15 000 t成品油船的高壓岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翁偉達(dá)

(招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海200137)

0 引言

2018年，國(guó)家交通運(yùn)輸部印發(fā)《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，對(duì)港口船舶的排放控制區(qū)地理范圍、污染物控制范圍、排放控制標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施時(shí)間、具體要求等提出詳細(xì)要求。同時(shí)，交通運(yùn)輸部頒布《深入推進(jìn)綠色港口建設(shè)行動(dòng)方案(2018—2022年)》，為我國(guó)港口向環(huán)境友好型的綠色港口轉(zhuǎn)型做了充分闡釋。

目前，國(guó)內(nèi)船舶?？扛劭跁r(shí)大多采用船舶發(fā)電機(jī)組滿足裝卸貨或生活用電需求，存在噪聲大、經(jīng)濟(jì)性差及環(huán)境污染大等缺點(diǎn)。為此，本文以15 000 t成品油船為研究對(duì)象，對(duì)高壓岸電系統(tǒng)的組成、設(shè)備參數(shù)、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)組成

船舶高壓岸電系統(tǒng)是指船舶在靠泊期間停用船上發(fā)電機(jī)，而改用陸地電源供電，以減少廢氣排放的船舶供電方式。該系統(tǒng)適用于額定電源(相間電壓)1 kV以上、15 kV及以下交流供電系統(tǒng)。 船舶高壓岸電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)見圖1。

1.1 船載裝置

船載裝置是安裝在船舶上用于連接岸電的設(shè)備，一般包括插頭/插座、岸電連接配電柜、高壓變壓器、岸電接入控制屏(通常組合在主配電板內(nèi))、岸電電纜和電纜管理系統(tǒng)。

①—港口高壓供電系統(tǒng)(包含變壓器)；②—港口高壓配電柜；

1.2 岸基裝置

岸基裝置是安裝在港口，向船舶提供岸電的設(shè)備。該裝置一般包括高壓配電柜、變壓器、變頻器(適用時(shí))和港口岸電插座箱。

1.3 電纜管理系統(tǒng)

典型的電纜管理系統(tǒng)是由電纜絞車、電纜長(zhǎng)度或張力自動(dòng)控制設(shè)備和相關(guān)儀表組成。船舶通過電纜管理系統(tǒng)收放岸電電纜，與岸上電源進(jìn)行連接。

1.4 等電位連接

等電位連接是指使導(dǎo)電部件之間電位基本相等的電氣連接。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 適用規(guī)范及附加標(biāo)志

(1)15 000 t成品油船設(shè)計(jì)、建造需滿足中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)、中華人民共和國(guó)海事局《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2011)等現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)則及其修改通報(bào)。

(2)該船高壓岸電系統(tǒng)需滿足IEC/ISO/IEEE 80005-1、中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2018)(第8篇-其他補(bǔ)充規(guī)定 第19章-交流高壓岸電系統(tǒng))等規(guī)范要求。

(3)該船應(yīng)取得CCS船級(jí)附加標(biāo)志：AMPS(Altemative Maritime Power Supply)。

2.2 主要設(shè)備參數(shù)確認(rèn)

港口的高壓岸電系統(tǒng)是建造方按照港口需求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造的，其船載設(shè)備必須與其匹配。經(jīng)過港口方面確認(rèn)，高壓岸電系統(tǒng)基本參數(shù)為：電壓AC6 600 V，頻率50 Hz，電網(wǎng)容量15 MVA。

岸基設(shè)備高壓配電柜和岸電插座箱由船東方面協(xié)調(diào)港口電氣部門進(jìn)行配套。

該船為國(guó)內(nèi)航行船舶，根據(jù)建造規(guī)格書要求電制為AC400 V、50 Hz、3相。

船舶停港狀態(tài)所需的容量：配置主發(fā)電機(jī)3臺(tái)，額定功率為550 kW；應(yīng)急兼停泊發(fā)電機(jī)1臺(tái)，額定功率為150 kW；經(jīng)過電力負(fù)荷估算，裝卸貨工況所需功率約為878.42 kW，可使用2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車運(yùn)行；船舶停港使用高壓岸電時(shí)負(fù)載功率約為880.59 kW。因此，使用總功率為1 000 kW的高壓岸電系統(tǒng)可以滿足實(shí)際需求。

根據(jù)岸基設(shè)備電制容量、船舶電制、船舶停港所需功率等，確認(rèn)高壓變壓器主要電氣參數(shù)如下：

初級(jí)側(cè)電壓AC6 600 V，次級(jí)側(cè)電壓AC400 V，相數(shù)3，頻率50 Hz，容量1 250 kVA(1 000 kW)。

