高壓岸電系統(tǒng)在40萬(wàn)t礦砂船上的應(yīng)用

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

采取岸電技術(shù)對(duì)港口的環(huán)保、節(jié)能都有著積極意義，尤其的高壓岸電技術(shù)，相比低壓岸電來(lái)說(shuō)，連接電纜數(shù)量少，操作簡(jiǎn)單，更被廣泛運(yùn)用[1]。本世紀(jì)初，歐美國(guó)家就開(kāi)始在各種類型的碼頭逐步應(yīng)用岸電技術(shù)。各大港口對(duì)于岸電技術(shù)的實(shí)施效果良好，船舶靠岸時(shí)的污染物的排放量平均減少95%[2]。國(guó)內(nèi)岸電技術(shù)在近10年得以應(yīng)用，特別是高壓岸電技術(shù)在最近幾年得到了飛速的發(fā)展。2017年，為了積極響應(yīng)國(guó)家頒布的《大氣污染防治法》，各種指南和方案的相繼發(fā)布，主要的目標(biāo)是到2020年，50%以上的已建的集裝箱船、郵輪、客滾船及5萬(wàn)t級(jí)以上干貨船等主要港口具備向船舶提供岸電的能力。

船舶岸電(alternative marine power,AMP)系統(tǒng)一般包含電纜絞車，岸電進(jìn)出柜，主配電板AMP接入屏，港口需要配備電纜插座箱和配電站[4]，見(jiàn)圖1。AMP系統(tǒng)分為低壓AC440 V和高壓AC6 600 V兩種，但高壓岸電系統(tǒng)具有連接電纜數(shù)量少，對(duì)接工作量小的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更加廣泛[5]。AMP系統(tǒng)根據(jù)安裝位置的不同可以分為岸基和船基兩種型式，岸基是指電纜絞車安裝在碼頭側(cè)，而船基是指電纜絞車安裝在船側(cè)[6-7]。

圖1 船舶岸電示意

岸基AMP系統(tǒng)分為固定式和可移動(dòng)式兩種，主要包括電纜絞車，控制箱，電纜連接單元，可伸縮臂裝置等，可移動(dòng)式還需要增加高壓電纜滾筒的可移動(dòng)滑移裝置。固定式的系統(tǒng)相對(duì)可移動(dòng)式的占用空間小，但可移動(dòng)式系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可以在碼頭隨意移動(dòng)，來(lái)適應(yīng)靠岸的船舶。岸基型的AMP系統(tǒng)一般適用于郵輪和客滾船的碼頭。

船基AMP系統(tǒng)分為固定式和半固定式兩種，主要包含電纜絞車，控制箱，高壓進(jìn)出柜，變壓器(如需要)等。固定式的系統(tǒng)通常會(huì)在左右舷各布置1臺(tái)電纜絞車，并配有各自對(duì)應(yīng)的高壓進(jìn)出柜，無(wú)論船舶在碼頭左靠或者右靠，都能由絞車將高壓電纜沿舷側(cè)放下后接至岸電插座箱，操作簡(jiǎn)單，快捷。固定式的系統(tǒng)適用于新造船，特別是散貨船，礦砂船等船型。半固定式的系統(tǒng)需要將整體系統(tǒng)安裝在一個(gè)集裝箱內(nèi)，并在左右舷側(cè)各增加1個(gè)電纜插座箱，用于連接低壓配電板。當(dāng)船舶靠碼頭時(shí)，由碼頭的吊車將此集裝箱移至合適位置，再由絞車放下高壓電纜接至岸電插座箱。相比固定式的系統(tǒng)，此系統(tǒng)操作相對(duì)復(fù)雜，但由于集裝箱船舶航線相對(duì)固定，一般將裝有AMP設(shè)備的集裝箱放置在碼頭，供整個(gè)船隊(duì)使用。集裝箱船或者改造船一般選用半固定式的系統(tǒng)[8-9]。

