏特(上海)動力技術(shù)有限公司，上海 201108)

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豪華郵輪碼頭高壓岸電連接系統(tǒng)及應(yīng)用

董良志

(凱伏特(上海)動力技術(shù)有限公司，上海 201108)

針對豪華郵輪岸電系統(tǒng)非常復(fù)雜，且安全性、可靠性要求較高的特點，設(shè)計一套滿足豪華郵輪碼頭的高壓岸電連接系統(tǒng)。分析國內(nèi)郵輪碼頭和國際規(guī)范要求，通過研究碼頭平面布置圖，根據(jù)碼頭潮汐水文條件和豪華郵輪接電要求，結(jié)合岸電連接裝置的組成及特點，探討高壓岸電連接系統(tǒng)在豪華郵輪碼頭的應(yīng)用。該系統(tǒng)適用于國內(nèi)10萬噸級以及20萬噸級郵輪碼頭岸電連接系統(tǒng)的設(shè)計和建造。

豪華郵輪；郵輪碼頭；高壓配電；岸電；連接系統(tǒng)

0 引言

岸電供電技術(shù)是指船舶靠港期間，關(guān)閉船上的柴油發(fā)電機(jī)，由碼頭的變頻電源通過電纜對船上的負(fù)載供電。研究岸電技術(shù)對節(jié)能、減排和建設(shè)綠色港口有著積極的意義，是解決靠岸船舶對港口區(qū)域大氣環(huán)境污染問題的重要舉措。

岸電技術(shù)的要求起始于美國西海岸地區(qū)。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，70%的癌癥患者是由于燃油排放的廢氣引起的。在美國西海岸如洛杉磯、長灘等港口城市癌癥患病率高于其他區(qū)域，且船舶靠港期間使用柴油發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生振動和噪音，對附近居民的健康也會造成一定的影響，所以該區(qū)域居民發(fā)起了環(huán)境保護(hù)運(yùn)動，強(qiáng)烈要求?？扛劭诖笆褂冒峨?。在美國洛杉磯及長灘等區(qū)域，經(jīng)過各種減排措施的實施，區(qū)域環(huán)境及居民健康狀況均得到了較大的改善。鑒于該案例的成功實施，其他國家也在逐步推廣岸電技術(shù)的配套及應(yīng)用。

我國政府高度重視環(huán)境污染的問題，制訂了相關(guān)的法規(guī)和政策用于指導(dǎo)環(huán)境污染的治理。我國于1988年制訂了《中華人民共和國大氣污染防治法》并不斷修訂。國家交通運(yùn)輸部為推進(jìn)綠色航運(yùn)發(fā)展和船舶節(jié)能減排，減少船舶在我國重點區(qū)域的大氣污染物排放，在2015年制定了《珠三角、長三角、環(huán)渤海水域船舶排放控制區(qū)域?qū)嵤┓桨浮贰?/p>

高壓岸電電纜連接系統(tǒng)用于豪華郵輪與碼頭電源之間電力和信號的傳輸，操作便利性以及安全可靠性對岸電連接系統(tǒng)非常重要。豪華郵輪碼頭岸電連接系統(tǒng)的投入應(yīng)用，可減少碼頭有害物質(zhì)的排放，降低船舶的振動和噪音，提升豪華郵輪碼頭的國際競爭力。

文獻(xiàn)[1]對國內(nèi)變頻電源技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了變頻電源的組成、技術(shù)難點、發(fā)展趨勢等。豪華郵輪高壓岸電連接系統(tǒng)在國內(nèi)設(shè)計、建造經(jīng)驗較少，目前僅有上海吳淞口郵輪碼頭和深圳太子灣郵輪碼頭配置了該套系統(tǒng)，所以目前可借鑒的經(jīng)驗也非常少。本文從規(guī)范、碼頭和郵輪要求出發(fā)、根據(jù)岸電連接系統(tǒng)的組成及特點、碼頭實際應(yīng)用等方面討論了豪華郵輪高壓岸電連接系統(tǒng)。