岸電連接配電柜參數(shù)如下：電壓AC6 600 V，頻率50 Hz，相數(shù)3相。

電纜管理系統(tǒng)參數(shù)如下：電壓AC380 V、頻率50 Hz、相數(shù)3相。

電纜管理系統(tǒng)高壓電纜電壓等級(jí)：6/10 kV。

岸電接入屏參數(shù)如下：電壓AC400 V，功率1 000 kW，相數(shù)3相。

2.3 設(shè)計(jì)要求

(1)船舶和港口之間應(yīng)建立等電位連接，并且該連接不應(yīng)改變船舶配電系統(tǒng)的接地原理。

(2)高壓岸電和船舶電站之間的負(fù)載轉(zhuǎn)移通過短時(shí)并聯(lián)方式進(jìn)行，在主配電板內(nèi)部的電源管理系統(tǒng)中設(shè)置岸電供電模式，保證并聯(lián)運(yùn)行時(shí)岸電與發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)同步和控制負(fù)載轉(zhuǎn)移。

(3)船舶使用高壓岸電期間，至少1臺(tái)船舶主發(fā)電機(jī)處于備機(jī)狀態(tài)。一旦岸電電源發(fā)生故障，船舶發(fā)電機(jī)應(yīng)自動(dòng)啟動(dòng)并連接至主配電板，船舶功率管理系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(4)當(dāng)高壓岸電系統(tǒng)出現(xiàn)等電位連接斷開、電纜管理系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)、岸電系統(tǒng)控制和監(jiān)測(cè)線路故障、岸電連接插頭帶電拔出等情況時(shí)應(yīng)自動(dòng)觸發(fā)應(yīng)急切斷。應(yīng)急切斷應(yīng)設(shè)置在岸電連接配電柜、電纜絞車操作站、機(jī)艙集控室等關(guān)鍵位置。

(5)安全聯(lián)鎖：在岸電電纜接入船舶主配電板時(shí)應(yīng)滿足IEC 62271-200第5.3條要求的接地開關(guān)。當(dāng)岸電連接斷路器斷開時(shí)，接地開關(guān)應(yīng)保持接地。

(6)電纜管理系統(tǒng)：應(yīng)保證電纜上承受的機(jī)械應(yīng)力不超過允許的設(shè)計(jì)值；在電纜或?qū)Ь€連接的接線端上排除傳遞機(jī)械應(yīng)力的可能性；電纜出現(xiàn)過度拉伸時(shí)迅速斷開岸電連接斷路器。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 設(shè)備布置

在前期項(xiàng)目總圖已經(jīng)固化的背景下，增加一套高壓岸電系統(tǒng)，包括高壓電纜絞車、岸電連接配電柜、高壓配電柜、岸電接入控制屏等設(shè)備，設(shè)備的外形尺寸、安裝及操作要求需結(jié)合實(shí)際船舶情況進(jìn)行核實(shí)。設(shè)備的布置需協(xié)調(diào)船東、港口、船級(jí)社、總舾專業(yè)等各方面，系統(tǒng)高/低壓電力電纜、通訊及控制電纜的敷設(shè)路徑需協(xié)調(diào)生產(chǎn)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)專業(yè)等。

根據(jù)船東提供的船舶港口泊位、岸基高壓配電柜位置等信息，充分考慮船岸工作人員操作便利性，同時(shí)根據(jù)電纜絞車廠家提供的設(shè)備外形、重量、基座及放纜操作要求進(jìn)行綜合考慮，最終明確高壓電纜絞車布置在該船尾樓甲板右舷側(cè)。

根據(jù)高/低壓電氣設(shè)備隔離、高壓電纜的敷設(shè)要求，在船上單獨(dú)設(shè)置一間高壓變壓器室，將岸電連接配電柜、高壓變壓器等主要高壓設(shè)備集中布置，以減少高壓電纜的敷設(shè)長(zhǎng)度，避免過多的穿艙路徑，同時(shí)也有利于船員對(duì)高壓系統(tǒng)設(shè)備的操作和監(jiān)測(cè)。

岸電接入控制屏是通過連接高壓變壓器的次級(jí)，將 AC400 V電源通過主配電板主匯流排向船舶電網(wǎng)供電。從電源設(shè)計(jì)角度考慮，最優(yōu)方案是在主配電板上增加一屏，因?yàn)楣β使芾硐到y(tǒng)也集成在主配電板中，這樣更加有利于提供過載、短路、逆功率、接地故障保護(hù)及岸電供電狀態(tài)顯示及監(jiān)控功能。主配電板設(shè)置在船舶集控室內(nèi)。

高壓岸電系統(tǒng)港口和船舶的主要設(shè)備布置見圖2。

1—港口岸電電源箱；2—船舶高壓電纜絞車(含電纜管理

3.2 電纜選型

船岸間高壓岸電電纜應(yīng)符合IEC 80005-1號(hào)出版物附錄A或其他接受的標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

