帶RCP入級符號的集裝箱船配電系統(tǒng)設計

陳俊杰，夏 駿，周祎隆

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引 言

近些年來，隨著大型和超大型集裝箱船的國際市場逐漸飽和，小型集裝箱船開始受到越來越多船東的關(guān)注。隨著冷鏈運輸需求量逐漸增大，小型集裝箱船上的冷藏集裝箱（以下簡稱“冷箱”）數(shù)量逐漸增多，對冷箱可靠性的要求越來越高。目前已有船東在集裝箱船的入級符號中增加 RCP（Refrigerated Container Stowage Positions）入級符號，以提高市場競爭力。RCP入級符號的增加對船舶電氣設計的影響較大。本文基于某2700TEU集裝箱船項目，重點介紹RCP入級符號的設計要求和該項目所采用的設計方案。

1 RCP入級符號的意義和表示形式

在德國勞氏船級社（Germanischer Lloyd，GL）規(guī)范[1]中關(guān)于RCP入級符號的章節(jié)中，對冷箱和為冷箱服務的風機等設備的供電、監(jiān)測及報警提出了更高的要求，即增加RCP入級符號的意義在于提高船上特定位置處冷箱的可靠性。入級符號以RCP xxx/xx的形式表示，其中：斜線前的數(shù)字表示帶RCP入級符號的冷箱總數(shù)；斜線后的數(shù)字表示裝載生鮮貨物的冷箱占冷箱總數(shù)的百分比，其余為深凍貨物。

該2700TEU集裝箱船中冷箱數(shù)量為600個。由于該船電站容量的限制，結(jié)合船東要求，帶RCP入級符號的冷箱總數(shù)只有500個，即入級符號為RCP 500/50。

2 兩類集裝箱船配電設計比較

2.1 配電設計概貌

以某4800TEU常規(guī)集裝箱船為例，該船配置4臺發(fā)電機（2臺2200kW，2臺1420kW）；配有600個冷箱，分別由14個冷箱電力分電箱供電（1～7號分電箱由主配電板1號AC440V饋電屏直接供電；8～14號分電箱由主配電板2號AC440V饋電屏直接供電）。該船電力一次系統(tǒng)單線圖見圖1。

圖1 4800TEU集裝箱船電力一次系統(tǒng)單線圖

2700TEU集裝箱船帶有入級符號RCP500/50，配置4臺發(fā)電機（單臺1880kW）。該船電力一次系統(tǒng)單線圖見圖2。

2.2 發(fā)電機容量選取[2]

在電站設計方面，由于冷箱功率消耗的差異，帶有RCP入級符號的集裝箱船與常規(guī)船型在發(fā)電機的選取上有所不同。

上述4800TEU集裝箱船作為常規(guī)帶冷箱的集裝箱船，在正常航行時平均每個冷箱的功率消耗通常通過與船東協(xié)商來確定。該船共有600個冷箱，單個冷箱的功率為6.18kW；配置4臺發(fā)電機（2臺2200kW，2臺1420kW），在正常航行時運行2臺2200kW的發(fā)電機和1臺1420kW的發(fā)電機。冷箱總功率為3708kW，其他船用設備的功率為1384.5kW，發(fā)電機負荷率為87.5%。

對于該27000TEU集裝箱船，對帶有RCP入級符號的冷箱的供電有強制的最低功率要求。GL規(guī)范要求，不同數(shù)量的冷箱和生鮮/深凍貨物的占比對應不同的功率要求。圖3為40ft（1ft=0.3048m）冷藏集裝箱電站及分配電系統(tǒng)的功率需求。由圖3可知，單個冷箱的功率消耗為7.85kW。該船若需裝載500個以上的冷箱（最多600個），與船東約定，單個冷箱的功率為6kW，該工況所需電站容量是小于RCP入級符號對應的容量的，因此在設計時應考慮功率較大者。冷箱的總功率為 3925kW，其他船用設備的功率為1291kW。選用4臺額定功率為1880kW的發(fā)電機，在正常航行時運行3臺，發(fā)電機的負荷率為92.49%。

圖2 2700TEU集裝箱船電力一次系統(tǒng)單線圖

圖3 40ft冷藏集裝箱電站及分配電系統(tǒng)的功率需求

由圖3可知，功率值是隨著冷箱數(shù)量的增加階躍式增加的，當冷箱數(shù)量取501個時，單個功率即可以7.5kW計算，總功率為3757.5kW。

因此，在計算電力負荷時使用RCP 501/50所得功率值反而比使用RCP 500/50降低了167.5kW。由此，電站容量配置方案可做進一步優(yōu)化（見表1）。

此外，在進港工況和出港工況下2種船型均無備用發(fā)電機。對于帶RCP入級符號的集裝箱船，切除部分帶RCP入級符號的冷箱的做法是不允許的，其電站容量應滿足所有帶RCP入級符號的冷箱在網(wǎng)時的總用電負荷；對于不帶RCP入級符號的集裝箱船，切除部分冷箱來滿足電力負荷是允許的（見表2）。

