“中海天王星”輪AMP系統(tǒng)施工設(shè)計與實現(xiàn)

劉 峰, 賀 鑫, 張歡仁

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

“中海天王星”輪AMP系統(tǒng)施工設(shè)計與實現(xiàn)

劉 峰, 賀 鑫, 張歡仁

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

船舶岸電技術(shù)可降低船舶副機運行時排放的廢氣對港口造成的污染，許多發(fā)達國家都在碼頭建立中壓岸電系統(tǒng)，提供在港期間的船舶用電。伴隨碼頭中壓岸電(Alternative Marive Power,AMP)系統(tǒng)技術(shù)的日漸成熟，會有越來越多的船舶著手安裝中壓岸電系統(tǒng)設(shè)備。通過介紹14 100 TEU集裝箱船“中海天王星”輪安裝AMP系統(tǒng)的施工方案，為類似項目的施工設(shè)計研究提供參考。

中壓岸電； 強度計算； 冷縮終端； 耐壓測試

0 引 言

近幾年，美國和歐洲等發(fā)達國家都已建立碼頭中壓岸電系統(tǒng)，要求船舶在靠港期間停止使用船舶副機發(fā)電，通過連接碼頭岸電來滿足在港期間的用電需求，這樣可減少船舶副機的運行時間，有效降低硫化物、氮氧化物及溫室氣體的排放量，減少噪聲污染。上海船舶運輸科學研究所積極參與船舶節(jié)能減排研究，自主研發(fā)的中壓岸電(Alternative Marive Power, AMP)系統(tǒng)已得到船級社認可。在中遠海運集團有限公司的支持下，該AMP系統(tǒng)已在14 100 TEU集裝箱船“中海天王星”輪上得到成功示范應(yīng)用。這里以“中海天王星”輪為例，對該船安裝AMP系統(tǒng)的施工方案進行分析。

1 AMP系統(tǒng)簡述

AMP系統(tǒng)是指船舶在靠泊期間不再使用船舶發(fā)電機供電,而是采用港口電網(wǎng)提供的6.6 kV/60 Hz岸電供電，使用船上安裝的岸電纜車，通過2根載流量為350 A的柔性電纜連接岸電[1]，將岸電傳輸?shù)酱稀?/p>

AMP系統(tǒng)一般由中壓岸電纜車、岸電連接配電屏和岸電接入屏組成,岸電控制系統(tǒng)通常集成在接入屏內(nèi)。由于該項目是將AMP系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有船舶上，因此受原船配電系統(tǒng)空間的影響，岸電系統(tǒng)控制單元采用獨立的岸電控制屏來實現(xiàn)(見圖1)。

2 施工方案設(shè)計

AMP系統(tǒng)安裝的目標船舶是中遠海運集團有限公司2012年投資建造的14 100 TEU集裝箱船“中海天王星”輪，該船入級DNV-GL。由于是改裝設(shè)計，因此AMP系統(tǒng)施工方案的主體設(shè)計思路是保持原船的系統(tǒng)及布置不變，利用原船建造時預(yù)留的AMP系統(tǒng)設(shè)備安裝空間，盡量減少改裝工作量。反復(fù)對新增加的AMP系統(tǒng)設(shè)備的布置及電纜的走向進行實船調(diào)研。此外，根據(jù)船舶所有人和規(guī)范的要求及船廠施工條件，并結(jié)合AMP系統(tǒng)設(shè)備的特性，制訂合理的施工方案。在船上確認設(shè)備安裝區(qū)域后，根據(jù)預(yù)定的方案對設(shè)備之間的電纜連接通道進行實地勘測，并結(jié)合實船的布置優(yōu)化電纜路徑。

2.1AMP系統(tǒng)設(shè)備布置

由于是在現(xiàn)有船舶上增加AMP系統(tǒng)設(shè)備，因此新設(shè)備的安裝及電纜敷設(shè)所需的空間尺寸必須嚴格把控，根據(jù)實船情況，并通過與船舶所有人、船廠及驗船師一起進行實地勘察，最終落實設(shè)備定位和電纜敷設(shè)路徑，確定最優(yōu)方案，確保施工方案的可行性和施工誤差的可控性。具體設(shè)備布置示意見圖2，施工方案要點如下。