1 豪華郵輪岸電系統(tǒng)的組成

與常規(guī)貨船類似，豪華郵輪岸電系統(tǒng)主要由3部分組成：碼頭側(cè)高壓變頻電源、碼頭側(cè)高壓插座箱及移動式電纜管理系統(tǒng)、船側(cè)高壓插座箱及配電板。其中，變頻電源、碼頭插座箱、移動式岸電小車主要由碼頭提供，安裝在碼頭區(qū)域；船側(cè)插座箱及配電板由郵輪提供，安裝在船上。郵輪岸電系統(tǒng)組成如圖1所示。圖中，左側(cè)為碼頭高壓變頻電源，一般安裝在碼頭的房間內(nèi)或者采用安裝在定制的集裝箱內(nèi)；中間部分為岸電連接系統(tǒng)，包括1臺岸電小車及1臺插座箱；右側(cè)為船側(cè)岸電接入插座箱及配電板。變頻電源與電纜連接系統(tǒng)之間的接口是碼頭插座箱，電纜連接系統(tǒng)與郵輪側(cè)的接口為船側(cè)接線箱，以上2處接口都是通過插頭、插座的形式快速插拔的。3部分之間根據(jù)IEC 800005-1以及船級社規(guī)范要求實現(xiàn)電力和通信的傳輸，岸與船之間可實現(xiàn)不斷電負(fù)載切換。

2 豪華郵輪對于連接系統(tǒng)的要求

2.1 岸電電源主要參數(shù)

豪華郵輪岸電系統(tǒng)的容量主要是根據(jù)?？苦]輪的類型來確定的，如上海吳淞口郵輪碼頭可?？康泥]輪有：鉆石公主號、瑪麗女王2號、歌詩達(dá)維多利亞號、歌詩達(dá)皇家加勒比、歌詩達(dá)海洋航行者號。為了滿足大多數(shù)豪華郵輪的靠泊需求，岸電系統(tǒng)電壓、容量、頻率選定為AC11 kV、16 MVA、60 Hz和AC6.6 kV、16 MVA、60 Hz。

港口岸電基礎(chǔ)設(shè)施需要根據(jù)豪華郵輪的岸電需求進(jìn)行改造。首先，碼頭供電所需要為豪華郵輪變頻電源配備16 MVA的電網(wǎng)容量；其次，碼頭變頻電源需要保證輸入電壓為AC10 kV、50 Hz,輸出電壓為AC11 kV、AC6.6 kV、60 Hz；第三，碼頭需要為變頻電源準(zhǔn)備布置場地。

國際航行船舶電網(wǎng)電壓和頻率為AC6 600 V、60 Hz或AC440 V、60 Hz，而我國陸上電壓和頻率通常為AC10 000 V、50 Hz或AC380 V、50 Hz，如果直接將50 Hz的電源接入船舶設(shè)備，會使設(shè)備的整體效率下降30%。經(jīng)過交—直—交變換的逆變電源稱為變頻電源，變頻電源的主要功用是將現(xiàn)有交流電網(wǎng)電源變換成用戶所需頻率。陸基電源經(jīng)過變頻電源系統(tǒng)變頻，可以輸送給碼頭插座箱所需的標(biāo)準(zhǔn)供電電源。變頻電源要保證電源輸出的波形穩(wěn)定和純凈，提供最優(yōu)良的供電環(huán)境。

在實際應(yīng)用中，一個完整的變頻電源裝置主要由輸入進(jìn)線開關(guān)柜、變頻器柜(包括整流和逆變單元)、輸出隔離變壓器柜、正弦波濾波器和輸出開關(guān)柜等5部分組成。如果輸入端為高壓電源，則輸入端需增加高壓開關(guān)柜和變壓器。除變頻器外，其他部件都采用無源器件，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。

變頻電源在設(shè)計、使用時需要注意諧波抑制和逆功率控制。

2.1.1 諧波抑制

由于采用變頻器作為變頻電源的核心部件，不可避免地會產(chǎn)生諧波。作為標(biāo)準(zhǔn)電源的使用，這些諧波會影響到電源的質(zhì)量，進(jìn)而直接影響使用設(shè)備的穩(wěn)定和壽命。因此，必須采用適當(dāng)?shù)拇胧┮种浦C波。具體措施如下：

(1)輸入側(cè)接入EMI濾波器。EMI濾波器主要用于控制和保證輸入變頻器的電網(wǎng)電能質(zhì)量，將電源功率毫無損耗地傳輸?shù)皆O(shè)備上，大幅衰減經(jīng)電源傳入的EMI信號，保護(hù)設(shè)備免受其害；同時，又能有效地控制設(shè)備本身產(chǎn)生的EMI信號，防止其進(jìn)入電網(wǎng)，污染電磁環(huán)境，危害其他設(shè)備。