2.3 變壓器的選取

對于常規(guī)集裝箱船，冷箱電力分電箱由主配電板直接供電，電力分電箱給冷箱插座提供電力。

對于帶RCP入級符號的集裝箱船，規(guī)范要求冷箱插座的供電需與船用電源電隔離[3]。對于采用中壓系統(tǒng)（如 6.6kV）的大型集裝箱船而言，一般會設置降壓變壓器，兼做隔離變壓器[4]。然而，對于小型集裝箱船而言，主電站系統(tǒng)的電壓等級為AC440V，若沒有特殊要求，通常不設置專門的隔離變壓器。因此，對于帶RCP入級符號的采用有低壓系統(tǒng)的小型集裝箱船，需配置冷箱專用的隔離變壓器和配電板。該類型船的單線圖如圖2所示。

表1 正常航行工況下3種方案的電力負荷對比

表2 進港和出港工況下2種方案的設計差異

該船共配置4臺AC450V/AC450V的隔離變壓器，其中：1號冷箱隔離變壓器為1～4號冷箱電力分電箱共158個冷箱供電；2號冷箱隔離變壓器為5～8號冷箱電力分電箱共164個冷箱供電；3號冷箱隔離變壓器為9～10號冷箱電力分電箱共76個冷箱供電；4號冷箱隔離變壓器為11～13號冷箱電力分電箱共102個冷箱供電。根據(jù)船檢機構(gòu)對圖3的解釋，隔離變壓器的容量應根據(jù)“分配電系統(tǒng)”線計算，即單個冷箱的功率應以9.875kW計算。隔離變壓器容量計算結(jié)果見表3。

表3 隔離變壓器容量計算結(jié)果

最大的2臺隔離變壓器的容量分別為2300kV.A和2200kV.A，而單臺發(fā)電機的容量為1880kW，已相當于一整臺發(fā)電機的容量。為避免隔離變壓器開關(guān)合閘時電站崩潰，為隔離變壓器配置勵磁變壓器[5]，在開關(guān)合閘之前進行預充磁，以減小合閘時的沖擊電流（如圖2中的1ET和2ET所示）；同時，在操作說明書中注明需至少有2臺發(fā)電機在網(wǎng)時才合閘。稍小的2臺隔離變壓器的容量為1600kV.A和1100kV.A，采用直接合閘的方式，但也至少有2臺發(fā)電機在網(wǎng)時才可合閘。

2.4 冷箱供電集中控制

GL規(guī)范要求船舶在失電之后能在一個“集中控制位置”[6]逐步恢復對冷箱的供電。

該船的集中控制位置設置在貨艙區(qū)域的一個設備間內(nèi)，設備間內(nèi)布置有隔離變壓器和冷箱配電板，冷箱配電板上設置有變壓器遙控合閘按鈕，從而滿足失電之后在設備間逐步恢復對冷箱供電的要求。

出于便利性考慮，通常會將機艙集控室作為集中控制位置。該船之所以選擇其他位置作為集中控制位置，主要是因為：

1) 機艙和集控室空間有限，機艙無法布置4臺大容量隔離變壓器，集控室無法布置4塊冷箱配電板；

2) 4臺大容量變壓器的散熱量超過機艙風機的散熱能力。

因此，在與其他專業(yè)人員和船廠多次溝通之后，最終將隔離變壓器和冷箱配電板布置到了貨艙區(qū)域。

上述布置有一定的局限性。貨艙區(qū)域的設備間并非專門的控制室，通常不會有人值班。當有故障發(fā)生、需調(diào)整冷箱運行工況或檢修冷箱分電箱的開關(guān)時，只能到位于貨艙區(qū)域的設備間去操作，不方便對冷箱供電的集中控制。因此，建議在設計帶有RCP入級符號的集裝箱船時，考慮在機艙預留足夠的隔離變壓器布置區(qū)域，并在集控室預留冷箱配電板的布置空間，與主配電板做成一體，將機艙集控室設為冷箱供電的“集中控制位置”，從而實現(xiàn)在集控室更便利、更可靠地對冷箱供配電進行控制。

3 帶RCP入級符號的報警設計

根據(jù)規(guī)范要求，在顯示、監(jiān)測和報警方面，有以下幾點強制要求：

1) 每個為冷箱供電和為其服務的貨艙風機供電的分電箱都應設有就地電源指示燈。

2) 超過150個冷箱的帶RCP入級符號的集裝箱船應配有冷箱監(jiān)測系統(tǒng)。帶有冷箱的集裝箱船通常會配置該系統(tǒng)；帶有RCP入級符號的集裝箱船應強制配備該系統(tǒng)。

3) 每個冷箱分電箱和為貨艙風機供電的分電箱都應能發(fā)出失電故障信號。

4) “3)”中所有報警應均有就地顯示和在控制站顯示，并接入全船報警系統(tǒng)。

5) 規(guī)范強制要求的報警信號會比常規(guī)集裝箱船多一些，在設計時應注意。

4 結(jié) 語

對于帶RCP入級符號、采用低壓配電的小型集裝箱船，應考慮以下問題：

1) 根據(jù)入級符號，合理選取冷箱功率值，確定電站容量；

2) 根據(jù)冷箱布置和冷箱電力分電箱的分配，合理選取隔離變壓器，對于大容量的隔離變壓器，應考慮其合閘時對電網(wǎng)的沖擊；

3) 在項目前期設計階段，提前考慮并預留冷箱供配電設備的布置空間；

4) 滿足規(guī)范對指示和報警信號的強制要求。