2.1.1 中壓岸電纜車在A-DECK(E/R SPACE)甲板左舷/右舷露天區(qū)域的安裝

纜車防護屋有中壓通道和操作通道2條通道，通道內(nèi)部無連接，均直接通向甲板區(qū)域。若采取中壓岸電纜車橫向布置在甲板左/右區(qū)域，會導致中壓通道的側(cè)門距艙壁太近，不滿足規(guī)范對安全通道的最小寬度600 mm的要求[2]。經(jīng)與船檢部門、船舶所有人和船廠協(xié)調(diào)，對原防護屋進行改裝，在側(cè)壁上增加一部直梯，以滿足規(guī)范對通道的要求。 岸電纜車布置及安裝圖見圖3。

2.1.2 岸電連接配電板在A-DECK(E/R SPACE)甲板左舷AMP PANEL ROOM中的安裝

船舶在A-DECK甲板左舷和右舷各預(yù)留一間AMP PANEL ROOM，設(shè)備均為下進線，右舷的AMP PAENL ROOM下方為油漆間。考慮到油漆間為危險區(qū)域，設(shè)備的安裝和電纜的敷設(shè)均較難處理，因此將岸電連接配電板布置在左舷的AMP PANEL ROOM內(nèi)。在進行設(shè)備定位時，充分考慮設(shè)備操作方便、小車操作空間充足、泄壓通道設(shè)置合理和電纜接線方便等因素。

岸電連接配電板布置在左舷面臨的問題是電纜敷設(shè)非常困難。由于下方為應(yīng)急發(fā)電機室，原室內(nèi)電纜的走線已經(jīng)較多，容易產(chǎn)生電纜交錯和轉(zhuǎn)彎難的問題。該船主電纜采用錯位轉(zhuǎn)彎進線的方案，并對電纜敷設(shè)進行三維放樣，可成功解決上述難題。

在選擇穿艙件時，由于岸電連接配電板底部設(shè)有零序互感器，需考慮主干電纜的布置，解決電纜穿過零序互感器的問題。岸電連接配電板布置及安裝圖見圖4。

2.1.3 岸電控制屏在2TH-DECK的H/V MSB ROOM 內(nèi)的安裝

岸電控制屏主要對AMP系統(tǒng)設(shè)備進行集中控制。為方便AMP操作時觀察和控制電纜的連接，特將岸電控制屏安裝在中壓配電板的AMP接入屏附近。岸電控制屏的布置及安裝圖見圖5。

2.1.4 對原船中壓配電板的岸電接入屏的改造

岸電接入屏的改造只有在中壓配電板停止通電后才能進行。由于船舶停港期間所需岸電容量較大，船廠供電困難，岸電接入屏的改造面臨工期短、空間小和技術(shù)人員工作難等問題。在改造前必須對整個改造期間的施工次序進行合理的計劃，并對接入屏的高/低壓電纜通道進行貫通，只有如此，才能對屏內(nèi)實施有效改造。此外，高壓電纜通道還需考慮零序互感器的安裝和穿線方便等問題。 岸電接入屏的改造圖見圖6。

2.2中壓纜車區(qū)域船體結(jié)構(gòu)強度分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)受力分析

圖2中，在A甲板左舷和右舷分別安裝中壓岸電纜車，中壓岸電纜車由纜車和纜車防護屋組成，單個絞車的質(zhì)量為3.3 t，纜車和纜車防護屋總質(zhì)量以6 t計算。根據(jù)總布置情況，船體結(jié)構(gòu)左、右對稱，現(xiàn)對左舷進行強度計算。

依據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中有關(guān)集裝箱的受力與系固設(shè)備的計算[3]，作用在纜車和纜車防護屋上的受力分析見圖7。

(1) 作用在纜車和纜車防護屋上的橫向力Fy為

Fy=Gat+Q

(1)

式(1)中：G為集裝箱的總質(zhì)量,tf；at為橫向加速度，m/s2；Q=qA,kN;q為風壓;A為受風面積。

2) 作用在纜車和纜車防護屋上的縱向力Fx為

Fx=Ga1

(2)