(2)輸入側(cè)接入交流限流電抗器。選用通用電抗器，可抑制從電源到變頻器或變頻器內(nèi)部產(chǎn)生的對電源側(cè)的高頻擾動。它同時也可以改善變頻器的輸入電流波形。

(3)變頻電源設(shè)計為12脈沖整流，可消除11次以下的輸入諧波電流。具體可選用12脈沖的變頻器，配套6脈沖轉(zhuǎn)換為12脈沖的變壓器，實現(xiàn)12脈沖整流變頻電源的功能。

(4)變頻電源輸出端使用無源正弦濾波器，可以改善變頻器輸出波形，與輸出電抗器、DV/DT濾波器相比較，正弦波濾波器末端有一級電容濾波電路，使變頻器輸出波形接近正弦波。

(5)在正弦濾波器還不能達(dá)到很理想效果的情況下，需要分析諧波來源、負(fù)載情況、周邊用電的環(huán)境以及各次諧波的比例和含量，分開濾波。

2.1.2 逆功率的控制

船舶發(fā)電機(jī)同碼頭變頻電源并聯(lián)運(yùn)行期間，船側(cè)有功功率輸送到碼頭側(cè)，逆功率就會產(chǎn)生。逆功率會導(dǎo)致變頻電源輸出開關(guān)跳閘保護(hù)，中斷變頻電源的輸送。目前變頻電源廠家主要是通過四象限方案、電阻吸收方案和程序設(shè)定防止逆功率的產(chǎn)生這3種方式解決逆功率問題的。

2.2 郵輪岸電接入點位置

郵輪岸電接入點的位置位于船舶左舷偏后部，距離船舶吃水線較近。岸電接入點配置1扇水密門，郵輪航行期間水密門處于關(guān)閉狀態(tài)，郵輪?？看a頭后打開水密門，接入岸電插頭及電纜。郵輪岸電接入點位置如圖2所示。利用岸電連接裝置及其吊臂把電纜和插頭送至船側(cè)岸電接入點附近，船員把插頭連接至船艙內(nèi)的岸電接線箱上。

2.3 岸電連接系統(tǒng)的設(shè)計要求

高壓岸電電纜連接系統(tǒng)用于豪華郵輪與碼頭電源之間電力和信號的傳輸，操作便利性以及安全可靠性是岸電連接系統(tǒng)2個非常重要的特性，以上2點設(shè)計保證了船岸之間的快速連接及碼頭清潔能源的持續(xù)供應(yīng)。根據(jù)IEC 80005-1的要求，豪華郵輪岸電系統(tǒng)需要包含4根動力電纜：1根中性電纜，1根通信電纜，2根控制電纜。郵輪岸電系統(tǒng)單線圖如圖3所示，其中“1”為碼頭高壓變頻電源系統(tǒng)，“2”為船岸之間快速連接插頭，“3”為船岸高壓插座，“4”為安全連鎖回路(集成于高壓插頭、插座內(nèi))，“5”為高壓岸電連接系統(tǒng)，“6”為豪華郵輪岸電接入系統(tǒng)，“7”為船側(cè)安全連鎖，“8”為控制及監(jiān)測通訊，“10”為通訊及控制線纜。

豪華郵輪岸電連接系統(tǒng)與集裝箱岸電連接系統(tǒng)相比，兩者主要有以下不同之處：

(1)操作方式不同。集裝箱船由船上電纜卷盤放電纜至碼頭；而豪華郵輪岸電連接裝置布置在碼頭上，由岸電裝置上的吊機(jī)將電纜送至豪華郵輪上的岸電插座箱處。

(2)豪華郵輪岸電連接系統(tǒng)比集裝箱船復(fù)雜。集裝箱船岸電連接系統(tǒng)用2根3芯×185 mm2復(fù)合電纜與碼頭連接即可完成電力和信號的傳輸；而豪華郵輪岸電連接系統(tǒng)用4根3芯×240 mm2的復(fù)合電纜，2根控制電纜，1根通信電纜進(jìn)行船岸連接。

(3)電壓等級及系統(tǒng)容量不同。集裝箱船的電壓等級為6.6 kV，而豪華郵輪的電壓等級為6.6 kV或11 kV。集裝箱船的岸電容量一般為7 MVA，而豪華郵輪的容量為16 MVA或20 MVA。