公司承接的40萬(wàn)t超大型礦砂船是國(guó)內(nèi)首艘安裝高壓岸電系統(tǒng)，需要取得DNV-GL的“SHORE POWER”附加船籍符號(hào)的船舶。

1 系統(tǒng)概述

40萬(wàn)噸超大型礦砂船配備的AMP系統(tǒng)電制為AC6 600 V,3 200 kVA，3PH,60 Hz,船岸之間能進(jìn)行不斷電裝換。由于船舶選用的電制是AC440 V,3PH,60 Hz,故整套系統(tǒng)由電纜絞車、高壓進(jìn)出柜、高壓變壓器及低壓配電板AMP接入屏四大部分組成，比常規(guī)系統(tǒng)多一個(gè)高壓變壓器，高壓岸電系統(tǒng)的單線圖詳見(jiàn)圖2。

其中電纜絞車布置在船舶靠近艉部上建的左舷，高壓進(jìn)出柜和變壓器布置在主甲板機(jī)艙棚AMP專屬艙室，AMP接入屏布置在集控室低壓主配電板內(nèi)，布置圖詳見(jiàn)圖3。通過(guò)電力負(fù)荷計(jì)算，礦砂船在裝卸貨時(shí)需要的最大電量為2 063 kW，現(xiàn)AMP系統(tǒng)選用的容量為3 200 kVA(2 560 kW)，能滿足船舶靠岸的用電量。

圖2 高壓岸電系統(tǒng)單線

圖3 高壓岸電系統(tǒng)布置

2 高壓電纜選用

高壓岸電是通過(guò)1根組合電纜連接岸端和船端，從而達(dá)到供電的目的，此電纜具有高柔性和高抗拉的特點(diǎn)，其中電纜規(guī)格和長(zhǎng)度的選擇需要通過(guò)計(jì)算來(lái)得出。首先是電纜規(guī)格的選擇，此組合電纜主要包括高壓動(dòng)力電纜、接地電纜、控制電纜及光纖電纜。通過(guò)計(jì)算得到高壓動(dòng)力電纜規(guī)格，AMP系統(tǒng)電制為AC6 600 V,3 200 kVA，由此可以計(jì)算出電流值。

3×185 mm2高壓電纜在環(huán)境溫度45 ℃時(shí)，電流載流量為309 A，能滿足要求。最終選用的通岸電纜規(guī)格為3×185+2×50+(4×2.5)C+6FO(62.5/125)μm。為了能和岸端的插座箱匹配，高壓電纜的通岸端都會(huì)安裝插頭，便于快速連接，插頭和插座都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需要滿足IEC62613-1和IEC62613-2的要求。

高壓電纜長(zhǎng)度的選擇首先按照精確定位的方法計(jì)算電纜長(zhǎng)度，一般是需要三維坐標(biāo)上的距離相加，X軸方向?yàn)榇巴２春笄昂髣?dòng)態(tài)調(diào)整距離，Y軸方向?yàn)榇男蜕顪p去最小吃水和碼頭和水面的距離Z軸方向?yàn)榇半x岸電插座箱的距離，見(jiàn)圖4。

其中X一般為5 m左右，Y=型深-吃水-碼頭離水面=30-12-2=16 m，Z一般為3 m，可以得出電纜精確長(zhǎng)度L=X+Y+Z=24 m。為了能同時(shí)滿足船舶左靠或者右靠，一般1個(gè)泊位上會(huì)安裝2個(gè)電纜插座箱，大概布置在對(duì)應(yīng)船舶上建附近，但插座箱的位置不可能正好和絞車在同一水平面上，所以需要留有一定余量用于調(diào)節(jié)插座箱和絞車在X軸方向的距離。最終選擇的電纜長(zhǎng)度為60 m+10 m的方案，其中10 m為留在絞車上的安全長(zhǎng)度。