式(2)中：G為集裝箱的總質(zhì)量，tf；al為縱向加速度，m/s2。

3) 作用在纜車和纜車防護屋上的垂向力Fz為

Fz=9.81G·cosφm+Gav

(3)

式(3)中：G為集裝箱的總質(zhì)量，tf；φm為最大橫搖角，rad；av為垂向加速度，m/s2。

2.2.2 有限元分析報告

纜車和纜車防護屋下面的船體基座見圖8，纜車防護屋與船體基座最外圍1圈焊接，纜車基座與圖8中的船體基座由16個M20的螺絲連接，有限元模型采用毫米建模(見圖9)。

載荷由纜車和纜車防護屋自身質(zhì)量及船舶運動各方向的加速度計算得出。自身質(zhì)量通過total load加載(約為588 600 kg),船舶加速度通過重心MPC點加載，X方向加速度為6.85 m/s2,Y方向的加速度為1.5 m/s2,Z方向的加速度為5.19 m/s2。計算結(jié)果見表1。

經(jīng)計算，岸電纜車和纜車防護屋下結(jié)構(gòu)強度已滿足要求。

2.2.3 螺栓受力分析

六角螺栓的規(guī)格為M20，螺栓組共有4組，每組有4個，等級為4.8，材料為45號鋼，屈服強度為320 N/mm2，螺栓公稱應(yīng)力截面積為245 mm2，岸電纜車質(zhì)量為3.3 t。

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》可計算出:螺栓組所受最大應(yīng)力為22.8 kN;單個螺栓拉應(yīng)力σ=23.27 N/mm2;單個螺栓的剪切應(yīng)力τ=0.82 N/mm2;單個螺栓的等效應(yīng)力σVM=23.31 N/mm2；單個螺栓的安全系數(shù)n=13.7>2,受力完全滿足要求。

應(yīng)力許用應(yīng)力/(N/mm2)實際應(yīng)力/(N/mm2)正應(yīng)力23511．5剪應(yīng)力1226．63

2.3 電纜敷設(shè)

規(guī)范要求中壓電纜轉(zhuǎn)彎半徑為12倍的電纜外徑，電纜敷設(shè)空間需求大，而該船由于空間極小，電纜敷設(shè)十分困難，施工難度較大。因此，采取合理的施工方案和施工工藝來優(yōu)化電纜走向及敷設(shè)，同時可減少船舶施工的工作量。

該船的低壓電纜主要利用原船的低壓通道敷設(shè)到相應(yīng)的設(shè)備上，而中壓電纜通道則需重新設(shè)計。在改造過程中，中壓電纜分左舷纜車至岸電連接配電屏、右舷纜車至岸電連接配電屏和岸電連接配電屏至AMP接入屏等3段敷設(shè), 設(shè)備均為下接線,電纜走向示意見圖13，AMP系統(tǒng)電氣圖見圖14。

2.3.1 左舷纜車至岸電連接配電屏

由左舷纜車中壓接線箱向下引至UPPER DECK ,經(jīng)DECK STORE到應(yīng)急發(fā)電機室,然后上引到A甲板AMP間岸電連接配電板(左舷岸電接入屏)。

2.3.2 右舷纜車至岸電連接配電屏

由右舷纜車中壓接線箱向下引至UPPER DECK ,經(jīng)DECK STORE、油漆間(穿管敷設(shè))、儲藏室、右風機室、機艙、左風機室到應(yīng)急發(fā)電機室,然后上引到A甲板AMP間岸電連接配電板(右舷岸電接入屏)。

2.3.3 岸電連接配電屏到AMP接入屏

由AMP間岸電連接配電板的岸電供電屏向下引至UPPER DECK ,經(jīng)左風機室和設(shè)備間到 3TH-DECK的發(fā)電機平臺,然后沿機艙開孔附近的原電纜托架(原電纜托架加層)直接敷設(shè)至AMP接入屏下，再向上引至AMP接入屏中壓接線處。