船岸間高壓岸電電纜布置在高壓電纜絞車上，該電纜具有高柔性和高抗拉的特點(diǎn)。船岸間高壓電纜主要包含高壓動(dòng)力電纜、接地電纜、控制電纜及光纖電纜。

(1)通過計(jì)算可以確定高壓動(dòng)力電纜規(guī)格，高壓岸電系統(tǒng)電制為AC6 600 V，1 250 kVA，通過公式=1732cos(為功率；為電壓；為電流；cos為功率因數(shù)，cos=0.8)，計(jì)算出電流值=109.3 A。查閱電纜樣本發(fā)現(xiàn)，3×70 mm高壓電纜在環(huán)境溫度45 ℃時(shí),電流載流量為169 A，能滿足使用要求。

(2)接地電纜：接地連接的電流承載能力應(yīng)不小于其他主連接額定電流。查閱電纜樣本后可知，1×50 mm接地電纜在環(huán)境溫度45℃ 時(shí)電流載流量為196 A，滿足使用要求。

(3)控制電纜：包含應(yīng)急停止、等電位監(jiān)測(cè)、接地監(jiān)測(cè)等信號(hào)，使用4×2.5 mm的控制電纜。

(4)船岸通訊的信號(hào)根據(jù)IEC 80005-2中相應(yīng)要求進(jìn)行設(shè)置，這些通訊內(nèi)容均可通過多模光纖電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，無線通信方式作為冗余。

最終確認(rèn)船岸間高壓岸電電纜由3×70 mm高壓動(dòng)力電纜、1×50 mm接地電纜、4×2.5 mm控制電纜、6F0(62.5/125 μm)通訊光纖電纜組成。

船岸間高壓岸電電纜長(zhǎng)度為100 m，其中10 m為電纜絞車上預(yù)留安全長(zhǎng)度，同時(shí)該電纜帶有插頭，并與港口岸電插座箱相匹配。

固定敷設(shè)的高壓電纜應(yīng)符合IEC 60092-353和IEC 60092-354出版物或其他等效的標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。船舶上固定敷設(shè)的高壓電纜規(guī)格為CYJ86/SC 3×70 mm。

高壓岸電系統(tǒng)船端所需低壓電力電纜、控制電纜及通訊電纜型號(hào)依據(jù)建造規(guī)格書要求進(jìn)行配置。高壓、低壓岸電系統(tǒng)電纜的部分參數(shù)見表1。

表1 高壓、低壓岸電系統(tǒng)電纜的部分參數(shù)

3.3 短路電流計(jì)算

高壓岸電供電期間，船舶配電系統(tǒng)中任何安裝點(diǎn)的預(yù)期短路電流不應(yīng)超過該點(diǎn)斷路器的短路分?jǐn)嗪徒油芰?。在采用斷電轉(zhuǎn)移負(fù)載的情況下，岸電容量一般小于船舶電站總?cè)萘浚虼税峨娺B接期間系統(tǒng)短路電流不會(huì)出現(xiàn)超過船舶配電系統(tǒng)最大短路電流的情況。故短路電流計(jì)算主要考慮岸電和一臺(tái)發(fā)電機(jī)組短時(shí)并聯(lián)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移時(shí)預(yù)期短路電流，參照IEC 60909系列出版物計(jì)算方法進(jìn)行，計(jì)算軟件采用ETEP 12.6.0版本。

首先確認(rèn)港口電網(wǎng)短路容量為15 MVA，高壓變壓器額定容量為1 250 kVA、阻抗為6%，高壓岸電工況總消耗功率為880 kW，等效電動(dòng)機(jī)設(shè)定為1 100 kVA。通過系統(tǒng)短路電流單線圖(見圖3)確認(rèn)岸電變壓器原邊、1號(hào)發(fā)電機(jī)組供電斷路器、AC380 V負(fù)載斷路器、AC230 V負(fù)載斷路器、應(yīng)急配電板負(fù)載斷路器等作為主要計(jì)算點(diǎn)，并收集相應(yīng)線路電纜長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

圖3 高壓岸電系統(tǒng)短路電流單線圖

通過計(jì)算軟件得出短路電流計(jì)算數(shù)值，計(jì)算結(jié)果顯示：高壓岸電系統(tǒng)的對(duì)稱短路電流和峰值短路電流均小于線路中配置斷路器的短路分?jǐn)嗪徒油芰?，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

(1)15 000 t成品油船在港口進(jìn)行岸電供應(yīng)時(shí)，高壓岸電系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)從環(huán)境保護(hù)上來看，高壓岸電系統(tǒng)的使用避免了船舶停港時(shí)使用發(fā)電機(jī)組，減少了廢氣排放，滿足了綠色港口的建設(shè)需求。

(3)從經(jīng)濟(jì)能效上來看，高壓岸電系統(tǒng)的使用可以合理利用電網(wǎng)的削峰填谷，減少了燃油費(fèi)用，降低了船東運(yùn)營(yíng)成本。