(4)系統(tǒng)供應(yīng)主體不同。集裝箱船岸電連接系統(tǒng)主要由航運(yùn)公司提供，豪華郵輪岸電連接系統(tǒng)由郵輪碼頭提供。

3 岸電連接系統(tǒng)需滿足碼頭的條件

設(shè)計一套岸電連接系統(tǒng)需滿足碼頭的現(xiàn)場條件，包括需要考慮安裝、施工、操作、維護(hù)、碼頭水文條件等因素。

3.1 碼頭插座箱的布置

碼頭插座箱的布置需根據(jù)碼頭的實際條件以及停靠郵輪的大小、方向進(jìn)行設(shè)計。以吳淞口郵輪碼頭2號泊位為例，在碼頭全長354 m范圍內(nèi)，碼頭側(cè)配有4個地井。碼頭插座箱的布置圖如圖4所示。地井用來安裝碼頭側(cè)高壓岸電插座箱。碼頭插座箱布置及數(shù)量是由豪華郵輪船側(cè)插座箱的位置及碼頭基建設(shè)施要求等因素確定的。吳淞口郵輪碼頭最終選定2號、4號地井安裝碼頭側(cè)插座箱。

如果碼頭沒有配置地井，碼頭側(cè)插座箱安裝在地面上，需要確認(rèn)插座箱與船舶纜繩沒有干涉。

3.2 碼頭長度方向上的工作范圍

在郵輪碼頭現(xiàn)場勘測時需確定岸電連接裝置的工作范圍。該工作范圍是指以插座箱為中心，前后可覆蓋的距離，常規(guī)情況下該距離為35 m。這一點在設(shè)計初期需要確定下來，因為該距離一旦確定將無法更改。

3.3 滿足碼頭的潮汐及水文條件

設(shè)計碼頭岸電連接系統(tǒng)時需要了解碼頭的潮汐、水文條件。由于豪華郵輪主要以游客為主，載客與否對船舶的吃水影響不大，重要的是碼頭的潮汐，應(yīng)確保連接電纜的長度以及張力在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

某碼頭水平高度為3.5 m，而潮汐極限高水位為2.69 m。雖然該碼頭配有地井，但是在極限水位情況下，地井內(nèi)可能會進(jìn)水，所以碼頭側(cè)插座箱不可以安裝在地井內(nèi)。

3.4 考慮實際操作中可能會遇到的問題

設(shè)計岸電連接系統(tǒng)時還要考慮在操作過程中可能會遇到的問題。在碼頭進(jìn)行勘察時，需要確定岸電連接裝置的行走路徑、停放位置、距離碼頭邊緣的距離以及在行走過程中是否會與碼頭廊橋有干涉。

4 郵輪岸電連接系統(tǒng)應(yīng)用研究

4.1 岸電連接系統(tǒng)在豪華郵輪碼頭的應(yīng)用

根據(jù)郵輪及碼頭對連接系統(tǒng)的要求，設(shè)計出一套滿足郵輪碼頭的岸電連接系統(tǒng)。由于該套系統(tǒng)安裝在1臺小車上，所以也可稱之為岸電小車。圖5為岸電小車在某豪華郵輪碼頭的實際應(yīng)用。該套岸電小車主要由充電式行進(jìn)小車、旋臂吊、碼頭側(cè)電纜卷筒、船側(cè)電纜卷筒、控制站、無線遙控器、碼頭插座箱及地井蓋等組成。

(1)充電式行進(jìn)小車：為滿足綠色環(huán)保及操作便利的要求，小車的動力源為蓄電池，可使用電池驅(qū)動電機(jī)實現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。

(2)旋臂吊：旋臂吊安裝在小車上，其用途是將電纜及插頭移動到船側(cè)岸電接入點。吊臂的旋轉(zhuǎn)和伸縮均由液壓馬達(dá)進(jìn)行控制，在旋臂頂端安裝有電纜導(dǎo)向架，使得電纜在移動和連接過程中始終符合電纜彎曲半徑的要求。

(3)碼頭側(cè)電纜卷筒：用于存儲小車上岸側(cè)電纜，其長度決定了小車從插座箱可移動的水平距離。

(4)船側(cè)電纜卷筒：用于存儲小車懸臂吊到船上插座箱之間的連接電纜。

(5)控制站：控制站位于小車上，用于控制岸電小車本身的移動和集成在系統(tǒng)中的各個卷筒和旋臂吊的動作。

(6)無線遙控器：用于遙控小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向；控制吊臂的旋轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰操作。