2.4施工工藝

AMP系統(tǒng)的各項施工工藝應(yīng)滿足規(guī)范要求、船廠施工質(zhì)量標準和船舶電纜敷設(shè)工藝等，基本工藝要求如下。

2.4.1 設(shè)備安裝基本工藝

根據(jù)設(shè)備底座圖，預(yù)先在車間制作纜車防護屋的底座。依據(jù)設(shè)備定位圖對底座進行定位固定，對設(shè)備進行定位時首先考慮安裝后是否方便操作、拆卸和檢修。此外，與舯線平行或垂直引入電纜的穿艙件用填料封閉；纜車防護屋內(nèi)、岸電連接配電板和岸電控制屏的前后應(yīng)鋪設(shè)防滑和耐油的絕緣墊。

2.4.2 電纜敷設(shè)基本工藝

電纜的走線應(yīng)盡可能地平直且易于檢修，電纜的敷設(shè)不應(yīng)破壞艙壁或甲板原有的防護性能及強度。油漆間電纜穿管系數(shù)(電纜外徑截面積的總和與管子的內(nèi)截面積之比)<0.4，低壓電纜的最小彎曲半徑大于等于電纜外徑的6倍。

中壓電纜與低壓電纜分隔開敷設(shè),且中壓電纜單獨敷設(shè)。中壓系統(tǒng)的電纜應(yīng)至少與低壓電纜相距50 mm敷設(shè)，中壓電纜的最小彎曲半徑應(yīng)大于等于電纜外徑的12倍。中壓電氣設(shè)備的金屬外殼均應(yīng)用銅質(zhì)軟導線可靠接地。中壓電纜引入電氣設(shè)備后，采用船檢部門認可的中壓電纜冷縮終端工藝(見圖15)。

2.4.3 設(shè)備和電纜的接地工藝

電氣設(shè)備可用專用多股黃綠導線接地，接地導線應(yīng)盡可能短，并直接連接到船體固定結(jié)構(gòu)或與船體相焊接的基座上。金屬護套電纜可把電纜從金屬護套中抽出，然后把金屬護套編成辮子狀，壓上銅接頭固定在接地柱上，在辮子根部用膠帶扎緊。成束電纜進入同一設(shè)備時，把幾根電纜金屬護套編成一根接地辮子來接地。

2.4.4 中壓接線工藝

冷縮終端工藝是利用冷縮管的收縮性，使冷縮管與電纜完全緊貼，同時用自黏帶密封端口，使其具有良好的絕緣和防水防潮效果。在中壓電力系統(tǒng)中，冷縮終端以其施工維護方便和供電可靠性高等特點得到廣泛應(yīng)用。冷縮終端制作是一項技術(shù)性較強的工作，需由專業(yè)人員嚴格按照工藝流程、工藝標準和設(shè)備標準要求來完成。該船上的AMP系統(tǒng)中壓電纜接頭采用的是3M公司的交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜適用的冷縮終端接頭工藝，其基本步驟如下。

(1) 中壓電纜預(yù)處理。將電纜校直、擦凈和端頭鋸齊。清除護套表面的污垢后，用專用砂紙打磨護套口下方50 mm處，將其清潔干凈，按圖示尺寸剝除外護套，留25 mm鋼鎧，在鋼鎧護套處保留10 mm的內(nèi)護套，其余剝除(根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定，其尺寸應(yīng)≥320 mm)。

(2) 安裝接地線。打磨鋼鎧后，用恒力彈簧將第1根接地編織線(較短的一根)固定在鋼鎧上，并用專用膠帶包覆恒力彈簧和襯墊層。待第1根接地線處理完成后，在其相背位置的三芯銅屏蔽帶的根部纏繞第2根接地線(較長的一根)，使其與三相銅屏蔽帶均相互接觸；同時，將其向下引出，用恒力彈簧將第2根接地線固定，并用半重疊繞包專用膠帶將恒力彈簧全部包住。

(3) 安裝三叉手套。首先用膠帶將鋼鎧、恒力彈簧和內(nèi)護套全部包??；然后將接地線平直放在護套口下方繞包的專用膠帶上，將接地線夾在中間，形成防水口；最后套入三叉手套至電纜的根部，分別收縮三叉手套，用專用膠帶將接地線沿電纜表面固定。

(4) 安裝冷縮直管。套入冷縮直管使其收縮，與三叉手指搭接至少15 mm，測量電纜頂部至冷縮管管口的距離，環(huán)切除多余的冷縮直管，確認兩者間的距離滿足冷縮終端管的安裝要求。