圖4 高壓電纜計(jì)算示意

3 SHORE POWER的特殊要求

各大船級(jí)社對(duì)高壓岸電都有相關(guān)的規(guī)范和對(duì)應(yīng)的附加符號(hào)，例如,ABS和BV的附加符號(hào)都是“HVSC”，CCS的附加符號(hào)為“AMPS”。本公司建造的40萬(wàn)t超大型礦砂船是國(guó)內(nèi)需要取得DNV-GL的“SHORE POWER”附加符號(hào)的首制船，AMP系統(tǒng)需要滿足DNV-GL的Pt6 Ch29“Electrical Shore Connections”要求。船級(jí)社規(guī)范對(duì)AMP系統(tǒng)需要提供相關(guān)文檔，基本功能，斷路器，絞車，聯(lián)鎖，應(yīng)急切斷，控制監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)等方面都做了詳細(xì)的要求。其中應(yīng)急切斷和高壓電纜耐壓試驗(yàn)和其他船級(jí)社相比有特殊之處[10]。

關(guān)于應(yīng)急切斷系統(tǒng)，根據(jù)Pt.6 Ch29 sec.2 C Emergency disconnection中的要求，在電纜絞車、高壓柜及低壓配電板三側(cè)都需要有應(yīng)急停止按鈕用于同時(shí)斷開(kāi)高壓和低壓側(cè)的斷路器，并要求直接斷開(kāi)，不能通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換在實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)在電纜絞車側(cè)需要一個(gè)應(yīng)急停止按鈕，并有單獨(dú)的電纜分別接至高壓柜和低壓配電板，用于斷開(kāi)斷路器。在高壓柜和低壓配電板側(cè)同樣也需要提供應(yīng)急停止按鈕用于給出切斷信號(hào)分別至高壓和低壓側(cè)的斷路器，系統(tǒng)組成見(jiàn)圖5。

圖5 AMP應(yīng)急切斷系統(tǒng)

相對(duì)于其他船級(jí)社，DNV-GL要求應(yīng)急切斷信號(hào)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的輸出，用獨(dú)立電纜連接，不允許借用電纜或者信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

DNV-GL關(guān)于高壓電纜的耐壓試驗(yàn)要求跟其他船級(jí)社有所不同，其他船級(jí)社要求在控制屏側(cè)將所有電纜的芯線扎在一起后接至高壓測(cè)試儀，在電纜導(dǎo)體與電纜屏蔽間施加直流測(cè)試電壓，保持15 min，見(jiàn)圖6。

圖6 高壓電纜耐壓試驗(yàn)示意(其他船級(jí)社)

但DNV-GL的要求是選擇一相電纜芯線，將同一電纜的其余兩相導(dǎo)體及屏蔽層扎在一起，在電纜單獨(dú)一相導(dǎo)體與另外兩相導(dǎo)體連帶屏蔽間施加直流測(cè)試電壓，保持15 min，見(jiàn)圖7。這種耐壓試驗(yàn)的方法更易測(cè)出單相導(dǎo)體的絕緣情況。

圖7 高壓電纜耐壓試驗(yàn)示意(DNV-GL)

4 優(yōu)化建議

40萬(wàn)t礦砂船主要用于從巴西向中國(guó)運(yùn)輸?shù)V砂，在設(shè)計(jì)之初，中國(guó)和巴西還未建成可以提供高壓岸電并能停泊40萬(wàn)t礦砂船的港口，為了降低建造成本，只在船舶左舷布置了電纜絞車，所以只能在左靠的泊位上才能連接岸電。為了彌補(bǔ)此缺陷，在船舶右舷預(yù)留了安裝電纜絞車的空間，為后續(xù)改造提供了便利。后續(xù)用于運(yùn)輸?shù)V砂的32.5萬(wàn)t礦砂船選用了左右舷都布置電纜絞車的方案，能靈活選擇泊位。由于這家船東營(yíng)運(yùn)的礦砂船隊(duì)船舶數(shù)量多，航線固定，可以考慮選用半固定式的方案，將岸電集裝箱存放在碼頭，供整個(gè)船隊(duì)共同使用，這樣可以降低整個(gè)船隊(duì)的建造成本。