(7)碼頭插座箱及地井蓋：碼頭插座箱布置在地井內(nèi)，包含4個高壓動力插座、1個中性線插座，以及動力及控制線插座。

岸電電纜管理系統(tǒng)與船側(cè)以及碼頭側(cè)插座箱是通過高壓快速插頭連接的，保證了連接的便利性和快速性。岸電小車上所使用的電纜均為柔性電纜，使電纜能夠在卷盤上卷繞。

根據(jù)IEC 80005-1的要求，船岸之間需要帶電負(fù)載轉(zhuǎn)移，該操作是在郵輪集中控制室內(nèi)完成的。當(dāng)岸電電源輸送至配電板進(jìn)線屏后，通過配電板內(nèi)的PMS(電站管理系統(tǒng))對相位、電壓、頻率等進(jìn)行比較，自動實現(xiàn)短時同步供電及負(fù)載轉(zhuǎn)移。

4.2 岸電連接系統(tǒng)需滿足的特性

4.2.1 操作便利

(1)正常情況下，岸電小車存放在碼頭旁邊的專門房間里。使用時，首先將小車遙控行駛至碼頭插座箱附近，把碼頭側(cè)卷筒內(nèi)電纜連接至碼頭插座箱。其次，繼續(xù)遙控小車行駛至郵輪側(cè)插座箱附近，遙控旋臂吊，連接船側(cè)儲纜卷筒內(nèi)的電纜至船側(cè)插座箱。最后，小車采用無線控制器進(jìn)行遙控，吊臂等其他部件的控制也集成在該無線控制器上，無線控制器上設(shè)有應(yīng)急停止按鈕。小車行進(jìn)和吊臂的操作等只需1人通過無線遙控即可完成。

(2)碼頭配置2個高壓插座箱。岸電小車碼頭側(cè)卷筒電纜長度為35 m，沿碼頭水平方向可覆蓋70 m左右的距離。

以上設(shè)計和布置在很大程度上方便了郵輪的停靠以及岸電的連接。

4.2.2 安全可靠

(1)小車岸側(cè)儲纜卷筒采用變頻驅(qū)動，可確保卷筒收放電纜速度時刻跟隨小車行駛速度，避免放纜過程中造成電纜在地面上的拖拽。由于變頻驅(qū)動的軟連接特性，在電纜收放受到意外阻力的情況下，電纜也不會因受力過大導(dǎo)致電纜損壞。

(2)小車行進(jìn)至合適地點后采用4個液壓腿支撐固定，以保證小車能夠穩(wěn)定?？吭谥付ㄎ恢茫覒冶鄣豕ぷ鲿r小車?yán)^續(xù)可以極大地保持平衡狀態(tài)。

(3)在小車前部設(shè)有1套機(jī)械掛鉤部件，以保證電池驅(qū)動底盤在異常情況下還能夠通過碼頭的牽引車對小車進(jìn)行拖行來實現(xiàn)小車的移動。

5 結(jié)語

目前高壓岸電連接系統(tǒng)已應(yīng)用在很多豪華郵輪碼頭，如德國漢堡港、美國洛杉磯港、意大利里窩那港、加拿大莫特利而港。近年來，我國交通運(yùn)輸部出臺了一系列政策，用于鼓勵、補(bǔ)貼港口建設(shè)高壓岸電系統(tǒng)。國內(nèi)已經(jīng)確定建設(shè)高壓岸電系統(tǒng)的豪華郵輪碼頭有上海吳淞口豪華郵輪碼頭以及深圳太子灣豪華郵輪碼頭。

高壓岸電連接技術(shù)在豪華郵輪碼頭的研究、使用與推廣，不但是港口建設(shè)的發(fā)展方向，而且對于保護(hù)港區(qū)、市區(qū)的環(huán)境，建設(shè)清潔、宜人的港口城市，具有十分重要的意義。

[1] 袁慶林，黃細(xì)霞，張海龍.港口船舶岸電供電技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].上海造船，2010(2)：35-37.

2017-01-06

董良志(1984—)，男，工程師，工程碩士在讀,主要從事船舶及碼頭岸電系統(tǒng)方面的研究。

U665.12

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