(5) 終端安裝準備。從電纜半導電層斷口往下量75 mm，用專用膠帶作冷縮終端的收縮基準標志；在銅屏蔽帶斷口處纏繞專用帶，防止損傷終端本體。

(6) 安裝接線端子。壓接安裝接線端子，清潔接線端子，磨去銳角和毛刺；在主絕緣端部做出倒角，使半導電層與絕緣層平滑過渡；打磨及清潔電纜主絕緣。在外半導電端口涂上硅脂，可起到潤滑、排除間隙和減少局部放電等作用。

(7) 安裝冷縮終端。套入冷縮式終端，定位在專用帶的收縮基準處并收縮到位；在接線端子上纏繞專用絕緣膠帶，使其外徑與主絕緣外徑接近。

2.5中壓電纜耐壓測試

電力電纜絕緣性能關(guān)系到電網(wǎng)的用電安全，通過電氣預(yù)防性試驗及時發(fā)現(xiàn)電纜故障是保證電力電纜安全運行的重要措施。為檢驗和保證中壓電纜的施工質(zhì)量及冷縮終端工藝，需在通電前對電纜進行耐壓試驗。中壓電纜的耐壓試驗一般分為直流電壓耐壓試驗和交流電壓耐壓試驗。根據(jù)試驗條件，該項目采用直流耐壓試驗，測試電壓應(yīng)≥4.2Uo(Uo為電纜額定電壓)，試驗電壓保持時間≥15 min。試驗完畢后，導體應(yīng)接地一段時間，以清除聚集的電荷。

3 結(jié) 語

AMP系統(tǒng)已成功安裝在14 100 TEU集裝箱船“中海天王星”輪上。雖然面臨改造工期短、施工難度大、電纜敷設(shè)難和調(diào)試條件欠缺等問題，但依托合理的施工方案、周密的工作計劃和科學的施工工藝，在確保施工安全的前提下，在有限的時間內(nèi)保質(zhì)保量地完成了AMP系統(tǒng)安裝工程。AMP系統(tǒng)的成功安裝充分證實了施工方案的合理性和重要性，同時充分展現(xiàn)了AMP系統(tǒng)的研發(fā)技術(shù)水平、施工方案的合理性及現(xiàn)場配合的綜合能力。在上海洋山港成功對AMP系統(tǒng)進行了船岸供電試驗，為“中海天王星”輪在港期間連續(xù)供電16 h，節(jié)省燃料約3.3 t，減少CO2排放約10 t，同時降低了硫化物、氮氧化物及噪聲等污染，岸電資費也低于燃油費用[4]。AMP系統(tǒng)的使用可取得顯著的節(jié)能減排效果和經(jīng)濟效益，對提高超大型集裝箱船關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化配套有著積極的意義。

[1] 袁亮,楊捷,顧璞,等. AMP系統(tǒng)在集裝箱船上的應(yīng)用研究[J].船舶與海洋工程,2013(3):46-49.

[2] DNV-GL.DNV GL Rules for Classification[S].2017.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].北京：中國船級社，2015.

[4] 林結(jié)慶,宋景霞. 港口船用岸電經(jīng)濟效益及投資模式[J].水運工程,2016(10):50-53.

ResearchandImplementationofAMPConstructionDesignonCSCLURANUS

LIUFeng,HEXin,ZHANGHuanren

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

shore power system to supply the power of ship during in port, as higher and higher to the sailing low carbon requirement, many developed countries have set up medium voltage The Alternative Marive Power(AMP) system can reduce exhaust emission in port. Along install with the terminal construction of medium voltage shore power system, there will be more and more ships to install AMP system. Introduce the construction design of the AMP system on CSCL Uranus, and hope to provide a reference for the construction design of similar projects in the future.

AMP; strength calculation; cold-shrink cable terminal; high-voltage insulation test

U653.95

A

2017-06-23

工信部“中壓大容量交流岸電系統(tǒng)國產(chǎn)化研制”項目(國研658C-6172)

劉 峰(1983—)，男，湖北荊州人，工程師，主要從事船舶電氣工程及研究。

1674-5949(2017)03-0021-08